JPH0759048B2

JPH0759048B2 - オートフォーカス装置

Info

Publication number: JPH0759048B2
Application number: JP62164382A
Authority: JP
Inventors: 勝日高; 弘嗣村島
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1987-06-30
Filing date: 1987-06-30
Publication date: 1995-06-21
Anticipated expiration: 2010-06-21
Also published as: JPS648771A

Description

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は、撮像素子から得られる映像信号を基に、焦点
の自動調整を行うビデオカメラのオートフォーカス回路
に関する。

（ロ）従来の技術ビデオカメラのオートフォーカス回路において、撮像素
子からの映像信号自体を焦点制御状態の評価に用いる方
法は、高い合焦精度を維持でき、構造上の簡略化等、他
のオートフォーカス方式に比べ優れた点が多い。

従来、このオートフォーカス方法の一例が、“NHK技術
報告”（昭和40年、第17巻、第１号、通巻86号21ペー
ジ）に「山登りサーボ方式によるテレビカメラの自動焦
点調節」として述べられている、所謂山登りサーボが知
られている。

また本出願人は、この山登りサーボを大幅に改良した一
例を、昭和62年３月４日付で特願昭62−49512号として
提案している。以下にこの先願技術の骨子を第２図、第
３図を参照に説明する。

第２図は上記出願に係るオートフォーカス回路の全体の
回路ブロック図である。レンズ（１）によって結像され
た画像は、撮像素子を含む撮像回路（４）によって映像
信号となり、焦点評価値発生回路（５）に入力される。

この焦点評価値発生回路（５）は、例えば第３図に示す
様に構成される。撮像映像信号より同期分離回路（5a）
によって分離された垂直同期信号、水平同期信号は、サ
ンプリングエリアを設定するためにゲート制御回路（5
b）に入力される。ゲート制御回路（5b）では、垂直同
期信号、水平同期信号及び固定の発振器出力に基いて、
画面中央部分に長方形のサンプリングエリアを設定し、
このサンプリングエリアの範囲のみの輝度信号の通過を
許容するゲート開閉信号をゲート回路（5c）に供給す
る。

ゲート回路（5c）によってサンプリングエリアの範囲内
に対応する輝度信号のみが、高域通過フィルター（HP
F）（5d）を通過して高域成分のみが分離され、次段の
検波回路（5e）にて振幅検波される。この検波出力は積
分回路（5f）でフィールド毎に積分されて、A/D変換回
路（5g）にてディジタル値に変換されて、現フィールド
の焦点評価値が得られる。前述の様に構成された焦点評
価値発生回路（５）は、常時１フィールド分の焦点評価
値を出力する。

オートフォーカス動作開始直後に、最初の焦点評価値は
最大値メモリ（６）と初期値メモリ（７）に保持され
る。その後、フォーカスモータ制御回路（10）は、フォ
ーカスモータ（３）を予め決められた方向に回転させ
て、受光レンズ（１）を支持するフォーカスリング
（２）を回動させ、受光レンズ（１）を軸方向に変位さ
せ第２比較器（９）出力を監視する。第２比較器（９）
は、フォーカスモータ駆動後の焦点評価値と初期値メモ
リ（７）に保持されている初期評価値を比較し、その大
小を出力する。

フォーカスモータ制御回路（10）は、第２比較器（９）
が大または小という出力を発するまで、最初の方向にフ
ォーカスモータ（３）を回転せしめ、現在の焦点評価値
が初期評価値に比べ大であるという出力が為された場合
にはそのままの回動方向を保持し、現在の評価値が初期
評価値よりも所定変動幅以上に小さいと判断された場合
には、フォーカスモータ（３）の回転方向に逆にして、
第１比較器（８）出力を監視する。

第１比較器（８）は、最大値メモリ（６）に保持されて
いる今までの最大の焦点評価値と現在の評価値を比較
し、現在の焦点評価値が最大値メモリ（６）の内容に比
べて大きい（第１モード）、予め設定した第１の閾値以
上に減少した（第２モード）の２通りの比較信号（S1）
（S2）を出力する。ここで最大値メモリ（６）は第１比
較器（８）出力に基いて、現在の評価値が最大値メモリ
（６）の内容よりも大きい場合には、その値が更新さ
れ、常に現在までの焦点評価値の最大値が保持される。

（13）はフォーカスレンズ（１）を支持するフォーカス
リング（２）の位置を指示するフォーカスリング位置信
号を受けて、フォーカスリング位置を記憶するモータ位
置メモリであり、最大値メモリ（６）と同様に第１比較
器（８）出力に基いて最大評価値となった場合のフォー
カスリング位置を常時保持する様に更新される。

フォーカスモータ制御回路（10）は、第２比較器（９）
出力に基いて決定された方向にフォーカスモータ（３）
回転させながら、第１比較器（８）出力を監視し、焦点
評価値が最大評価値に比べて予め設定された第１の閾値
より小さいという第２モードが指示されると同時にフォ
ーカスモータ（３）は逆転される。このフォーカスモー
タ（３）の逆転により、受光レンズ（１）の移動方向
は、例えば撮像素子に接近する方向から離間する方向
へ、あるいはその逆に離間する方向から接近する方向に
変わる。

この逆転後、モータ位置メモリ（13）の内容と、現在の
フォーカスリング位置信号とが第３比較器（14）にて比
較され、一致した時、即ちフォーカスリング（２）が焦
点評価値が最大となる位置に戻った時に、フォーカスモ
ータ（３）を停止させる様にフォーカスモータ制御回路
（10）は機能する。同時にフォーカスモータ制御回路
（10）はレンズ停止信号（LS）を出力する。

（11）はフォーカスモータ制御回路（10）によるオート
フォーカス動作が終了して、レンズ停止信号（LS）が発
せられると同時に、その時点での焦点評価値が保持され
る第４メモリであり、後段の第４比較器（12）でこの第
４メモリ（11）の保持内容は現在の焦点評価値と比較さ
れ、現在の焦点評価値が第４メモリ（11）の保持内容に
比べ、予め設定された第２の閾値以上に小さくなった時
に、被写体が変化したと判断され、被写体変化信号が出
力される。フォーカスモータ制御回路（10）はこの信号
を受けると、再びオートフォーカス動作をやり直して被
写体の変化に追随する。

（ハ）発明が解決しようとする問題点上述のオートフォーカスシステムは、合焦精度、広範囲
な被写体情報への対応性に優れているが、以下に示す欠
点を有している。

この欠点を第４図に従って説明する。合焦位置（Ｐ）よ
り十分に離れた位置（Ａ）よりオートフォーカス動作を
開始すると、焦点評価値が小さく、大ボケ状態にある位
置（Ａ）よりフォーカスモータ（３）はレンズ位置（レ
ンズと被写体との距離、即ち被写体距離）が大きくなる
方向に回転し、焦点評価値は急激に上昇し、位置（Ｂ）
付近に達する焦点評価値の上昇が緩やかになり、更に合
焦位置（Ｐ）を通過して第１の閾値以上評価値の落ち込
みが生じる位置（Ｐ′）に達し、この位置（Ｐ′）より
合焦位置（Ｐ）に戻って停止する。この一連のオートフ
ォーカス動作は高速で為される程、都合が良く、特に各
比較器による判断に要する時間を削減すると誤動作が生
じ易くなるため、高速なオートフォーカス動作を実現す
るためには、実質的にはフォーカスモータ（３）による
レンズの移動を高速で行う、即ちフォーカスモータ
（３）を高速回転させることにより可能となる。ところ
が、位置（Ｂ）→（Ｐ′）→（Ｐ）の移動過程では焦点
評価値の変動が微少であるため、位置（Ｐ′）でのモー
タ逆転時、あるいは位置（Ｐ）でのモータ停止時にモー
タ自体の慣性によりオーバーランが生じるのは不可避で
あり、モータが高速である程、このオーバーランが大き
くなり、却って合焦位置（Ｐ）に到達するまでの時間を
要することになる。従ってフォーカスモータ（３）の回
転速度は余り高速にはできず、フォーカスモータ（３）
の回転速度が常に一定に保持されている前記先願技術で
は、高速なオートフォーカス動作は困難となる。

（ニ）問題点を解決するための手段本発明は、撮像映像信号の高域成分レベルとして出力さ
れる焦点評価が、最大値となる位置にてフォーカスレン
ズを停止させることによりオートフォーカス動作を行な
わせるに当り、焦点評価値がレンズ位置に対して急峻な
変化を示す第１焦点評価値検出手段と、レンズ位置に対
して緩やかな変化を示す第２焦点評価値検出手段の２種
類の焦点評価値検出手段を１フィールド毎に交互に用い
て、これら２種類の焦点評価値の相対比を常に監視し、
この相対比が一定の設定値を越えることにより、フォー
カスレンズの移動速度を切換えて合焦動作を行なわせる
ことを特徴とする。

（ホ）作用本発明は上述の如く構成したので、合焦位置から離れた
位置では、レンズが高速で移動され、合焦位置付近では
レンズの移動が低速に切換わり、高速でしかも安定なオ
ートフォーカス動作が可能となる。

（ヘ）実施例以下、図面に従い本発明の一実施例について説明する。
尚、前記先願技術と同一部分には同一符号を付して、説
明を割愛する。

第１図は本実施例によるオートフォーカス回路の回路ブ
ロック図である。

レンズ（１）によって結像された画像は、撮像素子を有
する撮像回路（４）によって輝度信号となり、第１、第
２フィルター回路（15）、（16）に入力される。両フィ
ルター回路（15）、（16）はどちらも輝度信号の高周波
成分のみを抜き出すハイパスフィルター（H,P,F）であ
るが、第１フィルター回路（15）は第２フィルター回路
（16）に比してより高いカットオフ週波数を有してい
る。具体的には第１フィルター回路（15）のカットオフ
周波数は500KHz、第２フィルター回路（16）のそれは10
0KHzに設定している。フィルター回路（15）及び（16）
の出力はフォーカスモータ制御回路（10）によって制御
されるスイッチ回路（評価値選択手段）（17）に入力さ
れて、交互に積算回路（18）に入力される。積算回路
（18）は従来例の第３図で示した検波回路（5e）、積分
回路（5f）、A/D変換回路（5g）を一括して示したもの
である。またフィルター回路（15），（16）は第３図の
HPF（5d）に対応している。この結果第１フィルター回
路（15）、スイッチ回路（17）、積算回路（18）で第１
の焦点評価値発生回路が構成され、第２フィルター回路
（16）、スイッチ回路（17）、積算回路（18）で第２の
焦点評価値発生回路が構成される。

第１の焦点評価値発生回路は、カットオフ周波数が第２
の焦点評価値発生回路に比して高いので、その出力であ
る第１焦点評価値は、第２の焦点評価値発生回路からの
第２焦点評価値に比べて、第５図の様に山の形が急峻に
なっている。

積算回路（18）の出力はスイッチ回路（19）に入力され
る。スイッチ回路（19）はスイッチ回路（17）と同様に
フォーカスモータ制御回路（10）によって、第１焦点評
価値発生回路の出力は第１合焦検出回路（20）に、第２
焦点評価値発生回路の出力は第２合焦検出回路（21）に
各々入力される。

合焦検出回路（20）、（21）は具体的には第７図に示し
た構成を有するものであり、その詳細は例えば特願昭61
−273212号に記載されているので、ここではその大略を
述べるに留める。

合焦動作開始直後に得られた最初の焦点評価値が最大値
メモリ（20a）と初期値メモリ（20b）に保持される。そ
の後、フォーカスモータ制御回路（10）がフォーカスモ
ータ（レンズ移動手段）（３）を予め決められた方向に
回転して、第２比較器（20d）出力を監視する。尚、こ
のフォーカスモータ（３）の回転によりレンズ（１）が
光軸方向に進退する。第２比較器（20d）はフォーカス
モータ駆動後の焦点評価値と初期値メモリ（20b）に保
持されている初期評価値を比較し、その大小を出力す
る。

フォーカスモータ制御回路（10）は第２比較器（20d）
が大または小という出力を発するまで最初の方向にフォ
ーカスモータ（３）を回転せしめ、現在の焦点評価値が
初期の評価値よりも大であるという出力がなされた場合
には、そのままの回転方向を保持し、現在の評価値が初
期評価値より小である場合にはフォーカスモータ（３）
の回転方向を逆にして、第１比較器（20c）の出力を監
視する。

第１比較器（20c）は最大値メモリ（20a）に保持されて
いる今までの最大の焦点評価値と現在の評価値を比較
し、現在の焦点評価値が最大値メモリ（20a）の内容に
比べて大きい（第１モード）、充分（第１の閾値分よ
り）小さい（第２モード）の２通りの比較信号（S1）
（S2）を出力する。ここで最大値メモリ（20a）は、第
１比較器（20c）の出力に基づいて、現在の評価値が最
大値メモリ（20a）の内容よりも大きい場合にはその値
が更新され常に現在までの評価値の最大値が保持され
る。

（20e）はレンズ（１）を支持するフォーカスリング
（２）の位置を指示するフォーカスリング位置信号を受
けて、フォーカスリング位置を記憶するモータ位置メモ
リであり、最大値メモリ（20a）と同様に第１比較器（2
0c）の出力（S1）に基いて、最大評価値となった場合の
フォーカスリング位置を常時保持する様に更新される。

フォーカスモータ制御回路（10）は、第２比較器（20
d）出力に基いて決定された方向にフォーカスモータ
（３）に回転させながら、第１比較器（20c）出力を監
視し、評価値の雑音による誤動作を防止するために、第
１比較器（20c）出力にて現在の評価値が最大比較値よ
り充分に小さいという第２モードが指示されると同時に
フォーカスモータ（３）は逆転される。この逆転後、モ
ータ位置メモリ（20e）の内容と、現在のフォーカスリ
ング位置信号とが第３比較器（20f）にて比較され、一
致したとき、即ちフォーカスリング（２）が焦点評価値
が最大となる位置に戻ったときにフォーカスモータ
（３）を停止させるようにフォーカスモータ制御回路
（10）は機能する。同時に、フォーカスモータ制御回路
（10）はレンズ停止信号（LS）を出力する。

合焦検出回路（21）も合焦検出回路（20）と全く同一の
構成を有しており、出力（21x）（21y）（21z）は夫々
第３比較器（20f）の出力（20x）、第１比較器（20c）
の出力（20y）、第２比較器（20d）の出力（20z）に対
応する。

フォーカスモータ制御回路（10）によって制御されてい
るスイッチ回路（17）（19）は、１フィールド毎に第1,
第２フィルター回路（15）（16）の出力が夫々積算回路
（18）にて積算された後に、第1,第２合焦検出回路（2
0）（21）に供給される様に切換わる。従って、第１フ
ィルター回路（15）、スイッチ回路（17）、積算回路
（18）にて構成される第１の焦点評価値発生回路からの
１フィールド分の第１焦点評価値は、スイッチ回路（1
9）を経て第１合焦検出回路（20）入力され、次にスイ
ッチ回路（17）（19）が切換って第２フィルタ回路（1
6）、スイッチ回路（17）、積算回路（18）にて構成さ
れる第２の焦点評価値発生回路からの次の１フィールド
分の第２焦点評価値は、スイッチ回路（19）を経て第２
合焦検出回路（21）に入力され、これに対応してフォー
カスモータ制御回路（10）は１フィールド毎に出力（20
x）（20y）（20z）と出力（21x）（21y）（21z）により
フォーカスモータ（３）の制御を行う。

（11）はフォーカスモータ制御回路（10）によるオート
フォーカス動作が終了して、レンズ停止信号（LS）が発
せられると同時にその時点での焦点評価値が保持される
第４メモリであり、後段の第４比較器（12）でこの第４
メモリ（11）の保持内容は現在の焦点評価値と比較さ
れ、その差が予め設定された第２の閾値より大きくなっ
た場合には、被写体が変化したとしてフォーカスモータ
制御回路（10）に被写体変化信号が出力されて、被写体
の変化に追随すべく再起動が行なわれる。

第４比較器（12）による被写体変化の検出、即ち現在の
焦点評価値と第４メモリ（11）の内容とが比較され、両
者の差が第２の閾値を越えて変化すると、フォーカスモ
ータ制御回路（10）は、スイッチ回路制御信号を発し
て、第２焦点評価値発生回路からの信号のみがフォーカ
スモータ制御回路（10）に入力されるようにスイッチ回
路（17）、（19）の状態を切り換え、もしくは保存す
る。即ち、合焦点に達した時のフォーカスモータ制御回
路（10）への入力が第１焦点評価値発生回路を介するも
のである場合には、スイッチ回路（17）、（19）を切り
換え、フォーカスモータ制御回路（10）への入力が第２
焦点評価値発生回路を介するものである場合には、スイ
ッチ回路（17）、（19）を現状に保持する様に制御す
る。

この結果、焦点評価値が第２の閾値を越えて変化した場
合は、常に焦点評価値のカーブが緩やかな特性を持つ第
２焦点評価値発生回路の出力によって、合焦動作が再開
される。

即ち、合焦状態に達して第１合焦検出回路（20）あるい
は第２合焦検出回路（21）による合焦動作が終了した時
点でスイッチ回路（17）（19）がどちらの接点に切換わ
っていても、合焦動作が再開される場合には、無条件で
第２焦点評価値発生回路出力にて合焦動作が再開される
側にスイッチ回路（17）、（19）が切換わることにな
る。

合焦動作が再開されると、フォーカスモータ制御回路
（10）は前述と同様にスイッチ回路（17）、（19）を１
フィールドごとに切り換えながら合焦動作を行なう。

演算回路（22）はスイッチ回路（19）からの第１及び第
２焦点評価値を入力し、常に最新の第１焦点評価値に対
する最新の第２焦点評価値の比（相対比）を算出する。
この相対比（第１焦点評価値／第２焦点評価値）と被写
体のボケ度合（合焦時のレンズ位置よりの移動量あるい
はズレ量）との関係をグラフに示すと、第６図に示す様
な単調減少特性曲線となる。

これは、前記相対比となる状態量は、焦点評価値と同じ
様に被写体の合焦状態（ボケ度合）を表現できる関数値
であり、比率で表現されているため一種の正規化された
状態量であり、被写体のおかれている環境の影響をあま
り受けにくい性質を有している。例えば、被写体の照度
が変化した場合に、焦点評価値の絶対値は変化するが、
相対比としては大きな変化はない。通常、上記の性質は
被写体の種類を問わぬものである故に、この相対比をボ
ケ度合のパラメータとして使用することが可能となる。

上述の様に相対比は、ボケ度合を表わす状態量である故
に、閾値保持回路（24）に予め設定された第４の閾値
（具体的に第６図の特性図では0.5）より小であるか大
であるかが、第６比較器（比較手段）（23）で判別され
る。この判別結果はフォーカスモータ制御回路（10）に
入力され、合焦動作中のフォーカスモータ（３）の回転
速度の制御が為される。即ち、合焦動作中の相対比が第
４の閾値より小であれば、フォーカスモータ制御回路
（10）は制御信号（NSP）によりノーマルスピードモー
ドを指示し、フォーカスモータ（３）はノーマルスピー
ドで回転する。また、相対比が第４の閾値より大であれ
ば、フォーカスモータ制御回路（10）は制御信号（LS
P）により低速スピードモードを指示し、フォーカスモ
ータ（３）はノーマルスピードよりも低速で回転する。

従って、相対比が第４の閾値より小さく非合焦状態であ
る場合には、レンズ（１）は高速で進退し、相対比が第
４の閾値より大きく合焦点近傍にあり、レンズ移動に対
する焦点評価値の変革が小さい場合には、レンズ（１）
は低速で進退することが可能となり、第１比較器（20
c）の出力（S2）によるフォーカスモータ（３）の逆転
時のオーバーランを小さく抑えることが可能となる。

尚、本実施例では第４の閾値を１段階、フォーカスモー
タ制御速度の設定をノーマルスピードモードと低速スピ
ードモードの２段階に設定して制御する様に構成され
る、夫々を更に細かく数段階に分割し、よりきめの細い
制御システムに発展させることは極めて容易である。

また、受光レンズ（１）をフォーカスモータ（３）で変
位させず、圧電素子等を利用したり、受光レンズを固定
して撮像素子自体を進退せしめ、レンズと撮像面間の距
離を変化させることにより合焦動作を実行することも可
能であり、この場合にもレンズあるいは撮像素子の変位
速度を変化させることが好ましい。

更に、第１図の回路動作は、マイクロプロセッサにより
ソフトウェア的に容易に処理できるものである事は言う
までもない。

（ト）発明の効果上述の如く本発明によれば、被写体のボケ度合が正規化
された状態で検出され、このボケ度合に応じて合焦動作
応答性が任意に設定でき得るため、従来の合焦動作に比
べはるかに高速で安定性に優れた合焦動作が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図、第４図乃至第７図は本発明の一実施例に係り、
第１図は全体の回路ブロック図、第４図、第５図は被写
体距離と焦点評価値の関係図、第６図はボケ度合と相対
比の関係図、第７図は要部回路ブロック図である。第２図、第３図は従来例の回路ブロック図である。（１）……受光レンズ、（４）……撮像回路、（15）…
…第１フィルター、（16）……第２フィルター、（17）
（18）……スイッチ回路（評価値選択手段）、（３）…
…フォーカスモータ（レンズ移動手段）、（23）……第
６比較器（比較手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】撮像素子に対するフォーカスレンズの光軸
方向に相対的な位置を変化させる相対位置変更手段と、前記撮像素子出力を基に得られる撮像輝度信号中の第１
の高域成分レベルを検出し、前記相対位置の変化に対し
て急峻な変化を示す第１の焦点評価値として一定期間毎
に出力する第１の焦点評価値発生手段と、前記撮像輝度信号中の前記第１の高域成分レベルよりも
低域の成分をも含む第２の高域成分レベルを検出し、前
記相対位置の変化に対して緩やかな変化を示す第２の焦
点評価値として一定期間毎に出力する第２の焦点評価値
発生手段と、前記相対位置を合焦位置に駆動する様に前記相対位置変
更手段を制御する制御手段と、前記第２の焦点評価値に対する前記第１の焦点評価値の
相対比を算出する相対比算出手段と、前記相対比と所定値とを比較する比較手段とを備え、該比較手段出力に応じて前記フォーカスレンズの相対位
置の移動速度を制御することを特徴とするオートフォー
カス装置。