JP2005345947A - 自動合焦装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像信号に基づいて合焦制御を行う自動合焦装置において、ＡＦ評価値から、現在の撮影レンズ位置と合焦位置までのディフォーカス量を演算でもとめ、合焦位置まで高速に撮影レンズを移動することにより、高速な合焦動作が可能な自動合焦装置を提供する事。
【解決手段】 映像信号から該映像信号の高域成分を検出して第１の検出結果を出力する第１の検出手段と、該第１の検出手段の出力を被写体への依存度が低い正規化情報に変換する情報変換手段と、撮影レンズの実効絞り値を示す第１の情報を係数とし、該係数を前記情報変換手段の出力で除した結果の平方根により予定合焦位置とのディフォーカス量を求めるディフォーカス量演算手段と、該ディフォーカス量演算手段により求められたディフォーカス量に基づき撮像装置と焦点制御を行う制御手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は画像信号の高周波成分を用いて合焦動作を行うオートフォーカス装置に関するものである。

従来、画像信号の高周波成分を用いて合焦動作を行うオートフォーカス装置にあっては、画像信号より、領域を指定して画像の取り出し、バンドパスなどのフィルタリング処理を行い、その信号の高周波成分を取り出し、この信号（以降ＡＦ評価値と称す）が最大となるところを合焦位置としてオートフォーカス動作を行っている。

この方式は合焦検出用の専用のセンサーや光学系を必要としないのでコストやスペース上有利な方式であり、なおかつ撮像用のセンサーを用いて合焦検出動作を行うことから、合焦精度も高く、ビデオカメラなどでは広く用いられている。

このＡＦ評価値の一般的な特性に関して図９および図１０を用いて説明する。

図９および図１０はＡＦ評価値およびＡＦ領域内の輝度差を示すグラフであり、図９は反射率が９０：２の高コントラストのエッジチャートを用いた場合のグラフであり、図１０は反射率が９０：８０の低コントラストのエッジチャートを用いた場合のグラフである。

同図において横軸はディフォーカス量、左縦軸は評価値、右横軸はＡＦ領域内輝度差の最大値であり、（Ａ）はＡＦ評価値、（Ｂ）はＡＦ領域内の最大輝度差を表す。

ＡＦ評価値（Ａ）は横軸のディフォーカス量が０すなわち最もピントが合った状態で最大値を示す。

一方ＡＦ領域内の輝度差（Ｂ）はディフォーカス量が大きい領域ではチャートの高輝度部分と低輝度部分が交じり合うので輝度差が小さくなり、ディフォーカス量が小さくなるにつれて像がシャープになっていくので輝度差が大きくなり、最もピントが合った状態で最大値を示す。

これらのグラフに示す様にＡＦ評価値は被写体のコントラストによって異なるので、ＡＦ評価値の絶対値のみを用いて合焦近傍にあるか判断する事ができない。

しかしながら、これらの図のＡＦ評価値（Ａ）と輝度差（Ｂ）の相関関係に着目し、ＡＦ評価値（Ａ）を輝度差（Ｂ）で割ることにより被写体のコントラストによらず略一定の評価値が得られる事が特開平０６−２６８８９６号公報により開示されている。

図１１および図１２は図９および図１０のＡＦ評価値（Ａ）を輝度差（Ｂ）で割った正規化ＡＦ評価値をしめしている。これらの図に示す様にＡＦ評価値を輝度差で割ることにより合焦近傍では、被写体のコントラストによらず略一定のＡＦ評価値を得る事ができる。

したがって、このＡＦ評価値の正規化処理で、ＡＦ評価値の絶対値のみを用いて略合焦近傍にあるか判断する事ができるようになった。

しかしながら、合焦位置を求めるには、やはり撮影レンズを移動させて、ＡＦ表価値の最大値となる点を合焦位置としなければならないが、これらのＡＦ評価値をガウス関数に近似させて、概略のディフォーカス量を求める方式がＮＨＫ技研報告第７巻第１号第８６号「山登りサーボ方式によるテレビカメラの自動合焦調整」に報告開示されている。またそれを応用した発明が、特開平５−３０８５５５号公報に開示されている。

しかしながら上記従来の方式は、合焦近傍０．３ｍｍ程度の領域では、比較的良くマッチングするが、それより離れた領域ではガウス関数での近似結果がほとんど０となる為に、非常にマッチングが悪くなってしまっていた。

本発明は上記に鑑みなされたもので、本発明の目的は、画像信号に基づいて合焦制御を行う自動合焦装置において、ＡＦ評価値から、現在の撮影レンズ位置と合焦位置までのディフォーカス量を演算でもとめ、合焦位置まで高速に撮影レンズを移動することにより、高速な合焦動作が可能な自動合焦装置を提供する事である。

上記目的を達成するために本発明では、映像信号から該映像信号の高域成分を検出して第１の検出結果を出力する第１の検出手段と、該第１の検出手段の出力を被写体への依存度が低い正規化情報に変換する情報変換手段と、撮影レンズの実効絞り値を示す第１の情報を係数とし、該係数を前記情報変換手段の出力で除した結果の平方根により予定合焦位置とのディフォーカス量を求めるディフォーカス量演算手段と、該ディフォーカス量演算手段により求められたディフォーカス量に基づき撮像装置と焦点制御を行う制御手段とを備えた事を特徴とする。

また、前記情報変換手段は、映像信号から該映像信号のコントラストを検出して第２の検出結果を出力する第２の検出手段をもち、前記第１の検出手段の出力を前記第２の検出手段で除することにより、被写体に依存度が低い正規化情報に変換する事を特徴とする。

さらに前記撮影レンズの実効絞り値を示す第１の情報の係数は、撮影レンズの実効絞り値の自乗に比例する事を特徴とする。

（作用）
これにより合焦位置から遠い位置に撮影レンズがいる場合でも、高速な合焦動作が可能な自動合焦装置を実現する事ができる。

以上説明した様に本発明によれば、映像信号から該映像信号の高域成分を検出して第１の検出結果を出力する第１の検出手段と、該第１の検出手段の出力を被写体への依存度が低い正規化情報に変換する情報変換手段と、撮影レンズの実効絞り値を示す第１の情報を係数とし、該係数を前記情報変換手段の出力で除した結果の平方根により予定合焦位置とのディフォーカス量を求めるディフォーカス量演算手段と、該ディフォーカス量演算手段により求められたディフォーカス量に基づき撮像装置を焦点制御を行う制御手段とを備えた事により、高速に合焦動作を行うことが可能になった。

（第１の実施形態）
以下図面を参照して本発明の第１の実施形態の詳細を説明する。

図１は本発明を電子カメラに適用して実施したカメラシステムの全体の構成を示すブロック図である。同図において、１は撮影レンズ、２は光量を調節する絞り、３は撮像素子であるＣＣＤ、４はＣＣＤの画像信号を増幅するアンプ、５は撮像素子３の画像出力をデジタルデータに変換するＡ／Ｄコンバータ、６はデジタル化された画像信号から、領域を指定してＡＦ評価値を演算したり、各画素情報から色合成を行い、ガンマ処理などを行った後に圧縮画像を作成する画像信号処理回路であり、７は画像信号処理回路の出力を、ＬＣＤモニタ８に表示するためのＬＣＤ駆動回路であり、８はモニタ用のＬＣＤである。

９は撮像レンズ１を光軸方向に駆動し、フォーカシングする為のフォーカシングモータであり、１０はフォーカシングモータ９を駆動するための駆動回路であり、１１は絞り２を駆動するための絞り駆動モータであり、１２は絞り駆動モータ１１を駆動するための駆動回路である。なお、本例ではフォーカシングモータおよび絞り駆動モータはステッピングモータで構成しているので、初期位置出しを行えば、フォーカシングレンズの位置または絞りの位置は絶対位置として管理できる。１３は撮像素子であるＣＣＤ３を駆動するためのＣＣＤ駆動回路であり、１４は撮像した画像を保存するためのメモリである。１５はＡＦ動作および全体の動作を制御するマイコンである。１６はレンズ位置検知ＳＷであり、１７は至近端パターン、１８は無限端パターンであり、レンズの位置決めとともに範囲外への移動を抑制する。

次に図２は画像信号処理回路６の中のＡＦ評価信号の生成部を示すブロック図である。同図に於いて６１はゲート回路、６２は全画像信号の中からＡＦ領域として設定された領域の画像信号を取り出す為のタイミングジェネレータ、６３は公知のデジタルローパスフィルタ、６４は公知のハイパスフィルタで、シフトレジスタによるディレイ回路６５と減算回路６６から構成される。６７は公知の絶対値回路で、６８は画像信号１ライン中の中から生成されたＡＦ評価値の最大値ホールド回路で、６９は画像信号１ライン中の最大輝度ホールド回路で、７０は画像信号１ライン中の最小輝度ホールド回路で、７１は画像信号の中のＡＦ演算エリアの各ラインの評価値最大値、最大輝度、最小輝度を保存するＡＦメモリであり、保存された情報をマイコン１５に出力する。

次に図３および図４を用いて撮像素子３のＡＦ領域を説明する。

図３の２０は撮像素子３の全撮像領域で、２１はＡＦ領域を示す。この領域は大きさ、位置を限定する必要はないが、あまり広くすると小さい被写体で背景に引かれやすくなるので、本実施例では全画面の中心の、上下左右ともに全画面サイズのそれぞれ１／４程度の領域をＡＦ領域にしている。

図４は図３のＡＦ領域２１を拡大して示したものであり、所定の画素サイズで２次元に構成されており、本例では横方向１ライン毎にＡＦ処理を行っている。

この撮像素子の出力は、センサーの一番上のラインの左側の画素からアンプ４で増幅されてＡ／Ｄコンバータ５でデジタル信号に変換された後に画像信号処理回路の中のＡ／Ｄ入力端子信号からゲート回路６０に入力される。この際タイミングジェネレータ６１は画面のＡＦ領域を指定して、必要な領域になるとゲート回路６０を開き後方のローパスフィルター６３に画像信号を伝達する。そして１ラインのＡＦ領域の取り込みが終わると、再びゲート回路６０を閉じて、ＡＦ評価値最大値ホールド回路６８、最大輝度ホールド回路６９、最小輝度ホールド回路７０のホールドされた各データをＡＦメモリ７１に転送させる。したがってＡＦメモリ７１にはＡＦ領域の各ラインのＡＦ評価値最大値、最大輝度、最小輝度が保存される。

次に図５を用いてＡＦ評価値からディフォーカス量を求めるディフォーカスモデルに関して、簡略化する為に点光源をモデルとして説明する。

同図において、（Ａ）はＡＦ評価値、（Ｌ）は撮影レンズ、（Ｓ１）から（Ｓ４）は各位置での光束、（Ｂ０）から（Ｂ４）は各位置での像面輝度を示す。

合焦位置からのディフォーカス量＝ｄｅｆの時の光束（Ｓ１）はｄの直径を持っている。そのときの照度は（Ｂ１）で示す様にＥの値を持つ。

ここで、レンズ面での照度をＥ０とした場合に照度Ｅは以下の式で導きだせる。

Ｅ＝Ｅ０×Ｓ０／Ｓ …（１）
（Ｓ０：撮影レンズ（Ｌ）の面積、Ｓ：光束の面積）
次にＳは以下の式で表せる。

Ｓ＝π×（ｄ／２）＾２ …（２）
また光束の直径は以下の式で表せる。

ｄ＝ｄｅｆ／ＦＮｏ …（３）
（ＦＮｏ：レンズの口径比）
したがって
Ｓ＝π×ｄｅｆ＾２／（４×ＦＮｏ＾２） …（４）
したがって照度Ｅは
Ｅ＝Ｅ０×４×ＦＮｏ＾２／（π×ｄｅｆ＾２） …（５）
一方ＡＦ評価値ｅＡＦは隣り合った画素の差の最大値であるので、すなわち照度Ｅそのものであるので、
ｅＡＦ＝Ｅ＝Ｅ０×４×ＦＮｏ＾２／（π×ｄｅｆ＾２） …（６）
＝ｋ×ＦＮｏ＾２／ｄｅｆ＾２ …（７）
であらわせる。すなわち、ＦＮｏの２乗に比例して、ディフォーカスの−２乗に比例する事が導き出せる。

したがって
ｄｅｆ＝±√（ｋ×ＦＮｏ＾２／ｅＡＦ） …（８）
で求める事ができる。

次に図６は実測のＡＦ評価値（Ａ）と、前記（６）式から導きだしたディフォーカスに対するＡＦ評価値（Ｂ）と公知のガウス関数により導き出したＡＦ評価値（Ｃ）をグラフにしたものである。このように、（６）式で導き出したＡＦ評価値は実測値に対して良くマッチする結果が得られる。

次に図７および図８はマイコン１５にプログラムされたＡＦ制御フローのフローチャートを示す。

不図示のＡＦ開始ボタンをオンすると、ＡＦの初期化処理として、各メモリデータを初期化する（Ｓ１０１）。至近端ＳＷ１６および無限端ＳＷ１７を読み込み、レンズが至近端に行き当たっていたらＳ１０３に分岐し、無限端に突き当たっていたらＳ１０４に分岐し、突き当たり状態でなければＳ１０７に分岐する（Ｓ１０２）。至近端に突き当たった場合は、フォーカシング駆動中の場合はフォーカシングモータの駆動を停止し、モータの駆動方向を無限方向に変更するとともに、駆動方向反転回数のカウンターである反転カウントを１増加する（Ｓ１０３）。無限端に突き当たった場合は、フォーカシングモータ駆動中の場合はフォーカシングモータの駆動を停止し、モータの駆動方向を至近方向に変更するとともに、駆動方向反転回数のカウンターである反転カウントを１増加する（Ｓ１０４）。無限端に突き当たった場合で、反転回数が２回以上の場合は、ＡＦ動作を終了させるためにＳ１０６に進み、２回未満の場合はＳ１０７に進む（Ｓ１０５）。反転回数が２回以上の場合、すなわち至近方向から無限方向に全域サーチしても合焦できない場合は、モニタ用ＬＣＤ８に合焦不能表示を出してＡＦ動作を終了する（Ｓ１０６）。

一方ＡＦ動作を続行する場合は、画像信号処理回路６のＡＦメモリ７０からＡＦ領域全ラインの最大評価値、最大輝度、最小輝度を読み込む（Ｓ１０７）。次に各ライン毎にＡＦ評価値最大値を最大輝度と最小輝度の差で割りＡＦ正規化処理を行い、演算された各ラインの正規化評価値を加算し、ＡＦエリアの画素ライン数で割ったものを今回の正規化評価値とする。（Ｓ１０８）。

次に、ＡＦ評価値の正規化処理が終わると、ＡＦ処理回数カウントであるＡＦカウントを１増加させる（Ｓ１０９）。

ＡＦカウントが２回未満の場合すなわちＡＦ処理をまだ１回しかしていない場合は、ＡＦ評価値の比較ができないのでＳ１２０に分岐し、２回以上の場合はＳ１１１に分岐する（Ｓ１１０）。

今回の正規化評価値とＭＡＸ評価値を比較し、今回のＡＦ評価値のほうが大きい場合はＳ１１２に分岐し、小さい場合はＳ１１４に分岐する（Ｓ１１２）。今回の正規化評価値をＭＡＸ評価値として保存し、そのときのレンズ位置をＭＡＸレンズ位置として保存する。なお、前述した様に本実施例ではフォーカシングモータをステッピングモータで構成したので、電源投入時に無限端ＳＷに突き当たるまで駆動して初期位置決めをすれば、以降レンズの絶対位置はステッピングモータの駆動ステップ数として表せるので、この駆動ステップをフォーカシングレンズの位置として記憶する（Ｓ１１３）。評価値増加カウントが所定値ｎＭＡＸ未満であればＳ１１５に分岐し、ｎＭＡＸ以上であればＳ１１６に分岐する（Ｓ１１４）。評価値増加カウントを１増加する（Ｓ１１５）。評価値減少カウントが０より大きければＳ１１６に分岐し、０以上であればＳ１１８に分岐する（Ｓ１１６）。評価値減少カウントを１減少する（Ｓ１１７）。

Ｓ１０８で求めた正規化評価値が合焦近傍であることを示す所定値ＴＨ１以上であれば、ＡＦモードを合焦近傍モードにする（Ｓ１１９）。

次に前述した様にＡＦ評価値より以下の式でディフォーカス量ｄｅｆを演算する。

ｄｅｆ＝±√（ｋ×ＦＮｏ＾２／ｅＡＦ）
このときの符号は、ＡＦ評価値が増加している場合は＋の符号を取る。

減少している場合は−の符号を取る（Ｓ１２０）。

Ｓ１２０で求めたディフォーカス量に基づいてレンズの駆動量を算出するわけであるが、ＡＦ評価値の誤差要因を考えて合焦手前に持っていく方が安全であるため、実際のレンズ駆動量はＳ１２０で求めた駆動量の９０％程度にする。

Ｓ１２０で求めたレンズ駆動量に基づき、フォーカスレンズを合焦手前位置にジャンプ駆動を行いＳ１０２に戻る（Ｓ２２１）。

一方合焦位置へのジャンプ駆動を行わない場合は、正規化評価値に応じて駆動速度を決定する。すなわち評価値が小さい場合は合焦より遠いので早く合焦させるために、画像取り込み間の駆動速度を早く、評価値が大きい場合は合焦近傍であるので、精度良く合焦させるために駆動速度を遅くする（Ｓ１２２）。

設定された駆動速度にしたがってフォーカシングモータ９の駆動速度制御を行いステップ１０２に戻り合焦するまでこの動作を繰り返す（Ｓ１２３）。

次にステップ１１１からの分岐で今回の評価値が前回の評価値より減少した場合の処理を説明する。評価値減少カウントが所定値ｎＭＩＮよりも小さければＳ１２５に分岐し、ｎＭＩＮ以上であればＳ１２６に分岐する（Ｓ１２４）。評価値減少カウントを１増加する（Ｓ１２５）。評価値増加カウントが０より大きければＳ１２７に分岐し０以下であればＳ１２８に分岐する（Ｓ１２６）。

評価値増加カウントを１減少させる（Ｓ１２７）。

ＡＦモードがサーチモードの場合はＳ１２９に分岐し、ＡＦモードが合焦近傍モードの時はＳ１３１に分岐する（Ｓ１２８）。評価値減少カウントは所定値ＴＨ３以上の場合はＳ１３０に分岐し、ＴＨ３より小さい場合はＳ１２２に分岐し、通常の駆動処理を繰り返す（Ｓ１２９）。所定回数ＴＨ３以上評価値が減少した場合は、合焦方向から遠ざかっているのでフォーカシングの方向を反転するために、駆動中のモータを停止させて、駆動方向を逆方向に設定し、評価値減少カウントと評価値増加カウントを０にリセットする（Ｓ１３０）。一方Ｓ１２８からの分岐でＡＦモードが合焦近傍モードの場合は評価値減少カウントが所定値ＴＨ２以上の場合、すなわち所定回数評価値が減少すれば、ピントのピークを確実に通り越した事になるので、Ｓ１３２に分岐し、所定値ＴＨ２以下の場合はＳ１２２に分岐し、通常の駆動処理を繰り返す（Ｓ１３１）。

合焦位置への駆動の為のために、現在のフォーカス位置とＳ１１３で記憶した評価値最大時のフォーカス位置の差をフォーカス駆動量として求める（Ｓ１３２）。

フォーカス駆動を停止、駆動方向を反転してＳ１３２で求めたフォーカス駆動量でフォーカス駆動を行う（Ｓ１３３）。液晶モニタ８に合焦表示を出して、ＡＦ動作を終了する（Ｓ１３４）。

以上の動作を実行することにより、高速かつ確実に被写体にピントを合わせる事ができる。

また、本実施例ではＳ１２０でＡＦ評価値より求めたディフォーカス量そのもので、合焦位置への駆動は行っておらず、合焦位置手前にジャンプ駆動を行い、最終的なピント位置はＡＦ評価値のピークを見つける事により行っているが、これは前述したように、さまざまな被写体を見た場合のＡＦ評価値のばらつきを考慮したものであるが、従来のレンズを移動しながらＡＦ評価値のピークを探す方法にたいしては、合焦位置に至るまでに大幅な合焦時間の短縮をなしえるものである。

本発明を実施したオートフォーカス装置のブロック図 本発明の第１の実施形態に係るＡＦ評価値発生回路のブロック図 本発明の第１の実施形態に係る撮像素子のＡＦ領域を説明する図 本発明の第１の実施形態に係る撮像素子のＡＦ領域の詳細を説明する図 本発明のＡＦ評価値からディフォーカス量を求めるモデルの説明図 本発明のディフォーカスモデルと実際のＡＦ評価値の対応の説明図 本発明の第１の実施形態に係るカメラの動作を示すフローチャート 本発明の第１の実施形態に係るカメラの動作を示すフローチャート ディフォーカス量に対するＡＦ評価値情報を説明する図 ディフォーカス量に対するＡＦ評価値情報を説明する図 ディフォーカス量に対する正規化されたＡＦ評価値 ディフォーカス量に対する正規化されたＡＦ評価値

符号の説明

１ 撮像レンズ
２ 絞り
３ 撮像素子
４ アンプ
５ Ａ／Ｄコンバータ
６ 画像信号処理回路
７ ＣＣＤ駆動回路
８ モニタ液晶
９，１１ モータ
１５ マイコン

Claims (3)

1. 映像信号から該映像信号の高域成分を検出して第１の検出結果を出力する第１の検出手段と、
   該第１の検出手段の出力を被写体への依存度が低い正規化情報に変換する情報変換手段と、撮影レンズの実効絞り値を示す第１の情報を係数とし、該係数を前記情報変換手段の出力で除した結果の平方根により予定合焦位置とのディフォーカス量を求めるディフォーカス量演算手段と、
   該ディフォーカス量演算手段により求められたディフォーカス量に基づき撮像装置と焦点制御を行う制御手段とを備えた事を特徴とする自動合焦制御装置。
2. 前記情報変換手段は、映像信号から該映像信号のコントラストを検出して第２の検出結果を出力する第２の検出手段をもち、前記第１の検出手段の出力を前記第２の検出手段で除することにより、被写体に依存度が低い正規化情報に変換する事を特徴とする請求項１記載の自動合焦装置。
3. 前記撮影レンズの実効絞り値を示す第１の情報の係数は、撮影レンズの実効絞り値の自乗に比例する事を特徴とする請求項１記載の自動制御装置。

Images