JP3557222B2 - 自動合焦装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動合焦装置、詳しくは、映像信号から抽出した被写体像のコントラストの如何を表すコントラストデータに依拠してレンズの合焦位置を決定する自動合焦装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、カメラ、あるいは、ビデオカメラにおいて、自動合焦装置を内蔵することは略必須の条件となっている。スチル、ムービ等のビデオカメラに関しては、イメ−ジャ、即ち、撮像素子を介して取り込まれる被写体の撮像信号からコントラスト情報を抽出し、該情報に基づいて合焦処理を行う、所謂、イメ−ジャＡＦの自動合焦装置を内蔵するものが主流になっている。これは、該装置が合焦検出用の専用センサを必要としないことから、コストやスペ−ス上有利となるためである。
【０００３】
図５は、上記従来のイメ−ジャＡＦの自動合焦装置を内蔵するビデオカメラである電子的撮像装置の主要ブロック構成図である。同図に示すように本装置は、主に、フォーカシングモータ、および、モータドライバで構成されるフォーカシングアクチュエ−タ７と、該アクチュエ−タ７により駆動される合焦光学系のフォーカシングレンズ１と、取り込まれた被写体像を電気信号に変換する撮像素子２と、撮像信号増幅やサンプルホールド処理を行うプリプロセス回路３と、撮像信号を変換して図示しない映像記録再生系、または、ファインダ系にビデオ信号を出力する撮像プロセス回路４と、合焦の程度を評価するための情報であるコントラストデータ、即ち、コントラスト値Ｃを撮像信号から抽出する検出器であって、ＢＰＦ回路（バンドパスフィルタ）や積分回路、また、Ａ／Ｄ変換回路等で構成されるコントラスト情報検出器５と、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどで構成されるものであって、上記コントラストデータを取り込み合焦位置を検出し、レンズ１を合焦位置に駆動する手段を内蔵し、更に、本装置全体の制御を司るシステムコントローラ６とで構成されている。
【０００４】
以上のよう構成された本撮像装置において、まず、被写体光は撮像レンズ１を介して取り込まれ、撮像素子２の結像面上に被写体像として結像する。撮像素子２の出力信号はプリプロセス回路３においてサンプルホールドされ、撮像信号として撮像プロセス回路４、および、コントラスト情報検出器５とに出力される。そして、該撮像信号は撮像プロセス回路４で映像信号に変換され、記録再生系、または、ファインダ系にビデオ信号として出力される。一方、コントラスト情報検出器５において、撮像信号の高周波成分がコントラストデータとして抽出される。更に、デジタル値に変換され、システムコントローラ６にコントラスト値Ｃとして取り込まれる。そして、合焦位置の検出が行われる。そして、システムコントローラ６は、フォーカシングアクチュエ−タ７を介して該合焦位置にフォーカシングレンズ１を移動させる。
【０００５】
上記合焦位置の検出動作として山登り方式を適用した例を具体的に説明すると、まず、被写体が静止状態であった場合、図６に示すように、コントラスト値がピークとなる合焦位置を検出するためのレンズ駆動動作、即ち、フォーカシングレンズ１を∞合焦位置（無限遠合焦位置）の方向から至近合焦位置方向に向けて所定の単位時間に１段づつ山登り動作の移動を行う。そして、各経過時間ｔｉ （ｉ ＝１，２，……）の各位置での順次のコントラスト値Ｃ０ ，Ｃ１ ，Ｃ１ ，……を取り込む。そして、コントラスト値の変化曲線Ｙ０ の上昇過程から下降過程に移るときをピーク越えとみて、その直後、レンズを逆転し、ピーク位置を検出する。図６の場合、コントラスト値Ｃ５ が検出された時点でピーク位置を過ぎたと判断する。そして、過去の最大値Ｃ４ のレンズ駆動位置を合焦位置と判断し、該位置にフォーカシングレンズ１を逆転駆動して合焦動作を終了する。
【０００６】
以上のように被写体が静止している場合、図６に示すようにコントラスト値の変化曲線Ｙ０ が変化しないことから、所望の位置でのピーク点が素早く、正確に求められる。しかし、被写体が動体であった場合、合焦動作中のコントラスト値の変化曲線Ｙが刻刻と変化する。図７は、動体である被写体がカメラへ近づいて来るような場合、即ち、∞位置から至近位置に近づくような場合のコントラスト値Ｃの変化状態を示す図であって、各経過時間ｔｉ （ｉ ＝０，１，２，……）での上記コントラスト値のレンズ位置に対する変化を示す特性曲線は、Ｙ０ ，Ｙ１ ，Ｙ２ ……のように変化する。従って、前記システムコントローラ６は、遅れながらコントラスト値Ｃ０ ，Ｃ１ ，Ｃ２ ……を取り込んでゆくことになる。そして、合焦点に対応するコントラスト値Ｃ９ が検出されるのは既に至近位置に近くなってからとなり、合焦までに長い時間を要することになる。
【０００７】
更には、動体の速度がもっと速かった場合、図８に示すようにコントラスト値の特性曲線がＹ０ ，Ｙ１ のように素早く変化するので、例えば、先に検出されたコントラスト値Ｃ０ よりも、後で検出されたコントラスト値Ｃ１ の方が小さい値になってしまい、ピーク点の検出ができない状態になることもある。
また、被写体がカメラから遠ざかる動体であった場合、図９に示すようにコントラスト値の特性曲線がＹ０ ，Ｙ１ のように∞方向に移動する。そして、検出されるコントラスト値Ｃ０ ，Ｃ１ ……のうち、ピークを越えたと判断されるコントラストＣ４ が検出されると、以前の最大値であるコントラスト値Ｃ３ をピーク点対応値として採用することになる。この場合、単位時間当たりのコントラスト値の変化量が静止被写体の場合よりも大きくなるので、最大コントラスト値Ｃ３ が本当のピークからずれた値となる可能性が大きくなる。即ち、合焦精度が悪くなる。
【０００８】
なお、上記の動体である被写体に対して合焦処理が可能となる提案として、本出願人が先に提案した特願平３―１４７６２６号のカメラに適用される合焦装置は、イメ−ジャＡＦの合焦装置に関するものであって、その合焦処理の山登り動作において、レンズ駆動モータの正転駆動でピーク位置対応のコントラスト値を取り込む。そして、レンズ駆動モータの逆転駆動で該コントラスト値を検出した時点の映像信号転送時に映像信号記録可能状態とするものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述の従来例の特願平３―１４７６２６号のカメラに適用された合焦装置は、山登り動作時のフォーカシングレンズの駆動速度が従来のものと変わらない。従って、比較的速度の遅い動体に対しては有効であるが、速度の速い動体に対しては、前記従来のイメ−ジャＡＦ装置と同様の不具合点を有するものであった。
【００１０】
本発明は、上述の不具合を解決するためになされたものであり、合焦動作に先だって、被写体の移動状況を検出するようにして、そのデータに基づいた合焦検出を行い、特に動体である被写体に対しても精度の高い合焦動作が可能となり、更に、合焦時間自体も短くなる自動合焦装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の自動合焦装置は、被写体に対応した映像信号から抽出した被写体像のコントラストの量を表すコントラストデータが、合焦光学系の駆動に対応して生起する変化に依拠して、該コントラストデータが実質的ピークを示す位置に上記合焦光学系を移動せしめる自動合焦装置であって、上記合焦光学系を停止させた状態で異なる時刻に係る複数のコントラストデータを得る第１の手段と、上記第１の手段による複数のコントラストデータに基づいて当該被写体の移動状況を表す移動情報を得る第２の手段と、上記第２の手段による移動情報に応じて合焦調節動作を行うための情報を生成する第３の手段と、を有してなることを特徴とする。
また、第２の自動合焦装置は、上記第１の自動合焦装置において、上記移動情報は、被写体が合焦状態に近づいていく状態であるか、遠ざかっていく状態であるかの判別情報であり、上記合焦調節動作を行なうための情報は、合焦調節駆動手段における単位時間当たりの駆動量であることを特徴とする。
【００１２】
【作用】
合焦動作に先だって、第１の手段により取り込んだコントラストデータに基づいて、第２の手段により、被写体の移動状況を表す移動情報を選択し、更に、該移動情報に基づいて山登り動作を行って、被写体の移動状況に適応した順次のコントラストデータを得る。そして、得られたコントラストデータにより合焦位置の検出、および、合焦駆動を実行する。
【００１３】
【実施例】
以下図示の実施例に基づいて本発明を説明する。
本発明の第１実施例を示す自動合焦装置を内蔵する電子的撮像装置の制御部の主要構成は、前記図５に示した従来の電子的撮像装置と同一であって、本自動合焦装置はイメ−ジャＡＦ方式のものとする。
但し、システムコントローラ６は、まず、上記合焦光学系であるフォーカシングレンズ１を停止させた状態で、コントラスト検出器５を介して、異なる時刻に係る複数のコントラストデータであるコントラスト値を得る第１の手段を有している。また、上記第１の手段による複数のコントラスト値に基づいて当該被写体の移動状況、例えば、移動速度を表す移動情報を得る第２の手段をも有している。更に、上記第２の手段によってえられた移動情報に応じて、山登り動作速度、即ち、１回のコントラスト値取得のためのフォーカシングレンズ１を移動する単位移動量の段数の値を選択して、合焦調節動作を行うための情報を生成する第３の手段とを有している。
【００１４】
以上のように構成された本実施例の自動合焦装置の合焦動作について説明すると、まず、山登り動作に先だってフォーカシングレンズ１を固定した状態で撮像素子の時刻の異なる２フィールドに亘って、コントラスト情報検出器５を介して２つのコントラスト値Ｃ０ とＣ１ とを取り込む。但し、値Ｃ１ の方が、より遅い時刻に取得されたコントラスト値とする。これらの値から当該被写体の移動状況、即ち、移動速度を表す移動情報を求める。上記フィールド数は２以上として、３つ以上のコントラスト値を得るようにしてもよい。また、取得するフィールドについても連続したフィールドでもよく、連続しないフィールドでもよい。そして、上記２つのコントラスト値に変化がなかった場合、被写体が静止状態であると判断して、前記従来の自動合焦装置の動作と変わらない合焦動作を行う。
【００１５】
また、図３に示すように該コントラスト値がＣ０ からＣ１ に減少する傾向にあれば、当該被写体が動体であり、レンズ初期位置が∞位置であることを前提として、∞側から撮像装置に接近しているものと判断する。なお、その場合、経過時間とともに被写体のコントラスト値の特性曲線Ｙ０ ，Ｙ１ ……は上記図３に示すように至近側へ移動することになる。そして、山登り動作時に１つのコントラスト値を取り込むためにフォーカシングレンズ１を、所定の単位時間、例えば、１フィールド期間内に駆動する単位移動量を、例えば、通常の１．５倍、即ち、１．５段に設定して、被写体の移動にできるだけ追従できるようにレンズを速く移動させる。その後もレンズ１を１．５段づつ移動させ、コントラスト値Ｃ２ ，Ｃ３ ……を取り込み、より速い時期にピーク越えのコントラスト値Ｃ７ を検出する。そして、過去の最大値のコントラスト値Ｃ６ に所定の係数を乗じたコントラスト値に到達するまでレンズ１を逆転駆動する。但し、この逆転駆動におけるレンズの単位移動量は、前記山登り動作時の単位移動量とは、反対に通常より少なく移動させ、より正しいピーク位置の検出をする。このようにして合焦動作を終了する。
【００１６】
更に、図４に示すように該コントラスト値がＣ０ からＣ１ に増加する傾向にあれば、当該被写体が動体であり、撮像装置から遠ざっているものと判断する。なお、その場合、経過時間とともに被写体のコントラスト値の特性曲線Ｙ０ ，Ｙ１ ……は上記図４に示すように∞側へ移動することになる。そして、山登り動作時に１つのコントラスト値を取り込むためにフォーカシングレンズ１を駆動する単位移動量を、例えば、通常の０．５倍、即ち、０．５段に設定して、遠ざかっている被写体のコントラスト値をできるだけきめ細かく取り込み、ピーク点からずれた値を最大コントラスト値として検出してしまうことを防止する。その後もレンズ１を０．５段づつ移動させ、コントラスト値Ｃ２ ，Ｃ３ ……を取り込み、ピーク越えのコントラスト値Ｃ５ を検出する。そして、過去の最大値のコントラスト値Ｃ４ に所定の係数を乗じたコントラスト値に到達するまでレンズ１を逆転駆動する。但し、この逆転駆動におけるレンズの単位移動量は、前記山登り動作時の単位移動量とは逆に通常より大きく移動させ、より正しいピーク位置の検出をする。このようにして合焦動作を終了する。
【００１７】
次に、本実施例の自動合焦装置の合焦処理動作を図１，２のフローチャートを用いて詳細に説明する。ここで、本合焦処理で用いられる所定の単位時間、例えば、１フィールド期間に駆動されるレンズ単位移動量の設定値について説明すると、山登り動作時に１つのコントラスト値を取り込むためにフォーカシングレンズ１を駆動する単位移動量として、通常の移動量Ｓ、例えば、１段と、通常の移動量Ｓより長い距離である移動量Ｒ、例えば、前述のように１．５段と、通常の移動量Ｓより短い距離である移動量Ｔ、例えば、前述のように０．５段との３通りがシステムコントローラ６のＲＯＭに格納されているものとする。また、レンズの初期位置は∞位置とする。
【００１８】
さて、合焦処理の指令が出されると、図１のルーチンの処理が開始される。まず、コントラスト値取り込み回数ｎを０にリセットする（ステップＳ１）。そして、フォーカシングレンズ１を初期位置に固定して、最初の撮像フィールドにおけるコントラスト値を値Ｃｎ としてを取り込む（ステップＳ２）。続いて、所定の時間経過した後の撮像フィールドのコントラスト値を値Ｃｎ＋１ としてを取り込む（ステップＳ３）。なお、このステップＳ２，３の処理手段は、前記第１の手段に対応している。
【００１９】
ステップＳ４，５において、上記取得コントラスト値Ｃｎ とＣｎ＋１ とを比較する。そして、値Ｃｎ の方が大きかった場合、当該被写体は動体であって、撮像装置へ近づいていると判断し、その移動に追従するため、レンズの単位移動量を移動量Ｒ、即ち、１．５段に設定し、大幅にレンズを移動できるようにする。そして、ステップＳ６に進む。一方、値Ｃｎ＋１ の方が大きかった場合、当該被写体は動体であって、撮像装置から離れていると判断し、その移動によりピーク点を見逃さないため、レンズの単位移動量を移動量Ｔ、即ち、０．５段に設定し、レンズを細かく移動できるようにする。そして、ステップＳ１５にジャンプする。また、上記ステップＳ４，５の判別において、値Ｃｎ とＣｎ＋１ とが等しかった場合、当該被写体は静止していると判断し、図２に示すステップＳ２３にジャンプする。そして、レンズ移動量を通常の移動量Ｓ、即ち、１段に設定する。なお、上記ステップＳ４，５の処理手段は、前記第２の手段が対応している。
【００２０】
ステップＳ６，７においては、フォーカシングレンズ１を移動量Ｒである１．５段分正転し、そこで得られるコントラスト値を値Ｃｎ＋２ として取り込む。更に、ステップＳ８にて、値Ｃｎ＋１ と値Ｃｎ＋２ とを比較し、値Ｃｎ＋２ の方が大きかった場合、コントラスト値は上昇中であると判断し、取り込み回数ｎをインクリメントして（ステップＳ９）、ステップＳ６に戻る。そして、移動量Ｒに基づいたレンズ１の正転駆動を続行する。一方、値Ｃｎ＋１ の方が大きかった場合、コントラスト値はピーク越えしたと判断し、ステップＳ１０に進む。
【００２１】
ステップＳ１０では、過去のコントラスト最大値である値Ｃｎ＋１ に所定の係数ｋ２ を乗じた値をピーク識別基準コントラスト値ＣＭ として設定する。続いて、レンズ１を単位移動量の逆転駆動を行うが、この単位移動量は、山登り動作時の移動量Ｒとは逆の少ない移動量Ｔ、即ち、０．５段とする（ステップＳ１１）。そして、取得コントラスト値を値ＣＬ とし、上記値ＣＭ と比較する。値ＣＭ の方が大きい場合、まだ、ピーク点まで戻っていないと見做す（ステップＳ１２，１３）。そして、ステップＳ１１に戻り、レンズ１の逆転移動を続行する。また、上記ステップＳ１３の判別で、値ＣＬ の方が大きくなったと判断された場合、ピーク点に戻ったとして、ステップＳ１４に進み、レンズ１の駆動を停止し、合焦動作を終了する。
【００２２】
前記ステップＳ４の判別で値Ｃｎ＋１ の方が大きいと判断された場合、ステップＳ１５に進むが、この場合、フォーカシングレンズ１を移動量Ｔである０．５段分正転し、そこで得られるコントラスト値を値Ｃｎ＋２ として取り込む（ステップＳ１６）。更に、ステップＳ１７にて、値Ｃｎ＋１ と値Ｃｎ＋２ とを比較し、値Ｃｎ＋２ の方が大きかった場合、コントラスト値は上昇中であると判断し、取り込み回数ｎをインクリメントして（ステップＳ１８）、ステップＳ１５に戻る。そして、移動量Ｔに基づいたレンズ１の正転駆動を続行する。一方、値Ｃｎ＋１ の方が大きかった場合、コントラスト値はピーク越えをしたと判断し、ステップＳ１９に進む。
【００２３】
ステップＳ１９では、過去のコントラスト最大値である値Ｃｎ＋１ に所定の係数ｋ３ を乗じた値をピーク識別基準コントラスト値ＣＭ として設定する。続いて、レンズ１を単位移動量の逆転駆動を行うが、この単位移動量は、山登り動作時の移動量Ｔとは逆の大きい移動量Ｒ、即ち、１．５段とする（ステップＳ２０）。そして、取得コントラスト値を値ＣＬ とし、上記値ＣＭ と比較する。値ＣＭ の方が大きい場合、まだ、ピーク点まで戻っていないと見做す（ステップＳ２１，２２）。そして、ステップＳ２０に戻り、レンズ１の逆転移動を続行する。また、上記ステップＳ２２の判別で、ＣＬ の方が大きくなった場合、ピーク点に戻ったと判断して、ステップＳ１４にジャンプしてレンズ１の駆動を停止し、合焦動作を終了する。
【００２４】
なお、前記ステップＳ４の判別において、値Ｃｎ と値Ｃｎ＋１ とが等しかった場合、図２に示されるステップＳ２３以下、ステップＳ３０までの処理に進むが、この処理は、通常の静止被写体に対する合焦処理動作である。そして、前記ステップＳ６〜Ｓ１３、または、ステップＳ１５〜２２の処理に対して異なっている点は、ステップＳ２３、および、Ｓ２８において、レンズ１の正転駆動、または、逆転駆動時の単位移動量が通常の移動量Ｓ、即ち、１段に設定される点であり、また、ステップＳ２７において、ピーク識別基準コントラスト値ＣＭ を求める場合の係数として、前記のものとは異なる係数ｋ１ を用いる点である。その他の処理は同一とする。前記ステップＳ６以降の処理、ステップＳ１５以降の処理、ステップＳ２３以降の処理は、前記第３の手段による処理である。
【００２５】
また、上記実施例のものでは、レンズの移動量を固定値としてＲＯＭに格納していたが、その変形例として、被写体速度や絞り，輝度など自動合焦装置の撮影条件等によって、レンズ移動速度を細かく設定して制御してもよい。そのレンズ移動速度は、演算、あるいは、ルックアップテーブル方式による演算，ファジー演算等によって求められる。
【００２６】
また、上記実施例のものは、説明の都合上、初期位置を∞位置としたものとし、被写体の存在方向は、常に至近側の一つの方向に限定できるシステムへの適用例であった。そして、この場合、任意のレンズ位置を初期位置とするような一般のシステムで用いられるところの山登り方向を決定のための初期試行を省略することが可能なものであった。しかし、上記初期試行を行う系へ適用する場合も同様であり、本実施例のもので山登りのはじめの１ステップに着目し、コントラスト値がＣ２ ＜Ｃ１ となった場合は、レンズを逆方向に駆動させる。また、コントラスト値がＣ２ ＞Ｃ１ となった場合は、レンズをそのまま正転させる。このときの駆動速度は、本実施例のものと同様に前記コントラスト値Ｃ０ ，Ｃ１ を利用して設定する。
【００２７】
以上述べたように、本実施例の自動合焦装置は、合焦動作に先だって、レンズ位置を固定した状態で、異なるフィールドのコントラスト値を取得し、それによって、被写体が動体であるか、また、装置に対して接近しているか、あるいは、離れていく被写体であるかの移動状況を判別する。そして、その判別結果により合焦検出のための山登り動作時のレンズの単位移動量を設定するようにしたので、接近しているか、あるいは、離れていく被写体の上記移動状況に合わせた山登り動作を行うことが可能となる。従って、上記動体である被写体に対しても、より正確な合焦位置の検出が実施でき、また、素早い合焦位置検出ができ、更に、所望とする動体の被写***置からのずれの少ない状態で撮像ができる。また更に、動体であるために合焦検出ができないということも少なくなる。
なお、本発明の要旨のものは、ビデオカメラの他に、銀塩フィルムを使うカメラにも適用できる。
【００２８】
【発明の効果】
上述のように本発明の自動合焦装置は、合焦動作の初期に被写体の移動状況を検出するようにして、そのデータに基づいて合焦検出のための駆動を行うようにしたので、特に動体である被写体に対しても精度も高い合焦動作が可能となり、更に、合焦時間自体も速くなるなど数多くの顕著な効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す自動合焦装置の合焦処理動作のフローチャート。
【図２】上記図１のフローチャートのうち分割して示されるフローチャート。
【図３】上記図１の自動合焦装置の合焦検出動作時において、装置に接近する被写体に合焦する場合のレンズ移動に対する取得コントラスト値の変化を示す図。
【図４】上記図１の自動合焦装置の合焦検出動作時において、装置から遠ざかる被写体に合焦する場合のレンズ移動に対する取得コントラスト値の変化を示す図。
【図５】従来のイメ−ジャＡＦの自動合焦装置を内蔵する撮像装置の主要ブロック構成図。
【図６】上記図５の自動合焦装置の合焦検出動作時において、静止被写体に合焦する場合のレンズ移動に対する取得コントラスト値の変化を示す図。
【図７】上記図５の自動合焦装置の合焦検出動作時において、装置に接近する被写体に合焦する場合のレンズ移動に対する取得コントラスト値の変化を示す図。
【図８】上記図５の自動合焦装置の合焦検出動作時において、装置に接近する被写体に合焦不能となる場合のレンズ移動に対する取得コントラスト値の変化を示す図。
【図９】上記図５の自動合焦装置の合焦検出動作時において、装置から遠ざかる被写体に合焦する場合のレンズ移動に対する取得コントラスト値の変化を示す図。
【符号の説明】
１…………………フォーカシングレンズ（合焦光学系）
Ｃ，Ｃｎ ，Ｃｎ＋１ ，Ｃｎ＋２ ……………コントラスト値（コントラストデータ）
ステップＳ２，ステップＳ３…………第１の手段による処理
ステップＳ４，ステップＳ５…………第２の手段による処理
ステップＳ６〜Ｓ１３，ステップＳ１５〜Ｓ２２，ステップＳ２３〜Ｓ３０………………第３の手段による処理

Claims (2)

1. 被写体に対応した映像信号から抽出した被写体像のコントラストの量を表すコントラストデータが、合焦光学系の駆動に対応して生起する変化に依拠して、該コントラストデータが実質的ピークを示す位置に上記合焦光学系を移動せしめる自動合焦装置であって、
   上記合焦光学系を停止させた状態で異なる時刻に係る複数のコントラストデータを得る第１の手段と、
   上記第１の手段による複数のコントラストデータに基づいて当該被写体の移動状況を表す移動情報を得る第２の手段と、
   上記第２の手段による移動情報に応じて合焦調節動作を行うための情報を生成する第３の手段と、
   を有してなることを特徴とする自動合焦装置。
2. 上記移動情報は、被写体が合焦状態に近づいていく状態であるか、遠ざかっていく状態であるかの判別情報であり、上記合焦調節動作を行なうための情報は、合焦調節駆動手段における単位時間当たりの駆動量であることを特徴とする請求項１に記載の自動合焦装置。

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