JP4576852B2 - ピント状態検出装置 - Google Patents

Description

本発明はピント状態検出装置に係り、特に撮影レンズのオートフォーカス制御における合焦検出に用いられるピント状態検出装置に関する。

焦点評価値が最大となるようにフォーカスを制御する方式として、焦点評価値が増加する方向にフォーカスを動かし、焦点評価値が増加しなくなる位置でフォーカスを停止させるいわゆる山登り制御方式が提案されている。

この山登り制御方式は一般的に、フォーカスを微小変動させるワブリングによってピント状態が前ピン、後ピン、合焦のいずれの状態かを検出し、それによって合焦の方向、すなわち焦点評価値が増加する方向にフォーカスを動かす方式のため、ワブリングによるフォーカスの変動が画面上で視認できてしまうおそれがあった。また、ワブリングを行う分だけ合焦までに時間を要するという問題があった。

これに対して、たとえば特許文献１には、光路長差を有する複数の撮像素子を用いることによりワブリングを行うことなくピント状態を検出できるようにしたピント状態検出装置が記載されている（特許文献１参照）。

このピント状態検出装置は、撮影レンズに入射した被写体光がハーフミラーなどによって分岐され、分岐された一方の被写体光が記録または再生用の映像信号を取得する本来の撮像素子の撮像面に入射し、他方の被写体光（ピント状態検出用被写体光）がさらに分岐されてピント状態検出用の映像信号を取得するための２つのピント状態検出用撮像素子の撮像面に入射するものである。２つのピント状態検出用撮像素子は、それらの撮像面が本来の撮像素子の撮像面よりも等距離分だけ光路長が短くなる位置と長くなる位置とに配置されており、各ピント状態検出用撮像素子にて取得された映像信号から求められる２つの焦点評価値の大小関係によってピント状態が検出される。すなわち、各ピント状態検出用撮像素子から得られる焦点評価値は、撮影レンズのフォーカス（ピント位置）を現在位置から至近側と無限遠側とにそれぞれ等距離分だけ変位させた場合に本来の撮像素子によって得られる映像信号によって求められる焦点評価値に相当している。したがって、これら焦点評価値を比較した場合にそれぞれが一致していれば合焦と判断され、相違していればいずれの焦点評価値が大きいかまたは小さいかによって前ピンまたは後ピンと判断される。これにより、フォーカスを至近側と無限遠側とに変位させたときの焦点評価値がフォーカスを実際に動かすことなくピント状態検出用撮像素子からの映像信号によって同時に取得されるため、ワブリングを行うことなく迅速にピント状態を検出することができる。
特開２００３−２７０５１７号公報

ところで、特許文献１で示したようなピント状態検出装置において、ピント状態検出用撮像素子は撮像面が適切な光路長差となるように配置する必要がある。たとえば、光路長差が大きいほど各ピント状態検出用撮像素子から得られる焦点評価値は、ピント位置を至近側と無限遠側とにより大きく変位させたときの本来の撮像素子から得られる焦点評価値を示し、これが大きすぎると合焦付近でいずれのピント状態検出用撮像素子からも低レベルの焦点評価値しか得られず、合焦でない場合に焦点評価値の差異が検出されない状態となる。一方、光路長差が小さすぎると、各ピント状態検出用撮像素子から得られる焦点評価値がほとんど同じ値を示し、差異が検出されない状態となる。したがって、合焦付近で撮影レンズのフォーカスを変化させた場合に、各ピント状態検出用撮像素子から得られる焦点評価値が増加・減少傾向を逆にして大きく変化するような光路長差に設定することが望ましい。

しかし、ズームレンズのように焦点距離が可変の場合に焦点距離を変化させると、ピント状態検出用撮像素子の光路長差に対応するピント位置の変位量が大きく変化する場合がある。すなわち、あるズームレンズにおいて光路長差を一定とした場合に焦点距離をワイド側とするほど（短くするほど）その光路長差に対応するピント位置の変位量が大きくなるという傾向が確認されている。このような場合には、ワイド端からテレ端までの全ズーム範囲で適切な光路長差に設定することができず、テレ側では適切な光路長差であってもワイド側では光路長差が大きすぎたり、逆に、ワイド側では適切な光路長差であってもテレ側では光路長差が小さすぎる場合があり、焦点評価値の差異が検出できない場合がある不具合があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ピント位置の変位量に影響を受けることなくピント状態を適切に検出できるピント状態検出装置を提供することを目的とする。

本発明は前記目的を達成するために、焦点距離が変更可能な撮影レンズのピント状態を検出するピント状態検出装置であって、前記撮影レンズにより映像撮像用撮像素子に導かれる被写体光を分岐して光路長差を有する複数のピント状態検出用撮像素子により撮像し、各ピント状態検出用撮像素子から得られた映像信号に基づいてピント状態を検出するピント状態検出装置において、前記各ピント状態検出用撮像素子を光軸方向に前後移動させる移動手段と、焦点距離に対応して調整された前記撮影レンズのズーム位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段によって検出されたズーム位置のデータに基づいて、予め記憶されているズーム位置ごとの最適な光路長差のデータを参照して、最適な前記ピント状態検出用撮像素子の光路長差を算出する光路長差算出手段と、前記光路長差算出手段により算出された光路長差に応じて前記移動手段により前記各ピント状態検出用撮像素子の位置を変更し、前記ピント状態検出用撮像素子の光路長差を変更する光路長差変更手段と、を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、ピント状態検出用撮像素子をピント状態検出用被写体光の光軸方向に沿って前後移動させて最適な光路長差を設定できるので、ワイド端からテレ端までの全ズーム範囲で適切な光路長差を設定でき、適切なピント状態の検出が常に行なえる。

請求項２に記載された本発明によれば、この光路長差変更手段は、撮影レンズの焦点距離が長くなるほど光路長差が大きくなるように各ピント状態検出用撮像素子の位置を変更するので、ワイド端からテレ端までの全ズーム範囲で適切な光路長差に設定でき、焦点距離の差異を常に検出できる。

請求項３に記載された本発明によれば、撮影レンズのフォーカスが合焦位置となるようにフォーカスを制御するオートフォーカスシステムにおけるピント状態の検出に適用されるので、オートフォーカスシステムにおいて適切なピント状態の検出が常に行なえる。請求項４に記載された本発明によれば、前記光路長差算出手段は、前記位置検出手段によって検出されたズーム位置のデータと合わせて、予め記憶されているレンズユニットの種類ごとの最適な光路長差のデータを参照して最適な前記ピント状態検出用撮像素子の光路長差を算出することを特徴としている。

本発明によれば、ピント状態検出用撮像素子をピント状態検出用被写体光の光軸方向に沿って移動させて、ワイド端からテレ端までの全ズーム範囲で適切な光路長差を設定して、ピント状態を適切に検出できる。

以下、添付図面に従って本発明に係るピント状態検出装置の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、本発明に係るピント状態検出装置が適用されるテレビカメラシステムの構成図である。同図に示すように、このテレビカメラシステム１は主としてカメラ本体１０と撮影レンズ１２などにて構成されている。

カメラ本体１０には、放映用の映像を撮影し、所定形式の映像信号を出力または記録媒体に記録するための本来の撮像素子（映像撮像用撮像素子）などが備えられている。撮影レンズ１２は、このカメラ本体１０のマウント部に着脱自在に装着される。

撮影レンズ１２の光学系は、フォーカスレンズ群１４、ズームレンズ群１６、アイリス（絞り）１８、リレーレンズ群２０などの周知の機器や、エクステンダー２１などから構成されている。

エクステンダー２１は、アイリス１８およびリレーレンズ群２０の間に設けられ、光軸Ｏに対して進退移動可能な複数のレンズユニット２１ａを備えている。それぞれのレンズユニット２１ａは、たとえば２倍、等倍、０．８倍などの複数のレンズからなる。

リレーレンズ群２０は、前側リレーレンズ２０Ａと後側リレーレンズ２０Ｂなどで構成され、その前側リレーレンズ２０Ａと後側リレーレンズ２０Ｂとの間の光軸Ｏ上には、撮影レンズ１２を介して入射する被写体光からピント状態検出用の被写体光を分離するためのハーフミラー２２が配置されている。このハーフミラー２２は、そのミラー面２２ａが撮影レンズ１２の光軸Ｏに対して略４５度傾斜して設置されており、前側リレーレンズ２０Ａを通過した被写体光を直角に反射し、光軸Ｏ’として映像用被写体光から分光する。

ハーフミラー２２を透過した被写体光は、映像用被写体光として撮影レンズ１２の後端側から射出され、カメラ本体１０の撮像部２４に入射される。撮像部２４の構成については詳細説明を省略するが、撮像部２４に入射された被写体光は、たとえば色分解光学系により赤色光、緑色光、青色光の３色に分解され、各色ごとの映像撮像用撮像素子の撮像面に入射する。これによって放映用のカラー映像などが撮影される。なお、図中の符号Ｐは、映像撮像用撮像素子の撮像面に対する光学的に等価な位置をピント面Ｐとして撮影レンズ１２の光軸Ｏ上に示したものである。

ハーフミラー２２で反射された被写体光は、ピント状態検出用被写体光として光軸Ｏに対して垂直な光軸Ｏ’に沿って進行し、結像位置変更レンズ２６を介してピント状態検出部３０に入射する。

ピント状態検出部３０は、ピント状態検出用被写体光を２等分割するビームスプリッタ３２と、そのビームスプリッタ３２で２等分割されたピント状態検出用被写体光が入射される２つのピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂと、これらピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂを駆動する駆動装置３４などによって構成されている。

ビームスプリッタ３２は、２つのプリズム３２ａ，３２ｂによって構成されている。ハーフミラー２２によって上述したように映像用被写体光から分離されたピント状態検出用被写体光は光軸Ｏ’に沿って進行し、まず、プリズム３２ａに入射される。このプリズム３２ａでは、ハーフミラー面３２ｃで反射光と透過光とに分割され、反射光はピント状態検出用撮像素子Ａに入射され（光軸Ｏ’’）、透過光はプリズム３２ｂに入射された後、ピント状態検出用撮像素子Ｂに入射される。

なお、各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂとしては、たとえば白黒画像を撮像するＣＣＤや、カラー映像を撮像するＣＣＤが用いられる。

駆動装置３４は、これらピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂをピント状態検出用被写体光に沿って駆動する。ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂに対してそれぞれ設けられた駆動装置３４は同様の構造からなるので、ピント状態検出用撮像素子Ａ側の駆動装置３４の詳細を説明する。

図２（ａ）（ｂ）に示すように駆動装置３４は、主として撮影レンズ１２側に設けられた保持枠４０、ピント状態検出用撮像素子Ａ（Ｂ）を支持するフレーム４２、ばね４４、モータ４６、ポテンショメータ４８、雄ねじを周面に備えた回転軸５０などで構成されている。

保持枠４０には光軸Ｏ’（Ｏ’’）と平行に形成された案内溝４０ａ，４０ｂが形成されており、この案内溝４０ａ，４０ｂによってフレーム４２が光軸Ｏ’（Ｏ’’）と平行に摺動自在に支持される。案内溝４０ａ，４０ｂに沿ってフレーム４２を摺動させれば、フレーム４２に支持されたピント状態検出用撮像素子Ａを光軸Ｏ’（Ｏ’’）に沿って前後に移動できる（図２（ａ）矢印）。

保持枠４０の案内溝４０ｂの縁部には、フレーム４２に付勢力を与えるばね４４が設けられ、このばね４４によってフレーム４２は図２（ａ）上右方向に向けて常時付勢される。

一方、保持枠４０の前記ばね４４に対向する案内溝４０ｂの縁部には、回転軸５０を回動自在に支持する支持孔５２が形成され、この支持孔５２の内周部には回転軸５０の前記雄ねじと螺合する雌ねじが形成されている。回転軸５０の前端部（図２（ａ）における左側）は前記フレーム４２に当接しており、回転軸５０の回動にともなうねじの送り作用および回転軸５０の直進作用によって、フレーム４２を前記ばね４４の付勢力に抗して同図左方向に付勢する。

回転軸５０の後端部にはギヤ５４が取り付けられ、このギヤ５４にはポテンショメータ４８の回転検出用の入力軸５６に取り付けられたギヤ５８が噛合される。さらにこのギヤ５８は、モータ４６の出力軸６０に取り付けられたギヤ６２と噛合されている。

このような構成の駆動装置３４によって、モータ４６を駆動させるとフレーム４２によって支持されたピント状態検出用撮像素子Ａ（Ｂ）を光軸Ｏ’（Ｏ’’）に沿って前後に駆動できる。また、ポテンショメータ４８によりギヤ５８の回転が検出される。なお、ポテンショメータ４８による回転検出によってピント状態検出用撮像素子Ａ（Ｂ）の位置が検出されるが、詳細は後述する。

図３は、駆動装置３４および信号処理部７０などを示す撮影レンズ１２のブロック図である。信号処理部７０は、各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂで撮像された画像が入力され、この映像信号に基づいて撮影レンズ１２のピント状態を検出するものであり、制御手段として機能する中央演算処理装置（ＣＰＵ）７２などのほか、Ａ／Ｄ変換機７４、Ｄ／Ａ変換機７６、フォーカスデマンド７８、ズームデマンド８０などを備えている。

ＣＰＵ７２は、所定のプログラムに従って撮影レンズ１２内のフォーカスレンズ群１４やズームレンズ群１６などの各機器を制御する制御手段として機能するとともに、ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂの制御手段としても機能する。なお、ＣＰＵ７２は制御用プログラムおよび制御や演算に必要な各種データテーブルなどが格納されたＲＯＭのほか、作業用記憶領域として利用される不図示のＲＡＭなどを備えている。

撮影レンズ１２はマニュアルフォーカス（ＭＦ）またはオートフォーカス（ＡＦ）によりフォーカスが制御される。

ＭＦ時において、フォーカスデマンド７８は撮影レンズ１２の外周に設けられた不図示のフォーカスノブの回転操作量に応じてフォーカスレンズ群の移動位置を指令するフォーカスデマンドデータを、Ａ／Ｄ変換機７４を介してＣＰＵ７２に出力する。ＣＰＵ７２は、フォーカスデマンドデータに基づいてフォーカスモータ８２用の駆動回路８４に制御信号を出力し、撮影レンズ１２のフォーカスレンズ群１４を駆動する。なお、ＣＰＵ７２では取り込んだフォーカスデマンドデータと、フォーカス用のポテンショメータ８６からＡ／Ｄ変換器７４を介して入力されるフォーカスレンズ群１４の位置データとに基づいてフォーカスレンズ群１４の移動速度などが演算される。

一方、ズームデマンド８０は、撮影レンズ１２の外周部に回動自在に設けられたズームリングの回転方向や回転量に応じてズームレンズ群１６の移動速度を指令するズームデマンドデータをＡ／Ｄ変換機７４を介してＣＰＵ７２に出力する。ＣＰＵ７２は、ズームデマンドデータに基づいてズームモータ８８の駆動回路９０に制御信号を出力し、撮影レンズ１２のズームレンズ群１６を駆動する。ＣＰＵ７２では、取り込んだズームデマンドデータと、ポテンショメータ９２からＡ／Ｄ変換器７４を介して入力されるズームレンズ群１６の位置データとに基づいてズームレンズ群１６の移動量などが演算される。

さらに、ＣＰＵ７２は、アイリス１８用のポテンショメータ９４からＡ／Ｄ変換器７４を介して入力される絞り値データと、カメラ本体１０から与えられるアイリス制御信号とに基づいてアイリスモータ９６の駆動量を演算し、Ｄ／Ａ変換器７６を介してアイリスモータ９６用の駆動回路９８にアイリスモータ９６の制御信号を出力する。

このほかにもＣＰＵ７２は、撮影レンズ１２の外側に設けられた不図示のエクステンダー選択レバーの操作に応じ、Ｄ／Ａ変換器７６を介してエクステンダー２１用の駆動回路１０２にエクステンダー２１のレンズユニット変更信号を出力する。これを受けて駆動回路１０２は、エクステンダー２１の駆動用モータ１０４を駆動して、選択されたレンズユニットを光軸Ｏ上に進出させる（図１参照）。なお符号１０６は、光軸Ｏ上に進出されたレンズユニットの種類を検出するためのセンサである。

ＡＦ時には、各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂで撮像された画像は信号処理部７０のＣＰＵ７２に出力され、ＣＰＵ７２は、各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂから取得した映像信号に基づいて撮影レンズ１２のピント状態を検出する。そして、その検出したピント状態に基づいてＣＰＵ７２からＤ／Ａ変換機７６を介してフォーカスモータ８２の駆動回路８４に制御信号を出力し、撮影レンズ１２のフォーカスをＡＦ制御する。このＡＦ制御については後述する。

ピント状態検出用撮像素子Ａにおける駆動装置３４のモータ４６は、駆動回路１１０からの駆動信号に基づき作動される。この駆動回路１１０は、信号処理部７０のＤ／Ａ変換機７６から出力される制御信号に基づいてモータ４６を駆動する。これにより、ピント状態検出用撮像素子Ａが移動制御される。

また、ポテンショメータ４８は入力軸５６（図２参照）の回転をもとにしてピント状態検出用撮像素子Ａの位置を検出し、その位置データを信号処理部７０のＡ／Ｄ変換器７４に出力する。

ピント状態検出用撮像素子Ｂにおける駆動装置３４も同構成であり、Ｄ／Ａ変換機７６から出力される制御信号に基づいてモータ４６が駆動され、ピント状態検出用撮像素子Ｂが移動制御される。また、ポテンショメータ４８によってピント状態検出用撮像素子Ａの位置が検出され、その位置データが信号処理部７０のＡ／Ｄ変換器７４に出力される。

ピント状態の検出処理について具体的に説明する。各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂで撮像された被写体の画像は、それぞれ所定形式のビデオ信号として信号処理部７０に出力され、信号処理部７０のハイパスフィルタ１２０ａ，１２０ｂ、Ａ／Ｄ変換器１２２ａ，１２２ｂ、ゲート回路１２４ａ，１２４ｂ、加算器１２６ａ，１２６ｂによって、画像の鮮鋭度すなわち画像のコントラストを示す焦点評価値（ＶＡ，ＶＢ）の信号に変換された後、ＣＰＵ７２に入力される。たとえばピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂとして白黒画像を撮影するＣＣＤを用いた場合には、各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂから信号処理部７０に出力されるビデオ信号は、それぞれの画面を構成する各画素の輝度を示す輝度信号となる。

つぎに、焦点評価値ＶＡ，ＶＢを求めるまでの処理を説明する。各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂから出力されたビデオ信号はハイパスフィルタ１２０ａ，１２０ｂに入力されて、その高域周波数成分が抽出される。ハイパスフィルタ１２０ａ，１２０ｂで抽出された高域周波数成分の信号は、Ａ／Ｄ変換器１２２ａ，１２２ｂによってデジタル信号に変換される。そして、各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂにより撮像された画像の１画面分（１フィールド分）のデジタル信号のうち所定のフォーカスエリア内（たとえば画面中央部分）の画素に対応するデジタル信号のみがゲート回路１２４ａ，１２４ｂによって抽出され、抽出された範囲のデジタル信号の値が加算器１２６ａ，１２６ｂによって加算される。これにより、所定のフォーカスエリア内におけるビデオ信号の高域周波数成分の値の総和が求められ、求められた値が所定のフォーカスエリア内における画像の鮮鋭度の高低を示す焦点評価値ＶＡ，ＶＢとなる。

なお、各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂやゲート回路１２４ａ，１２４ｂなどの各回路には、図示しない同期信号発生回路から各種同期信号が与えられて各回路の処理の同期が図られている。また、ＣＰＵ７２には、同期信号発生回路からビデオ信号の１フィールドごとの垂直同期信号（Ｖ信号）が与えられている。

ＣＰＵ７２は、このように得られた焦点評価値ＶＡ，ＶＢに基づいて、映像撮像用撮像素子の撮像面（図１に示すピント面Ｐ）に対する撮影レンズ１２の現在のピント状態を検出する。

以下には、本発明に係るピント状態検出装置の作用を説明する。

はじめに、焦点評価値について説明する。図４は、横軸に撮影レンズ１２のフォーカス位置、縦軸に焦点評価値をとり、ある被写体を撮影した際のフォーカス位置に対する焦点評価値の様子を示した図である。図中実線で示す曲線ＳＡ、ＳＢは、それぞれピント状態検出用撮像素子Ａ、Ｂから得られる焦点評価値を示したものであり、図中破線で示す曲線ＳＣは、映像撮像用撮像素子から得られる焦点評価値を示す。曲線ＳＣにて示す焦点評価値が最大（極大）となる位置Ｆ１が映像撮像用撮像素子Ｃの合焦位置となる。

今、撮影レンズ１２のフォーカス位置が合焦位置Ｆ１に設定された場合、各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂから得られる焦点評価値は各曲線ＳＡ，ＳＢの位置Ｆ１に対応する値ＶＡ１、ＶＢ１となる。この場合、各焦点評価値の関係はピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ１とピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ１とが同値となり、かつ映像撮像用撮像素子Ｃにおける焦点評価値ＶＣ１が異なる値となる（ＶＡ１＝ＶＢ１、ＶＡ１≠ＶＣ１、ＶＢ１≠ＶＣ１）。したがって、このようにピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ１とピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ１とが同値で、かつ、映像撮像用撮像素子Ｃにおける焦点評価値ＶＣ３が、これら焦点評価値ＶＡ１，ＶＢ１と異なる場合は、撮影レンズ１２のフォーカス位置が合焦位置Ｆ１に設定された状態であることが分かる。

一方、撮影レンズ１２のフォーカス位置が、前記合焦位置Ｆ１よりも至近側の位置Ｆ２に設定された場合、各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂから得られる焦点評価値は各曲線ＳＡ，ＳＢの位置Ｆ２に対応する値ＶＡ２，ＶＢ２となる。この場合、ピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ２とピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ２の関係は、ピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ２がピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ２よりも大きくなる（ＶＡ２＞ＶＢ２）。このようにピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ２がピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ２よりも大きい場合は、撮影レンズ１２のフォーカス位置が合焦位置Ｆ１よりも至近側に設定された状態、すなわち、前ピンの状態であることが分かる。

同様に、撮影レンズ１２のフォーカス位置が合焦位置Ｆ１よりも無限遠側の位置Ｆ３に設定された場合、各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂから得られる焦点評価値は、各曲線ＳＡ、ＳＢの位置Ｆ３に対応する値ＶＡ３、ＶＢ３となる。この場合、ピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ３とピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ３の関係は、ピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ３がピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ３よりも小さくなる。このようにピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ３がピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ３よりも小さい場合は、撮影レンズ１２のフォーカス位置が合焦位置Ｆ１よりも無限遠側に設定された状態、すなわち、後ピンの状態であることが分かる。

ここで、撮影レンズ１２のズームレンズ群１６を操作して焦点距離をワイド側とするほど（短くするほど）、光路長差に対応するピント位置の変位量が大きくなり、図５に示すように曲線ＳＡ，ＳＢがフォーカス位置に対して離間し、焦点評価値の差異が検出できない場合がある。

すなわち、同図において撮影レンズ１２のフォーカス位置が前記位置Ｆ２に設定された場合、これらフォーカス位置における各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂから得る焦点評価値は、ピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ２’とピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ２’となる。この場合、焦点評価値ＶＡ２’とＶＢ２’はともにほぼ同値となり、焦点評価値の差異が検出できない。したがって、フォーカス位置が合焦位置からズレた状態にあることは検出できるが、光路長差が大きすぎるためにどちらの方向にどれだけズレているかの検出は行うことができない。

同様に撮影レンズ１２のフォーカス位置が前記Ｆ３に設定された場合、これらフォーカス位置における各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂから得る焦点評価値ＶＡ３’、ＶＢ３’はともにほぼ同値となり、やはりピント状態を検出することはできない。

上述したように焦点評価値の差異の検出が困難な場合は、ピント状態検出用撮像素子Ａとピント状態検出用撮像素子Ｂの位置を光路長差が小さくなるように移動し、曲線ＳＡ，ＳＢを接近させることによってピント状態の検出が可能になる。すなわち、図６に示すようにピント状態検出用撮像素子Ａを光路長がＸ１だけ長くなる位置に移動させるとともに、ピント状態検出用撮像素子Ｂを光路長がＸ２だけ短くなる位置に移動させる（以下、光路長がＸ１だけ長くなる位置に移動させたピント状態検出用撮像素子Ａをピント状態検出用撮像素子Ａ＋とし、光路長がＸ２だけ短くなる位置に移動させたピント状態検出用撮像素子Ｂをピント状態検出用撮像素子Ｂ−とする）。

ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂを映像撮像用撮像素子Ｃの光路長に対して距離Ｘ１、Ｘ２だけ近付けることによって（符号Ａ＋，Ｂ−）、各ピント状態検出用撮像素子Ａ＋、Ｂ−から得られる焦点評価値は距離Ｘ１、Ｘ２分だけフォーカス位置が移動し、図７に実線で示す曲線ＳＡ＋、ＳＢ−となる。この場合、撮影レンズ１２のフォーカス位置が位置Ｆ２にあるとすると、ピント状態検出用撮像素子Ａ＋、Ｂ−から得られる焦点評価値は、それぞれ各曲線ＳＡ＋、ＳＢ−の位置Ｆ２に対応する値ＶＡ２’’、ＶＢ２’’となる。

これにより、ピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ２’’は、ピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ２’’よりも大きいことが分かる。したがって、この焦点評価値ＶＡ２’’、ＶＢ２’’を比較することにより、撮影レンズ１２のフォーカス位置が合焦位置よりも至近側に設定された状態であることが判断できる。

同様に、図５に示したように撮影レンズ１２のフォーカス位置がＦ３に設定された場合、各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂから得る焦点評価値は、ピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ３とピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ３がともにほぼ同値となるためピント状態を検出することはできないが、前述したようにピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂを距離Ｘ１、Ｘ２だけ映像撮像用撮像素子Ｃに近付けることによって、図７においてピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ３’’は、ピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ３’’よりも大きいことが分かり、撮影レンズ１２のフォーカス位置が合焦位置よりも無限遠側に設定された状態であることが判断できる。

また、撮影レンズ１２のズームレンズ群１６を操作して焦点距離をテレ側とするほど（長くするほど）、図８に示すように曲線ＳＡ，ＳＢがフォーカス位置に対して接近し、焦点評価値の差異が検出できない場合がある。

すなわち、同図において撮影レンズ１２のフォーカス位置がＦ４に設定された場合、これらフォーカス位置における各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂから得る焦点評価値は、ピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ４’とピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ４’となる。この場合、焦点評価値ＶＡ４’とＶＢ４’はともにほぼ同値となり、ピント状態を検出することはできない。

また、撮影レンズ１２のフォーカス位置がＦ５に設定された場合、これらフォーカス位置における各ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂから得る焦点評価値ＶＡ５’、ＶＢ５’もともにほぼ同値となり、やはりピント状態を検出することはできない。

このような場合は、ピント状態検出用撮像素子Ａとピント状態検出用撮像素子Ｂの位置を光路長差が大きくなるように移動し、曲線ＳＡ，ＳＢを離間させることによって検出が可能になる。すなわち、図６に示したようにピント状態検出用撮像素子Ａを光路長がＸ３だけ短くなる位置に移動させるとともに、ピント状態検出用撮像素子Ｂを光路長がＸ４だけ長くなる位置に移動させる（以下、光路長がＸ３だけ短くなる位置に移動させたピント状態検出用撮像素子Ａをピント状態検出用撮像素子Ａ−とし、光路長がＸ４だけ長くなる位置に移動させたピント状態検出用撮像素子Ｂをピント状態検出用撮像素子Ｂ＋とする）。

ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂを映像撮像用撮像素子Ｃの光路長に対して距離Ｘ３、Ｘ４だけ遠ざけることによって、各ピント状態検出用撮像素子Ａ−、Ｂ＋から得られる焦点評価値は距離Ｘ３、Ｘ４分だけフォーカス位置が移動し、図８に実線で示す曲線ＳＡ−、ＳＢ＋のようになる。この場合、撮影レンズ１２のフォーカス位置が位置Ｆ４にあるとすると、ピント状態検出用撮像素子Ａ−、Ｂ＋から得られる焦点評価値は、それぞれ各曲線ＳＡ−、ＳＢ＋の位置Ｆ４に対応する値ＶＡ４’’、ＶＢ４’’となる。

これにより、ピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ４’’は、ピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ４’’よりも大きいことが分かり、撮影レンズ１２のフォーカス位置が合焦位置よりも至近側に設定された状態であることが判断できる。

同様に、撮影レンズ１２のフォーカス位置がＦ５に設定された場合、前述したようにピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂを映像撮像用撮像素子Ｃの光路長に距離Ｘ３，Ｘ４だけ遠ざけることによって、ピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢ５’’は、ピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡ５’’よりも大きいことが分かり、撮影レンズ１２のフォーカス位置が合焦位置よりも無限遠側に設定された状態であることが判断できる。

なお、ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂの光路長差を小さくすると、より多くの焦点評価値情報を得られるため、より高精度なピント状態の検出が可能になる。一方、撮影レンズ１２のアイリス１８における絞り値が大きくなると、焦点評価値のピーク位置が下がり、全体としてなだらかな曲線となるので、このような場合は逆にピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂの光路長差を広げた方が高精度なピント状態の検出が可能になる。したがって、絞り値に応じてピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂを移動させて光路長差を変化させることが好ましい。

また、前述したようにズームレンズ群１６を調整するとピント状態の検出が困難となる場合があることから、ポテンショメータ９２から入力されるズームレンズ群１６の位置データに基づき、ピント状態検出用撮像装置Ａ，Ｂを移動させて光路長差を変化させる。さらに、ズームレンズ群１６と同様のズーム系であるエクステンダー２１において、光軸Ｏに進出されたレンズユニット２１ａの種類に応じても光路長差を変化させる必要がある。

以下には、この絞り値およびズームレンズ群１６に応じたピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂの移動による光路長差の変化の手順を、図９に示すフローチャートに従って説明する。

同フローチャートのステップＳ１０において、はじめにＣＰＵ７２は所要の初期設定を行い、ついでステップＳ１２にて撮影レンズ１２のアイリス１８の制御など、ＡＦ以外の所要の処理を行う。

つぎに、ＣＰＵ７２はＡＦモードか否かを確認する（ステップＳ１４）。ＡＦモードの場合には以下のＡＦ制御を実施する。

まず、ＣＰＵ７２はアイリス用ポテンショメータ９４（図３参照）から撮影レンズ１２の現在の絞り値データを取り込む（ステップＳ１５）。ついで、ＣＰＵ７２はズームレンズ用ポテンショメータ９２からズームレンズ群１６のズーム位置データを取り込む（ステップＳ１６）。さらに、ＣＰＵ７２はエクステンダーのセンサ１０６から光軸Ｏ上に進出されたレンズユニット２１ａの種類を検出する（ステップＳ１７）。

そして、取り込んだこれら絞り値データ、ズーム位置データ、レンズユニットの種類に基づいて最適な光路長差（ピント状態検出用撮像素子Ａとピント状態検出用撮像素子Ｂの光路長の差）をＲＯＭに記憶されたデータテーブルをもとに算出する（ステップＳ１８）。

ついで、ＣＰＵ７２は、算出した最適光路長差と現在の光路長差を比較する（ステップＳ２０）。この比較の結果、現在の光路長差が最適光路長差と許容範囲内と判断した場合は、ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂの移動による光路長の変更は行わず、通常どおりピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値とピント状態検出用撮像素子Ｂとから得られる焦点評価値とに基づいてピント状態を検出する。

すなわち、まずピント状態検出用撮像素子Ａから得られる焦点評価値ＶＡを取り込み（ステップＳ２２）、ついでピント状態検出用撮像素子Ｂから得られる焦点評価値ＶＢを取り込む（ステップＳ２４）。そして、その取り込んだピント状態検出用撮像素子Ａの焦点評価値ＶＡとピント状態検出用撮像素子Ｂの焦点評価値ＶＢとを比較し（ステップＳ２６）、合焦状態にあるか否かを判定する（ステップＳ２８）。

この合焦状態にあるか否かの判定は、ピント状態検出用撮像素子Ａの焦点評価値ＶＡとピント状態検出用撮像素子Ｂの焦点評価値ＶＢとの差ΔＶＡ−ＶＢを求め、その差がゼロか否かにより行なわれる。そして、焦点評価値の差ΔＶＡ−ＶＢがゼロでない場合は合焦状態にないと判定されてフォーカス制御が実行される。すなわち、ピント状態検出用撮像素子Ａの焦点評価値ＶＡとピント状態検出用撮像素子Ｂの焦点評価値ＶＢとに基づいてピントのズレ方向を判定し（ステップＳ３０）、ピントが無限遠側にある場合はステップＳ３２にてフォーカスレンズ群１４を駆動し、フォーカスを至近側に移動させる。ステップＳ３０にてピントが至近側にある場合はステップＳ３４にてフォーカスレンズ群１４を駆動し、フォーカスを無限遠側に移動させる。そして、合焦するまで、すなわちピント状態検出用撮像素子Ａの焦点評価値ＶＡとピント状態検出用撮像素子Ｂの焦点評価値ＶＢとの差ΔＶＡ−ＶＢがゼロになるまで前記ステップＳ１６に戻り、上記の処理を繰り返す。

一方、上記ステップＳ２０において、現在の光路長差が最適光路長差と許容範囲外と判断され、ピント状態の検出が困難となることが予想される場合には、ＣＰＵ７２は、その現在の光路長差と求めた最適光路長差とを比較し、現在の光路長差が最適光路長差よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３６）。

この判定の結果、現在の光路長差が最適光路長差よりも小さいと判断されると（つまりピント状態検出用撮像素子Ａとピント状態検出用撮像素子Ｂの間隔が最適な間隔よりも狭い場合）ＣＰＵ７２は、最適光路長差となるようにピント状態検出用撮像素子Ａの位置を至近側に所定量移動させる（ステップＳ３８）。ＣＰＵ７２はＤ／Ａ変換器７６を介して駆動回路１１０に制御信号を出力し、モータ４６を駆動してピント状態検出用撮像素子Ａを基準位置から光路長の差を広げるように移動させる。そして、移動させた位置でピント状態検出用撮像素子Ａに撮像された映像信号に基づくピント状態検出用撮像素子Ａの焦点評価値ＶＡを取り込む（ステップＳ４０）。

ついで、ＣＰＵ７２は、最適光路長差となるようにピント状態検出用撮像素子Ｂの位置を無限遠側に所定量移動させる（ステップＳ４２）。ＣＰＵ７２はＤ／Ａ変換器７６を介して駆動回路１１０に制御信号を出力し、モータ４６を駆動してピント状態検出用撮像素子Ｂを基準位置から光路長の差を広げるように移動させる。そして、移動させた位置でピント状態検出用撮像素子Ｂに撮像された映像信号に基づくピント状態検出用撮像素子Ｂの焦点評価値ＶＢを取り込む（ステップＳ４４）。

ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂの焦点評価値ＶＡ，ＶＢが取り込まれると、ＣＰＵ７２は、Ｄ／Ａ変換器７６を介して駆動回路１１０に制御信号を出力し、モータ４６を駆動してピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂを基準位置に復帰させる（ステップＳ４６）。

ついで、前記ステップＳ２６に戻り、取り込んだピント状態検出用撮像素子Ａの焦点評価値ＶＡとピント状態検出用撮像素子Ｂの焦点評価値ＶＢとを比較し、合焦状態にあるか否かを判定する（ステップＳ２８）。

一方、上記ステップＳ３６で現在の光路長差が最適光路長差よりも大きいと判断されると（つまりピント状態検出用撮像素子Ａとピント状態検出用撮像素子Ｂの間隔が最適な間隔よりも広い場合）、ＣＰＵ７２は最適光路長差となるようにピント状態検出用撮像素子Ａの位置を無限遠側に所定量移動させる（ステップＳ４８）。ＣＰＵ７２はＤ／Ａ変換器７６を介して駆動回路１１０に制御信号を出力し、モータ４６を駆動してピント状態検出用撮像素子Ａを基準位置から光路長の差を狭めるように移動させる。そして、移動させた位置でピント状態検出用撮像素子Ａに撮像された映像信号に基づくピント状態検出用撮像素子Ａの焦点評価値ＶＡを取り込む（ステップＳ５０）。

ついで、ＣＰＵ７２は、最適露光長差となるようにピント状態検出用撮像素子Ｂの位置を至近側に所定量移動させる（ステップＳ５２）。ＣＰＵ７２はＤ／Ａ変換器７６を介して駆動回路１１０に制御信号を出力し、モータ４６を駆動してピント状態検出用撮像素子Ｂを基準位置から光路長の差を狭めるように移動させる。そして、移動させた位置でピント状態検出用撮像素子Ｂに撮像された映像信号に基づくピント状態検出用撮像素子Ｂの焦点評価値ＶＡを取り込む（ステップＳ５４）。

ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂの焦点評価値ＶＡ，ＶＢが取り込まれると、ＣＰＵ７２は、Ｄ／Ａ変換器７６を介して駆動回路１１０に制御信号を出力し、モータ４６を駆動してピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂを基準位置に復帰させる（ステップＳ５６）。

ついで、前記ステップＳ２６に戻り、取り込んだピント状態検出用撮像素子Ａの焦点評価値ＶＡとピント状態検出用撮像素子Ｂの焦点評価値ＶＢとを比較し、合焦状態にあるか否かを判定する（ステップＳ２８）。この判定結果に基づきフォーカス制御が行われ、合焦するまで、すなわちピント状態検出用撮像素子Ａの焦点評価値ＶＡとピント状態検出用撮像素子Ｂの焦点評価値ＶＢとの差△ＶＡ−ＶＢがゼロになるまで上記の処理を繰り返す。

なお、焦点評価値の差△ＶＡ−ＶＢがゼロの場合は合焦と判定され、この場合はフォーカス制御は行なわれず、ＡＦ制御を終了する。以下、再びＡＦモードとなるまでマニュアルにてフォーカスが制御される。

これにより、撮影レンズ１２のピントが被写体に合わせられ、映像撮像用撮像素子の撮像画面上に被写体が結像する。

このように本実施の形態に係るピント状態検出装置によれば、ピント状態検出用撮像素子をピント状態検出用被写体光の光軸方向に沿って前後移動させて最適な光路長差を設定でき、適切なピント状態の検出が常に行なえる。

上述したような実施の形態に示したピント状態検出装置の構成は、前記実施の形態に限定されるものではない。たとえば、モータ４６によってピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂを駆動させる構成としたが、圧電素子などを用いたアクチュエータによって駆動する構成としてもかまわない。

また、図９に示したフローチャートでは、ピント状態検出用撮像素子Ａを最適光路長差となるように移動して焦点評価値を取り込み、その後にピント状態検出用撮像素子Ｂの最適光路長差への移動および焦点評価値取り込みを行なうと構成したが、その順番は問わず、たとえばピント状態検出用撮像素子Ｂの移動および焦点評価値取り込みを行なった後、ピント状態検出用撮像素子Ａの移動および焦点評価値取り込みを行なう構成としてもよい。また、ピント状態検出用撮像素子Ａ，Ｂの移動を同時に行った後、焦点評価値の取り込みを行なう構成としてもよい。

さらに、本実施の形態では、放送用などのテレビカメラシステムにおける撮影レンズに本発明のピント状態検出装置を適用した例を例示したが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、たとえばデジタルカメラなどの既存のカメラの撮影レンズにも本発明を適用できる。

本発明の実施の形態に係るピント状態検出装置が適用されたテレビカメラシステムを示す構成図 本発明の実施の形態に係るピント状態検出装置の駆動装置の詳細を示す側面図および正面図 本発明の実施の形態に係るピント状態検出装置および撮影レンズの内部構造を示すブロック図 本発明の実施の形態に係るピント状態検出装置において、ある被写体を撮影した際のフォーカス位置に対する焦点評価値の様子を示した図 本発明の実施の形態に係るピント状態検出装置において、ズームレンズ群をテレからワイドへ所定量以上変更した際のフォーカス位置に対する焦点評価値の様子を示した図 本発明の実施の形態に係るピント状態検出装置において、ピント状態検出用の撮像素子および映像撮像用の撮像素子の位置を光軸上に等価的に示した図 本発明の実施の形態に係るピント状態検出装置の別の作用を示すもので、ピント状態検出用撮像素子の位置を映像撮像用撮像素子の光路長に対して近づけた際のフォーカス位置に対する焦点評価値の様子を示した図 本発明の実施の形態に係るピント状態検出装置のさらに別の作用を示すもので、ピント状態検出用撮像素子の位置を映像撮像用撮像素子の光路長に対して遠ざけた際のフォーカス位置に対する焦点評価値の様子を示した図 本発明の実施の形態に係るピント状態検出装置のピント状態検出用撮像素子の移動手順を示すフローチャート

符号の説明

１…テレビカメラシステム、１０…カメラ本体、１２…撮影レンズ、１４…フォーカスレンズ群、１６…ズームレンズ群、１８…アイリス、２０…リレーレンズ群、２１…エクステンダー、２２…ハーフミラー、３０…ピント状態検出部、３２…ビームスプリッタ、３４…駆動装置、４６…モータ、４８…ポテンショメータ、７２…ＣＰＵ、Ａ，Ｂ…ピント状態検出用撮像素子（ＣＣＤ）、Ｃ…映像撮像用撮像素子（ＣＣＤ）、Ｏ，Ｏ’，Ｏ’’…光軸、Ｐ…ピント面（撮像面）

Claims (4)

1. 焦点距離が変更可能な撮影レンズのピント状態を検出するピント状態検出装置であって、前記撮影レンズにより映像撮像用撮像素子に導かれる被写体光を分岐して光路長差を有する複数のピント状態検出用撮像素子により撮像し、各ピント状態検出用撮像素子から得られた映像信号に基づいてピント状態を検出するピント状態検出装置において、
   前記各ピント状態検出用撮像素子を光軸方向に前後移動させる移動手段と、
   焦点距離に対応して調整された前記撮影レンズのズーム位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段によって検出されたズーム位置のデータに基づいて、予め記憶されているズーム位置ごとの最適な光路長差のデータを参照して、最適な前記ピント状態検出用撮像素子の光路長差を算出する光路長差算出手段と、
   前記光路長差算出手段により算出された光路長差に応じて前記移動手段により前記各ピント状態検出用撮像素子の位置を変更し、前記ピント状態検出用撮像素子の光路長差を変更する光路長差変更手段と、
   を備えたことを特徴とするピント状態検出装置。
2. 前記光路長差変更手段は、前記撮影レンズの焦点距離が長くなるほど前記光路長差が大きくなるように前記各ピント状態検出用撮像素子の位置を変更することを特徴とする請求項１に記載されたピント状態検出装置。
3. 前記撮影レンズのフォーカスが合焦位置となるようにフォーカスを制御するオートフォーカスシステムにおけるピント状態の検出に適用されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたピント状態検出装置。
4. 前記光路長差算出手段は、前記位置検出手段によって検出されたズーム位置のデータと合わせて、予め記憶されているレンズユニットの種類ごとの最適な光路長差のデータを参照して最適な前記ピント状態検出用撮像素子の光路長差を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載されたピント状態検出装置。

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