JPH07325247A - 自動合焦装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 位置誤差の大小に応じた最適な合焦レンズの
駆動制御を実現できる自動合焦装置を提供する。 【構成】 被写体１０に対する撮影レンズ１の焦点外れ
量と被写体像の移動速度とに基づいて合焦レンズ５の目
標位置を特定し、焦点外れ量に関するデータが更新され
るまでの間は合焦レンズ５の現在位置を監視して該現在
位置と前記目標位置との差に相当する位置誤差に応じて
前記合焦レンズ５の駆動力を制御する自動合焦装置にお
いて、位置誤差に対する合焦レンズ５の駆動力の増減を
非線形関数にしたがって行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、カメラ等に用いられる
自動合焦装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の装置は、合焦レンズの位置
を検出する手段、たとえばエンコーダから入力されるパ
ルス数と被写体の焦点はずれ量および結像面の移動速度
（以後これを像面速度という）をもとに、いわゆるＰＩ
Ｄ制御という駆動方式をとっていた。これは、以上のパ
ラメータから求められる位置誤差と位置誤差の積分値の
線形結合で合焦レンズの駆動力を算出し、それに応じた
デューティもしくは電圧で合焦駆動を制御しようという
ものである。

【０００３】図５がその構成図である。焦点外れ検出手
段１０１から焦点外れ量を受け取り、あらかじめ計算し
た像面速度を同様に受け取るか、もしくは演算手段１０
２にて像面速度を計算し不図示の記憶手段に貯える。撮
影レンズ１０７に組み込まれた合焦レンズ１０８の位置
データをレンズ位置検出手段１０３より取得し、また連
続した複数のこのデータないしはパルス間隔より現在の
合焦レンズ１０８の駆動速度を求め、先ほどの像面速度
と同じディメンジョンに演算手段１０２で換算する。こ
れより現在のレンズ位置と像面位置の差を位置誤差と
し、駆動レンズ速度と像面速度の差を速度誤差として演
算手段１０２で計算し、これを下式（１）に代入してモ
ータに与える駆動力を得、これをモータに出力する。

【数１】 以上の動作を新たに焦点外れ量が入力されるまで繰り返
し、移動する被写体を追尾する。図２はその状態を示す
ものである。移動する被写体に対応する像面位置の移動
が軌跡ｇ３にて示され、合焦レンズ１０５の位置の変化
が軌跡ｇ４にて示されている。両軌跡ｇ３、ｇ４の間隔
が合焦レンズ５の焦点外れ量に対応する。焦点外れ量の
検出間隔は、焦点検出に用いるセンサの電荷蓄積や電荷
転送に必要な時間の制限から通常数１０ｍｓのオーダー
である。これに対して合焦レンズ５の駆動制御信号の出
力間隔のオーダーは数ｍｓで１０倍以上のサイクルの差
がある。すなわち、焦点外れ量の検出が１回繰り返され
る間に少なくとも１０回以上の駆動制御がなされるので
ある。なお、与式においてΔＶは速度差、ΔＸは位置誤
差、ｔは時間、α、β、γは係数を表すものとする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の方法で
は、移動する被写体の追尾に関して次のような問題があ
った。移動する対象を追尾するようにサーボ駆動を行な
う際、原理的に対象と駆動物体との間に定常的な遅れが
発生することが知られている。この大きさは、式（１）
で示した第２項、つまり位置誤差にかかる係数の大きさ
に逆比例するのである。カメラ等の自動焦点合焦装置に
おいて、この遅れが撮影レンズの被写体深度を越えるも
のであれば、いわゆる”ピンぼけ”状態となる。すなわ
ち、これは対象が移動している場合には後ピンとなっ
て、望まれるシャープな画像が得られないことを意味す
る。しかも、この制御上の遅れは対象の速度が大きくな
ればなるほど同様に大きくなる性質を持っているのであ
る。

【０００５】たとえば一眼レフカメラの場合、特に連続
撮影をおこなう際には、連続的に発生する露光時間中に
はミラーが跳ね上がり光束がフィルム面へ向うためその
間焦点外れ量を検出できなくなるという理由から、高速
かつ間欠的に追尾動作をおこなわなければならないとい
う苛酷な条件が要請されている。さらに、撮影レンズが
ギア付きのモータで駆動されている場合、それに起因す
る不確定なガタ等の特性から、途中での駆動方向の反転
は駆動の不感帯を誘起し、明確に制御へ悪影響をおよぼ
す。駆動方向の反転を生じさせることなく、可能な限り
合焦レンズを同一方向に駆動することが望まれるのであ
る。同一方向にだけ進むのであれば、合焦レンズの位置
を検出するエンコーダの出力を１位相だけにしても位置
を確定できるという利点がある。これは信頼性の見地か
ら撮影レンズとカメラ本体の電気接点の数をひとつでも
減らそうという要求にかなう。

【０００６】前述の定常的な遅れに対処するためにこの
構成で式（１）の第２項の係数βを遅れ量の残量が満足
いくまで増やせばいいかというと、そういうわけではな
い。最初から被写体に合焦状態であれば、この係数を増
加させれば機械系が共振しない限りにおいてかなり有効
であるかもしれない。しかし、一眼レフカメラの連続撮
影の場合には、先に述べたように露出動作によって区分
された間欠的な合焦制御となるため、物体が移動してい
ると露出等の焦点外れを計測できない時間中に物体が移
動した分だけ制御サイクルの開始時にオフセット的な焦
点外れ量を持つ（図２の縦軸位置参照）。この初期の焦
点外れ量を所定時間内に先に述べたように一方向にのみ
駆動して、なめらかにかつ速やかに合焦状態にもってい
く駆動が不可欠になる。

【０００７】ところが、ここで式（１）の位置誤差の係
数を単純に大きくするとこの初期のオフセツト値の”寄
りつき”に問題が発生する。式（１）の各係数は、対象
速度が０の時の追尾、つまり静止被写体への合焦運動、
もしくは寄りつきを最善にするように定められているた
め、遅れにだけ注目して係数を変化させる、あるいはゲ
インを単純に大きくすると、寄りついて目標近傍にくる
までに合焦レンズの駆動に勢いがつきすぎて減速制御が
不可能となり激しくオーバーランしたり、それに伴う逆
転駆動の誘発が起こるおそれがある。式（１）の式の係
数の改善で、これらの条件を満足する解を得ることは至
難である。すなわち、上述した式（１）では位置ゲイン
（第２項を位置誤差で除した値）が位置誤差ΔＸの大小
に拘らず常に一定値βであるため、位置誤差の大小に応
じた最適な合焦レンズの駆動制御が不可能であった。

【０００８】本発明の目的は、位置誤差の大小に応じた
最適な合焦レンズの駆動制御を実現できる自動合焦装置
を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１に対
応付けて説明すると、本発明では、被写体１０に対する
撮影レンズ１の焦点外れ量に関連した情報と被写体像の
移動速度に関連した情報とに基づいて合焦レンズ５の目
標位置を特定し、焦点外れ量に関連した情報が更新され
るまでの間は合焦レンズ５の現在位置を監視して該現在
位置と前記目標位置との差に相当する位置誤差に応じて
前記合焦レンズ５の駆動力を制御する自動合焦装置にお
いて、位置誤差に対する合焦レンズ５の駆動力の増減が
非線形関数にしたがって行われることにより、上述した
目的を達成する。

【００１０】

【作用】合焦レンズ５の位置誤差の変化に対して駆動力
が非線形に増減されるので、合焦レンズ５の位置誤差に
応じて最適な駆動力を発生させることができる。

【００１１】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１２】

【実施例】以下、図１〜図４および図６を参照して本発
明の一実施例を説明する。図１において１は撮影レン
ズ、２はカメラボディ、３はカメラボディ２に組み込ま
れた焦点外れ量検出装置、４は撮影レンズ１に組み込ま
れた焦点調整用の合焦レンズ５の位置を検出するエンコ
ーダである。移動する被写体１０は、撮影レンズ１を通
過して予定結像面６の近傍にその像を結ぶ。予定結像面
６はフィルムが載置される面である。フィルムの非露光
時には、被写体１０からの光束の一部がミラー７で折り
曲げられて不図示のファインダ系に導かれ、他の一部が
サブミラー８で折り曲げられて焦点外れ量検出装置３に
導かれる。焦点検出外れ量検出装置３にて被写体１０に
対する撮影レンズ１の焦点外れ量に対応した値が検出さ
れる。焦点検出装置３としては、例えば撮影レンズ１の
射出瞳の互いに異なる領域を通過した一対の光束を電荷
蓄積イメージセンサに導いて、一対の像間隔を検出する
いわゆる位相差検出型のものが使用できる。

【００１３】焦点外れ量検出装置３の検出情報は通信装
置１４を介して撮影レンズ１内の記憶装置１２に書き込
まれる。記憶装置１２には、焦点外れ量、合焦レンズ５
の駆動速度、位置等のデータが記憶される。また、エン
コーダ４が検出した合焦レンズ５の位置に関するデータ
は演算装置１３に出力される。演算装置１３は、記憶装
置１２が記憶するデータと、エンコーダ４の出力データ
とから合焦レンズ５を駆動するために必要な各種の演算
を行い、その結果に対応する信号をドライバ１１に出力
する。ドライバ１１は演算装置１３からの制御信号にし
たがってモータ９の動作を制御し、これにより合焦レン
ズ５が所定の合焦位置へと駆動される。なお、モータ９
としては例えば超音波モータを利用できるが、ここでは
不図示のギアボックスを介して合焦レンズ５が駆動され
る構成を想定している。記憶装置１２、演算装置１３等
はカメラボデイ２側に設けてもよい。

【００１４】次に合焦レンズ５の駆動制御について説明
する。移動する被写体１０の焦点外れ量は、焦点外れ量
検出装置３により適当な周期で検出される。時刻Ｔｎに
おける焦点外れ量Ｄｎと、時刻Ｔｎの直前の検出時刻Ｔ
ｎ−１における焦点外れ量Ｄｎ−１から下式（２）によ
り像面速度Ｖｉｍを求める。

【数２】 ただし、像面速度と合焦レンズ５の移動量との間の非線
形性が強いときは、焦点外れ量Ｄｎ、Ｄｎ−１の間の移
動量を式（２）の分子のような単純な減算ではなく、テ
ーブルの補完によって求めるとよい。なお、像面速度Ｖ
ｉｍの演算は、焦点外れ検出装置３に演算部を設けてそ
こで演算する。焦点外れ量検出装置３にて検出した焦点
外れ量Ｄｎ、Ｄｎ−１を記憶装置１２に読み込んで演算
装置１３で行なうこともできる。

【００１５】オフセット量と像面速度とから、ドライバ
１１へ制御信号を出力する時点での合焦レンズ５の目標
位置を例えば下式（３）により求める。

【数３】 ここで、図６を参照するに、ＯＦＦはｔ０時のレンズ位
置に対する被写体像面位置のずれであるオフセット量、
Ｖｉｍはそのときの像面ずれ量であり、それぞれカメラ
ボディから受け取る。Δｔは、制御のサイクルタイムで
ある。ｎ回目の目標位置として下式（８）のように求め
てもよい。

【数８】 目標位置は直ちにエンコーダ４の出力パルスと計算上の
互換性のある値、例えばエンコーダ４のパルス数に相当
する値に変換される。像面速度Ｖｉｍについても、同様
の変換を行って目標速度Ｖとし、その値を記憶装置１２
に記憶する。つまり、目標速度Ｖは像面速度Ｖｉｍと等
価なレンズ移動速度として与えられる。

【００１６】目標位置および目標速度が定まると、演算
装置１３は制御式各項の計算を開始する。まず、演算装
置１３はエンコーダ４の出力から合焦レンズ５の現在位
置を知る。検出された現在位置と先に求められた目標位
置との間で減算を行って位置誤差ΔＸを算出する。さら
に、式（２）と同様にして前回の位置データあるいは所
定時間前の位置データを現在位置のデータから差引き、
その差を演算データの時間間隔で除算してその時点での
合焦レンズ５の移動速度を求める。前回の位置データや
所定時間前の位置データが存在しないときは、その値を
０と仮定する。速度項についても位置誤差を求めるとき
と同様にして目標速度とこのデータとの間で差をとり、
その値を速度誤差ΔＶとする。

【００１７】以上のようにして位置誤差ΔＸと速度誤差
ΔＶとが算出された後、これらのデータから下式（４）
ないし（６）のいずれかを用いてモータ９の駆動力を算
出する。

【数４】

【数５】

【数６】 モータ９の駆動は、ここではモータ９にかかる電圧をあ
るデューティで変調するいわゆるＰＷＭ制御方式でなさ
れるものとする。したがって、この場合、式（４）〜
（６）のＰがデューティに相当する。そうすると、出力
される駆動力は０〜１ないしは−１〜＋１の大きさで表
現されるＡＣ的なデューティであり、これにＤＣ的な電
源電圧をかけたものが等価的な駆動電圧となる。

【００１８】ここで制御式を考察する。式（４）〜
（６）を用いた計算では、位置誤差ΔＸに対するゲイン
がいままでにあった制御式のそれと比べて目標位置近傍
で非常に高くなっている。なお、位置誤差に対するゲイ
ンとは、式（４）〜（６）の第２項であるβ√ΔＸを位
置誤差ΔＸで除算した値である。図４は従来の線形なゲ
インを与える制御式と式（４）のゲインを比較したもの
で、ｇ２が従来方式を、ｇ１が式（４）に対応する。図
の横軸が目標位置からの距離、すなわちΔＸ、縦軸がゲ
インである。式（４）のゲインｇ１は目標位置に近付く
ほど急速に増大する。このことから、合焦レンズ５が合
焦位置（被写体像を正しく予定結像面６に結像させる位
置）に寄り付く力は、合焦レンズ５の目標位置までの距
離が小さくなるほど、換言すれば合焦レンズ５が目標位
置へ近付くほど大きくなり、従来問題であった定常的な
遅れや合焦レンズ５の途中止りが改善される。

【００１９】式（５）は、上述した式（４）にそうした
制御領域からはるかに離れたとき、すなわち目標位置と
現在位置との隔たりが大きいときに、オープンループ方
式に近い形でモータ９を高速駆動するための項を加えた
ものである。また、式（６）は式（５）に、何等かの駆
動制限が必要なために十分なゲインを与えることができ
ない場合に不可避的に多少とも発生する位置遅れをなく
すために、１項が加えられたものである。

【００２０】すなわち、式（５）では初期に非常に大き
な位置誤差があったときのために、オフセットをもった
線形位置誤差項ｆが第３項に加えられている。第３項の
関数ｆは例えば図３に示すように設定される。すなわ
ち、位置誤差が＋ｎまたは−ｎに達するまでは第３項の
関数値ｆが０となり、上記の＋ｎまたは−ｎよりも位置
誤差が大きくなったときには傾きβ′にしたがって第３
項の値が比例的に正または負方向へ増加する。このよう
な制御によれば、合焦レンズ５の駆動の勢いが問題にな
らない程に合焦レンズ５が目標位置から離れているとき
（＋ｎ，−ｎを超える領域にあるとき）にモータ９をオ
ープンループに近い形で高速駆動させ、その後に式
（４）で示した制御に戻るものである。この式（５）を
用いれば、合焦レンズ５のオーバーランを避けつつ合焦
レンズ５の寄り付きに要する時間を短縮できる。

【００２１】また、式（６）では、式（５）で取残した
定常遅れをさらに補正する項を第４項として加えてい
る。合焦レンズ５の定常遅れは、先に述べたように被写
体の移動速度に比例して大きくなるから、式（５）に予
め対象速度Ｖに比例した量（εＶ）を加えれば、対象の
すべての領域で定常遅れ量が減殺される。

【００２２】以上のようにして演算された駆動力は図１
のドライバ１１に出力され、その大きさに相当するデュ
ーティないしは電圧がモータ９に印加される。この一連
の動作は所定の時間間隔で行われ、かつその度に目標位
置が更新され繰り返し動作される。以上のように合焦レ
ンズ５は上記の動作サイクルを繰り返すことで移動する
被写体を連続的に追尾できる。

【００２３】なお、合焦レンズ５が被写体に追い付いた
ときは被写体の像面の動きを目標値として考えるのは当
然であるが、寄りつくまでの駆動目標値としても被写体
の像面の動きを現実の合焦レンズの動きとは無関係に、
ここではとりあえず採用している。しかし温度やその他
の外乱の影響を最小に押える意味で、寄りつくまでの合
焦レンズ駆動の軌跡を想定した上で各時間にそれを目標
の位置と速度として与えていくことも、ひとつの方法で
ある。こうして得られた目標を上記の制御式にのせて駆
動すれば、レンズの姿勢や電圧の変動による寄りつき時
間の変化を制御式で管理することができる。以上の実施
例では、位置誤差の項を平方根で表した制御式を示した
が、平方根に限らず、たとえば下式（７）に示すような
関数も有効である。

【数７】

【００２４】なお、実施例では合焦レンズの現在位置を
検出する手段としてエンコーダ４を用いたが、ポテンシ
ョメータ等の他の検出装置を用いてよい。合焦レンズを
駆動する手段としては、ＤＣモータに限らず種々のアク
チュェータを用いてよい。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では合焦レ
ンズの位置誤差の変化に対して駆動力が非線形に増減さ
れるので、合焦レンズの位置誤差に応じて最適な駆動力
を発生させることができる。このため、例えば位置誤差
が小さいほど駆動力を大きくすれば、被写体が移動して
いるときの自動合焦における定常的な位置遅れを改善し
て自動合焦機能を持った装置、たとえばカメラにおい
て、よりよい合焦性能を得ることができる。このこと
は、とりわけ、被写体の移動が前提であるスポーツ写真
やレース写真の分野で大きな効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る自動合焦装置の概略構成
を示す図である。

【図２】被写体の移動と合焦レンズの焦点外れ量との関
係を示す図。

【図３】合焦レンズの位置誤差と式（５），（６）の第
３項の値との関係を示す図。

【図４】実施例の制御系の位置誤差に対するゲインと従
来の制御系の位置誤差に対するゲインとの関係を示す
図。

【図５】自動合焦装置の一例を示す図である。

【図６】実施例において合焦レンズの目標位置の算出を
説明するための図。

【符号の説明】

１ 撮影レンズ ２ カメラボディ ３ 焦点外れ量検出装置 ４ エンコーダ ５ 合焦レンズ １０ 被写体 １３ 演算装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被写体に対する撮影レンズの焦点外れ量
   に関連した情報と被写体像の移動速度に関連した情報に
   基づいて合焦レンズの目標位置を特定し、焦点外れ量に
   関連した情報が更新されるまでの間は合焦レンズの現在
   位置を監視して該現在位置と前記目標位置との差に相当
   する位置誤差に応じて前記合焦レンズの駆動力を制御す
   る自動合焦装置において、 前記位置誤差に対する前記合焦レンズの駆動力の増減が
   非線形関数にしたがって行われることを特徴とする自動
   合焦装置。