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発明の名称 自動焦点調節装置とビデオカメラ
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平7−162732
公開日 平成7年(1995)6月23日
出願番号 特願平5−307935
出願日 平成5年(1993)12月8日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小鍜治 明 (外2名)
発明者 山根 洋介 / 石黒 敬三
要約 目的
本発明は自動焦点調節装置を有するビデオカメラに関するものであり、安定性、応答性の高い自動焦点調節を行うことを目的とする。

構成
撮像レンズ1の一部であってピント調節機能を有する焦点調節用レンズ1dを30Hzの周波数で振動させる30Hz振動手段6aと焦点信号検出手段5の出力を変調する変調手段6bを備え、焦点調節用レンズ1dの駆動すべき方向、速度を指示しAFの制御を行うAF制御手段6と、AF制御手段6の出力信号より焦点調節用レンズ1dに連動した電磁駆動式のボイスコイル型リニアアクチュエータを駆動するレンズ駆動手段7とを有し、30Hzの周波数で焦点調節用レンズ1dを振動させ焦点調節用レンズの駆動方向並びに駆動速度を決定する構成である。
特許請求の範囲
【請求項1】被写体を撮像する撮像レンズと、前記撮像レンズを介して得られる被写体像の光信号を光電変換する撮像素子と、その撮像素子出力に一定の信号処理を施した映像信号を出力するカメラプロセス回路と、前記カメラプロセス回路にて生成される前記映像信号の内、一定値以上の周波数成分を抽出し、前記撮像レンズのピント状態に対応した焦点信号を演算する焦点信号検出手段と、前記焦点信号検出手段の出力より前記撮像レンズの一部であってピント調節機能を有する焦点調節用レンズを駆動すべき方向、駆動速度を指示しオートフォーカスの制御を行うAF制御手段と、前記AF制御手段の出力より、前記焦点調節用レンズを前記撮像レンズの光軸上に沿って移動させるレンズ駆動手段とを有し、前記AF制御手段は、前記焦点調節用レンズの合焦点への方向検出を行うために30Hzの周波数で前記焦点調節用レンズを光軸方向に振動させる30Hz振動手段と前記30Hz振動手段により前記焦点信号検出手段の出力を変調する変調手段を備えていることを特徴とする自動焦点調節装置。
【請求項2】30Hz振動手段は、変調手段の出力が最大となるように振動の位相を制御することを特徴とする請求項1記載の自動焦点調節装置【請求項3】レンズ駆動手段は、焦点調節用レンズに連動し駆動するコイル及びマグネットを有する電磁駆動式のボイスコイル型リニアアクチュエータを使用する事を特徴とする請求項1記載の自動焦点調節装置。
【請求項4】請求項1記載の自動焦点調節装置を備えていることを特徴とするビデオカメラ。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ビデオカメラやスチルカメラなどの焦点調節をする際に、撮影すべき被写体の像を最適な焦点位置に自動的にフォーカシングする自動焦点調節装置並びにそれを用いたビデオカメラに関するものである。
【0002】
【従来の技術】ビデオカメラなどの撮像システムにおいて、重要な機能である自動焦点調節装置(オートフォーカス、以下AFと称す)については、既に何種類かの方式が提案・実施されている。その中の一つであるビデオカメラの映像信号を利用する方式(「映像信号方式」と称する)については、例えば「山登りサーボ方式によるビデオカメラの自動焦点調整」([NHK技術研究」第17巻 第1号 21頁昭和40年発行石田他)の論文に詳細に発表されている。以下に映像信号方式で構成されるビデオカメラの実施例について説明する。図7は従来の映像信号方式で構成されるビデオカメラ装置のブロック図である。
【0003】図7において、22はズームレンズであり、4個のレンズ群より構成され、22dはズームレンズの一部であってピント調整機能を有する焦点調節用レンズである。なお、各レンズ群は便宜上各々1枚の凸レンズ、あるいは凹レンズにて示すが、実際には複数個の凸レンズ、あるいは凹レンズより構成され、図7において、各々22a〜22dにて示している。
【0004】23は撮影する被写体、24はCCDなどの撮像素子、25は撮像素子24より得られる電気信号に各種信号処理を施し、所定の映像信号(例えばNTSC信号)Coを出力するカメラプロセス回路、26はカメラプロセス回路25より出力される輝度信号Yの内、一定値以上の周波数成分を抽出し、ズームレンズ22のピント状態に対応した焦点信号(以下、焦点電圧と称する)をフィールド周期で演算する焦点信号検出手段、27は焦点信号検出手段26の出力信号より合焦に関する情報を得て焦点調節用レンズ22dの駆動方向や速度を演算しAFの制御を行うAF制御手段、28は焦点調節用レンズ22dを駆動するステッピングモータ、29はAF制御手段27の出力信号によりステッピングモータ28を駆動するモーター駆動手段である。
【0005】以上のように構成された従来のビデオカメラ装置について、以下AFの動作方法について説明する。映像信号方式AFは映像信号中の高周波成分の量(焦点電圧)を利用して焦点調節を行う方法である。ズームレンズ22は撮影する画像に対しローパスフィルタ特性を示す特徴があり、撮影画像の合焦時にローパスフィルタの遮断周波数が最大になり、焦点電圧の量も最大になる。ズームレンズがデフォーカスするに従い遮断周波数は低域側に移行しその結果焦点電圧の量も減少していく傾向にある。
【0006】図8に焦点電圧と焦点調整用レンズの位置との関係を示す。図8において、横軸は焦点調節用レンズのデフォーカス量を示す焦点調節用レンズの位置、縦軸は焦点電圧を示す。ここで焦点調節用レンズの位置に対して描く焦点電圧のカーブを山登り曲線と呼ぶ。図中焦点調節用レンズ位置P点において焦点電圧は最大値を示す。焦点調節用レンズ位置P点の前後Q点、R点においては焦点電圧は単調増加、単調減少する。
【0007】この山登り方式のAFはレンズを一定方向に向けて移動させながら、たとえば1フィールドごとに焦点電圧を求め前フィールドの焦点電圧と比較し焦点電圧が最大となる点まで山を登っていく事で焦点調節が行われる。ところがこの方式のAFではレンズが静止している状態では山登り曲線の頂上、則ち合焦点への駆動方向がわからない為、レンズあるいはCCDなどの撮像素子を光軸方向に15Hzの周期で振動させ(この振動制御を補助振動制御と呼ぶ)焦点電圧を変調し山登り曲線の微係数を求めその正負でもって方向を決定している。
【0008】図9に補助振動制御のための振動指令の例を示す。図9において、T1〜T8は焦点電圧の取り出し期間を示しそれぞれフィールド走査期間に相当する。T1〜T8の内、T2、T4、T6、T8は変調する場合に使用する焦点電圧の取り出し期間を示す。一般に補助振動の位相は変調する場合に使用する焦点電圧の取り出し期間が振幅のピーク付近になるように設定され、また振幅は撮像レンズの焦点深度内でありレンズ駆動モータの限界駆動スピードを越えない範囲で且つ十分に変調出力が得られるような大きさに設定されている。
【0009】次に、図8中S点でAF状態にあるときまず補助振動を開始しレンズの駆動方向判定する。方向がわかればこの後レンズをP点へ向けて一気に駆動する。P点を越えると焦点電圧は減少方向に向かうがこれを検出した後レンズを反転駆動しP点近傍に止め一連のAF動作が完了する。
【0010】また山登りの途中やP点(合焦点)近傍においても前述の補助振動を適用する場合がある。これはレンズ駆動の方向判断を行う事以外に山登りの途中段階においては変調出力の量に応じて山登りの速度を決めたり合焦近傍においては山が平坦になることを利用し変調出力があるしきい値以下ではレンズを停止させAF制御を完了させるためである。また山登りの途中で補助振動制御を常時行うと常に変調成分をフィードバックする事になるため極めて高精度な合焦が可能になるなどの利点もある。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記した山登り曲線はピントの大きくずれた位置や、コントラストの低い被写体では山登り曲線の微係数が低くなり変調成分の量も減少するためレンズの駆動方向を間違う場合があった。さらに上記の従来の構成であれば焦点電圧は1フィールド間隔で得られるが、変調周波数は補助振動周波数と同じ15Hzであるため振動開始からレンズ駆動の方向を演算するためには3フィールド以上必要となる。山登り中の変調動作においても3フィールド毎の山登りの動作となるため合焦点に到達するまでに施行される変調回数に比例して時間遅れが累積し合焦速度が制約されていた。
【0012】本発明は上記従来の問題点を解決するもので、焦点調節用レンズ駆動の方向間違いを著しく減らし、安定性、応答性の高いAF制御が可能な自動焦点調節装置とビデオカメラを提供する事を目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達するため、撮像レンズを介して得られる被写体像の光信号を光電変換する撮像素子と、その撮像素子出力に一定の信号処理を施した映像信号を出力するカメラプロセス回路と、前記カメラプロセス回路にて生成される前記映像信号の内、一定値以上の周波数成分を抽出し、前記撮像レンズのピント状態に対応した焦点信号を演算する焦点信号検出手段と、前記焦点信号に基づいてピント調節機能を有する焦点調節用レンズを駆動すべき方向、駆動速度を指示しオートフォーカスの制御を行うAF制御手段と、前記AF制御手段の出力に基づいて、前記焦点調節用レンズを前記撮像レンズの光軸上に沿って移動させるレンズ駆動手段とを有し、前記AF制御手段は、30Hzの周波数で前記焦点調節用レンズを光軸方向に振動させる30Hz振動手段と前記30Hz振動手段により前記焦点信号検出手段の出力を変調する変調手段を備えた構成である。
【0014】
【作用】本発明は上記した構成により、30Hzの周波数で前記焦点調節用レンズを光軸方向に振動させ、信号検出手段の出力信号を変調してレンズ駆動方向、レンズ駆動速度を決定することで安定性、応答性の高い自動焦点調節を実現する。
【0015】
【実施例】以下、本発明の自動焦点調節装置の一実施例について図面を参照しながら説明する。図1に本実施例の構成を示す。
【0016】図1において、1はズームレンズであり、4個のレンズ群(各レンズ群は便宜上各々1枚の凸レンズ、あるいは凹レンズにて示すが、実際には複数個の凸レンズ、あるいは凹レンズより構成される。図1において各々1a〜1dにて示す)より構成されており、1dはズームレンズの一部であってピント調整機能を有する焦点調節用レンズである。被写体2はズームレンズ1を介し、CCD3に入力される。カメラプロセス回路4はCCD3より得られる電気信号に各種信号処理を施し、所定の映像信号(例えばNTSC信号)Coを出力する。
【0017】焦点信号検出手段5はカメラプロセス回路4より出力される輝度信号Yの内、一定値以上の周波数成分を抽出し、ズームレンズ1のピント状態に対応した焦点信号(以下、焦点電圧と称する)をフィールド周期で演算する。焦点信号検出手段5の内部を図2に示す。図2に示すように、帯域フィルタ8により一定の範囲の周波数成分を抽出し、絶対値回路9により絶対値を取り、ピーク検波回路10でピークを検出して焦点電圧を出力する。
【0018】AF制御手段6は焦点調節用レンズ1dを光軸方向に30Hzで振動する30Hz振動手段6aと30Hz振動手段6aを施したときに焦点信号検出手段5の出力である焦点電圧を変調する変調手段6bを設けており、焦点電圧及び変調手段6bの出力より合焦に関する情報を得て焦点調節用レンズ1dの駆動方向や速度を演算するAFの制御を行い、レンズ駆動手段7はAF制御手段6の出力信号により焦点調節用レンズ1dを駆動する。
【0019】以上のように構成されたビデオカメラ装置においてAF制御手段6で行われる映像信号方式AFの制御方法について以下説明を行う。
【0020】図3は焦点調節用レンズ位置と焦点電圧との関係を示すものである。図3において合焦点からはずれた位置Qで焦点調節用レンズ1dが静止状態にある場合でのAF制御を考える。まず30Hz振動手段6aにより補助振動制御を開始し変調手段6bの出力より焦点調節用レンズ1dの駆動すべき方向の判断を行う。
【0021】図4に30Hz振動手段の出力である振動指令の例を示す。図4において、T1、T2、T3、T4、T5は変調手段6bで使用される焦点電圧の取り出し期間であり、それぞれフィールド走査期間に相当する。振動指令の位相は、変調手段6bの出力が最大となるように焦点電圧の取り出し期間の中心において振動振幅のピークの中心が来るよう制御する。
【0022】振動の形状は変調手段6bの減少を抑えるようにできるだけ矩形波に近い形状であってもよい。また人間の目の視覚特性から明るさにより多少の変動はあるが15Hzの振動による動画面のちらつきに比べ30Hzでの振動によるちらつきは著しく少ないことを利用し、振動振幅の大きさはコントラストの低い被写体や大ボケの被写体のときでも十分な変調成分が取れ、かつ動画面上でのちらつきが認識できない大きさに設定する。
【0023】尚、この30Hzは、現在使われているテレビ信号のフィールド周波数の半分に相当しており、テレビ信号のフィールド周波数が変われば、人間の目の視覚特性を考慮して、振動周波数を定めればよいことはいうまでもない。
【0024】次に、合焦P点への方向が判断できれば、その方向へ山登り動作をさせながら引き続き30Hz振動手段6aにより補助振動制御を行う。図5に山登り動作中に30Hz振動手段6aによる補助振動制御が加わった場合の駆動指令の例を示す。図5において、T1〜T8は焦点電圧の取り出し期間であり、それぞれフィールド走査期間に相当する。
【0025】まず30Hz振動手段6aにより補助振動制御を開始しT1及びT2で出力される焦点電圧を変調手段6bで変調する。T1で出力される焦点電圧のほうがT2で出力される焦点電圧よりも大きくなるため変調手段6bの出力は正となりAF制御手段6はレンズ駆動手段7へ焦点調節用レンズ1dを山登り方向に駆動するよう指令が出される。T3では30Hz振動手段による補助振動制御に山登りのための移動量が加わる。
【0026】次にT3で出力される焦点電圧とT4で出力される焦点電圧の変調出力によりレンズの駆動方向が算出されT5で山登りのための移動量が加えられる。その後次々と2フィールドごとにレンズの駆動方向の算出並びにレンズの移動制御を行う。ここで山登りの駆動速度は変調成分の量に応じて切り替える方法を取ってもよい。例えば山の傾斜の急峻なところでは速度を大きく、合焦点近傍などの傾斜の少ないところでは速度を小さく設定するなどである。
【0027】上述による山登り動作により図3において合焦点であるP点を通過し、山を幾分か越えたR点で変調手段6bの出力は負となり再度P点に向かうようレンズは反対方向に駆動される。その後P点近傍で反転動作を何回か繰り返した後に変調手段6bの出力があるしきい値以下になったところでレンズ駆動を停止し、一連のAF動作を終了する。
【0028】次に図1のレンズ駆動手段7の詳細を図6に示す。図6において、11はボイスコイル型のリニアアクチュエータであり、永久磁石12a、12bと駆動用コイル13とヨーク14a、14b、14c,14dと軸受け15a、15bによって構成される。尚、駆動用コイル13はヨーク14b、ヨーク14c及び軸受け15a,15bを取り巻く構成であり、ヨーク14a,14bは永久磁石12a及び駆動用コイル13の周囲を、またヨーク14c、14dは永久磁石12b及び駆動用コイル13の周囲を取り囲むよう構成され、それぞれ磁気回路を構成している。
【0029】軸16aはリニアアクチュエータを保持する軸であり、リニアアクチュエータの軸受け部15a,15bと接触する滑り軸受け方式となっている。リニアアクチュエータ11は軸16aの中心方向に磁界を生じる構成になっており、駆動用コイル13に電流を流すとフレミングの左手法則により軸16a方向に推力が発生し、リニアアクチュエータ11のうち駆動用コイル13及び軸受け部15a,15bが軸16a方向に移動する。17はリニアアクチュエータ11の軸受け部15a,15bと一体化しているレンズ固定枠18に取り付けられた焦点調節用レンズであり、19は焦点調節用レンズ17が軸16aを中心に回転するのを抑える回転止め部であり、16bは回転止め部19を付勢する為に設けられた軸である。
【0030】20は焦点調節用レンズ17の位置情報を提供する位置検出手段であり、移動しないLED20aおよびフォトダイオード20b及びレンズ固定枠18に連動して取り付けられた移動スリット20cさらにはフォトダイオード20bの出力を処理するフォトダイオード出力信号処理手段20d、フォトダイオード信号処理手段20dの出力を内挿し、デジタルの位置情報に変換する内挿手段20eより構成される。
【0031】21は図1のAF制御手段6の出力信号と位置検出手段20の出力信号よりリニアアクチュエータ11の位置制御を行うリニアアクチュエータ位置制御手段である。ここでは30Hz振動手段6aの振動指令や山登りの指令に対し十分応答できるサーボ特性を持つように構成される。
【0032】以上のように本実施例によれば、30Hzの周波数で焦点調節用レンズ1dを光軸方向に振動させ、焦点信号検出手段5の出力信号を変調してレンズ駆動方向及びレンズ駆動速度を決定することで、安定性、応答性の高い自動焦点調節を実現することができ、本実施例の自動焦点調節装置をビデオカメラに適用すれば高速、高品位な映像を容易に得ることができる。
【0033】
【発明の効果】以上のように本発明は、焦点調節用レンズの駆動アクチュエータにリニアアクチュエータを用いて30Hzの周波数による補助振動制御を行うことにより、焦点調節用レンズ駆動の方向間違いの少ない安定で且つ応答性の良好な焦点調節を可能とし、自動焦点調節装置に極めて優れた効果を発揮するものである。
【0034】さらに上記した自動焦点調節装置をビデオカメラに適用すれば高速、高品位な映像を得られるものが実現できる。




 

 


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