JP2005134820A - 自動焦点調整装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 ＡＦ処理の実行時間を短縮することができる自動焦点調整装置及びプログラムを提供する。
【解決手段】 まず、フォーカスレンズを第１ゾーンで駆動して、粗いスキャン間隔で評価値を取得し、合焦可能であるときは、スキャンが終了した範囲の評価値のピークを中心に詳細スキャンを行い、合焦可能でないときは、１回目の４次近似関数によるピーク位置予測を行い、ピーク位置予測が可能であるときは、ここで求められたＰ_１（ｉ）、Ｐ_２（ｉ）がスキャンの終了位置に略等しいときは、スキャン終了位置と略等しいとみなされた予測されたピーク位置を中心に詳細スキャンを行い、Ｐ_１（ｉ）、Ｐ_２（ｉ）がスキャンの終了位置に略等しくないときは、新たなスキャン開始位置から所定範囲において詳細スキャンのスキャン間隔より粗いスキャンを行う。
【選択図】 図４

Description

本発明は、自動焦点調整装置及びプログラムに関し、特に、撮像光学系により結像される被写体像を光電変換して取得される画像信号に基づいて焦点調整を行う自動焦点調整装置及びプログラムに関する。

デジタルカメラの自動焦点調整装置は、図８に示すように、フォーカスレンズの位置を無限遠位置（図８における「Ａ」）から至近距離位置（図８における「Ｂ」）まで移動し、各位置においてＣＣＤから得られる画像データのうちの高周波成分を評価値として取得し、評価値が最大となる位置（図８における「Ｃ」）を合焦位置として、この合焦位置にフォーカスレンズを駆動することにより、自動焦点調整（ＡＦ）処理を行う。

上記自動焦点調整装置では、フォーカスレンズの位置を撮像可能な全距離範囲である無限遠位置から近距離位置まで移動する必要があるので、ＡＦ処理の実行に時間がかかる。

そのため、フォーカスレンズを粗いステップ間隔で移動させて、例えば、図８に示す点ａ１，ａ２，ａ３において評価値を取得し、取得した評価値に基づいて概略の合焦位置を検出し、当該概略の合焦位置近傍でフォーカスレンズを微少なステップ間隔で移動させて取得した評価値に基づいて合焦位置を検出することにより、ＡＦ処理の実行時間を短縮する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、フォーカスレンズを微小なステップ間隔で移動させて取得した評価値に基づいて合焦位置を検出する第１のモードと、フォーカスレンズを粗いステップ間隔で移動させて取得した評価値に基づいて概略の合焦位置を検出し、当該概略の合焦位置近傍でフォーカスレンズを微小なステップ間隔で移動させて取得した評価値に基づいて合焦位置を検出する第２のモードとを選択可能にすることにより、フォーカスレンズを合焦位置に駆動する時間を短縮する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特許２７０８９０４号公報 特開２００１−６６４９４号公報

しかしながら、上記技術では、ＡＦ処理の実行時間は短縮されるものの、やはりフォーカスレンズの位置を撮像可能な全距離範囲である無限遠位置から近距離位置まで移動する必要があるので、高画素化や撮影レンズの長焦点距離化に伴う、さらなるＡＦ処理の実行時間短縮の要求に応えることができない。

本発明の目的は、ＡＦ処理の実行時間を短縮することができる自動焦点調整装置及びプログラムを提供することにある。

上述の目的を達成するために、請求項１記載の自動焦点調整装置は、被写体像を光電変換して画像信号を得る撮像手段と、焦点を調整するレンズを駆動する駆動手段と、前記画像信号から前記レンズの位置を調節するための評価値を第１の距離ごとに取得する第１のモード及び当該第１の距離よりも短い第２の距離ごとに取得する第２のモードを有する評価値取得手段と、前記取得した評価値に基づいて前記レンズの位置を決定する位置決定手段とを備え、前記評価値取得手段は、前記第１のモードの場合の評価値に基づいて、更なる前記評価値の取得を前記第１のモードで行うか前記第２のモードで行うかを判断することを特徴とする。

請求項２記載の自動焦点調整装置は、請求項１記載の自動焦点調整装置において、前記位置決定手段による前記レンズ位置の決定の際、無限端側から前記レンズを駆動し、前記第２のモードにおける前記レンズを駆動する位置は前記第１のモードにおける前記レンズを駆動する位置よりも至近端側であることを特徴とする。

請求項３記載の自動焦点調整装置は、請求項１又は２記載の自動焦点調整装置において、前記評価値取得手段は、前記取得した評価値が極大となる前記レンズの位置を予測することにより更なる前記評価値の取得を前記第１のモードで行うか前記第２のモードで行うかを判断することを特徴とする。

請求項４記載の自動焦点調整装置は、請求項３記載の自動焦点調整装置において、前記第２のモードでの更なる前記評価値取得における前記レンズの駆動開始位置を前回の前記第１のモードでの前記評価値取得に基づいて設定することを特徴とする。

請求項５記載の自動焦点調整装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の自動焦点調整装置において、前記評価値取得手段は、前記被写体像のコントラストにより、前記レンズの更なる前記駆動開始位置を設定することを特徴とする。

請求項６記載のプログラムは、被写体像を光電変換して画像信号を得る撮像手段と、焦点を調整するレンズを駆動する駆動手段とを有する撮像装置の制御手段がＡＦ制御を行うために読み取り可能なプログラムであって、前記画像信号から前記レンズの位置を調節するための評価値を第１の距離ごとに取得する第１のモード及び当該第１の距離よりも短い第２の距離ごとに取得する第２のモードを有する評価値取得ステップと、前記取得した評価値に基づいて前記レンズの位置を決定する位置決定ステップとを備え、前記第１のモードの場合の評価値に基づいて、更なる前記評価値の取得を前記第１のモードで行うか前記第２のモードで行うかを判断することを特徴とする。

請求項１記載の自動焦点調整装置、請求項６記載のプログラムによれば、画像信号からレンズの位置を調節するための評価値を第１の距離ごとに取得する第１のモード及び当該第１の距離よりも短い第２の距離ごとに取得する第２のモードを有し、第１のモードの場合の評価値に基づいて、更なる前記評価値の取得を第１のモードで行うか第２のモードで行うかを判断するので、ＡＦ処理の実行時間を短縮することができる。

請求項２記載の自動焦点調整装置によれば、レンズ位置の決定の際、無限端側からレンズを駆動し、第２のモードにおけるレンズを駆動する位置は第１のモードにおけるレンズを駆動する位置よりも至近端側であるので、請求項１の効果を確実に奏することができる。

請求項３記載の自動焦点調整装置によれば、取得した評価値が極大となるレンズの位置を予測することにより更なる評価値の取得を前記第１のモードで行うか前記第２のモードで行うかを判断するので、請求項１の効果を確実に奏することができる。

請求項４記載の自動焦点調整装置によれば、第２のモードでの更なる評価値取得におけるレンズの駆動開始位置を前回の第１のモードでの評価値取得に基づいて設定するので、請求項１の効果を確実に奏することができる。

請求項５記載の自動焦点調整装置によれば、被写体像のコントラストにより、レンズの更なる駆動開始位置を設定するので、被写体のコントラストの低い場合においても次のスキャン開始位置の信頼性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る自動焦点調整装置の内部構成のブロック図である。

図１において、本発明の実施の形態に係る撮像装置１（自動焦点調整装置）は、ズームレンズ群２と、フォーカスレンズ群３（レンズ）と、ズームレンズ群２及びフォーカスレンズ群３からなる撮影光学系を透過する光束の量を制御して露出する絞り４と、ズームレンズ群２、フォーカスレンズ群３、及び絞り４からなる撮影レンズ鏡筒３１と、撮影光学系を透過した被写体像を光電変換するＣＣＤ５と、後述するＴＧ１６から発生されたタイミング信号により、光電変換された電気信号に色信号の分離等の各種画像処理を行って所定の画像データを生成する撮像回路６と、生成された画像データをデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路７と、デジタル変換された画像データを一時的に記憶するＶＲＡＭ８と、ＶＲＡＭ８に記憶された画像データを読み出してアナログ信号に変換すると共に再生出力に適した形態に変換するＤ／Ａ変換回路９と、Ｄ／Ａ変換回路９で変換された画像データを画像として表示する液晶表示装置（ＬＣＤ）１０と、ＶＲＡＭ８に記憶された画像データを読み出して、記憶に適した形態にするために圧縮処理や符号化処理を行う圧縮回路１１ａと、圧縮回路１１ａで処理された画像データを記憶する記憶用メモリ１２と、記憶用メモリ１２に記憶された画像データを再生表示するのに最適な形態にするために復号化処理や伸長処理等を行う伸長回路１１ｂとを備える。

記憶用メモリ１２には、固定型の半導体メモリ（例えば、フラッシュメモリ）、撮像装置１に対して着脱自在に形成されると共にカード形状又はスティック形状を有する半導体メモリ（例えば、カード型フラッシュメモリ）、磁気記憶媒体（例えば、ハードディスク、フロッピィー（登録商標）ディスク）等が適用される。

撮像装置１は、また、Ａ／Ｄ変換回路７から出力された画像データに自動露出（ＡＥ）処理を行うＡＥ処理回路１３と、Ａ／Ｄ変換回路７から出力された画像データに自動焦点調節（ＡＦ）処理を行うスキャンＡＦ処理回路１４と、撮像装置１の制御を行う演算用のメモリを内蔵したＣＰＵ１５（制御手段）と、ＣＰＵ１５の制御により所定のタイミング信号を発生するタイミングジェネレータ（ＴＧ）１６と、発生されたタイミング信号によりＣＣＤ５を駆動するＣＣＤドライバ１７と、絞り４を駆動する絞り駆動モータ２１と、ＣＰＵ１５の制御により絞り駆動モータ２１を駆動制御する第１モータ駆動回路１８と、フォーカスレンズ群３を駆動するフォーカス駆動モータ２２と、ＣＰＵ１５の制御によりフォーカス駆動モータ２２を駆動制御する第２モータ駆動回路１９と、ズームスレンズ群２を駆動するズーム駆動モータ２３と、ＣＰＵ１５の制御によりズーム駆動モータ２３を駆動制御する第３モータ駆動回路２０と、各種のスイッチ群からなる操作ＳＷ２４と、各種プログラムや各種データが予め記憶されている電気的に書き換え可能な読み出し専用メモリであるＥＥＰＲＯＭ２５と、電池２６と、ストロボ発光部２８と、ストロボ発光部２８の閃光発光を制御するスイッチング回路２７と、警告表示などを行うＬＥＤ２９と、音声によるガイダンスや警告などを行うためのスピーカ３０とを備える。

操作ＳＷ２４は、撮像装置１を起動させ電源供給を行うための主電源スイッチ、撮影動作等を開始させるレリーズスイッチ、記憶用メモリ１２に記憶された画像データのＬＣＤ１０への再生動作を開始させる再生スイッチ、撮影光学系のズームレンズ群２を移動させズームを行わせるズームスイッチ、及び評価値のモニターへの表示を行わせる表示スイッチ等からなる。

レリーズスイッチは、撮影動作に先立ち行われるＡＥ処理及びＡＦ処理を開始させる指示信号を発生する第１ストロークと、実際の露光動作を開始させる指示信号を発生する第２ストロークとの二段スイッチから構成される。

一方、Ａ／Ｄ変換回路７によってデジタル化された画像データは、上述のＶＲＡＭ８とは別にＡＥ処理回路１３及びスキャンＡＦ処理回路１４に対しても出力される。まずＡＥ処理回路１３においては、入力されたデジタル画像データを受けて、一画面分の画像データの輝度値に対して累積加算等の演算処理が行われる。これにより、被写体の明るさに応じたＡＥ評価値が算出される。このＡＥ評価値はＣＰＵ１５に出力される。

また、スキャンＡＦ処理回路１４は、入力されたデジタル画像データを受けて一画面分の画像データの高周波成分がハイパスフィルター（ＨＰＦ）等を介して抽出し、さらに累積加算等の演算処理を行う。これにより、高域側の輪郭成分量等に対応する評価値が算出される。このようにスキャンＡＦ処理回路１４は、ＡＦ処理を行う過程において、ＣＣＤ５によって生成された画像データから所定の高周波成分を検出する高周波成分検出手段の役割を担っている。

ＣＰＵ１５は、ＡＥ処理回路１３において算出されたＡＥ評価値等に基づいて第１モータ駆動回路１８を制御して絞り駆動モータ２１を駆動し、絞り４の絞り量を適正になるように調整するＡＥ制御を行う。

ＣＰＵ１５は、また、スキャンＡＦ処理回路１４において算出される評価値に基づいて第２モータ駆動回路１９を制御してフォーカス駆動モータ２２を駆動し、フォーカスレンズ群３を合焦位置に移動させるＡＦ制御を行う。

ＣＰＵ１５は、さらに、操作ＳＷ２４のズームスイッチが操作されたときは、第３モータ駆動回路２０を制御してズームモータ２３を駆動制御することによりズームレンズ群２を移動させ、撮影光学系の変倍動作（ズーム動作）を行う。

図２は、図１の撮像装置１によって実行される撮影動作処理のフローチャートである。

図２では、撮像装置１の主電源スイッチがＯＮであり、かつ撮像装置１の動作モードが撮影（録画）モードにあるときは、ＣＰＵ１５ による撮影処理シーケンスが実行される。

図２において、まず、撮影光学系を透過した被写体像をＣＣＤ５で光電変換し光電変換された電気信号に、撮像回路６で各種画像処理を行って所定の画像データを生成し、生成された画像データをＡ／Ｄ変換回路７でデジタル変換し、デジタル変換された画像データをＶＲＡＭ８に一時的に記憶し、ＶＲＡＭ８に記憶された画像データをＤ／Ａ変換回路９で読み出してアナログ信号に変換すると共に再生出力に適した形態に変換し、Ｄ／Ａ変換回路９で変換された画像データをＬＣＤ１０に画像として表示する（ステップＳ１）（撮像手段）。

次いで、撮影者がレリーズスイッチを操作してレリーズスイッチの第１ストローク（以下、「ＳＷ１」という）がＯＮになったときは（ステップＳ２でＹＥＳ）、通常のＡＥ処理を実行し（ステップＳ３）、合焦位置を検出するための後述する図３のスキャンＡＦ処理を実行して、フォーカスレンズ群３を駆動しながらＣＣＤ５によって生成された画像データ（画像信号）から出力される高周波成分を評価値として取得（スキャン）し（駆動手段、評価値取得手段）、評価値が最も多くなるフォーカスレンズ群３の位置を予測して合焦位置を求めて、合焦位置にフォーカスレンズ群３を移動する（ステップＳ４）（位置決定手段）。ステップＳ４のスキャンＡＦ処理は、求められた評価値の信頼性が十分であれば、評価値が最大値となる点を求める一方、評価値の信頼性が低いときは、評価値が最大値となる点を求める処理は行わない。

続くステップＳ５では、合焦位置が求められたことを示すＡＦＯＫ表示、又は合焦位置が求めらなかったことを示すＡＦＮＧ表示を行う。このステップＳ５の表示は、ＬＥＤ２９を点滅表示すると同時に、ＬＣＤ上に黄色の枠を表示することにより行う。

次いで、撮影者がレリーズスイッチを操作してレリーズスイッチの第２ストローク（以下、「ＳＷ２」という）がＯＮになったときは（ステップＳ６でＹＥＳ）、実際の露光処理を実行して（ステップＳ７）、本処理を終了する。

図２の処理によれば、ＳＷ１がＯＮになったときは（ステップＳ２でＹＥＳ）、通常のＡＥ処理を実行し（ステップＳ３）、フォーカスレンズ群３を駆動しながらＣＣＤ５によって生成された画像データから出力される高周波成分を評価値として取得し、評価値が最も多くなるフォーカスレンズ群３の位置を予測して合焦位置を求めて、合焦位置にフォーカスレンズ群３を移動する（ステップＳ４）ので、ＡＦ処理の実行時間を短縮することができる。

図３は、図２のステップＳ４のスキャンＡＦ処理のフローチャートである。

図３において、まず、撮影者によって設定された撮影レンズの焦点距離（以下、「ズームポジション」という）が所定ポジションより望遠側に設定されているか否か（ステップＳ２０１）、マクロモードに設定されているか否か（ステップＳ２０２）を夫々判別する。なお、所定のズームポジションはＣＣＤのサイズ、画素の大きさ、撮影レンズの各焦点距離における開放Ｆ値などによって定まる定数である。目安としては３５ｍｍカメラ換算で５０〜１００ｍｍ程度の値となる。

ステップＳ２０１、及びＳ２０２の各判別の結果、ズームポジションが所定ポジションより望遠側に設定されているか、又はマクロモードに設定されているときは、後述する図４のピーク位置予測スキャン処理を実行して、評価値のピーク位置を予測し、予測に基づいてフォーカスレンズの位置を制御する間隔（以下、「スキャン間隔」という）を可変して評価値を取得して合焦位置を求め（ステップＳ２０３）、求められた合焦位置へフォーカスレンズを駆動する合焦動作を行い（ステップＳ２０４）、本処理を終了する。

ステップＳ２０１、及びＳ２０２の各判別の結果、ズームポジションが所定ポジションより広角側に設定されており（望遠側に設定されておらず）、且つマクロモードに設定されていないときは、評価値を取得するフォーカスレンズ位置（スキャンポイント）が少ないため、ピーク位置予測スキャン処理を実行しても時間短縮の効果が無い又は小さいので、ピーク位置予測を行わない通常のスキャンＡＦ処理を実行して合焦位置を求め（ステップＳ２０５）、求められた合焦位置へフォーカスレンズを駆動する合焦動作を行い（ステップＳ２０４）、本処理を終了する。

図３の処理によれば、ズームポジションが所定ポジションより望遠側に設定されているか（ステップＳ２０１でＹＥＳ）、又はマクロモードに設定されているときは（ステップＳ２０２でＹＥＳ）、評価値のピーク位置を予測し、予測に基づいてスキャン間隔を可変して評価値を取得して合焦位置を求める（ステップＳ２０３）ので、ＡＦ処理の実行時間を短縮することができる。

図４は、図３のステップＳ２０３のピーク位置予測スキャン処理のフローチャートである。

図４において、まず、無限遠位置から所定の範囲（図５におけるＩｎｆｉ〜Ｅｎｄ０）を第１ゾーンとし、フォーカスレンズを第１ゾーンで駆動して、粗いスキャン間隔で評価値を取得する第１ゾーンスキャンを行う（ステップＳ３０１）（第１のモード）。この第１ゾーンの範囲は、フォトスペースと呼ばれる撮影シーンの輝度や距離のデータデースに基づいて決定される。例えば、焦点距離１２０ｍｍ（３５ｍｍ換算）では、被写体距離が無限遠位置から３．５ｍに相当する範囲を第１ゾーンとしている。

次いで、図５に示すような横軸にフォーカスレンズ位置、縦軸に評価値を示したグラフの形状が山状であり、合焦可能であるか否かを判別する（ステップＳ３０２）。この判別は、評価値の最大値と最小値の差、一定値以上の傾きで傾斜している部分の長さ、傾斜している部分の傾斜の平均値から判別される。また、１フィールドの所定範囲の輝度信号の最大値と最小値を用いる方法（例えば、特開平６−１２５４９３号公報）を用いてもよい。

ステップＳ３０２の判別の結果、合焦可能であるときは、スキャンが終了した範囲の評価値のピークを中心に細かいスキャン間隔でのスキャン（以下、「詳細スキャン」という）（第２のモード）を行い（ステップＳ３０３）、得られた評価値から補間演算を行い合焦位置を求めて、本処理を終了する。なお、詳細スキャンは、第１ゾーンにおけるスキャン間隔の約半分のスキャン間隔で行い、スキャンポイント数は７程度である。

ステップＳ３０２の判別の結果、合焦可能でないときは、評価値のピーク位置を予測する回数をカウントするカウンタｉをｉ＝１に初期化し（ステップＳ３０４）、１回目の４次近似関数によるピーク位置予測を行う（ステップＳ３０５）。

ステップＳ３０５のピーク位置予測は、まず、スキャンした範囲の評価値が４次関数で近似できると仮定し、それぞれの次数の係数を求める。この係数の計算には最小二乗法を用いる。

y=a₄・x⁴+a₃・x³+a₂・x²+a₁・x+a₀ …（１）
評価値を上記の関数で近似するとすると、誤差の二乗和Ｅは
E=Σ[yi-{a₄・xi⁴+a₃・xi³+a₂・xi²+a₁・xi+a₀}]²
ここで、Σは、ｉ＝１からＭまでの総和を示し、Ｍは取得したデータ数である（以下同様）。この誤差の二乗和Ｅを最小にする各係数を求め、これを近似関数の各係数（ａ_ｉ）とする。ａ_４，ａ_３，ａ_２，ａ_１，ａ_０でＥを偏微分した結果を０とし、連立方程式をつくる。

∂E/∂a₄=Σ2[yi-{a₄・xi⁴+a₃・xi³+a₂・xi²+a₁・xi+a₀}](-xi⁴)=0
∴Σyixi⁴=Σ(a₄・xi⁸+a₃・xi⁷+a₂・xi⁶+a₁・xi⁵+a₀・xi⁴) …（２）
∂E/∂a₃=Σ2[yi-{a₄・xi⁴+a₃・xi³+a₂・xi²+a₁・xi+a₀}](-xi³)=0
∴Σyixi³=Σ(a₄・xi⁷+a₃・xi⁶+a₂・xi⁵+a₁・xi⁴+a₀・xi³) …（３）
∂E/∂a₂=Σ2[yi-{a₄・xi⁴+a₃・xi³+a₂・xi²+a₁・xi+a₀}](-xi²)=0
∴Σyixi²=Σ(a₄・xi⁶+a₃・xi⁵+a₂・xi⁴+a₁・xi³+a₀・xi²) …（４）
∂E/∂a₁=Σ2[yi-{a₄・xi⁴+a₃・xi³+a₂・xi²+a₁・xi+a₀}](-xi)=0
∴Σyixi=Σ(a₄・xi⁵+a₃・xi⁴+a₂・xi³+a₁・xi²+a₀・xi) …（５）
∂E/∂a₀=Σ2[yi-{a₄・xi⁴+a₃・xi³+a₂・xi²+a₁・xi+a₀}](-1)=0
∴Σyi=Σ(a₄・xi⁴+a₃・xi³+a₂・xi²+a₁・xi+a₀) …（６）
式（２）〜式（６）を整理すると、
Σyixi⁴=Σ(a₄・xi⁸+a₃・xi⁷+a₂・xi⁶+a₁・xi⁵+a₀・xi⁴) …（２）
Σyixi³=Σ(a₄・xi⁷+a₃・xi⁶+a₂・xi⁵+a₁・xi⁴+a₀・xi³) …（３）
Σyixi²=Σ(a₄・xi⁶+a₃・xi⁵+a₂・xi⁴+a₁・xi³+a₀・xi²) …（４）
Σyixi=Σ(a₄・xi⁵+a₃・xi⁴+a₂・xi³+a₁・xi²+a₀・xi) …（５）
Σyi=Σ(a₄・xi⁴+a₃・xi³+a₂・xi²+a₁・xi+a₀) …（６）
となる。このような方程式は正規方程式と呼ばれる。一般にＮ次関数の正規方程式は行列を用いて次のような形式で表すことができる。よって、下記の式において左辺の逆行列を求めて式の両辺に掛け、右辺を計算すれば、スキャンした範囲の評価値をＮ次関数に近似した際の関数の各係数（ａ_ｉ）を得ることができる。逆行列の求め方に関しては公知であるのでここでの説明は省略する。

以上のように、スキャンした範囲での評価値の４次関数による近似関数を求め、次いで、該４次関数の極値を求める。

まず、該４次関数の一次微分関数ｄｙ／ｄｘを求めると、
ｄｙ／ｄｘ＝４ａ_４・ｘ^３＋３ａ_３・ｘ^２＋２ａ_２・ｘ＋ａ_１
となる。ｄｙ／ｄｘ＝０とおいて３次方程式
４ａ_４・ｘ^３＋３ａ_３・ｘ^２＋２ａ_２・ｘ＋ａ_１＝０ …（１０）
を解けば、極値を与えるｘを求めることができる。式（１０）に示すような３次方程式の一般解はカルダノの方法によって求めることができる。カルダノの方法を用いれば、式（１０）の解、即ちｘの値は以下のように求められる。

式（１０）を４ａ_４で正規化した式
ｘ^３＋ｂｘ^２＋ｃｘ＋ｄ＝０
をｙ＝ｘ＋ｂ／３を用いて書き直すと
（ｙ−ｂ／３）^３＋ｂ（ｙ−ｂ／３）^２＋ｃ（ｙ−ｂ／３）＋ｄ＝０
∴ｙ^３＋３ｐｙ＋ｑ＝０
但しｐ＝ｃ／３−ｂ^２／９、 ｑ＝２ｂ^３／２７−ｂｃ／３＋ｄ
という二次の係数が０の式が得られる。このｐ、ｑを用いると３次方程式の３つの解は
ｘ１＝ｍ＋ｎ …（１１）
ｘ２＝ｗｍ＋ｗ^２ｎ
ｘ３＝ｗ^２ｍ＋ｗｎ
但し、ｗ＝^３√（−１）、ｍ＝^３√（−ｑ／２＋√（ｑ^２／４＋ｐ^３））、
ｎ＝√（−ｑ／２−√（ｑ^２／４＋ｐ^３））
と計算される。式（１１）の解については公知であるので詳細の説明は省略する。

以上のようにして３つの解ｘ１、ｘ２、ｘ３が求め、ピーク位置（以下、「ピーク位置」という）を予測する。

まず式（１１）にて求めた解のうち虚数部を持つのものを除外し、残ったもの（１つまたは３つ）のうち極大値を示すものを選択する。

極大極小の判定は、式（１）の２回微分、即ち
ｄ^２ｙ／ｄｘ^２＝１２ａ_４・ｘ^２＋６ａ_３・ｘ＋２ａ_２ …（１２）
においてｘに式（１１）で求められた値を代入し、その値の正負で判定すればよい。式（１２）に代入した結果が負ならば、その位置は極大値となる。ｄ^２ｙ／ｄｘ^２＝０の場合は、ｄ^２ｙ／ｄｘ^２＝０となる式（１０）の解における式（１）の値とその前後での式（１）の値を比較することで極大値か否か求めることができる。

この結果極大値として最大二つの値が存在することになる。この値をＰ_１（ｉ）、Ｐ_２（ｉ）とする。極大値が１つの場合はＰ_１（ｉ）のみが求まる。ここでｉはピーク位置を予測する回数をカウントするカウンタの値であり、今はｉ＝１となっている。

次いで、ピーク位置の予測が可能であるか否かを判別し（ステップＳ３０６）、ピーク位置予測が可能であるときは、ここで求められたＰ_１（ｉ）、Ｐ_２（ｉ）がスキャンの終了位置（（図５におけるＥｎｄ（０））に略等しいか否かを判別し（ステップＳ３０７）、略等しいときは、スキャン終了位置と略等しいとみなされた予測されたピーク位置を中心に詳細スキャンを行い（ステップＳ３０８）、得られた評価値から補間演算を行い合焦位置を求めて、本処理を終了する。

ステップＳ３０７の判別は、スキャン終了位置から所定範囲内にＰ_１（ｉ）またはＰ_２（ｉ）があれば略等しいとみなす。

図４に戻り、ステップＳ３０７の判別の結果、Ｐ_１（ｉ）、Ｐ_２（ｉ）がスキャンの終了位置に略等しくないときは、極大値を与える位置が２つある場合、次のスキャン開始位置を設定するために、Ｐ_１（ｉ）、Ｐ_２（ｉ）のうちスキャン終了位置Ｅｎｄ（ｉ）より至近側に相当するフォーカスレンズ位置にあり、かつスキャン終了位置Ｅｎｄ（ｉ）との差が小さいものを選択し（ステップＳ３０９）、選択された予測されたピーク位置（図５におけるＰ_１（１））とスキャン終了位置（図５におけるＥｎｄ（０））の平均を、次回のスキャン開始位置Ｓ（ｉ＋１）として求める（ステップＳ３１０）。

例えば、図５では、次回のスキャン開始位置Ｓ（１）は、
Ｓ（１）＝（Ｅｎｄ（０）＋Ｐ_１（１））／２
となる。

ステップＳ３０６の判別の結果、ピーク位置予測が可能でないとき、即ち、式（１）の極大値を与える値が求められなかったときは、スキャン開始位置Ｓ（ｉ）としてスキャン終了位置Ｅｎｄ（ｉ−１）の次の評価値取得位置をセットし、ステップＳ３１１以降の処理を実行する。

次いで、スキャン開始位置Ｓ（ｉ）としてスキャン終了位置Ｅｎｄ（ｉ−１）の次の評価値取得位置をセットして、ピーク位置を予測する回数をカウントするカウンタの値ｉを更新し（ステップＳ３１１）、新たなスキャン開始位置から所定範囲（図５におけるＳ（ｉ）〜Ｅｎｄ（ｉ））において詳細スキャンのスキャン間隔より粗いスキャンを行う（ステップＳ３１２）。なおスキャン終了位置Ｅｎｄ（ｉ）はスキャン開始位置Ｓ（ｉ）に所定のスキャン数を加えたものである。この所定のスキャン数は撮影レンズの焦点距離、開放Ｆ値などによって決まる。

次いで、それまでに得られた全ての評価値を用いて合焦可能か否かを判別し（ステップＳ３１３）、合焦可能であるときは、スキャンが終了した範囲の評価値のピーク（最大値）を中心に詳細スキャンを行い（ステップＳ３０３）、得られた評価値から補間演算を行い合焦位置を求めて、本処理を終了する。

ステップＳ３１３の判別の結果、合焦可能でないときは、ステップＳ３０５以降の処理を繰り返す。なお、２回目以降の処理では、ステップＳ３０５での評価値の４次関数近似はそれまでにスキャンして得た全ての評価値、即ち、ステップＳ３０１で行ったスキャンの結果とＳ３１２で行った全てのスキャン結果を用いて行う。例えば、図５において、Ｉｎｆｉ〜Ｅｎｄ（０）、及びＳ（１）〜Ｅｎｄ（１）の評価値を４次関数近似し、ピーク位置予測を行う。

図５では、２回目のピーク位置予測により、予測されたピークの位置はＰ_２（１）であり、Ｐ_２（１）はスキャン終了位置Ｅｎｄ（１）から所定範囲内にはないので、次のスキャン開始位置Ｓ２を、Ｓ２＝（Ｅｎｄ（１）＋Ｐ_２（１））／２と求める（ステップＳ３１０）。

次いで、新たなスキャン開始位置から所定範囲（図５におけるＳ２〜Ｅｎｄ２）を粗いスキャンを行い（ステップＳ３１２）、得られた評価値にて合焦が可能か判定する（ステップＳ３１３）。図５では、Ｓ２〜Ｅｎｄ２のスキャンで合焦可能であるので、スキャンした範囲のピークを中心に詳細スキャンを行い、合焦位置を求める（ステップＳ３０３）。

なお、２回目以降の処理では、ステップＳ３１１で次回のスキャン開始位置Ｓ（ｉ＋１）を求める際に、次回のスキャン開始位置Ｓ（ｉ＋１）がスキャンを行う至近端の位置と今回のスキャン終了位置Ｅｎｄ（ｉ）の平均より至近側にならないように制限を設けている。即ち、
Ｓ（ｉ＋１）＞（Ｅｎｄ（ｉ）＋至近端）／２
なら
Ｓ（ｉ＋１）＝（Ｅｎｄ（ｉ）＋至近端）／２
としている。

図４の処理によれば、４次近似関数によるピーク位置予測を行い（ステップＳ３０５）、予測されたピーク位置とスキャン終了位置の平均を、次回のスキャン開始位置Ｓ（ｉ＋１）として求める（ステップＳ３１０）ので、評価値のピーク付近以外の位置でのスキャンを減らし、ピーク位置付近の評価値を詳細に取得して合焦位置を求め、もってＡＦ処理の実行時間を短縮すると共に、ＡＦ処理の精度を確保することができる。

図６は、図４のピーク位置予測スキャン処理の変形例のフローチャートである。

図６の処理は、評価値の近似を６次以上の関数で行う点、次回のスキャン開始位置を設定する際に、被写体のコントラストを考慮している点が、図４の処理と異なる。なお、図６において、図４と同一のステップには同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

図６において、ステップＳ３０２の判別の結果、合焦可能でないときは、ピーク位置を予測する回数をカウントするカウンタｉをｉ＝１に初期化し（ステップＳ３０４）、後述する図７のピーク予測処理を実行して、１回目のＮ次近似関数によるピーク位置予測を行う（ステップＳ４０５）。

ステップＳ４０５のピーク位置予測は、まず、スキャンした範囲の評価値が６次関数以上の高次関数（Ｎ次関数）で近似できると仮定し、それぞれの次数の係数を求める。この係数の計算には最小二乗法を用いる。

y=f(x)=a_N・x^N+・・・・・・・・+a₃・x³+a₂・x²+a₁・x+a₀ …（２１）
評価値を上記の関数で近似するとすると、誤差の二乗和Ｅは
Ｅ＝Σ［ｙｉ−ｆ（ｘｉ）］^２
但し、Ｍは取得したデータ数である。この誤差の二乗和Ｅを最小にする各係数を求め、これを近似関数の各係数（ａ_ｉ）とする。ａ_Ｎ，・・・・・・・，ａ_３，ａ_２，ａ_１，ａ_０でＥを偏微分して、＝０とし、連立方程式をつくる。

Ｎ次関数の正規方程式は行列を用いて次のような形式で表すことができる。よって、下記の式において左辺の逆行列を求め式の両辺に掛け右辺を計算すれば、スキャンした範囲の評価値をＮ次関数に近似した際の関数の各係数（ａ_ｉ）を得ることができる。逆行列の求め方に関しては公知であるのでここでの説明は省略する。

以上のように、スキャンした範囲での評価値のＮ次関数による近似関数を求め、次いで、該Ｎ次関数の極値を求める。

まず、該Ｎ次関数の一次微分関数ｄｙ／ｄｘを求めると、
dy/dx=f’(x)=N・a_N・x^N-1+・・・・・・・・+3a₃・x²+2a₂・x¹+a₁ …（２３）
となる。ｄｙ／ｄｘ＝０とおいてその解を求めれば、極値を与えるｘを求めることができるが、４次以上の方程式の一般解は求めることができない。そこで数値解法により、スキャン終了位置の近側でスキャン終了位置との差が最小のｄｙ／ｄｘ＝０となるｘを求める。

数値解法には種々の方法があるが、ここではスキャン終了位置から至近端に相当するのスキャン位置まで、式（２３）におけるｘを微小に増加していき、ｄｙ／ｄｘ＝０となるｘを求める。

具体的には、ｘの値をΔｘづつ増加していき、ｆ（ｘ）とｆ（ｘ＋Δｘ）の積を求め、これが負もしくは０になり、かつｆ’(ｘ−Δ)＞０のときのｘ＋Δｘが近似されたＮ次式の極大値、即ち予測ピーク位置となる。これにより、条件判断を用いることなく虚数解を除くと共に、スキャン終了位置の近側でスキャン終了位置との差が最小のｄｙ／ｄｘ＝０となるｘの値、即ち、Ｎ次関数近似した評価値の予測ピーク位置を求めることができる。

図７は、図６のステップＳ４０５のピーク位置予測処理のフローチャートである。

図７において、式（２３）に示されるＮ次近似関数の微分関数ｄｙ／ｄｘ＝ｆ’（ｘ）を求め（ステップＳ５０１）、ピークを予測する際のｘの値を初期値（スキャン終了位置）に設定する（ステップＳ５０２）。

このｘの値を式（２３）に代入して、ｆ’（ｘ）＝０かつｆ’（ｘ−Δ）＞０
であるか否かを判別し（ステップＳ５０３）、ｆ’（ｘ）＝０かつｆ’（ｘ−Δ）＞０
であるときは、ｘを極大値とみなせるので、予測されるピーク位置をｘ（スキャン終了位置）とし（ステップＳ５０４）、本処理を終了する。

ステップＳ５０３の判別の結果、ｆ’（ｘ）≠０又はｆ’（ｘ−Δ）≦０
であるときは、ｆ’（ｘ）・ｆ’（ｘ＋Δ）≦０かつｆ’（ｘ）＞０であるか否かを判別し（ステップＳ５０５）、ｘ＋Δが極大値か否かを判定する。

ｆ’（ｘ）≠０であるときは、ｆ’（ｘ）とｆ’（ｘ＋Δ）の積が０のときは、ｆ’（ｘ＋Δ）＝０である。よってｘ＋ΔがＮ次近似関数の極値であり、その直前の位置ｘでの微分係数が正であれば極大値、逆に負であれば極小値となる。

ｆ’（ｘ）とｆ’（ｘ＋Δ）の積が負であるときは、ｘとｘ＋Δの間で微分係数が０になり、その位置が極値であることを表している。その直前の位置ｘでの微分係数が正であれば極大値、逆に負であれば極小値となる。よって、ｘ＋ΔをＮ次近似関数の近似的な極値とみなせる。

以上により、ｆ’（ｘ）・ｆ’（ｘ＋Δ）≦０ならばｘ＋Δを極値とみなせ、ｆ’（ｘ）＞０ならｘ＋Δが極大値とみなせるので、予測されるピーク位置をｘ＋Δとし（ステップＳ５０６）、本処理を終了する。

ステップＳ５０５の判別の結果、極大値とみなせなかったときは、ｘ＋Δを新たにｘの値とし（スッテプＳ５０７）、更新した値が至近端に相当する位置かさらに近側にあるか否かを判別し（ステップＳ５０８）、至近端に相当する位置かさらに近側にないときは、ステップＳ５０５以降の処理を繰り返し、至近端に相当する位置かさらに近側にあるときは、ピーク位置を予測することができなかったので、次のスキャン開始位置Ｓ（ｉ）としてスキャン終了位置Ｅｎｄ（ｉ−１）の次の評価値取得位置をセットして（ステップＳ５０９）、本処理を終了する。

図６に戻り、ステップＳ４０６で、評価値のピーク位置の予測ができたか否かを判別し、ピーク位置の予測ができたときは、予測されたピーク位置がスキャンの終了位置に略等しいか否かを判別し（ステップＳ４０７）、略等しいときは、スキャン終了位置と略等しいとみなされた予測されたピーク位置を中心に詳細スキャンを行い（ステップＳ４０８）、得られた評価値から補間演算を行い合焦位置を求めて、本処理を終了する。ステップＳ４０７の判別は、スキャン終了位置から所定範囲内に予測されたピーク位置があれば略等しいとみなす。

ステップＳ４０７の判別の結果、予測されたピーク位置がスキャンの終了位置に略等しくないときは、予測されたピーク位置とスキャン終了位置の加重平均を次回のスキャン開始位置Ｓ（ｉ＋１）として求める（ステップＳ４１０）。

加重平均の重み付け係数は評価値のコントラストにより決定される。評価値のコントラストとは、それまでにスキャンされた評価値の最大値と最小値の比である。この比が大きければ信号のＳＮ比は高く、予測されたピークの信頼性は高い。逆にこの比が小さければ信号のＳＮ比は低く、予測されたピークの信頼性は低い。

具体的には以下の式により重み付け係数αが決定される。

α＝０．６×（評価値最大値−評価値最小値）／評価値最大値
０．６はαの最大値が０．５程度になるように設定された定数である。

この重み付け係数を用いて次回のスキャン開始位置Ｓ（ｉ＋１）は、
Ｓ（ｉ＋１）＝α×予測ピーク位置＋（１−α）Ｅｎｄ（ｉ）
と求められる。

これにより、評価値のコントラストが低い場合に、真のピーク位置とかけ離れた位置をスキャンするなどの弊害を除去することができる。

図６の処理によれば、１回目のＮ次近似関数によるピーク位置予測を行い（ステップＳ４０５）、予測されたピーク位置とスキャン終了位置の加重平均を次回のスキャン開始位置Ｓ（ｉ＋１）として求める（ステップＳ４１０）ので、評価値のピーク付近以外の位置でのスキャンを減らし、評価値のピーク位置付近の評価値を詳細に取得して合焦位置を求め、もってＡＦ処理の実行時間を短縮すると共に、ＡＦ処理の精度を確保することができる。

また、加重平均の重み付け係数は評価値のコントラストにより決定されるので、被写体のコントラストの低い場合においても次のスキャン開始位置の信頼性を高めることができる。

本発明は、上述した実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラム（図２〜４及び図６〜７のフローチャート）をコンピュータ又はＣＰＵ１５に供給し、そのコンピュータ又はＣＰＵ１５が該供給されたプログラムを読出して実行することによって、達成することができる。

この場合、上記プログラムは、該プログラムを記憶した記憶媒体から直接供給されるか、又はインターネット、商用ネットワーク、若しくはローカルエリアネットワーク等に接続される不図示の他のコンピュータやデータベース等からダウンロードすることにより供給される。

上記プログラムの形態は、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード、ＯＳ（オペレーティングシステム）に供給されるスクリプトデータ等の形態から成ってもよい。

また、本発明は、上述した実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムを記憶した記憶媒体をコンピュータ又はＣＰＵ１５に供給し、そのコンピュータ又はＣＰＵ１５が記憶媒体に記憶されたプログラムを読出して実行することによっても、達成することができる。

この場合、格納媒体から読出されたプログラムコード自体が上述した各実施の形態の機能を実現すると共に、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成する。

プログラムコードを記憶する記憶媒体としては、例えば、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク（登録商標）、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ+ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード等がある。
上述した実施の形態の機能は、コンピュータから読出されたプログラムコードを実行することによるばかりでなく、コンピュータ上で稼動するＯＳ等がプログラムコードの指示に基づいて実際の処理の一部又は全部を行うことによっても実現することができる。

本発明の実施の形態に係る自動焦点調整装置の内部構成のブロック図である。 図１の撮像装置１によって実行される撮影動作処理のフローチャートである。 図２のステップＳ４のスキャンＡＦ処理のフローチャートである。 図３のステップＳ２０３のピーク位置予測スキャン処理のフローチャートである。 図４のピーク位置予測スキャン処理を説明するのに用いられる図である。 図４のピーク位置予測スキャン処理の変形例のフローチャートである。 図６のステップＳ４０５のピーク位置予測処理のフローチャートである。 従来の自動焦点調整（ＡＦ）処理を説明するのに用いられる図である。

符号の説明

１ 撮像装置
３ フォーカスレンズ群
１４ スキャンＡＦ処理回路
１５ ＣＰＵ
１９ 第２モータ駆動回路
２２ フォーカス駆動モータ

Claims (6)

1. 被写体像を光電変換して画像信号を得る撮像手段と、焦点を調整するレンズを駆動する駆動手段と、前記画像信号から前記レンズの位置を調節するための評価値を第１の距離ごとに取得する第１のモード及び当該第１の距離よりも短い第２の距離ごとに取得する第２のモードを有する評価値取得手段と、前記取得した評価値に基づいて前記レンズの位置を決定する位置決定手段とを備え、
   前記評価値取得手段は、前記第１のモードの場合の評価値に基づいて、更なる前記評価値の取得を前記第１のモードで行うか前記第２のモードで行うかを判断することを特徴とする自動焦点調整装置。
2. 前記位置決定手段による前記レンズ位置の決定の際、無限端側から前記レンズを駆動し、前記第２のモードにおける前記レンズを駆動する位置は前記第１のモードにおける前記レンズを駆動する位置よりも至近端側であることを特徴とする請求項１記載の自動焦点調節装置。
3. 前記評価値取得手段は、前記取得した評価値が極大となる前記レンズの位置を予測することにより更なる前記評価値の取得を前記第１のモードで行うか前記第２のモードで行うかを判断することを特徴とする請求項１又は２記載の自動焦点調整装置。
4. 前記第２のモードでの更なる前記評価値取得における前記レンズの駆動開始位置を前回の前記第１のモードでの前記評価値取得に基づいて設定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の自動焦点調整装置。
5. 前記評価値取得手段は、前記被写体像のコントラストにより、前記レンズの更なる前記駆動開始位置を設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の自動焦点調整装置。
6. 被写体像を光電変換して画像信号を得る撮像手段と、焦点を調整するレンズを駆動する駆動手段とを有する撮像装置の制御手段がＡＦ制御を行うために読み取り可能なプログラムであって、
   前記画像信号から前記レンズの位置を調節するための評価値を第１の距離ごとに取得する第１のモード及び当該第１の距離よりも短い第２の距離ごとに取得する第２のモードを有する評価値取得モジュールと、
   前記取得した評価値に基づいて前記レンズの位置を決定する位置決定モジュールとを備え、
   前記第１のモードの場合の評価値に基づいて、更なる前記評価値の取得を前記第１のモードで行うか前記第２のモードで行うかを判断することを特徴とするプログラム。

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