(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体像を結像させる撮像レンズと、前記被写体像を受光し光電変換した信号を撮像信号として出力する撮像素子を有する撮像装置において、
前記撮像レンズを駆動する駆動手段と、
前記撮像レンズの駆動可能範囲を複数の区間に分割し、前記駆動手段を用いて、前記撮像レンズを前記分割した複数の区間の境界に順次駆動させ、前記区間内の各駆動位置において前記撮像素子から得られる撮像信号に基づいて評価値を求め、前記駆動した複数の区間の各位置における評価値に基づき補間関数を導出することで、前記区間内の全撮像レンズ駆動位置における評価値を擬似的に導出し、前記導出した補間関数の１階微分係数（傾き）をｄ１、２階微分係数（傾きの増加率）をｄ２、所定値をｄｎ（但し、ｄｎは正の値）とした場合に、下記式（１）と式（２）の両方を満足する地点を最終的な合焦位置として決定し、
下記式（１）と式（２）の両方を満足しない場合に、下記式（２）と式（３）の両方を満足した場合に合焦位置の近傍にあると判断し、合焦位置の近傍であると判断した場合は、前記区間内において前記撮像レンズを駆動して前記区間内の駆動位置における評価値を取得する微調処理を行うことで補間の精度を高め、補間完了した範囲の端点における１階微分係数（傾き）ｄ１と２階微分係数（傾きの増加率）ｄ２が、下記式（１）と式（４）のどちらか一方を満足した場合に前記微調処理を終了し、
下記式（１）を満足したことにより前記微調処理を終了した場合に、前記微調処理における前記区間内の駆動位置における評価値の最大値を最終的な合焦位置として決定する合焦位置決定手段と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。
ｄ１＜−ｄｎ        （１）
ｄ２＜０            （２）
ｄ１＞ｄｎ          （３）
ｄ２＞０            （４）
【請求項２】
請求項１記載の撮像装置において、
前記駆動手段を用いて、前記合焦位置決定手段により決定された合焦位置へ前記撮像レンズを駆動することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、デジタルカメラ等の撮像装置に関し、例えばCCD−AFで合焦位置の検出を行う自動合焦装置や自動合焦位置検出方法に応用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
特開２０００−２８１５２９号公報には、ビデオカメラ等の撮影装置においてオートフォーカスを行うために採用されているコントラスト方式の問題点に鑑み、効率的に合焦位置を求めることのできるデジタルカメラが提案されている。
これは、被写界深度よりも大きい間隔で撮像レンズを段階的に駆動させ、各駆動段階で前記撮像素子から得られる撮像画像に基づいて評価値を求め、複数の駆動段階における複数の前記評価値に対して所定の補間処理を行うことで、合焦面を撮像面に一致させるための前記撮像レンズの合焦位置を導出するとともに、前記合焦位置に前記撮像レンズを駆動させる制御手段を備えていることを特徴としている。
評価値の補間処理によって合焦位置導出時間の短縮化と高精度の維持の両立を図ったものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、被写界深度より大きい間隔で撮像レンズを駆動しているため、レンズの焦点距離や、レンズの明るさ(Fナンバ)によっては、被写界深度より大きい間隔で自動合焦の走査範囲を分割すると、補間演算の精度が出ない、または補間ができない場合がある。
【０００４】
図１０（ａ）に上記問題点の一例の状況を示す。図１０（ａ）において横軸は焦点距離の逆数を基にした撮像レンズの位置(Lim(∞)が焦点距離無限遠、Lim(Nr)が同最至近)を示しており、縦軸は撮像レンズの位置における合焦評価値を示している。
この評価値は、評価値が最大である地点を通る横軸の垂線と横軸との交点が合焦位置である特徴を持っている。図1１に凡例を示す。
図１０（ａ）の場合は、被写界深度が50aと大きい状況の例であり、標本化する箇所が少ないため、補間の精度が出ない。
また、図１０（ｂ）に示すように、撮像レンズの焦点距離に対する評価値曲線の山が幾何的に非対称の場合、精度の高い補間ができない場合がある。
更に、図１０（ｃ）、（ｄ）に示すように、合焦位置が無限遠の場合、最至近の場合、またはこれらの近傍の場合において、従来技術において用いられる急傾斜延長法の適用はできず、補間はできない。
【０００５】
この発明はこれらのことを鑑みてなされたものであり、撮像レンズの駆動範囲全域における合焦位置の精度と導出時間のバランスの良い撮像装置の提供を、その目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明では、被写体像を結像させる撮像レンズと、前記被写体像を受光し光電変換した信号を撮像信号として出力する撮像素子を有する撮像装置において、
前記撮像レンズを駆動する駆動手段と、
前記撮像レンズの駆動可能範囲を複数の区間に分割し、前記駆動手段を用いて、前記撮像レンズを前記分割した複数の区間の境界に順次駆動させ、前記区間内の各駆動位置において前記撮像素子から得られる撮像信号に基づいて評価値を求め、前記駆動した複数の区間の各位置における評価値に基づき補間関数を導出することで、前記区間内の全撮像レンズ駆動位置における評価値を擬似的に導出し、前記導出した補間関数の１階微分係数（傾き）をｄ１、２階微分係数（傾きの増加率）をｄ２、所定値をｄｎ（但し、ｄｎは正の値）とした場合に、下記式（１）と式（２）の両方を満足する地点を最終的な合焦位置として決定し、
下記式（１）と式（２）の両方を満足しない場合に、下記式（２）と式（３）の両方を満足した場合に合焦位置の近傍にあると判断し、合焦位置の近傍であると判断した場合は、前記区間内において前記撮像レンズを駆動して前記区間内の駆動位置における評価値を取得する微調処理を行うことで補間の精度を高め、補間完了した範囲の端点における１階微分係数（傾き）ｄ１と２階微分係数（傾きの増加率）ｄ２が、下記式（１）と式（４）のどちらか一方を満足した場合に前記微調処理を終了し、
下記式（１）を満足したことにより前記微調処理を終了した場合に、前記微調処理における前記区間内の駆動位置における評価値の最大値を最終的な合焦位置として決定する合焦位置決定手段と、
を備えたことを特徴とする。
ｄ１＜−ｄｎ        （１）
ｄ２＜０            （２）
ｄ１＞ｄｎ          （３）
ｄ２＞０            （４）
【０００７】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の撮像装置において、前記駆動手段を用いて、前記合焦位置決定手段により決定された合焦位置へ前記撮像レンズを駆動することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る撮像装置のブロック図である。同図に示す撮像装置は、撮像レンズとしての撮影レンズ２（ズームレンズ２Ａ，フォーカスレンズ２Ｂ）、メカ機構（メカニカルシャッタ、絞り、フィルタなど）１０１、ＣＣＤ（電荷結合素子）１０２、Ｆ／Ｅ（ＣＤＳ回路、Ａ／Ｄ変換回路、ＡＧＣ回路）１０３、ＩＰＰ１０４、圧縮／伸張装置１０５、メモリーカード１０６、ＤＲＡＭ１０７、液晶モニタ７、サブＬＣＤ１０、操作部１０８、モータ（ズームレンズモータ１０９Ａ、フォーカスモータ１０９Ｂ、絞り、シャッタモータ１０９Ｃ）１０９、ドライバ（ズームドライバ１１０Ａ，フォーカスドライバ１１０Ｂ、絞り、シャッタドライバ１１０Ｃ）１１０、ＴＧ１１１、電池１１２、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１３、ＡＣアダプタ１１４、ＣＰＵ１１５、ＳＤＲＡＭ１１６を備えている。
【００１５】
撮影レンズ2は、被写体を結像させるためのものであり、ズーム機能を実現するためのズームレンズ2Aと、被写体に合焦させるためのフォーカスレンズ2Bを有している。メカ機構101は、メカニカルシャッタ、被写体の明るさを調整するための絞りや、フィルタなどを有している。
CCD102は、撮影レンズ2により結像された被写体像を電気信号に変換して、アナログの画像データとしてF/E103に出力する。
【００１６】
F/E103は、CCD102から入力されるアナログの画像データに対して、前処理を施すものであり、CCD102から入力されるアナログの画像データを相関二重サンプリングするCDS回路と、CDS回路から出力されるアナログの画像データのゲインを調整するAGC回路と、AGC回路から出力されるアナログの画像に対してA/D変換を行って、デジタルの画像データをIPP104に出力するA/D変換回路を有している。
IPP104は、入力される画像データに対して各種画像処理を施すものである。例えば、F/E103から入力されるRGB（赤、緑、青）データを、YUVデータに変換する。
圧縮/伸張回路105は、YUVデータを、JPEG方式に準拠した圧縮方式で圧縮処理したり、また、メモリーカード106に格納されている圧縮画像データをJPEG方式に準拠した伸張方式で伸張処理する。
【００１７】
DRAM107は、撮像した画像データやメモリーカード106から読み出した画像データなどを一時的に格納するためのフレームメモリである。メモリカード106は、デジタルカメラ本体に対して着脱可能に設けられ、圧縮画像データを画像ファイルとして格納する。
液晶モニタ7は、画像データなどを表示するためのものである。サブLCD８は、デジタルカメラの設定されているモードや動作内容を表示するためのものである。
ズームドライバ110Aは、CPU115から入力される制御信号に応じて、ズームモータ109Aを駆動して、ズームレンズ2Aを光軸方向に移動させる。
【００１８】
フォーカスドライバ１１０Ｂは、ＣＰＵ１１５から入力される制御信号に応じて、フォーカスモータ１０９Ｂを駆動して、フォーカスレンズ２Ｂを光軸方向に駆動させる。フォーカスドライバ１１０Ｂ及びフォーカスモータ１０９Ｂにより、撮像レンズを駆動する駆動手段が構成されている。絞り、シャッタドライバ１１０Ｃは、ＣＰＵ１１５から入力される制御信号に応じて、絞り、シャッタモータ１０９Ｃを駆動させ、メカ機構１０１の絞り値の設定や、メカ機構１０１のメカニカルシャッタの開閉駆動を行う。
ＴＧ１１１は、ＩＰＰ１０４から入力される制御信号に基づいて、ＣＣＤ１０２やＦ／Ｅ１０３を駆動する。電池１１２は、例えば、ＮｉＣｄ、ニッケル水素、リチウム電池などの電池からなり、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１３は、電池１１２やＡＣアダプタ１１４から入力されるＤＣ電圧のレベルを変換して、撮像装置の各部に電力を供給する。
【００１９】
上述したＣＰＵ１１５によって、オートフォーカス処理機構が構成されている。具体的にはＣＰＵ１１５の保持するオートフォーカス処理プログラムによって処理がなされる。暫時記憶装置としてＳＤＲＡＭ１１６も使用することができる。ＣＰＵ１１５がＳＤＲＡＭ１１６の機能を内包している場合には図１の構成においてＳＤＲＡＭ１１６はなくてもよい。
ＣＰＵ１１５によって、撮像レンズの駆動可能範囲を複数の区間に分割する手段が構成されている。ＣＰＵ１１５によって、前記撮像レンズの位置を分割した区間の境界に順次駆動させる制御手段が構成されている。ＣＰＵ１１５によって各区間について評価値を補間する手段が構成されている。また、ＣＰＵ１１５によって、各区間の補間関数を導出した後に、区間内における撮像レンズの全駆動位置に対する評価値を補間関数によって擬似的に導出する手段が構成されている。
すなわち、ＣＰＵ１１５は全ての処理（区間の分割、撮像レンズの駆動、補間関数の導出、評価値の算出）を行い、その際、ＣＰＵ１１５はフォーカスドライバ１１０Ｂへフォーカスレンズを駆動させる命令信号を発信する。ＣＰＵ１１５は、最終的な合焦位置を決定する合焦位置決定手段である。
【００２０】
図２のフローチャートに基づいて自動合焦処理における動作を説明する。
オートフォーカス処理機構は、CPU115から入力されるオートフォーカス信号を受けて、図２の処理を実行する。
まず、現在のレンズの位置を、図３に示す初期位置x[0]へ駆動する(Ｓ200)。ここでは、焦点距離が無限遠となるレンズ位置Lim(∞)とした。なお、本発明は初期位置をこの例に限定するものではない。
同時に、ズームレンズ２Aの焦点距離およびレンズの明るさに基づいて決定される被写界深度より、区間幅(駆動間隔)を決定する(Ｓ200)。
【００２１】
次に現時点でCCD102により得られた画像信号を基に、IPP104を介して評価値を獲得する。獲得した評価値はSDRAM116に記憶する(Ｓ203)。
次に補間可能な区間が存在するかどうかを判断し(Ｓ204)、補間可能な区間が存在する場合には補間可能な区間について最小駆動間隔ごとに補間値を与える（Ｓ205）。補間可能な区間が存在しない場合は、次の駆動位置へ撮像レンズを移動させる処理へ移行する。
補間値の与え方は、まず、境界において駆動位置に対して評価値を返す補間関数を求め、各駆動位置を代入することにより実現する。例として、補間関数の導出法は3次の自然スプライン関数の導出法とする。３次自然スプライン関数は、標本となる点（図３で示す例では各区間の境界における評価値をプロットした点Y[i]）を滑らかに通過する高々３次の連続関数で、任意の駆動位置において１階および2階微分係数を求めることができる特徴をもつ。
【００２２】
補間済みの区間の傾向を調べ、すでに合焦位置が判明しているかどうかを判断する（Ｓ206）。合焦位置が判明している場合には、撮像レンズを合焦位置へ駆動させて処理を終了する(Ｓ207、Ｓ208)。
ここで、合焦位置の判定方法を説明する。まず、山の最大値を判定する方法を、図3の例で示す。いま、区間C1からC7まで補間が完了している。図３の例では区間C7内の駆動位置ｆにおいて評価値の最大値y[f]がある。ここで、ｘ[7]における補間関数の1階微分係数d1および2階微分係数d2を求める。直感的にはｄ1はその地点における曲線の傾きであり、ｄ2は傾きの増加率を表している。ここで、ノイズによる誤差dnを定義しておき、d1<−dnかつd2 <０ならばx[f]が合焦位置と判定する。
しかし、前記の例だと、山の最大値が存在し、評価値が緩やかに減少している場合に即時に終了できないので、隣り合った区間の境界x[m]、x[m+1]及びx[m+2]においてd1<-dnの条件を3回続けて満たした場合、つまりレンズ位置ｆを過ぎて3回続けて減少した場合も同様にする。ただし、後者の条件について、本発明は判定条件を以上のものに限定するものではない。
【００２３】
合焦位置が判明していない場合には、続いて合焦位置が近傍にあると推定できるかどうかを判断する（Ｓ209）。
ここで、合焦位置が近傍にあると判定する方法を図４の例で示す。区間Ｃ1からCkまで補間が完了しているとする。この状況において、合焦位置が近傍にあると判定するのは、x[k]における1階微分係数ｄ1及び2階微分係数d2を求め、ノイズによる誤差dnを用いてd1>dnかつd2<0ならば合焦位置が近傍にあると判断する。図4の場合、k=４のとき、合焦位置が近傍にあると判定する。
合焦位置が近傍にあると推定できる場合には次の区間からより精度の高い微調処理へ移行する(Ｓ210)。
合焦位置が近傍にあると推定できない場合には、次の駆動位置へ撮像レンズを駆動させ、ループの先頭に戻る(Ｓ211)。
【００２４】
図５のフローチャートに基づいて、精度の高い微調の処理を説明する。微調時は区間の境界だけでなく、区間内にもレンズを駆動させて評価値を獲得し(Ｓ222、Ｓ223)、補間の精度を高める(図４の微調区間がこれに該当)。
微調の終了条件は合焦位置が判明した場合または近傍に合焦点が無かったと判断し、微調の必要がなくなった場合である。
微調処理の終了条件(Ｓ224)の例としては、図４において、補間完了した範囲の端点であるx[k]における1階微分係数d1および2階微分係数d2を求め、ノイズ誤差dnを用いてd1<-dnまたはd2>0を満たす場合である。
図４の場合、k=10のときに微調処理の終了条件を満たし、次の段階より微調処理を終了する(Ｓ225、Ｓ226)。
【００２５】
図６及び図７（準備処理）、図８（メイン処理）のフローチャートは、自動合焦処理の開始時にx[0]にある撮像レンズを初期位置へ駆動する際、駆動方向の近傍x[1]、x[2]、x[3]およびx[4]について評価値を獲得することにより、初期位置を変更する処理を追加する例を示している。
例えば図６（ａ）の例では、前記微分係数による判定法により現在の撮像レンズ位置に対し駆動方向とは逆の方向に合焦位置が存在すると予測できるので、現在の撮像レンズ位置を初期位置とし、合焦位置が存在する方向に対し、自動合焦処理(図８のＳ202乃至Ｓ212)を行う。
図６（ｂ）の例では、同様に駆動方向に合焦位置が存在すると予測できるので、現在の撮像レンズ位置を初期位置とし、合焦位置が存在する方向に対し、自動合焦処理(図８のＳ202乃至212)を行う。
また、図９の例では、合焦位置の存在方向が特定できないので、初期位置を規定位置lim(∞)とし、自動合焦処理(図８のＳ202乃至Ｓ212)を行う。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、補間精度を確実に出すことができ、撮像レンズの駆動範囲全域における合焦位置の精度と導出時間のバランスを確保できる。
【００２７】
本発明によれば、補間関数の導出により、レンズの焦点距離やFナンバに影響を受けずに効率的に合焦位置を導出できる。また、実際のレンズを駆動する回数を削減することにより、合焦動作の高速化に貢献できる。
【００３０】
本発明によれば、合焦処理時間を損なうことなく、補間関数演算により導出する合焦位置の精度を高めることが可能になる。
【００３１】
本発明によれば、合焦処理時間を損なうことなく、補間関数演算により導出する合焦位置の精度を高めることが可能になるほか、制御自体も容易で、演算処理に負荷をかけない。
【００３２】
本発明において、補間関数の微分係数によって合焦位置を定量的に予測し、予測合焦位置に接近した場合に微調に移行するようにした場合、直後の区間における補間関数の傾向を予測できるので、ほぼ最適な時点で微調に移行でき、合焦処理時間の短縮と合焦位置の精度の向上を図ることができる。
【００３３】
本発明において、前記撮像レンズを初期位置に駆動する前に、現時点でにおける撮像レンズの駆動位置近傍の区間における評価値を獲得し、近傍に合焦位置が存在すると判断すれば、現時点でのレンズ駆動位置から予測される合焦位置の存在する方向に向けて自動合焦処理を行うようにした場合、撮像レンズの位置と合焦位置が近傍にあるとき、より短時間で合焦位置を導出することが可能になる。
また、この構成において、前記近傍に合焦位置が存在することの判断に、補間関数の微分係数を用いた場合、区間途中の変化が大きいとき、合焦位置が撮像レンズの現在位置に対していずれの方向にあるか即時に判明するため、より短時間で合焦位置を導出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態における撮像装置の構成ブロック図である。
【図２】  自動合焦処理のフローチャートである。
【図３】  合焦位置の判定例を説明するためのグラフである。
【図４】  微調制御の例を説明するためのグラフである。
【図５】  微調処理のフローチャートである。
【図６】  処理初期における合焦位置の予測を説明するためのグラフである。
【図７】  自動合焦処理における準備処理のフローチャートである。
【図８】  自動合焦処理におけるメイン処理のフローチャートである。
【図９】  処理初期における撮像レンズの駆動方向が判明しない場合の合焦位置の予測を説明するためのグラフである。
【図１０】  従来における問題点を説明するためのグラフである。
【図１１】  合焦位置の凡例を示すグラフである。
【符号の説明】
２Ａ、２Ｂ  撮像レンズ
１０２  撮像素子としてのＣＣＤ
１０９Ｂ  駆動手段の一部としてのフォーカスモータ
１１０Ｂ  駆動手段の一部としてのフォーカスドライバ
１１５  合焦位置決定手段としてのＣＰＵ
【図１】
0004157716.tif 000002
【図２】
0004157716.tif 000003
【図３】
0004157716.tif 000004
【図４】
0004157716.tif 000005
【図５】
0004157716.tif 000006
【図６】
0004157716.tif 000007
【図７】
0004157716.tif 000008
【図８】
0004157716.tif 000009
【図９】
0004157716.tif 000010
【図１０】
0004157716.tif 000011
【図１１】
0004157716.tif 000012