JP3500539B2

JP3500539B2 - 赤外線カメラの自動焦点調節方式

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Publication number: JP3500539B2
Application number: JP03629093A
Authority: JP
Inventors: 正實但馬
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-02-25
Filing date: 1993-02-25
Publication date: 2004-02-23
Anticipated expiration: 2019-02-23
Also published as: US5404013A; JPH06253200A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線カメラにおける
自動焦点調節方式に関し、特に電子回路を用いて画像信
号によって合焦の判断を行って、レンズ系の駆動制御を
行うとともに、駆動時の動作をスムーズに行えるように
した、赤外線カメラの自動焦点調節方式に関するもので
ある。

【０００２】赤外線カメラは、被写体からの赤外線の放
射量を測定することによって可視的な映像を得るもので
あり、物体の表面温度の分布を観測したり、高温物体の
存在を検知する等の目的に、広く用いられている。

【０００３】このような赤外線カメラにおいては、撮像
状態において、被写体から結像面までの距離（以下単に
距離という）が変化した場合に、電子的に合焦の判断を
行って、結像面からの距離で示されるレンズ位置（以下
単にレンズ位置という）を移動させることによって、画
像中の任意の目標に対して自動的に焦点調節を行って、
常に合焦状態に保つことができるとともに、この際、レ
ンズ系の駆動機構に衝撃や過大な力を与えることがな
く、円滑な制御を行えるものであることが必要である。

【０００４】本発明は、赤外線映像装置やロボット装置
等において、焦点の自動調節を確実に行えるようにし
て、それらの装置の性能を向上させることを目的とする
ものであるが、他のセンサ装置との連動が必要なセンサ
フュージョン( Sensor Fusion）技術においても有用な
ものである。

【０００５】

【従来の技術】従来、赤外線カメラにおける焦点調節機
構としては、常時、焦点位置を無限遠に設定した固定焦
点式のものが多く、手動プリセット式の焦点調節機構を
有するものがこれに次いで用いられており、自動焦点調
節機構を有するものは少なかった。

【０００６】これは、赤外線カメラの場合、赤外線によ
るレンズの温度変化を補正するため、一般の可視光を用
いたテレビ（ＴＶ）カメラのように構造が簡単でなく、
特別の走査機構や大きな光学系機構を必要とし、構造が
複雑で自動焦点調節には不向きであるとされていたため
である。

【０００７】少数の例として、赤外線カメラにおいて自
動焦点調節機構を有するものもあるが、この場合も、赤
外線カメラ自体の画像信号を用いて合焦の判断を行って
焦点調節するものはなく、例えば超音波距離センサ等の
距離測定用センサを別途設けて、目標の中央付近の距離
を測定し、得られた距離情報に応じて、レンズ系の焦点
調節を行うようにしていた。

【０００８】一方、可視光によるＴＶカメラでは、電子
的に合焦の判断を行って、レンズ系の駆動処理を行う自
動焦点調節機構を有するものがあるが、この場合は、Ｃ
ＣＤ素子上における、カメラの画面中央部分の結像状態
によって、合焦の判断を行うものであって、画面中心以
外の任意点について、合焦の判断とレンズ系の駆動処理
とを行うことはできなかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の赤外線カメラで
は、自動焦点調節を行うことができるものであっても、
別途設けられた距離センサによって画面の中心で合焦す
るようにしている。そのため、赤外線カメラの画面内に
おける任意の指定位置に焦点を合わせることは困難であ
り、従って、常にカメラの光軸を目標の中心に向けてい
なければならなかった。

【００１０】しかしながら、赤外線カメラの光軸を常に
目標の中心に向けるように制御できない場合もあり、そ
のため、カメラの光軸は動かさずに、画面内の任意の指
定位置に合焦できるようにすることが求められていた。

【００１１】また、高感度の赤外線映像装置では、多く
の場合、赤外線検出部が、単素子からなる赤外線検知素
子、またはこれを直線的に配列したエレメントアレイか
らなり、これに対して走査機構を備えることによって、
可視画像を得るようになっている。

【００１２】すなわち、赤外線カメラの検出素子は、可
視光の場合における、ＴＶカメラのＣＣＤセンサのよう
に二次元の面アレイではなく、テレビ信号のようにラス
タ走査された信号が直ちに出力されるものでないため、
信号を取り込むタイミングに配慮する必要があるという
問題があった。

【００１３】さらに、赤外線カメラから出力される電気
信号（ビデオ信号）のみを用いて、合焦のためのレンズ
系の駆動処理を行うためには、駆動モータの回転速度の
制御や、回転方向の切り替え制御を行うための判断論理
が必要となるが、このような判断論理の一般的な方法は
知られていず、従ってこの点を解決しなければならない
という問題があった。

【００１４】また、画面に動きが少ないが、画面内の目
標が移動するため、画面内の指定位置で目標の（視線方
向の）移動に追随して合焦を行うことが必要になる場合
があるが、この際の自動焦点調節では、目標の移動が特
に高速であるとき、所定の自動調節のタイミングで高速
にモータを制御しても、焦点調節の誤差を少なくするこ
とが困難な場合が生じる。

【００１５】そのため、目標の移動を予測して、次の制
御タイミングまでに、予測制御によって先回りして焦点
調節を行うことが必要となるが、従来、このような焦点
調節方法は知られていないという問題があった。

【００１６】本発明は、このような従来技術の課題を解
決しようとするものであって、赤外線カメラの自動焦点
調節を行う際に、画面内の任意の指定位置において合焦
することができ、赤外線検知素子が直線的に配置された
素子アレイを用いても信号取り込みのタイミングに配慮
する必要がなく、赤外線カメラから出力される電気信号
のみを用いて、合焦のためのレンズ系の駆動処理を行う
ための判断論理を有し、目標の移動を予測して、予測制
御によって焦点調節を行って誤差を少なくすることがで
きる、赤外線カメラの自動焦点調節方式を提供すること
を目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】（1)本発明を図１を参照
して説明する。レンズ系１を介して物体からの赤外線を
結像し、結像面に置かれた赤外線検出部２の直線的配列
からなる複数個の赤外線検知素子を順次走査するととも
に、レンズ系１を赤外線検知素子の配列方向と直交方向
に偏向して走査して二次元の赤外線画像信号を得る赤外
線カメラ部と、赤外線検出部２からの電気信号のフレー
ム毎の高域成分を抽出する空間周波数成分抽出用フィル
タ部３と、空間周波数成分抽出用フィルタ部３により抽
出したフレーム毎の高域成分の増加状態を検出して合焦
状況を示す信号を発生する演算部４と、演算部４からの
出力に応じてレンズ系１を移動させるレンズ系移動機構
部５とを備え、レンズ系１の移動によって赤外線検出部
２における赤外線像が合焦状態になるように常時制御を
行う構成を有するものである。

【００１８】(2) また本発明は(1) の場合に、空間周波
数成分抽出用フィルタ部３が、赤外線検出部２からの電
気信号における帯域外雑音を除去するための急峻な特性
を有するローパスフィルタ５３と、ローパスフィルタ５
３の出力における高域成分を強調するための緩やかな特
性を有する周波数弁別用フィルタ６７，６８とからなる
ものである。

【００１９】(3) また本発明は(2) の場合に、高域信号
成分抽出用フィルタ６７，６８が、緩やかな低域遮断特
性を有するハイパスフィルタまたはバンドパスフィルタ
からなるものである。

【００２０】(4) また本発明は(1) の場合に、演算部４
が、赤外線カメラ部の赤外線画像信号における１本の水
平ラインの各絵素の現在値を書き込む現在値用メモリ６
３と、各絵素の過去値を書き込む過去値用メモリ６４
と、現在値用メモリ６３の出力と過去値用メモリ６４の
出力との和を求める加算回路７１と、現在値用メモリ６
３の出力と過去値用メモリ６４の出力との差を求める減
算回路７２とを備え、和の値と差の値との大小の組み合
わせによって定まる４つの状態を赤外線検出部２におけ
る合焦状況を示す信号として出力するものである。

【００２１】(5) また本発明は(4) の場合に、現在値用
メモリ６３と過去値用メモリ６４に書き込む１本の水平
ラインを、赤外線カメラ部の赤外線画像を表示する画面
上の位置に対応して外部装置から指定し、または任意に
指定するものである。

【００２２】(6) また本発明は(1) の場合に、レンズ系
移動機構部５が、演算部４における和の信号が小で差の
信号が小のとき、駆動モータ５６を高速で回転させ、和
の信号が小で差の信号が大のとき、駆動モータ５６を中
速で回転させ、和の信号が大で差の信号が大のとき、駆
動モータ５６を中速で回転させ、和の信号が大で差の信
号が小のとき、駆動モータ５６を低速で回転させるもの
である。

【００２３】(7) また本発明は(6) の場合に、レンズ系
移動機構部５が、和の信号が大で差の信号が大のとき、
駆動モータ５６を低速で回転させ、和の信号が大で差の
信号が小のとき、駆動モータ５６を極低速で回転させる
ものである。

【００２４】(8) また本発明は(6) または(7) の場合
に、レンズ系移動機構部５が、演算部４から駆動モータ
５６の回転指令を受けたとき、まず駆動モータ５６の回
転方向の判断を行ってから駆動モータを回転させるもの
である。

【００２５】(9) また本発明は(8) の場合に、駆動モー
タ５６の回転によって発生する差の信号が正極性で増加
するときは、駆動モータ５６の回転方向を変更せず、駆
動モータ５６の回転によって発生する差の信号が負極性
で増加するときは、駆動モータ５６の回転方向を逆転さ
せるように、回転方向の判断が行われるものである。

【００２６】(10)また本発明は(9) の場合に、差の信号
が小のとき、駆動モータ５６を回転させながら差の信号
を積算して、積算値について極性の判断を行うことによ
って、回転方向の判断が行われるものである。これによ
って、差の微小信号により、高速回転している駆動モー
タ５６の反転切替判断が頻繁に行われて、回転方向の判
断エラーを生じ、駆動モータ５６に衝撃を与えないよう
にする。

【００２７】(11)また本発明は(9) または(10)の場合
に、レンズ系移動機構部５が、回転方向の判断に基づい
て駆動モータ５６の回転方向を逆転させるときは、駆動
モータ５６をそのときの回転速度に応じて定まる時間一
旦停止してから、駆動モータ５６を逆方向に駆動するも
のである。

【００２８】(12)また本発明は(1) の場合に、レンズ系
移動機構部５が、駆動モータ５６の回転位置からレンズ
系１の現在位置を検出するエンコーダ５７と、検出され
たレンズ系１の現在位置から目標との現在距離を求めて
保持する現在距離保持部８１と、現在距離を次の処理周
期において目標との過去距離として保持する過去距離保
持部８２と、目標との現在距離と目標との過去距離とか
ら目標の移動速度を求める移動速度算出部８３と、複数
回の処理周期における目標の移動速度から予測関数を作
成して目標との未来距離変化量を予測する未来距離変化
予測部８４と、予測された目標との未来距離変化量と、
目標との現在距離とからレンズ系１の未来位置を算出す
るとともに、予測制御を行うために必要な情報を出力す
る未来位置算出部８５と、予測制御を行うとき算出され
たレンズ系１の未来位置と、検出されたレンズ系１の現
在位置とからレンズ系１の移動距離を指令する位置指令
回路８６と、指令された移動距離に応じて駆動モータ５
６に対する制御電圧を発生するモータ回転予測制御部８
７とを備え、次の処理周期までにレンズ系１を予め移動
させる予測制御を行うものである。

【００２９】(13)また本発明は(12)の場合に、現在距離
保持部８１が、エンコーダ５７で検出されたレンズ系１
の位置を目標との距離に変換する距離算出用変換テーブ
ル８１１を備え、変換された目標の現在距離を保持する
ものである。

【００３０】(14)また本発明は(12)の場合に、移動速度
算出部８３が、目標との現在距離と目標との過去距離か
ら目標との距離変化量を求める減算部８３１と、目標と
の距離変化量と処理周期とから目標の移動速度を求める
速度計算部８３２とを備えたものである。

【００３１】(15)また本発明は(12)の場合に、未来距離
変化予測部８４が、目標の移動速度を過去の複数回の処
理周期について保持する速度保持部８４１と、過去の処
理周期における目標の移動速度から目標の未来の移動速
度を予測する関数を作成する予測関数作成部８４２と、
関数から予測された移動速度から目標との未来距離変化
量を予測する距離変化予測計算部８４３とを備えたもの
である。

【００３２】(16)また本発明は(12)の場合に、未来位置
算出部８５が、予測された目標との未来距離変化量と目
標との現在距離とを加算して目標との未来距離を求める
加算部８５３と、求められた目標との未来距離からレン
ズ系１の未来位置を求めるレンズ位置算出部８５４と、
目標との未来距離変化量と目標との現在距離とから予測
制御を行うべきとき、切替制御信号と速度制御信号とを
出力する未来予測制御実施判断部８５５とを備えたもの
である。

【００３３】(17)また本発明は(12)の場合に、位置指令
回路８６が、予測制御を行うための情報における切替制
御信号に応じてオンに制御される切替器８６１と、切替
器８６１を経て入力されたレンズ系１の未来位置と、検
出されたレンズ系１の現在位置とからレンズ系１の移動
距離を求める減算器８６２とを備えたものである。

【００３４】(18)また本発明は(12)の場合に、モータ回
転予測制御部８７が、指令されたレンズ系１の移動距離
と、予測制御を行うための情報における速度制御信号に
応じて、複数段階に大きさが変化するとともに方向が変
化する、駆動モータ５６に対する制御電圧を発生するも
のである。

【００３５】

【作用】一般にカメラ等においては、結像面においてレ
ンズ系の焦点が合った状態では、光像の収束スポットが
小さくなり、画像が鮮明になる。このような状態では、
結像面におかれた光−電気変換素子のような光検出素子
の受光面での空間分解能が高くなる。これは空間周波数
伝達関数（Modulation Transfer Function：ＭＴＦ：０
〜１）の高域伝達特性が良くなったことを意味し、光−
電気変換系の場合、小さい目標まで識別できる状態にな
ったことを示している。

【００３６】このような状態では、光−電気変換系にお
ける出力電気信号も、高い周波数成分を持つが、これは
逆の立場から見れば、このような高い周波数成分が出力
されている状態では、光−電気変換系における画像の解
像度が高く、鮮明な画像が得られることを示している。

【００３７】赤外線カメラの場合も同様に、レンズ等か
らなる赤外線光学系と、赤外線検知素子等の赤外線光−
電気変換系と、アンプ等の電気系とからなる系の伝達特
性における総合ＭＴＦは、結像面での合焦の程度に応じ
て、高い周波数まで伝達できる状態となり、電気系から
出力されるビデオ信号は、高い周波数成分を持つように
なる。

【００３８】本発明においては、このような原理を利用
して、赤外線カメラからの出力信号における高い周波数
成分を、高周波数域になるにつれて出力が増加する、ゆ
るやかな高域強調特性を持つ周波数弁別用ハイパスフィ
ルタを用いて抽出することによって、合焦状態の検出を
行い、検出結果に応じて高周波成分が最も多く出力され
るように、レンズ系の駆動制御を行う。

【００３９】具体的には、フレームごとの処理タイミン
グにおける、ビデオ信号出力と、１フレーム（または数
フレーム）前のビデオ信号との出力の和（Σ）と差
（Δ）を求め、これから電子的に論理判断を行って得ら
れた信号によって、焦点調節機構におけるレンズ系の駆
動モータを回転させて焦点調節を行う。

【００４０】この際、自動焦点調節機構において、焦点
合わせ時に、駆動モータの急激な起動，停止，逆転を生
じると、駆動モータ自体や光学系に対して衝撃を与え
て、滑らかな動作を行うことができず、焦点合わせの信
頼度を低下させるとともに、騒音を発生し、装置の寿命
にも悪影響を及ぼすことになる。

【００４１】特に、高速回転のモータを使用した場合、
起動，停止，逆転時等に、衝撃を受けやすいので、合焦
過程において、焦点が合ってきたら、駆動モータの回転
速度を低下させて、起動，停止，逆転等を行わせるよう
にする。

【００４２】また、ある程度焦点が合っている状態で、
目標が高速に移動する場合には、目標の移動に応じて、
駆動モータを高速回転してレンズ系を移動させて追従す
ることが困難な場合があるので、現在の距離情報ととも
に過去の距離情報を用いて、目標の移動速度を算出し、
得られた情報から次の処理タイミングにおけるレンズ系
の未来位置の予測を行って、未来位置になるように駆動
モータを予め回転させて予測制御を行うようにする。こ
れによって、焦点調節機構をスムーズに動作させて、焦
点調節の制御を精度よく行わせることが可能になる。

【００４３】本発明の作用は、これを要約すれば、赤外
線カメラの画面内において、任意に焦点を合わせる指定
点を選択し、電子回路を用いて合焦の判断とレンズ系の
移動の処理を行う。また一定の高速なモータ回転速度で
は、焦点調節機構の起動，停止，逆転時に、衝撃的な動
作を行うようになるので、合焦状態を判断して、自動焦
点調節機構における駆動モータの回転速度を低，中，高
の３段階（または極低，低，中，高の４段階）に制御し
て、スムーズに動作できるように制御する。さらに、高
速の移動目標に対しては、その未来位置の予測を行っ
て、予め駆動モータを回転させてレンズ系を移動させる
予測制御を行うことによって、焦点調節を行うので、こ
のような場合にも、精度よく合焦できるようになる。

【００４４】従って本発明によれば、赤外線カメラにお
いて、常に焦点が合った鮮明な画像を得ることができる
とともに、焦点調節機構やレンズ系等に対しても、衝撃
を与えることがなく、装置の寿命に対する悪影響を防止
することができる。

【００４５】

【実施例】図２は、本発明の一実施例における全体の構
成を示す系統図であって、赤外線映像装置の概略構成を
示したものである。１０は赤外線カメラ部を示してい
る。赤外線カメラ部１０において、１１は物体の実像を
結像面上に得るためのレンズ系である。レンズ系１１は
駆動モータによって移動して結像面１２との距離を変化
させることによって、異なる距離にある物体の像を、結
像面１２上において合焦させることができる。１３は赤
外線を電気信号に変換する赤外線検出部であって、レン
ズ系１１の結像面１２に設けられた、複数（ｎ）個の赤
外線（Infrared: ＩＲ) 検知素子を直線的に配列したエ
レメントアレイ１４を有し、各赤外線検知素子の出力を
例えば上から下へ順次読みだすことによって、縦方向の
走査を行う。

【００４６】１５は走査機構であって、例えばレンズ系
１１の光路中に挿入された図示されない走査鏡を備えた
周知の構成を有し、これを往復振動または回転等させる
ことによって、等価的にレンズ系１１の光軸を赤外線検
出部１３における赤外線検知素子の配列方向と直交方向
に、例えば左から右へ周期的に偏向させて、横方向の走
査を行う。

【００４７】１６_1,１６_2,…，１６_nはビデオアンプで
あって、赤外線検出部１３における複数の赤外線検知素
子に対応して設けられていて、それぞれの赤外線検知素
子からのビデオ信号出力を増幅する。１７_1,１７_2,…，
１７_nはローパスフィルタ（ＬＰ）であって、各ビデオ
アンプ１６_1,１６_2,…，１６_nの出力における雑音成分
を除去する。１８はマルチプレクサであって、各ローパ
スフィルタ１７_1,１７ _2,…，１７_nの出力を時分割多重
して出力する。

【００４８】２０は記憶・走査変換部を示している。記
憶・走査変換部２０において、２１はアナログディジタ
ル変換部（Ａ／Ｄ）であって、マルチプレクサ１８から
のアナログ信号からなるビデオ信号を、ディジタル信号
に変換して出力する。

【００４９】２２は記憶部であって、複数のメモリ
Ｍ_a，Ｍ_b，Ｍ_cを有している。赤外線カメラ部１０に
おける、エレメントアレイ１４を構成する複数の赤外線
検知素子に対する、例えば垂直方向の走査と、走査機構
１５によるレンズ系１１の光軸の水平方向の偏向とによ
って得られた、２次元の画像をフレームごとにメモリＭ
_aに記憶するが、この画像は、飛び越し走査( インタレ
ース) を行われているので、メモリＭ_aにおける１回目
の走査終了時の画像と、２回目の走査終了時の画像と
を、それぞれメモリＭ_b，Ｍ_cに書き込むことによって
交互に更新して、赤外線カメラ部１０における１回の走
査ごとに、１／２フレームの画像を得るようにする。こ
の場合の画像形成は、比較的低速（数〜数十Hz）で行わ
れる。

【００５０】２３はＣＲＴ制御部であって、記憶部２２
におけるメモリＭ_aに赤外線カメラからの画像を記録す
るとき、メモリＭ_b，Ｍ_cの画像記録データを、交互に
高速にラスタ走査してＴＶ画像の出力信号を発生すると
ともに、ＣＲＴディスプレイ２４を制御して、その画面
上に赤外線カメラ部１０の画像を可視的に表示させる。

【００５１】また３０はレンズ移動制御系であって、マ
ルチプレクサ１８からの目標物体の検知出力に応じて、
駆動モータ３１を介する、レンズ系１１の合焦のための
移動を制御する。３２は予測制御系であって、目標物体
の急速な移動に基づいて駆動モータ３１が、制御系ルー
プ(1) のレンズ移動制御系によって合焦させるのが困難
な状態において、レンズ系１１の次の位置情報が得られ
るまでに、過去と現在の位置情報から予測して駆動モー
タ３１を予め回転させて、レンズ系１１を予測位置まで
移動させておく作用を行う。

【００５２】３３は合成器であって、レンズ移動制御系
３０の出力と、予測制御系３２の出力とを合成して出力
を発生する。３４は出力増幅器であって、合成器３３の
出力を増幅して駆動モータ３１を駆動するに足る出力を
供給する。３５はエンコーダであって、駆動モータ３１
に設けられ、駆動モータ３１の回転に従って、レンズ系
１１の位置情報を出力する。

【００５３】３６はタイミング発生回路であって、走査
機構１５からの走査開始信号を時間基準信号とし、外部
装置からのＣＲＴ画面に対応する合焦場所指定に応じ
て、またはオペレータの合焦場合指定に応じて、レンズ
移動制御系３０および予測制御系３２を制御するタイミ
ング信号を発生して、指定場所での合焦を行うように制
御し、またマルチプレクサ１８における信号の多重化を
制御するタイミング信号を発生する。３７は制御器であ
って、タイミング発生回路３６からのタイミング信号に
応じて、赤外線カメラ部１０および記憶・走査変換部２
０における各部を制御する信号を発生する。

【００５４】図２において、赤外線カメラ部１０および
記憶・走査変換部２０の構成は、従来の赤外線カメラに
おけるものと異ならない。レンズ移動制御系３０による
制御系ループ(1) と、予測制御部３２による制御系ルー
プ(2) とは、本発明において付加されたものである。

【００５５】図３は、赤外線カメラの走査による赤外線
画像と、ＴＶ走査によるＴＶ画像とを示したものであっ
て、(a) はエレメントアレイを例示し、(b) は赤外線画
像、(c) はＴＶ画像を示している。

【００５６】図２に示されたエレメントアレイ１４は、
図３(a) に示すように、多数( 例えば１８０素子）の赤
外線検知素子を直線的に配列したものであって、素子 N
o.１〜素子 No.ｎの各赤外線検知素子を、上から下へ垂
直方向に電子的に走査したときの出力ch１〜chｎを、マ
ルチプレクサ１８を経てシリアル信号として出力すると
ともに、エレメントアレイ１４の垂直方向の走査ごと
に、レンズ系１１の光軸を左から右に順次偏向する機械
的走査を行う。さらにこの際、１画面に対して機械的走
査を２回行って、２：１インタレースを行うことによっ
て、赤外線画像を、記憶部２２における３個のメモリに
対して、図３(b) に示すように、実線で示す偶数番号走
査線と破線で示す奇数番号走査線とによって、交互に、
メモリＭ_a，Ｍ_b，Ｍ_c，…の順に順次繰り返して書き
込む。

【００５７】さらに、書き込みの終わった２個のメモリ
Ｍ_bとＭ_c，Ｍ_cとＭ_{a ,}Ｍ_aとＭ _b，…から、図３
(c) に示すように、実線で示す偶数番号走査線と破線で
示す奇数番号走査線とによる、水平方向（Ｈ）と垂直方
向（Ｖ）との、標準ＴＶ方式のラスタ走査によって読み
だすことによって、赤外線画像を表すＴＶ画像が、ＣＲ
Ｔディスプレイ２４上において可視像として表示され
る。

【００５８】この場合、画像メモリに対する赤外線画像
の走査と、ＴＶ画像の走査とは、アドレスは同じである
が、その走査方向が図示のように９０°異なっている。
赤外線画像の書き込みは、比較的低速度で行われるが、
ＴＶ画像の読み出しは、高速度で行われる。

【００５９】図２の実施例における制御系ループ(1)
は、通常の自動焦点調節の制御のためのものである。以
下、制御系ループ(1) の動作について説明する。

【００６０】赤外線カメラ部１０は、通常一般に用いら
れている構成のものであり、駆動モータ３１によってレ
ンズ系１１を移動させることによって焦点調節を行う。
合焦のための駆動モータ３１の制御は、次のようにして
行われる。

【００６１】一般に、カメラ等においてレンズ系を移動
して焦点を合わせる場合には、通常、レンズ位置が、受
光面において無限遠の目標からの光を合焦する位置で
は、それより近い位置にある目標物体からの光は、すべ
て受光面において合焦しないので、目標物体の像はぼけ
ている。そこで、レンズ系を移動させて受光面において
合焦させることによって、それまでぼけていた目標物体
が、鮮明な像を結ぶようにする。

【００６２】焦点が合わない状態、すなわち、レンズ系
１１の位置が合焦位置より前かまたは後（目標に近いか
または遠い）の状態では、レンズ系１１を通じて、エレ
メントアレイ１４の面（結像面１２）に結像する光のス
ポットの大きさは、いずれの場合も合焦時より大きい。

【００６３】このような状態では、受光面での空間分解
能は低下し、高域周波数成分が出力されなくなるので、
自動焦点調節を行って、高域周波数成分が出力されるよ
うにすることによって、スポットサイズを小さくして、
焦点が合った状態に保つようにする。

【００６４】図４は、フィルタ特性と信号周波数成分の
分布とを示したものであって、横軸にビデオ信号周波数
を示し、縦軸に伝達量を示している。Ａは雑音除去用の
ローパスフィルタの伝達特性を示し、Ｂは周波数弁別作
用を行うハイパスフィルタの伝達特性を示す。ローパス
フィルタは、不要な高周波成分を除去するために、ある
周波数以上を急峻に除去する特性を有している。また、
ハイパスフィルタは、緩やかに高周波成分を強調する特
性を有している。

【００６５】図４において、点線(1),(2),(3) は、ロー
パスフィルタに入力されるビデオ信号のエネルギー分布
を示し、焦点が合ってスポットサイズが小さくなるのに
従って、信号エネルギーの高域成分は、(1) →(2) →
(3) の順に増大する。ローパスフィルタ特性Ａ，ハイパ
スフィルタ特性Ｂは、ビディオ信号周波数に対しての空
間周波数伝達関数（ＭＴＦ：０〜１）であり、点線で示
すビディオ信号のエネルギーと、それぞれのＭＴＦとの
掛け算（コンボリューション）を行うことによって透過
出力された、合焦に至るフィルタ出力電圧は、(1) →
(2) →(3) の順で増大している。

【００６６】目標が移動して、赤外線カメラ部１０との
相対距離が変化すると、焦点が合わなくなり、ビデオ信
号周波数の高域成分が次第に減少して、出力電気信号の
エネルギーは、高域周波数成分が次第に減少する。自動
焦点調節機構では、このような状態が生じないように、
制御系を介してレンズ系の位置を調節することによっ
て、常に高い周波数成分が最も多く生じるようにする。

【００６７】そのためには、図４に示されるような、周
波数弁別用のハイパスフィルタＢを使用して、高域周波
数成分を選別して出力するようにする。図５は、周波数
弁別用ハイパスフィルタの構成例を示したものであっ
て、(a) は単純なハイパスフィルタの場合を示し、(b)
はツインＴ回路からなるバンドパスフィルタの場合であ
る。図中において、Ｃ，２Ｃは静電容量、Ｒ／２，Ｒ，
Ｒ１，Ｒ２は抵抗，３８は演算増幅器を示している。

【００６８】この際、駆動モータの回転に伴って、周波
数弁別用ハイパスフィルタの出力が変化する状況は、図
６，図７に示されるようになる。図６は、駆動モータの
回転時間とフィルタ出力との関係を示したものであっ
て、(a) は正しいアプローチの場合を示し、(b) は誤っ
たアプローチの場合を示している。

【００６９】図６(a) の場合は、駆動モータの回転方向
が正しいので、駆動モータの回転時間ｔ_0,ｔ_1,…の経過
に伴って、周波数弁別用ハイパスフィルタの出力Ｖ₀,Ｖ
_1,…は次第に増加し、時間ｔ₂ において出力Ｖ₂ に達し
たとき飽和して制御が停止する。この状態では、焦点が
正しく合っている。

【００７０】一方、図６(b) の場合は、駆動モータの回
転方向が逆なため、駆動モータの回転時間ｔ_-2,ｔ_-1,
…の経過に伴って、周波数弁別用ハイパスフィルタの出
力Ｖ _-2,Ｖ_-1,…は次第に減少し、時間ｔ₀ において出
力Ｖ₀ となり、以後も減少し続ける。この状態では、焦
点はいつまでも合わない。

【００７１】図７は、駆動モータの回転量とフィルタ出
力との関係を示したものであって、駆動モータの回転量
の増加につれてフィルタ出力が増加し、モータ回転量ｎ
₀ でフィルタ出力がピーク値Ｖ_PEAKに達し、さらにモー
タ回転量が増加すると、フィルタ出力が逆に減少するこ
とが示されている。図中、モータ回転量ｎ_1,ｎ₂ は、フ
ィルタ出力がピーク値の 0.9 倍になる、モータの２つ
の回転位置を表し、例えばこの両位置間は、和の信号
大，差の信号小となる区間で、モータを低速（または極
低速）とする領域を示している。

【００７２】このような周波数弁別用フィルタの出力の
変化に応じて、駆動モータを回転させてレンズ系を移動
させる場合の結像状況は、赤外線カメラからのビデオ出
力を記憶する現在値のメモリ（Ｍ１）と、１（数）フレ
ーム前の過去値のメモリ（Ｍ２）とを、周期的に読みだ
して、それぞれの値の和と差とから論理演算を行うこと
によって判定される。そして、このようにして得られた
判定結果に基づいて、駆動モータを回転させてレンズ系
を移動させ、複数回切り返してフレーム間の処理をする
ことによって、焦点を合わせることができる。

【００７３】図８は、結像状況の判定を行う回路と、判
定の論理とを原理的に示したものであって、４１は周波
数弁別用ハイパスフィルタ、４２はアナログ信号からな
る周波数弁別用ハイパスフィルタ４１の出力をディジタ
ル信号に変換するアナログディジタル変換器（Ａ／
Ｄ）、４３は現在値メモリ（Ｍ１）、４４は過去値メモ
リ（Ｍ２）、４５は和（Σ）を求める加算回路（＋）、
４６は差（Δ）を求める減算回路（−）、４７は論理回
路をそれぞれ示している。

【００７４】図８に示された判定用回路における結像状
況の判定の論理は、次の２つの基本原理に従って行われ
る。 (a) 和（Σ）の信号電圧で焦点が合っているか否かを判
断する。 (b) 差（Δ）の信号電圧で結像しつつある状態を判断す
る。

【００７５】和（Σ）と差（Δ）の値の大小の組み合わ
せによって、図８に示されたような、４つの結像モード
(1) 〜(4) が得られる。 (1) 和（Σ）の信号電圧が小さいときであって、差
（Δ）の信号電圧が小さいときは、焦点が著しく合って
いない場合なので、駆動モータを高速で回転させてレン
ズ系を迅速に移動させる。

【００７６】(2) 和（Σ）の信号電圧が小さいときであ
って、差（Δ）の信号電圧が大きく、正のときは、合焦
位置に近づきつつある場合であり、また差（Δ）の信号
電圧が大きく、負のときは、合焦位置から遠ざかりつつ
ある場合なので、駆動モータを中速度で回転して、レン
ズ系を合焦位置へ移動させる。

【００７７】(3) 和（Σ）の信号電圧が大きいときであ
って、差（Δ）の信号電圧が大きいときは、合焦位置に
近いが、まだ多少ずれているので、駆動モータを低速度
で回転して、レンズ系を合焦位置へ移動させる。

【００７８】(4) 和（Σ）の信号電圧が大きいときであ
って、差（Δ）の信号電圧が小さいときは、合焦位置の
近傍であるから、駆動モータを低速度または極低速度で
回転させる。

【００７９】これらの場合には、図１４(a) に示された
ように、モータ回転量に伴って、フィルタ出力（高域エ
ネルギー）の和があるレベルＶ_ref1に比べて増加するか
または減少するかをみて、また図１４(C) に示すフィル
タ出力の変化（差分）が正か負かをみて、さらに差分が
あるレベルＶ_ref2より大きいか否かをみて、駆動モータ
の回転方向が適正であるか否かの判断を行い、不適正の
場合は、駆動モータを逆転させ、また速度制御を行う。

【００８０】図２に示されたレンズ移動制御系３０で
は、このような判断結果に基づいて出力を発生して、出
力増幅器３４を介して駆動モータ３１を回転させてレン
ズ系１１を移動させて、赤外線検出部１３において、焦
点が合うようにする。焦点が合ってくると、赤外線カメ
ラ部１０からの出力に高周波成分が増加し、周波数弁別
用ハイパスフィルタの出力が増加するので、レンズ移動
制御系３０では、さらに合焦の判断と駆動モータ３１の
駆動制御とを繰り返し行い、最後に差（Δ）の出力が０
になったときが、合焦の位置なので、駆動モータ３１を
停止させる。

【００８１】次に、図２の実施例における制御系ループ
(2) の動作について説明する。指定された目標が高速で
移動して、近づきまたは遠ざかる場合、レンズ移動制御
系３０による制御が行われるごとに、レンズ系１１の急
激な移動が必要になるため、駆動モータ３１は制御系ル
ープ(1) だけの制御では、追従が困難な場合が生じる。
このような場合には、レンズ移動制御系３０における次
の判断が行われるまでの間に、予測制御系３２において
予測を行って、予め先回りして駆動モータ３１を回転さ
せておくようにする。このようにすることによって、レ
ンズ移動制御系３０による制御を相補して、高速移動目
標に対しても、迅速な応答を行って追従することができ
るようになる。

【００８２】それには、過去の位置情報と現在の位置情
報とから、予測処理周期（画像周期すなわち画像フレー
ムにおける垂直同期タイミングの周期の整数倍フレー
ム）ごとに、現在の位置に対して目標が移動する位置を
予測して、未来位置に対して駆動モータ３１を駆動させ
るようにする。

【００８３】駆動モータ３１に設けられたエンコーダ３
５によって、駆動モータ３１の回転に応じて、レンズ系
１１の位置情報（目標までの距離情報）を検出する。予
測制御系３２は、例えば一次近似予測であれば、過去の
位置（距離）情報と、現在の位置（距離）情報とからそ
の差（ΔＬ）を求め、さらにこの差（ΔＬ）と処理周期
（ΔＴ：過去と現在との時間差）とから、相対速度Ｖ
（＝ΔＬ／ΔＴ）を求める。そして現在位置（Ｌ₀）
と、この相対速度よりなる時間軸の一次関数Ｌ(t)＝Ｖ
ｔ＋Ｌ₀によってΔＴ時間後の目標の未来位置を予測し
て、駆動モータ３１を予め回転させておくようにする。

【００８４】図９は、本発明の回路構成例を示したもの
であって、５０は赤外線カメラ部を示し、６０は自動焦
点調節のための制御系ループ(1) を、８０は自動焦点調
節における予測制御を行うための制御系ループ(2) をそ
れぞれ示している。

【００８５】赤外線カメラ部５０において、５１は物体
の赤外線像を投影するレンズ系、５２は投影された赤外
線像を電気信号に変換する撮像系である。また、５３は
撮像系５２のそれぞれの出力における雑音除去を行うロ
ーパスフィルタ（ＬＰ）、５４は制御系ループ(1) の制
御出力と、制御系ループ(2) の制御出力とを合成する合
成器、５５は合成器５４の出力を増幅する出力増幅器で
ある。

【００８６】５６はレンズ系５１を移動させるための駆
動モータ（Ｍ）、５７はレンズ系５１の位置を検出する
ためのエンコーダ（ＥＣ）である。撮像系５２において
は、結像面５８に配置された複数の赤外線検出素子から
の出力を、それぞれ対応する増幅器５９を経て出力す
る。

【００８７】制御系ループ(1) において、６１はマルチ
プレクサ（ＭＰＹ）であって、ローパスフィルタ５３を
経て出力された撮像系５２の出力信号から、画面中の指
定位置の信号を抽出して出力する。６２はアナログディ
ジタル変換器（Ａ／Ｄ）であって、アナログ信号からな
るマルチプレクサ６１の出力をディジタル信号に変換す
る。６３はメモリ（Ｍ１）であって、ディジタル信号か
らなる指定位置の信号の現在値を記憶する。６４はメモ
リ（Ｍ２）であって、ディジタル信号からなる指定位置
の信号の１フレーム前の過去値を記憶する。

【００８８】６５，６６はディジタルアナログ変換器
（Ｄ／Ａ）であって、ディジタル信号からなるメモリ６
３，６４の出力を、アナログ信号に変換する。６７，６
８は周波数弁別用フィルタ（ＦＬ）であって、高域強調
特性を有し、ディジタルアナログ変換器６５，６６の出
力における高域周波数成分を抽出する。６９，７０は整
流器（ＲＥＣ）であって、周波数弁別用フィルタ６７，
６８の出力を全波整流して出力する。

【００８９】７１は加算回路（＋）であって、周波数弁
別用フィルタ６７，６８の出力の和を演算する。７２は
減算回路（−）であって、周波数弁別用フィルタ６７，
６８の出力の差を演算する。７３は比較回路（ＣＯＭ）
であって、減算回路７２の出力の絶対値の微小領域を検
出して出力を発生するとともに、図１２の切替器１０７
を制御する。７５は積算器であって、減算回路７２の出
力を処理ごとに複数回積算する。７６は極性判定回路
（Ｐ−ＳＥＴ）であって、減算回路７２および積算器７
５の出力の極性を判定した出力を発生する。

【００９０】７７はモータ回転制御回路であって、加算
回路７１からの和の出力値と、比較回路７３からの微小
値領域の判定出力とに応じて、駆動モータ５６に対する
回転速度の制御出力を発生し、また極性判定回路７６か
らの極性判定出力に応じて、駆動モータ５６に対する回
転方向の制御出力を発生する。７８は切替器であって、
モータ回転制御回路７７の出力をオン，オフする。切替
器７８は説明の便宜上設けられたものであって、図１３
に示されたＦＥＴスイッチ１１７，１１８，１１９のす
べてをオフにすることによって、同一の機能を達成する
ことができる。

【００９１】制御系ループ(2) において、８１は現在距
離保持部であって、エンコーダ５７からのレンズ系の位
置検出出力に基づいて、目標までの現在の距離を算出し
て保持する。８２は過去距離保持部であって、目標まで
の１処理周期（１フレームまたは数フレーム）前の過去
の距離を保持する。８３は移動速度算出部であって、現
在の距離と過去の距離とから移動距離を求めて、移動距
離と経過時間とから移動速度を計算する。

【００９２】８４は未来距離変化予測部であって、移動
速度算出部８３で求められた移動速度から、次の処理周
期における未来距離の変化の予測計算を行う。８５は未
来位置算出部であって、未来距離変化予測部８４におけ
る未来距離の変化の予測計算から、目標の未来距離を求
めこれからレンズ系の未来位置を算出する。８６は位置
指令回路であって、エンコーダ５７からのレンズ系の現
在位置の情報と、未来位置算出部８５からのレンズ系の
未来位置の情報とに基づいて、レンズ系５１の位置変化
の予測量の出力を発生する。

【００９３】８７はモータ回転予測制御部であって、位
置指令回路８６からの位置変化の予測量の出力に応じて
駆動モータ５６に対する回転速度の制御出力を発生す
る。この制御出力は、合成器５４において、モータ回転
制御回路７７からの回転方向と回転速度の制御出力と合
成され、出力増幅器５５を介して駆動モータ５６に供給
されて、これを回転させる。予測制御のみを行うとき
は、切替器７８によって、モータ回転制御回路７７の出
力は切り離され、駆動モータ５６はモータ回転予測制御
部８７からの、予測制御に基づく制御出力のみによって
駆動される。

【００９４】図１０は、図９の回路構成例における合焦
位置の範囲指定を説明するものであって、(a) は画像メ
モリの読みだしを示し、(b) は赤外線画像上の指定範囲
を示している。９０は水平１ライン書き込み用メモリを
示し、９１はメモリ９０の読みだし用の仮想的スイッチ
である。

【００９５】メモリ９０は、図９に示されたメモリ６３
（Ｍ１）または６４（Ｍ２）に対応し、図３(a) に示さ
れた赤外線画像における任意の水平ライン( 例えばch
ｘ）のデータを書き込む。メモリ９０には、実線で示す
１回目の走査で、データ１，２，３，…が書き込まれ、
破線で示す２回目の走査で、データＡ，Ｂ，Ｃ，…が書
き込まれる。

【００９６】メモリ９０に対して、アドレスの指定を行
うことによって、仮想的スイッチ９１を操作して、デー
タＣ，４，…，Ｙの範囲を読みだす。これによって、図
１０(b) に示すように、chｘに対応する水平ライン上に
おけるデータＣ，４，…，Ｙの範囲が指定され、以後の
合焦処理は、この範囲について行われることになる。

【００９７】図９において、比較回路７３は、減算回路
７２から出力された、メモリ６３（Ｍ１）に書き込まれ
た現在値と、メモリ６４（Ｍ２）に書き込まれた過去値
との差の出力の絶対値が、ある微小レベルより大きいと
き“１”の出力を発生し、これによって、減算回路７２
の出力がそのまま極性判定に使用される。また差の出力
の絶対値が、ある微小レベルより小さいとき“０”の出
力を発生し、これによって、減算回路７２の出力が積算
器７５を経て極性判定に使用される。

【００９８】積算器７５は、現在値と過去値の差の出力
の絶対値がある微小レベルより小さいとき、その差をメ
モリ９０において水平１ライン分のデータが書き替えら
れるごとに積算して、積算出力を発生する。

【００９９】図１１は、加算回路と減算回路の具体例を
示したものであって、(a) は加算回路、(b) は減算回路
をそれぞれ示している。加算回路７１において、Ｒ３，
Ｒ４，Ｒ５は抵抗、９２は演算増幅器である。減算回路
７２において、Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ９，Ｒ１０は抵
抗、９３はインバータ、９４は演算増幅器である。

【０１００】図１２は、比較回路，積算器および極性判
定回路の具体例を示したものである。比較回路７３はウ
ィンドコンパレータを形成し、アナログボルテージコン
パレータ９５，９６によって、差（Δ）信号を互いに逆
極性に微小基準電圧Ｖ_ref2と比較する。９７はオアゲー
トであって、アナログボルテージコンパレータ９５，９
６の出力によって、差（Δ）信号の絶対値が、ある微小
レベルより大きいとき“１”の出力を発生する。また９
８はアンドゲートであって、アナログボルテージコンパ
レータ９５，９６の出力によって、差（Δ）信号の絶対
値が、ある微小レベルより小さいとき“１”の出力を発
生する。

【０１０１】積算器７５において、１０１はアナログデ
ィジタル変換器（Ａ／Ｄ）であって、アナログ信号から
なる微小差出力ΔＶをディジタル化した出力を発生す
る。１０２はメモリ（ＭＥＭ）であって、比較回路７３
からのスタート信号に応じて、フレームごとに変化する
微小差出力ΔＶを積算した積算値Ｃを格納する。１０３
は加算回路（＋）であって、メモリ１０２に格納した値
と、アナログディジタル変換器１０１の出力値とを加算
して、積算値の出力Ｃを発生する。積算器７５は、アン
ドゲート９８の出力が“１”のとき、積算動作を開始
し、極性判定回路７６からのクリア信号でクリアされ
る。

【０１０２】極性判定回路７６において、１０５はアナ
ログボルテージコンパレータであって、差（Δ）信号の
極性判定を行って、差（Δ）信号の正，負の値に応じ
て、“１”または“０”の出力を発生する。１０６はデ
ィジタルウィンドコンパレータであって、積算器７５の
出力について、ディジタル的に極性判定を行って、その
正，負の値に応じて、“１”または“０”の出力を発生
し、積算出力があるレベル以上になると、積算器７５に
対するクリア信号を出力する。１０７は切替器であっ
て、アンドゲート９８の出力に応じて、アナログボルテ
ージコンパレータ１０５またはディジタルウィンドコン
パレータ１０６の出力を選択して、差（Δ）信号に対す
る極性判定出力を選択する。

【０１０３】図１３は、モータ回転制御回路の具体例を
示したものである。モータ回転制御回路７７において、
１１１はアナログボルテージコンパレータであって、和
（Σ）出力と微小基準電圧Ｖ_ref1との大小に応じて、
“１”または“０”の出力を発生する。１１２，１１
３，１１４，１１５はアンドゲートであって、状態判断
回路を構成し、比較回路７３におけるオアゲート９７の
出力の“１”，“０”と、アナログボルテージコンパレ
ータ１１１の出力の“１”，“０”に応じて、結像モー
ドを示す次の４つの状態出力を発生する。 (1) 状態１：和小，差小 (2) 状態２：和小，差大 (3) 状態３：和大，差大 (4) 状態４：和大，差小

【０１０４】図１４は、和信号と差信号および状態出力
の関係を説明するものであって、(a) は和（Σ）信号、
(b) は量子化された和の信号、(c) は差（Δ）信号、
(d) は量子化された差の信号、(e) は和と差の大小の関
係、(f) は状態出力である。

【０１０５】(a) に示す和（Σ）信号を微小基準電圧Ｖ
_ref1と比較することによって、(b)に示す量子化された
和の信号が得られる。(c) に示す差（Δ) 信号を微小基
準電圧Ｖ_ref2と比較することによって、(d) に示す量子
化された差の信号が得られる。(e) は、和の信号と差の
信号との大小の関係を示し、対応する量子化された和の
信号と差の信号との組み合わせに応じて、(f) に示す状
態１〜4 が得られる。

【０１０６】図１３において、１１６はスピード制御ロ
ジックであって、状態出力１〜４に応じて、次の４種類
のモータ回転速度と、回転０を与える速度ゼロに対応す
る制御信号１〜３の、４通りまたは５通りの組み合わせ
を出力する。 (a) 状態出力１のとき、制御信号１（高速度） (b) 状態出力２のとき、制御信号２（中速度） (c) 状態出力３のとき、制御信号２（中速度または低速
度） (d) 状態出力４のとき、制御信号３（低速度または極低
速度）なお８通り、すなわち０と(a) ないし(d) 、および中間
の速度 (a)−(b), (b)−(c), (c)−(d) に対応した速度
に対応する８段階に速度制御するようにしてもよい。

【０１０７】モータ制御電圧Ｅと、これをインバータ１
２０で反転した出力電圧−Ｅとを切替器１２１に加え
る。切替器１２１は、切替制御部１２２を介して与えら
れる極性判定回路７６からの極性を示す信号に応じて選
択して、駆動モータ５６に対する回転方向と回転速度の
異なる制御用電源を発生する。

【０１０８】この際、切替制御部１２２は、極性判定回
路７６からの極性を示す信号を入力されることによっ
て、駆動モータ回転方向が変化するとき、切替器１２１
を一時的に断状態に保つことによって、制御用電源をオ
フにして駆動モータを一旦停止させるように制御する。
また、図示しないが、スピード制御ロジック１１６から
の制御信号１〜３を切替制御部１２２に入力することに
よって、駆動モータ回転速度に比例して反転時の停止時
間が長くなるように制御することもできる。

【０１０９】１１７，１１８，１１９はそれぞれＦＥＴ
スイッチであって、抵抗Ｒ_{A ,}Ｒ_B, Ｒ_C（Ｒ_A＜Ｒ_B
＜Ｒ_C）とともに、モータ制御電流発生回路を構成し、
制御信号１〜３に応じて、電源Ｅからそれぞれ順次小さ
くなる８種類の制御電流を発生する。

【０１１０】従って、本発明によれば、駆動モータの回
転方向の反転時、そのときの回転速度に応じて、駆動モ
ータの慣性エネルギーを吸収してから逆転させるので、
逆転時の衝撃を少なくすることができる。

【０１１１】図１５は、制御系ループ(2) の具体例を示
したものであって、図９におけると同じものを同じ番号
で示している。現在距離保持部８１において、８１１は
距離算出用変換テーブルであって、エンコーダ５７から
のレンズ位置のデータを距離のデータに変換する。８１
２は現在距離メモリであって、現在の処理周期における
距離（現在距離）Ｒ₀ を記憶する。また、過去距離保持
部８２において、８２１は過去距離メモリであって、現
在距離メモリ８１２における前処理周期の距離（過去距
離）Ｒ_-1を記憶する。

【０１１２】移動速度算出部８３において、８３１は減
算部（−）であって、現在距離Ｒ₀と過去距離Ｒ_-1との
差によって距離変化量ΔＲを求める。８３２は速度計算
部であって、距離変化量ΔＲ（＝Ｒ₀ −Ｒ_-1）と処理周
期ΔＴとから、目標の現在の移動速度ｖ_(t0)（＝ΔＲ／
ΔＴ）を求める。

【０１１３】未来距離変化予測部８４において、８４１
は速度保持部であって、現在および複数回の過去の処理
周期における目標の移動速度ｖ_(t0),ｖ_(t-1),ｖ_(t-2),
ｖ_(t _-3),…を記憶する。８４２は予測関数生成部であっ
て、現在および過去における目標の移動速度ｖ_(t0),ｖ
_(t-1),ｖ_(t-2),ｖ_(t-3),…から目標の未来移動速度を予
測する関数を生成する。８４３は距離変化予測計算部で
あって、求められた目標の未来移動速度を予測する関数
から、未来（次の処理周期）における距離変化量（未来
距離変化量）ΔＲ₊₁を予測する。

【０１１４】未来位置算出部８５において、８５１は現
在距離レジスタであって、現在距離保持部８１からの現
在距離Ｒ₀ を保持する。８５２は未来距離変化レジスタ
であって、未来距離変化予測部８４からの未来距離変化
量ΔＲ₊₁を保持する。８５３は加算部（＋）であって、
現在距離Ｒ₀ と未来距離変化量ΔＲ₊₁とを加算して、未
来（次の処理周期）における距離（未来距離）Ｒ₊₁を算
出する。

【０１１５】８５４はレンズ位置算出部であって、求め
られ未来距離Ｒ₊₁から、レンズ系の未来（次の処理周
期）における位置（未来位置）を求める。８５５は未来
予測制御実施判断部であって、現在距離Ｒ₀ に対して、
未来距離変化量ΔＲ₊₁が、図９に示された制御系ループ
(1)が追従困難になるような大きさであったとき、すな
わち、予測制御を行うべき場合に、切替器７８および位
置指令回路８６における切り替えを制御するとともに、
モータ回転予測制御部８７に対して、現在距離Ｒ ₀ およ
び未来距離変化量ΔＲ₊₁に応じて変化する速度制御信号
を出力する。

【０１１６】なお、現在距離保持部８１，過去距離保持
部８２，移動速度算出部８３，未来距離変化予測部８４
および未来位置算出部８５は、簡単な予測であれば、マ
イコンを使用し、ソフトウェアによって容易に構成する
ことができる。

【０１１７】位置指令回路８６において、８６１は切替
器７８と連動する切替器であって、予測制御を行うと
き、切替器８６１をオンにするとともに、切替器７８を
オフにして、予測制御を優先的に動作させる。８６２は
減算器（−）であって、未来位置算出部８５からのレン
ズ系の未来位置のデータから、エンコーダ５７からのレ
ンズ系の現在位置のデータを減算する。ディジタルアナ
ログ（Ｄ／Ａ）変換器８６３は減算器８６２の出力をア
ナログ量に変換して、レンズ系の移動距離量を出力す
る。なお、予測制御を行わないときは、切替器７８をオ
ンにするとともに、切替器８６１をオフにして、制御系
ループ(1) の制御のみが行われるようにする。

【０１１８】モータ回転予測制御部８７において、８７
１，８７２，８７３はそれぞれＦＥＴスイッチであっ
て、抵抗Ｒ_a，Ｒ_b, Ｒ_c（Ｒ_a＜Ｒ_b＜Ｒ_c）ととも
にモータ制御電圧発生回路を構成し、位置指令回路８６
からのレンズ系の移動距離量に基づいて、未来予測制御
実施判断部８５５からの速度制御信号に応じて、３個の
ＦＥＴスイッチを用いた場合には、８段階に変化するモ
ータ制御電流を発生して、合成器５４へ出力する。

【０１１９】減算器８６２からＤ／Ａ変換器８６３を介
して得た出力電圧と、これをインバータ８７４で反転し
た出力電圧とを切替器８７５に与える。切替器８７５
は、切替制御部８７６を介して与えられる未来予測制御
実施判断部８５５からの極性を示す信号に応じて、モー
タ制御電圧発生回路の出力電圧と、これを反転した出力
電圧とを選択して、ＦＥＴスイッチ８７１，８７２，８
７３へ出力することによって、駆動モータ５６に対する
回転方向の異なる制御電圧を発生する。なお、この際、
図１３に示されたモータ回転制御回路７７の場合と同様
に、駆動モータの回転方向が変化するとき、切替器８７
５を一時的に断状態に保って駆動モータを一旦停止させ
るように制御し、かつこのときの停止時間が、駆動モー
タの回転速度が大きいほど、長くなるように制御しても
よい。

【０１２０】以上説明したところから明らかなように、
高速移動目標に対する自動焦点調節を行う場合には、制
御系ループ(1) と制御系ループ（2)とによって交互に制
御を行って相互に補完し合うことによって、より迅速な
追従制御を行うことができる。すなわち、常時、レンズ
系の未来位置の計算を行い、未来距離変化量が大きく、
制御系ループ (1)のみでは追従困難な場合は、位置指令
回路８６において、切替器８６１をオンにして、制御系
ループ(2) によって、予測制御に基づいて駆動モータを
予め未来位置に回転させておく。この状態では、制御系
ループ(2) の動作を優先し、切替器７８をオフにして、
制御系ループ(1) を切り離した状態とする。さらに、こ
のような制御を行った後に、再び制御系ループ（1)によ
る制御を行う。

【０１２１】図１６は、本発明の赤外線カメラの自動焦
点調節方式における処理フローを示したものである。最
初、制御系ループ(1) の制御状態とし（Ｓ１）、水平と
垂直の位置指定があるか否かをみて（Ｓ２）、あるとき
は、垂直位置すなわち赤外線検知素子の素子NO. を定め
て水平ラインを決定し（Ｓ３）、ないときは、画面中央
の１ラインを水平ラインに設定する（Ｓ４）。

【０１２２】次に水平１ラインの画像データを取得し
（Ｓ５）、水平１ライン中の任意範囲を読みだして（Ｓ
６）、フィルタ処理を行って（Ｓ７）、制御系ループ
(1) の制御を行うための状態判断を行い（Ｓ８）、状態
１〜４のいずれかによって駆動モータの速度制御を行う
（Ｓ９）。

【０１２３】次にレンズ位置の変化から目標の移動速度
を算出し（Ｓ１０）、予測関数を作成して得られた予測
距離変化からレンズ系の未来位置を求める（Ｓ１１）。
そして目標の移動速度が大きいか否かをみて（Ｓ１
２）、大きいときは、制御系ループ(1) を切り離して制
御系ループ(2) の制御を行って（Ｓ１３）、終了時、再
び制御系ループ(1) の制御状態に戻る。

【０１２４】なお、上述の実施例における、アナログの
演算回路や、各種フィルタ等の回路を、すべてディジタ
ル回路で構成して、同様の機能を達成するようにしても
よく、このような変形は、当業者にとっては容易になし
得ることである。

【０１２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、赤外線
カメラ部と、空間周波数成分抽出用フィルタ部と、演算
部と、レンズ系移動機構部とを含み、演算部は、赤外線
画像信号の水平ラインの絵素の現在値と過去値とをそれ
ぞれ書き込む現在値用メモリと過去値用メモリと、絵素
の現在値と過去値との和及び差を求める加算回路及び減
算回路と、和の出力と差の出力とに対応してレンズ系移
動機構部を制御する為の論理回路とを含む構成を有し、
二次元走査のタイミングの影響を受けることなく、所望
の赤外線画像の位置にレンズ系の合焦制御を行うことが
可能となる利点がある。又レンズ系の位置の変化を予測
してレンズ系を移動制御することにより、高速の移動目
標に対しても追従して自動焦点制御することが可能とな
る。又レンズ系の合焦状態に応じてレンズ系の駆動モー
タの回転速度を変化させることにより、高速に自動焦点
制御が可能となる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成を示す図である。

【図２】本発明の一実施例における全体の構成を示す系
統図である。

【図３】赤外線カメラの走査による赤外線画像と、ＴＶ
走査によるＴＶ画像とを示したものであって、(a) はエ
レメントアレイを例示し、(b) は赤外線画像、(c) はＴ
Ｖ画像を示す。

【図４】フィルタ特性と信号周波数成分の分布とを示す
図である。

【図５】周波数弁別用ハイパスフィルタの構成例を示す
図であって、(a) は単純なハイパスフィルタの場合を示
し、(b) はツインＴ回路からなるバンドパスフィルタの
場合を示す。

【図６】駆動モータの回転時間とフィルタ出力との関係
を示す図であって、(a) は正しいアプローチの場合を示
し、(b) は誤ったアプローチの場合を示す。

【図７】駆動モータの回転量とフィルタ出力との関係を
示す図である。

【図８】結像状況の判定を行う回路と、判定の論理とを
原理的に示す図である。

【図９】本発明の回路構成例を示す図である。

【図１０】図９の回路構成例における合焦位置の範囲指
定を説明する図であって、(a) は画像メモリの読みだし
を示し、(b) は赤外線画像上の指定範囲を示す。

【図１１】加算回路と減算回路の具体例を示す図であっ
て、(a) は加算回路、(b) は減算回路をそれぞれ示す。

【図１２】比較回路，積算器および極性判定回路の具体
例を示す図である。

【図１３】モータ回転制御回路の具体例を示す図であ
る。

【図１４】和信号と差信号および状態出力の関係を説明
する図であって、(a) は和（Σ）信号、(b) は量子化さ
れた和の信号、(c) は差（Δ）信号、(d) は量子化され
た差の信号、(e) は和と差の大小の関係、(f) は状態出
力である。

【図１５】制御系ループ(2) の具体例を示す図である。

【図１６】本発明の赤外線カメラの自動焦点調節方式に
おける、処理フローを示す図である。

【符号の説明】

１レンズ系２赤外線検出部３空間周波数成分抽出用フィルタ部４演算部５レンズ系移動機構部５３ローパスフィルタ５６駆動モータ５７エンコーダ６７高域信号成分抽出用フィルタ６８高域信号成分抽出用フィルタ６３現在値用メモリ６４過去値用メモリ７１加算回路７２減算回路８１現在距離保持部８２過去距離保持部８３移動速度算出部８４未来距離変化予測部８５未来位置算出部８６位置指令回路８７モータ回転予測制御部８３１減算部８３２速度計算部８４１速度保持部８４２予測関数生成部８４３距離変化予測計算部８５３加算部８５４レンズ位置算出部８５５未来予測制御実施判断部８６１切替器８６２減算器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０４Ｎ 7/18 Ｇ０２Ｂ 7/11 Ｄ (56)参考文献特開昭64−71382（ＪＰ，Ａ) 特開平４−172779（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−128876（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−2010（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−24103（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−92123（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−37790（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 5/222 - 5/257 G02B 7/11 H04N 7/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】物体からの赤外線をレンズ系を介して入
射し、該レンズ系による赤外線の結像面に複数個の赤外
線検知素子を直線的に配列した赤外線検出部を配置し、
該赤外線検出部を構成する前記赤外線検知素子の配列方
向の走査と前記レンズ系による前記配列方向と直交する
方向の走査とにより二次元の赤外線画像信号を得る赤外
線カメラ部と、前記赤外線検出部からの電気信号のフレーム毎の高域成
分を抽出する空間周波数成分抽出用フィルタ部と、該空間周波数成分抽出用フィルタ部により抽出した前記
フレーム毎の高域成分の増加状態を検出して合焦状況を
示す信号を発生する演算部と、該演算部からの出力に応じて前記レンズ系を合焦状態に
制御するレンズ系移動機構部とを備えた赤外線カメラの
自動焦点調節方式において、前記演算部は、前記赤外線カメラ部からの赤外線画像信号の水平ライン
の各絵素の現在値を書き込む現在値用メモリと、前記各絵素の過去値を書き込む過去値用メモリと、前記現在値用メモリの出力と前記過去値用メモリの出力
との和を求める加算回路及び差を求める減算回路と、前記加算回路の出力が大きく且つ前記減算回路の出力が
小さくなる方向に前記レンズ系移動機構部を制御する為
の論理回路とを備えたことを特徴とする赤外線カメラの
自動焦点調節方式。
【請求項２】前記演算部は、前記現在値用メモリと前
記過去値用メモリとに、二次元の赤外線画像の中の指定
位置の水平ラインの絵素の現在値と過去値とを書き込
み、前記指定位置に焦点を合わせるように前記レンズ系
移動機構部を制御する構成を備えたことを特徴とする請
求項１記載の赤外線カメラの自動焦点調節方式。
【請求項３】前記レンズ系移動機構部は、前記演算部
における前記和の信号が小且つ前記差の信号が小のと
き、前記レンズ系を移動させる駆動モータを高速回転さ
せ、前記和の信号が小且つ前記差の信号が大のとき、前
記駆動モータを中速回転させ、前記和の信号が大且つ前
記差の信号が大のとき、前記駆動モータを中速回転さ
せ、前記和の信号が大且つ前記差の信号が小のとき、前
記駆動モータを低速回転させる制御構成を備えたことを
特徴とする請求項１記載の赤外線カメラの自動焦点調節
方式。
【請求項４】前記レンズ系移動機構部は、前記駆動モ
ータの回転方向を、前記演算部における前記差の信号が
正極性で増加するときは変更せず、前記差の信号が負極
性で増加するときは逆転させる制御構成を備えたことを
特徴とする請求項１記載の赤外線カメラの自動焦点調節
方式。
【請求項５】前記レンズ系移動機構部は、前記演算部
における前記差の信号が小のとき、前記駆動モータを継
続して回転させ且つ前記差の信号を積算した積算値が正
極性か負極性かを判定し、正極性のときは前記駆動モー
タの回転方向を同一方向とし、負極性のときは、前記駆
動モータの回転方向を逆転させる制御構成を備えたこと
を特徴とする請求項４記載の赤外線カメラの自動焦点調
節方式。