焦点检测装置及其控制方法、以及摄像装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种焦点检测装置及其控制方法、以及摄像装置，该焦点检测装置包括：第一图像传感器，其被配置为接收通过了光学系统的光束，并输出要用于相位差检测方法的焦点检测的第一信号；第二图像传感器，其被配置为通过掩模设备接收通过了所述光学系统并且比所述第一图像传感器接收的光束更窄的光束，并输出要用于所述相位差检测方法的焦点检测的第二信号；以及计算电路，其被配置为进行所述相位差检测方法的焦点检测的计算。在所述焦点检测计算中，使用所述第一信号的对焦位置的搜索范围比使用所述第二信号的对焦位置的搜索范围更宽。
【专利说明】焦点检测装置及其控制方法、以及摄像装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种采用摄像平面相位差检测方法的焦点检测装置。
【背景技术】
[0002] -种相位差检测方法通过二次成像光学系统将通过摄像光学系统的不同光瞳区 域形成的光学图像，再成像到不同于图像传感器的焦点检测传感器上，作为一对二次图像， 并基于该对二次图像之间的相对距离来检测摄像光学系统的焦点状态。该相位差检测方法 被称为所谓的TTL (通过拍摄镜头)二次成像相位差检测方法。该二次成像相位差检测方法 通过二次成像光学系统中包括的场透镜（field lens)将一对线传感器(焦点检测传感器） 投影到摄像光学系统的光瞳上，来划分该光瞳。
[0003] 日本特开昭（JP) 62-133409号公报提出一种采用该二次成像相位差检测方法的 焦点检测装置，并且在使用相关性计算检测相位差时，基于透镜的离焦信息来改变相关性 计算的计算范围。离焦信息是指从当前焦点位置到无限远端的离焦量和从当前焦点位置到 近距离端的离焦量。基于从当前焦点位置到无限远端的离焦量以及K和G值，来计算无限 远侧的移位量。同样，基于离焦量以及K和G值，来计算近距离侧的移位量。这种方法通过 在安装透镜可检测的离焦范围中进行相关性计算，来消除浪费的计算时间。
[0004] 另一种相位差检测方法是所谓的摄像平面相位差检测方法，该方法针对图像传感 器中的二维排列微透镜中的各个提供一对受光元件，并通过将该对受光元件投影到摄像光 学系统的光瞳上来划分该光瞳。
[0005] 在摄像平面相位差检测方法中，随着离焦量增加，由于图像信号劣化以及相位移 位，检测到的离焦量变得比实际值更大。因此，当基于类似于JP62-133409号公报的透镜 的离焦量来设置用于计算的移位范围时，代表被摄体位置的移位位置可能位于移位范围之 夕卜，并且可能检测到代表移位范围内的其他被摄体位置的移位位置。此外，可能以大于透镜 可驱动量的离焦量，来驱动要基于根据检测到的移位量计算的其目标驱动量而被驱动的透 镜。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种能够减少使用摄像平面相位差检测方法的摄像光学系统的焦 点状态的错误检测的焦点检测装置。
[0007] 作为本发明的一方面的焦点检测装置包括：第一图像传感器，其被配置为接收通 过了光学系统的光束，并输出要用于相位差检测方法的焦点检测的第一信号；第二图像传 感器，其被配置为通过掩模设备接收通过了所述光学系统并且比所述第一图像传感器接收 的光束更窄的光束，并输出要用于所述相位差检测方法的焦点检测的第二信号；以及计算 电路，其被配置为进行所述相位差检测方法的焦点检测的计算，其特征在于，在所述焦点检 测计算中，使用所述第一信号的对焦位置的搜索范围比使用所述第二信号的对焦位置的搜 索范围更宽。
[0008] 从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1是根据本实施例的包括焦点检测装置的照相机系统的框图。
[0010] 图2A和2B是例示根据本实施例的摄像平面相位差检测方法的构成的示意图。
[0011] 图3是根据本实施例的实时取景拍摄处理流程的流程图。
[0012] 图4是根据本实施例的运动图像拍摄处理的流程图。
[0013] 图5是根据本实施例的静止图像拍摄处理的流程图。
[0014] 图6是根据本实施例的焦点检测计算处理的流程图。
[0015] 图7A至7C是用于说明根据本实施例的焦点检测计算处理的图。
[0016] 图8A和8B是用于说明根据本实施例的摄像平面相位差检测方法和二次成像相位 差检测方法的光学特性的图。
[0017] 图9是用于说明通过根据本实施例的摄像平面相位差检测方法观测到的离焦量 的图。
[0018] 图10是用于说明针对根据本实施例的摄像平面相位差检测方法和二次成像相位 差检测方法中的各个的相关量与透镜的光学信息之间的关系的图。
[0019] 图11是根据本实施例的相关性计算范围设置处理的流程图。
[0020] 图12是根据本实施例的透镜驱动量设置处理的流程图。
【具体实施方式】
[0021] 以下将参照附图详细描述本发明的实施例。以下描述的实施例是实现本发明的示 例，因此可以根据本发明所适用的装置的配置，在各种条件下酌情修改或改变实施例。本发 明不限于以下实施例。
[0022] 实施例
[0023] 图1是例示根据本发明的实施例的包括镜头和照相机本体的镜头交换式照相机 系统的配置的框图。虽然本实施例将描述镜头交换式照相机系统(摄像装置)，但是本发明 也适用于镜头一体式摄像装置。
[0024] 如图1所示，根据本实施例的照相机系统由镜头10 (透镜单元)和照相机20 (摄像 装置）组成。镜头10包括被配置为集中控制镜头10的整体操作的透镜控制器106。照相 机20包括被配置为集中控制照相机20的整体操作相机控制器212。照相机控制器212和 透镜控制器106能够经由照相机通信控制器213和透镜通信控制器108相互通信。当本发 明的实施例应用于镜头一体式摄像装置时，照相机控制器212可以用作透镜控制器106的 所有功能和单元。在这种情况下，照相机控制器212集中控制镜头一体式摄像装置的整体 操作。
[0025] 现在将描述镜头10的配置。镜头10包括固定透镜101、光圈102、聚焦透镜103、 光圈驱动器104、聚焦透镜驱动器105、透镜控制器106以及透镜操作单元107。在本实施例 中，固定透镜101、光圈102以及聚焦透镜103组成了摄像光学系统。固定透镜101是镜头 10中的最接近被摄体的固定的第一透镜单元。光圈102控制入射到稍后描述的图像传感器 201的光强度，并由光圈驱动器104驱动。聚焦透镜103在镜头10中最接近摄像平面，并 且由聚焦透镜驱动器105在光轴方向上驱动，以对在稍后描述的图像传感器201上形成的 图像进行聚焦。各自由透镜控制器106控制的光圈驱动器104和聚焦透镜驱动器105分别 改变光圈102的F值和聚焦透镜103在光轴方向上的位置。响应于通过透镜操作单元107 的用户操作，透镜控制器106进行根据用户操作的控制。透镜控制器106根据经由照相机 通信控制器213和透镜通信控制器108从稍后描述的照相机控制器212接收的控制指令或 控制信息，来控制光圈驱动器104和聚焦透镜驱动器105。透镜控制器106将透镜控制信息 (光学信息）经由透镜通信控制器108和照相机通信控制器213发送到照相机控制器212。
[0026] 现在将描述照相机20的配置。照相机20包括图像传感器201、⑶S/AGC/AD转换器 202、图像输入控制器203、照相机控制器212以及定时发生器215,从而能够从通过摄像光 学系统的光束中获得图像信号。照相机20还包括AF信号处理器204、总线21、显示控制器 205、显示单元206、记录介质控制器207、记录介质208、SDRAM209、R0M210、闪速R0M211、照 相机通信控制器213以及照相机操作单元214。图像传感器201是诸如C⑶传感器或CMOS 传感器的光电转换器(光电二极管)。通过镜头10的摄像光学系统的光束或者被摄体图像 形成于图像传感器201的受光面上，然后被转换成与各个光电二极管的光束强度相对应的 信号电荷。根据照相机控制器212的请求，基于由定时发生器215发出的激励脉冲，从图像 传感器201中依次读取在光电二极管上累积的各个信号电荷作为电压信号（图像信号/AF 信号)。
[0027] 在本实施例中，如图2B所示，图像传感器201针对每个像素包括两个光电二极管 PD，以进行摄像平面相位差AF。通过各微透镜ML分离通过摄像光学系统TL的出射光瞳EP 的整个区域的光束，并将各分离光束的图像形成在这两个光电二极管ro上，能够提取诸如 图像信号和AF信号的两种类型的信号。两个光电二极管的信号A和B的总和构成了图 像信号，各个信号A和B是用于摄像平面相位差AF的信号。通过将这些像素分散地布置在 图像传感器201的整个表面上，或者通过提供被配置为对通过摄像光学系统的出射光瞳的 不同光瞳区域的相应光束进行光电转换的第一和第二像素，能够在摄像平面的整个区域上 进行焦点检测。在焦点检测中，稍后描述的AF信号处理器204基于AF信号计算两个图像 信号之间的相关性，并计算图像移位量和各种可靠性信息。图2A是根据本实施例的图像传 感器201的部分像素的放大图，该像素布置被称为原色拜耳阵列。更具体地，这是以拜耳阵 列布置有R (红色)、G (绿色）和B (蓝色）的原色滤波器的二维单片CMOS彩色图像传感器。 在图2A中，R表示R像素，B表示B像素，各个Gr和Gb表示G像素。
[0028] 图像信号和AF信号被从图像传感器201中读取，被输入到⑶S/AGC/AD转换器 202,然后经历相关双采样、增益调整、以及数字化处理，以消除复位噪声。⑶S/AGC/AD转换 器202分别将图像信号输出到图像输入控制器203,并将摄像平面相位差AF信号输出到AF 信号控制器204。
[0029] 图像输入控制器203将从⑶S/AGC/AD转换器202输出的图像信号存储在 SDRAM209中。然后，显示控制器205经由总线21显示存储在SDRAM209中的图像信号。在 图像信号的记录模式中，记录介质控制器207将图像信号存储在记录介质208中。连接到 总线21的R0M210存储要由照相机控制器212执行的控制程序、以及控制所需的各种数据 等。闪速R0M211存储关于照相机20的操作的各种设置信息，例如用户设置信息等。
[0030] AF信号处理器204计算从⑶S/AGC/AD转换器202输出的两个AF信号之间的相关 性，并计算图像移位量和可靠性信息(两个图像的匹配度、两个图像的清晰度、对比度信息、 饱和信息和划痕（scratch)信息)。然后，AF信号处理器204将计算出的图像移位量和可 靠性信息输出到照相机控制器212。照相机控制器212基于获得的图像移位量和可靠性信 息向AF信号处理器204通知计算出的设置变化。例如，当图像移位量较大时照相机控制器 212放大相关性计算区域，或者根据对比度信息改变带通滤波器的类型。后面将参照图6至 12描述相关性计算的详情。根据本发明的实施例的焦点检测装置至少包括上述AF信号处 理器204和稍后描述的照相机控制器212。
[0031] 虽然本实施例从图像传感器201中提取总共三个信号，例如一个图像信号和两个 AF信号，但是可适用的方法并不限于此方法。为了减少图像传感器201的负荷，例如，该控 制可以提取两个信号(例如一个图像信号和一个AF信号)，然后减去这两个信号之间的差以 生成另一 AF图像信号。
[0032] 照相机控制器212与照相机20的所有内部构件进行通信，并控制这些内部构件。 除了照相机20中的处理之外，照相机控制器212还根据来自照相机操作单元214的用户操 作和输入，执行各种照相机功能，例如电源开/关、设置改变、记录开始、AF控制开始及记录 图像确认。如上所述，照相机控制器212与镜头10中的透镜控制器106进行信息通信，发 送针对镜头10的控制指令或信息，并且获得镜头10中的(光学)信息。如上所述，照相机控 制器212用作获得单元，其被配置为获得镜头10 (摄像光学系统）的光学信息。照相机控 制器212还用作焦点检测计算器，其被配置为检测摄像光学系统的焦点状态，并且，照相机 控制器212用作驱动量计算器，其被配置为基于摄像光学系统的焦点状态，计算用于驱动 摄像光学系统的驱动量。稍后将描述其详情。
[0033] 现在将描述根据本实施例的图1的照相机20的操作。
[0034] 图3是例示照相机20的摄像处理的过程的流程图。在步骤S301中，照相机控制 器212进行照相机20的初始化处理，然后流程进入到步骤S302。在初始化处理中，照相机 控制器212与镜头10进行通信，并获得镜头10的各种光学信息。该各种光学信息包含从当 前焦点位置到无限远端的离焦量、以及从当前焦点位置到近距离端的离焦量，这两者均在 本实施例中使用。在本实施例中，各种光学信息存储于透镜控制器106中的透镜侧R0M109 中。从闪速R0M211中读出照相机20的操作的各种设置信息(例如用户设置信息)。在步骤 S302中，照相机控制器212确定照相机20的摄像模式为运动图像摄取（pickup)模式还是 静止图像摄取模式。当为运动图像摄取模式时，流程进入到步骤S303,而当为静止图像摄 取模式时，流程进入到步骤S304。在步骤S303中，执行运动图像摄取处理，然后该流程进 入到步骤S305。稍后将参照图4描述步骤S303中的运动图像摄取处理的详情。当选择静 止图像摄取模式时，流程进入到步骤S304,以进行静止图像摄取处理，然后流程进入到步骤 S305。稍后将参照图5描述步骤S304中的静止图像摄取处理的详情。在步骤S303中的运 动图像摄取处理或步骤S304中的静止图像摄取处理后，流程进入到步骤S305,以确定是否 已经停止拍摄处理。当尚未停止拍摄处理时，流程进入到步骤S302,而当拍摄处理已经停止 时，结束该拍摄处理。当执行非拍摄操作(例如照相机20的断电、摄像模式的改变、照相机 20的用户设置处理、以及用于确认静止或运动图像的再现处理）时，停止该拍摄处理。
[0035] 现在将参照图4描述图3的步骤S303中的运动图像摄取处理。照相机控制器212 在步骤S401至S403中执行运动图像记录处理。在步骤S401中，照相机控制器212确定运 动图像记录开关是否接通，并且当开关接通时流程进入到步骤S402,而当开关断开时流程 进入到步骤S403。本实施例可以通过按下运动图像记录按钮来开始和停止运动图像记录， 也可以使用其他切换方法。
[0036] 在步骤S401至S403中的运动图像记录处理之后的步骤S404中，确定是否要进行 运动图像伺服AF。当要进行运动图像伺服AF时流程进入到步骤S405,而当不进行运动图 像伺服AF时流程进入到步骤S408。在此，运动图像伺服AF是指照相机控制器212连续执 行后述的焦点检测处理并驱动透镜以进行连续聚焦的操作。当步骤S301的初始化处理读 取在闪速R0M211中存储的设置信息或者执行照相机20的用户设置处理时，照相机控制器 212设置运动图像伺服AF。在步骤S405中，执行焦点检测（计算）处理，如后面详述。在步 骤S406中，在步骤S405中检测到(计算出）的焦点状态被转换成聚焦透镜103的驱动量，如 后面详述。在步骤S407中，根据在步骤S406中计算出的透镜驱动量来驱动透镜。在步骤 S408中，确定运动图像摄取处理是否已经停止。当运动图像摄取处理继续进行时流程返回 到步骤S401，而当运动图像摄取处理要被中断时运动图像摄取处理结束。
[0037] 现在将参照图5描述说明图3的步骤S304的静止图像摄取处理。在步骤S501中， 确定是否要进行连续AF。当要进行连续AF时流程进入到步骤S502,而当不进行连续AF时 流程进入到步骤S505。在此，连续AF是稍后描述的用于驱动透镜连续聚焦的连续焦点检 测处理。当步骤S301的初始化处理读取闪速R0M211中存储的设置信息或执行照相机20 的用户设置处理时，设置连续AF。在步骤S502中，执行焦点检测(计算)处理，如后面详述。 在步骤S503中，在步骤S502中检测到（计算出）的焦点状态被转换成聚焦透镜103的驱动 量，如后面详述。在步骤S504中，根据步骤S503中计算出的透镜驱动量驱动透镜。在步骤 S505中，确定静止图像摄取处理是否已经停止。当要继续进行静止图像摄取处理时流程返 回到步骤S501，而当静止图像摄取处理要被中断时流程结束静止图像摄取处理。
[0038] 现在将参照图6描述图4的步骤S405和图5的步骤S502的焦点检测计算处理。 尽管在以下描述中本实施例将步骤S405的运动图像摄取处理中的焦点检测计算处理与步 骤S502的静止图像摄取处理中的焦点检测计算处理视为相同，但是焦点检测计算处理可 以根据各个拍摄处理而不同。
[0039] 首先，在步骤S601中，从任意的焦点检测区域中获得图像信号。然后，基于步骤 S601中获得的图像信号在步骤S602中计算相关量。图7A例示了图像信号A和B中的各个 从-S到+S被移位1位，其中，S是最大移位量。图7A例示了当图像信号A和B中的各个 被移位1位时的移位位置 -S、- (S-2s)、- (S-4s)、0、+ (S-4s)、+ (S-2s)和+S。能够基于 在各个移位位置处的图像信号A和B之间的差的绝对值的总和，来计算相关量COR。其中， i是移位量，Μ是像素的数目，相关量可以由以下表达式（1)进行计算。
【权利要求】
1. 一种焦点检测装置，其包括： 第一图像传感器，其被配置为接收通过了光学系统的光束，并输出要用于相位差检测 方法的焦点检测的第一信号； 第二图像传感器，其被配置为通过掩模设备接收通过了所述光学系统并且比所述第一 图像传感器接收的光束更窄的光束，并输出要用于所述相位差检测方法的焦点检测的第二 信号；以及 计算电路，其被配置为进行所述相位差检测方法的焦点检测的计算，其特征在于，在所 述焦点检测计算中，使用所述第一信号的对焦位置的搜索范围比使用所述第二信号的对焦 位置的搜索范围更宽。
2. 根据权利要求1所述的焦点检测装置，其特征在于，所述计算电路计算将所述光学 系统驱动到对焦位置的量。
3. 根据权利要求1所述的焦点检测装置，其特征在于，基于从所述光学系统发出的信 息，来限制所述光学系统被驱动的量。
4. 根据权利要求3所述的焦点检测装置，其特征在于，从所述光学系统发送的信息包 含从所述光学系统的当前焦点位置到无限远端的无限远侧离焦量、以及从所述光学系统的 当前焦点位置到近距离端的近距离侧离焦量。
5. 根据权利要求4所述的焦点检测装置，其特征在于， 所述计算电路将所述无限远侧离焦量转换成第一移位量，将通过所述第一移位量乘以 预定值而获得的第二移位量与无限远侧最大移位量进行比较，并且在所述第二移位量小于 所述无限远侧最大移位量的情况下，将所述无限远侧最大移位量限制为所述第二移位量， 并且 所述计算电路将所述近距离侧离焦量转换成第三移位量，将通过所述第三移位量乘以 所述预定值而获得的第四移位量与近距离侧最大移位量进行比较，并且在所述第四移位量 小于所述近距离侧最大移位量的情况下，将所述近距离侧最大移位量限制为所述第四移位 量。
6. 根据权利要求5所述的焦点检测装置，其特征在于，在所述光学系统以预定离焦量 离焦的情况下，根据所述预定离焦量与所述第一图像传感器检测到的离焦量之间的差，来 获得所述预定值。
7. 根据权利要求5所述的焦点检测装置，其特征在于，所述预定值根据被摄体的对比 度而变化。
8. 根据权利要求5所述的焦点检测装置，该焦点检测装置还包括存储器，该存储器被 配置为存储所述预定值。
9. 一种摄像装置，其包括： 获得单元，其被配置为获得光学系统的信息；以及 根据权利要求1至8中的任意一项所述的焦点检测装置。
10. -种焦点检测装置的控制方法，所述控制方法包括以下步骤： 从第一图像传感器中输出要用于相位差检测方法的焦点检测的第一信号，所述第一图 像传感器被配置为接收通过了光学系统的光束； 从第二图像传感器中输出要用于所述相位差检测方法的焦点检测的第二信号，所述第 二图像传感器被配置为通过掩模设备接收通过了所述光学系统并且比所述第一图像传感 器接收的光束更窄的光束；以及 通过计算电路进行所述相位差检测方法的焦点检测的计算，其特征在于，在所述焦点 检测计算中，使用所述第一信号的对焦位置的搜索范围比使用所述第二信号的对焦位置的 搜索范围更宽。
【文档编号】G02B7/28GK104052920SQ201410090302
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2013年3月12日
【发明者】阪口武士 申请人:佳能株式会社