焦点调节装置及其控制方法和摄像设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种焦点调节装置、该焦点调节装置的控制方法和摄像设备。
【背景技术】
[0002]作为摄像设备的自动调焦(AF)方法，已知有对比度AF方法和相位差AF方法。对比度AF方法和相位差AF方法这两者都是经常用于摄像机和数字静态照相机的AF方法，并且在这些AF方法中的一些AF方法中，使用图像传感器作为焦点检测传感器。
[0003]在这些AF方法中，使用光学图像来进行焦点检测，因此存在用于形成光学图像的光学系统的像差在焦点检测结果中产生误差的情况。提出了用于减少这种误差的方法。
[0004]日本专利第5087077号(文献I)公开了如下方法:针对AF框、焦距、AF评价频率和到被摄体的距离各自，准备定义多个代表值的组合的基准校正数据，并且使用通过根据实际条件进行插值所获得的校正数据来校正焦点检测结果。
[0005]然而，利用使用适合照相机本体特有的AF评价频率的校正值来校正焦点检测结果的文献I中的方法，产生无法充分校正焦点检测误差的问题。焦点检测误差本来是观察者针对拍摄图像感觉最良好的焦点状态和焦点检测结果所指示的焦点状态之间的差。然而，在文献I所述的方法中，没有考虑到拍摄图像的焦点状态。此外，在焦点检测误差中存在各种因素，并且要考虑与各因素的频率相对应的焦点检测误差。然而，在文献I中也没有考虑到这点。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种焦点调节装置及其控制方法和摄像设备，其可以通过在至少考虑到拍摄图像的焦点状态的情况下校正焦点检测结果来精确地校正光学系统的像差所引起的焦点检测误差，并且解决了传统技术中的一个或多个问题。
[0007]根据本发明的方面，提供一种焦点调节装置，其能够利用相位差检测方法和对比度检测方法至少之一来执行自动调焦，所述焦点调节装置包括:
[0008]获得部件，用于根据与摄像光学系统的像散、色像差和球面像差至少之一有关的像差信息以及与所述自动调焦有关的焦点检测信息，来获得用于校正所述自动调焦的结果的校正值；以及控制部件，用于基于使用所述校正值校正后的所述自动调焦的结果，来控制所述摄像光学系统所具有的调焦透镜的位置。
[0009]根据本发明的另一方面，提供一种焦点调节装置的控制方法，所述焦点调节装置能够利用相位差检测方法和对比度检测方法至少之一来执行自动调焦，所述控制方法包括以下步骤:获得步骤，用于根据与摄像光学系统的像散、色像差和球面像差至少之一有关的像差信息以及与所述自动调焦有关的焦点检测信息，来获得用于校正所述自动调焦的结果的校正值；以及控制步骤，用于基于使用所述校正值校正后的所述自动调焦的结果，来控制所述摄像光学系统所具有的调焦透镜的位置。
[0010]根据本发明的又一方面，提供一种摄像设备，包括:根据本发明的焦点调节装置；照相机单元；以及镜头单元，其包括所述摄像光学系统并且相对于所述照相机单元能够拆卸，其中，所述获得部件设置在所述照相机单元中。
[0011]根据本发明的另一方面，提供一种摄像设备，包括:根据本发明的焦点调节装置；照相机单元；以及镜头单元，其包括所述摄像光学系统并且相对于所述照相机单元能够拆卸，其中，所述获得部件设置在所述镜头单元中。
[0012]通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
【附图说明】
[0013]图1A是示出实施例中的AF操作的流程图。
[0014]图1B是示出实施例中的AF操作的流程图。
[0015]图2是用作根据实施例的示例性摄像设备的数字照相机的框图。
[0016]图3A和3B是示出实施例中的图像传感器的示例性结构的图。
[0017]图4A和4B是示出实施例中的光电转换区域和出射光瞳之间的关系的图。
[0018]图5是图2的TVAF单元130的框图。
[0019]图6是示出实施例中的示例性焦点检测区域的图。
[0020]图7是实施例中的垂直/水平BP校正值(BPl)计算处理的流程图。
[0021]图8A和8B是用于说明实施例中的垂直/水平BP校正值计算处理的图。
[0022]图9A?9C是用于说明实施例中的颜色BP校正值(BP2)计算处理的图。
[0023]图1OA?1C是用于说明第一实施例中的空间频率BP校正值(BP3)计算处理的图。
[0024]图1lA?IlF是示出实施例中的各种空间频率特性的图。
[0025]图12是用于说明第二实施例中的空间频率BP校正值(BP3)计算处理的图。
[0026]图13是用于说明第三实施例中的空间频率BP校正值(BP3)计算处理的流程图。
[0027]图14是示出第四实施例中的AF操作的流程图。
[0028]图15是用于说明第四实施例中的BP校正值(BP)计算处理的图。
[0029]图16A?16C是用于说明第四实施例中的BP校正值(BP)计算处理的图。
[0030]图17是用于说明第四实施例中的BP校正值(BP)计算处理的变形例的图。
[0031]图18是用于说明第五实施例中的BP校正值(BP)计算处理的图。
[0032]图19A?19C是用于说明第五式实力中的界限频带(limit band)处理的图。
【具体实施方式】
[0033]现在将根据附图来详细说明本发明的优选实施例。注意，尽管为了便于本发明的理解和说明的目的、这些实施例具有特定结构，但本发明不限于这些特定结构。例如，尽管以下说明将根据本发明的焦点调节装置和用于控制该焦点调节装置的方法应用于摄像设备(具体为镜头可更换型单镜头反光数字照相机)的实施例，但本发明还可应用于摄像机以及镜头不可更换的数字照相机。本发明还可以在例如移动电话、个人计算机(笔记本式、平板式、台式PC等)和游戏机等的具有照相机的任意电子装置中实现。此外，本发明还可以在进行光学系统的焦点调节的任意装置中实现。
[0034]第一实施例
[0035]摄像设备的结构的说明-镜头单元
[0036]图2是示出作为根据实施例的摄像设备的示例的数字照相机的功能的示例性结构的框图。本实施例中的数字照相机是镜头可更换型单镜头反光照相机，并且具有镜头单元100和照相机本体120。镜头单元100经由图2的中央的虚线所示的卡口 M安装在照相机本体120上。
[0037]镜头单元100具有光学系统(第一透镜组101、光圈102、第二透镜组103和调焦透镜组(以下简称为“调焦透镜”)104)和驱动/控制系统。因而，镜头单元100是包括调焦透镜104并且形成被摄体的光学图像的摄像镜头。
[0038]第一透镜组101配置在镜头单元100的前端，并且被保持成能够沿光轴方向OA移动。光圈102具有调节摄像时的光量的功能，并且还用作用于在拍摄静止图像时控制曝光时间的机械快门。光圈102和第二透镜组103可以一体地沿光轴方向OA移动，并且通过与第一透镜组101连动地移动来实现变焦功能。调焦透镜104也可以沿光轴方向OA移动，并且镜头单元100聚焦的被摄体距离(对焦距离或聚焦距离)根据调焦透镜104的位置而改变。通过控制调焦透镜104在光轴方向OA上的位置来进行焦点调节、即镜头单元100的对焦距离的调节。
[0039]驱动/控制系统具有变焦致动器111、光圈致动器112、调焦致动器113、变焦驱动电路114、光圈驱动电路115、调焦驱动电路116、镜头MPU 117和镜头存储器118。
[0040]变焦驱动电路114使用变焦致动器111来沿光轴方向OA驱动第一透镜组101和第三透镜组103，并且控制镜头单元100的光学系统的视角。光圈驱动电路115使用光圈致动器112来驱动光圈102，并且控制光圈102的开口直径和开闭操作。调焦驱动电路116使用调焦致动器113来沿光轴方向OA驱动调焦透镜104，并且控制镜头单元100的光学系统的对焦距离。调焦驱动电路116使用调焦致动器113来检测调焦透镜104的当前位置。
[0041]镜头MPU (处理器)117进行与镜头单元100有关的所有计算和控制，并且控制变焦驱动电路114、光圈驱动电路115和调焦驱动电路116。镜头MPU 117经由卡口 M连接至照相机MPU 125，并且与该照相机MPU 125进行命令和数据通信。例如，镜头MPU 117检测调焦透镜104的位置，并且根据来自照相机MPU 125的请求向照相机MPU 125通知镜头位置信息。该镜头位置信息包含以下信息，诸如调焦透镜104在光轴方向OA上的位置、光学系统没有移动的状态下的出射光瞳在光轴方向OA上的位置和直径、以及限制出射光瞳的光束的镜头架在光轴方向OA上的位置和直径等。镜头MPU 117根据来自照相机MPU 125的请求，还控制变焦驱动电路114、光圈驱动电路115和调焦驱动电路116。将自动调焦所需的光学信息预先存储在镜头存储器118中。照相机MPU 125通过执行照相机MPU 125所内置的非易失性存储器中或镜头存储器118中所存储的程序来控制镜头单元100的操作。
[0042]摄像设备的结构的说明-照相机本体
[0043]照相机本体120具有光学系统(光学低通滤波器121和图像传感器122)以及驱动/控制系统。镜头单元100中的第一透镜组101、光圈102、第二透镜组103和调焦透镜104以及照相机本体120中的光学低通滤波器121构成了摄像光学系统。
[0044]光学低通滤波器121减少拍摄图像中的伪色和摩尔纹。图像传感器122包括CMOS图像传感器和外周电路，并且具有沿水平方向配置的m个像素和沿垂直方向配置的η个像素(η和m是2以上的整数)。本实施例中的图像传感器122具有光瞳分割功能，并且能够进行使用图像数据的相位差AF。图像处理电路124根据图像传感器122所输出的图像数据来生成相位差AF所用的数据以及显示、记录和对比度AF(TVAF)所用的图像数据。
[0045]驱动/控制系统具有传感器驱动电路123、图像处理电路124、照相机MPU 125、显示器126、操作开关组127、存储器128、相位差AF单元129和TVAF单元130。
[0046]传感器驱动电路123控制图像传感器122的操作，对所获得的图像信号进行A/D转换，并将转换得到的图像信号发送至照相机MPU 125。图像处理电路124对图像传感器122所获得的图像数据进行诸如γ转换、白平衡处理、颜色插值处理和压缩编码处理等的在数字照相机中通常进行的图像处理。图像处理电路124还生成相位差AF所用的信号。
[0047]照相机MPU(处理器)125进行与照相机本体120有关的所有计算和控制，并且控制传感器驱动电路123、图像处理电路124、显示器126、操作开关组127、存储器128、相位差AF单元129和TVAF单元130。照相机MPU 125经由卡口 M的信号线连接至镜头MPU 117，并且与镜头MPU 117进行命令和数据通信。照相机MPU 125将用以获得镜头位置的请求、用以以预定驱动量驱动光圈、调焦透镜或变焦的请求以及用以获得镜头单元100特有的光学信息的请求等发出至镜头MPU 117。照相机MPU 125内置有用于存储用于控制照相机操作的程序的ROM 125a、用于存储变量的RAM 125b和用于存储各种参数的EEPROM 125c。
[0048]显示器126由IXD等构成，并且显示与照相机的摄像模式有关的信息、摄像之前的预览图像、摄像之后的确认用图像和焦点检测时的对焦状态显示图像等。操作开关组127由电源开关、释放(摄像触发)开关、变焦操作开关和摄像模式选择开关等构成。存储器128是可移除的闪速存储器并且记录所获得的图像。
[0049]相位差AF单元129利用图像处理电路124所获得的焦点检测用的数据，通过相位差检测方法来进行焦点检测处理。更具体地，图像处理电路124生成穿过摄像光学系统中的一对光瞳区域的光束所形成的一对图像的数据作为焦点检测用的数据，并且相位差AF单元129基于该对图像的数据中的偏移量来检测焦点偏移量。因而，本实施例中的相位差AF单元129在无需使用专用AF传感器的情况下，基于图像传感器122的输出来进行相位差AF(摄像面相位差AF)。后面将详细说明相位差AF单元129的操作。
[0050]TVAF单元130基于图像处理电路124所生成的TVAF用评价值(图像数据的对比度信息)来通过对比度检测方法进行焦点检测处理。在利用对比度检测方法的焦点检测处理中，使调焦透镜104移动，并且将评价值达到峰的调焦透镜位置检测作为对焦位置。
[0051 ] 因而，本实施例中的数字照相机可以执行相位差AF和TVAF这两者，并且可以根据状况来选择性地使用这两者或者可以组合使用这两者。
[0052]焦点检测操作的说明:相位差AF
[0053]以下将进一步说明相位差AF单元129和TVAF单元130的操作。
[0054]首先，将说明相位差AF单元129的操作。
[0055]图3A是示出本实施例中的图像传感器122的像素阵列的图，并且示出如从镜头单元100侧所观看到的、二维C-MOS区域传感器中的覆盖垂直方向上的6 (Y方向)行和水平方向上的8(X方向)列的区域的状态。图像传感器122设置有拜耳(Bayer)图案的颜色滤波器，其中绿色(G)和红色(R)的颜色滤波器按从左起的顺序交替配置在奇数行的像素上，并且蓝色(B)和绿色(G)的颜色滤波器按从左起的顺序交替配置在偶数行的像素上。在像素211中，圆211i表示片上微透镜，并且这些片上微透镜内所配置的多个矩形(即，矩形211a和211b)是光电转换单元。
[0056]在本实施例的图像传感器122中，沿X方向对每个像素中的光电转换单元进行2分割，并且可以单独读出各个光电转换单元的光电转换信号以及这些光电转换信号的总和。通过从光电转换信号的总和中减去光电转换单元其中之一的光电转换信号，可以获得与其它光电转换单元的光电转换信号相对应的信号。各个光电转换单元的光电转换信号可以用作相位差AF用的数据，并且用于生成构成3D(3维)图像的视差图像。可以使用光电转换信号的总和作为通常的拍摄图像数据。
[0057]现在将说明在进行相位差AF的情况下的像素信号。如后面所述，在本实施例中，图3A中的微透镜211i和分割得到的光电转换单元211a和211b对摄像光学系统的出射光束进行光瞳分割。关于同一像素行中所配置的预定区域内的多个像素211，将通过组合光电转换单元211a的输出所组织成的图像设置为AF图像A，并且将通过组合光电转换单元211b的输出所组织成的图像设置为AF图像B。光电转换单元211a和211b的输出使用了通过对颜色滤波器的单位阵列中所包括的绿色、红色、蓝色和绿色的输出进行相加所计算出的伪亮度(Y)信号。然而，可以针对红色、蓝色和绿色的各颜色来组织AF图像A和B。通过使用相关计算检测如以上所生成的AF图像A和AF图像B之间的相对图像偏移量，可以检测到预定区域中的焦点偏移量(散焦量)。在本实施例中，从图像传感器122读出各像素中的光电转换单元其中之一的输出和该像素中的两个光电转换单元的输出的总和。例如，在读出光电转换单元21 Ia的输出以及光电转换单元21 Ia和21 Ib的输出的总和的情况下，通过从该总和中减去光电转换单元211a的输出来获得光电转换单元211b的输出。由此可以获得AF图像A和B这两者，从而实现相位差AF。由于这种图像传感器如日本特开2004-134867所公开是已知的，因此将省略针对该图像传感器的详情的进一步说明。
[0058]图3B是示出本实施例中的图像传感器122的读出电路的示例性结构的图。附图标记151表示水平扫描电路，并且附图标记153表示垂直扫描电路。水平扫描线152a和152b以及垂直扫描线154a和154b配置在各像素的边界部，并且各光电转换单元的信号经由这些扫描线被读出至外部。
[0059]注意，本实施例中的图像传感器除上述的用于读出各像素的方法以外，还具有以下两种读出模式。第一读出模式被称为作为用于拍摄精细的静止图像的模式的“全像素读出模式”。在这种情况下，读出所有像素的信号。
[0060]第二读出模式被称为作为用于仅记录运动图像或显示预览图像的模式的“间隔剔除读出模式”。由于这种情况下所需的像素数小于所有像素数，因此仅读出像素组中在X方向和Y方向这两者上按预定比率进行间隔剔除之后剩余的像素。在需要进行高速读出的情况下，也同样使用间隔剔除读出模式。在X方向上对像素进行间隔剔除的情况下，对信号进行相加以实现S/N比的改善，并且在Y方向上对像素进行间隔剔除的情况下，忽略了间隔剔除后的行中的信号输出。相位差AF和对比度AF通常也基于第二读出模式中所读出的信号来进行。
[0061]图4A和4B是示出在本实施例的摄像设备中摄像光学系统的出射光瞳面与像高为O处(S卩，像面中央附近)所配置的图像传感器中的光电转换单元之间的共轭关系的图。图像传感器中的光电转换单元和摄像光学系统中的出射光瞳面被设计成经由片上微透镜具有共轭关系。通常，摄像光学系统的出射光瞳与放置有用于调节光量的虹彩光圈的面大致一致。另一方面，本实施例中的摄像光学系统是具有变倍功能的变焦镜头。根据光学类型，在进行变倍操作的情况下，出射光瞳相对于像面的距离或出射光瞳的大小改变。图4A和4B示出镜头单元100的焦距处于广角端和远摄端之间的中央的状态。在以这种状态下的出射光瞳距离Zep作为标准值的情况下，实现了片上微透镜的形状和适合像高(X坐标和Y坐标)的偏心参数的最佳设计。
[0062]在图4A中，附图标记101表示第一透镜组，附图标记1lb表示保持第一透镜组的镜筒构件，附图标记105表示第三透镜组，并且附图标记104b表示保持调焦透镜104的镜筒构件。附图标记102表不光圈，附图标记102a表不定义光圈开放时的开口直径的开口板，并且附图标记102b表示用于调节光圈缩小时的开口直径的光圈叶片。注意，用作用于限制穿过摄像光学系统的光束的构件的附图标记101b、102a、102b和104b表示如从像面所观察到的光学虚像。将光圈102附近的合成开口定义为透镜的出射光瞳，并且如上所述相对于像面的距离为Z印。
[0063]像素211配置在像面的中央附近，并且在本实施例中将被称为“中央像素”。中央像素211从最下层起包括光电转换单元211a和211b、互连层211e?211g、颜色滤波器211h和片上微透镜211i。两个光电转换单元通过片上微透镜211i被投影至摄像光学系统的出射光瞳面。换句话说，将摄像光学系统的出射光瞳经由片上微透镜211i投影至光电转换单元的表面。
[0064]图4B示出光电转换单元在摄像光学系统的出射光瞳面上的投影图像，并且利用EPla和EPlb来分别表示与光电转换单元211a和211b相对应的投影图像。在本实施例中，图像传感器具有可以获得两个光电转换单元211a和211b其中之一的输出以及这两个光电转换单元的输出总和的输出的像素。通过对穿过了大致覆盖