自动聚焦设备和方法

专利名称：自动聚焦设备和方法
技术领域：
本发明涉及用在诸如摄像机和数字静止照相机之类的成像装置中的自动聚焦设备、方法及其程序产品。
背景技术：
诸如摄像机和数字静止照相机之类的成像装置已经配备了自动对被摄体聚焦的任何自动聚焦机构。自动聚焦机构将成像框(取景器的视图)中提供的特定区域中的图像信号的频率分量相加来计算其聚焦估计值，并且驱动聚焦镜头使得可以给出最大聚焦估计值(见日本专利申请公开No.H10-213736)。这样，如果在将这样的特定区域设置在成像框中心并且固定成像框的布局来将被摄体放在成像框中心之后成像，则当聚焦镜头的焦点位置与对准焦距(in-focus)位置重合时可以自动聚焦被摄体。当开始聚焦操作使得驱动聚焦镜头来使聚焦镜头的焦点位置与对准焦距位置重合时，摆动镜头(wobblinglens)摆动(wobble)以便防止在与对准焦距位置所在的方向相反的方向上驱动聚焦镜头，从而根据在该摆动时聚焦估计值的任何变化确定聚焦镜头的驱动方向。

发明内容
用于广播或专业用途的摄像机具有大孔径的镜头，无法简单快速地摆动，从而导致花费过多时间来确定聚焦镜头的驱动方向。
或者，如图1所示，如果当开始这样的聚焦操作时聚焦镜头的焦点的位置FPs远离焦点对准位置FPj，即，如果出现任何严重模糊的图像，则给出很小的聚焦估计值。如果在这种情况下摆动，则聚焦估计值的变化小，并且显示聚焦估计值的这种变化的斜线几乎是平的。结果，可能难以确定焦点对准位置FPj所在的方向。特别地，用于广播或专业用途的摄像机具有让其景深变得非常浅的机构，从而显示聚焦估计值的变化的斜线在聚焦镜头的焦点位置FPs远离焦点对准位置FPj的位置上更加平坦。在这种情况下，即使摆动镜头摆动，可能也还是难以确定聚焦镜头的驱动方向。
此外，如果一旦由于提交聚焦镜头的驱动方向的确定而可能在与焦点对准位置所在的方向相反的方向上驱动聚焦镜头，那么将不会向焦点对准位置FPj所在的方向驱动聚焦镜头，直到将聚焦镜头驱动到近端或远端位置为止，或者直到已经确定聚焦镜头在反方向上驱动为止。这使聚焦镜头到达焦点对准位置FPj的聚焦时间周期变长，从而无法快速获得相对被摄体没有任何模糊的图像。
希望提供自动聚焦设备、方法及其程序产品，其可以快速驱动聚焦镜头来使其焦点位置与焦点对准位置FPj重合，并且获得相对于被摄体没有任何模糊的图像。
根据本发明的实施例，提供一种自动聚焦设备，具有镜头驱动单元，用于驱动镜头；焦点位置检测单元，用于检测镜头的焦点位置。该自动聚焦设备还具有测距传感器，用于测量到被摄体的距离；和控制单元，用于执行聚焦操作来控制镜头驱动单元驱动镜头，从而使焦点位置检测单元检测的镜头的焦点位置与其焦点对准位置重合。
控制单元允许根据焦点位置检测单元所检测的镜头的焦点的位置和测距传感器所测量的测距结果，设置镜头的驱动方向和镜头的驱动速度。然后开始聚焦操作。
根据本发明的另一实施例，提供一种自动聚焦方法。该自动聚焦方法包括焦点位置检测步骤，用于检测镜头的焦点位置；和测距步骤，用于测量到被摄体的距离。该方法还包括镜头驱动设置步骤，用于根据在焦点位置检测步骤检测的镜头的焦点位置和在测距步骤测量的测距结果，设置镜头的驱动方向和镜头的驱动速度；和镜头驱动步骤，用于执行聚焦操作来根据在镜头驱动设置步骤设置的镜头的驱动方向和镜头的驱动速度开始驱动镜头，从而使镜头的焦点位置与其焦点对准位置重合。
根据本发明的进一步的实施例，提供一种允许计算机执行上述自动聚焦方法的计算机程序产品。
根据本发明的任何实施例，当检测的焦点位置位于基于测距结果的焦点对准区域外、检测的焦点位置进一步位于第一确定距离外时，将镜头的驱动方向设置到基于测距结果的焦点对准区域的方向，并且将镜头的驱动速度设置到第一驱动速度，即，例如镜头驱动速度的最大速度，然后开始聚焦操作。
然后，当焦点位置检测单元所检测的焦点位置位于基于测距结果的焦点对准区域外、焦点位置离焦点对准区域比第二确定距离近时，镜头的驱动速度从其第一驱动速度切换到比第一驱动速度慢的第二驱动速度。
此外，当焦点位置检测单元所检测的焦点位置离基于测距结果的焦点对准区域比第一确定距离近、焦点位置位于焦点对准区域外时，分别将镜头的驱动方向和镜头的驱动速度设置到基于测距结果的焦点对准区域的方向和比第一驱动速度慢的第二驱动速度，并且聚焦操作进一步开始。
当焦点位置检测单元所检测的焦点位置处于基于测距结果的焦点对准区域内时，镜头驱动单元驱动镜头来使其焦点位置重合到具有最大一个聚焦估计值的焦点对准位置。聚焦估计值是使用在成像框中提供的特定区域中的图像信号的频率分量计算出来的。
当焦点位置检测单元所检测的焦点位置处于基于测距结果的焦点对准区域内时，或者当测距结果指示焦点位置离得比预定距离近时，镜头驱动单元摆动镜头(例如，摆动镜头)，然后在其摆动时基于聚焦估计值的变化设置镜头的驱动方向，并且聚焦操作进一步开始。
这样，根据本发明的任何实施例，根据检测的焦点位置和检测的距离结果，设置镜头的驱动方向和镜头的驱动速度，然后驱动镜头来使其焦点位置与焦点对准位置重合的聚焦操作开始。在无任何摆动的情况下开始驱动镜头(例如聚焦镜头)，允许缩短这种聚焦操作的时间周期，从而快速地获得没有模糊的被摄体的图像。
本说明书的结论部分特别指出并直接声明了本发明的主题。然而通过考虑附图阅读说明书的其余部分，本领域技术人员将最好地理解本发明的组织和操作方法，以及其进一步的优点和目的，各附图中相同的附图标记表示相同的元件。


图1是示出聚焦镜头的焦点位置和聚焦估计值之间关系的图；图2是示出摄像机配置的方框图；图3是示出聚焦估计值计算单元的配置的方框图；图4是示出估计窗口的大小的图；图5是示出用于滤波水平方向聚焦估计值的计算滤波器的配置的方框图；图6是示出用于滤波水平方向聚焦估计值的水平和垂直方向积分方案的计算滤波器的配置的方框图；图7是示出用于滤波垂直方向聚焦估计值的计算滤波器的配置的方框图；图8是示出摄像机的自动聚焦操作的流程图；图9是示出镜头驱动设置处理的流程图；和图10是说明使用测距结果的自动聚焦操作的图。
具体实施例方式
下面将参照附图描述本发明的实施例。图2示出具有自动聚焦机构的诸如摄像机10之类的成像装置的总体配置。
摄像机10的镜头模块20由成像镜头、用于检测成像镜头位置的镜头位置检测单元、用于驱动成像镜头的镜头驱动单元等构成。要注意的是，在图2所示的镜头模块20中，作为成像镜头，示出了用于将被摄体的图像聚焦在成像元件的成像面上的聚焦镜头21和用于利用聚焦镜头21的驱动方向的确定来使其焦点位置与焦点对准位置重合的摆动镜头22。
聚焦镜头21配有用于检测聚焦镜头21的位置的镜头位置检测单元21a，即，用于检测聚焦镜头21的焦点位置的焦点位置检测单元；和镜头驱动单元21b，用于驱动聚焦镜头21沿其光轴移动镜头位置。
类似地，摆动镜头22配有镜头位置检测单元22a，用于检测摆动镜头22的位置；和镜头驱动单元22b，用于驱动摆动镜头22沿其光轴移动镜头位置，以便执行任何适合的摆动。
镜头模块20具有光圈23来控制入射光量。光圈23也配有光圈位置检测单元23a，用于检测光圈23的孔径打开程度；和光圈驱动单元23b，用于驱动光圈23来打开或关闭。
镜头模块控制单元51分别接收来自镜头位置检测单元21a的指示聚焦镜头21的焦点位置的检测信号RSf、来自镜头位置检测单元22a的指示摆动量的检测信号RSw、来自光圈位置检测单元23a的指示光圈23的孔径打开程度的检测信号RSi。镜头模块控制单元51连接到用于设置自动聚焦操作模式和开始自动聚焦操作的用户接口55。根据用户接口55的用户操控，镜头模块控制单元51可以接收任何操控信号PSL。镜头模块控制单元51还可以具有存储单元(未示出)，该存储单元由只读存储器(ROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)等构成。存储单元可以存储关于聚焦镜头21和摆动镜头22中每个的焦距的数据和关于孔径比的数据，以及关于制造商名称和镜头模块序列号等的任何信息。
镜头模块控制单元51基于所存储的信息、检测信号RSf、RSw和RSi、和操控信号PSL、以及从摄像模块控制单元52接收的聚焦控制信号CTf和摆动控制信号CTw(将在后面描述)，生成镜头驱动信号RDf、RDw。镜头模块控制单元51还向镜头驱动单元21b提供所生成的镜头驱动信号RDf来驱动聚焦镜头21，从而允许期望的被摄体对准焦点。镜头模块控制单元51另外向镜头驱动单元22b提供所生成的镜头驱动信号RDw来驱动摆动镜头22，从而允许检测聚焦镜头21的焦点对准位置的方向。镜头模块控制单元51还生成光圈控制信号RDi并将其提供给光圈驱动单元23b，从而允许控制光圈23的孔径打开程度。
摄像模块30中的分色棱镜31将从镜头模块20入射的光分成红(R)、绿(G)和蓝(B)三种原色，并且分别将其R分量提供到图像拾取器件32R，将其G分量提供到图像拾取器件32G，将其B分量提供到图像拾取器件32B。
图像拾取器件32R通过光电转换生成对应于R分量的图像信号SR并将其提供给前置放大器33R。图像拾取器件32G通过光电转换生成对应于G分量的图像信号SG并将其提供给前置放大器33G。图像拾取器件32B通过光电转换生成对应于B分量的图像信号SB并将其提供给前置放大器33B。
前置放大器33R放大图像信号SR的电平，对其执行相关双重采样来降低任何重置的噪声，并将降噪后的图像信号SR提供给A/D转换器34R。A/D转换器34R接收图像信号SR，将其转换成数字图像信号DRa，并将其提供给预处理单元35。
前置放大器33G放大图像信号SG的电平，对其执行相关双重采样来降低任何重置噪声，并将降噪后的图像信号SG提供给A/D转换器34G。A/D转换器34G接收图像信号SG，将其转换成数字图像信号DGa，并将其提供给预处理单元35。
前置放大器33B放大图像信号SB的电平，对其执行相关双重采样来降低任何重置噪声，并将降噪后的图像信号SB提供给A/D转换器34B。A/D转换器34B接收图像信号SB，将其转换成数字图像信号DBa，并将其提供给预处理单元35。
预处理单元35接收图像信号DRa、DGa和DBa来调节它们的增益，并且执行黑色电平(black level)的稳定和其动态范围的调节等来生成图像信号DRb、DGb和DBb，并且将由此生成的图像信号DRb、DGb和DBb提供给信号处理单元36和聚焦估计值计算单元37。
信号处理单元36接收图像信号DRb、DGb和DBb来对其执行各种信号处理，从而生成图像输出信号DVout。例如，执行用于压缩具有高于设定电平的电平的图像信号的Knee补偿、用于根据任意各种设定的伽马曲线校正图像信号电平的伽马校正、以及用于将图像信号电平限制在停留于设定区域内的黑白限幅(clipping)。信号处理单元36还执行边缘增强处理、线性矩阵处理、编码处理来生成具有期望格式等的图像输出信号DVout。
聚焦估计值计算单元37使用成像框中提供的特定区域中的这些图像信号的频率分量，由图像信号DRb、DGb和DBb计算任何聚焦估计值ID，并且将聚焦估计值ID提供给摄像模块控制单元52。
图3示出聚焦估计值计算单元37的配置。聚焦估计值计算单元37具有亮度信号生成电路371，用于基于图像信号DRb、DGb和DBb生成亮度信号DY；聚焦估计值生成电路372-ID0到372-ID13，用来生成14种聚焦估计值ID0到ID13，这将在后面描述；和接口电路373，用于与摄像模块控制单元52通信，并且根据来自摄像模块控制电路52的任何请求，将所生成的聚焦估计值ID0到ID13提供给摄像模块控制电路52。
通过使用从预处理电路35接收的图像信号DRb、DGb和DBb，亮度信号生成电路371通过如下计算生成亮度信号DYDY＝0.30DRb+0.59DGb+0.11DBb。
这是因为确定对比度是高还是低就足够来确定是否实现聚焦，而检测亮度信号DY的电平变化作为对比度的变化就足够了。
聚焦估计值生成电路372-ID0生成下面的聚焦估计值ID0。类似地，聚焦估计值生成电路372-ID1到372-ID13中的每个生成下面的聚焦估计值ID1到ID13。
聚焦估计值ID0聚焦估计值名，“IIR1_W1_HPeak”；聚焦估计值ID1聚焦估计值名，“IIR1_W2_HPeak”；
聚焦估计值ID2聚焦估计值名，“IIR1_W2_HPeak”；聚焦估计值ID3聚焦估计值名，“IIR4_W3_HPeak”；聚焦估计值ID4聚焦估计值名，“IIR0_W1_VIntg”；聚焦估计值ID5聚焦估计值名，“IIR3_W1_VIntg”；聚焦估计值ID6聚焦估计值名，“IIR1_W1_HIntg”；聚焦估计值ID7聚焦估计值名，“Y_W1_HIntg”；聚焦估计值ID8聚焦估计值名，“Y_W1_Satul”；聚焦估计值ID9聚焦估计值名，“IIR1_W3_HPeak”；聚焦估计值ID10聚焦估计值名，“IIR1_W4_HPeak”；聚焦估计值ID11聚焦估计值名，“IIR1_W5_HPeak”；聚焦估计值ID12聚焦估计值名，“Y_W3_HIntg”；以及聚焦估计值ID13聚焦估计值名，“Y_W3_HIntg”。
这里，上述聚焦估计值ID0到ID13分别被加上指示其属性的聚焦估计值名，“使用数据_估计窗口的大小_聚焦估计值的计算方法”。估计窗口是成像框中提供的特定区域。
这些聚焦估计值ID0到ID13基本上是通过将估计窗口中的图像信号的频率分量加在一起获得的，并且指示对应于图像中的任何模糊的值。
在聚焦估计值名的“使用数据”中有“IIR”和“Y”。“IIR”使用通过使用高通滤波器(HPF)从亮度信号DY滤波的高频分量的数据。“Y”在不用任何HPF情况下按原样使用亮度信号DY的频率分量。
当使用HPF时，可以使用无限冲击响应(IIR)型HPF。基于HPF的种类，将IIR分成IIR0、IIR1、IIR3和IIR4，它们表示具有不同截止频率的HPF。设置HPF以便具有不同的截止频率允许将例如在焦点对准位置的附近位置处的聚焦估计值的变化放大(如果使用具有高截止频率的HPF)，在使用具有低截止频率的HPF的情况下则相反。如果难以聚焦，则当使用具有低截止频率的HPF时可以将聚焦估计值的变化放大，而在使用具有高截止频率的HPF的情况下则相反。因此，可以设置HPF以便具有不同的截止频率，以便在自动聚焦操作期间根据任何聚焦情况选择最适合的聚焦估计值。
估计窗口的大小是要用于生成聚焦估计值的图像区域的大小。在这个实施例中，估计窗口的各种大小示出下面五种估计窗口的大小W1到W5。
估计窗口的大小W1116像素×60像素；
估计窗口的大小W296像素×60像素；估计窗口的大小W3232像素×120像素；估计窗口的大小W4192像素×120像素；以及估计窗口的大小W5576像素×180像素。
每个这些估计窗口的中心与成像框的中心对准。要注意的是，在图4中，估计窗口的大小W1到W5是在一场的帧大小为768像素×240像素的情况下进行说明的。
因此，设置估计窗口以便其具有各种大小，这允许产生每个适合任何大小的估计窗口的任何聚焦估计值。这允许在聚焦估计值ID0到ID13中选择任何适合的聚焦估计值来满足不管目标被摄体具有什么大小。
作为聚焦估计值的计算方法，可以说明HPeak方案、HIntg方案、VIntg方案和Satul方案。HPeak方案是相对于任何峰值的水平方向聚焦估计值的计算方法。HIntg方案是相对于任何水平和垂直积分的水平方向聚焦估计值的计算方法。VIntg方案是相对于任何积分的垂直方向聚焦估计值的计算方法。Satul方案是计算其亮度饱和的若干像素的计算方法。
HPeak方案也是用来使用HPF从水平方向图像信号获得任何高频分量的聚焦估计值的计算方法。在这个实施例中，它用于计算聚焦估计值ID0、ID1、ID2、ID3、ID9、ID10和ID11。
图5示出可用在聚焦估计值计算单元37中的、用于过滤要用于HPeak方案的水平方向聚焦估计值的计算滤波器的配置。用于过滤水平方向聚焦估计值的该计算滤波器具有HPF 381，用于仅从来自亮度信号生成电路的亮度信号DY中过滤出高频分量；绝对值处理电路382，用于计算这些高频分量的绝对值；乘法电路383，用于将这些高频分量的绝对值乘以水平方向窗口控制信号WH；行峰值保持电路384，用于保持每一行的峰值；和垂直方向积分电路386，用于对估计窗口内的所有行的峰值求垂直积分。
HPF 381从亮度信号DY中过滤出高频分量，并且绝对值处理电路382计算这些高频分量的绝对值。
乘法电路383将绝对值乘以水平方向窗口控制信号WH来获得估计窗口内的高频分量的绝对值。换句话说，如果向乘法电路383提供窗口控制信号WH，其所乘值在估计窗口外为零，则可以仅向行峰值保持电路384提供估计窗口内的高频分量的水平方向绝对值。此外，如果设置窗口控制信号WH使得所乘值可以在估计窗口中靠近窗口的位置处变得较小，则可以消除基于对估计窗口的窗口附近存在的任何额外边缘(具有高亮度的任何边缘)侵入估计窗口的影响的聚焦估计值中的任何噪声，其发生响应于聚焦的前进，并且消除伴随着被摄体的任何旋转和/或颠簸(pitching)的聚焦估计值的急剧变化。
行峰值保持电路384可以为每行保持峰值。垂直方向积分电路386根据垂直方向窗口控制信号WV，在垂直方向上将估计窗口内的每行的已经保持的峰值相加或积分，以生成任何聚焦估计值ID。要注意的是，该方案之所以称为“HPeak”是因为保持一次水平方向峰值。
HIntg方案是用于通过使用垂直和水平积分获得水平方向聚焦估计值的聚焦估计值计算方法。图6示出可用在聚焦估计值计算单元37中的、用于根据垂直和水平积分滤波水平方向聚焦估计值的计算滤波器的配置。该计算滤波器具有与上述图5所示的HPeak方案的计算滤波器类似的配置，除了使用水平方向加法电路385来取代行峰值保持电路。在图6所示的该计算滤波器中，水平方向加法电路385在水平方向上将估计窗口内的所有高频分量的绝对值相加，并且垂直方向积分电路386在垂直方向上将估计窗口内的所有行的相加结果积分。
在该实施例中，这种根据垂直和水平积分滤波水平方向聚焦估计值的计算滤波器用于计算聚焦估计值ID6、ID7、ID12和ID13。
当比较HIntg方案与HPeak方案时，它们彼此不同之处在于，在HPeak方案中，为每行计算峰值并且将计算出的峰值垂直地相加，而在HIntg中，将估计窗口内每行中的所有高频分量绝对值水平地相加，并且将相加的结果垂直地积分。
HIntg方案被归类到“IIR1”(在其使用数据中使用高频分量)和“Y”(其中按原样使用其自身的亮度信号DY)。要注意的是，亮度相加值计算滤波器电路(从图6所示的计算滤波器中去掉HPF 381的滤波器电路)可以得到亮度相加值。
VIntg方案是通过使用垂直积分获得垂直方向聚焦估计值的聚焦估计值计算方法。在该实施例中，它用于计算聚焦估计值ID4和ID5。HPeak和HIntg方案都执行水平加法来产生聚焦估计值，而VIntg方案将高频分量垂直地相加来产生聚焦估计值。如果只存在垂直高频分量而不存在水平高频分量，例如，其中上半部场景是白色而下半部场景是黑色的图像、水平线的图像等，则根据HPeak方案的水平方向聚焦估计值计算方法无法有效地起作用。VIntg方案的聚焦估计值用于自动聚焦来在这种场景中有效地起作用。
图7示出可用在聚焦估计值计算单元37中的、用于滤波垂直方向聚焦估计值的计算滤波器的配置。用于滤波垂直方向聚焦估计值的计算滤波器具有计算电路391，用于计算水平方向平均值；IIR型的HPF 392；绝对值处理电路393；和积分电路394。
计算电路391基于窗口控制信号WHc，从每行的亮度信号DY中选择位于其水平方向上的估计窗口的中心部分的任何像素(例如，63个像素)的亮度信号，并且计算其平均值以将其作为每一个水平周期一个输出发送。选择其中心部分的64个像素是因为消除了估计窗口外围存在的任何噪声。在该实施例中，由于依次存储64个像素的数据，并且最终输出一个平均值，因此可以实现不需要任何诸如行存储器或帧存储器之类的存储设备的简单配置。接着，IIR型HPF 392与行频率同步地滤波高频分量。然后绝对值处理电路393计算高频分量的绝对值。积分电路394基于垂直方向窗口控制信号WV垂直地积分估计窗口内的所有行。
Satul方案是用于获得估计窗口中的亮度信号DY中的若干饱和像素(特别地，其亮度级变为预定级之上的若干像素)的计算方法。在该实施例中，Satul方案用于计算聚焦估计值ID8。在聚焦估计值ID8的计算中，聚焦估计值ID8是通过计算有多少超过阈值的像素(将亮度信号DY与阈值比较)位于每一场的估计窗口内来确定的。
回来参照图2，参考信号产生单元40产生垂直同步信号VD、水平同步信号HD和参考时钟信号CLK，摄像机10中每个单元基于这些信号工作。参考信号产生单元40将这些信号提供给图像拾取器件驱动单元42。图像拾取器件驱动单元42基于如此提供的垂直同步信号VD、水平同步信号HD和参考时钟信号CLK生成驱动信号RIR，以将其提供给图像拾取器件32R以便驱动它。类似地，图像拾取器件驱动单元42还分别生成驱动信号RIG、RIB，以将它们提供给图像拾取器件32G、32B以便驱动它们。要注意的是，前置放大器33R、33G和33B、A/D转换器34R、34G和34B、前置处理单元35、信号处理单元36、聚焦估计值计算单元37等使用与从其各自的前面单元接收的图像信号同步的垂直同步信号VD、水平同步信号HD和参考时钟信号CLK，执行各种处理。可以从参考信号产生单元40或者从它们各自的前面单元与图像信号一同接收这些信号。
响应来自摄像模块控制单元52的请求，测距传感器45执行任何测量来将指示到被摄体距离的测距结果Mag提供给摄像模块控制单元52。当无法执行任何测量时，测距传感器45发送指示不能执行任何测量的数据(下面称为“无能力数据NG”)作为测距结果Mag。测距传感器45示出了有源方案的测距传感器，其通过使用发射红外线、电波等时的反射测量到被摄体的距离。测距传感器45还示出无源方案的测距传感器，其通过利用通过使用传感器检测关于被摄体的亮度信息而获得的亮度信号的偏移(shift)、锐度(sharpness)等，测量到被摄体的距离。
摄像模块控制单元52连接到用户接口56。摄像模块控制单元52基于从用户接口56接收的操控信号PSC生成任何控制信号，并且将控制信号提供给各个单元来控制它们，从而摄像机10可以基于操控信号PSC等工作。
镜头模块控制单元51和摄像模块控制单元52可以使用先前设定的格式和/或先前设定的协议相互通信。镜头模块控制单元51和摄像模块控制单元52执行对自动聚焦操作的任何控制。
镜头模块控制单元51还响应来自摄像模块控制单元52的请求，向摄像模块控制单元52提供各种信息QF(例如关于镜头焦点位置、光圈值等的信息)。
镜头模块控制单元51还基于从摄像模块控制单元52接收的聚焦控制信号CTf、摆动控制信号CTw等，生成镜头驱动信号RDf、RDw，并且控制镜头驱动单元21b、22b来驱动聚焦镜头21和摆动镜头22。
摄像模块控制单元52基于在聚焦估计值计算单元37中计算出的聚焦估计值ID、通过测距传感器45获得的测距结果Mag和从镜头模块控制单元51读取的各种信息，生成用于进行对聚焦镜头21的驱动控制的聚焦控制信号CTf和用于进行对摆动镜头22的驱动控制的摆动控制信号CTw。摄像模块控制单元52将其提供给镜头模块控制单元51。
镜头模块控制单元51和摄像模块控制单元52可以内置在一起。在下面的描述中，控制器50将指示镜头模块控制单元51和摄像模块控制单元52的组合。控制器50可以由微计算机、存储器等构成，并且通过运行从存储器中读出的各种程序来执行自动聚焦操作。
下面将描述摄像机10的自动聚焦操作。图8示出自动聚焦操作的流程图。
在步骤ST1，控制器50控制测距传感器45来测量到被摄体的距离并发送测距结果Mag。
在步骤ST2，控制器50基于从镜头位置检测单元21a接收的检测信号RSf检测聚焦镜头21的当前焦点位置FPs。
在步骤ST3，控制器50执行任何镜头驱动设置处理。在这种镜头驱动设置处理中，基于当前焦点位置FPs和测距结果Mag来设置聚焦镜头21的驱动方向和驱动速度。
在步骤ST4，控制器50然后执行镜头驱动处理。
图9示出镜头驱动设置处理的流程图。
在步骤ST51，控制器50确定测距结果Mag是否为无能力数据NG。如果没有无能力数据NG，则处理前进到步骤ST52，而如果有无能力数据NG，则处理前进到步骤ST56。
在步骤ST52，控制器50确定当前焦点位置FPs是否位于基于测距结果Mag的焦点对准区域FJA之外、且进一步位于第一确定距离LD1之外。如果从当前焦点位置FPs到基于测距结果Mag的焦点对准区域FJA的距离LE大于第一确定距离LD1，则处理前进到步骤ST53，否则，处理前进到步骤ST54。
相对于测距结果Mag设置焦点对准区域FJA，使得对应于测距结果Mag的被摄体的焦点对准位置FPj可以包括在其中。例如，基于测距结果Mag的错误的距离测量区域被设置为焦点对准区域FJA。或者，可以将比基于测距结果Mag的错误的距离测量区域宽的区域设为焦点对准区域FJA。可以考虑聚焦镜头21的控制能力(facility)来设置第一确定距离LD1的量。即，如果当第一确定距离LD1过短时试图以第一驱动速度Va驱动聚焦镜头21(将在稍后描述)，那么聚焦镜头将在它达到第一驱动速度Va之前就已经到达焦点对准位置FPj。如果以很高的速度驱动聚焦镜头21，则可能花很多时间来停止聚焦镜头21，使得如果当聚焦镜头21接近焦点对准位置FPj时聚焦镜头21试图停止，那么聚焦镜头21可能通过焦点对准位置FPj，从而导致不良的聚焦操作。因此，可以根据当驱动聚焦镜头21时的最大速度和控制能力来设置第一确定距离LD1。由于这种最大速度和控制能力随着焦距和光圈值而不同，因此可以根据焦距和光圈值调节第一确定距离LD1。
如果焦距短或光圈孔径打开程度小，则景深可能深。如果焦距长或光圈孔径打开程度较大，则景深可能浅。如果景深深，则当驱动聚焦镜头21时聚焦估计值的变化小，从而聚焦估计值在长距离上变化缓慢，在其曲线中显示渐进的峰值。因此，如果这样的话，可以将第一确定距离LD1设置得较长，以避免在聚焦估计值变化的曲线部分期间以第一驱动速度Va驱动聚焦镜头21。在这种情况下，即使第一确定距离LD1设得较长，并且使以第一驱动速度Va驱动聚焦镜头21时的时间周期较短，由于景深深，因此也可以快速地得到具有较少或没有模糊的图像。
如果景深浅，则当驱动聚焦镜头21时聚焦估计值的变化较大，从而聚焦估计值在短距离上变化突然，在其曲线中显示锐利的峰。因此，即使第一确定距离LD1设得短，也可以防止在聚焦估计值变化的曲线部分期间以第一驱动速度Va驱动聚焦镜头21。此外，第一确定距离LD1设得短，从而使以第一驱动速度Va驱动聚焦镜头21时的时间周期较长，从而允许快速地得到具有较少或没有模糊的图像。
在步骤ST53，由于聚焦镜头21的当前焦点位置FPs位于焦点对准区域FJA外、且焦点位置进一步位于第一确定距离LD1之外，因此控制器50将聚焦镜头21的驱动速度设置到第一驱动速度Va来让聚焦镜头21的焦点FPs快速到达焦点对准位置FPj。控制器50还将聚焦镜头21的驱动方向设置到基于测距结果Mag的方向。换句话说，设置驱动方向使得可以朝着测距结果Mag所指示的焦点位置FPm的方向驱动聚焦镜头21的焦点FPs。由于基于测距传感器45的测距结果Mag可以正确地确定聚焦镜头21的驱动方向，因此不需要任何摆动来确定其驱动方向。
聚焦镜头21的第一驱动速度Va用于允许聚焦镜头21的焦点快速接近焦点对准位置。由于每个聚焦估计值仅每一场修正一次，因此不必限制其驱动速度来防止其焦点通过聚焦估计值曲线中的峰。因此，第一驱动速度Va可以是当驱动聚焦镜头21时可允许的驱动速度的最大一个。
处理然后前进到步骤ST54，其中控制器50确定聚焦镜头21的当前焦点位置FPs是否位于焦点对准区域FJA内。如果焦点位置FPs没有位于焦点对准区域FJA内，则处理前进到步骤ST55，而如果焦点位置FPs位于焦点对准区域FJA内，则处理前进到步骤ST56。
在步骤ST55，控制器50将聚焦镜头21的驱动速度设置到比第一驱动速度Va慢的第二驱动速度Vb。控制器50还将其驱动方向设置到基于测距结果Mag的方向。换句话说，设置其驱动方向使得可以朝着测距结果Mag所指示的焦点位置FPm的方向驱动聚焦镜头21的焦点FPs。该第二驱动速度Vb被设置成允许平滑地实现从第二驱动速度Vb到比第二驱动速度Vb慢的第三驱动速度Vc的速度改变，以便防止当驱动聚焦镜头21时指示聚焦估计值变化的聚焦估计值曲线变低。
例如，估计景深是Fs，第二驱动速度Vb设为12Fs/场。要注意的是，第三驱动速度Vc设置为能够准确检测聚焦估计值曲线的峰值的速度，例如2Fs/场。如果当驱动聚焦镜头21时可允许的速度中的最大速度不超过12Fs/场，则第一驱动速度Va等于第二驱动速度Vb。
当处理从步骤ST51或ST54转到步骤ST56时，控制器50执行类似于过去情况的摆动，并且当驱动摆动镜头22时基于聚焦估计值的变化设置聚焦镜头21的驱动方向。在这种情况下，控制器50将聚焦镜头21的驱动速度设置到其第二驱动速度Vb。如果当前焦点位置FPs和焦点位置FPm之间的距离短，则控制器50可以将聚焦镜头21的驱动速度设置到其第三驱动速度Vc，因为当前焦点位置FPs离焦点对准位置FPj近。
此后，在图8所示的步骤ST4，控制器50执行镜头驱动处理并且当镜头驱动处理完成时结束自动聚焦操作。在镜头驱动处理中，执行与过去情况类似的聚焦镜头21的驱动速度的切换和登山(hill-climbing)控制处理，从而驱动聚焦镜头21来使其焦点位置FPs与焦点对准位置FPj重合。
如果从焦点位置FPs到焦点对准区域FJA的距离比第二确定距离LD2短(第二确定距离LD2比第一确定距离LD1短)，则聚焦镜头21的驱动速度从第一驱动速度Va切换到第二驱动速度Vb。设置第二确定距离LD2，使得当聚焦镜头21的驱动速度在离焦点对准区域FJA有例如第二确定距离LD2远的位置上从第一驱动速度Va切换到第二驱动速度Vb时(将在稍后描述)，聚焦镜头21的驱动速度可以在焦点对准区域FJA内降低到第二驱动速度Vb。这种设置可以防止聚焦镜头21的焦点由于较少数量的聚焦估计值而通过焦点对准区域FJA中的聚焦估计值曲线的峰值。
在登山控制处理中，检测聚焦估计值计算单元37计算出的聚焦估计值的任何增加和降低，并且驱动聚焦镜头21，使得该检测的聚焦估计值可以是最大值，从而使焦点位置FPs与焦点对准位置FPj重合。在本实施例中使用聚焦估计值的登山控制处理中，驱动聚焦镜头21使得上述聚焦估计值ID0、ID2等可以是最大值。如果具有较大亮度的像素增加，则估计窗口大小W1切换到估计窗口大小W5，并且使用聚焦估计值ID8计算聚焦估计值，以便防止聚焦镜头21向出现模糊的方向驱动。此外，通过使用聚焦估计值ID0和其他聚焦估计值ID1到ID7和ID9到ID13，可以确定聚焦镜头21的驱动速度的改变，可以确定摄像机的任何颤动，可以确定聚焦镜头21的反向驱动，并且可以确定聚焦镜头21到达其近点或远点。基于这些确定结果，控制聚焦镜头21的驱动操作来实现优异的精确聚焦。因此，执行这种登山控制处理来使聚焦镜头21的焦点位置与焦点对准位置FPj重合。自动聚焦操作结束。
图10示出使用测距结果的自动聚焦操作。当聚焦镜头21的当前焦点位置FPs位于基于测距结果Mag的焦点对准区域FJA外、焦点位置进一步位于第一确定距离LD1外时，即，当从当前焦点位置FPs到基于测距结果Mag的焦点对准区域FJA的距离LE比第一确定距离LD1长时，以第一驱动速度Va驱动聚焦镜头21而没有任何摆动。然后以第二驱动速度Vb和第三驱动速度Vc驱动聚焦镜头21。当经过时间周期Tafu后，焦点位置FPs与焦点对准位置FPj重合。与过去的自动聚焦操作相比，这允许聚焦时间周期大大缩短，过去的自动聚焦操作如图10中虚线所示，使得执行摆动来确定驱动聚焦镜头的方向，然后以第二驱动速度Vb驱动聚焦镜头21，而当经过时间周期Tafv时，焦点位置FPs与焦点对准位置FPj重合。
当当前焦点位置FPs离基于测距结果Mag的焦点对准区域FJA比第一确定距离LD1近、且焦点位置位于焦点对准区域FJA外时，以第二驱动速度Vb驱动聚焦镜头21而没有任何摆动。与过去的在自动聚焦操作开始点执行摆动的自动聚焦操作相比，这允许缩短聚焦时间周期。特别地，用于广播或专业用途的摄像机具有大孔径的镜头，花费很多时间摆动(例如，0.25到0.5秒)。因此，仅仅避免摆动就可以使聚焦时间周期有效缩短。
当聚焦镜头21的当前焦点位置FPs位于焦点对准区域FJA内时，无法根据测距结果Mag和当前焦点位置FPs确定聚焦镜头21的驱动方向。换句话说，测距结果Mag可能包含任何错误，因此，如果聚焦镜头21的当前焦点位置FPs位于测距结果Mag指示的焦点位置FPm和焦点对准位置FPj之间的区域内，则可以朝着与基于该测距结果Mag驱动聚焦镜头21时焦点对准位置FPj所在的方向相反的方向驱动聚焦镜头21。因此，当聚焦镜头21的当前焦点位置FPs位于焦点对准区域FJA内时，在本实施例中，与过去的自动聚焦操作类似，执行摆动来确定驱动聚焦镜头的方向并且执行任何登山控制处理。因此，当聚焦镜头21的当前焦点位置FPs位于焦点对准区域FJA内时，本实施例中的自动聚焦操作花费与过去的自动聚焦操作一样长的时间周期。
如果测距传感器45无法正确地测量距离，并且测距结果Mag指示无能力数据NG，则基于测距结果Mag的任何镜头驱动操作失败。因此，像过去的自动聚焦操作一样执行本实施例中的自动聚焦操作。在这种情况下，本实施例中的自动聚焦操作也花费与过去的自动聚焦操作一样长的时间周期。
因此，当聚焦镜头21的当前焦点位置FPs位于焦点对准区域FJA外时，在本发明的实施例中，由于聚焦透镜在没有任何摆动的情况下开始其驱动，因此可以缩短聚焦时间周期。当聚焦镜头21的当前焦点位置FPs位于焦点对准区域FJA外、且它还进一步位于第一确定距离LD1外时，由于快速地驱动聚焦镜头，因此可以缩短聚焦时间周期。当聚焦镜头21的当前焦点位置FPs位于焦点对准区域FJA内时，像过去的自动聚焦操作一样执行本实施例中的自动聚焦操作，但本发明实施例即使花费较短聚焦时间周期也可以期望得到与过去的自动聚焦操作相同的聚焦精度。
尽管在上述实施例中已经描述了作为摄像机的成像设备，但本发明不限于此。本发明可应用于任何其他成像设备，如数字静止照相机。
尽管在上述实施例中作为成像镜头已经描述了聚焦镜头21和摆动镜头22，但本发明不限与此。本发明可应用于既用作聚焦镜头又用作摆动镜头的镜头。
本领域技术人员应当理解的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代，只要它们在权利要求及其等效的范围内。
权利要求
1.一种自动聚焦设备，包括镜头驱动单元，用于驱动镜头；焦点位置检测单元，用于检测镜头的焦点位置；测距传感器，用于测量到被摄体的距离；和控制单元，用于执行聚焦操作来控制镜头驱动单元驱动镜头，从而使焦点位置检测单元检测的镜头的焦点位置与其焦点对准位置重合，其中，控制单元允许根据焦点位置检测单元所检测的镜头的焦点的位置和测距传感器所测量的测距结果，设置镜头的驱动方向和镜头的驱动速度，并且开始聚焦操作。
2.如权利要求1所述的自动聚焦设备，其中，当焦点位置检测单元所检测的焦点位置位于基于测距结果的焦点对准区域外、焦点位置进一步位于第一确定距离外时，控制单元分别将镜头的驱动方向和镜头的驱动速度设置到基于测距结果的焦点对准区域的方向和第一驱动速度，并且开始聚焦操作。
3.如权利要求2所述的自动聚焦设备，其中，当焦点位置检测单元所检测的焦点位置位于基于测距结果的焦点对准区域外、焦点位置比第二确定距离近时，镜头的驱动速度从第一驱动速度切换到比第一驱动速度慢的第二驱动速度。
4.如权利要求2所述的自动聚焦设备，其中，当焦点位置检测单元所检测的焦点位置离基于测距结果的焦点对准区域比第一确定距离近、焦点位置位于焦点对准区域外时，控制单元分别将镜头的驱动方向和镜头的驱动速度设置到基于测距结果的焦点对准区域的方向和比第一驱动速度慢的第二驱动速度，并且开始聚焦操作。
5.如权利要求1所述的自动聚焦设备，还包括聚焦估计值计算单元，用于使用在成像框中提供的特定区域中的图像信号的频率分量计算聚焦估计值，其中，当焦点位置检测单元所检测的焦点位置处于基于测距结果的焦点对准区域内时，控制单元控制镜头驱动单元驱动镜头，使其焦点位置重合到具有最大聚焦估计值的焦点对准位置，作为聚焦操作。
6.如权利要求1所述的自动聚焦设备，还包括聚焦估计值计算单元，用于使用在成像框中提供的特定区域中的图像信号的频率分量计算聚焦估计值，其中，控制单元控制镜头驱动单元，在焦点位置检测单元所检测的焦点位置处于基于测距结果的焦点对准区域内时摆动镜头，并且在其摆动时基于聚焦估计值的变化设置镜头的驱动方向，并且开始聚焦操作。
7.如权利要求6所述的自动聚焦设备，其中，控制单元控制镜头驱动单元，在测距结果指示焦点位置处于比预定距离近时，不管焦点位置检测单元所检测的焦点位置而摆动镜头，并且在其摆动时基于聚焦估计值的变化设置镜头的驱动方向，并且在镜头的驱动速度被设为预定驱动速度的情况下开始聚焦操作。
8.如权利要求2所述的自动聚焦设备，还包括控制入射光量的光圈，其中，第一确定距离基于镜头焦距和光圈孔径的打开程度中的至少一个而变化。
9.一种自动聚焦方法，包括焦点位置检测步骤，用于检测镜头的焦点位置；测距步骤，用于测量到被摄体的距离；镜头驱动设置步骤，用于根据在焦点位置检测步骤检测的镜头的焦点位置和在测距步骤测量的测距结果，设置镜头的驱动方向和镜头的驱动速度；和镜头驱动步骤，用于执行聚焦操作来根据在镜头驱动设置步骤设置的镜头的驱动方向和镜头的驱动速度开始驱动镜头，从而使镜头的焦点位置与其焦点对准位置重合。
10.一种允许计算机执行自动聚焦方法的计算机程序产品，所述方法包括焦点位置检测步骤，用于检测镜头的焦点位置；测距步骤，用于测量到被摄体的距离；镜头驱动设置步骤，用于根据在焦点位置检测步骤检测的镜头的焦点位置和在测距步骤测量的测距结果，设置镜头的驱动方向和镜头的驱动速度；和镜头驱动步骤，用于执行聚焦操作来根据在镜头驱动设置步骤设置的镜头的驱动方向和镜头的驱动速度开始驱动镜头，从而使镜头的焦点位置与其焦点对准位置重合。
全文摘要
自动聚焦设备具有用于驱动镜头的镜头驱动单元和用于检测镜头的焦点位置的焦点位置检测单元。该设备还具有测距传感器，用于测量到被摄体的距离；和控制单元，用于执行聚焦操作来控制镜头驱动单元驱动镜头，从而使焦点位置检测单元检测的镜头的焦点位置与其焦点对准位置重合。控制单元允许根据焦点位置检测单元所检测的镜头的焦点的位置和测距传感器所测量的测距结果，设置镜头的驱动方向和镜头的驱动速度。然后开始聚焦操作。
文档编号G03B13/36GK1847903SQ20061007436
公开日2006年10月18日 申请日期2006年4月17日 优先权日2005年4月15日
发明者伊藤雄二郎, 须藤秀和, 竹本新治 申请人:索尼株式会社