自聚焦装置、图像捕获装置和自聚焦方法

专利名称：自聚焦装置、图像捕获装置和自聚焦方法
技术领域：
本发明涉及自聚焦(auto-focus)装置、图像捕获装置和自聚焦方法，
其中距离测量传感器的距离测量结果和从图像处理获得的评估值被组合用 于自动调节对物体的聚焦，从而使物体图像处于焦点状态(下文中称为
"对焦"(in-focus)状态)。
背景技术：
诸如摄像机或数字静态照相机之类的图像捕获设备包括自动聚焦调节 (自聚焦或"AF")功能以自动调节到物体的焦点位置。已经提出了各种 技术来改善这种自聚焦功能的精度。
例如，日本未审查专利申请No. 2005-92085公开了一种聚焦检测和调 节设备，该设备具有相位差检测型聚焦调节单元和对比度检测型聚焦调节 单元，并且检测这两个聚焦调节单元的聚焦位置的差别，并更新用在相位 差检测型聚焦调节单元中的转换系数。通过该配置，可以容易地改善聚焦 调节精度，而不需捕获图像的用户作出任何努力。
另外，描述了使用的另一种摄像机的配置。图1示出了另一种摄像机 的整体配置。该摄像机组合了距离测量传感器和图像处理AF功能，并且 执行自聚焦操作。图1中所示的摄像机的透镜块包括具有图像捕获透镜 101c和聚焦透镜101的透镜组，以及位置检测器101a、透镜驱动机构 101b和透镜驱动器102。另外，照相机块包括图像捕获设备103、图像捕 获设备驱动器104、图像信号发生器105、图像信号处理器106、评估值计 算器107、控制单元109、存储器UO和距离测量传感器lll。
在图1所示的摄像机中，通过聚焦透镜101调节聚焦的物体图像被形 成在CCD (电荷耦合器件)或其他图像捕获设备103上，并且在被图像捕 获设备103光电转换后，电信号被输出到图像信号发生器105。聚焦透镜101被透镜驱动机构101b移动，透镜驱动机构101b接收来自透镜驱动器 102的指令。透镜驱动器102包括透镜CPU和透镜驱动电路，并根据来自 控制单元109的指令输出指令以使得聚焦透镜101移动到聚焦位置。聚焦 透镜101的位置(即，聚焦位置)由位置检测器101a检测。
图像捕获设备驱动器104驱动图像捕获设备103，图像捕获设备103 生成对形成的物体图像进行光电转换的信号。在图像信号发生器105中， 从图像捕获设备103输出的电信号受到适当的信号处理以生成遵从规定标 准的图像信号。图像信号被发送到电路组(图像信号处理器106)，还被 输入到评估值计算器107。评估值计算器107过滤掉在被捕获的图像帧内 规定的特定区域中的图像信号的高频分量，并计算与图像中的对比度相对 应的评估值。对于一般的物体，评估值随着聚焦透镜接近于物体图像处于 对焦状态的点而增大，并且当物体图像处于对焦状态时评估值为相对最大 值。该评估值对于图像信号的一场更新一次。关于使用评估值(评估值峰 值判决)的自聚焦操作，在由本申请人提交的日本未审查专利No. 10-213736中公开了一个示例。
控制单元109包括CPU (中央处理单元)等等，并且接收由评估值计 算器107对于每场计算一次的评估值，还接收对于未指定时间段来自距离 测量传感器111的距离测量结果，并使用这些结果(数据)来执行评估值 峰值搜索操作。存储器110是半导体存储器或其他非易失性存储器，并且 存储距离测量传感器111的距离测量结果、透镜101的聚焦位置和其他信
距离测量传感器111包括光学检测功能和输出电路，并且根据来自控 制单元109的指令测量到物体的距离，并将结果输出到控制单元109。从 距离测量结果识别物体的存在范围，即，可以识别在某一范围内的到物体 的近似距离。
利用距离测量传感器111的距离测量信息和评估值计算器107的评估 值，与图像处理自聚焦操作相比，在确保通过图像处理获得的聚焦搜索操 作的同时，可以极大地减小当聚焦透镜远离聚焦位置时的聚焦时间。然 而，距离测量传感器111的距离测量结果必须一直落在恒定的精度范围内。
图2示出了在由于老化而在距离测量传感器11中发生改变之前到物 体的距离和距离测量传感器111的距离测量结果之间的联系。距离测量结 果的精度具有恒定宽度，并且如图2所示，对应联系不是由一条线描述，
而是由具有某一面积的区域120描述。例如，当距离测量结果是Ls时， 到物体的距离不能唯一识别，但是如图2所示，可以识别物体存在的物体 存在范围FJA。
图3示出了使用距离测量结果的自聚焦操作。在图3中，评估值峰值 对应于对焦位置FPj。首先，当在开始时聚焦位置FPs距离基于由距离测 量传感器111获得的距离测量结果的物体存在范围FJA比判决位置LD1远 时，聚焦透镜101的运动速度被设为超高速Va，超高速Va是透镜驱动的 最大速度。运动方向是朝向物体存在范围FJA的方向，并且发起聚焦操 作。当聚焦位置FPs距离物体存在范围FJA到达判决距离LD2时，控制单 元109从超高速Va切换为高速Vb。当聚焦位置FPs进入物体存在范围 FJA时，聚焦位置FPs以低速Vc移动，以使得通过将提供在被捕获的图 像帧中的特定区域内的图像信号的高频分量相加所获得的评估值变为相对 最大值。这样，通过获得基于来自距离测量传感器111的距离测量结果的 物体存在范围，聚焦透镜可以从图2中所示的物体存在范围FJA的近边 (near edge)以超高速Va前进，直到到达规定距离LD2为止，结果可以 縮短聚焦时间。另外，不需要执行摆动并确定由于评估值的改变而引起的 运动方向，因此可以在很短的聚焦时间内快速获得没有模糊的物体图像。

发明内容
然而，当距离测量传感器的距离测量结果随老化改变并且超过可允许 范围时，自聚焦操作出现了某些麻烦。下面参考图4描述了该情形，其中 在距离测量传感器中发生老化改变，因此到物体的距离和距离测量结果之 间的联系改变。
在图4中，在老化改变之前的到物体的距离和距离测量结果之间的对 应联系由区域120指示，并且老化改变之后的联系由区域121指示。在该示例中，识别出与老化改变之前的距离测量结果LsB相对应的物体存在范 围FJAB和与老化改变之后的距离测量结果LsA相对应的物体存在范围 FJAA;并且老化改变之后的距离测量结果大于老化改变之前的距离测量结
果，且精度恶化。
在使用老化改变之后的距离测量结果LsA来计算物体存在范围时，因 为老化改变的发生还未被识别(或校正)，所以输出错误的物体存在范围 FJAA，如图4所示。该错误的物体存在范围FJAA基本上从实际物体范围 (即对焦位置FPj)偏移向较大的值，这一点从图4中可以看出。当该错 误的物体存在范围FJAA被用于上述超高速Va和高速Vb之间的切换时， 与对焦位置FPj相对应的物体评估值峰值(对焦位置FPj)靠得太近，如 图5所示，切换点紧挨着评估值峰值之前发生，因此刹车(brake)施加太 慢，并且评估值峰值基本是过冲式的(overshot)。从而存在切换定时不 适当的问题，结果自聚焦操作不自然。
另外，距离测量结果的老化改变一般导致距离测量结果的增大或减 小。这是因为距离测量传感器(例如，相位差检测型传感器)利用三角测 量的原理测量距离，并且结果的偏移的主因是透镜和行传感器(line
sensor)之间的距离联系的改变。由于老化改变，上述距离联系变长 或变短，并且这决定了距离测量结果是大于还是小于实际值。
本发明被设计用于解决以上问题，并且其目的是在利用距离测量传感 器的距离测量结果执行自聚焦操作时，防止即使当在距离测量传感器中发 生老化改变等等时自聚焦操作中发生的问题。
为了解决以上问题，本发明的一个实施例的特征在于，在组合了距离 测量传感器和采用图像处理的自聚焦功能的自聚焦操作中，在由图像捕获 单元捕获的特定区域中的图像信号的高频分量被用于周期性地计算评估 值，并且测量到物体的距离并输出距离测量结果。随后，在移动透镜聚焦 位置的同时根据以上的评估值和距离测量结果执行评估峰值搜索操作。当 检测到评估值的相对最大值时，将透镜返回到与检测到相对最大值的点相 对应的聚焦位置，并计算评估值。然后，在这些评估值满足规定条件时的 距离测量结果和聚焦位置被存储在存储装置中，并且当存储次数达到规定
数目时，读取存储在存储装置中的距离测量结果和聚焦位置，并基于读出 的距离测量结果和聚焦位置计算距离测量结果校正量。
利用以上配置，在利用图像处理的规定对焦判决中最终获得的聚焦位 置和距离测量结果被存储，并且当存储数目达到规定数目时，基于聚焦位 置和测得的距离之间的联系计算对距离测量结果的校正量，从而即使当在 距离测量单元内发生距离测量单元的老化改变或其他改变时，也可以适当 地校正距离测量单元的距离测量结果，并且可以保持精度。
另外，本发明的另一个实施例的特征在于，在组合了距离测量传感器 和采用图像处理的自聚焦功能的自聚焦操作中，在由图像捕获单元捕获的 特定区域中的图像信号的高频分量被用于周期性地计算评估值，并且测量 到物体的距离并输出距离测量结果。随后，在移动透镜聚焦位置的同时根 据以上的评估值和距离测量结果执行评估峰值搜索操作。当检测到评估值 的相对最大值时，将透镜返回到与检测到相对最大值的点相对应的聚焦位 置，并计算评估值。这里，当检测到来自操作单元的许可信号时，在这些 评估值满足规定条件时，距离测量结果和聚焦位置被存储在存储装置中， 并且当存储次数达到规定数目时，读取存储在存储装置中的距离测量结果 和聚焦位置，并基于读出的距离测量结果和聚焦位置计算距离测量结果校
利用以上配置，在利用图像处理的规定对焦判决中最终获得的聚焦位 置和距离测量结果被存储，并且当存储数目达到规定数目时，基于聚焦位 置和测得的距离之间的联系计算对距离测量结果的校正量，从而即使当在 距离测量单元内发生距离测量单元的老化改变或其他改变时，也可以适当 地校正距离测量单元的距离测量结果，并且可以保持精度。此时，以上的 存储处理是在获得来自用户的许可后执行的，因此不会计算出来源于错误 的对焦判决的并非用户预期的校正量。
利用本发明，在自聚焦操作期间基于在使用图像处理的规定对焦判决 中最终获得的聚焦位置和距离测量结果计算对距离测量结果的校正量，因 此即使在距离测量单元中发生老化改变等等，也可以保持距离测量单元的 距离测量结果的精度。
另外，距离测量单元的距离测量结果总是维持恒定的精度，因此在组 合了距离测量单元的距离测量结果和图像处理的评估值的自聚焦操作中， 可以适当地执行聚焦搜索，并且可以縮短在聚焦远离被聚焦位置时的聚焦 时间，同时确保从图像处理获得的搜索精度。


图1示出了根据相关技术的摄像机的配置；
图2示出了根据本发明实施例的物体距离和距离测量结果之间的(第 一)联系；
图3被用于说明根据本发明实施例的使用距离测量结果进行的(第
一) 自聚焦操作；
图4示出了根据本发明实施例的物体距离和距离测量结果之间的(第
二) 联系；
图5被用于说明根据本发明实施例的使用距离测量结果进行的(第 二)自聚焦操作；
图6示出了根据本发明第一实施例的摄像机的配置； 图7示出了根据本发明实施例的评估值计算器的配置； 图8示出了根据本发明实施例的评估帧尺寸；
图9示出了根据本发明实施例的水平方向评估值计算滤波器的配置； 图10示出了根据本发明实施例的整体积分型水平方向评估值计算滤 波器的配置；
图11示出了根据本发明实施例的垂直方向评估值计算滤波器的配
置；
图12A、 12B、 12C示出了根据本发明实施例在自聚焦正常(在正常 条件下)结束时聚焦、评估值和亮度相加值的改变；
图13A、 13B、 13C示出了根据本发明实施例在自聚焦异常结束时聚 焦、评估值和亮度相加值的改变；
图14示出了根据本发明实施例的距离测量结果和聚焦位置之间的联
系；
图15示出了根据本发明实施例的能够进行对焦状态判决的评估值的 (第一)示例；
图16示出了根据本发明实施例的不能进行对焦状态判决的评估值的
示例；
图17示出了根据本发明实施例的能够进行对焦状态判决的评估值的 (第二)示例；
图18A和B被用在根据本发明实施例的对焦判决的描述中，其考虑到 了评估值和亮度相加值；
图19是示出了根据本发明实施例的距离测量结果校正处理的流程
图20是示出了根据本发明实施例的后台处理的(第一)流程图； 图21是示出了根据本发明实施例的后台处理的(第二)流程图； 图22是示出了根据本发明实施例的透镜驱动设置处理的流程图； 图23示出了根据本发明实施例的在本发明的第二实施例中的摄像机 的配置；
图24示出了根据本发明实施例的在本发明的第三实施例中的摄像机 的配置。
具体实施例方式
下面参考附图详细描述本发明的实施例。
图6图示了根据本发明第一实施例的包括自聚焦机构的诸如摄像机之 类的图像捕获装置的配置。图6中所示的摄像机除了包括图1中所示的配 置外，还包括被配置为生成通过对成像信号的特定区域(中心部分)中的 亮度积分而获得的亮度相加值的亮度相加值计算器、接口 (IF)单元和监 视器。
摄像机的透镜块包括透镜组，透镜组具有被配置为将入射在图像捕获 透镜lc上的物体图像聚焦在图像捕获设备的图像捕获表面上的聚焦透镜 1、被配置为检测每个透镜的位置的位置检测器、被配置为驱动每个透镜 的透镜驱动机构和被配置为控制透镜驱动机构的移动的透镜驱动器。除了
聚焦透镜l和图像捕获透镜lc外，诸如用于确定焦点位置的方向的摆动透 镜之类的透镜被从图6所示的透镜块中省略。
聚焦透镜1包括被配置为检测聚焦透镜1的位置或聚焦位置的位置检
测器la、被配置为沿光轴方向移动聚焦透镜的位置的透镜驱动机构lb和 被配置为移动透镜驱动机构的透镜驱动器2。同样地，摆动透镜(未示
出)包括摆动透镜驱动机构，该机构被配置为沿光轴方向移动位置检测器 和透镜位置以执行适当的摆动。透镜块包括被配置为限制可以通过的光量 的孔径光阑(未示出)；并且孔径光阑包括被配置为检测孔径光阑的孔径 尺寸的孔径光阑位置检测器和被配置为开关孔径光阑的孔径光阑驱动机 构。
透镜驱动器2被从位置检测器la提供以相应的检测信号，包括指示 聚焦位置的信号、指示摆动量的信号和指示孔径光阑的孔径尺寸的信号。 包括透镜CPU和透镜驱动电路在内的透镜驱动器2被配置为根据从控制单 元9发送的指令移动聚焦透镜1的聚焦(焦点)。透镜驱动器2与被配置 为设置自聚焦模式或发起自聚焦操作的用户接口 (未示出)相连，以使得 透镜驱动器2被提供以根据用户接口的操作的操作信号。透镜驱动器2包 括具有ROM或EEPROM的存储装置(未示出)，其上存储有信息，例如 聚焦透镜1和摆动透镜的焦距长度数据、孔径比数据、制造商名称和制造 商的序列号。
透镜驱动器2基于存储的信息、相应的检测信号和下面将描述的提供 自控制单元9的聚焦控制信号或摆动控制信号来生成透镜驱动信号。透镜 驱动器2还将所生成的透镜驱动信号提供给透镜驱动机构lb，以将聚焦透 镜1移动到期望的聚焦位置。透镜驱动器2将所生成的透镜驱动信号提供 给摆动透镜驱动机构以摆动摆动透镜，以使得聚焦透镜1可以检测聚焦位 置的方向。透镜驱动器2还生成孔径光阑驱动信号以控制孔径光阑的孔径 尺寸。
在图6所示的摄像机中，物体图像经由聚焦透镜1形成在图像捕获设 备3上，然后被图像捕获设备3光电转换为电信号，并输出到图像信号发 生器5。图像捕获设备3可以包括CCD (电荷耦合器件)、CMOS (互补
金属氧化物半导体)等等。图像捕获设备驱动器4是图像捕获设备驱动电 路的一个示例，其向图像捕获设备3提供驱动信号以将形成在图像捕获设 备3上的物体图像光电转换为信号。驱动信号是基于垂直方向同步信号、 水平方向同步信号和从时钟信号发生器生成的时钟信号提供的，这三种信 号都用于摄像机的每个单元的标准操作。
在图像信号发生器5中，从图像捕获设备3输出的电信号受到适当的
信号处理，并且生成了遵从规定标准的图像信号。图像信号被发送到电路
组(图像信号处理器6)，还被输入到评估值计算器7。评估值计算器7 被配置为过滤掉在捕获的图像帧内设置的特定区域中的图像信号的高频分 量，并计算相对于图像对比度的评估值。在对典型物体成像时，评估值通 常随着物体图像接近对焦状态而增大，并且在物体图像处于对焦时相对最 大。评估值对于图像信号的一场更新一次。利用评估值进行的自聚焦操作 是本领域中的公知技术，其一个示例在先前由本发明的申请人公开的日本 未审查专利申请公布No. 10-213736中有详细描述。
前述处理针对三原色R (红)、G (绿)和B (蓝)中的每一种执 行。例如，照相机块包括分色棱镜(未示出)。分色棱镜将从透镜块入射 的光分离为三原色R、 G和B，并分别将R分量光提供给R分量图像捕获 设备、将G分量光提供给G分量图像捕获设备、将B分量光提供给B分 量图像捕获设备。在图6中，三个R、 G和B分量图像捕获设备被表示为 图像捕获设备3。
形成在图像捕获设备3上的每种颜色的物体图像受到规定处理，然后 被图像捕获设备3光电转换为信号并输出到图像信号发生器5。例如，图 像信号发生器5包括前置放大器(未示出)和A/D (模/数)转换器。输入 到图像信号发生器5的电信号的电平被前置放大器放大，并且对信号执行 相关双采样以消除复位噪声，并且A/D转换器将模拟信号转换为数字图像 信号。
另外，图像信号发生器5被配置为所提供的对每种颜色图像信号执行 增益控制、黑电平稳定或动态范围控制等等，并将这样获得的图像信号提 供给图像信号处理器6、评估值计算器7和亮度相加值计算器8。
图像信号处理器6对提供自图像信号发生器5的图像信号执行各种信 号处理，并生成输出图像信号。例如，图像信号处理器6执行膝状校正
(knee correction)以压縮图像信号使之处于或高于某一电平，执行伽马校 正以根据配置的伽马曲线设置用于图像信号的适当电平，并执行白钳位处 理或黑钳位处理以将图像信号电平限制在规定范围内。图像信号处理器6 还执行边缘增强处理或线性矩阵处理、编码处理等等以生成期望格式的输 出图像信号。
评估值计算器7过滤掉在所捕获的图像信号的图像帧内设置的特定区 域中的图像信号的高频分量，以计算与图像对比度相对应的评估值ID并 将所计算的评估值ID提供给控制单元9。
具有诸如前置放大器和A/D转换器的图像信号发生器5、图像信号处 理器6、评估值计算器7等等利用与提供自单元、图像信号处理器6、评 估值计算器7的图像信号同步的垂直方向同步信号VD、水平方向同歩信 号HD和时钟信号CLK执行相应的处理。垂直方向同歩信号VD、水平方 向同歩信号HD和时钟信号CLK也可以从时钟信号发生器获得。
评估值计算器7将在下面更详细地描述。图3图示了评估值计算器7 的配置。评估值计算器7包括被配置为基于每种颜色的图像信号生成亮度 信号DY的亮度信号生成电路21、如下所述生成14种类型的评估值ID0 到ID13的评估值生成电路22和接口电路23。接口电路23被配置为与控 制单元9通信并根据来自控制单元9的请求提供所生成的评估值。
图像信号发生器21利用提供自图像信号发生器5的图像信号R、 G、 B执行以下操作DY二0.30R+0.59G+0.11B并生成亮度信号DY。亮度信号 DY之所以以这种方式生成是因为仅仅检测对比度水平的改变并确定对比 度是高还是低以确定物体图像是处于对焦还是失焦状态是足够的。
评估值发生器22生成评估值IDO到ID13。评估值IDO到ID13是通过 对提供在被捕获图像帧内的特定区域(下文中称为"评估帧")中的图像 信号的频率分量求和而获得的，并且提供与图像的模糊相对应的值。
评估值IDO:评估值名称"IIR1—W1—HPeak"
评估值ID1:评估值名称"IIR1—W2—HPeak"
评估值ID2:评估值名称"IIR1一W2—HPeak" 评估值ID3:评估值名称"IIR4—W3—HPeak" 评估值ID4:评估值名称"IIR0—Wl一VIntg" 评估值ID5:评估值名称"IIR3—Wl_VIntg" 评估值ID6:评估值名称"IIR1一W1—HIntg" 评估值ID7:评估值名称"Y一Wl一HIntg" 评估值ID8:评估值名称"Y_W1—Satul" 评估值ID9:评估值名称"IIR1 W3 HPeak"
评估值IDIO 评估值IDll 评估值ID 12 评估值ID13
评估值名称"IIR1一W4—HPeak" 评估值名称"IIR1—W5—HPeak" 评估值名称"Y—W3一HIntg" 评估值名称"Y—W3—HIntg"
指示属性(使用的数据—评估帧尺寸—评估计算方法)的评估值名称被 提供以评估值IDO到ID13。
在评估值名称中使用的数据被广泛地划分为"IIR"和"Y" 。 "IIR" 暗指包括利用HPF (高通滤波器)从亮度信号DY获得的高频分量的数 据；而"Y"暗指在不用HPF的情况下使用亮度信号DY的原始频率分量 的数据。
当使用HPF时，使用IIR型(无限冲击响应型)的HPF。根据HPF 的类型，评估值被划分为IIRO、 IIRl、 1IR3和IIR4;这些代表具有不同的 相应截止频率的HPF。从而，通过设置具有不同截止频率的HPF (例如， 通过在对焦位置的附近使用具有高截止频率的HPF)，与使用具有低截止 频率的HPF相比可以增大评估值的改变。另外，当被捕获图像存在很大失 焦时，与使用具有高截止频率的HPF相比，使用具有低截止频率的HPF 可以增大评估值的改变。以这种方式，根据自聚焦操作期间的聚焦状态可 以设置具有不同截止频率的HPF以选择最优的评估值。
评估帧尺寸暗指在评估值生成中使用的图像区域的尺寸。如图4所 示，例如可以提供五类评估值尺寸，W1到W5;每个评估帧的中心对应于 被捕获图像的中心。在图4中，当一场的图像尺寸是768像素X240像素
时，评估值尺寸Wl到W5如下所示。
评估帧尺寸W1: 116像素X60像素 评估帧尺寸W2: 96像素X60像素 评估帧尺寸W3: 232像素X120像素 评估帧尺寸W4: 192像素X120像素 评估帧尺寸W5: 576像素X180像素
从而，通过设置多个帧尺寸之一，可以生成与帧尺寸相对应的不同评 估值。因而，通过设置评估值IDO到ID13之一可以获得适当的评估值， 而无论目标物体的尺寸如何。
评估值计算方法包括HPeak、 HIntg、 VIntg禾n Satul方法。Hpeak系统 暗指通过峰值系统计算水平评估值；HIntg系统包括通过整体积分系统计 算水平评估值；VIntg系统涉及通过积分系统计算垂直方向评估值，并且 Satul系统包括饱和亮度的数目。
HPeak方法是这样一种评估值计算方法，其中HPF被用于根据水平方 向图像信号确定高频分量，并被用于计算评估值IDO、 ID1、 ID2、 ID3、 ID9、 IDlO和IDll。图9示出了用于HPeak方法的水平方向评估值计算滤 波器的配置。水平方向评估值计算滤波器包括仅从亮度信号发生电路21 的亮度信号DY中过滤掉高频分量的HPF 31;选择高频分量的绝对值的绝 对值处理电路32;将高频分量的绝对值乘以水平方向帧控制信号WH的乘 法电路33;保持每行一个峰值的行峰值保持电路34;以及沿垂直方向对 评估帧中的所有行的峰值进行积分的垂直方向积分电路35。
亮度信号DY的高频分量被HPF 31过滤，并被绝对值处理电路32选 择绝对值。随后，水平方向帧控制信号WH被乘法电路33相乘以获得评 估帧内高频分量的绝对值。即，如果其相乘值在评估帧外是"0"的帧控 制信号WH被提供给乘法电路33，则只有评估帧内水平方向高频分量的绝 对值被提供给行峰值保持电路34。
这里，水平方向的帧控制信号WH形成方波；然而，水平方向的帧控 制信号WH并不仅仅包括仅方波的特性，还包括三角波的特性，因此帧控 制信号WH的相乘值在帧的外围(两端)减小。从而，随着帧内的物体图
像接近对焦状态，可以减小由物体图像与围绕帧外围的外部边缘(评估帧 中的高亮度边缘，包括评估值的噪声、剧烈改变等等)的相互干扰所引起 的效应，或者可以减小由物体的移动所引起的评估值的可变性。行峰值保 持电路34保持每行的峰值。垂直方向积分电路35基于垂直方向帧控制信 号WV沿垂直方向相加对于评估帧内的每行保持的峰值，从而获得评估
值。这一方法被称为HPeak方法，因为水平方向(H)峰值被临时保持。
HIntg方法被定义为一种全积分型的水平方向评估值计算方法。图10 图示了一种全积分型水平方向评估值计算滤波器的配置。该全积分水平方 向评估值计算滤波器被用于计算评估值ID6、 ID7、 ID12和ID13。与图9 的HPeak方法中的水平方向评估帧控制信号WH计算滤波器相比，HIntg 方法的滤波器被配置为包括HPF 41、绝对值处理电路42和乘法电路43， 这三个单元类似于图9中的31到33;但是不同之处在于，在水平方向相 加电路44中，评估帧中水平方向高频分量的绝对值被全部相加，然后在 垂直方向积分电路45中，对于评估帧中垂直方向的所有行的相加结果被 沿垂直方向积分。而且，HPeak方法和HIntg方法还有下面的不同点；在 HPeak方法中每一行确定一个峰值，并且所获得的峰值被沿垂直方向相 加，而在HIntg方法中每行的水平方向高频分量的绝对值被全部相加，然 后所获得的高频分量被沿垂直方向相加。
HIntg方法被划分为IIR1和Y。 IIR1采用高频分量作为数据，而Y采 用原始亮度信号DY。亮度相加值由亮度相加值计算滤波器电路获得，这 一电路是通过从图10的全积分型水平方向评估值计算滤波器中去除HPF 31而得到的。
VIntg方法是一种全积分型垂直方向评估值计算方法，其用于获得评 估值ID4和ID5。在HPeak方法和HIntg方法中，值被沿水平方向相加以 生成评估值；然而，在VIntg方法中，高频分量被沿垂直方向相加以生成 评估值。例如，在图像的上半部分为白而下半部分为黑(例如具有水平线 或其他场景的图像)从而只有在垂直方向有高频分量而在水平方向没有高 频分量的情况下，HPeak方法水平方向评估值不能有效工作。因而使用了 VIntg方法的评估值以使得AF有效地作用于这种场景。
图11图示了计算垂直方向评估值的垂直方向评估值计算滤波器的配 置。垂直方向评估值计算滤波器具有水平方向平均值计算滤波器51、 IIR
型HPF 52、绝对值处理电路53和积分电路54。水平方向平均值计算滤波 器51基于帧控制信号WHc从每行的亮度信号DY中选择水平方向的评估 帧的中心部分中像素(例如，64像素)的亮度信号，并利用所选择的亮度 信号计算平均值(或总值)。然后，水平方向平均值计算滤波器51对于 一个水平周期输出一个结果。这里，中心部分的64像素被指定用于去除 评估帧外围部分中的噪声。在垂直方向评估值计算滤波器中，每64像素 的亮度信号被顺序累积，并且最终每64像素的亮度信号的一个平均值被 输出，因此垂直方向评估值计算滤波器可以不需要包括行存储器、帧存储 器或其他存储器设备，这导致配置简单。随后，该水平方向平均值被与行 频率同步，并且高频分量被HPF 52过滤，然后绝对值处理电路53被用于 将过滤的高频分量转换为高频分量的绝对值。另外，积分电路54基于垂 直方向帧控制信号WV沿垂直方向对评估帧内的所有行积分。
Satul方法是这样一种计算方法，其中亮度信号DY的数目是饱和的； 即，确定评估帧内等于或高于规定电平的亮度电平，并且结果被用于计算 评估值ID8。在计算评估值ID8时，亮度信号DY的亮度电平被与阈值cc相 比较，并且对于每一场对评估帧中亮度信号DY的亮度电平等于或高于阈 值a的像素的数目进行计数，其结果被确定为评估值ID8 。
返回图6中所示摄像机的配置描述，控制单元9例如包括CPU (中央 处理单元)、RAM (随机访问存储器)和ROM (只读存储器)(未示 出)；存储在ROM中的计算机程序被读取到RAM并被执行，并且通过 这一方式执行自聚焦操作或其他规定控制和处理。控制单元9接收由评估 值计算器7计算的评估值(一场一次)，不规则地接收来自距离测量传感 器11的距离测量结果，并使用这些结果来执行评估值峰值搜索操作。控 制单元9连接到用户接口 (未示出)，并且基于提供自用户接口等等的操 作信号生成控制信号；通过将信号提供给每个部分来执行控制，以使得基 于操作信号等等来执行摄像机的操作。
该控制单元9和透镜块的透镜驱动器2可以利用预先确定的格式、协议等等进行通信，并且控制单元9和透镜驱动器2共同执行自聚焦操作的 控制。如上所述，透镜驱动器2例如根据请求向控制单元9提供各种信息 (例如聚焦位置、光圈值等等)。基于提供自控制单元9的聚焦控制信 号、摆动控制信号等等，生成透镜驱动信号，并且执行处理以驱动聚焦透
镜1和摆动透镜。控制单元9基于由评估值计算器7计算的评估值ID、由 距离测量传感器11获得的距离测量结果Mag和从透镜驱动器2读取的各 种信息生成聚焦控制信号和摆动控制信号，并向透镜驱动器2提供聚焦控 制信号以控制聚焦透镜1的驱动，提供摆动控制信号以控制摆动透镜的驱 动。
透镜驱动器2和控制单元9可以利用微计算机、存储器等等集成配 置，以便通过读取并执行存储在非易失性存储器中的程序来执行自聚焦操
存储器10是能够被控制单元9写和读的存储单元，并且存储距离测 量传感器11的距离测量结果、聚焦透镜1的聚焦位置、由评估值计算器7 计算的评估值和其他信息。存储器10被配置为半导体存储器或其他非易 失性存储器。
距离测量传感器11包括距离检测部分和输出电路，并且根据来自控 制单元9的指令测量到物体的距离，并将距离测量结果Mag输出到控制单 元9。在控制单元9中，距离测量结果被用于标识物体存在范围，即，到 物体的在某一范围内的近似距离。距离测量传感器11的测量时间随物体 的亮度而改变。另外，当无法测量距离时，指示距离测量不能进行的数据 (下文中称为"距离测量不可能数据NG")被输出作为距离测量结果 Mag。
主动型距离测量传感器或被动型距离测量传感器都可被用作距离测量 传感器11，主动型距离测量传感器利用在输出红外线、无线电波等等时的 反射来测量到物体的距离，被动型距离测量传感器使用传感器来检测物体 的亮度信息并基于亮度信号的偏移、锐度等等测量到物体的距离。例如， 主动型距离测量传感器的一个示例是相位差检测型传感器。该相位差检测 方法采用两组透镜系统，每组具有一个小透镜和一个行传感器，并且这两
个透镜系统的定位使得光轴偏移，以形成三角测量系统。
亮度相加值计算部分8是对由图像捕获设备3捕获的图像信号的特定 区域(中心部分)中的亮度进行积分以生成亮度相加值的电路。从图像信 号发生器5输入的每种颜色的特定区域中的图像信号的亮度信号被相加， 并且相加结果被作为亮度相加值输出到控制单元9。
如上所述配置的摄像机可以使用距离测量传感器11的距离测量结果 来计算用于切换聚焦透镜1的移动速度的聚焦位置，以超高速使聚焦前进 到该位置，在到达用于速度切换的聚焦位置时减小聚焦移动的速度，并利 用采用自聚焦会聚操作中的评估值的正常图像处理来执行自聚焦操作。
图12A、 12B、 12C分别图示了在摄像机的聚焦透镜搜索与检测到评 估值的峰值的点相对应的位置的同时，亮度相加值、评估值和聚焦的波 动。
图12A、 12B、 12C的垂直轴分别指示亮度相加值、评估值和聚焦透 镜的移动，三个图的水平轴指示时间。
图上所示的曲线针对图像信号的一场或在不规则基础上获得的多个数 据绘出一次。图12C表明在评估值峰值搜索操作中，聚焦在tO到tl之间 的时间间隔中以超高速执行，在tl至lj t2之间的时间间隔中以高速执行， 在t2到t3和t3到t4之间的时间间隔中以低速执行。
图12A表明，当以典型的静态方式在几乎不摆动的情况下利用摄像机 对物体成像时，无论聚焦透镜的移动如何，亮度相加值几乎不改变。这是 因为到达摄像机的亮度通量通常并不波动很大以至改变聚焦状态。
相反地，评估值可以根据聚焦状态的改变而改变。图12C示出了当在 代表初始增大的点和代表相对最大值的检测的点之间(在t0和t3之间) 移动聚焦透镜的同时的结果。在利用爬升和下降评估检测到相对最大值 (t3)之后，聚焦透镜反转聚焦方向，并使透镜返回到与检测到相对最大 值的点相对应的位置(t3到t4)。
当聚焦透镜返回到与检测到相对最大值的点相对应的位置时，获得的 评估值通常大于图12B中所示的相对最大值。具体而言，在移动聚焦透镜 的同时获得的评估值通常小于在聚焦透镜返回到并停止在与检测到相对最
大值的点相对应的位置处时获得的值，这是因为物体图像的对比度的改变 在移动聚集透镜的同时通常很小。即，由于聚焦透镜在与检测到相对最大 值的点相对应的位置处仍然在移动，因此不能获得精确的对比度。
因此，当聚焦透镜返回到并停止在与检测到相对最大值的点相对应的 位置处时获得的评估值通常大于在聚焦透镜经过检测到相对最大值的聚焦 位置的同时获得的评估值。
图13A、 13B、 13C分别图示了在摄像机的聚焦透镜搜索与可以确定
不精确的聚焦的评估值的峰值相对应的位置的同时，亮度相加值、评估值
和聚焦的波动。图13A和13B代表当在存在物体摆动或摄像机摆动的情况 下捕获图像时亮度相加值和评估值的行为。图13B表明在物体图像失焦时 评估值较小，尽管聚焦透镜返回到与检测到相对最大值的点相对应的位 置。这是因为在物体或摄像机摆动的同时由于评估值的改变而获得了不适 当的相对最大值。另外，在物体或摄像机摆动的同时，亮度相加值剧烈改 变，如图13A所示。
因而，在本发明的第一实施例中，通过如上所述调査评估值的改变历 史，确定在自聚焦操作中是否已经会聚在对焦状态，并且当确定会聚在对 焦状态时，记录聚焦位置和距离测量传感器的距离测量结果，基于记录的 数据计算对距离测量传感器的距离测量结果的校正量，并且执行距离测量 结果的校正。
在本发明第一实施例的校正方法中，在自聚焦操作会聚时，控制单元 9调査评估值的历史或评估值和亮度相加值的历史，并且如果满足规定条 件则正常结束自聚焦操作，即确定已会聚在自聚焦状态。在确定正常结束 (对焦)时，会聚时距离测量传感器11的距离测量结果和聚焦位置被存 储在存储器10中。规定条件将在下面描述。
在执行了该操作规定次数(例如100次)后，分析存储在存储器10 中的数据，并识别以上距离测量结果和以上聚焦位置之间的联系。图14 示出了距离测量结果和聚焦位置之间的联系。在图14中，由虚线指示的 测得距离区域61指示通过绘出多对上述聚焦位置和距离测量结果(测景 点62)而得到的范围。在该示例中，最小均方根方法被用于确定基本穿过
该范围中心的直线63。该直线63代表距离测量结果和聚焦位置之间的联 系(用于校正)。利用该联系，即使当在距离测量传感器11的距离测量 结果中出现老化改变时也可以校正距离测量结果。
在上述校正方法中，说明了使用最小均方根直线的校正方法；但是也
可以确定并使用样条曲线(spline curve)等等。当使用直线或曲线时，方 程或近似方程可以用于代表，并且该方程可以用作校正方程。另一方面， 与使用方程不同，ROM表(也称为査找表)也可以用于描述联系。在 ROM表的情况下，聚焦位置和距离测量结果仅通过离散值相关；但是介 于离散数据值之间的值可以通过线性插值确定。
下面说明了用作用于上述对焦状态的确定标准的条件。在该示例中， 给出了三个条件A、 B和C。条件B是用于确定自聚焦操作是否正常结朿 的条件。 条件A
如果评估值相对最大值是ea，并且当聚焦返回到与检测到相对最大伯: 并且聚焦停止在该处的点相对应的聚焦位置时的评估值是eb，则当通过将 评估值eb除以相对最大值ea所得到的值大于规定阈值时满足该对焦条 件。这可以由下面的方程表示。
ot<eb/e3 1
其中a是常数。
a的值是通过测试和实验确定的。
例如，如图15 (与图12B相同)所示，当通过将评估值eb除以相对 最大值ea所获得的值大于规定阈值时(当满足方程l时)，该状态被确定 为处于对焦状态。
另一方面，如图16 (与图13B相同)所示，当通过将评估值eb除以 相对最大值ea所获得的值小于或等于阈值时， a》eb/ea 2
则方程1不满足，因此该状态被确定为不处于对焦状态。 当使用该条件A来确定对焦状态时，分析相对最大值处的评估值和当 聚焦返回到在检测到评估值峰值时的聚焦位置时的评估值之间的联系，并
确定聚焦可以被当作处于对焦状态的准确度，从而可以获得考虑到了由于 聚焦正在移动这一事实而引起的评估值的波动的精确确定结果。
下面说明用于对焦状态的条件B。条件B进一步限制了以上的条件 A，并且是用于确定对焦状态的准确度的更严格条件。 条件B
当评估值相对最大值为ea，并且在将聚焦返回到检测到相对最大值时 的聚焦位置并保持聚焦固定时的评估值为eb的情况下，当通过将评估值 eb除以相对最大值ea所获得的值大于第一阈值，另外评估值eb大于第二 阈值时，满足该用于对焦条件的条件。这可以利用下面的方程来表示。在 该示例中，如果方程1和方程2不同时满足，则该状态不被确定为处于对 焦状态。
ot<eb/e3 1
其中a是常数。
eb>(3 2
其中P是常数。
在条件B中，还要求方程2的评估值eb大于规定大小P作为条件。这 是因为目标是只使用高对比度的物体数据来以高可靠性校正距离测量结 果。当在方程2中评估值大于规定值时，(3的大小被选择使得物体对比度 较高。
例如，如图17所示，当通过将评估值eb除以相对最大值ea所获得的 值大于规定阈值(满足方程1的条件时)，并且评估值eb大于规定值P 时，该状态被确定为处于对焦状态。
下面说明用于对焦状态的条件C。条件C进一步向以上条件B添加了 与亮度有关的条件，因此不存在物理移动。该条件利用下面的方程来表 示。在该示例中，如果方程1、 2和3不同时满足，则该状态不被确定为 处于对焦状态。 条件C
当评估值相对最大值为ea，并且在将聚焦返回到检测到相对最大值时 的聚焦位置并保持聚焦固定时的评估值为eb的情况下，当通过将评估值eb除以相对最大值ea所获得的值大于第一阈值，另外评估值eb大于第二 阈值时，满足该用于对焦条件的条件。另外，如图18A和B所示，在检测 到评估值峰值时，如果当前场亮度积分值是YO并且当前场之前的两场的 亮度相加值是Y2，则通过将当前场的亮度相加值YO除以之前两场的亮度 相加值所获得的值必须在规定范围内。这可以利用下面的方程来表示。
a<eb/ea 1
其中a是常数。
eb〉(3 2
其中p是常数。
yl〈Y2/Y0〈y2 3
其中Yl和y2是常数(Y1<y2)。
该条件C包括确定亮度改变是否在规定范围内的条件(方程3)。如 果该条件不满足(例如见图13A中的示例)，则确定物体己移动，或者摄 像机等等的移动己发生，并且距离测量结果和聚焦位置不被记录。这样， 当确定对焦状态时排除了物体的移动、摄像机的移动等等的效果，因此获 得了精确的确定结果。因而，可以更精确地计算对距离测量结果的校正 量。在该示例中，用在方程3中的亮度相加值是对于前两帧的亮度相加 值；但是也可以使用其他方法，并且可以使用适当规定的在前场的亮度相 加值。以上值"yl和y2是通过测试和实验适当地确定的。
另外，方程l、方程2和方程3可以任意地与距离测量传感器11的执 行和其他条件组合在一起作为用于确定对焦状态的条件。
下面参考图19的流程图说明摄像机计算对距离测量传感器的距离测 量结果的校正量的处理。在该校正量计算处理中，在组合了距离测量传感 器11的距离测量结果和在评估值计算器7的图像处理中获得的评估值的 自聚焦操作中，根据以上对焦判决校正由于老化改变等等引起的距离测量 传感器的距离测量结果的偏移。
在图19中，摄像机控制单元9 (见图6)利用规定定时或来自操作单
元的操作信号或某个其他触发开始自聚焦操作的一个循环，并将聚焦移动 到与距离测量传感器ll的测量结果相对应的聚焦位置(步骤S1)。
具体而言，控制单元9使距离测量传感器11测量到物体的距离，并
从距离测量传感器11读取距离测量结果Mag。接着，控制单元9基于来 自位置检测器la的检测信号检测当前聚焦位置。然后，控制单元9执行透 镜驱动设置处理。在透镜驱动设置处理中，基于当前对焦位置FPj和距离 测量结果Mag设置聚焦透镜1的移动方向和移动速度。
控制单元9执行处理以在后台中存储评估值和聚焦位置。如图20所 示，控制单元9基于包含在图像信号中的同步信号或从参考信号生成部分 (未示出)输入的参考信号确定是否已到达周期性的启动时刻(歩骤 S21)。在该示例中，固定时间段被当作一场(作为示例)。然后，当控 制单元9确定已到达启动时刻时，开始AF1循环操作，并且由评估值计算 器7计算的评估值和聚焦位置被存储在存储器10中(步骤S22)。在歩骤 S21的判决处理中，如果控制单元9确定还未到达周期性的启动时刻，则 处理结束。
另外，控制单元9执行处理以在后台中存储距离测量传感器11的距 离测量结果。如上所述，距离测量传感器11的距离测量操作取决于物体 的亮度和其他因素而改变，从而出现了在每个循环中无法实时适应自聚焦 操作的情况；因而距离测量数据被预先存储。如图21所示，控制单元9 确定距离测量结果是否已从距离测量传感器ll输出(步骤S31)。此时， 可以不规则地执行距离测量处理。然后，控制单元9从距离测量传感器11 接收距离测量数据，并将数据存储在存储器10中(步骤S32)。在步骤 S31的判决处理中，如果控制单元9未获得来自距离测量传感器11的输 出，则处理结束。
下面说明上述步骤Sl的说明中的透镜驱动设置处理。图22是示出了 透镜驱动设置处理的流程图。该透镜驱动设置处理使用距离测量传感器11 的距离测量结果来计算切换聚焦透镜的移动速度的聚焦位置，并设置聚焦 透镜l (见图3)的移动速度和方向。
在图22中，控制单元9确定距离测量结果Mag是否是"距离测量不 可能数据"NG (步骤S41)。这里，如果距离测量结果Mag不是"距离 测量不可能数据"NG，则处理进行到步骤S42;如果距离测量结果Mag
是"距离测量不可能数据"NG，则处理进行到步骤S46。
当距离测量结果Mag不是"距离测量不可能数据"NG时，控制单元 9基于距离测量结果Mag确定当前聚焦位置FPs (见图3)是否距离物体 存在范围FJA比第一判决距离LD1远(步骤S42)。这里，如果从当前聚 焦位置FPs到基于距离测量结果Mag的物体存在范围FJA的距离LE大于 第一判决距离LD1，则处理进行到步骤S43，而如果等于或小于第一判决 距离LD1 ，则处理进行到步骤S44。
物体存在范围FJA被相对于距离测量结果Mag进行设置，以使得与 距离测量结果Mag相对应的物体的对焦位置FPj被包含在其中。例如，物 体存在范围FJA可以被认为是距离测量结果Mag的距离测量误差范围。 或者，该范围可以被设为比距离测量结果Mag的距离测量误差范围宽。
判决距离LD1是在考虑到聚焦透镜1的控制特性的情况下进行设置 的。即，当以下面描述的第一速度(超高速)Va移动聚焦透镜时，如果判 决距离LD1较短，则在到达第一速度Va之前接近对焦位置FPj。并且， 当聚焦透镜1的移动速度较快时，需要较长时间来停止聚焦透镜1，因此 当接近对焦位置FPj时，即使当试图暂停聚焦透镜1时也能检测到对焦位 置FPj，这可能导致聚焦操作产生不自然的感觉。因而判决距离LD1是根 据在移动聚焦透镜1时的相对最大速度和控制特性进行设置的。
另外，相对最大速度和控制特性取决于焦距和光圈值而不同，因此判 决距离LD1根据焦距和光圈值被调节。当焦距较短，并且光圈打开量较小 时，景深较深。另一方面，当焦距较长，并且光圈打开量较大时，景深较 浅。
当景深较深时，聚焦透镜1移动时的评估值的改变是渐进的，并且评 估值峰值区域较宽。因而，判决距离LD1较大，从而在评估值改变的部分 中聚焦透镜1不以第一速度Va移动。另外，即使当判决距离LD1较大并 且聚焦透镜1以第一速度Va移动的时间间隔较短时，由于景深很大，因 此也可以快速获得具有最小模糊或没有模糊的被捕获图像。
另一方面，当景深较浅时，当聚焦透镜1移动时的评估值的改变是快 速的，因此评估值峰值区域较窄。因而，即使当判决距离LD1较短时，也
可以抑制聚焦透镜1在评估值改变的部分中以第一速度Va移动。另外，
通过使判决距离LD1较短，聚焦透镜1以第一速度Va移动的时间段变得 更长，并且在这种情况下也可以快速获得具有最小模糊或没有模糊的被捕 获图像。
在步骤S42的判决处理中，当从当前聚焦位置FPs到物体存在范围 FJA的距离LE比第一判决距离LD1长时，由于当前聚焦位置FPs比判决 距离LD1距离物体存在范围FJA更远，因此控制单元9将聚焦透镜1的移 动速度设为第一速度Va。通过这一设置，可以使聚焦位置FPs快速接近对 焦位置FPj。另外，聚焦透镜1的移动方向被设为使得聚焦位置FPs沿基 于距离测量结果Mag的方向，即由距离测量结果Mag指示的聚焦位置的 方向(图3中的右向方向)移动(步骤S43)。
基于距离测量传感器45的距离测量结果Mag，可以正确地确定聚焦 透镜l的移动方向，因此不需要执行摆动以确定移动方向。
第一速度Va的目的是使得聚焦位置快速接近对焦位置；因为评估值 每场只更新一次，所以不需要限制移动速度以使得永远无法检测到评估值 峰值。因而第一速度Va被设为在驱动聚焦透镜1时的最快可允许速度。
在步骤S42的判决处理中，当从当前聚焦位置FPs到物体存在范围 FJA的距离LE等于或小于第一判决距离LD1时，控制单元9确定当前聚 焦位置FPs是否在物体存在范围FJA内(步骤S44)。这里，在当前聚焦 位置FPs不在物体存在范围FJA内时，处理进行到歩骤S45，而在当前聚 焦位置FPs在物体存在范围FJA内时，处理进行到步骤S46。
在步骤S44的判决处理中，在当前聚焦位置FPs在物体存在范围FJA 内时，控制单元9将聚焦透镜1的移动速度设为第二速度(高速)Vb，第 二速度Vb比第一速度(超高速)Va慢。移动方向被设为基于距离测量结 果Mag的方向，S卩，使得聚焦位置FPs沿由距离测量结果Mag指示的聚 焦位置的方向(图3中向右)移动(步骤S45)。
该第二速度Vb被设为使得在将速度从第二速度Vb切换为比第二速度 Vb慢的第三速度Vc时没有阻碍，这种切换是由于发生了指示在聚焦透镜 1移动时评估值的改变的评估值曲线的坍塌。例如，当聚焦深度是Fs时，
第二速度Vb被设为12Fs/场。第三速度Vc是可以高精度地检测到评估值 峰值的速度，并且例如被设为2Fs/场。当在驱动聚焦透镜1时的最快可允
许速度是12Fs/场或更慢时，第一速度Va和第二速度Vb被设为同一值。
在从步骤S41或步骤S44前进到步骤S46后，控制单元9与相关技术 类似地执行摆动，并且基于当聚焦透镜I移动时的评估值的改变，设置聚 焦透镜l的移动方向。另外，聚焦透镜l的移动速度被设为第二速度Vb。 当从当前聚焦位置FPs到目的地聚焦位置的距离较短时，当前聚焦位置 FPs接近于对焦位置FPj，因此聚焦透镜1的移动速度可以被设为第三速度 Vc。
在完成了步骤S43、 S45或S46中的任何一个的处理后，控制单元9 执行透镜驱动处理，并且当透镜驱动处理完成时前进到步骤S2。在该透镜 驱动处理中，执行聚焦透镜1的移动速度的切换和与相关技术类似的爬升 控制处理，此后执行聚焦操作以使得聚焦位置FPs移动到对焦位置FPj。
在切换移动速度时，当从聚焦位置FPs到上述物体存在范围FJA的距 离比第二判决距离LDs (该第二判决距离LDs比第一判决距离LD1短) 短时，移动速度被从第一速度Va切换为第二速度Vb。这里，判决距离 LD2被设为使得在例如距离物体存在范围FJA判决距离LD2的位置处， 当移动速度被从第一速度Va切换为下面描述的第二速度Vb时，在物体存 在范围FJA中移动速度被减速为第二速度Vb。通过设置该值，可以防止 由于物体存在范围FJA中峰值较小而错过评估值峰值。
在爬升控制处理中，检测由评估值计算器7计算的评估值的改变，并 且移动聚焦位置FPs以使得评估值变为相对最大值，从而搜索对焦位置 FPj。在使用该评估值的爬升控制处理中，移动聚焦透镜1以使得例如上述 评估值ID0、 ID2等等是相对最大值。另外，当高亮度像素的数目增大 时，评估值ID8被用于将评估值尺寸Wl切换为评估值尺寸W5，并计算 评估值，以便使聚焦透镜1不沿发生模糊的方向移动。另外，利用评估值 ID0以及其他评估值ID1到ID7和ID9到ID13，执行透镜移动速度切换、 物体移动的判决、反馈判决、透镜到达近边或远边的判决(见图3)等 等，并且基于判决结果控制驱动聚焦透镜1的操作以便高精度地执行聚
焦。这样，执行爬升控制处理，从而完成使得聚焦位置FPS搜索对焦位置 FPj的聚焦操作。
利用上述自聚焦操作，在当前聚焦位置FPs距离基于距离测量结果 Mag的物体存在范围FJA比第一判决距离LD1更远时，即，在从当前聚 焦位置FPs到基于距离测量结果Mag的物体存在范围FJA的距离比第一判 决距离LD1大时，聚焦透镜1以第一速度(超高速)Va移动而不执行摆 动，然后速度被切换为第二速度(高速)Vb和切换到第三速度Vc，并且 使聚焦位置FPs搜索对焦位置FPj。因而，与相关技术的自聚焦操作(其 中执行摆动并确定移动方向，此后聚焦透镜1以第二速度Vb移动以搜索 对焦位置FPj)相比，可以极大地縮短聚焦时间。
另外，在当前聚焦位置FPs在物体存在范围FJA外部但是距离小于判 决距离LD1时，聚焦透镜1以第二速度Vb移动而不执行摆动，因此与相 关技术的自聚焦操作(其中在自聚焦操作开始时执行摆动)相比，可以缩 短聚焦时间。具体而言，在广播用和商用的照相机中使用的透镜较大，因 此摆动时间较长(例如，约为0.25秒到0.5秒)。因而，仅仅消除摆动就 明显縮短了聚焦时间。
另外，在当前聚焦位置FPs在物体存在范围FJA内时，不能从距离测 量结果Mag和聚焦位置FPs中确定聚焦透镜的移动方向。g卩，因为在距离 测量结果Mag中存在误差(例如，当聚焦位置FPs在由距离测量结果Mag 指示的聚焦位置和对焦位置FPj之间时)，所以可能发生这样的情形，其 中如果聚焦位置FPs基于距离测量结果Mag而移动，则聚焦位置FPs将沿 与朝对焦位置FPj相反的方向移动。因而，当聚焦位置FPs在物体存在范 围FJA内时，与相关技术类似地执行摆动并且确定聚焦透镜1的移动方 向，其后执行爬升控制处理。因而，当开始时聚焦位置FPs在物体存在范 围FJA内时，聚焦时间等于相关技术中的时间。
当距离不能精确地由距离测量传感器11测得，并且距离测量结果 Mag是"距离测量不可能数据"NG时，不能基于距离测量结果Mag执行 透镜驱动操作，因此执行与相关技术中相同的自聚焦操作。同样在这种情 况下，聚焦时间等于相关技术的自聚焦操作的时间。
这样，当聚焦位置FPS远离物体存在范围FJA时，在不执行摆动的情 况下发起聚焦透镜移动，因此可以縮短聚焦时间。另外，当聚焦位置FPs
距离物体存在范围FJA大于判决距离LD1时，聚焦透镜移动更加快速， 因此可以进一步縮短聚焦时间。另外，当聚焦位置FPs被检测为在物体存 在范围FJA内时，与相关技术类似地使聚焦位置FPs搜索对焦位置FPj， 因此尽管縮短了聚焦时间，但是仍然可以将聚焦搜索精度维持在相关技术 的搜索精度。
这里，继续对图19中所示的流程图的说明。在步骤Sl的处理完成 后，控制单元9搜索评估值峰值(步骤S2)。
这里，控制单元9确定是否已检测到评估值的相对最大值(步骤 S3)。如果还未检测到相对最大值，则继续评估值峰值搜索，直到检测到 相对最大值为止(步骤S4)。
在以上步骤S3的判决处理中，当检测到相对最大值时，控制单元9 控制透镜驱动器2将聚焦透镜返回到检测到相对最大值的聚焦位置(步骤 S5)。
这里，控制单元9分析评估值历史，即，相对最大值处的评估值和当 前聚焦位置处的评估值，并使用上述条件A、 B、 C来确定物体是否处于 对焦状态(步骤S6)。如果该状态不是对焦状态，则处理进行到步骤 S9。
在以上步骤S6的判决处理中，在确定该状态是对焦状态时，控制单 元9将此时的距离测量传感器11的距离测量结果和相对最大值处的聚焦 位置存储在存储器10中(步骤S7)。
接着，控制单元9更新在对焦状态已被记录在存储器10中时距离测 量传感器11的距离测量结果和相对最大值处的聚焦位置的次数(递增1) (步骤S8)。更新后的次数被存储在存储器10中。
然后，控制单元9确定更新后的数目是否已达到规定数目(例如 100)(步骤S9)。如果更新后的数目还未达到规定数目，则处理结束。
在以上步骤S9的判决处理中，如果更新后的数目已达到规定数目， 则控制单元9分析距离测量传感器11的多个存储的距离测量结果和最大
值处的聚焦位置之间的联系，并导出联系方程(或关联)(步骤S10)。 导出该联系方程(或关联)的方法已经在图14的说明中提及。
然后，控制单元9根据该联系方程计算对距离测量结果的校正量，并 将校正量存储在存储器IO或其他可重写的存储单元中(步骤Sll)。艮口，
计算在老化改变之前的距离测量结果LsA和在老化改变之后的距离测量结 果LsB之间的偏离(如图4所示)，并基于偏离量计算对距离测量结果的 校正量。
在存储了对距离测量结果的校正量之后，控制单元9随后重置(初始 化)更新数，并结束处理(步骤S12)。
通过以这种方式(学习功能)计算对距离测量结果的校正量并存储在 存储单元中，即使当距离测量传感器11内发生老化改变时，控制单元9 也能适当地校正距离测量传感器11的距离测量结果，因此可以保持精 度，并且可以防止由于距离测量结果的偏离而导致自聚焦操作发生问题。 因而，在使用距离测量传感器的距离测量信息和评估值的自聚焦操作的聚 焦搜索中，与图像处理自聚焦操作相比，可以明显縮短在聚焦透镜远离对 焦位置时的聚焦时间，同时仍然保持在图像处理中获得的聚焦搜索精度。
另外，所获取的多个评估值(和亮度相加值)可以用于确定是否精确 地执行了图像处理中的聚焦搜索(对焦判决)，并且通过这一设置可以防 止距离测量结果的错误校正。结果，改善了距离测量结果校正的可靠性。
在图19所示的流程图中，在自聚焦操作的发起时检查是否已满足用 于学习的条件(更新数是否已达到规定数目)，并且如果条件已满足，则 执行学习；但是不需要将步骤S9和后续步骤的处理与自聚焦操作的启动 相同步。即，可以利用与自聚焦操作的启动不同的定时来执行学习。
下面说明本发明的第二实施例。本发明的第二实施例的摄像机的整体 配置如图23所示。图23中所示的摄像机被配置使得与距离测量结果校正 量有关的专用学习功能开关12被添加到图6中所示的摄像机配置。在图 23中，与图6中的部分相对应的部分被分派以相同的标号，并且省略其详 细说明。
在该实施例中，只有当安装在摄像机中的开关12被用户按下时，才使得从开关12向控制单元9施加许可信号，并执行在以上第一实施例中 描述的"将自聚焦会聚时的距离测量传感器的距离测量结果和聚焦位置存 储在存储单元(存储器10)中"的操作(见图6到图22)。在第一实施
例中，以上存储处理是在图19的步骤S7中自动执行的，但是在第二实施
例中，以上存储处理是在获得来自用户的许可后执行的。
然后，与以上第一实施例中一样，响应于来自开关12的许可信号， 在每次存储距离测量结果和聚焦位置时更新存储操作的次数，并且当更新 数达到规定数目(例如100)时，计算对距离测量结果的校正量。
利用该发明，在获得来自用户的许可之后执行上述存储处理，以便可 以防止由于错误的对焦判决而导致计算出非用户预期的校正量。否则，获 得与以上第 一 实施例类似的有利结果。
在第一实施例和第二实施例中，以上的存储次数是规定数目；但是可 以有这样的配置，其中该规定数目可以由用户设置。该设置是利用与图23 中所示的施加许可指令的开关12不同的开关(操作开关)、或者可以向 其自由分配功能的软件中的可分派开关等等来执行的。
下面说明本发明的第三实施例。本发明的第三实施例的摄像机的整体 配置如图24所示。图24中所示的摄像机被配置使得角速度传感器13 (在 该示例中使用两轴)被添加到图23中所示的摄像机配置。在图24中，与 图6相对应的部分被分派以相同的标号，并且省略其详细说明。
角速度传感器13结合了根据检测的角速度值生成角速度信号并将信 号输出到控制单元9的功能。角速度信号是与施加到摄像机自身的角速度 相对应的信号。
在该示例中，首先类似于上述第一实施例，控制单元9在评估值峰值 搜索操作中检测评估值相对最大值，并且当聚焦透镜返回到检测到以上评 估值相对最大值的点时，检查评估值的历史或评估值和亮度相加值的历 史，并确定物体是处于对焦还是失焦状态(见图19中步骤S6)。
另外，在该示例中，确定在通过控制单元9检测到评估值相对最大值 时已由角速度传感器13详细检测到的角速度信号是否在规定大小范围 内。如果角速度信号在规定大小范围外，则确定摄像机正在移动，并且无
论使用以上评估值等等作出任何焦点判决，都确定物体处于对焦状态是不 可靠的，并且不执行聚焦位置和距离测量传感器11的距离测量结果的记 录(在第一实施例中说明的，见图19中步骤S7)。下面给出了与以上角 速度信号有关的焦点判决方程。
Vpan<Vmin或Vmax〈Vpan
或者
Vtilt〈Vmin或Vmax<Vtilt ( 4)
其中Vpan和Vtilt分别是平面(pan)方向和倾斜(tilt)方向的角速 度信号，并且Vmax和Vmin (Vmax〉Vmin)是常数。
当方程(4)不满足时，控制单元9确定摄像机已移动。另外，确定 焦点判决是不可靠的，并且不执行距离测量结果和聚焦位置的记录。以这 种方式，通过消除摄像机摆动的负面影响确定焦点判决，从而获得精确的 判决结果。因而，可以计算更加精确的距离测量结果校正量。
应当注意，本发明并不限于上述实施例；例如，本发明的图象捕获设 备可以适用于数码相机，而不是上述的摄像机，并且在不脱离本发明的要 点的前提下可以进行各种其他改变和修改。
例如，在以上第三实施例中，角速度传感器被用作检测摄像机的移动 的单元；但是两轴或三轴加速度传感器也可用于检测移动。
本领域技术人员应当理解，取决于设计需求和其他因素可以有各种修 改、组合、子组合和变更，只要这些修改、组合、子组合和变更在所附权 利要求或其等同物的范围内即可。
本发明包含与2006年6月30日向日本专利局提交的日本专利申请 JP2006-182567有关的物体，该申请的全部内容通过引用结合于此。
权利要求
1.一种自聚焦装置，包括评估值计算器，其被配置为利用在由图像捕获单元捕获的物体图像的特定区域中的图像信号的高频分量周期性地计算评估值；距离测量单元，其被配置为测量到物体的距离并输出距离测量结果；控制单元，其被配置为基于所述评估值输出被提供给透镜驱动器以驱动聚焦透镜的指令值，并利用所述评估值确定物体图像是处于对焦还是失焦状态；以及存储装置，其被配置为存储距离测量结果和所述聚焦透镜的位置，其中在所述控制单元在移动所述聚焦透镜的位置的同时操作来搜索所述评估值的峰值，并且检测到所述评估值的相对最大值之后，所述控制单元将所述聚焦透镜返回到与检测到所述相对最大值的点相对应的位置，获得由所述评估值计算器计算的评估值，在所述评估值满足规定条件时存储聚焦位置和距离测量结果，在所述聚焦位置和距离测量结果被存储的次数达到规定数目时取得距离测量结果和聚焦位置，并基于所取得的距离测量结果和聚焦位置之间的联系计算对从所述距离测量单元输出的距离测量结果的校正量。
2. 如权利要求1所述的自聚焦装置，其中所述规定条件包括当第一评估值被定义为所述评估值的相对最大值， 并且第二评估值被定义为在所述聚焦透镜返回到与检测到所述相对最大值 的点相对应的位置时获得的评估值时，通过将所述第二评估值除以所述第 一评估值所获得的值大于规定阈值。
3. 如权利要求1所述的自聚焦装置，其中所述规定条件包括当第一评估值被定义为所述评估值的相对最大值， 并且第二评估值被定义为在所述聚焦透镜返回到与检测到所述相对最大值 的点相对应的位置时获得的评估值时，通过将所述第二评估值除以所述第 一评估值所获得的值大于第一阈值，并且所述第二评估值大于第二阈值。
4. 如权利要求1所述的自聚焦装置，还包括亮度相加值计算器，其被配置为通过对所述特定区域中的图像信号的 亮度进行积分来计算亮度相加值，其中当第一亮度相加值被定义为在检测到所述相对最大值时获得的亮度相 加值，并且第二亮度相加值被定义为在检测到所述相对最大值的当前场之 前的规定场获得的亮度相加值时，所述控制单元存储在下述点处获得的距 离测量结果和聚焦位置在该点处，所述控制单元确定通过将所述第二亮 度相加值除以所述第一亮度相加值所获得的值落在规定阈值内，并且所述 评估值满足所述规定条件。
5. 如权利要求1所述的自聚焦装置，其中摆动检测器，其被配置为检测施加到所述自聚焦装置的摆动，其中 所述控制单元存储在下述点处获得的距离测量结果和聚焦位置在该 点处，所述控制单元确定在检测到所述评估值的相对最大值的点处由所述 摆动检测器检测到的大小落在规定值范围内，并且所述评估值满足所述规 定条件。
6. 如权利要求5所述的自聚焦装置，其中 所述摆动检测器指示角速度传感器或加速度传感器。
7. —种自聚焦装置，包括评估值计算器，其被配置为利用在由图像捕获单元捕获的物体图像的特定区域中的图像信号的高频分量周期性地计算评估值；距离测量单元，其被配置为测量到物体的距离并输出距离测量结果-, 控制单元，其被配置为基于所述评估值输出被提供给透镜驱动器以驱 动聚焦透镜的指令值，并利用所述评估值确定物体图像是处于对焦还是失焦状态；以及存储装置，其被配置为存储距离测量结果和所述聚焦透镜的位置，其中如果在所述控制单元在移动所述聚焦透镜的位置的同时操作来搜索所 述评估值的峰值，并且检测到所述评估值的相对最大值之后，所述控制单 元将所述聚焦透镜返回到与检测到所述相对最大值的点相对应的位置，获 得由所述评估值计算器计算的评估值，在所述评估值满足规定条件时存储 聚焦位置和距离测量结果，并检测到从所述控制单元发送的使能信号，则 所述控制单元在所述聚焦位置和距离测量结果被存储的次数达到规定数目 时取得距离测量结果和聚焦位置，并基于所取得的距离测量结果和聚焦位 置之间的联系计算对从所述距离测量单元输出的距离测量结果的校正量。
8. 如权利要求7所述的自聚焦装置，其中所述控制单元存储在检测到所述使能信号的位置处的距离测量结果和 所述聚焦透镜的位置，取得所述距离测量结果和聚焦位置，并基于所取得 的距离测量结果和聚焦位置之间的联系计算对从所述距离测量单元输出的 距离测量结果的校正量。
9. 一种图像捕获装置，包括自聚焦装置，所述自聚焦装置包括图像捕获单元、评估值计算器、距 离测量单元、控制单元和存储装置，所述图像捕获单元被配置为对物体成 像，所述评估值计算器被配置为利用在由所述图像捕获单元捕获的物体图 像的特定区域中的图像信号的高频分量周期性地计算评估值，所述距离测 量单元被配置为测量到物体的距离并输出距离测量结果，所述控制单元被 配置为基于所述评估值输出被提供给透镜驱动器以驱动聚焦透镜的指令 值，并利用所述评估值确定物体图像是处于对焦还是失焦状态，所述存储 装置被配置为存储距离测量结果和所述聚焦透镜的位置，其中在所述控制单元在移动所述聚焦透镜的位置的同时操作来搜索所述评 估值的峰值，并且检测到所述评估值的相对最大值之后，所述控制单元将 所述聚焦透镜返回到与检测到所述相对最大值的点相对应的位置，获得由 所述评估值计算器计算的评估值，在所述评估值满足规定条件时存储聚焦 位置和距离测量结果，在所述聚焦位置和距离测量结果被存储的次数达到 规定数目时取得距离测量结果和聚焦位置，并基于所取得的距离测量结果 和聚焦位置之间的联系计算对从所述距离测量单元输出的距离测量结果的 校正量。
10. —种图像捕获装置，包括自聚焦装置，所述自聚焦装置包括操作单元、图像捕获单元、评估值 计算器、距离测量单元、控制单元和存储装置，所述图像捕获单元被配置 为对物体成像，所述评估值计算器被配置为利用在由所述图像捕获单元捕 获的物体图像的特定区域中的图像信号的高频分量周期性地计算评估值， 所述距离测量单元被配置为测量到物体的距离并输出距离测量结果，所述 控制单元被配置为基于所述评估值输出被提供给透镜驱动器以驱动聚焦透 镜的指令值，并利用所述评估值确定物体图像是处于对焦还是失焦状态， 所述存储装置被配置为存储距离测量结果和所述聚焦透镜的位置，其中如果在所述控制单元在移动所述聚焦透镜的位置的同时操作来搜索所 述评估值的峰值，并且检测到所述评估值的相对最大值之后，所述控制单 元将所述聚焦透镜返回到与检测到所述相对最大值的点相对应的位置，获 得由所述评估值计算器计算的评估值，在所述评估值满足规定条件时存储 聚焦位置和距离测量结果，并检测到从所述控制单元发送的使能信号，则 所述控制单元在所述聚焦位置和距离测量结果被存储的次数达到规定数目 时取得距离测量结果和聚焦位置，并基于所取得的距离测量结果和聚焦位 置之间的联系计算对从所述距离测量单元输出的距离测量结果的校正量。
11. 一种由自聚焦装置执行的自聚焦方法，所述自聚焦装置被配置为 利用到物体的距离信息和在图像处理中获得的评估值来自动调节对所述物 体的聚焦，所述自聚焦方法包括以下步骤利用在由图像捕获单元捕获的物体图像的特定区域中的图像信号的高 频分量周期性地计算评估值；测量到物体的距离并输出距离测量结果；在移动聚焦透镜的位置的同时操作来基于所述评估值和距离测量结果搜索所述评估值的峰值；在检测到所述评估值的相对最大值之后，通过将所述聚焦透镜返回到 与检测到所述相对最大值的点相对应的位置来计算所述评估值；当所述评估值满足规定条件时将所述距离测量结果和聚焦位置存储在 存储装置中；在所述聚焦位置和距离测量结果被存储的次数达到规定数目时取得距 离测量结果和聚焦位置；以及 基于所取得的距离测量结果和聚焦位置之间的联系计算对从所述距离 测量单元输出的距离测量结果的校正量。
12. —种由自聚焦装置执行的自聚焦方法，所述自聚焦装置被配置为 利用到物体的距离信息和在图像处理中获得的评估值来自动调节对所述物 体的聚焦，所述自聚焦方法包括以下步骤利用在由图像捕获单元捕获的物体图像的特定区域中的图像信号的高 频分量周期性地计算评估值；测量到物体的距离并输出距离测量结果；在移动聚焦透镜的位置的同时操作来基于所述评估值和距离测量结果搜索所述评估值的峰值；在检测到所述评估值的相对最大值之后，通过将所述聚焦透镜返回到 与检测到所述相对最大值的点相对应的位置来计算所述评估值；如果检测到从所述控制单元发送的使能信号，则当所述评估值满足规 定条件时将所述距离测量结果和聚焦位置存储在存储装置中；在所述聚焦位置和距离测量结果被存储的次数达到规定数目时取得距 离测量结果和聚焦位置；以及基于所取得的距离测量结果和聚焦位置之间的联系计算对从所述距离 测量单元输出的距离测量结果的校正量。
13. —种自聚焦装置，包括评估值计算器，其被配置为利用在由图像捕获单元捕获的物体图像的 特定区域中的图像信号的高频分量周期性地计算评估值；距离测量单元，其被配置为测量到物体的距离并输出距离测量结果； 控制单元，其被配置为基于所述评估值输出被提供给透镜驱动器以驱 动聚焦透镜的指令值，并利用所述评估值确定物体图像是处于对焦还是失 焦状态；以及存储装置，其被配置为存储距离测量结果和所述聚焦透镜的位置，其中在所述控制单元在移动所述聚焦透镜的位置的同时操作来搜索所述评 估值的峰值，并且检测到所述评估值的相对最大值之后，所述控制单元将 所述聚焦透镜返回到与检测到所述相对最大值的点相对应的位置，获得由 所述评估值计算器计算的评估值，存储所述聚焦位置、距离测量结果和关 于所述评估值是否满足规定条件的判决结果，在所述距离测量结果、聚焦 位置和判决结果被存储的次数达到规定数目时取得距离测量结果、聚焦位 置和判决结果，并基于所取得的距离测量结果、聚焦位置和判决结果之间 的联系计算对从所述距离测量单元输出的距离测量结果的校正量。
全文摘要
公开了一种自聚焦装置、图像捕获装置和自聚焦方法。该自聚焦装置包括评估值计算器、距离测量单元、控制单元和存储装置，其中评估值计算器利用在物体图像的特定区域中的图像信号的高频分量周期性地计算评估值，距离测量单元测量到物体的距离并输出距离测量结果，控制单元基于评估值输出指令值并确定物体图像是处于对焦还是失焦状态，存储装置存储距离测量结果和透镜位置。在该装置中，在搜索到评估值的峰值后，控制单元将透镜返回到检测到相对最大值的位置，获得评估值，在评估值满足规定条件时存储透镜位置和距离测量结果，并在这些结果被存储的次数达到规定数目时取得距离测量结果和透镜位置，并计算校正量。
文档编号G02B7/00GK101098407SQ200710123239
公开日2008年1月2日 申请日期2007年7月2日 优先权日2006年6月30日
发明者伊藤雄二郎, 须藤秀和 申请人:索尼株式会社