自动聚焦的制作方法

专利名称：自动聚焦的制作方法
技术领域：
本发明涉及针对如相机等光学设备中改进的自动聚焦性能的一 种方法、设备和算法。
背景技术：
光学成像设备，如在摄影领域中广泛使用的单镜头反光式(SLR ) 相机，通常装备有自动聚焦系统，相机的镜头系统通过该自动聚焦 系统自动地将图像聚焦在目标物体的所选部分上。用于完成自动聚 焦(AF)功能的检测器通常设置在画面的中心，因为这个位置通常 比画面的其它部分更敏感、更精确。此外，对于AF传感器来说，出 于可用性原因中心位置也是优选的，因为周边区域更难获得与中心 相同的光学性能。
在应当被聚焦的物体部分恰巧不在画面中心的那些状况下，广泛 地使用一种称为"聚焦重新构图(recompose)技术"。这种技术包 括以下步骤，即首先将中心自动聚焦检测器放置在需要最清晰聚焦 的物体部分上，以及在相机的这一第一位置中激活(即锁定)自动
聚焦。 一旦激活了聚焦锁定，则相机将在第二步骤中重新定向 (reorient),直到获得理想的取景，并最终在这一第二位置中释放
相才几快门。
例如在针对如人像摄影等浅景深情况的那些应用中，目标物体处 于相机景深之外时，这种已知的"聚焦和重新构图，，技术的技术缺 陷就变得较为明显。当相机在阶段二中重新定向时，在阶段一中聚 焦锁定的目标物体将会从聚焦平面移开。
为了克服与聚焦和重新构图技术相关的缺陷，从实际例子中，例 如从单镜头反光式(SLR)相机类型Canon EOS 20D中，已知使用了多种聚焦检测器代替仅用 一个中心聚焦检测器，这能够在聚焦锁 定之后跳过重新定向阶段。在这种类型的相机中，其技术说明中会 建议手动选择数个聚焦检测器的一个指定聚焦检测器，例如其中已 在目标物体之上的聚焦点。
但是，利用数个聚焦检测器的缺点在于，这种方案的进程通常不 够快速，并且与单个中心聚焦点的使用相比，选择不同的聚焦点也
不太容易o
另 一 缺点在于在许多相机中，中心聚焦点以外的聚焦点不够精确 和敏感，这导致了在微光条件下，除了通过中心聚焦点之外，聚焦 通过其他聚焦点都不能锁定的结果。这样，由于使用了不太精确的 自动聚焦传感器，而产生了较大的聚焦误差。

发明内容
鉴于上述提及的问题，本发明的目的尤其是改进如相机等光学设
算法r 、' 、
此外，本发明还试图解决或减少与已知的聚焦和重新构图技术相 关的聚焦误差问题。
提出了一种具有改进自动聚焦性能的光学设备，包括壳体、至 少一个镜头单元、用于存储目标物体图像的存储媒介、聚焦单元， 该聚焦单元使用至少 一 个聚焦检测器，从而将目标物体的给定图像 平面聚焦到光学设备上，该聚焦单元包括聚焦锁定装置，用于锁 定在第 一相机位置中光学设备与给定聚焦平面之间的聚焦距离(山)， 以及用于光学设备重新定向以获得图像的理想取景之后在第二相机 位置中释放快门的装置，其中聚焦单元包括聚焦距离校正单元，其 包括感测装置，用于感测平行于重新定向之后的聚焦平面的距离矢 量，即，第一相机位置与第二相机位置之间的差异，计算装置，用 于由感测的距离矢量计算聚焦校正值(de),以及加法装置，用于将
聚焦校正值(de)加到锁定的聚焦距离(dj上。本发明的重要教导即当在第一位置聚焦锁定之后相机重新定向 到第二位置从而获得理想取景时，聚焦距离由聚焦校正值(de)自动 校正。在此应当注意，距离矢量的空间坐标涉及到在聚焦平面上投 影的图像场景(在第一相机位置中聚焦锁定于其上)的目标区域的
2D坐标。
根据本发明的解决方案容易实施，并且实现起来非常成本有效。 本发明可以在任何类型的高级相才几系统中实施，例如，能够产生浅
景深的相机。在人像摄影领域，这种类型的摄影技术是优选的当 保持聚焦的目标物体而同时保持模糊的背景时，目标物体以好看 (nice looking )方式从背景中分离出来。本发明还可以在能够进行 宏观摄影的光学设备中实施，在宏观摄影中使用小的相机传感器和 光学器件也可以获得浅景深。由此，针对任意应用，"聚焦和重新 构图方法，，从中获益的非常快速并且有效的聚焦技术能够通过仅使 用一个中心聚焦传感器得以保持。在一些情况中，还能够使得中心 AF传感器更加灵敏以及更加精确，因为已降低或者消除了其他AF 传感器的成本。
在本发明的优选实施例中，感测装置是用于获得投影距离&的
装置，该投影距离d2是重新定向之后的聚焦平面与聚焦锁定于其中
的给定聚焦平面之间的距离。在这个实施例中，根据下面的等式计 算聚焦校正值de
更特别地，用于获得重新定向之后的聚焦平面与聚焦锁定于其中 的给定聚焦平面之间的距离d2的装置包括分析装置，其用于分析目 标物体在给定图像取景中的移动。甚至更特别地，当光学设备是数
字单镜头反光式(SLR)相机或者包括CMOS图像传感器的数码相 机(DSC)时，目标物体移动的分析基于聚焦锁定后，从图像传感 器连续接收的原始画面的评估。更具体地，在图像传感器中原始画 面可以按比例缩小。当曝光连续接收的追踪画面时，可以使用例如 滚动快门等电子快门。在目标区域在图像平面中的水平和垂直方向都移动的情况中，则可以应用&=7^7^,在此d2，x和d2,y分别是 目标区域坐标在水平和垂直方向上从中心的偏移量。对于本领域技 术人员来说，将从连续相机传感器画面检测(例如以像素测量的) 的移动映射到在聚焦平面上投影(如以毫米测量的)的移动是简单 明了的。
上述选项对数字相机特别重要，因为典型地，原始类型画面，即 在从图像传感器接收之前未处理/压缩的画面，无论怎样都会被取景 器连续不断地捕捉。存在可获得的在这种情况中可以使用的许多不 同的移动估计方法，用于分析原始图像画面从而确定物体的移动。 但是，应当注意，与例如视频编码等所使用的移动估计相比，在这 种特别的情况中，较粗略的移动估计就足够了 。
可替换地，感测装置是用于获得由于相机重新定向造成的相机转 动角度a的装置，并且根据下面的等式计算聚焦校正值de
de = di — di , cosa 这种类型的传感器能够例如是加速度计，其在第一相机位置中聚 焦锁定之后的重新定向期间，保持相机移动的追踪，由此容易地获 得转动角度a。
进一步提出一种方法，用于校正光学设备中的聚焦误差，其中在 该光学设备的第一位置中，至少一个聚焦检测器聚焦到目标物体的 给定图像平面上，并锁定光学设备与给定聚焦平面之间的距离(山)； 并且其中重新定向该光学设备以获得图像的理想取景之后在该光学 设备的第二位置中释放快门，
所述方法包括
一感测第一位置与重新定向之后的第二位置之间平4亍于重新定 向之后的聚焦平面的距离矢量，
一由所感测的距离矢量计算聚焦校正值(de)以及
一将聚焦校正值(d e)作为校正值加到锁定的聚焦距离(d!)上。
综上所述，本发明的优点在于
—由于仅使用了一个中心聚焦检测器，因此维持了自动聚焦精确度。
一可以使用已知的"聚焦和重新构图"技术，该技术比手动选择 特定聚焦点调整得更快。
此外，在此应当注意，"聚焦和重新构图"技术已经广泛地特别
在传统非数字SLR中应用了 。然而，本发明也可以应用于数字单镜 头反光式(SLR)相机，其中存储媒介是CMOS图像传感器。
见。
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在附图中示出了
图1:根据本发明的设备在第一位置中的示意性图； 图2:图1中设备在第二位置中的示意性图； 图3:示出了方法的流程图。
具体实施例方式
根据本发明优选实施例的光学成像设备包括相机壳体1和安装 在相机壳体1上的至少一个镜头单元2。此外，相机中包含了光学存 储单元(未示出)，其可以是传统("非数字，，)相机中的光学胶 片或者接收来自数字相机中使用的CMOS图像传感器的数字信号的 处理器。广义的图像设备例如可包括图像感测配置，其包括镜头组 件2和图像传感器。图像感测配置捕捉图像，并将捕捉到的图像转 换成电形式。或者，可以将其捕捉到胶片上。如果电完成，则将由 该装置产生的电信号引导到模数转换器，该模数转换器将模拟信号 转换成数字形式。数字化的信号将从该转换器送入信号处理器，在 该处理器处处理信号从而创建图像文件。图像感测配置的输出信号 包括原始图像数据，该数据需要后处理，以便信号处理器对其起作 用，以及从而例如向图像感测配置给出曝光控制命令和聚焦命令。 该设备可进一步包括在其中信号处理器可以存储完成的图像的图像存储器、用于数据和程序存储的工作存储器、显示器以及用户界面。 所有这些都是本领域中已知的，并在例如转让给本受让人的美国专
利公开2005/0128335中示出。
相机设备进一步包括聚焦单元，该聚焦单元包括聚焦检测器，用 于将相机设备聚焦到目标物体3的给定图像平面4上。聚焦检测器 设置在由相机取景器确定的画面中心中。此外，相机设备包括快门， 释放该快门之后，投影目标物体，从而永久或临时存储在光学存储 单元之上或之中。这种聚焦单元是本领域中已知的，例如在本受让 人的美国专利号6,710,950中所示，特别是图3中示出了这种聚焦单 元的框图，提及其仅用于普通的背景介绍的目的，而不是作为限制。
本发明优选实施例包括改进的自动聚焦性能，现在参考图1和图 2的草图进行详细地描述。这种改进的自动聚焦性能可以通过与上述 聚焦单元相结合包含在相机设备内的聚焦距离校正单元来实现。这 也可以包括上面提及的聚焦锁定设备，用于锁定第 一相机位置中光 学设备与给定聚焦平面之间的聚焦距离；以及用于光学设备重新定 向以获得图像的理想取景之后在第二相机位置中释放快门的装置。
图3是流程图，其示出了在光学设备中用于校正聚焦误差的方 法。应当了解，尽管按顺序示出了某些步骤，但是它们不是必须按 所示顺序执行的，以及其变化也是当然会被考虑的。
在相机1的第一位置中，图1和图3的第一步骤示出，中心聚焦 检测器指向目标物体3，特别是指向目标物体3的部分，其将被最清 晰显示。如可以从图1中虚线所见的那样，操作聚焦单元使得目标 物体3位于相机系统的DOF (景深)之内。在这个位置中，穿过目 标物体3的给定聚焦平面4和相机1的距离由距离(山)定义。在这 个位置中，锁定聚焦，如图3第二步骤中所示，这意味着聚焦距离 固定为值d。
图2涉及了一些状况，在其之后相机从图1中所示的第一位置重 新定向到图2和图3的第三步骤中所示的第二位置(注意，图2中 为了更好地图示而夸大了转动量)。相机重新定向或者是因为定为目标的物体恰好不是画面的中心聚焦点，或者是因为聚焦锁定之后目标物体3移出了中心聚焦位置。 从虛线(对应于景深，DOF)的比较可以看出，由于相4几重新定向， 目标物体3游移出了焦深(如图2中箭头所示)。平行于重新定向之后的聚焦平面的距离矢量，即，图l的第一相 机位置与图2的第二相机位置之间的投影差或者可由距离(d 2)表示， 或者可由角度a表示。如果重新定向期间按照距离(d2)进行相机追踪，那么聚焦距离误差(de)可以计算为<formula>formula see original document page 10</formula>替换地，如果重新定向期间按照转动角度a进行相机追踪，那么聚焦距离误差(de)计算为<formula>formula see original document page 10</formula>
在这两种情况中，通过将聚焦距离(di)移近距离(de)的量来 获得校正后的聚焦距离。现在详细地描述基于按照距离(d2)计算相机重新定向的第一种 选择在第一位置中锁定聚焦之后，原始图像画面，例如未处理或适当 处理的图像画面，由相机图像传感器连续接收，并且由图像取景的 移动估计分析目标物体的移动，这是常规技术，例如视频编码。为 了减少数据流，原始画面可以在传感器中按比例缩小。这一过程之后，可以容易地获得从聚焦锁定于其中的给定聚焦平 面的中心到重新定向之后的聚焦平面的中心的距离(d2)。由此，可以从等式1计算出校正值de。替换地，从第 一 到第二位置的相机移动追踪可以通过使用加速度计传感器实现，其产生针对转动角度a的值，这样就根据等式2进行处理。因此，根据本发明并且如上所述的光学设备还可包括聚焦距离校 正单元，其包括感测装置，用于感测第一相机位置与第二相机位置之间平行于重新定向之后的聚焦平面的距离矢量。感测操作在图3 的第四步骤中示出。此外，可以设置计算设备，用于由感测的距离矢量计算聚焦校正值(de)。计算步骤在图3的第五步骤中示出。聚 焦校正值(de)可以通过加法器设备加到锁定的聚焦距离(山)上。 校正步骤在图3的第六步骤中示出。在最后步骤中，在第二相机位置中释放快门。应当了解，上述方法可以由存储在计算机可读媒介上具有可操作 指令的计算机程序来执行，从而使得处理器执行上述方法步骤。上述本发明可以容易地在相机电话中实施，该相才几电话具有宏观 能力，或者其可能获得浅景深。上面通过示例性实施例描述了本发明。但是，应当注意，对于本 领域技术人员来说，在不偏离所附权利要求的范围和精神的情况下 可以实施替换方式以及变形。
权利要求
1.一种具有改进的自动聚焦性能的光学设备，包括壳体至少一个镜头单元存储媒介，用于存储目标物体的图像聚焦单元，使用至少一个聚焦检测器，从而将目标物体的给定图像平面聚焦到该光学设备上该聚焦单元包括，聚焦锁定装置，其用于锁定第一相机位置中在该光学设备与给定聚焦平面之间的聚焦距离(d1)以及用于该光学设备重新定向以获得图像的理想取景之后在第二相机位置中释放快门的装置，其中，该聚焦单元包括聚焦距离校正单元，其包括感测装置，用于感测在第一相机位置与第二相机位置之间平行于重新定向之后的聚焦平面的距离矢量，计算装置，用于由感测的距离矢量计算聚焦校正值(de)以及加法装置，用于将聚焦校正值(de)加到锁定的聚焦距离(d1)上。
2. 根据权利要求1所述的设备，其中感测装置是用于获得在重离d二勺装i: i'且其中i-;2《^二V^F计;'聚焦校正值de。
3. 根据权利要求2所述的设备，其中用于获得在重新定向之后 的聚焦平面的中心与聚焦锁定于其中的给定聚焦平面的中心之间的 距离d2的装置包括分析装置，该分析装置用于分析在给定图像取景 之内目标物体的移动。
4. 根据权利要求3所述的设备，其中该光学装置是包括CMOS 图像传感器的数字单镜头反光式(SLR)相机，并且其中目标物体的 移动的分析基于原始画面，该原始画面在聚焦锁定之后从图像传感 器连续接收。
5. 根据权利要求4所述的设备，其中该原始画面在图像传感器中按比例缩小。
6. 根据权利要求1所述的设备，其中感测装置是用于获得由于 重新定向而产生的光学设备的转动角度a的装置，并且根据等式de = 山_山.cos a计算聚焦校正值de。
7. 根据权利要求1所述的设备，其中该光学设备是单镜头反光 式(SLR)相机。
8. 根据权利要求1所述的设备，其中该光学设备是数字单镜头 反光式(SLR)相机，并且其中存储媒介是包括CMOS图像传感器 的处理器。
9. 根据权利要求1所述的设备，其中该光学设备能够进行宏观摄影。
10. 根据权利要求1所述的设备，其中聚焦检测器设置在画面中
11. 一种在光学设备中用于校正聚焦误差的方法，其中在该光学 设备的第一位置中，将至少一个聚焦检测器聚焦到目标物体的给定 图像平面上，并锁定在该光学设备与给定图像平面之间的距离(山)， 并且其中在该光学设备重新定向以获得图像的理想取景之后的该光 学设备的第二位置中释放快门，所述方法包括感测在第 一 位置与重新定向之后的第二位置之间平行于重新 定向之后的聚焦平面的距离矢量，由该感测的距离矢量计算聚焦校正值(de)以及 将聚焦校正值(de)作为校正值加到锁定的聚焦距离(山)上。
12. —种存储在计算机可读媒介上具有可操作指令的计算机程 序，从而使得处理器执行权利要求11所述的方法步骤。
全文摘要
本发明示出了一种在光学设备中校正聚焦误差的设备、方法和计算机程序产品，其中在该光学设备的第一位置中，将至少一个聚焦检测器聚焦到目标物体的给定图像平面上，并锁定在该光学设备与给定图像平面之间的距离(d₁)，以及其中该光学设备重新定向以获得图像的理想取景之后在该光学设备的第二位置中释放快门，该方法包括，感测在第一位置与重新定向之后的第二位置之间平行于重新定向之后的聚焦平面的距离矢量，由感测的距离矢量计算聚焦校正值(d_e)，并将该聚焦校正值(d_e)作为校正值加到锁定的聚焦距离(d₁)上。
文档编号G02B7/28GK101410743SQ200780011097
公开日2009年4月15日 申请日期2007年3月14日 优先权日2006年3月27日
发明者J·尼卡南 申请人:诺基亚公司