电子像机和自动聚焦方法

专利名称：电子像机和自动聚焦方法
技术领域：
本发明涉及一种电子傳4几和一种自动聚焦方法。
背景技术：
使用CCD(电荷耦合器件)图像传感器作为光电转换元件而形 成的电子图^4聂取装置，或所谓的凄t码^4几，在市场上4艮流-f亍。
这种数码像机通常配备有对像机镜头进行自动聚焦的自动聚 焦控制特征。虽然有多种自动聚焦控制系统可供数码像机使用，但 是目前通过提取被摄取图像的检测范围的对比度、高频成分等产生 对焦评估值，并调节透^竟4立置佳:对焦;平估^直最大的系统仍为主流。
图1示出了对焦评估值相对于4竟头位置的曲线图。参照图1, 对焦评估值(Y轴)相对于透4竟位置(X轴)在焦点对准位置为最 大，并按照从焦点对准位置到远端(离开焦点向前)和近端(离开 焦点向后)的距离的函数减少而形成山状曲线。因此，对于自动聚 焦控制，4又需要以4吏对焦评估值位于山状曲线的顶部的方式来控制 聚焦透4竟的透4竟位置。
6当移动聚焦透销H吏对焦评估值位于山状曲线的顶部时，需要检 测出对焦评估值所在点的山状曲线的斜率，并确定透镜相对于焦点
对准位置的当前位置。即，需要确定当前透4竟位置在相对于焦点对 准^立置的远端还是近端。
图l还示出了用于确定相对于焦点对准位置的当前透4竟位置所 提出的方法。参照图1,根据所提出的方法，对聚焦透镜施加微小 的振动，所施加振动的程度不会影响要摄取的图像，从而通过计算 确定对焦评估值的波动分量(微分分量dy/dx)的正负(具体参见 专利文件l:日本专利申请公开第10-239579号)。使聚焦透镜产生 微小振动以进行自动聚焦控制的操作被称作颤动(wobbling )。
下面将参照图2描述颤动才喿作的一个具体实例。在图2的曲线 中，水平轴表示时间(以场为单位)，垂直轴表示聚焦透镜的位置。
在该颤动操作中，在第一时间段(T1)中，聚焦透镜向近端移 动预定距离。随后，在第二时间段(T2)中，聚焦透镜在预定时间 内保持静止不动。然后，在第三时间段(T3)中，聚焦透镜向远端 移动预定距离。最后，在第四时间段(T4)中，聚焦透镜在预定时 间内再次保持静止不动。然后，颤动操作重复从第一到第四时间段 的移动和停止的过程。在第二时间_敬和第四时间萃史中测出对焦评估 值，并计算两个值的差，从而检测出颤动操作中的波动分量(微分 分量dy/dx )。

发明内容
同时，近年来已经提出了包含C-MOS (互补-金属氧化物半 导体)图像传感器作为光电转换元件的数码像机。CCD图像传感器和C-MOS图〗象传感器的最大区别在于，CCD 图像传感器通过CCD来传递各个像素的电荷，而C-MOS图像传感 器则通过逐行扫描来读取每个像素的信号。
由于C-MOS图像传感器通过逐行扫描来读取每个像素的信 号，因而各个图^象中的曝光定时(timing)不唯一且不相同。换句 话说，像素与像素之间的曝光定时各不相同。
例如，参照图3,如果比较场(field,也叫画面)的首像素与 尾像素间的曝光定时，则时间差基本上等于场周期。
为此，当通过执行颤动操作来计算对焦评估值的变化量时，聚 焦透镜可以在检测范围内的像素的曝光期间内移动。那么，对焦评 估值的变化量的检测灵敏度降低，使得不可能准确地高速执行自动 聚焦控制。
另外，如图4A所示，当通过移动聚焦透^:的扫描操作生成对 焦评估^直时，虽然对于C-MOS图4象传感器来i兌，聚焦透4竟可以在 检测范围内的像素的曝光操作过程中移动，但对于CCD图像传感 器不会产生任何问题，这是因为如图4C所示，对于所有的像素， 曝光定时是唯一并且相同的。于是，对焦评估值的4企测灵敏度也降 低了 ，使得不再可能准确地高速执行自动聚焦控制操作。
当摄取仅显示弱对比度的对象的图像时而发射LED(发光二极 管)激光束以进行自动聚焦控制时，如图4D所示的发光定时能够 满足CCD图像传感器，这是因为曝光定时对于所有的像素都是唯 一且相同的，但对于各个像素的曝光定时各不相同的C-MOS图像 传感器来说，在颤动操作或扫描操作中，针对检测范围内的像素的 曝光定时和LED激光的发光定时之间会产生差别。考虑到上述发现的问题，希望提供一种适于高速执行精确自动 聚焦控制操作的电子像机和自动聚焦方法。
根据本发明，提供了一种电子像机，包括图像传感器，用于 通过逐行扫描来曝光多个二维排列的光电转换元件，并通过从每个 光电转换元件读取电信号生成一见频信号；透4竟部，具有作为光学系 统的 一部分、用于会聚拍摄对象的图像并适用于调节拍摄对象的聚 焦位置的聚焦透镜，和用于向近端和远端移动聚焦透镜的移动控制 部；颤动控制部，用于产生颤动控制信号以使聚焦透镜进行重复一 系列操作的颤动操作，该一 系列操作包括在每2 x n ( n为自然数) 个场周期中，驱动聚焦透镜向近端移动预定距离的近端驱动操作、 在近端驱动操作后4吏聚焦透4竟在近端停止预定时间4殳的近端4f止 操作、在近端停止操作后驱动聚焦透镜向远端移动预定距离的远端 驱动梯:作、以及在远端驱动梯:作后4吏聚焦透#:在远端停止预定时间 段的远端停止操作；对焦评估值计算部，用于根据图像的预定范围 内的视频信号生成表示拍摄对象的图像的对焦程度的对焦评估值； 对焦方向确定部，用于计算颤动操作期间的对焦评估值的变化量， 并才艮据该变化量确定4吏聚焦透4竟焦点对准的方向；以及驱动部，用 于才艮据对焦评估^直和焦点对准方向驱动聚焦透4竟移动并〗吏焦点对 准，并纟艮据颤动控制信号驱动移动控制部。
在如上所述的才艮据本发明的电子傳^几中，颤动控制部适于生成 颤动控制信号，以使图像中预定范围的中心像素曝光期间内的中心 定时与近端停止才喿作期间的中心定时和远端停止才喿作期间的中心 定时基本上一致。
可替换地，在如上所述的根据本发明的电子像机中，颤动控制 部适于产生颤动控制信号，以-使用于生成对焦评估值的^象素的曝光 期间处于近端停止才喿作和远端停止才喿作的期间内。根据本发明，提供了一种与电子像机一起使用的自动聚焦方 法，该电子傳4几具有用于通过逐4亍扫描来曝光多个二维排列的光电 转换元件并通过从每个光电转换元件读取电信号来生成视频信号
的图像传感器，该方法包括以下步骤使用于调节拍摄对象的聚焦 位置的聚焦透镜进行重复一 系列操作的颤动操作，该一 系列操作包 括在每2xn (n为自然数)个场周期中，驱动聚焦透镜向近端移动
预定距离的近端驱动操作、在近端驱动操作后使聚焦透镜在近端停 止预定时间段的近端停止纟喿作、在近端停止#:作后驱动聚焦透4竟向 远端移动预定距离的远端驱动才喿作、以及在远端驱动才喿作后4吏聚焦 透镜在远端停止预定时间段的远端停止操作；根据图像的预定范围 内的视频信号生成表示拍摄对象的图像的对焦程度的对焦评估值； 以及为了焦点调节的目的，计算颤动4喿作期间的对焦评估1直的变4匕 量，根据该变化量确定使聚焦透镜焦点对准的方向，以及根据对焦 评估值和焦点对准方向驱动聚焦透4竟移动并4吏焦点对准。
在如上所述的根据本发明的自动聚焦方法中，图像的预定范围 内的中心像素的曝光时间段内的中心定时基本上与颤动操作中的 近端停止l喿作期间的中心定时和远端4f止才喿作期间的中心定时一致。
可替换地，在如上所述的根据本发明的自动聚焦方法中，用于 生成对焦评估值的像素的曝光期间位于颤动操作中的近端停止操 4乍和远端4f止l喿4乍其月间内。
根据本发明，提供了一种电子像机，包括图像传感器，用于 通过逐行扫描来曝光多个二维排列的光电转换元件，并通过从每个 光电转换元件读取电信号产生视频信号；透镜部，具有作为光学系 统的一部分、用于会聚拍摄对象的图像并适用于调节拍摄对象的聚 焦位置的聚焦透4竟、和用于向近端和远端移动聚焦透4竟的移动控制 部；扫描控制部，用于产生使聚焦透镜进行重复一系列操作的扫描操作的扫描控制信号，该一系列操作包括驱动聚焦透镜沿预定方向 移动预定距离的驱动#:作和在驱动#:作后停止预定时间*敬的停止 才喿作；对焦评估值计算部，用于才艮据图^f象中的预定范围的4见频信号
生成表示拍摄对象的图像的对焦程度的对焦评估值；以及驱动部，
用于根据对焦评估值驱动聚焦透镜移动并使焦点对准，并根据扫描 控制信号驱动移动控制部。
在如上所述的#4居本发明的电子傳4几中，扫描控制部适用于产 生扫描控制信号，以使图像中的预设范围的中心像素的曝光时间段 内的中心定时基本上与停止操作期间的中心定时一致。
可替换地，在如上所述的根据本发明的电子像机中，扫描控制 部适用于产生扫描控制信号，以使用于产生对焦评估值的像素的曝 光期间处于停止操作期间内。
根据本发明，提供了一种与电子像机一起使用的自动聚焦方 法，该电子像机具有用于通过逐行扫描来曝光多个二维排列的光电 转换元件并通过从每个光电转换元件读取电信号产生视频信号的
图像传感器，该方法包括下列步骤使用于调节拍摄对象的聚焦位 置的聚焦透镜进行重复一 系列操作的扫描操作，该一 系列操作包括 驱动聚焦透镜沿预定方向移动预定距离的驱动操作和在驱动操作 后停止预定时间段的停止操作；根据图像中的预定范围的4见频信号 生成表示拍摄对象的图像的对焦程度的对焦评估值；以及为了焦点 调节的目的，才艮据对焦评估值驱动聚焦透4竟移动并4吏焦点对准。
在如上所述的根据本发明的自动聚焦方法中，图像中的预定范 围的中心像素的曝光时间段内的中心定时基本上与停止操作期间 的中心定时一致。可替换地，在如上所述的才艮据本发明的自动聚焦方法中，用于 生成对焦评估值的像素的曝光期间处于停止操作期间内。
因此，在根据本发明的电子像机和自动聚焦方法中，图像中的 预定范围的中心 <象素的曝光时间l殳内的中心定时基本上与颤动搮: 作中的近端4亭止才喿作期间的中心定时和远端4亭止梯:作期间的中心 定时一致。
可替换地，在根据本发明的电子像机和自动聚焦方法中，用于 生成对焦评估值的像素曝光期间处于颤动操作中的近端停止操作 期间和远端4亭止操作期间内。
利用上述的任意一种配置，根据本发明的电子像机和自动聚焦 方法可以使颤动4喿作的定时与用于测出对焦评估值的像素的曝光 定时之间的关系最优化。因此，可以实现准确和高速的自动聚焦控制。
因此，在根据本发明的电子傳4几和自动聚焦方法中，图<象中的 预定范围的中心 <象素的曝光时间革殳内的中心定时基本上与停止搮: 4乍期间的中心定时一至丈。
可替换地，在4艮据本发明的电子傳4几和自动聚焦方法中，用于 产生对焦评估值的4象素的曝光期间处于停止才喿作期间内。
利用上述的任意一种配置，根据本发明的电子像机和自动聚焦 方法可以最优化扫描操作的定时与用于检测对焦评估值的像素的 曝光定时之间的关系。
12在根据本发明的电子像机和自动聚焦方法中，用于照射显示较 低亮度级的拍摄对象的辅助光源以短于曝光每个光电转换元件的 曝光时间的时间间隔发光。
利用这种配置，才艮据本发明的电子係4几和自动聚焦方法可以4吏 整个图像显示足够的亮度，以实现准确和高速的自动聚焦控制。


图1示出了对焦评估值相对于聚焦透镜位置的曲线图2示出了已知摄影机的聚焦透镜的颤动操作的示意图3示出了 C-MOS图像传感器的场的首像素的曝光定时与尾 像素的曝光定时之间的时间差的曲线图4示出了已知摄影机的聚焦透镜的扫描操作的示意图5示出了通过应用本发明所实现的摄影机的示意性框图6A~图6C示出了一个或多个冲企测范围以及特定区i^的示意
图7示出了计算确定用于聚焦透镜的移动控制信号的操作流程
图8A~图8C示出了通过应用本发明所实现的摄影机的聚焦透 镜的颤动操作(在四个场周期的情况下)的示意图9A-图9C示出了通过应用本发明所实现的摄影机的聚焦透 镜的颤动操作(在两个场周期的情况下)的示意图；图10A-图IOC示出了通过应用本发明所实现的摄影机的聚焦 透镜的扫描操作(在两个场周期的情况下)的示意图11A-图IIC示出了通过应用本发明所实现的摄影机的聚焦 透镜的扫描操作(在一个场周期的情况下)的示意图；以及
图12A-图12D示出了通过应用本发明所实现的摄影机的辅助 光源的发光操作(在一个场周期的情况下)的示意图。
具体实施例方式
下面，参照示出了根据本发明的电子摄影机(以下简称为摄影 机)的附图来描述本发明的实施例。
图5是通过应用本发明实现的摄影机10的示意性框图。
摄影机10包括透镜单元11、 C-MOS (互补-金属氧化物半导 体)图〗象传感器12、定时发生器13、傳4/M言号处理部14、对焦评 ^古j直^r测部15和4空制器16。
透镜单元11的内部包括聚焦透镜21和用于驱动聚焦透镜21 及其他透镜的透镜驱动部22。透镜单元11还包括其他的部件，例 如，包才舌变焦透4竟、用于截止入射光的红外线的红外截止滤4竟、用 于限制入射光的量的光圈片(aperture blade)和用于阻挡入射光的 扇形快门(sector)的光学系统，用于驱动光圈片的光圈驱动部，以 及用于驱动扇形快门的快门驱动部。
透镜单元11中的聚焦透镜21以其光轴与基本上从C-MOS图 像传感器12的光4妄收表面的中心延伸的垂直线一致的方式设置。 聚焦透镜21这样设置使其可以沿其光轴成直线地前后移动。形成 在C-MOS图像传感器12的光接收平面上的图像的对焦位置按照可
14移动聚焦透4竟21的位置的函凄丈移动。可移动聚焦透4竟21的位置由 控制器16经由透#:驱动部22控制。
c-mos图像传感器12将从拍摄对象经由透镜单元11进入到其 光接收平面上的成像光线以像素为基础转换成电子视频信号，并输 出该一见频信号。c-mos图i象传感器12由用于曝光定时和信号读取 定时的定时发生器13控制。注意，与ccd以相同且一致的定时被 共同曝光不同，c-mos图^f象传感器12对于不同的^象素以不同的定 时曝光，并且像素的信号通过连续扫描而读出。乂人c-mos图〗象传 感器12读出的视频信号被提供给像机信号处理部14。
定时发生器13生成各种同步信号，例如垂直同步信号。
像机信号处理部14执行模拟处理，包括对由c-mos图像传感 器12提供的视频信号进行采样处理和放大处理，通过a/d转换将 其凄t字化并对其进4于调整，包括y冲交正、白平衡等。在信号处理后， 像机信号处理部14将其转换为诸如ntsc系统的电视系统或记录 介质所要求的格式的数字视频信号，并将其输出到外部。
对焦评估值4企测部15以场为基础才艮据由像才几信号处理部14处 理的视频信号检测控制自动聚焦(af )特征所必须的对焦评估值e。 用于控制自动聚焦(af )特征所必须的对焦评估值e由图像的4企测 范围中的高频分量的量和对比度值确定。如果检测范围中的高频分 量的量很大，并且对比度很高，那么该检测范围就是焦点对准的。 相反，如果在检测范围中，高频分量的量很小，并且对比度很低， 那么该-险测范围就没有焦点对准。简言之，对焦评估值e表示图4象 测范围焦点对准的程度。
15通常，单个检测范围限定为如图6A所示的图像的中心。然而， 也可以在如图6B和图6C所示的图^f象中心外的4立置定义两个或多个
才企测范围。
由图6A、 6B和6C中的虚线表示的包括图像中所有检测范围 的区域以下被称作特定区域。
控制器16控制摄影机10的各个部件，以执行自动聚焦控制和 其他功能。
具有上述配置的摄影机10可以摄取拍摄对象的图像并输出视 频信号。然后输出的视频信号通常被记录在硬盘或光盘上和/或显示 在显示器屏幕上。
摄影机10装备有辅助光源17，使得拍摄对象即使在黑暗环境 中或逆光条件下，也显示足够强的对比度。辅助光源17通常包括 LED (发光二极管)激光器，并用激光束照射显示弱对比度的拍摄 对象。例如，可以使用LED激光器作为辅助光源17,并可以通过 适于记录光的振幅和相位的全息摄影三维地再现拍摄对象的图像， 从而使显示弱对比度的拍摄对象焦点对准。
接下来，将描述摄影机10的自动聚焦控制特征。
自动聚焦控制指的是在控制下自动移动聚焦透镜21、并对其进 行调节使拍摄对象焦点对准。当进行成像操作时，控制器16持续 运行自动聚焦控制，以在最优对焦状态下输出图像。下面将针对自 动聚焦控制描述颤动操作和扫描操作。
(颤动操作)现在参照图7描述通过计算来确定自动聚焦控制所需的、用于 驱动聚焦透镜21移动的移动控制信号的操作顺序(步骤SI ~步骤 S8)。注意，下面描述的步骤Sl 步骤S8的操作顺序是由控制器 16在颤动才喿作中针对每个场而^M亍的。
首先，控制器16,人对焦评估值4企测部15读取场的对焦评估^直 E (步骤Sl )。
然后，控制器16根据读取的对焦评估值E和前一个场的对焦 评估值E计算确定对焦评估值的樣i分分量dE (步骤S2 )。
接下来，控制器16计算确定用于驱动聚焦透镜21到焦点精确 对准位置的移动控制信号(步骤S3)。换句话说，需要驱动聚焦透 镜21移动，以使对焦评估值位于山状曲线的顶部。为此，控制器 16才艮据对焦评估^f直E和孩吏分分量dE来计算确定/人聚焦透4竟21的 当前位置到焦点精确对准的位置的距离和方向，并才艮据通过计算确 定的距离和方向生成用于驱动聚焦透4竟21 乂人当前位置向焦点精确 对准的位置移动的移动控制信号。
然后，控制器16判断下一个场是否是将被;微小移向远端或移 向近端以进行颤动4喿作的场(步骤S4)。如果下一场是要进行颤动 才喿作的场，则控制器16在步骤S5中计算确定颤动量。另一方面， 如果下一场不是要进行颤动操作的场，控制器16在步骤S6中选择
颤动量为0。
然后，控制器16才艮据在步骤S5或S6中计算确定的颤动量来 产生用于驱动聚焦透镜21向远端或近端微小移动的颤动控制信号 (步骤S7 )。
17其后，控制器16将在步骤S3中确定的移动控制信号和在步骤 S7中确定的颤动控制信号相加，产生用于聚焦透镜21的总移动控
制信号。
然后，控制器16将以上述方式确定的总移动控制信号应用到 透镜驱动部22。透镜驱动部22 4艮据总移动控制信号来驱动聚焦透 镜21。结果是，可以使摄影机10最优地调节视频信号的焦点。
现在，将参照图8A至图9C更具体地描述4聂影才几10的颤动才喿作。
图8A和图9A示出了当仅应用一个颤动控制信号时(换言之， 当用于驱动聚焦透镜21向焦点精确对准位置移动的移动控制信号 为0时)聚焦透4竟21的移动。具体而言，在图8A和图9A的曲线 图中，水平轴表示时间，垂直轴表示聚焦透4竟21的位置。图8B和 图9B示出了乂人定时发生器13I命出的^L频信号的垂直同步4言号的定 时。图8C和图9C示出了位于特定区域中心处的像素(例如，图 6A至图6C中的^象素c)的曝光的定时。
图8A至图8C示出了在颤动才喿作具有四个场周期的情况下的 颤动才乘作，而图9A至图9C示出了在颤动才喿作具有两个场周期的情 况下的颤动搮:作。
在摄影机10的颤动操作中，首先在第一期间(Tl)中，驱动 聚焦透镜21向近端移动预定距离。该预定距离是根本不会影响摄 取图像的非常小的距离。然后，在第二期间(T2)中，聚焦透镜21 被强制停止预定时间段。其后，在第三期间(T3)中，驱动聚焦透 镜21向远端移动预定距离。接下来，在第四期间(T4)中，聚焦 透镜21被强制停止预定时间段。其后，重复从第一期间到第四期 间的才喿作循环。控制器16生成使聚焦透镜21以上述方式操作的颠动控制信号。
此外，控制器16以聚焦透4竟21的颤动，喿作的一个循环等于2 xn (n是自然数)个场期间的方式来产生颤动控制信号。
同时，控制器16以下面的方式产生颤动控制信号，如果从垂 直同步信号到第一期间(Tl)的开始定时的时间段或从垂直同步信 号到第三期间(T3)的开始定时的时间段等于t0,则时间段t0产 生具有由下面公式(1 )表示的值的颤动控制信号。
<formula>formula see original document page 19</formula>
在公式(1 )中，hs表示从垂直同步信号到由C-MOS图像传感 器12读:f又特定区i或中的第一^f象素的定时的时间^殳。例如，如果 C-MOS图l象传感器12适于连续地从图^f象的左上角向右下角扫描图 像以读取像素的信号，则hs是从垂直同步信号到读取位于特定区域 的左上角处的4象素(图6A到图6C中的^f象素s)的信号的定时的时 间段。
在公式(1)中，he表示从垂直同步信号到由C-MOS图像传 感器12读取特定区域中的最后一个4象素的定时的时间,殳。例如， 如果C-MOS图像传感器12适于连续地从图像的左上角向右下角扫 描图像以读取像素的信号，则he是从垂直同步信号到读取位于特 定区域的右下角处的像素(图6A到图6C中的像素e)的信号的定 时的时间4爻。
在公式(l)中，s表示每个像素的曝光时间(电子快门的打开 时间)。在公式(1)中，V表示场周期。
在公式(1)中，n表示由n=T/ (2xv)表示的值，其中T是 颤动纟喿作的循环周期。注意n是自然凄史。
在公式(1)中，d表示在颤动操作中的移动时间。
在公式(1 )中，s表示用于校正聚焦透镜21的机械延迟的参数。
由7>式(1)可以看出，如图8所示，通过控制聚焦透4竟21的 颤动操作的相位，可以使特定区域的中心像素的曝光期间内的中心 定时tx与第二期间(T2)的中心定时ty及第四期间(T4)的中心 定时一致。
换句话说，可以使颤动操作中的近端停止操作期间的中心定时 和远端4亭止才喿作期间的中心定时与用来4企测对焦评估值的1象素的 曝光期间内的中心定时一致。因此，控制器16可以4吏在用于4企测 对焦评估值的像素的曝光期间内由于颤动操作引起的透镜移动的 可能性降至最小。
另外，乂人/>式(1 )可以看出，作为聚焦透4竟21的颤动才喿作的 相位控制结果，即使在用于检测对焦评估值的像素的曝光期间内产 生了透镜的移动，也可以使在第二期间(T2)中(近端停止操作期 间)用于4企测对焦评估值的像素的曝光期间的长度等于在第四期间 (T4)中(远端停止操作期间)用于检测对焦评估值的像素的曝光 期间的长度。换句话i兌，可以4吏在第一期间(Tl)中(细孩史地向近 端移动的操作期间)用于检测对焦评估值的像素的曝光期间的长度 等于在第三期间(T3)中(细微地向远端移动的操作期间)用于检 测对焦评估值的像素的曝光期间的长度。
20因此，摄影机10可以使各个场中用于检测对焦评估值的有效
曝光期间彼此相等，并因此总是可以准确地检测对焦评估值中可能 存在的任意波动分量。
颤动纟喿作的相位是以下面的方式来控制的，4吏颤动纟喿作的停止 才喿作期间的中心定时与上述实施例中的特定区域的中心j象素的曝 光期间的中心定时 一致，以通过在用于检测对焦评估值的像素的曝 光期间内的颤动操作，使透镜的任何移动的可能性最小化。然而，
不采用控制中心定时以^吏其;f皮此一致，也可以^辜4奂地控制颤动才喿作 的相^f立以防止在用来才金测乂于焦;平估^直的所有〗象素的曝光期间内由 颤动操作引起的透镜的移动。
(扫描操作)
现在，将在下面描述通过以恒定速度驱动聚焦透4竟21来4企测 使对焦评估值最大的透镜位置的扫描操作。该自动聚焦控制操作是 由控制器16通过在进行图像摄取操作时向聚焦透镜21输出移动控 制信号来实现的。通过扫描操作进行自动聚焦控制是为了防止聚焦 透镜21在用于检测对焦评估值的像素的曝光期间内移动，这和上 述的颤动操作的情况 一样。
首先，控制器16通常驱动聚焦透镜21向最近的位置移动，以 在透镜单元11的可移动范围内开始扫描操作。当将聚焦透镜21驱 动至开始扫描操作的位置的操作完成时，聚焦透镜21通常移向无 限端以开始扫4笛。
控制器16从对焦评估值检测部15读取场(例如，从最近端向 无限端)的对焦评估值E,并计算确定用于以对焦评估^f直4立于山状 曲线的顶部的方式驱动聚焦透4竟21向焦点4青确对准位置移动的移动控制信号。然后，才艮据移动控制信号，控制器实际地驱动聚焦透
镜21移向被判断为焦点对准位置的位置。
下面将参照图IOA至图11C描述驱动聚焦透4竟移动的定时。
图IOA和图11A示出了当对其4又施加一个扫描控制信号时(换 言之，当用于驱动聚焦透4竟21移向焦点精确对准位置的移动控制 信号等于0时)聚焦透镜21的移动。具体地说，在图IOA和图11A 的曲线图中，水平轴代表时间，垂直轴代表聚焦透4竟21的位置。 图IOB和图11B示出了从定时发生器13输出的视频信号的垂直同 步信号的定时。图10C和图11C示出了位于特定区域中心的《象素(例 如，图6A至图6C中的^^素c)的曝光定时。
图IOA至图10C示出了在扫描操作具有两个场周期的情况下 的扫描操作，而图IIA至图11C示出了在扫描操作具有一个场周期 的情况下的扫描操作。
在摄影机10的扫描操作中，首先在第一期间(Tl)中，驱动 聚焦透镜21向远端移动预定距离。该预设距离是根本不会影响摄 取图像的很小的距离。然后，在第二期间(T2)中，聚焦透镜21 被强制停止预定时间段。其后，重复第一期间和第二期间的循环操作。
控制器16产生使聚焦透镜21按上述方式操作的扫描控制信号。
另外，控制器16以聚焦透镜21的扫描操作的一个循环等于n (n是自然数)个场周期的方式来产生扫描控制信号。
22同时，控制器16以下面的方法产生扫描控制信号，如果从垂 直同步信号到第一期间(Tl)的开始定时的期间等于tO,则期间tO 产生具有由下面公式(2)表示的值的扫描控制信号。
tO=(hs + he - s - (n x v) - d)/2 - s ...(2)
公式(2)与上述的公式(1 )相同，不过，当T表示扫描操作 的一个循环时，n表示由n=T/v (n为自然数)表示的值，其中d表 示扫描才喿作中的移动时间。
由公式(2)可以看出，如图10所示，通过控制聚焦透4免21 的扫描操作的相位，可以使在特定区域的中心像素的曝光期间内的 中心定时tx与第二期间(T2)的中心定时ty—致。
换句话说，可以使在扫描操作中的停止操作期间的中心定时与 用来检测对焦评估值的像素的曝光期间内的中心定时一致。因此， 控制器16可以<吏在用于4企测对焦评估值的<象素的曝光期间内由于 扫描操作引起的透镜移动的可能性最小化。
因此，摄影机10可以使各个场中用于检测对焦评估值的有效 曝光期间4皮此相等，并因此总是可以准确地4全测对焦评估值中可能 存在的任意波动分量。
扫描操作的相位是以下面的方式来控制的，使扫描操作的停止 才喿作期间的中心定时与上述实施例中的特定区^ 的中心^象素的曝 光期间的中心定时一致，以通过在用于检测对焦评估值的像素的曝 光期间内的扫描操作，使透镜的任何移动的可能性最小化。然而， 不采用控制中心定时以使其彼此一致，也可以替换地控制扫描操作 的相位以防止在用来4全测对焦评估<直的所有<象素的曝光期间内由 扫描操作引起的透镜的移动。(辅助光源的发光操作) 才妾下来将描述用于照射显示弱对比度的拍4聂对象的辅助光源
17的发光操作。与上述的颤动操作和扫描操作一样，辅助光源17 以下述方式发光，即，4吏发光期间的中心定时与特定区域的中心傳_ 素的曝光的中心定时一致，或使其在用于检测对焦评估值的所有像 素的曝光期间内发光。利用这种配置，可以实现准确和高速的自动 聚焦控制。
然而，当辅助光源像上述的颤动操作和扫描操作一样操作用于 发光、并使用C-MOS图〗象传感器时，辅助光^f义对部分图像照射。 那么，那么，例如，如果用LED激光器作为辅助光源17,而且显 示弱对比度的拍摄对象是通过用于记录光的振幅和相位的全息摄 影来焦点对准的，则很难获得足以再现三维拍摄对象的全息图。
虽然在颤动才喿作或扫描才喿作的所有循环周期内通过照射辅助 光可以获得满意的全息图，但仍然按照例如ISO (国际标准化组织) 标准的安全标准限定了 LED激光器的输出能量的上限。
因此，利用4艮据本发明的自动聚焦方法，辅助光源17 ^皮驱动 以比曝光时间短的间隔发光以满足安全标准，并使显示弱对比度的 拍摄对象显示足够的亮度。
图12A至图12D示出了当驱动辅助光源17以比曝光周期快8 倍的周期发光时的发光操作。图12A示出了聚焦透镜21的操作， 而图12B示出了由定时发生器13输出的视频信号的垂直同步信号 的定时。图12C示出了位于特定区域的中心位置的像素(例如，图 6A至图6C中的像素c)的曝光的定时，以及图12D示出了辅助光 源17的发光的定时。注意，图12A至图12D示出了当扫描操作的 周期等于一个场周期时的发光操作。因此，辅助光源17根据垂直同步信号，在每个垂直同步期间/2n (n为自然数)时发射光脉冲。打开时间和关闭时间的比可以进行 调整，从而驱动辅助光源17以短于曝光时间的脉冲间隔发光，以 满足安全标准，并获得在整个图像区域都显示足够亮度的图像。结 果是，可以获得足以再现三维拍才聂对象的全息图。因此，可以实现 准确和高速的自动聚焦控制。
以上所述^f义为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发 明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进 等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1. 一种电子像机，包括图像传感器，用于通过逐行扫描来曝光多个二维排列的光电转换元件，并通过从每个所述光电转换元件读取电信号生成视频信号；透镜部，具有作为光学系统的一部分、用于会聚拍摄对象的图像并适用于调节所述拍摄对象的聚焦位置的聚焦透镜，和用于向近端和远端移动所述聚焦透镜的移动控制部；颤动控制部，用于产生颤动控制信号以使所述聚焦透镜进行重复一系列操作的颤动操作，所述一系列操作包括在每2×n(n为自然数)个场周期中，驱动所述聚焦透镜向所述近端移动预定距离的近端驱动操作、在所述近端驱动操作后使所述聚焦镜头在所述近端停止预定时间段的近端停止操作、在所述近端停止操作后驱动所述聚焦透镜向所述远端移动预定距离的远端驱动操作、以及在所述远端驱动操作后使所述聚焦透镜在所述远端停止预定时间段的远端停止操作；对焦评估值计算部，用于根据所述图像的预定范围内的视频信号生成表示所述拍摄对象的图像的对焦程度的对焦评估值；对焦方向确定部，用于计算所述颤动操作期间的对焦评估值的变化量，并根据所述变化量确定使所述聚焦透镜焦点对准的方向；以及驱动部，用于根据所述对焦评估值和焦点对准方向驱动所述聚焦透镜移动并使焦点对准，并根据所述颤动控制信号驱动所述移动控制部；所述颤动控制部适于产生所述颤动控制信号，以使用于生成所述对焦评估值的像素的曝光期间处于所述近端停止操作和所述远端停止操作的期间内。
2. —种与电子像机一起使用的自动聚焦方法，所述电子像机具有 用于通过逐行扫描来曝光多个二维排列的光电转换元件、并通 过从每个所述光电转换元件读取电信号生成视频信号的图像传感器，所述方法包括下列步骤使用于调节拍摄对象的聚焦位置的聚焦透镜进行重复一 系列操作的颤动操作，所述一 系列操作包括在每2 x n ( n为自 然数)个场周期中，驱动所述聚焦透镜向近端移动预定距离的 近端驱动#:作、在所述近端驱动，乘作后4吏所述聚焦透4竟在所述近端停止预定时间段的近端停止#:作、在所述近端停止#:作后驱动所述聚焦透4竟向远端移动预定距离的远端驱动才喿作、以及 在所述远端驱动纟喿作后使所述聚焦透4竟在所述远端停止预定时间段的远端停止操作；才艮据所述图〗象的预定范围内的^L频信号生成表示所述拍 摄对象的图像的对焦程度的对焦评估值；以及为了焦点调节的目的，计算所述颤动纟喿作期间的对焦评 估值的变化量，根据所述变化量确定使所述聚焦透镜焦点对准 的方向，以及才艮据所述对焦评估值和焦点对准方向驱动所述聚 焦透4竟移动并4吏焦点对准；用于生成所述对焦评估值的4象素的曝光期间位于所述颤 动才喿作中的所述近端停止才喿作和所述远端停止才喿作期间内。
3. —种电子傳4几，包4舌图像传感器，用于通过逐行扫描来曝光多个二维排列的 光电转换元件，并通过从每个所述光电转换元件读取电信号产 生视频信号；透镜部，具有作为光学系统的一部分、用于会聚拍摄对 象的图像并适用于调节所述拍摄对象的聚焦位置的聚焦透镜、 和用于向近端和远端移动所述聚焦透4竟的移动控制部；扫描控制部，用于产生使所述聚焦透镜进行重复一系列 操作的扫描操作的扫描控制信号，所述一系列操作包括驱动所 述聚焦透4竟沿预定方向移动预定距离的驱动l喿作和在所述驱 动操作后停止预定时间段的停止操作；对焦评估值计算部，用于;f艮据所述图像中的预定范围的 视频信号生成表示所述拍摄对象的图像的对焦程度的对焦评 估值；以及驱动部，用于4艮据所述对焦评估值驱动所述聚焦透4竟移 动并使焦点对准，并根据所述扫描控制信号驱动所述移动控制 部；所述扫描控制部适用于产生所述扫描控制信号，以使用 于产生所述对焦评估值的像素的曝光期间处于所述停止操作 期间内。
4. 一种与电子像机一起使用的自动聚焦方法，所述电子像机具有 用于通过逐4亍扫描来曝光多个二维排列的光电转换元件、并通 过从每个光电转换元件读取电信号产生视频信号的图像传感 器，所述方法包括下列步骤使用于调节拍摄对象的聚焦位置的聚焦透镜进行重复一 系列操作的扫描操作，所述一系列操作包括驱动所述聚焦透镜沿预定方向移动预定距离的驱动才喿作和在所述驱动才喿作后4f止预定时间段的停止操作；根据所述图像中的预定范围的视频信号生成表示所述拍 摄对象的图像的对焦程度的对焦评估值；以及为了焦点调节的目的，4艮据所述对焦评估值驱动所述聚 焦透4免移动并4吏焦点对准；用于生成所述对焦评估值的 <象素的曝光期间处于所述停止#:作期间内。
全文摘要
本发明提供了一种电子像机，适用于高速执行准确的自动聚焦控制操作。该电子像机包括C-MOS图像传感器；具有聚焦透镜的透镜部；颤动控制部，产生颤动控制信号以使聚焦透镜进行重复一系列操作的颤动操作；对焦评估值计算部，根据图像的预定范围内的视频信号生成表示拍摄对象的图像的对焦程度的对焦评估值；对焦方向确定部，计算颤动操作期间的对焦评估值的变化量，并根据变化量确定使聚焦透镜焦点对准的方向；以及驱动部，根据对焦评估值和焦点对准方向驱动聚焦透镜移动并使焦点对准，并根据颤动控制信号驱动移动控制部。颤动控制部适于产生颤动控制信号，以使用于生成对焦评估值的像素的曝光期间处于近端停止操作和远端停止操作的期间内。
文档编号H04N5/232GK101489048SQ20091000625
公开日2009年7月22日 申请日期2005年7月1日 优先权日2004年7月2日
发明者竹本聪 申请人:索尼株式会社