CN100385282C

CN100385282C - 焦点位置检测装置和方法

Info

Publication number: CN100385282C
Application number: CNB2006100064066A
Authority: CN
Inventors: 平井信也
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: CN1808202A; US7821567B2; US7557855B2; US20060203118A1; US20090237551A1

Abstract

一种焦点位置检测装置通过使用从图像检测元件得到的图像信号计算聚焦透镜的焦点位置。该装置包括：对预定距离范围获取聚焦状态的获取单元；控制获取单元、以在第一间隔和比第一间隔短的第二间隔获取聚焦状态的控制单元；和基于在第一或第二间隔得到的聚焦状态确定焦点位置的焦点位置检测单元。控制单元基于在第一间隔得到的聚焦状态改变是否在第二间隔上获取聚焦状态。

Description

焦点位置检测装置和方法

技术领域

本发明涉及适于基于从图像检测元件得到的视频信号执行聚焦操作的数字照相机、数字摄像机等的焦点位置检测装置和聚焦方法。

背景技术

在数字照相机、数字摄像机等中使用的一些自动聚焦装置(聚焦装置)用从图像检测(sensing)元件得到的视频信号产生用于评估聚焦状态的信号，并用该信号确定焦点位置。由于这种方法不需要专用于自动聚焦的传感器，因此该方法具有成本低、不存在视差和精度高的优点。但是，必须在预定的距离范围内驱动聚焦透镜，以依次产生评估信号。因此，当因为透镜的焦距较长或全孔径F值较小聚焦透镜需要在相对较宽的范围被驱动时，例如，存在花费很长的时间以得到焦点对准状态的缺点。

作为处理这种问题的方法，例如，已知的有日本专利No.2708904中说明的方法。在该发明中，通过相对粗略步骤搜索物体距离范围以指定评估值的极大值，并在通过精细步骤搜索该极大值附近的距离范围，以确定焦点位置。根据该方法，当搜索范围足够大时，由于与仅通过精细步骤搜索物体距离范围的情况相比，获取的数据的总数减少，因此，可以减少得到焦点对准(in-focus)状态的时间。

但是，在上述方法中，由于在在粗略步骤中搜索物体距离范围后，常执行精细步骤中的搜索，因此必须使聚焦透镜多次往复操作。因此，得到焦点对准状态有时需花费较长的时间(聚焦时间)。

发明内容

鉴于上述情况，产生了本发明，其目的在于，提供可以缩短聚焦时间同时保证聚焦精度的焦点位置检测装置和聚焦方法。

根据本发明，通过提供一种焦点位置检测装置实现上述目的，该焦点位置检测装置通过使用从图像检测元件得到的图像信号计算聚焦透镜的焦点位置，所述装置包括：对预定距离范围获取聚焦状态的获取单元；控制所述获取单元、以在第一采样间隔和比第一采样间隔短的第二采样间隔获取聚焦状态的控制单元；和基于在第一或第二采样间隔得到的聚焦状态确定焦点位置的焦点位置检测单元，其中，所述控制单元基于在第一采样间隔得到的聚焦状态改变是否在第二采样间隔获取聚焦状态，并且其中，所述控制单元控制所述获取单元，以对预定距离范围的一部分在第二采样间隔获取聚焦状态。

根据本发明，还通过提供一种焦点位置检测方法，实现上述目的，该焦点位置检测方法通过使用从图像检测元件得到的图像信号计算聚焦透镜的焦点位置，所述方法包括以下步骤：对预定的距离范围在第一采样间隔获取聚焦状态；基于在第一采样间隔获取的聚焦状态确定是否以比第一采样间隔短的第二采样间隔获取聚焦状态；当确定在第二采样间隔获取聚焦状态时，在第二采样间隔获取聚焦状态；以及当不在第二采样间隔获取聚焦状态时，基于在第一采样间隔获取的聚焦状态检测焦点位置，并且，当在第二采样间隔获取聚焦状态时，基于在第二采样间隔获取的聚焦状态检测焦点位置，其中，对预定距离范围的一部分在第二采样间隔获取聚焦状态。

通过结合附图阅读以下说明书，本发明的其它特征和优点将变得十分明显，其中，相同的附图标记表示相同或相似的部分。

附图说明

被加入说明书并构成其一部分的附图说明本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1示意性地表示根据本发明的实施例的包含焦点位置检测装置的数字照相机的示图；

图2是表示根据实施例的焦点位置检测装置的操作的流程图；

图3是表示精细步骤中的搜索需要的AF评估值的分布的第一例子的示图；

图4是表示低速移动聚焦透镜时的搜索需要的AF评估值的分布的第二例子的示图；

图5是表示低速移动聚焦透镜时的搜索需要的AF评估值的分布的第三例子的示图；

图6是表示两个图像的AF评估值的分布的例子，一个包含相对大量的高频分量，另一个包含相对少量的高频分量。

具体实施方式

现在根据附图详细说明本发明的优选实施例。

图1是示意性地表示根据本发明的实施例的包含焦点位置检测装置的数字照相机的示图；

光学系统1和聚焦透镜2被设置在根据本实施例的数字照相机中。图像检测元件3光电转换由光学系统1和聚焦透镜2聚焦的光。从图像检测元件3输出的模拟信号被包含用于去除输出噪声的相关二重抽样(CDS)电路和在模数(A/D)转换前执行放大的非线性放大器等的前端处理器4处理，并然后被A/D转换器5数字化。数字信号经由存储器控制器6被存储在存储器7中，并被信号处理电路(未示出)转换成图像数据，以被记录在记录介质8上。

将聚焦透镜2的焦点设在主要物体上的聚焦操作主要由控制单元11控制。在本实施例中，聚焦透镜驱动器12被构成为以两种不同的速度(高速和低速)驱动聚焦透镜2。

这里概要说明根据本实施例的聚焦操作。首先，聚焦透镜2以高速被聚焦透镜驱动器12驱动，并且，通过使用以预定的周期(atpredetermined period)检测的图像信号，AF评估值计算单元14计算与图像的对比度对应的信号(AF评估值)。

对于一个或两个或更多个由自动聚焦(AF)帧设置单元13设置的自动聚焦评估帧(AF帧)执行该计算。

AF评估值计算单元14如下所述执行与对比度对应的检测图像的信号(AF评估值)的计算。首先，AF评估值计算单元14在水平方向将选择性地通过预定频率的信号的带通滤波器应用于AF帧内从图像检测单元3的像素输出的图像数据的各行。然后，AF评估值计算单元14对各行从带通滤波器输出的信号中选择具有最大的绝对值的信号。然后，AF评估值计算单元14在垂直方向对选择的信号进行积分。因此，由于水平方向具有大对比度的信号被检测并在垂直方向被积分，因此信号的S/N比被提高。通过执行这种计算，可以获取在焦点对准状态中具有最大值且在散焦(defocus)状态中具有最小值的信号。因此，如果用得到这种信号的极大值(relative maximum)的聚焦透镜位置进行拍摄，可以获取被聚焦在物体上的图像。

在AF评估值被计算时，精细搜索判断单元15用该AF评估值判断是否需要通过低速移动聚焦透镜2进行聚焦操作。应注意，当以低速移动聚焦透镜2时，通过使用以与高速移动聚焦透镜2时相同的周期(period)检测的图像信号，计算AF评估值。因此，以低速移动聚焦透镜2与以高速移动其相比，获取AF评估值的聚焦透镜2的位置之间的距离较短。

当不必通过低速移动聚焦透镜2进行聚焦操作时，焦点位置确定单元16确定焦点位置，并然后将聚焦透镜2驱动到确定的位置。另一方面，当需要通过低速移动聚焦透镜2进行聚焦操作时，聚焦透镜2以低速被聚焦透镜驱动器12驱动。在AF评估值如上所述被计算后，焦点位置确定单元16确定焦点位置。然后，聚焦透镜2被移动到该焦点位置。开关9和10用于切换操作模式。例如，当开关9被操作时，执行聚焦操作，当开关10被操作时，执行图像检测和图像的记录。

现在参照图2中所示的流程图详细解释聚焦操作。

首先，在步骤S1中，聚焦透镜2被高速驱动，并且AF评估值计算单元14计算AF评估值。在步骤S2中，通过使用AF评估值，确定是否需要在低速移动聚焦透镜时的搜索。将在后面解释需要在低速移动聚焦透镜时的搜索的情况的细节。

在在步骤S2中确定是否需要在低速移动聚焦透镜时的搜索后，在步骤S3中，基于步骤S2中的确定的结果，当需要在低速移动聚焦透镜时的搜索时，流程分支到步骤S4，当不需要在低速移动聚焦透镜时的搜索时，流程分支到步骤S6。

当流程前进到步骤S4时，通过在通过高速移动聚焦透镜2获取的极大值附近低速移动聚焦透镜2，得到AF评估值。在步骤S5中，基于作为在低速移动聚焦透镜2时的搜索的结果获取的AF评估值，确定焦点位置。另一方面，当流程前进到步骤S6时，基于作为在高速移动聚焦透镜2时的搜索的结果获取的AF评估值，确定焦点位置。

在在步骤S5或S6中确定焦点位置后，在步骤S7中，聚焦透镜2被驱动到焦点位置，以得到焦点对准状态。

需要在低速驱动聚焦透镜2时的搜索的情况的例子包括以下三种情况。

第一例子是物体包含诸如细线的大量高频分量的情况。一般地，当聚焦透镜远离焦点位置时，当物体包含更高的频率分量时，AF评估值更快地衰减。在图6中，“A”表示物体的图像包含大量的高频分量的例子，“B”表示物体的图像不包含很多高频分量的例子。因此，AF评估值的下凹(concave-down)部分变窄，并且可在比所需的取样间隔大的取样间隔获取AF评估值。例如，在图3中所示的情况下，没有得到精确的焦点位置。换句话说，由于仅在下凹部分中的一个位置中获取AF评估值，因此焦点位置根据从下凹部分的哪一个位置获取AF评估值而波动。注意，在图3中，实心正方形表示取样被执行且AF评估值被获取的位置。

可以通过例如计算AF评估值的下凹部分的宽度判断是否可以仅用当高速移动聚焦透镜2时获取的AF评估值指定焦点位置。首先，使当高速移动聚焦透镜2时获取的AF评估值的位置为i＝1，2，...，N，并令在位置i获取的AF评估值为V(i)。然后，计算获取极大值(i＝I_max)的位置，并以i＝I_max、I_max+1、I_max+2等的次序计算“L(i)＝|V(i)-V(i+1)|”。位置i的数量(number)被计算，直到不等式“L(i)＞预定值”不再被满足。类似地，以i＝I_max-1、I_max-2等的次序计算位置i的数量。

当执行这种处理时，在图3中所示的例子中，由于当i＝I_max+1时和当i＝I_max-2时不等式“L(i)＞预定值”不再被满足，因此，满足不等式的位置i的数量总共有两个(当i＝I_max-1和I_max时)。因此，可以判断下凹部分的宽度为2。

简言之，当物体如上所述包含大量高频分量时的下凹部分的宽度的预定值被事先设置，并且将如上所述得到的下凹部分的宽度与预定值相比。当下凹部分的宽度等于或小于预定值时，判断下凹部分较窄且物体包含大量的高频分量。例如，参照图3，如果下凹部分的宽度的预定值事先被设为2，可以确定，AF评估值需要在以低速移动聚焦透镜2时被获取。

当AF评估值的最大值Vmax和最小值Vmin的差(下凹部分的高度)等于或小于预定值时，考虑到物体包含大量的高频分量、那么可以确定AF评估值需要在以低速移动聚焦透镜2时被获取。这是因此，当在下凹部分非常窄时获取AF评估值时，存在下凹部分自身不能被检测的可能性。

第二例子是在AF区中存在多个物体并且到各物体的距离不相同的情况。AF区是在检测的图像数据中获取用于AF评估值的信号的区域。一般地，在图像中设置单个或多个AF区。通过在取景器(或监视器)上显示与AF区对应的区域作为AF桢，拍摄者可以看到图像中的AF区的位置。

在在AF区中存在多个物体并且到各物体的距离不相同的情况下，存在AF评估值的多个峰值。如图4所示，当AF评估值的下凹部分的根部(feet)相互交迭时，不能从当以高速移动聚焦透镜2时获取的AF评估值确定焦点位置。

换句话说，很难清楚地辨别是否存在多个下凹部分，或者AF评估值只是因为噪声波动。因此，必须当以低速移动聚焦透镜2时得到AF评估值。

作在判断当在焦点评估区中存在多个物体时是否必须在以低速移动聚焦透镜2时得到AF评估值的方法，例如存在下述方法。根据该方法，当存在AF评估值的多个极大值且极大值之间的间隔等于或小于预定值时，确定需要在以低速移动聚焦透镜2时获取AF评估值。假定极大值之间的间隔的预定值被设为2，并且如图4中所示的AF评估值被获取。在这种情况下，由于在图4中极大值之间的间隔是2，因此确定需要在以低速移动聚焦透镜2时获取AF评估值。并且，在存在多个极大值并且数量等于或大于预定值的情况下，可以确定需要在以低速移动聚焦透镜2时获取AF评估值。

考虑到聚焦透镜2或物体的微小波动出现极大值的情况，例如，当出现表示AF评估值的变化非常小或出现照相机抖动的信号时，不必将被检测的极大值看到极大值。并且，只有等于或大于最大AF评估值的预定比的极大值才被看作极大值。

当多个物体(在图4中是两个物体)之间的距离变近时，如图5中所示的AF评估值可被获取。这是第三例子。在这种情况下，由于仅有一个AF评估值的极大值，因此不管多个物体是否以不同的距离存在，都不能用上述方法确定是否需要在以低速移动聚焦透镜2时获取AF评估值。

在这种情况下，可以例如如下所述确定是否需要在以低速移动聚焦透镜2时获取AF评估值。下面的方法利用这样一种事实，即，在当以高速移动聚焦透镜2时获取的多个AF评估值中，与只存在单个的下凹部分的情况相比，AF评估值的最大值和在相邻的测量位置获取的AF评估值之间的降低比率较小。

在这种方法中，通过使用AF评估值的最大值V(I_max)和邻近最大值V(I_max)的V(I_max-1)和V(I_max+1)，计算V(I_max)/V(I_max-1)和V(I_max)/V(I_max+1)。当V(I_max)/V(I_max-1)和V(I_max)/V(I_max+1)的至少一个等于或小于事先设置的预定值时，即，当AF评估值的变化较平缓时，可以识别多个下凹部分相互交迭，并且确定需要在以低速移动聚焦透镜2时获取AF评估值。

根据本发明的上述实施例，可以在保证足够的精度的同时减少聚焦时间。这是因为，对于可基于在以高速移动聚焦透镜时获取的AF评估值被聚焦的物体，焦点位置被确定，而不在以低速移动聚焦透镜时获取AF评估值。

并且，在只有当低速移动聚焦透镜时获取AF评估值才能确定适当的焦点位置的情况下，可以得到足够的聚焦精度。这是因为AF评估值是在低速移动聚焦透镜2时被获取的。

应当注意，在上述实施例中，用于得到AF评估值的周期是固定地，并且聚焦透镜2以高速或低速移动，由此AF评估值被获取的聚焦透镜位置之间的间隔在长和短之间变化。但是，改变间隔的方法不限于此，可以通过在固定聚焦透镜2的速度的同时使得到AF评估值的周期变长，使间隔变长。并且，可以通过在固定聚焦透镜2的速度的同时使得到AF评估值的周期变短，使间隔变短。

并且，可在得到AF评估值时使聚焦透镜2保持移动或暂停。

<其它实施例>

并且，可以通过以下步骤实现本发明：向系统或装置直接或间接供给实现上述实施例的功能的软件程序，用系统或装置的计算机读取供给的程序代码，并然后执行程序代码。在这种情况下，只要系统或装置具有程序的功能，那么实现的模式不必依赖于程序。

因此，由于本发明的功能由计算机实现，因此，被安装在计算机中的程序代码也实现本发明。换句话说，本发明的权利要求也包括用于实现本发明的功能的计算机程序。

在这种情况下，只要系统或装置具有程序的功能，那么程序可以以诸如目标代码、由解释器执行的程序或供给操作系统的临时数据(scrip data)的任何形式被执行。

可用于供给程序的存储介质的例子有：软盘、硬盘、光盘、磁光盘、CD-ROM、CD-R、CD-RW、磁带、非易失性存储卡、ROM和DVD(DVD-ROM和DVD-R)。

关于供给程序的方法，客户计算机可通过使用客户计算机的浏览器与因特网上的网站连接，并且本发明的计算机程序或程序的可自动安装的压缩文件可被下载到诸如硬盘的记录介质上。例如，可通过将构成程序的程序代码分成多个文件并从不同的网站下载文件，供给本发明的程序。换句话说，本发明的权利要求还包括通过计算机向多个用户下载实现本发明的功能的程序文件的WWW(万维网)服务器。

还可以在诸如CD-ROM的存储介质上对本发明程序加密和存储、将存储介质分发给用户、允许满足一定要求的用户经由因特网从网站上下载解密密钥信息、并允许这些用户通过使用密钥信息对加密的程序进行解密，由此，程序被安装在用户计算机中。

除了通过由计算机执行读取程序实现根据实施例的上述功能的情况外，在计算机上运行的操作系统等可以执行实际处理的全部或一部分，使得上述实施例的功能可由该处理实现。

并且，在从存储介质读取的程序被写入插入计算机中的功能扩展板或在与计算机连接的功能扩展单元中设置的存储器后，安装在功能扩展板或功能扩展单元上的CPU等执行实际处理的全部或一部分，使得上述实施例的功能可由该处理实现。

在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以形成本发明的许多明显地、大大不同的实施例，因此应当理解，除了所附的权利要求书限定的外，本发明不限于其具体实施例。

Claims

1.一种焦点位置检测装置，该焦点位置检测装置通过使用从图像检测元件得到的图像信号计算聚焦透镜的焦点位置，所述装置包括：

对预定距离范围获取聚焦状态的获取单元；

控制所述获取单元、以在第一采样间隔和比第一采样间隔短的第二采样间隔获取聚焦状态的控制单元；和

基于在第一或第二采样间隔得到的聚焦状态确定焦点位置的焦点位置检测单元，

其中，所述控制单元基于在第一采样间隔得到的聚焦状态改变是否在第二采样间隔获取聚焦状态，

并且其中，所述控制单元控制所述获取单元，以对预定距离范围的一部分在第二采样间隔获取聚焦状态。

2.根据权利要求1的焦点位置检测装置，其中，所述控制单元控制所述获取单元，以在没有基于在第一采样间隔获取的聚焦状态得到焦点位置时在第二采样间隔获取聚焦状态，并在基于在第一采样间隔获取的聚焦状态得到焦点位置时不在第二采样间隔获取聚焦状态。

3.根据权利要求1的焦点位置检测装置，其中，当所述控制单元控制所述获取单元不在第二采样间隔获取聚焦状态时，所述焦点位置检测单元基于在第一采样间隔获取的聚焦状态检测焦点位置，并且，当所述控制单元控制所述获取单元在第二采样间隔获取聚焦状态时，所述焦点位置检测单元基于在第二采样间隔获取的聚焦状态检测焦点位置。

4.根据权利要求1的焦点位置检测装置，其中，所述获取单元从图像信号获取聚焦状态评估值作为聚焦状态，并且，所述控制单元基于在第一采样间隔得到的聚焦状态评估值的分布改变是否在第二采样间隔获取聚焦状态。

5.根据权利要求4的焦点位置检测装置，其中，所述控制单元控制所述获取单元，以在在第一采样间隔获取的聚焦状态评估值的分布的下凹部分的宽度等于或小于预定阈值时，在第二采样间隔获取聚焦状态。

6.根据权利要求4的焦点位置检测装置，其中，所述控制单元控制所述获取单元，以在在第一采样间隔获取的聚焦状态评估值的分布的下凹部分的高度等于或小于预定值时，在第二采样间隔获取聚焦状态。

7.根据权利要求4的焦点位置检测装置，其中，所述控制单元控制所述获取单元，以在在第一采样间隔获取的聚焦状态评估值的分布的极大值的数量等于或大于预定值时，在第二采样间隔获取聚焦状态。

8.根据权利要求4的焦点位置检测装置，其中，所述控制单元控制所述获取单元，以当在在第一采样间隔获取的聚焦状态评估值的分布中，存在多个下凹部分并且下凹部分的局部最大值之间的距离等于或小于预定阈值时，在第二采样间隔获取聚焦状态。

9.根据权利要求4的焦点位置检测装置，其中，所述控制单元控制所述获取单元，以当在在第一采样间隔获取的聚焦状态评估值的分布中，聚焦状态评估值的最大值和在邻近获取最大值的位置的位置获取的聚焦状态评估值之间的差值的至少一个等于或小于预定阈值时，在第二采样间隔获取聚焦状态。

10.根据权利要求1的焦点位置检测装置，其中，通过在改变聚焦透镜的移动速度的同时，控制所述获取单元以固定的周期获取聚焦状态，所述控制单元在第一和第二采样间隔之间进行改变，对于第一采样间隔的移动速度比对于第二采样间隔的移动速度快。

11.根据权利要求1的焦点位置检测装置，其中，通过在控制所述获取单元以不同的周期获取聚焦状态的同时，执行控制来以固定的速度移动聚焦透镜，所述控制单元在第一和第二采样间隔之间进行改变，对于第一采样间隔的周期比对于第二采样间隔的周期长。

12.根据权利要求1的焦点位置检测装置，其中，第二采样间隔比第一采样间隔短，并且所述控制单元进行控制来对于第二采样间隔以比第一采样间隔慢的速度移动聚焦透镜。

13.一种图像检测装置，包括：

图像检测元件；

权利要求1中所述的焦点位置检测装置；和

进行控制、以用被设置在由所述焦点位置检测装置检测的焦点位置上的聚焦透镜执行图像检测操作的图像检测控制单元。

14.一种焦点位置检测方法，该焦点位置检测方法通过使用从图像检测元件得到的图像信号计算聚焦透镜的焦点位置，所述方法包括以下步骤：

对预定的距离范围在第一采样间隔获取聚焦状态；

基于在第一采样间隔获取的聚焦状态确定是否以比第一采样间隔短的第二采样间隔获取聚焦状态；

当确定在第二采样间隔获取聚焦状态时，在第二采样间隔获取聚焦状态；以及

当不在第二采样间隔获取聚焦状态时，基于在第一采样间隔获取的聚焦状态检测焦点位置，并且，当在第二采样间隔获取聚焦状态时，基于在第二采样间隔获取的聚焦状态检测焦点位置，

其中，对预定距离范围的一部分在第二采样间隔获取聚焦状态。

15.根据权利要求14的焦点位置检测方法，其中，从图像信号获取聚焦状态评估值作为聚焦状态。