CN102129115B - 焦点检测设备 - Google Patents

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Abstract

一种焦点检测设备，包括：焦点检测传感器，其通过配置多个线传感器对而构成，其中，各线传感器对接收已经通过被配置为形成被摄体图像的摄像镜头的不同光瞳区域的光束；感光度设置单元，用于设置所述多个线传感器对中的各线传感器对的感光度；选择单元，用于选择信号要用来进行焦点检测计算的线传感器对的线传感器；以及计算单元，用于使用所述选择单元所选择的线传感器的信号来进行焦点检测计算。

Description

焦点检测设备
技术领域
本发明涉及诸如数字照相机等的摄像设备中的焦点检测技术。
背景技术
传统上，作为照相机的自动焦点检测方法，通常相位差检测方法是众所周知的。在相位差检测方法中，已经通过摄像镜头的不同的出射光瞳区域的来自被摄体的光束在AF传感器的一对线传感器上形成图像。计算通过使该对线传感器对光进行光电转换所获得的一对被摄体图像的相对位置(以下称为相位差计算)，由此检测摄像镜头的散焦量。
例如，日本特开2003-222786号公报公开了现有技术的自动调焦用固态摄像设备。图13是示出日本特开2003-222786号公报所述的自动调焦用固态摄像设备的框图。AGC电路1103基于来自AF电路1101的最大值信号进行累积时间控制。增益可变型信号放大电路1106基于最大值信号和最小值信号之间的差信号进行增益控制。信号放大电路1106基于最小值信号输出信号。通过累积时间控制和增益控制来提高传感器的动态范围。
然而，在日本特开2003-222786号公报所公开的技术中，在自动调焦用固态摄像设备的输出端子的前级进行信号放大电路所进行的增益控制。如果该信号放大电路之前的S/N比差，则不能提高该S/N比。
当传感器的感光度低、并且被摄体的亮度非常低时，需要较长的累积时间来精确计算相位差。此时，由暗电流所产生的噪声或电路中的噪声相对于累积信号大得不可忽视，因此不能获得良好的S/N比。另一方面，当传感器的感光度高、并且被摄体的亮度非常高时，传感器受光散粒噪声影响大，因此不能获得良好的S/N比。在AF传感器电路中，信号放大电路放大包括噪声的累积信号。因此，噪声被一起放大，从而导致S/N比较差的输出。
发明内容
考虑到上述问题而作出本发明，并且本发明使得自动焦点检测设备中使用的AF传感器可以在较宽的亮度范围内获得良好的S/N比。
根据本发明，提供一种焦点检测设备，包括：焦点检测传感器，其通过配置多个线传感器对而构成，其中，各线传感器对接收已经通过被配置为形成被摄体图像的摄像镜头的不同光瞳区域的光束；感光度设置单元，用于设置所述多个线传感器对中的各线传感器对的感光度；选择单元，用于选择信号要用来进行焦点检测计算的线传感器对的线传感器；以及计算单元，用于使用所述选择单元所选择的线传感器的信号来进行焦点检测计算。
通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的照相机的配置的框图；
图2是示出根据第一实施例的照相机的光学系统的配置的图；
图3是示出根据第一实施例的焦点检测设备的光学配置的图；
图4A～4C是示出根据第一实施例的线传感器的配置和调焦点的图；
图5是示出根据第一实施例的AF传感器的配置的框图；
图6是用于解释根据第一实施例的控制PB信号和累积时间的方法的图；
图7A～7C是示出根据第一实施例的线传感器的像素的图；
图8是根据第一实施例的焦点检测操作的流程图；
图9A和9B是示出被摄体亮度和S/N比之间的关系的图；
图10是用于解释可靠性判断的图；
图11A和11B是用于解释图像一致度的图；
图12是根据第二实施例的焦点检测操作的流程图；以及
图13是传统的自动调焦用固态摄像设备的框图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细说明本发明的实施例。
第一实施例
图1是示出用作为根据本发明第一实施例的摄像设备的数字照相机的配置的框图。检测照相机的各种操作用的开关组214的信号输入电路204、图像传感器(摄像元件)206和AE传感器207连接至照相机用的微计算机(以下称为CPU)100。还连接有控制快门磁体218a和218b的快门控制电路208以及AF传感器101。CPU 100将信号215经由镜头通信电路205发送至摄像镜头300(图2)，从而控制焦点位置或光圈。通过开关组214的设置确定照相机的操作。
AF传感器101包括线传感器(line sensor)。CPU 100控制AF传感器101，以基于线传感器所获得的被摄体对比度分布检测散焦量，并且控制摄像镜头300(图2)的焦点位置。
CPU 100控制AE传感器207，以检测被摄体亮度，并且确定摄像镜头(未示出)的光圈值和快门速度。通过经由镜头通信电路205控制光圈值、通过经由快门控制电路208调节快门磁体218a和218b的通电时间来控制快门速度、并且控制图像传感器206，来进行摄像操作。
CPU 100包括诸如以下的存储电路209：ROM，其存储控制照相机操作要使用的程序；RAM，用于存储变量；以及EEPROM(电可擦除和可编程ROM)，用于存储各种类型的参数。
接着将参考图2来说明照相机的光学配置。经由摄像镜头300从被摄体输入的光束的大部分被快速返回镜305向上反射，从而在取景器屏幕303上形成被摄体图像。照相机的用户可以经由五棱镜301和目镜302观察该图像。摄像光束的一部分成分通过快速返回镜305并且被后侧的辅助镜306向下弯曲，从而经由视野掩模307、场透镜311、光圈308和二次成像透镜309在AF传感器(焦点检测传感器)101上形成图像。当处理通过对该图像进行光电转换所获得的图像信号时，可以检测到摄像镜头300的焦点状态。在摄像时，快速返回镜305上翻，以使得整体光束在图像传感器206上形成图像，并且被摄体图像被曝光。
本实施例的(由图2中从视野掩模307至二次成像透镜309的光学系统和AF传感器101构成的)焦点检测设备使用已知的相位差检测方法作为焦点检测方法。该设备可以检测画面内多个不同的区域的焦点状态。
图3示出与焦点检测有关的光学系统的详细配置。已经通过摄像镜头300的来自被摄体的光束被辅助镜306(图2)反射，从而在位于与摄像面共轭的面上的视野掩模307附近暂时形成图像。图3示出辅助镜306所反射的展开后的光路。视野掩模307是遮蔽画面中除焦点检测区域(以下还称为调焦点)以外的区域中的多余光的构件。
场透镜311具有在摄像镜头300的出射光瞳附近形成光圈308的各开口部的图像的功能。二次成像透镜309配置在光圈308后方。二次成像透镜309由一对透镜构成。各透镜与光圈308的一个开口部相对应。已经通过视野掩模307、场透镜311、光圈308和二次成像透镜309的光束在AF传感器101的线传感器上形成图像。AF传感器101的线传感器还被配置为形成来自摄像画面内不同的被摄体的光束的图像。
以下将参考图4A～4C来说明AF传感器101的线传感器和摄像画面内的调焦点之间的关系。
图4A是示出AF传感器101的线传感器的配置的图。线传感器102-1a和102-2a在彼此相对偏移(错开)时彼此邻接地平行配置。线传感器102-1b和102-2b也在彼此相对偏移(错开)时彼此邻接地平行配置。二次成像透镜309使线传感器102-1a和102-1b成对并且使线传感器102-2a和102-2b成对，从而构成线传感器102-1和102-2。该线传感器对102-1和102-2接收已经通过摄像镜头300的不同的光瞳区域的光束。检测从该线传感器对输出的两个图像之间的相位差，从而检测散焦量。同样，线传感器102-3和102-4以及线传感器102-5和102-6也错开。也就是说，这两个线传感器对按在线传感器的长边方向上彼此偏移的方式配置。
图4B示出线传感器102-1a和102-2a的配置的示例。为了便于说明，各线传感器由5个像素构成。线传感器102-1a包括光电二极管(光接收部)60-U1～60-U5，并且线传感器102-2a包括光电二极管(光接收部)60-L1～60-L5。光电二极管60-U1～60-U5和光电二极管60-L1～60-L5按相同的像素间距配置。注意，如后面将说明的，各像素不仅包括光电二极管，而且还包括开关、电容和放大电路。然而，图4B仅示出光电二极管和元件分离区域61，而省略了开关、电容和放大电路。在遮光层62中以邻接光电二极管形成区域的方式形成开关、电容和放大电路。
图4C是示出取景器中显示的调焦点的配置、和由AF传感器101的线传感器形成的AF视野的图。线传感器102-1和102-2配置在调焦点1处，线传感器102-3和102-4配置在调焦点2处，并且线传感器102-5和102-6配置在调焦点3处。一组彼此接近的两个线传感器配置在一个调焦点处，并且(通过使这些线传感器错开)使像素间距均等减半。这使得可以提高针对高频被摄体的焦点检测精度。
将参考图5的框图来说明AF传感器101的详细电路配置。线传感器102a和102b对二次成像透镜309所形成的被摄体图像进行光电转换，并且累积这些被摄体图像作为电荷。放大电路将所累积的电荷输出作为电压。线传感器102a和102b具有各线用的感光度切换电路103。线选择电路104选择线传感器102a和102b的多个线中的一个线。线选择电路104具有将线传感器累积信号发送至后面要说明的PB对比度检测电路的功能。
PB对比度检测电路105在线选择电路104所选择的线的像素信号中检测最大信号(以下称为Peak信号)和最小信号(以下称为Bottom信号)。将Peak信号和Bottom信号之间的差信号(以下称为PB信号)输出至累积停止判断电路106。
图6是示出从PB对比度检测电路105输出的PB信号的信号量和累积时间之间的关系的图。累积时间“0”是累积开始时刻。PB信号的量随着时间经过而增加。累积停止判断电路106将PB信号与累积停止水平进行比较。在PB信号已经超过累积停止水平时，累积停止判断电路106将累积停止信号输出至线传感器102a和102b，以停止线选择电路104所选择的线的像素的累积。累积停止判断电路106还将累积结束信号和累积已经结束的线的信息输出至CPU 100。如果PB信号在预定时间内未达到目标值，则累积停止判断电路106将累积停止信号输出至线传感器102a和102b以强制停止累积。
CPU 100驱动移位寄存器107，从而将线传感器102a和102b中累积的各像素的像素信号输出至输出电路108。输出电路108从该像素信号提取对比度成分，进行例如放大该信号的处理，并将该信号输出至CPU 100的A/D转换器(未示出)。
图7A是示出线传感器的像素的详细配置的电路图。参考图7A，线传感器包括传感器像素电路单元和噪声去除电路单元。传感器像素电路单元包括：光电二极管PD，电容CL、CPD和CS，电流源1，电流源2，MOS晶体管M 1、M2、M3、M4和M5，以及开关SWRE S、SWSENS和SWCH。噪声去除电路单元包括：电容CCLAMP，放大电路AMP1，以及开关SWPTS1、SWPTS2、SWPTN1、SWPTN2、SWCLAMP和SWPHn。电压VRES是复位电位，并且电压VCLAMP是钳位电压。输出VOUT连接至线选择电路104。电容CPD是光电二极管、MOS晶体管、开关和互连中生成的寄生电容。分别利用信号φRES、φSENS、φCH、φPTS1、φPTS2、φPTN1、φPTN2、φCLAMP和φPHn对开关SWRES、SWSENS、SWCH、SWPTS1、SWPTS2、SWPTN1、SWPTN2、SWCLAMP和SWPHn进行开/闭控制。
将参考图7B的时序图来说明电路的操作。首先，利用信号φSENS设置感光度。当信号φSENS处于低电平时，开关SWSENS断开。仅电容CPD连接至晶体管M1，从而以高感光度设置传感器。当信号φSENS处于高电平时，开关SWSENS接通。电容CPD和CL连接至晶体管M1，从而以低感光度设置传感器。以下将说明低感光度时的操作。
接通开关SWRES、SWCH、SWPTN1、SWPTN2和SWCLAMP以复位电容CL、CS和CCLAMP。之后(像素复位之后)，顺次断开开关SWRES、SWPTN2和SWPTN1。设VOS1是传感器像素电路单元的偏移电压，VOS2是放大电路AMP1的偏移电压，并且VN 1是在断开开关SWSENS时产生的噪声电压。电容CCLAMP累积与VCP＝(VRES+VOS1+VOS2+VN1)-VCLAMP相对应的电荷并且存储噪声。接通开关SWPTS1以将电容CCLAMP连接至放大电路AMP1。之后，断开开关SWCLAMP以结束噪声存储操作。
接着，接通开关SWPTS2和SWPHn以开始信号累积。设S是累积信号，则通过以下给出传感器像素电路单元的输出VSENS。
VSENS＝VRES+VOS1+VN1+S
通过减去电容CCLAMP中存储的上述噪声电压来表示放大电路AMP1的输入VIN，并且通过以下给出该输入VIN。
VIN＝VSENS-VCP＝S-VOS2+VCLAMP
因此，通过以下给出传感器输出VOUT。
VOUT＝VIN+VOS2＝S+VCLAMP
按上述方式，噪声去除电路单元在输出累积信号时从该累积信号去除噪声，由此精确地检测PB对比度。
当结束累积时，断开开关SWCH以将电荷保持在电容CS中。
当读出信号时，线选择电路104选择要进行读取访问的线传感器。根据来自移位寄存器107的信号，顺次接通开关SWPHn以将该信号输出至输出电路。此时，如同信号累积一样，获得噪声去除电路单元去除了噪声的累积信号。
图7C是示出当亮度恒定时、累积时间和输出电压之间的关系的图。累积时间“0”是累积开始时刻。输出电压随着时间经过而增加。以高感光度设置的线传感器的输出电压的斜率比以低感光度设置的线传感器的输出电压的斜率大。
将基于图8的流程图来详细说明具有上述配置的焦点检测设备的操作。在通过操作开关组214接收到焦点检测开始信号时，CPU 100控制AF传感器101以开始焦点检测操作。在步骤S700中，通过操作开关组214选择焦点检测周的调焦点。例如，选择图4C所示的调焦点1。
在步骤S701中，CPU 100控制AF传感器101，从而使感光度切换电路103设置线传感器的感光度。在该例子中，以高感光度设置线传感器102-1，并且以低感光度设置线传感器102-2。
在步骤S702中，CPU 100控制AF传感器101，以利用线传感器102-1和102-2开始信号累积操作。在步骤S 703中，进行累积停止判断操作。CPU 100检测从AF传感器101输出的累积停止信号。重复步骤S703中的操作，直到检测到累积停止信号为止。在检测到累积停止信号时，处理进入步骤S704中的信号读出操作。在步骤S704中，读出像素信号。
在步骤S705、S706和S707的可靠性判断处理中，根据被摄体的对比度和亮度信息判断像素信号的可靠性。基于判断结果来切换线传感器。将解释像素信号可靠性判断。图9A和9B示出被摄体亮度和AF传感器输出的S/N比之间的关系。
图9A是被摄体对比度高于预定值Cth时的图。当被摄体亮度高时，对累积进行控制，从而使PB信号恒定。因此，S/N比具有预定值。在该亮度范围中，光散粒噪声占主导。与以高感光度设置的线传感器相比，以低感光度设置的线传感器具有较宽的像素单元的动态范围。由于该原因，S/N比恒定时的亮度高，并且光散粒噪声的影响小。因此，与以高感光度设置的线传感器相比，高亮度时的S/N比较高。设L1是低感光度的线传感器的S/N比＞高感光度的线传感器的S/N比时的亮度。
当被摄体的亮度低时，线传感器的PB信号量在预定累积时间内没有达到累积停止水平，并且强制停止累积。在比强制停止累积时的亮度低的亮度处，AF传感器输出的S/N比急剧劣化。这是因为，尽管由暗电流所产生的噪声或电路中的噪声没有改变，但信号量减少。在以高感光度设置的线传感器中，强制停止累积时的亮度低，并且与以低感光度设置的线传感器相比，低亮度时的S/N比较高。设L2是高感光度的线传感器的S/N比＞低感光度的线传感器的S/N比时的亮度。
当被摄体的亮度在L 1和L2之间时，以低感光度设置的线传感器和以高感光度设置的线传感器的S/N比几乎相同，其中，该S/N比随着亮度升高而增大。
图9B是被摄体对比度等于或低于预定值Cth时的图。当被摄体亮度低时，由于来自线传感器的信号是被摄体的对比度成分，因此振幅小。由于该原因，因为S/N比容易受高亮度时的光散粒噪声或者低亮度时由暗电流所产生的噪声或电路中的噪声极大影响，因此S/N比整体劣化。设L 3是高亮度时、低感光度的线传感器的S/N比＞高感光度的线传感器的S/N比时的亮度。在这种情况下，L1＞L3。另一方面，设L4是低亮度时、高感光度的线传感器的S/N比＞低感光度的线传感器的S/N比时的亮度。在这种情况下，L2＜L4。
图10示出被摄体对比度和亮度、线传感器感光度以及焦点检测计算精度之间的关系。当被摄体对比度低时，各种类型的噪声的影响大，并且在各感光度设置时可以进行可靠的焦点检测计算的亮度范围变窄。
在步骤S 705中，CPU 100基于所读出的信号判断被摄体对比度是否大于预定阈值。该阈值是Cth。如果被摄体对比度大于Cth，则在步骤S 706中判断被摄体亮度。基于所读出的信号和累积时间计算该被摄体亮度。可选地，可以使用AE传感器207的测量结果。如果在步骤S 706中亮度高于L1，处理进入步骤S708，以使用以低感光度设置的线传感器102-2的信号进行焦点检测计算。如果亮度低于L2，则处理进入步骤S709，以使用以高感光度设置的线传感器102-1的信号进行焦点检测计算。如果亮度在L2～L1(包括这两者在内)的范围内，则处理进入步骤S710，以使用线传感器102-1和102-2的信号的和进行焦点检测计算。
在步骤S 705中判断为被摄体对比度等于或小于Cth时，在步骤S707中判断被摄体亮度。如果在步骤S707中亮度高于L3，则处理进入步骤S711，以使用以低感光度设置的线传感器102-2的信号进行焦点检测计算。如果亮度低于L4，则处理进入步骤S712，以使用以高感光度设置的线传感器102-1的信号进行焦点检测计算。如果亮度在L4～L3(包括这两者在内)的范围内，则处理进入步骤S713，以使用线传感器102-1和102-2的信号的和进行焦点检测计算。
在步骤S714中，CPU 100基于在步骤S708～S713中计算出的散焦量，经由镜头通信电路205驱动并控制摄像镜头300的调焦透镜，由此结束这一系列的焦点检测操作。
在本实施例中，使用一个阈值来判断被摄体对比度。然而，可以使用多个阈值。在这种情况下，针对各阈值进行后续的亮度判断。可以根据累积时间计算亮度。可选地，可以通过运算表达式以可变的方式确定判断被摄体对比度要使用的阈值。可以基于线传感器对中的传感器的输出信号之间的图像一致度(信号一致度)来进行可靠性判断。图11A示出展现线传感器对的高图像一致度的可靠波形。图11B示出由于噪声等的影响、因而展现线传感器对的低图像一致度的不可靠波形。
如上所述，根据本实施例，通过以不同的感光度设置错开的两组线传感器来进行焦点检测。这使得可以在一次焦点检测操作时，使用以适当的感光度设置的线传感器来在较宽的亮度范围中检测被摄体的焦点。另外，在这两组线传感器均输出可靠的信号的亮度范围内，对这些信号进行相加以进行更加精确的焦点检测。
第二实施例
以下将参考图12来说明根据本发明第二实施例的焦点检测设备的操作。图12是在例如连拍模式下连续进行多次焦点检测操作时的第二次以后的焦点检测操作的流程图。第一次焦点检测操作与图8所示的第一实施例的焦点检测操作相同。
在第一次焦点检测操作中，选择调焦点1，以高感光度设置线传感器102-1，并且以低感光度设置线传感器102-2。
接着将说明第二次焦点检测操作。在步骤S800中，判断在前一次焦点检测操作中是否已经进行了使用以低感光度设置的线传感器的信号的焦点检测计算。如果在前一次焦点检测操作中已经进行了仅使用以低感光度设置的线传感器102-2的信号的焦点检测计算，则处理进入步骤S801，从而以低感光度设置线传感器102-1和102-2这两者。如果在前一次焦点检测操作中、已经使用以高感光度设置的线传感器102-1的信号与以低感光度设置的线传感器102-2的信号的和进行了焦点检测计算，则处理同样进入步骤S801，从而以低感光度设置线传感器102-1和102-2这两者。以低感光度设置线传感器使得能够在抑制光散粒噪声的影响时累积较多的电荷。如果在前一次焦点检测操作中已经进行了仅使用以高感光度设置的线传感器102-1的信号的焦点检测计算，则处理进入步骤S802，从而以高感光度设置线传感器102-1和102-2这两者。
在步骤S803中，CPU 100控制AF传感器101，以利用线传感器101-1和102-2开始信号累积操作。在步骤S804中，进行累积停止判断操作。CPU 100检测从AF传感器101输出的累积停止信号。重复步骤S804中的操作，直到检测到累积停止信号为止。在检测到累积停止信号时，处理进入步骤S805中的信号读出操作。
在步骤S805中，读出像素信号。在步骤S806中，使用线传感器102-1和102-2的信号的和进行焦点检测计算。在步骤S807中，CPU 100基于在步骤S806中计算出的散焦量，经由镜头通信电路205驱动并控制摄像镜头300的调焦透镜，由此结束这一系列的焦点检测操作。如同第二次焦点检测操作一样，根据图12进行第三次以后的焦点检测操作。注意，同样，在连拍模式下，如同第一实施例一样，焦点检测设备可以进行信号的可靠性判断，并且改变操作所使用的线传感器。
如上所述，根据本实施例，在第一次焦点检测操作中，通过以不同的感光度设置错开的两组线传感器来进行焦点检测。自第二次起，通过以对于被摄体而言适当的感光度设置这两组线传感器、并且对信号进行相加来进行焦点检测。这使得可以更加精确地检测焦点。
尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改以及等同结构和功能。

Claims (9)

1.一种焦点检测设备，包括：
焦点检测传感器，其通过配置多个线传感器对而构成，其中，各线传感器对接收已经通过被配置为形成被摄体图像的摄像镜头的不同光瞳区域的光束；
感光度设置单元，用于针对所述多个线传感器对中的各第一线传感器对设置第一感光度，以及针对所述多个线传感器对中的各第二线传感器对设置第二感光度，其中，所述多个线传感器对的第一线传感器对每单位时间在所述第二感光度下的输出大于在所述第一感光度下的输出；
选择单元，用于选择线传感器对的线传感器，其中所选择的线传感器的信号要用来进行焦点检测计算；以及
计算单元，用于使用所述选择单元所选择的线传感器的信号来进行焦点检测计算。
2.根据权利要求1所述的焦点检测设备，其特征在于，所述选择单元判断线传感器的信号的可靠性，并且基于判断结果来选择信号要用来进行焦点检测计算的线传感器对的线传感器。
3.根据权利要求1所述的焦点检测设备，其特征在于，所述选择单元基于亮度和对比度的信息或者线传感器对的信号之间的一致度的信息来判断线传感器的信号的可靠性，并且基于判断结果来选择信号要用来进行焦点检测计算的线传感器对的线传感器。
4.根据权利要求1所述的焦点检测设备，其特征在于，当连续进行多次焦点检测操作时，所述感光度设置单元在第一次焦点检测操作中以不同的感光度设置所述多个线传感器对的各线传感器，并且在第二次以后的焦点检测操作中以相同的感光度设置所有的所述多个线传感器对。
5.根据权利要求1所述的焦点检测设备，其特征在于，所述多个线传感器对中彼此邻接的两个线传感器对在线传感器的长边方向上彼此偏移。
6.根据权利要求1所述的焦点检测设备，其特征在于，所述感光度设置单元通过切换用以累积线传感器进行光电转换所得到的电荷的电容，来切换线传感器的感光度。
7.根据权利要求1所述的焦点检测设备，其特征在于，线传感器在所述感光度设置单元设置感光度之后进行像素复位。
8.根据权利要求1所述的焦点检测设备，其特征在于，线传感器包括噪声去除单元，所述噪声去除单元用于去除线传感器中产生的噪声。
9.根据权利要求8所述的焦点检测设备，其特征在于，所述噪声去除单元存储在像素复位之后产生的噪声，并且在信号输出时在从信号去除噪声之后输出该信号。
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