CN102928197A - 聚焦检测器和包括聚焦检测器的镜头装置和图像拾取装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚焦检测器和包括聚焦检测器的镜头装置和图像拾取装置。该聚焦检测器用于基于两个图像之间的位移量来检测图像拾取光学系统的散焦量，该两个图像由从该图像拾取光学系统分开并且经过一对光瞳区域的两个光束形成，该聚焦检测器包括：两个透镜；两个相位差检测传感器，用于将由该两个透镜形成的两个对象图像光电转换成两个图像信号；第一相关性计算单元，用于基于参考像素数目划分该两个图像信号以对于每个划分区域计算图像位移量；波形一致度计算单元，用于在每个划分区域中计算该两个图像信号的一致度，在该每个划分区域中由该第一相关性计算单元计算图像位移量；和散焦量计算单元，用于基于由该波形一致度计算单元计算的该两个图像信号的一致度来计算散焦量。

Description

聚焦检测器和包括聚焦检测器的镜头装置和图像拾取装置

技术领域

本发明涉及诸如电视镜头或视频镜头之类的光学装置，更特别地，涉及用于自动聚焦功能的聚焦检测器、包括该聚焦检测器的镜头装置和包括该聚焦检测器的图像拾取装置。

背景技术

传统上，存在各种提议作为用于诸如照相机或摄像机之类的图像拾取装置的自动聚焦（AF）技术。例如，以下自动聚焦调节方法为大家所熟知。引导来自于对象的经过图像拾取镜头的不同的出射光瞳区域的光束以在一对线传感器上形成图像，并且对对象图像进行光电转换以便获得一对图像信号。然后，确定图像信号之间的相对位置位移量。基于此位移量，计算对象的散焦（defocus）量以便驱动图像拾取镜头以用于自动聚焦调节。

此使用相位差检测的AF系统可以由对象距离确定聚焦透镜的焦点对准（in-focus）位置，由此具有可以比对比度AF系统更快速地执行聚焦的特征。

日本专利申请公开No.2010-66712公开了一种如下的方法，即通过减少用于正常相位差检测的该对线传感器上的要经历相关性计算的像素的数目以便增大用于相关性计算的像素偏移量来增大聚焦检测的散焦范围，以便在不能执行通过相位差检测方法进行聚焦检测时降低在驱动聚焦透镜的同时自动进入用于检测聚焦偏移的扫描AF模式的概率。

但是，虽然日本专利申请公开No.2010-66712的方法可以增大聚焦检测的散焦范围，但是因为要经历相关性计算的像素的数目减少，所以检测精度退化。除此之外，当不同的对象距离处的多个对象的多个对象图像分别存在于AF传感器的该对线传感器上时，存在的问题在于易于发生错误的检测（存在于不同的线传感器上的不同的对象的对象图像被错误地检测为同一个对象的对象图像）。

发明内容

本发明提供一种用于基于一对图像之间的位移量来检测图像拾取光学系统的散焦量的聚焦检测器，该对图像由从该图像拾取光学系统分开并且经过一对光瞳区域的一对光束形成，该聚焦检测器包括：一对透镜；一对相位差检测传感器，用于将由该对透镜形成的一对对象图像光电转换成一对图像信号；第一相关性计算单元，用于基于参考像素数目划分该对图像信号以对于每个划分区域计算图像位移量；波形一致度计算单元，用于在每个划分区域中计算该对图像信号的一致度，在该每个划分区域中由该第一相关性计算单元计算图像位移量；和散焦量计算单元，用于基于由该波形一致度计算单元计算的该对图像信号的一致度来计算散焦量。

根据本发明，即使当不同的对象距离处的多个对象的多个对象图像分别存在于该对相位差检测传感器上时，也可以获得准确的距离测量结果而不出现错误的检测。因此，可以提供既能够实现聚焦检测精度的提高又能够实现散焦范围的增大的聚焦检测器。

通过下面参考附图对示范性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得明显。

附图说明

图1是包括本发明的实施例的聚焦检测器的变焦镜头装置的框图。

图2是本发明的实施例的聚焦检测器的框图。

图3是示出根据本发明的实施例的散焦量计算的流程图。

图4是两图像AF传感器波形图。

图5A是具有零偏移量的相关性计算像素图。

图5B是具有零偏移量的图像A的波形图。

图5C是具有零偏移量的图像B的波形图。

图6A是当图像B向左偏移时要经历相关性计算的像素的图。

图6B是当图像B向左偏移时的图像A的波形图。

图6C是当图像B向左偏移时的图像B的波形图。

图7A是当图像B向右偏移时要经历相关性计算的像素的图。

图7B是当图像B向右偏移时的图像A的波形图。

图7C是当图像B向右偏移时的图像B的波形图。

图8示出了相对于像素偏移量的两个图像之间的相关性量差别。

图9示出了两个图像相对于像素偏移量的波形一致度。

图10A是在左边区域中具有零像素偏移量的要经历相关性计算的像素的图。

图10B是在左边区域中具有零像素偏移量的图像A的波形图。

图10C是在左边区域中具有零像素偏移量的图像B的波形图。

图11A是在中间区域中具有零像素偏移量的要经历相关性计算的像素的图。

图11B是在中间区域中具有零像素偏移量的图像A的波形图。

图11C是在中间区域中具有零像素偏移量的图像B的波形图。

图12A是在右边区域中具有零像素偏移量的要经历相关性计算的像素的图。

图12B是在右边区域中具有零像素偏移量的图像A的波形图。

图12C是在右边区域中具有零像素偏移量的图像B的波形图。

图13示出了在左边区域中两个图像相对于像素偏移量的波形一致度。

图14示出了在右边区域中两个图像相对于像素偏移量的波形一致度。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示范性实施例。

[实施例]

图1是包括本发明的自动聚焦调节器件的变焦镜头装置100的框图。

变焦镜头装置100配备有图像拾取光学系统，包括聚焦透镜101、变焦透镜105、光阑挡板109、分束棱镜113和中继透镜114。聚焦透镜101由作为聚焦透镜驱动单元的聚焦电动机102驱动以在光轴方向上移动，以便在光轴方向上改变变焦镜头装置100的图像平面的位置。聚焦电动机102由聚焦驱动器103驱动。聚焦透镜101的位置由聚焦透镜位置检测器104检测。

变焦透镜105由变焦电动机106驱动以在光轴方向上移动以便改变变焦镜头装置100的焦距。变焦电动机106由变焦驱动器107驱动。变焦透镜105的位置由变焦位置检测器108检测。

光阑挡板109由光圈电动机110驱动，光圈电动机110由光圈驱动器111驱动。光阑挡板109的位置由光圈位置检测器112检测。

分束棱镜113将来自于对象的、在经过聚焦透镜101和变焦透镜105之后的光分成透射光和反射光。在经过分束棱镜113之后的光束（透射光）经过中继透镜114并且进入变焦镜头装置连接到的照相机装置等的图像拾取元件115等。此外，由分束棱镜113反射的光束（反射光）进入聚焦检测器117。聚焦检测器117计算一对图像信号之间的相位差以便计算散焦量。透镜控制器116基于聚焦检测器117获得的相位差来驱动聚焦透镜101并且控制变焦透镜105和光阑挡板109。

图2示出了聚焦检测器117的结构。由分束棱镜113反射的反射光进入AF传感器118。AF传感器118由一对相位差检测透镜和一对相位差检测传感器（线传感器）形成。由两个光束形成的、在经过一对光瞳区域之后并且由相位差检测透镜划分的一对图像（两个图像）由相位差检测传感器进行光电转换以使得产生图像信号。在相位差检测传感器中作为电荷积累的两个图像信号（亮度信号）被读出、提供给相关性计算处理器119（第二相关性计算单元）、并且存储在传感器波形存储器120中。

在下文中，参考图3所示的流程图描述用于计算本发明的自动聚焦调节器件中的散焦量的过程。

例示了图4所示的一对传感器波形（图像A和图像B）提供给相关性计算处理器119的情况。图4以重叠方式示出了该对传感器波形。图4所示的两个图像的传感器波形指示两个对象图像存在于该对传感器上（来自于不同的对象距离处的两个对象）。相关性计算处理器119对如图5A所示的相同位置的一对传感器像素（在虚线部分中的像素之间）执行相关性计算（图3中的步骤S301）。作为在该情况下的该对传感器波形的图像A和图像B分别如图5B和图5C所示。

这里，相关性计算是获得相关性值COR的计算，相关性值COR被获得为在用于比较图像A与图像B的整个像素范围内图像A和图像B的相应的像素数据之间的差的绝对值的和，并且通过以下等式（1）获得。

$\mathrm{COR}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}|A_i-B_i|...\left(1\right)$

其中A_i表示图像A的第i个像素值，B_i表示图像B的第i个像素值。

接着，图像A的传感器像素位置被固定而图像B的传感器波形逐个像素地向左偏移，以便类似地在图像A和图像B之间的相应像素的一部分中执行相关性计算。在这种情况下，在图6A中，像素按从左到右的次序被分配数字1、2等等。然后，当图像B的波形向左偏移k个像素时，假定总共像素的数目是n，则相关性量COR(k)（k≥0）通过将A₁到A_n-k与B_1+k到B_n进行比较的以下等式（1a）计算。

$\mathrm{COR}\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{n-k}{\mathrm{\Σ}}}|A_i-B_{i+k}|...\left(1a\right)$

重复顺序地逐个像素地向左偏移，直到要经历相关性计算的像素的数目变为预定值为止，如图6A所示。图6B和6C示出了当要经历相关性计算的像素的数目变为预定值（在这种情况下，例如为10个像素）时图像A和图像B的传感器波形。这里，要经历相关性计算的像素的数目的预定值是为了防止检测精度的降低而预先设置的像素的数目的下限，因为当用于相关性计算的像素的数目减小时，要经历聚焦检测的散焦范围增大，但是检测精度下降，以致错误的聚焦检测可能以高的概率发生。

接着，图像A的传感器像素位置被固定而图像B的传感器波形逐个像素地向右偏移以便执行相似的相关性计算。同样在这种情况下，图像B的波形向右偏移k个像素，并且A_1+k到A_n分别与B₁到B_n-k进行比较以便计算相关性量。假定当图像B的传感器波形向左偏移时，偏移的数目为正，以及当图像B的传感器波形向右偏移时，偏移的数目为负。在这种情况下，相关性量COR(k)（k≤0）由等式（1b）表达。

$\mathrm{COR}\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{n+k}{\mathrm{\Σ}}}|A_{i-k}-B_i|...\left(1b\right)$

重复顺序地逐个像素地向右偏移，直到要经历相关性计算的像素的数目变为预定值为止，如图7A所示。图7B和7C示出了当要经历相关性计算的像素的数目变为预定值（在这种情况下，例如为10个像素）时图像A和图像B的传感器波形。

在每个相关性计算过程完成之后，由等式（2）基于在偏移k个像素时的相关性量COR(k)和在偏移k+1个像素时的相关性量COR(k+1)来计算在偏移k个像素时两个图像之间的相关性量差ΔCOR(k)（图3中的步骤S302）。

ΔCOR(k)＝(COR(k)-COR(k+1))×N……(2)

其中N表示通过将在偏移的像素的数目k为零时要比较的像素的数目除以在偏移的像素的数目为k时要比较的像素的数目而获得的值，因为用于比较图像A与图像B的像素的数目取决于像素偏移量。在等式（2）中，乘以N是为了相对于要比较的像素的数目进行归一化。当像素偏移量k为零时，图像A和图像B中的所有像素（在此实施例中为55个像素）都要经历相关性计算。在这种情况下，要经历相关性计算的像素的数目变为最大。当图像A和图像B逐个像素地相对向左偏移和向右偏移时，要经历相关性计算的像素的数目逐个像素地减少。在此实施例中，当要经历相关性计算的像素的数目减小到作为预定的像素数目的10个像素时，用于图像A和图像B之间的相关性计算的偏移过程完成。当偏移像素量k为±45时，要经历相关性计算的像素的数目为10。

如果相关性量COR(k)为零，则图像A和图像B完全相等，在偏移量k处并且在要经历相关性计算的像素范围中它们之间不存在图像位移。通过估计相关性量差ΔCOR(k)，相关性量COR(k)从减小变为增大的位置可以被获得为像素偏移量k的焦点对准候选点，该焦点对准候选点的相关性量差ΔCOR(k)从负值变为正值以过零（在下文中，也称为过零点）。作为图8所示的相关性量差ΔCOR(k)，可以选择在两个图像之间的相关性量差ΔCOR(k)的过零点处的像素偏移量k作为焦点对准候选点的散焦候选值（图3中的步骤S303）。

两个图像的波形一致度如图9所示，使用如下的等式（3）的Min_COR(k)和等式（4）的Max_COR(k)。

$\mathrm{Min}\_\mathrm{COR}\left(k\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left\{\mathrm{Min}(A_i,B_{i-k})\right\}...\left(3\right)$

$\mathrm{Max}\_\mathrm{COR}\left(k\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left\{\mathrm{Max}(A_i,B_{i-k})\right\}......\left(4\right)$

其中A_i和B_i分别表示图像A和图像B的第i个像素的像素值（亮度），k表示像素偏移量，其中对于所有像素i计算和以比较图像A和图像B的像素值。此外，Min(x,y)和Max(x,y)是分别指示x和y中的较小和较大的一个的函数。

比较以像素偏移量（图8所示的像素偏移量A、B、C和D）（图像位移量）的两个图像之间的波形一致度（图9所示的以像素偏移量A、B、C和D的波形一致度），该像素偏移量是以图8所示的每个像素偏移量的两个图像之间的相关性量差ΔCOR(k)从负值变为正值以过零的点。这里，如果其中作为波形一致度的、Min_COR(k)和Max_COR(k)之间的差变成最小值的像素偏移量（A和B）被选择作为焦点对准点，则选择图6A和7A所示的像素偏移量。但是，这是在一对不同的相位差检测传感器上的不同的对象图像之间的相关性计算的结果，这是由于要经历相关性计算的像素数目少而引起的错误的检测。在本发明中，为了避免由于要经历相关性计算的像素数目少引起的错误的检测，代替通过直接由图3的步骤S303中确定的焦点对准候选点的散焦候选值估计两个图像的波形一致度来确定焦点对准候选点的散焦量，而是通过如下所述的步骤S304到S307的过程来确定焦点对准候选点。

在本发明中，在相关性计算处理器119中计算的像素偏移量的一个或多个候选值（图8所示的像素偏移量A、B、C和D）中要经历相关性计算的像素的数目（相关性计算像素数目）被发送给参考像素数目选择单元121。参考像素数目选择单元121选择提供的相关性计算像素数目当中的最小的像素数目作为用于再相关性计算的参考像素数目（图3中的步骤S304），并且读取存储在传感器波形存储器120中的两个图像的亮度波形信号，以便向再相关性计算处理器122（第一相关性计算单元）提供亮度波形信号。在这里示范的波形中，因为当在像素偏移量A处执行相关性计算时要经历相关性计算的像素的数目是作为焦点对准候选点的、像素偏移量A、B、C和D当中的最小的像素数目，所以其被选择为用于再相关性计算的参考像素数目。

再相关性计算处理器122划分从传感器波形存储器120读出的两个图像的波形信号以便作为参考像素数目（图3中的步骤S305），并且对划分后的区域的每一个再次执行相似的相关性计算（再相关性计算）（图3中的步骤S306）。

在图10A到12C中对于每一个区域示出了两个图像的划分后的传感器波形。

图10A示出了在该对传感器像素的相同的位置处左边区域中的像素的划分后的区域（在虚线部分的像素之间），以及图10B和10C示出了两个图像的传感器波形。

图11A示出了在该对传感器像素的相同的位置处中间区域中的像素的划分后的区域（在虚线部分的像素之间），以及图11B和11C示出了两个图像的传感器波形。

图12A示出了在该对传感器像素的相同的位置处右边区域中的像素的划分后的区域（在虚线部分的像素之间），以及图12B和12C示出了两个图像的传感器波形。

对于图10A、11A和12A所示的要经历计算的像素的每个区域，通过等式（2）对于像素偏移量k计算两个图像之间的相关性量差ΔCOR(k)（图3中的步骤S307）。在要经历相关性计算的像素的数目不小于要经历相关性计算的预定的像素数目的范围中，通过以相对的方式偏移图像A和图像B来计算相关性量差ΔCOR(k)。这里，与步骤S303类似地，通过估计相关性量差ΔCOR(k)，相关性量COR(k)从减小变为增大的位置可以被认为是在相关性量差ΔCOR(k)的过零点处以像素偏移量k的焦点对准候选点（图3中的步骤S307）。

在对于图11A所示的包括图像A和图像B的中间的像素的划分区域的相关性计算中，因为不存在相关性量差ΔCOR(k)的过零点，所以确定在此像素区域中不存在要聚焦的对象图像。

波形一致度计算单元123对于由再相关性计算处理器122通过各个划分区域的相关性计算确认存在过零点的区域，通过等式（3）和（4）计算波形一致度。在此实施例中，对于图10A的左边区域，如图13所示计算波形一致度，以及对于图12A的右边区域，如图14所示计算波形一致度（图3中的步骤S308）。

由此计算结果，选择具有波形一致度Min_COR和Max_COR之间的差的最小值的像素偏移量。因此，在图13或14中指定的像素偏移量被选择为焦点对准候选点的像素偏移量（图3中的步骤S309）。

散焦量计算单元124从由再相关性计算处理器122计算的像素偏移量的候选值中，选择具有由波形一致度计算单元123计算的最高波形一致度的像素偏移量（与图13和14对应的像素偏移量B和C），并且将具有最高波形一致度的像素偏移量转换成散焦值（图3中的步骤S310）。

如上所述，根据此实施例，即使多个对象图像存在于要经历AF的传感器上（来自于不同的对象距离处的多个对象），也可以获得准确的距离测量结果。因此，可以获得既实现聚焦检测精度的提高又实现散焦范围的增大的聚焦检测结果。

具体地，当拾取运动图像时，不频繁执行将聚焦条件从在一个时间点上聚焦在某个对象上改变为聚焦在物距与前一个对象的物距非常不同的另一个对象上。因此，更频繁地需要用于聚焦在此时被聚焦的对象上或聚焦在其物距接近于该对象的物距的对象上的自动聚焦操作。因此，利用本发明的结构，通过准确地向照相机操作者提供合适的焦点对准候选点可以实现合适的自动聚焦操作环境。

虽然已经参考示范性实施例描述了本发明，但是将理解，本发明不局限于公开的示范性实施例。以下权利要求书的范围将被给予最宽的解释以便涵盖所有这样的修改和等效结构和功能。

Claims (6)

1.一种用于基于一对图像之间的位移量来检测图像拾取光学系统的散焦量的聚焦检测器，该对图像由从该图像拾取光学系统分开并且经过一对光瞳区域的一对光束形成，该聚焦检测器包括：

一对透镜；

一对相位差检测传感器，用于将由该对透镜形成的一对对象图像光电转换成一对图像信号；

第一相关性计算单元，用于基于参考像素数目划分该对图像信号以对于每个划分区域计算图像位移量；

波形一致度计算单元，用于在每个划分区域中计算该对图像信号的一致度，在该每个划分区域中由该第一相关性计算单元计算图像位移量；和

散焦量计算单元，用于基于由该波形一致度计算单元计算的该对图像信号的一致度来计算散焦量。

2.如权利要求1所述的聚焦检测器，还包括：

第二相关性计算单元，用于基于来自于该对相位差检测传感器的该对图像信号来计算图像位移量；和

参考像素数目选择单元，用于相对于由该第二相关性计算单元计算的多个图像位移量，从要经历图像位移量的计算的像素的数目当中选择参考像素数目。

3.如权利要求1所述的聚焦检测器，其中该参考像素数目是在由该第二相关性计算单元为其确定一个或多个焦点对准候选点的、要经历相关性计算的像素数目当中的最小的像素数目。

4.如权利要求3所述的聚焦检测器，其中该散焦量计算单元基于具有由该波形一致度计算单元在基于该参考像素数目划分的区域中计算的图像信号的最高一致度的图像位移量，来计算散焦量。

5.一种镜头装置，包括：

图像拾取光学系统，包括聚焦透镜；

聚焦透镜驱动单元，用于驱动该聚焦透镜；

透镜控制器，用于控制该聚焦透镜驱动单元；和

聚焦检测器，用于基于一对图像之间的位移量来检测该图像拾取光学系统的散焦量，该对图像由从该图像拾取光学系统分开并且经过一对光瞳区域的一对光束形成，该聚焦检测器包括：

一对透镜；

一对相位差检测传感器，用于将由该对透镜形成的一对对象图像光电转换成一对图像信号；

第一相关性计算单元，用于基于参考像素数目划分该对图像信号以对于每个划分区域计算图像位移量；

波形一致度计算单元，用于在每个划分区域中计算该对图像信号的一致度，在该每个划分区域中由该第一相关性计算单元计算图像位移量；和

散焦量计算单元，用于基于由该波形一致度计算单元计算的该对图像信号的一致度来计算散焦量，

其中该透镜控制器基于来自于该聚焦检测器的聚焦检测结果来控制聚焦透镜驱动单元。

6.一种图像拾取装置，包括：

图像拾取光学系统，包括聚焦透镜；

聚焦透镜驱动单元，用于驱动该聚焦透镜；

透镜控制器，用于控制该聚焦透镜驱动单元；

聚焦检测器，用于基于一对图像之间的位移量来检测该图像拾取光学系统的散焦量，该对图像由从该图像拾取光学系统分开并且经过一对光瞳区域的一对光束形成，该聚焦检测器包括：

一对透镜；

一对相位差检测传感器，用于将由该对透镜形成的一对对象图像光电转换成一对图像信号；

第一相关性计算单元，用于基于参考像素数目划分该对图像信号以对于每个划分区域计算图像位移量；

波形一致度计算单元，用于在每个划分区域中计算该对图像信号的一致度，在该每个划分区域中由该第一相关性计算单元计算图像位移量；和

散焦量计算单元，用于基于由该波形一致度计算单元计算的该对图像信号的一致度来计算散焦量；和

图像拾取元件，用于将由该图像拾取光学系统形成的对象图像成像，

其中该透镜控制器基于来自于该聚焦检测器的聚焦检测结果来控制该聚焦透镜驱动单元。

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