CN1696815A - 成像装置、自动聚焦器件、和自动聚焦方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种成像装置，其具有基于作为通过使包含在视频信号中的预定带频通过而得到的信号的估计值而控制聚焦镜头的位置的自动聚焦器件，所述成像装置包括：用于将作为已通过聚焦镜头进入的光的对象信息转换为视频信号、得到第一视频信号、将第一视频信号旋转预定角度、并得到第二视频信号的部件；以及用于检测第一和第二视频信号的预定带频并得到它们的估计值的部件。

Description

成像装置、自动聚焦器件、和自动聚焦方法

相关申请的交叉引用

本发明包含与2004年5月14日提交至日本专利局的日本专利申请第2004-144553号有关的主题，通过引用而将其全部内容合并于此。

技术领域

本发明涉及允许对在水平方向上不具有层次(gradation)的对象聚焦的成像装置、自动聚焦器件、以及自动聚焦方法。

背景技术

近年来已普及的诸如摄像机、数码相机、以及用于蜂窝式电话的摄像机模块的成像装置具有光学系统，其对于能够以足够的分辨率使对象成像的距离具有限制。另外，很多成像装置具有允许对对象自动聚焦的所谓的自动聚焦器件。

作为自动聚焦器件的操作的原理，如在例如下面的专利文献1中所描述的，被称为“climbing-up method(攀升方法)”的技术是公知的，在该技术中，通过移动聚焦镜头直到成像器件的输出的高频分量变为最大为止，而得到聚焦点。在攀升方法中，通过使用高通滤波器(HPF)或带通滤波器(BPF)、在场间隔或帧间隔中对从成像器件提供的高频带信号的电平积分，而得到聚焦估计值。通过将聚焦镜头从近极限位置移动到远极限位置，而得到聚焦估计值变为最大的位置。通过将聚焦镜头移动到该位置，而完成自动聚焦功能。

[专利文献1]是公布号为第2966458号的日本专利申请。

发明内容

以这种方式来生成成像装置的成像器件的输出信号，即沿水平方向(横向)扫描、并且随后沿垂直方向(纵向)扫描具有垂直和水平方向两个方向的二维区域。换句话说，输出信号的高频分量和低频分量表示在作为二维区域的第一扫描方向的水平方向上的精细度和粗糙度。

因此，可容易地检测出例如在水平方向上具有层次的垂直线的对象的聚焦位置。反之，当对象在水平方向上不具有层次、而在垂直方向上具有层次(例如水平线)时，由于输出信号的频率分量变得平坦，所以，不会得到聚焦估计值的差。因此，难以得到这种对象的聚焦位置。

为解决此问题，可通过利用延迟器件为其在行方向上指定了适当数目的抽头的滤波器，而在垂直方向上扫描例如横向条纹的对象。然而，由于处理相邻行的滤波器的电路规模变得很大，因而功耗增加。另外，由于水平和垂直滤波器的特性不同，所以，从这些滤波器得到的聚焦估计值不能够进行比较。

考虑到上述情况，期望提供允许检测在水平方向上不具有层次的对象的聚焦点的成像装置、自动聚焦器件、以及自动聚焦方法。

根据本发明的实施例，提供了具有自动聚焦器件的成像装置，其中，所述自动聚焦器件基于作为通过使包含在视频信号中的预定带频(bandfrequency)通过而得到的信号的估计值，而控制聚焦镜头的位置，所述成像装置包括：将作为已通过聚焦镜头进入的光的对象信息转换为视频信号、得到第一视频信号、将第一视频信号旋转预定角度、并得到第二视频信号的块；以及检测第一和第二视频信号的预定带频并得到它们的估计值的块。

根据本发明的实施例，提供了一种自动聚焦器件，其基于作为通过使包含在视频信号中的预定带频通过而得到的信号的估计值，而控制聚焦镜头的位置，所述自动聚焦器件包括：将作为已通过聚焦镜头进入的光的对象信息转换为视频信号、得到第一视频信号、将第一视频信号旋转预定角度、并得到第二视频信号的块；以及检测第一和第二视频信号的预定带频并得到它们的估计值的块。

根据本发明的实施例，提供了一种自动聚焦方法，其基于作为通过使包含在视频信号中的预定带频通过而得到的信号的估计值，而控制聚焦镜头的位置，所述自动聚焦方法包括以下步骤：将作为已通过聚焦镜头进入的光的对象信息转换为视频信号、得到第一视频信号、将第一视频信号旋转预定角度、并得到第二视频信号；以及检测第一和第二视频信号的预定带频并得到它们的估计值。

根据本发明的实施例，即使对象在水平方向上不具有层次，当它在垂直方向上具有层次时，仍可被聚焦。

根据本发明的实施例，可通过在水平方向情况下等效的数学函数来实现使用成像器件的输出信号来得到聚焦估计值的数学函数。由于使用类似的数学函数来处理垂直和水平聚焦估计值，所以，当用于最大水平和垂直聚焦估计值的聚焦镜头的位置不同时，可比较它们的值，并可确定较大的值，作为聚焦位置。

根据本发明的实施例，当将自动聚焦检测区域限制为整个屏幕的一部分时，可减小电路规模和功耗。

根据下面对如在附图中图解的本发明的最佳模式实施例的详细描述，本发明的这些和其它目的、特征、以及优势将变得更为清楚。

附图说明

通过下面与附图相结合的详细描述，将对本发明有更为全面的理解，其中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1为示出根据本发明的实施例的数码摄像机的方框图；

图2为示出聚焦估计值和聚焦镜头的位置之间的关系的图；

图3A和图3B为示出根据本发明的实施例的、视频信号的扫描方向和存储控制部分的读取方向的示意图；

图4A、图4B和图4C为示出根据本发明的实施例的、对检测器块的存储器的写入次数和读取次数之间的关系的示意图；

图5为示出根据本发明的实施例的数码摄像机的另一个示例的方框图；和

图6为示出其中设置了自动聚焦检测有效区域的屏幕的一个示例的示意图。

具体实施方式

接下来，将通过参照附图来描述本发明的实施例。根据本发明，将成像装置描述为数码摄像机。当然，成像装置可为数码摄像机以外的装置。换句话说，例如，成像装置可为数字静物摄影机(digital still camera)或可携式摄像机(camcorder，camera和recorder的新创词)。

图1为示出根据本发明的实施例的数码摄像机的信号处理系统的结构的方框图。方框图图1详细示出了本发明的实施例的特征的结构。在必要时将简要描述其它部分的结构。在图1中，附图标记1表示镜头器件，其包括聚焦镜头1a。镜头器件1还包括变焦镜头和补偿镜头(compensation lens)(未示出)。对象的光通过镜头器件1进入成像器件2。成像器件2将所述光转换为电信号。例如，成像器件2为电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)成像器。

附图标记3表示将成像器件2的输出信号转换为适当的视频信号的信号处理块。例如，信号处理块3由放大器3a、A/D转换器3b、以及摄像机信号处理电路3c构成。

将从成像器件2输出的模拟输出信号提供到放大器3a。放大器3a将该模拟信号放大预定的信号量。放大器3a将放大的视频信号输出到A/D转换器3b。A/D转换器3b将该视频信号转换为数字视频信号。A/D转换器3b将该数字视频信号提供到摄像机信号处理电路3c。

摄像机信号处理电路3c对所提供的信号执行各种信号处理。例如，当所提供的信号为由基色信号分量(GRB)所组成的信号、而视频输出部分7的输出信号为由亮度信号分量和色差信号分量所组成的信号时，执行转换该信号的处理。被提供到摄像机信号处理电路3c的信号取决于在成像器件2中使用的滤波器的类型(例如，基色滤波器(primary color filter)或补色滤波器(complementary color filter))、3 CCD的结构等。

摄像机信号处理电路3c执行自动增益控制(AGC)过程、轮廓补偿(孔径失真补偿)过程、颜色再现补偿过程、伽玛(γ)补偿过程等。伽玛补偿过程允许摄像机一方补偿输入电压和输出设备(诸如阴极射线管(CRT)、个人计算机等)的曝光量之间的非线性。另外，摄像机信号处理电路3c执行为最优条件而控制成像器件2的曝光量的自动曝光(AE)过程。应当注意，前面的过程仅为摄像机信号处理电路3c执行的示例。因此，放大器3a执行的过程不限于前面的过程。

附图标记4表示利用视频信号而生成聚焦估计值的检测块。将从A/D转换器3b输出的视频信号提供到存储控制部分4a。存储控制部分4a将所提供的视频信号写入到存储器4b。另外，存储控制部分4a读取通过将记录在存储器4b中的视频信号旋转90度而得到的视频信号(第二视频信号)。高通滤波器(HPF)4d检测从存储部分4b读取的旋转了90度的视频信号的每个像素的高频分量。HPF 4d将检测出的高频分量提供到积分电路4f。积分电路4f累积这些像素的高频分量，并计算聚焦估计值。将计算出的聚焦估计值提供到微型计算机5。

还将从A/D转换器3b输出的视频信号(第一视频信号)提供到高通滤波器(HPF)4c。从被提供到HPF 4c的视频信号中检测高频分量。将检测出的高频分量提供到积分电路4e。积分电路4e对所述高频分量积分，并计算聚焦估计值。将得到的聚焦估计值提供到微型计算机5。从积分电路4e输出的聚焦估计值为通过在水平方向上估算视频信号而得到的值。从积分电路4f输出的聚焦估计值为通过在垂直方向上估算视频信号而得到的值。

当通过存储器4b来将视频信号旋转90度时，HPF 4c和HPF 4d在水平方向情况下可由滤波器构成。因此，可比较基于所述滤波器的输出而计算出的聚焦估计值。

微型计算机5比较从积分电路4e和积分电路4f提供的聚焦估计值的绝对值，并确定较大的绝对值，作为聚焦位置。微型计算机5将与所确定的聚焦位置相对应的命令信号提供到马达驱动器6。马达驱动器6驱动并控制与从微型计算机5提供的命令信号相对应的聚焦镜头的位置。

马达驱动器6为步进马达、线性马达等。微型计算机5在视频信号的帧间隔中固定聚焦镜头的位置，并在帧间隔中将聚焦镜头的位置从近极限位置移动到远极限位置，并在每个镜头位置得到对象和聚焦估计值之间的关系。

图2示出了聚焦估计值和聚焦镜头的位置之间的关系。在图2中示出的示例中，从积分电路4e输出的聚焦估计值的最大值与从积分电路4f输出的聚焦估计值的最大值相符。微型计算机5将聚焦镜头移动到聚焦估计值为最大的位置，以对对象聚焦。当水平和垂直聚焦估计值的最大值不相符时，将较大的绝对值相对于另一个优先。换句话说，检测具有比另一个大的绝对值的峰值(crest)，并基于检测出的峰值而控制聚焦镜头的位置。

因此，当存在在水平方向上不具有层次的对象的视频信号时，由于积分电路4e的输出几乎不包含峰值，所以，可通过积分电路4f的输出的峰值来确定聚焦镜头的位置。

图3A示出了来自成像器件2的输出信号和检测块4的输入信号的扫描方向。通常沿水平方向扫描包含字母“A”的对象的视频信号。当存储控制部分4a从存储器4b读取包含例如字母“A”的视频信号时，如图3B所示，该视频信号被旋转了90度。可以任意方向(顺时针方向或逆时针方向)来旋转该视频信号。

图4A、图4B和图4C示出了对检测块4的存储器4b的读取和写入成像器件2的输出信号和检测块4的输入信号的次数之间的关系。当将视频信号写入到存储器4b时，不从存储器4b读取视频信号。因此，在已将一帧的输出信号从成像器件写入到存储器4b之后，有必要从其中读取该视频信号。

在图4A中示出的方法中，在帧间隔中交替地执行对存储器4b的写入过程和读取过程。在图4B中示出的方法中，将一帧的视频信号写入到存储器4b。在将下一帧的视频信号写入到存储器4b之前(在垂直消隐周期中)，从存储器4b读取此帧的视频信号。图4B中示出的方法需要比在图4A中示出的方法中使用的存储器速度更高的存储器。然而，在图4B中示出的方法中，存储器不需要增加容量，并可使用视频信号的所有帧。

图4C中示出的方法被称为双组(two-bank)系统等。在此方法中，通过每一个都具有两帧的存储容量的存储器1和2交替地执行写入和读取过程。在图4A中示出的方法中，从积分电路4e输出的水平聚焦估计值偏离从积分电路4f输出的垂直聚焦估计值一帧，并仅检测所有帧的一半。然而，在这些方法中，与不检测垂直聚焦估计值的情况相比，可以更容易且精确地检测聚焦位置。应当注意，这些方法仅为示例。可替换地，可通过其它方法来执行视频信号的写入和读取过程。另外，根据前述实施例，使用逐行扫描视频信号。当使用隔行扫描视频信号时，在场间隔中处理该视频信号。

接下来，将通过参照图5来描述本发明的另一个实施例。在图5中示出的结构中，将有效区域选择电路8置于A/D转换器3b和摄像机信号处理电路3c的连接点和检测块4之间。当通过数码相机等而对对象自动聚焦时，例如，如图6所示，仅使部分屏幕区域作为检测信号有效，以提高自动聚焦操作的聚焦性能。有效区域选择电路8确定使之有效的区域作为检测信号。当放置了有效区域选择电路8、并将屏幕的一部分指定为用于自动聚焦操作的检测信号时，可减小电路规模和功耗。

本领域的技术人员应当理解，在所附权利要求或其等价物的范围内，可根据设计需要和其它因素而产生各种修改、组合、子组合、以及替换。例如，HPF 4c和HPF 4d可由带通滤波器(BPF)或微分电路构成。

可替换地，当将多个距离测量帧显示在数码相机的液晶显示板等上、且这些距离测量帧的聚焦估计值是所期望的时，可并联放置HPF，以得到其聚焦估计值。

Claims (20)

1、一种具有自动聚焦器件的成像装置，所述自动聚焦器件基于作为通过使包含在视频信号中的预定带频通过而得到的信号的估计值，而控制聚焦镜头的位置，所述成像装置包括：

用于将作为已通过聚焦镜头进入的光的对象信息转换为视频信号、得到第一视频信号、将第一视频信号旋转预定角度、并得到第二视频信号的部件；以及

用于检测第一和第二视频信号的预定带频并得到它们的估计值的部件。

2、如权利要求1所述的成像装置，还包括：

用于比较估计值的绝对值、基于其绝对值比另一个大的估计值而控制聚焦镜头的位置、并确定聚焦镜头的聚焦位置的部件。

3、如权利要求1所述的成像装置，其中，第二视频信号为将第一视频信号旋转90度而得到的视频信号。

4、如权利要求2所述的成像装置，其中，第二视频信号为将第一视频信号旋转90度而得到的视频信号。

5、如权利要求1所述的成像装置，还包括：

用于使第一视频信号的预定区域有效的部件。

6、如权利要求1所述的成像装置，还包括：

检测第一和第二视频信号的预定带频的滤波器，所述滤波器的特性相同。

7、一种自动聚焦器件，其基于作为通过使包含在视频信号中的预定带频通过而得到的信号的估计值，而控制聚焦镜头的位置，所述自动聚焦器件包括：

用于将作为已通过聚焦镜头进入的光的对象信息转换为视频信号、得到第一视频信号、将第一视频信号旋转预定角度、并得到第二视频信号的部件；以及

用于检测第一和第二视频信号的预定带频并得到它们的估计值的部件。

8、如权利要求7所述的自动聚焦器件，还包括：

用于比较估计值的绝对值、基于其绝对值比另一个大的估计值而控制聚焦镜头的位置、并确定聚焦镜头的聚焦位置的部件。

9、如权利要求7所述的自动聚焦器件，其中，第二视频信号为将第一视频信号旋转90度而得到的视频信号。

10、如权利要求8所述的自动聚焦器件，其中，第二视频信号为将第一视频信号旋转90度而得到的视频信号。

11、如权利要求7所述的自动聚焦器件，还包括：

用于使第一视频信号的预定区域有效的部件。

12、如权利要求7所述的自动聚焦器件，还包括：

检测第一和第二视频信号的预定带频的滤波器，所述滤波器的特性相同。

13、一种自动聚焦方法，其基于作为通过使包含在视频信号中的预定带频通过而得到的信号的估计值，而控制聚焦镜头的位置，所述自动聚焦方法包括以下步骤：

将作为已通过聚焦镜头进入的光的对象信息转换为视频信号、得到第一视频信号、将第一视频信号旋转预定角度、并得到第二视频信号；以及

检测第一和第二视频信号的预定带频并得到它们的估计值。

14、如权利要求13所述的自动聚焦方法，还包括以下步骤：

比较估计值的绝对值、基于其绝对值比另一个大的估计值而控制聚焦镜头的位置、并确定聚焦镜头的聚焦位置。

15、如权利要求13所述的自动聚焦方法，其中，第二视频信号为将第一视频信号旋转90度而得到的视频信号。

16、如权利要求14所述的自动聚焦方法，其中，第二视频信号为将第一视频信号旋转90度而得到的视频信号。

17、如权利要求13所述的自动聚焦方法，还包括以下步骤：

使第一视频信号的预定区域有效。

18、如权利要求13所述的自动聚焦方法，其中，由滤波器来检测第一和第二视频信号的预定带频，所述滤波器的特性相同。

19、一种具有自动聚焦器件的成像装置，所述自动聚焦器件基于作为通过使包含在视频信号中的预定带频通过而得到的信号的估计值，而控制聚焦镜头的位置，所述成像装置包括：

用于将作为已通过聚焦镜头进入的光的对象信息转换为视频信号、得到第一视频信号、将第一视频信号旋转预定角度、并得到第二视频信号的部分；以及

用于检测第一和第二视频信号的预定带频并得到它们的估计值的部分。

20、一种自动聚焦器件，其基于作为通过使包含在视频信号中的预定带频通过而得到的信号的估计值，而控制聚焦镜头的位置，所述自动聚焦器件包括：

用于将作为已通过聚焦镜头进入的光的对象信息转换为视频信号、得到第一视频信号、将第一视频信号旋转预定角度、并得到第二视频信号的部分；以及

用于检测第一和第二视频信号的预定带频并得到它们的估计值的部分。

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