專利名稱：電子像機和自動聚焦方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子傳4幾和一種自動聚焦方法。
背景技術：
使用CCD(電荷耦合器件)圖像傳感器作為光電轉換元件而形 成的電子圖^4聶取裝置，或所謂的凄t碼^4幾，在市場上4艮流-f亍。
這種數碼像機通常配備有對像機鏡頭進行自動聚焦的自動聚 焦控制特征。雖然有多種自動聚焦控制系統(tǒng)可供數碼像機使用，但 是目前通過提取被攝取圖像的檢測范圍的對比度、高頻成分等產生 對焦評估值，并調節(jié)透^竟4立置佳:對焦;平估^直最大的系統(tǒng)仍為主流。
圖1示出了對焦評估值相對于4竟頭位置的曲線圖。參照圖1, 對焦評估值(Y軸)相對于透4竟位置(X軸)在焦點對準位置為最 大，并按照從焦點對準位置到遠端(離開焦點向前)和近端(離開 焦點向后)的距離的函數減少而形成山狀曲線。因此，對于自動聚 焦控制，4又需要以4吏對焦評估值位于山狀曲線的頂部的方式來控制 聚焦透4竟的透4竟位置。
6當移動聚焦透銷H吏對焦評估值位于山狀曲線的頂部時，需要檢 測出對焦評估值所在點的山狀曲線的斜率，并確定透鏡相對于焦點
對準位置的當前位置。即，需要確定當前透4竟位置在相對于焦點對 準^立置的遠端還是近端。
圖l還示出了用于確定相對于焦點對準位置的當前透4竟位置所 提出的方法。參照圖1,根據所提出的方法，對聚焦透鏡施加微小 的振動，所施加振動的程度不會影響要攝取的圖像，從而通過計算 確定對焦評估值的波動分量(微分分量dy/dx)的正負(具體參見 專利文件l:日本專利申請公開第10-239579號)。使聚焦透鏡產生 微小振動以進行自動聚焦控制的操作被稱作顫動(wobbling )。
下面將參照圖2描述顫動才喿作的一個具體實例。在圖2的曲線 中，水平軸表示時間(以場為單位)，垂直軸表示聚焦透鏡的位置。
在該顫動操作中，在第一時間段(T1)中，聚焦透鏡向近端移 動預定距離。隨后，在第二時間段(T2)中，聚焦透鏡在預定時間 內保持靜止不動。然后，在第三時間段(T3)中，聚焦透鏡向遠端 移動預定距離。最后，在第四時間段(T4)中，聚焦透鏡在預定時 間內再次保持靜止不動。然后，顫動操作重復從第一到第四時間段 的移動和停止的過程。在第二時間_敬和第四時間萃史中測出對焦評估 值，并計算兩個值的差，從而檢測出顫動操作中的波動分量(微分 分量dy/dx )。

發(fā)明內容
同時，近年來已經提出了包含C-MOS (互補-金屬氧化物半 導體)圖像傳感器作為光電轉換元件的數碼像機。CCD圖像傳感器和C-MOS圖〗象傳感器的最大區(qū)別在于，CCD 圖像傳感器通過CCD來傳遞各個像素的電荷，而C-MOS圖像傳感 器則通過逐行掃描來讀取每個像素的信號。
由于C-MOS圖像傳感器通過逐行掃描來讀取每個像素的信 號，因而各個圖^象中的曝光定時(timing)不唯一且不相同。換句 話說，像素與像素之間的曝光定時各不相同。
例如，參照圖3,如果比較場(field,也叫畫面)的首像素與 尾像素間的曝光定時，則時間差基本上等于場周期。
為此，當通過執(zhí)行顫動操作來計算對焦評估值的變化量時，聚 焦透鏡可以在檢測范圍內的像素的曝光期間內移動。那么，對焦評 估值的變化量的檢測靈敏度降低，使得不可能準確地高速執(zhí)行自動 聚焦控制。
另外，如圖4A所示，當通過移動聚焦透^:的掃描操作生成對 焦評估^直時，雖然對于C-MOS圖4象傳感器來i兌，聚焦透4竟可以在 檢測范圍內的像素的曝光操作過程中移動，但對于CCD圖像傳感 器不會產生任何問題，這是因為如圖4C所示，對于所有的像素， 曝光定時是唯一并且相同的。于是，對焦評估值的4企測靈敏度也降 低了 ，使得不再可能準確地高速執(zhí)行自動聚焦控制操作。
當攝取僅顯示弱對比度的對象的圖像時而發(fā)射LED(發(fā)光二極 管)激光束以進行自動聚焦控制時，如圖4D所示的發(fā)光定時能夠 滿足CCD圖像傳感器，這是因為曝光定時對于所有的像素都是唯 一且相同的，但對于各個像素的曝光定時各不相同的C-MOS圖像 傳感器來說，在顫動操作或掃描操作中，針對檢測范圍內的像素的 曝光定時和LED激光的發(fā)光定時之間會產生差別?？紤]到上述發(fā)現的問題，希望提供一種適于高速執(zhí)行精確自動 聚焦控制操作的電子像機和自動聚焦方法。
根據本發(fā)明，提供了一種電子像機，包括圖像傳感器，用于 通過逐行掃描來曝光多個二維排列的光電轉換元件，并通過從每個 光電轉換元件讀取電信號生成一見頻信號；透4竟部，具有作為光學系 統(tǒng)的 一部分、用于會聚拍攝對象的圖像并適用于調節(jié)拍攝對象的聚 焦位置的聚焦透鏡，和用于向近端和遠端移動聚焦透鏡的移動控制 部；顫動控制部，用于產生顫動控制信號以使聚焦透鏡進行重復一 系列操作的顫動操作，該一 系列操作包括在每2 x n ( n為自然數) 個場周期中，驅動聚焦透鏡向近端移動預定距離的近端驅動操作、 在近端驅動操作后4吏聚焦透4竟在近端停止預定時間4殳的近端4f止 操作、在近端停止操作后驅動聚焦透鏡向遠端移動預定距離的遠端 驅動梯:作、以及在遠端驅動梯:作后4吏聚焦透#:在遠端停止預定時間 段的遠端停止操作；對焦評估值計算部，用于根據圖像的預定范圍 內的視頻信號生成表示拍攝對象的圖像的對焦程度的對焦評估值； 對焦方向確定部，用于計算顫動操作期間的對焦評估值的變化量， 并才艮據該變化量確定4吏聚焦透4竟焦點對準的方向；以及驅動部，用 于才艮據對焦評估^直和焦點對準方向驅動聚焦透4竟移動并〗吏焦點對 準，并纟艮據顫動控制信號驅動移動控制部。
在如上所述的才艮據本發(fā)明的電子傳^幾中，顫動控制部適于生成 顫動控制信號，以使圖像中預定范圍的中心像素曝光期間內的中心 定時與近端停止才喿作期間的中心定時和遠端停止才喿作期間的中心 定時基本上一致。
可替換地，在如上所述的根據本發(fā)明的電子像機中，顫動控制 部適于產生顫動控制信號，以-使用于生成對焦評估值的^象素的曝光 期間處于近端停止才喿作和遠端停止才喿作的期間內。根據本發(fā)明，提供了一種與電子像機一起使用的自動聚焦方 法，該電子傳4幾具有用于通過逐4亍掃描來曝光多個二維排列的光電 轉換元件并通過從每個光電轉換元件讀取電信號來生成視頻信號
的圖像傳感器，該方法包括以下步驟使用于調節(jié)拍攝對象的聚焦 位置的聚焦透鏡進行重復一 系列操作的顫動操作，該一 系列操作包 括在每2xn (n為自然數)個場周期中，驅動聚焦透鏡向近端移動
預定距離的近端驅動操作、在近端驅動操作后使聚焦透鏡在近端停 止預定時間段的近端停止纟喿作、在近端停止#:作后驅動聚焦透4竟向 遠端移動預定距離的遠端驅動才喿作、以及在遠端驅動才喿作后4吏聚焦 透鏡在遠端停止預定時間段的遠端停止操作；根據圖像的預定范圍 內的視頻信號生成表示拍攝對象的圖像的對焦程度的對焦評估值； 以及為了焦點調節(jié)的目的，計算顫動4喿作期間的對焦評估1直的變4匕 量，根據該變化量確定使聚焦透鏡焦點對準的方向，以及根據對焦 評估值和焦點對準方向驅動聚焦透4竟移動并4吏焦點對準。
在如上所述的根據本發(fā)明的自動聚焦方法中，圖像的預定范圍 內的中心像素的曝光時間段內的中心定時基本上與顫動操作中的 近端停止l喿作期間的中心定時和遠端4f止才喿作期間的中心定時一致。
可替換地，在如上所述的根據本發(fā)明的自動聚焦方法中，用于 生成對焦評估值的像素的曝光期間位于顫動操作中的近端停止操 4乍和遠端4f止l喿4乍其月間內。
根據本發(fā)明，提供了一種電子像機，包括圖像傳感器，用于 通過逐行掃描來曝光多個二維排列的光電轉換元件，并通過從每個 光電轉換元件讀取電信號產生視頻信號；透鏡部，具有作為光學系 統(tǒng)的一部分、用于會聚拍攝對象的圖像并適用于調節(jié)拍攝對象的聚 焦位置的聚焦透4竟、和用于向近端和遠端移動聚焦透4竟的移動控制 部；掃描控制部，用于產生使聚焦透鏡進行重復一系列操作的掃描操作的掃描控制信號，該一系列操作包括驅動聚焦透鏡沿預定方向 移動預定距離的驅動#:作和在驅動#:作后停止預定時間*敬的停止 才喿作；對焦評估值計算部，用于才艮據圖^f象中的預定范圍的4見頻信號
生成表示拍攝對象的圖像的對焦程度的對焦評估值；以及驅動部，
用于根據對焦評估值驅動聚焦透鏡移動并使焦點對準，并根據掃描 控制信號驅動移動控制部。
在如上所述的#4居本發(fā)明的電子傳4幾中，掃描控制部適用于產 生掃描控制信號，以使圖像中的預設范圍的中心像素的曝光時間段 內的中心定時基本上與停止操作期間的中心定時一致。
可替換地，在如上所述的根據本發(fā)明的電子像機中，掃描控制 部適用于產生掃描控制信號，以使用于產生對焦評估值的像素的曝 光期間處于停止操作期間內。
根據本發(fā)明，提供了一種與電子像機一起使用的自動聚焦方 法，該電子像機具有用于通過逐行掃描來曝光多個二維排列的光電 轉換元件并通過從每個光電轉換元件讀取電信號產生視頻信號的
圖像傳感器，該方法包括下列步驟使用于調節(jié)拍攝對象的聚焦位 置的聚焦透鏡進行重復一 系列操作的掃描操作，該一 系列操作包括 驅動聚焦透鏡沿預定方向移動預定距離的驅動操作和在驅動操作 后停止預定時間段的停止操作；根據圖像中的預定范圍的4見頻信號 生成表示拍攝對象的圖像的對焦程度的對焦評估值；以及為了焦點 調節(jié)的目的，才艮據對焦評估值驅動聚焦透4竟移動并4吏焦點對準。
在如上所述的根據本發(fā)明的自動聚焦方法中，圖像中的預定范 圍的中心像素的曝光時間段內的中心定時基本上與停止操作期間 的中心定時一致?？商鎿Q地，在如上所述的才艮據本發(fā)明的自動聚焦方法中，用于 生成對焦評估值的像素的曝光期間處于停止操作期間內。
因此，在根據本發(fā)明的電子像機和自動聚焦方法中，圖像中的 預定范圍的中心 <象素的曝光時間l殳內的中心定時基本上與顫動搮: 作中的近端4亭止才喿作期間的中心定時和遠端4亭止梯:作期間的中心 定時一致。
可替換地，在根據本發(fā)明的電子像機和自動聚焦方法中，用于 生成對焦評估值的像素曝光期間處于顫動操作中的近端停止操作 期間和遠端4亭止操作期間內。
利用上述的任意一種配置，根據本發(fā)明的電子像機和自動聚焦 方法可以使顫動4喿作的定時與用于測出對焦評估值的像素的曝光 定時之間的關系最優(yōu)化。因此，可以實現準確和高速的自動聚焦控制。
因此，在根據本發(fā)明的電子傳4幾和自動聚焦方法中，圖<象中的 預定范圍的中心 <象素的曝光時間革殳內的中心定時基本上與停止搮: 4乍期間的中心定時一至丈。
可替換地，在4艮據本發(fā)明的電子傳4幾和自動聚焦方法中，用于 產生對焦評估值的4象素的曝光期間處于停止才喿作期間內。
利用上述的任意一種配置，根據本發(fā)明的電子像機和自動聚焦 方法可以最優(yōu)化掃描操作的定時與用于檢測對焦評估值的像素的 曝光定時之間的關系。
12在根據本發(fā)明的電子像機和自動聚焦方法中，用于照射顯示較 低亮度級的拍攝對象的輔助光源以短于曝光每個光電轉換元件的 曝光時間的時間間隔發(fā)光。
利用這種配置，才艮據本發(fā)明的電子係4幾和自動聚焦方法可以4吏 整個圖像顯示足夠的亮度，以實現準確和高速的自動聚焦控制。


圖1示出了對焦評估值相對于聚焦透鏡位置的曲線圖2示出了已知攝影機的聚焦透鏡的顫動操作的示意圖3示出了 C-MOS圖像傳感器的場的首像素的曝光定時與尾 像素的曝光定時之間的時間差的曲線圖4示出了已知攝影機的聚焦透鏡的掃描操作的示意圖5示出了通過應用本發(fā)明所實現的攝影機的示意性框圖6A~圖6C示出了一個或多個沖企測范圍以及特定區(qū)i^的示意
圖7示出了計算確定用于聚焦透鏡的移動控制信號的操作流程
圖8A~圖8C示出了通過應用本發(fā)明所實現的攝影機的聚焦透 鏡的顫動操作(在四個場周期的情況下)的示意圖9A-圖9C示出了通過應用本發(fā)明所實現的攝影機的聚焦透 鏡的顫動操作(在兩個場周期的情況下)的示意圖；圖10A-圖IOC示出了通過應用本發(fā)明所實現的攝影機的聚焦 透鏡的掃描操作(在兩個場周期的情況下)的示意圖11A-圖IIC示出了通過應用本發(fā)明所實現的攝影機的聚焦 透鏡的掃描操作(在一個場周期的情況下)的示意圖；以及
圖12A-圖12D示出了通過應用本發(fā)明所實現的攝影機的輔助 光源的發(fā)光操作(在一個場周期的情況下)的示意圖。
具體實施例方式
下面，參照示出了根據本發(fā)明的電子攝影機(以下簡稱為攝影 機)的附圖來描述本發(fā)明的實施例。
圖5是通過應用本發(fā)明實現的攝影機10的示意性框圖。
攝影機10包括透鏡單元11、 C-MOS (互補-金屬氧化物半導 體)圖〗象傳感器12、定時發(fā)生器13、傳4/M言號處理部14、對焦評 ^古j直^r測部15和4空制器16。
透鏡單元11的內部包括聚焦透鏡21和用于驅動聚焦透鏡21 及其他透鏡的透鏡驅動部22。透鏡單元11還包括其他的部件，例 如，包才舌變焦透4竟、用于截止入射光的紅外線的紅外截止濾4竟、用 于限制入射光的量的光圈片(aperture blade)和用于阻擋入射光的 扇形快門(sector)的光學系統(tǒng)，用于驅動光圈片的光圈驅動部，以 及用于驅動扇形快門的快門驅動部。
透鏡單元11中的聚焦透鏡21以其光軸與基本上從C-MOS圖 像傳感器12的光4妄收表面的中心延伸的垂直線一致的方式設置。 聚焦透鏡21這樣設置使其可以沿其光軸成直線地前后移動。形成 在C-MOS圖像傳感器12的光接收平面上的圖像的對焦位置按照可
14移動聚焦透4竟21的位置的函凄丈移動?？梢苿泳劢雇?竟21的位置由 控制器16經由透#:驅動部22控制。
c-mos圖像傳感器12將從拍攝對象經由透鏡單元11進入到其 光接收平面上的成像光線以像素為基礎轉換成電子視頻信號，并輸 出該一見頻信號。c-mos圖i象傳感器12由用于曝光定時和信號讀取 定時的定時發(fā)生器13控制。注意，與ccd以相同且一致的定時被 共同曝光不同，c-mos圖^f象傳感器12對于不同的^象素以不同的定 時曝光，并且像素的信號通過連續(xù)掃描而讀出。乂人c-mos圖〗象傳 感器12讀出的視頻信號被提供給像機信號處理部14。
定時發(fā)生器13生成各種同步信號，例如垂直同步信號。
像機信號處理部14執(zhí)行模擬處理，包括對由c-mos圖像傳感 器12提供的視頻信號進行采樣處理和放大處理，通過a/d轉換將 其凄t字化并對其進4于調整，包括y沖交正、白平衡等。在信號處理后， 像機信號處理部14將其轉換為諸如ntsc系統(tǒng)的電視系統(tǒng)或記錄 介質所要求的格式的數字視頻信號，并將其輸出到外部。
對焦評估值4企測部15以場為基礎才艮據由像才幾信號處理部14處 理的視頻信號檢測控制自動聚焦(af )特征所必須的對焦評估值e。 用于控制自動聚焦(af )特征所必須的對焦評估值e由圖像的4企測 范圍中的高頻分量的量和對比度值確定。如果檢測范圍中的高頻分 量的量很大，并且對比度很高，那么該檢測范圍就是焦點對準的。 相反，如果在檢測范圍中，高頻分量的量很小，并且對比度很低， 那么該-險測范圍就沒有焦點對準。簡言之，對焦評估值e表示圖4象 測范圍焦點對準的程度。
15通常，單個檢測范圍限定為如圖6A所示的圖像的中心。然而， 也可以在如圖6B和圖6C所示的圖^f象中心外的4立置定義兩個或多個
才企測范圍。
由圖6A、 6B和6C中的虛線表示的包括圖像中所有檢測范圍 的區(qū)域以下被稱作特定區(qū)域。
控制器16控制攝影機10的各個部件，以執(zhí)行自動聚焦控制和 其他功能。
具有上述配置的攝影機10可以攝取拍攝對象的圖像并輸出視 頻信號。然后輸出的視頻信號通常被記錄在硬盤或光盤上和/或顯示 在顯示器屏幕上。
攝影機10裝備有輔助光源17，使得拍攝對象即使在黑暗環(huán)境 中或逆光條件下，也顯示足夠強的對比度。輔助光源17通常包括 LED (發(fā)光二極管)激光器，并用激光束照射顯示弱對比度的拍攝 對象。例如，可以使用LED激光器作為輔助光源17,并可以通過 適于記錄光的振幅和相位的全息攝影三維地再現拍攝對象的圖像， 從而使顯示弱對比度的拍攝對象焦點對準。
接下來，將描述攝影機10的自動聚焦控制特征。
自動聚焦控制指的是在控制下自動移動聚焦透鏡21、并對其進 行調節(jié)使拍攝對象焦點對準。當進行成像操作時，控制器16持續(xù) 運行自動聚焦控制，以在最優(yōu)對焦狀態(tài)下輸出圖像。下面將針對自 動聚焦控制描述顫動操作和掃描操作。
(顫動操作)現在參照圖7描述通過計算來確定自動聚焦控制所需的、用于 驅動聚焦透鏡21移動的移動控制信號的操作順序(步驟SI ~步驟 S8)。注意，下面描述的步驟Sl 步驟S8的操作順序是由控制器 16在顫動才喿作中針對每個場而^M亍的。
首先，控制器16,人對焦評估值4企測部15讀取場的對焦評估^直 E (步驟Sl )。
然后，控制器16根據讀取的對焦評估值E和前一個場的對焦 評估值E計算確定對焦評估值的樣i分分量dE (步驟S2 )。
接下來，控制器16計算確定用于驅動聚焦透鏡21到焦點精確 對準位置的移動控制信號(步驟S3)。換句話說，需要驅動聚焦透 鏡21移動，以使對焦評估值位于山狀曲線的頂部。為此，控制器 16才艮據對焦評估^f直E和孩吏分分量dE來計算確定/人聚焦透4竟21的 當前位置到焦點精確對準的位置的距離和方向，并才艮據通過計算確 定的距離和方向生成用于驅動聚焦透4竟21 乂人當前位置向焦點精確 對準的位置移動的移動控制信號。
然后，控制器16判斷下一個場是否是將被;微小移向遠端或移 向近端以進行顫動4喿作的場(步驟S4)。如果下一場是要進行顫動 才喿作的場，則控制器16在步驟S5中計算確定顫動量。另一方面， 如果下一場不是要進行顫動操作的場，控制器16在步驟S6中選擇
顫動量為0。
然后，控制器16才艮據在步驟S5或S6中計算確定的顫動量來 產生用于驅動聚焦透鏡21向遠端或近端微小移動的顫動控制信號 (步驟S7 )。
17其后，控制器16將在步驟S3中確定的移動控制信號和在步驟 S7中確定的顫動控制信號相加，產生用于聚焦透鏡21的總移動控
制信號。
然后，控制器16將以上述方式確定的總移動控制信號應用到 透鏡驅動部22。透鏡驅動部22 4艮據總移動控制信號來驅動聚焦透 鏡21。結果是，可以使攝影機10最優(yōu)地調節(jié)視頻信號的焦點。
現在，將參照圖8A至圖9C更具體地描述4聶影才幾10的顫動才喿作。
圖8A和圖9A示出了當僅應用一個顫動控制信號時(換言之， 當用于驅動聚焦透鏡21向焦點精確對準位置移動的移動控制信號 為0時)聚焦透4竟21的移動。具體而言，在圖8A和圖9A的曲線 圖中，水平軸表示時間，垂直軸表示聚焦透4竟21的位置。圖8B和 圖9B示出了乂人定時發(fā)生器13I命出的^L頻信號的垂直同步4言號的定 時。圖8C和圖9C示出了位于特定區(qū)域中心處的像素(例如，圖 6A至圖6C中的^象素c)的曝光的定時。
圖8A至圖8C示出了在顫動才喿作具有四個場周期的情況下的 顫動才乘作，而圖9A至圖9C示出了在顫動才喿作具有兩個場周期的情 況下的顫動搮:作。
在攝影機10的顫動操作中，首先在第一期間(Tl)中，驅動 聚焦透鏡21向近端移動預定距離。該預定距離是根本不會影響攝 取圖像的非常小的距離。然后，在第二期間(T2)中，聚焦透鏡21 被強制停止預定時間段。其后，在第三期間(T3)中，驅動聚焦透 鏡21向遠端移動預定距離。接下來，在第四期間(T4)中，聚焦 透鏡21被強制停止預定時間段。其后，重復從第一期間到第四期 間的才喿作循環(huán)?？刂破?6生成使聚焦透鏡21以上述方式操作的顛動控制信號。
此外，控制器16以聚焦透4竟21的顫動，喿作的一個循環(huán)等于2 xn (n是自然數)個場期間的方式來產生顫動控制信號。
同時，控制器16以下面的方式產生顫動控制信號，如果從垂 直同步信號到第一期間(Tl)的開始定時的時間段或從垂直同步信 號到第三期間(T3)的開始定時的時間段等于t0,則時間段t0產 生具有由下面公式(1 )表示的值的顫動控制信號。
<formula>formula see original document page 19</formula>
在公式(1 )中，hs表示從垂直同步信號到由C-MOS圖像傳感 器12讀:f又特定區(qū)i或中的第一^f象素的定時的時間^殳。例如，如果 C-MOS圖l象傳感器12適于連續(xù)地從圖^f象的左上角向右下角掃描圖 像以讀取像素的信號，則hs是從垂直同步信號到讀取位于特定區(qū)域 的左上角處的4象素(圖6A到圖6C中的^f象素s)的信號的定時的時 間段。
在公式(1)中，he表示從垂直同步信號到由C-MOS圖像傳 感器12讀取特定區(qū)域中的最后一個4象素的定時的時間,殳。例如， 如果C-MOS圖像傳感器12適于連續(xù)地從圖像的左上角向右下角掃 描圖像以讀取像素的信號，則he是從垂直同步信號到讀取位于特 定區(qū)域的右下角處的像素(圖6A到圖6C中的像素e)的信號的定 時的時間4爻。
在公式(l)中，s表示每個像素的曝光時間(電子快門的打開 時間)。在公式(1)中，V表示場周期。
在公式(1)中，n表示由n=T/ (2xv)表示的值，其中T是 顫動纟喿作的循環(huán)周期。注意n是自然凄史。
在公式(1)中，d表示在顫動操作中的移動時間。
在公式(1 )中，s表示用于校正聚焦透鏡21的機械延遲的參數。
由7>式(1)可以看出，如圖8所示，通過控制聚焦透4竟21的 顫動操作的相位，可以使特定區(qū)域的中心像素的曝光期間內的中心 定時tx與第二期間(T2)的中心定時ty及第四期間(T4)的中心 定時一致。
換句話說，可以使顫動操作中的近端停止操作期間的中心定時 和遠端4亭止才喿作期間的中心定時與用來4企測對焦評估值的1象素的 曝光期間內的中心定時一致。因此，控制器16可以4吏在用于4企測 對焦評估值的像素的曝光期間內由于顫動操作引起的透鏡移動的 可能性降至最小。
另外，乂人/>式(1 )可以看出，作為聚焦透4竟21的顫動才喿作的 相位控制結果，即使在用于檢測對焦評估值的像素的曝光期間內產 生了透鏡的移動，也可以使在第二期間(T2)中(近端停止操作期 間)用于4企測對焦評估值的像素的曝光期間的長度等于在第四期間 (T4)中(遠端停止操作期間)用于檢測對焦評估值的像素的曝光 期間的長度。換句話i兌，可以4吏在第一期間(Tl)中(細孩史地向近 端移動的操作期間)用于檢測對焦評估值的像素的曝光期間的長度 等于在第三期間(T3)中(細微地向遠端移動的操作期間)用于檢 測對焦評估值的像素的曝光期間的長度。
20因此，攝影機10可以使各個場中用于檢測對焦評估值的有效
曝光期間彼此相等，并因此總是可以準確地檢測對焦評估值中可能 存在的任意波動分量。
顫動纟喿作的相位是以下面的方式來控制的，4吏顫動纟喿作的停止 才喿作期間的中心定時與上述實施例中的特定區(qū)域的中心j象素的曝 光期間的中心定時 一致，以通過在用于檢測對焦評估值的像素的曝 光期間內的顫動操作，使透鏡的任何移動的可能性最小化。然而，
不采用控制中心定時以^吏其;f皮此一致，也可以^辜4奐地控制顫動才喿作 的相^f立以防止在用來才金測乂于焦;平估^直的所有〗象素的曝光期間內由 顫動操作引起的透鏡的移動。
(掃描操作)
現在，將在下面描述通過以恒定速度驅動聚焦透4竟21來4企測 使對焦評估值最大的透鏡位置的掃描操作。該自動聚焦控制操作是 由控制器16通過在進行圖像攝取操作時向聚焦透鏡21輸出移動控 制信號來實現的。通過掃描操作進行自動聚焦控制是為了防止聚焦 透鏡21在用于檢測對焦評估值的像素的曝光期間內移動，這和上 述的顫動操作的情況 一樣。
首先，控制器16通常驅動聚焦透鏡21向最近的位置移動，以 在透鏡單元11的可移動范圍內開始掃描操作。當將聚焦透鏡21驅 動至開始掃描操作的位置的操作完成時，聚焦透鏡21通常移向無 限端以開始掃4笛。
控制器16從對焦評估值檢測部15讀取場(例如，從最近端向 無限端)的對焦評估值E,并計算確定用于以對焦評估^f直4立于山狀 曲線的頂部的方式驅動聚焦透4竟21向焦點4青確對準位置移動的移動控制信號。然后，才艮據移動控制信號，控制器實際地驅動聚焦透
鏡21移向被判斷為焦點對準位置的位置。
下面將參照圖IOA至圖11C描述驅動聚焦透4竟移動的定時。
圖IOA和圖11A示出了當對其4又施加一個掃描控制信號時(換 言之，當用于驅動聚焦透4竟21移向焦點精確對準位置的移動控制 信號等于0時)聚焦透鏡21的移動。具體地說，在圖IOA和圖11A 的曲線圖中，水平軸代表時間，垂直軸代表聚焦透4竟21的位置。 圖IOB和圖11B示出了從定時發(fā)生器13輸出的視頻信號的垂直同 步信號的定時。圖10C和圖11C示出了位于特定區(qū)域中心的《象素(例 如，圖6A至圖6C中的^^素c)的曝光定時。
圖IOA至圖10C示出了在掃描操作具有兩個場周期的情況下 的掃描操作，而圖IIA至圖11C示出了在掃描操作具有一個場周期 的情況下的掃描操作。
在攝影機10的掃描操作中，首先在第一期間(Tl)中，驅動 聚焦透鏡21向遠端移動預定距離。該預設距離是根本不會影響攝 取圖像的很小的距離。然后，在第二期間(T2)中，聚焦透鏡21 被強制停止預定時間段。其后，重復第一期間和第二期間的循環(huán)操作。
控制器16產生使聚焦透鏡21按上述方式操作的掃描控制信號。
另外，控制器16以聚焦透鏡21的掃描操作的一個循環(huán)等于n (n是自然數)個場周期的方式來產生掃描控制信號。
22同時，控制器16以下面的方法產生掃描控制信號，如果從垂 直同步信號到第一期間(Tl)的開始定時的期間等于tO,則期間tO 產生具有由下面公式(2)表示的值的掃描控制信號。
tO=(hs + he - s - (n x v) - d)/2 - s ...(2)
公式(2)與上述的公式(1 )相同，不過，當T表示掃描操作 的一個循環(huán)時，n表示由n=T/v (n為自然數)表示的值，其中d表 示掃描才喿作中的移動時間。
由公式(2)可以看出，如圖10所示，通過控制聚焦透4免21 的掃描操作的相位，可以使在特定區(qū)域的中心像素的曝光期間內的 中心定時tx與第二期間(T2)的中心定時ty—致。
換句話說，可以使在掃描操作中的停止操作期間的中心定時與 用來檢測對焦評估值的像素的曝光期間內的中心定時一致。因此， 控制器16可以<吏在用于4企測對焦評估值的<象素的曝光期間內由于 掃描操作引起的透鏡移動的可能性最小化。
因此，攝影機10可以使各個場中用于檢測對焦評估值的有效 曝光期間4皮此相等，并因此總是可以準確地4全測對焦評估值中可能 存在的任意波動分量。
掃描操作的相位是以下面的方式來控制的，使掃描操作的停止 才喿作期間的中心定時與上述實施例中的特定區(qū)^ 的中心^象素的曝 光期間的中心定時一致，以通過在用于檢測對焦評估值的像素的曝 光期間內的掃描操作，使透鏡的任何移動的可能性最小化。然而， 不采用控制中心定時以使其彼此一致，也可以替換地控制掃描操作 的相位以防止在用來4全測對焦評估<直的所有<象素的曝光期間內由 掃描操作引起的透鏡的移動。(輔助光源的發(fā)光操作) 才妾下來將描述用于照射顯示弱對比度的拍4聶對象的輔助光源
17的發(fā)光操作。與上述的顫動操作和掃描操作一樣，輔助光源17 以下述方式發(fā)光，即，4吏發(fā)光期間的中心定時與特定區(qū)域的中心傳_ 素的曝光的中心定時一致，或使其在用于檢測對焦評估值的所有像 素的曝光期間內發(fā)光。利用這種配置，可以實現準確和高速的自動 聚焦控制。
然而，當輔助光源像上述的顫動操作和掃描操作一樣操作用于 發(fā)光、并使用C-MOS圖〗象傳感器時，輔助光^f義對部分圖像照射。 那么，那么，例如，如果用LED激光器作為輔助光源17,而且顯 示弱對比度的拍攝對象是通過用于記錄光的振幅和相位的全息攝 影來焦點對準的，則很難獲得足以再現三維拍攝對象的全息圖。
雖然在顫動才喿作或掃描才喿作的所有循環(huán)周期內通過照射輔助 光可以獲得滿意的全息圖，但仍然按照例如ISO (國際標準化組織) 標準的安全標準限定了 LED激光器的輸出能量的上限。
因此，利用4艮據本發(fā)明的自動聚焦方法，輔助光源17 ^皮驅動 以比曝光時間短的間隔發(fā)光以滿足安全標準，并使顯示弱對比度的 拍攝對象顯示足夠的亮度。
圖12A至圖12D示出了當驅動輔助光源17以比曝光周期快8 倍的周期發(fā)光時的發(fā)光操作。圖12A示出了聚焦透鏡21的操作， 而圖12B示出了由定時發(fā)生器13輸出的視頻信號的垂直同步信號 的定時。圖12C示出了位于特定區(qū)域的中心位置的像素(例如，圖 6A至圖6C中的像素c)的曝光的定時，以及圖12D示出了輔助光 源17的發(fā)光的定時。注意，圖12A至圖12D示出了當掃描操作的 周期等于一個場周期時的發(fā)光操作。因此，輔助光源17根據垂直同步信號，在每個垂直同步期間/2n (n為自然數)時發(fā)射光脈沖。打開時間和關閉時間的比可以進行 調整，從而驅動輔助光源17以短于曝光時間的脈沖間隔發(fā)光，以 滿足安全標準，并獲得在整個圖像區(qū)域都顯示足夠亮度的圖像。結 果是，可以獲得足以再現三維拍才聶對象的全息圖。因此，可以實現 準確和高速的自動聚焦控制。
以上所述^f義為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā) 明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進 等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1. 一種電子像機，包括圖像傳感器，用于通過逐行掃描來曝光多個二維排列的光電轉換元件，并通過從每個所述光電轉換元件讀取電信號生成視頻信號；透鏡部，具有作為光學系統(tǒng)的一部分、用于會聚拍攝對象的圖像并適用于調節(jié)所述拍攝對象的聚焦位置的聚焦透鏡，和用于向近端和遠端移動所述聚焦透鏡的移動控制部；顫動控制部，用于產生顫動控制信號以使所述聚焦透鏡進行重復一系列操作的顫動操作，所述一系列操作包括在每2×n(n為自然數)個場周期中，驅動所述聚焦透鏡向所述近端移動預定距離的近端驅動操作、在所述近端驅動操作后使所述聚焦鏡頭在所述近端停止預定時間段的近端停止操作、在所述近端停止操作后驅動所述聚焦透鏡向所述遠端移動預定距離的遠端驅動操作、以及在所述遠端驅動操作后使所述聚焦透鏡在所述遠端停止預定時間段的遠端停止操作；對焦評估值計算部，用于根據所述圖像的預定范圍內的視頻信號生成表示所述拍攝對象的圖像的對焦程度的對焦評估值；對焦方向確定部，用于計算所述顫動操作期間的對焦評估值的變化量，并根據所述變化量確定使所述聚焦透鏡焦點對準的方向；以及驅動部，用于根據所述對焦評估值和焦點對準方向驅動所述聚焦透鏡移動并使焦點對準，并根據所述顫動控制信號驅動所述移動控制部；所述顫動控制部適于產生所述顫動控制信號，以使用于生成所述對焦評估值的像素的曝光期間處于所述近端停止操作和所述遠端停止操作的期間內。
2. —種與電子像機一起使用的自動聚焦方法，所述電子像機具有 用于通過逐行掃描來曝光多個二維排列的光電轉換元件、并通 過從每個所述光電轉換元件讀取電信號生成視頻信號的圖像傳感器，所述方法包括下列步驟使用于調節(jié)拍攝對象的聚焦位置的聚焦透鏡進行重復一 系列操作的顫動操作，所述一 系列操作包括在每2 x n ( n為自 然數)個場周期中，驅動所述聚焦透鏡向近端移動預定距離的 近端驅動#:作、在所述近端驅動，乘作后4吏所述聚焦透4竟在所述近端停止預定時間段的近端停止#:作、在所述近端停止#:作后驅動所述聚焦透4竟向遠端移動預定距離的遠端驅動才喿作、以及 在所述遠端驅動纟喿作后使所述聚焦透4竟在所述遠端停止預定時間段的遠端停止操作；才艮據所述圖〗象的預定范圍內的^L頻信號生成表示所述拍 攝對象的圖像的對焦程度的對焦評估值；以及為了焦點調節(jié)的目的，計算所述顫動纟喿作期間的對焦評 估值的變化量，根據所述變化量確定使所述聚焦透鏡焦點對準 的方向，以及才艮據所述對焦評估值和焦點對準方向驅動所述聚 焦透4竟移動并4吏焦點對準；用于生成所述對焦評估值的4象素的曝光期間位于所述顫 動才喿作中的所述近端停止才喿作和所述遠端停止才喿作期間內。
3. —種電子傳4幾，包4舌圖像傳感器，用于通過逐行掃描來曝光多個二維排列的 光電轉換元件，并通過從每個所述光電轉換元件讀取電信號產 生視頻信號；透鏡部，具有作為光學系統(tǒng)的一部分、用于會聚拍攝對 象的圖像并適用于調節(jié)所述拍攝對象的聚焦位置的聚焦透鏡、 和用于向近端和遠端移動所述聚焦透4竟的移動控制部；掃描控制部，用于產生使所述聚焦透鏡進行重復一系列 操作的掃描操作的掃描控制信號，所述一系列操作包括驅動所 述聚焦透4竟沿預定方向移動預定距離的驅動l喿作和在所述驅 動操作后停止預定時間段的停止操作；對焦評估值計算部，用于;f艮據所述圖像中的預定范圍的 視頻信號生成表示所述拍攝對象的圖像的對焦程度的對焦評 估值；以及驅動部，用于4艮據所述對焦評估值驅動所述聚焦透4竟移 動并使焦點對準，并根據所述掃描控制信號驅動所述移動控制 部；所述掃描控制部適用于產生所述掃描控制信號，以使用 于產生所述對焦評估值的像素的曝光期間處于所述停止操作 期間內。
4. 一種與電子像機一起使用的自動聚焦方法，所述電子像機具有 用于通過逐4亍掃描來曝光多個二維排列的光電轉換元件、并通 過從每個光電轉換元件讀取電信號產生視頻信號的圖像傳感 器，所述方法包括下列步驟使用于調節(jié)拍攝對象的聚焦位置的聚焦透鏡進行重復一 系列操作的掃描操作，所述一系列操作包括驅動所述聚焦透鏡沿預定方向移動預定距離的驅動才喿作和在所述驅動才喿作后4f止預定時間段的停止操作；根據所述圖像中的預定范圍的視頻信號生成表示所述拍 攝對象的圖像的對焦程度的對焦評估值；以及為了焦點調節(jié)的目的，4艮據所述對焦評估值驅動所述聚 焦透4免移動并4吏焦點對準；用于生成所述對焦評估值的 <象素的曝光期間處于所述停止#:作期間內。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電子像機，適用于高速執(zhí)行準確的自動聚焦控制操作。該電子像機包括C-MOS圖像傳感器；具有聚焦透鏡的透鏡部；顫動控制部，產生顫動控制信號以使聚焦透鏡進行重復一系列操作的顫動操作；對焦評估值計算部，根據圖像的預定范圍內的視頻信號生成表示拍攝對象的圖像的對焦程度的對焦評估值；對焦方向確定部，計算顫動操作期間的對焦評估值的變化量，并根據變化量確定使聚焦透鏡焦點對準的方向；以及驅動部，根據對焦評估值和焦點對準方向驅動聚焦透鏡移動并使焦點對準，并根據顫動控制信號驅動移動控制部。顫動控制部適于產生顫動控制信號，以使用于生成對焦評估值的像素的曝光期間處于近端停止操作和遠端停止操作的期間內。
文檔編號H04N5/232GK101489048SQ20091000625
公開日2009年7月22日 申請日期2005年7月1日 優(yōu)先權日2004年7月2日
發(fā)明者竹本聰 申請人:索尼株式會社