具有自動聚焦系統的照相機的製作方法
2023-04-27 12:32:31
專利名稱：具有自動聚焦系統的照相機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有自動聚焦系統的照相機。特別地，本發明涉及一種採用對比度(contrast)檢測方法的具有自動聚焦系統的相機。
背景技術：
在諸如小型數位相機的數位相機中，利用對比度檢測方法的自動聚焦系統被結合在相機中作為自動控制裝置。在該對比度檢測方法中，基於從圖像傳感器讀取的圖像相素信號連續地檢測對比度數據，執行自動聚焦。當檢測到峰值或最大對比度數據時，換句話說，當物像中的高空間高頻部分(high spatial high frequency component)成為最大值時，確定物體處於聚焦狀態，且聚焦鏡頭被驅動到焦點。使用者可以通過相機後表面上的LCD監視器確認聚焦情況。
通常，通過梯度(gradient)法(所謂的「爬山法」)檢測聚焦位置，該方法在高頻部分的分布曲線中搜尋頂點。連續檢測對比度數據，同時連續驅動聚焦鏡頭，且當對比度數據具有峰值時確定物體處於聚焦狀態。
當由於物體焦點未對準，而從清晰的物像變成模糊的物像時，搜尋聚焦位置，同時向光軸的前後方向移動成像表面。同樣，聚焦鏡頭返回到初始位置，並被連續驅動，直到找到聚焦位置。聚焦鏡頭的這些驅動導致很難縮短聚焦所需時間。
發明內容
本發明的一個目的在於提供一種能精確和快速地聚焦的照相機。
根據本發明的相機具有對比度檢測器和聚焦檢測器。對比度檢測器連續檢測在圖像傳感器的光接收表面上形成物像的對比度數據。聚焦檢測器基於對比度數據檢測聚焦情況。該相機還具有通過驅動照相光學系統聚焦物體的調焦器。
在本發明中，當物體焦點未對準時，調焦器驅動照相光學系統，從而將成像表面向前向後移動到與光接收表面相應的最終聚焦位置。成像表面被移動到靠近照相光學系統的向前位置以及被移動到離開照相光學系統的向後位置。然後，聚焦檢測器檢測與移動成像表面之前的位置相對應的標準對比度數據、與向前位置相對應的向前對比度數據，和與向後位置相對應的向後對比度數據。調焦器向對比度增大的方向移動成像表面，其中對比度數據從標準對比度數據，向前對比度數據，和向後對比度數據中獲得。
優選地，當物體從聚焦情況變成焦點未對準時，調焦器向前向後移動成像表面。同樣，優選地，當物像的對比度低時，調焦器向前向後移動成像表面。在該情況中，當向前和向後對比度數據小於標準對比度數據，且標準對比度數據與向前向後對比度數據之差處於容許範圍內時，聚焦檢測器確定處於聚焦情況。例如，調焦器移動成像表面，使得與標準對比度數據相對應的位置、向前位置和向後位置排列在大致恆定的間隔上。
通過下面優選實施例的說明並參考附圖，本發明將得到更好的理解，其中圖1為根據本發明實施例的數位相機的後視圖；圖2為數位相機的框圖；圖3為由系統控制電路執行的自動聚焦方法的流程圖；圖4為表示對比度數據和對比度差異數據的點圖；圖5A和5B為表示三個相鄰對比度數據的視圖。
具體實施例方式
下文中，將參考
本發明的優選實施例。
圖1為根據本發明實施例的數位相機的後視圖。
數位相機10在後表面10B上具有LCD監視器30，和LCD監視器30上方的取景器22。此外，在後表面10B上具有一系列按鈕。這裡，提供了放大按鈕12；由向上按鈕16U、向下按鈕16D、向右按鈕16R和向左按鈕16L組成的十字形按鈕；OK按鈕18；以及模式按鈕19。模式按鈕19操作成在照相模式、錄像模式和重放模式之間切換。
上表面10U上具有主按鈕11和釋放按鈕13。通過按下主按鈕11開啟相機10，並通過操作釋放按鈕13記錄物像。在位於相機10前表面上的鏡筒(圖中未示出)中安裝了照相光學系統。
圖2為根據本實施例的數位相機10的框圖。
包括CPU、ROM和RAM的系統控制電路50控制相機10，並且主開關11A、變焦開關12A、釋放半壓下開關13A、釋放全壓下開關13B、選擇開關16A、進入開關18A和模式開關19A與系統控制電路50相連。在ROM中，儲存用於控制相機10操作的程序。
當選擇照相模式時，執行在LCD監視器30上顯示電影(movie)圖像或視頻(video)圖像的信號處理。通過穿過照相光學系統的光，在CCD 40的光接收表面上形成物像，且在CCD 40中產生與物像相對應的圖像像素信號。由CCD驅動器52驅動CCD 40，使得以恆定的間隔從CCD 40連續地讀取圖像像素信號。這裡，以1/30或1/60秒的間隔從CCD 40讀取圖像像素信號。圖像像素信號在放大器42中被放大，在A/D轉換器44中從模擬信號轉化為數位訊號。
在信號處理器46中，對數字圖像進行多種的處理，例如白平衡和灰度係數(gamma)校正處理。經過處理的圖像信號暫時儲存在幀存儲器(圖中未示出)中，並被提供給LCD驅動器47。LCD驅動器基於圖像信號驅動LCD監視器30，使得在LCD監視器30上顯示視頻圖像。此外，在信號處理器46中從圖像信號連續地產生亮度信號，該亮度信號被提供給系統控制電路50。在系統控制電路50中，從亮度信號中連續地產生對比度數據。
當釋放按鈕13被按下一半時，釋放半壓下開關13A開啟。從而執行自動聚焦，並檢測物體的亮度。包括在照相光學系統15中的聚焦鏡頭15A被沿著光軸驅動，使得成像表面與CCD 40的光接收表面重合。這裡，使用對比度檢測方法的自動聚焦被採用。聚焦鏡頭15A由鏡頭驅動器64驅動，驅動器64包括步進電機(圖中未示出)。曝光控制器58基於來自系統控制電路50的控制信號控制聚焦鏡頭15A的位置。系統控制電路50檢測聚焦鏡頭15A的位置。
當釋放按鈕13被完全按下時，釋放全壓下開關13B被開啟，使得快門28開啟指定時間間隔。快門28由曝光控制器58控制。從CCD 40讀取一幀圖像像素信號(one frame-worth ofimage-pixel signal)，並在放大器42、A/D轉換器44和信號處理器46中經過多種處理。然後，在記錄電路62中壓縮圖像數據，且經過壓縮的圖像數據被儲存在存儲卡60中。
當選擇回放模式時，經過壓縮的數據從存儲卡60中被讀取，並經過解壓縮處理。經過解壓縮的圖像數據被提供給LCD驅動器47，且LCD驅動器47驅動LCD監視器30，使得所記錄的物像顯示在LCD監視器30上。當選擇視頻圖像記錄模式時，從CCD 40讀取的數秒鐘的系列圖像像素信號經過圖像處理，且視頻圖像數據被壓縮並記錄在存儲卡60上。
圖3為由系統控制電路50執行的自動聚焦方法的流程圖。
在步驟S101中，聚焦鏡頭15A被設至初始位置，然後被驅動，使成像表面沿著光軸E連續移動。成像表面沿著光軸的位置隨著從相機到所拍攝物體之間的距離而變化。聚焦鏡頭15A的初始位置聚焦在接近相機10的物體上，且聚焦鏡頭15A被連續驅動，使得成像表面朝向距離相機一定距離的物體或無限遠處的物體被聚焦的方向移動。通過改變焦距，移動成像表面的位置，物像清晰地或銳利地形成在成像表面上。成像表面沿著光軸E的移動量取決於包括在鏡頭驅動器64中的步進電機的旋轉量。
在步驟S102中，獲得對比度數據。表示圖像數據中的高頻部分的該對比度數據以1/30或1/60秒間隔從一幀圖像像素信號中連續地產生。通過計算亮度差異獲得對比度信號，亮度差異是在一幀圖像像素信號中最大亮度水平和最小亮度水平之間的差異。注意，為了進行低通濾波器處理，這裡通過計算當前獲得的對比度信號和前次(previously)獲得的對比度信號的平均值而獲得對比度信號。
在步驟S103中，計算對比度差異數據。對比度差異數據表示當前檢測的對比度數據和RAM中存儲的前次檢測的對比度數據之間的差值。然後，在步驟S104中，確定前次檢測的對比度數據是否是一系列所檢測對比度數據中的峰值或最高數據。
圖4為表示對比度數據和對比度差異數據的點圖。
在圖4中，對比度數據「D0」至「D6」和對比度差異數據「T1」至「T6」沿著成像表面移動的方向繪製。隨著成像表面移動，對比度數據逐漸增大。然後，當成像表面移動到聚焦位置附近的位置時，換句話說，移動到CCD 40的光接收表面位置時，對比度數據急劇增大。當成像表面越過聚焦位置時，對比度急劇減小。另一方面，隨著對比度數據增大，對比度差異數據逐漸增大，且當成像表面靠近聚焦位置(CCD 40的光接收表面的位置)時，對比度差異數據急劇增大。然後，當成像表面越過聚焦位置時，對比度差異數據急劇減小。通常，當成像表面越過聚焦位置時，對比度差異數據變成接近於零的值或負值(在圖4中，為負值)。在圖3中所示的步驟S104中，確定當前或最後的對比度數據是否低於前次(previous)或最近的(latest)對比度數據，並確定所計算的對比度差異數據是否以超過指定值的值下降。這裡，確定當前所計算的對比度數據和前次所計算的對比度數據之間的下降差異「ΔD」是否超過預定標準差異「T0」。
當確定當前對比度數據不低於前次對比度數據，或差異「ΔD」不超過預定標準差異「T0」時(即，當確定前次對比度數據不是峰值或最高數據時)，過程回到步驟S102。另一方面，當確定前次對比度數據是峰值數據時，過程轉向步驟S105。在圖4中，對比度數據「D6」低於前次檢測的對比度數據「D5」。在該情況中，當前計算的對比度差異數據「T6」和前次計算的對比度數據「T5」之間的差異「ΔD」超過標準差異「T0」。標準差異「T0」根據照相光學系統15的焦距進行定義。
在步驟S105中，從一系列所檢測的對比度數據計算二次逼近曲線「PM」，並從該曲線「PM」獲得最大峰值對比度數據「DT」，其為曲線「PM」中的最大值。然後計算成像表面的位置「FP」(下文中，稱為「聚焦位置」)，其與最大對比度數據「DT」相對應。在步驟S106中，聚焦鏡頭15A被驅動，使成像表面返回到聚焦位置「FP」，其與CCD40的光接收表面重合。這樣，可靠聚焦的圖像顯示在LCD監視器30上。
在步驟S107中，對比度數據是最近獲取的。然後，在步驟S108中，確定物體是否維持在聚焦狀態中。這裡，確定最近獲得的對比度數據和前次檢測的對比度數據之間的差異是否處於預定的容許範圍內。當差異處於該容許範圍內時，確定最近獲得的對比度數據與前次檢測的對比度數據大致相同(即，維持聚焦情況)；然後過程轉向步驟S107。當聚焦情況維持時，重複執行步驟S107至S108。另一方面，當確定差異超出該容許範圍時(即，物體焦點未對準時)，該過程轉向步驟S109。由於所拍攝物體的輪換或改變、物體運動或相機10的運動，聚焦情況可以變成散焦情況。
在步驟S109中，確定所檢測的對比度數據是否具有相對較低的值；即，是否物像具有較低的對比度，即，圖像的變化範圍較小。這裡，確定一系列所檢測對比度數據中的最大數據是否等於或低於指定值。當確定對比度數據不是低對比度數據時，該過程轉向步驟S110，其中聚焦鏡頭15A被驅動到初始位置。然後，執行步驟S102-S106以聚焦物體。另一方面，當確定對比度數據是低對比度數據時，該過程轉向步驟S111。
在步驟S111中，聚焦鏡頭15A被向前向後驅動，使得成像表面朝向靠近相機的物體被聚焦的方向(下文中，稱為「向前方向」)移動，然後進一步朝向遠離相機的物體被聚焦的方向(下文中，稱為「向後方向」)移動。成像表面被向前移動到指定位置，並被向後移動到指定位置。這兩個位置(下文中，分別稱為「向前位置」和「向後位置」)均從在步驟S106中確定的位置分離開共同的間距。在驅動聚焦鏡頭15A時，在向前位置處檢測對比度數據(下文中，稱為「向前對比度數據」)，並在向後位置處檢測對比度數據(下文中，稱為「向後對比度數據」)。在步驟S112中，基於向前和向後對比度數據和在步驟S107中獲得的對比度數據(下文中，稱為「標準對比度數據」)，確定聚焦情況是否大致維持在低對比度情況。在移動成像表面之前的位置處檢測標準對比度數據。
圖5A是表示三個相鄰對比度數據的視圖。對比度數據P1表示在移動聚焦鏡頭15A以前獲得的標準對比度數據，而對比度數據P2和P3分別表示向前對比度數據和向後對比度數據。向前和向後對比度數據P2和P3低於際準對比度數據P1，且標準對比度數據P1和向前和向後對比度數據P2和P3之間的差異較小。在該情況中，大致維持聚焦情況。在步驟S112中，確定向前和向後對比度數據是否小於標準對比度數據，和標準對比度數據的下降速率是否等於或小於2％。當確定大致維持聚焦情況時，該過程回到步驟S107。
另一方面，當確定不維持聚焦情況時，該過程轉向步驟S113。在步驟S113中，成像表面的移動方向基於標準對比度數據和向前和向後對比度數據而被確定。移動方向是接近照相光學系統15的向前方向、或遠離照相光學系統15的向後方向，並對比度數據增加的方向被確定為移動方向。然後，根據所確定的移動方向驅動聚焦鏡頭15A。
圖5B是表示另外三個相鄰對比度數據的視圖。對比度數據P1′表示標準對比度數據，而對比度數據P2′和P3′分別表示向後對比度數據和向前對比度數據。如圖5B中所示，向前對比度數據P2′低於標準對比度數據P1′，而向後對比度數據P3′高於標準對比度數據P1′。在該情況中，由於成像表面相對於CCD40的光接收表面處於向前位置，因此成像表面向遠離照相光軸系統15的向後方向移動。在步驟S113中，聚焦鏡頭15A被驅動，使成像表面與CCD 40的光接收表面重合。在執行了步驟S113後，該過程返回到步驟S102。
以這種方式，在該實施例中，聚焦鏡頭15被驅動，使CCD 40的成像表面從初始位置連續移動，並計算對比度差異數據。然後，基於對比度數據的下降和對比度差異數據的下降量確定物體是否處於聚焦狀態。當確定物體已經處於聚焦狀態時，通過逼近法(approximation)計算聚焦位置，且聚焦鏡頭15A被驅動，使成像位置位於所計算的聚焦位置上；即，CCD 40的光接收表面位置上。由於通過在成像表面越過聚焦位置後獲得的最新的對比度數據檢測到聚焦情況，因此可快速地進行自動聚焦。
此外，當物像的對比度較低時，通過三個彼此相鄰的對比度數據確定成像表面的移動方向。這樣，即使當物像的對比度較低時，也能快速地進行自動聚焦。
當物像的對比度較低時，在對比度數據連續地減小之後，可以確定聚焦情況。對比度數據可以通過不同於亮度差異數據的其它數據進行檢測。
可選地，可以通過對比度差異數據的下降量確定成像表面是否越過聚焦位置。可選地，即使當物像的對比度不低時，也可以確定成像表面的移動方向。成像表面可以首先移動到向後位置，然後移動到向前位置。
最後，本領域技術人員可以理解上述說明是該裝置優選實施例的說明，且可以對本發明做出多種變化和修改，而不偏離本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種照相機，包括對比度檢測器，其連續地檢測在圖像傳感器的光接收表面上形成的物像的對比度數據；聚焦檢測器，其基於對比度數據檢測聚焦情況；和調焦器，其通過驅動照相光學系統而聚焦物體，當物體焦點未對準時，所述調焦器驅動所述照相光學系統，從而將成像表面向前和向後移動到光接收表面上，所述聚焦檢測器檢測與移動成像表面之前的位置相對應的標準對比度數據，與向前位置相對應的向前對比度數據，和與向後位置相對應的向後對比度數據，所述調焦器向對比度數據增大的方向移動成像表面，其中該對比度數據從標準對比度數據，向前對比度數據，和向後對比度數據中獲得。
2.如權利要求1所述的照相機，其中，當物體相對於聚焦情況變成焦點未對準時，所述調焦器向前和向後移動成像表面。
3.如權利要求1所述的照相機，其中，當物像的對比度低時，所述調焦器向前和向後移動成像表面。
4.如權利要求3所述的照相機，其中，當向前和向後對比度數據低於標準對比度數據，且標準對比度數據與向前和向後對比度數據之間的差異處於容許範圍內時，所述聚焦檢測器確定處於聚焦情況。
5.如權利要求1所述的照相機，其中，所述調焦器移動成像表面，使得與標準對比度數據相對應的位置，向前位置，和向後位置排列在大致恆定的間隔上。
6.用於聚焦物體的設備，包括聚焦檢測器，其基於連續檢測的對比度數據檢測聚焦情況；和調焦器，其通過驅動照相光學系統而聚焦物體，當物體焦點未對準時，所述調焦器驅動所述照相光學系統，從而將成像表面向前和向後移動到光接收表面，所述聚焦檢測器檢測與移動成像表面之前的位置相對應的標準對比度數據，與向前位置相對應的向前對比度數據，和與向後位置相對應的向後對比度數據，所述調焦器向對比度數據增大的方向移動成像表面，其中該對比度數據從標準對比度數據，向前對比度數據，和向後對比度數據中獲得。
7.一種電腦程式產品，包括聚焦檢測器，其基於連續檢測的對比度數據檢測聚焦情況；和調焦器，其通過驅動照相光學系統而聚焦物體，當物體焦點未對準時，所述調焦器驅動所述照相光學系統，從而將成像表面向前和向後移動到光接收表面，所述聚焦檢測器檢測與移動成像表面之前的位置相對應的標準對比度數據，與向前位置相對應的向前對比度數據，和與向後位置相對應的在後對比度數據，所述調焦器向對比度數據增大的方向移動成像表面，其中該對比度數據從標準對比度數據，向前對比度數據，和向後對比度數據中獲得。
8.一種用於聚焦物體的方法，包括基於連續檢測的對比度數據檢測聚焦情況；當物體焦點未對準時，驅動所述照相光學系統，從而使成像表面向前和向後移動到光接收表面；檢測與移動成像表面之前的位置相對應的標準對比度數據，與向前位置相對應的向前對比度數據，和與向後位置相對應的向後對比度數據；和向對比度數據增大的方向移動成像表面，其中該對比度數據從標準對比度數據，向前對比度數據，和向後對比度數據中獲得。
全文摘要
一種照相機，具有對比度檢測器，其連續地檢測在圖像傳感器的光接收表面上形成的物像的對比度數據，和聚焦檢測器，其基於該對比度數據檢測聚焦情況。該照相機還具有通過驅動照相光學系統而聚焦物體的調焦器。當物體焦點未對準時，調焦器驅動照相光學系統，從而向前和向後移動成像表面。然後，聚焦檢測器檢測與移動成像表面之前的位置相對應的標準對比度數據，與向前位置相對應的向前對比度數據，和與向後位置相對應的向後對比度數據。調焦器向對比度數據增大的方向移動成像表面，其中該對比度數據從標準對比度數據，向前對比度數據，和向後對比度數據中獲得。
文檔編號H04N5/225GK1940699SQ200610154268
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月19日 優先權日2005年9月26日
發明者川浪直人 申請人:賓得株式會社