CN100414337C - 自动聚焦设备与方法 - Google Patents

Abstract

一种自动聚焦设备，包含：镜头驱动单元；焦点位置检测单元，其检测镜头焦点的位置；以及距离测量传感器。距离测量传感器根据基准距离测量视场、从基准距离测量视场向外偏移的距离测量视场、和/或具有不同于基准距离测量视场的视场的距离测量视场，测量到对象的距离。该设备具有控制单元，其控制镜头驱动单元驱动镜头，以使镜头的焦点位置满足其对焦位置。聚焦操作开始于：根据从由距离测量传感器获得的测定距离结果中选择的代表值、以及镜头焦点的位置，设置镜头驱动。

Description

自动聚焦设备与方法

相关申请交叉引用

本申请包含与2005年4月15日向日本专利局提交的日本专利申请JP2005-119038相关的技术主题，其全部内容通过引用融入本文。

技术领域

本发明涉及用于诸如摄像机与数字照相机等成像装置的自动聚焦设备、方法及其程序产品。

背景技术

诸如摄像机与数字照相机等成像装置已经配备有自动对对象聚焦的任一自动聚焦机制。自动聚焦机制相加在成像框(取景器视图)中提供的特定区域中的图像信号的频率分量，以计算其聚焦评估值，并且驱动聚焦镜头，从而可以给出最大聚焦评估值(参见日本专利申请公开号H10-213736)。由此，如果在所述特定区域被设置在成像框中心之上、并且成像框的构成被固定以将对象置于成像框中心之上以后成像，则当聚焦镜头的焦点位置符合对焦位置(in-focus position)时，可以自动对该对象聚焦。在该自动聚焦机制中，还利用指示与对象距离的测定的距离结果进行聚焦调整操作。

发明内容

如果当利用指示与所希望对象的距离的测定距离结果进行聚焦调整操作时、减少距离测量的视场以集中到较窄距离测量区域，就可以通过将该对象置于距离测量区域并对其成像而正确地聚焦该对象。如果对象的图像由于与对象的距离大而成像较小，则可以增加距离测量精确性，这是因为当减少距离测量的视场以集中到较窄的距离测量区域时，减少了背景的所有影响。

然而，如果减少距离测量的视场，则距离测量区域可能被包含在对象之内。例如，如图1所示，如果距离测量传感器95减少距离测量的视场使其可被设置为3度，则距离测量区域被集中到从传感器95向前延伸2m直径10.5cm的区域。由此，如果利用对象对比度的任何差异进行距离测量并且对穿着没有图案的简单汗衫的人物OB成像，则难于测量与对象的距离，这是因为在距离测量区域内对象对比度没有差异。这导致了难于利用测定距离结果进行自动聚焦操作。

人们希望出现能够通过增强距离测量性能、利用到希望对象的测定距离结果对所希望对象自动聚焦的自动聚焦设备、方法及其程序产品。

根据本发明的一种实施方式，提供了一种自动聚焦设备，包含：镜头驱动单元，其驱动镜头；焦点位置检测单元，其检测镜头焦点的位置；距离测量传感器，其根据每个距离测量视场测量到对象的距离。在距离测量传感器中提供了基准距离测量视场、以及从基准距离测量视场向外偏移的距离测量视场和具有不同于基准距离测量视场的视场的距离测量视场中的任一个。该设备还包含控制单元，其进行聚焦操作，以控制镜头驱动单元驱动镜头，由此使由焦点位置检测单元检测的镜头焦点的位置满足其对焦位置。控制单元允许聚焦操作开始于：根据从由距离测量传感器获得的测定距离结果中选择的代表值、以及由焦点位置检测单元检测的镜头焦点的位置，设置镜头驱动。

根据本发明的另一种实施方式，提供了一种自动聚焦方法。该自动聚焦方法包含：焦点位置检测步骤，其检测镜头焦点的位置。该方法还包含：代表值选择步骤，其在距离测量传感器中提供基准距离测量视场、以及从基准距离测量视场向外偏移的距离测量视场和具有不同于基准距离测量视场的视场的距离测量视场中的任一个，由该距离测量传感器根据距离测量视场来测量到对象的距离，以获得测定距离结果，并且从由此获得的测定距离结果中选择代表值。该方法还包含聚焦处理步骤，其通过根据测定距离结果的代表值以及镜头焦点的检测位置来设置镜头驱动，而开始使在焦点位置检测步骤中检测的镜头焦点位置满足其对焦位置的聚焦操作。

根据本发明的再一种实施方式，提供了一种计算机程序产品，其允许计算机执行以上自动聚焦方法。

根据本发明的任一实施方式，沿镜头光轴提供基准距离测量视场。可以提供从基准距离测量视场向外偏移的距离测量视场和/或具有不同于基准距离测量视场的视场的距离测量视场。对距离测量传感器的每个距离测量视场设置优先级；并且如果获得基于该多个距离测量视场的多个测定距离结果，则选择具有最高优先级的测定距离结果作为测定距离结果的代表值。聚焦操作通过根据代表值与镜头焦点检测位置设置镜头驱动(即设置聚焦镜头的驱动方向与驱动速度)而开始。

由此，根据本发明的任一实施方式，从由利用多个距离测量视场的距离测量获得的测定距离结果中选择代表值，并且根据该代表值与镜头焦点检测位置设置镜头驱动，由此开始聚焦操作。由此，如果即使当利用基准距离测量视场时不能获得正确的测定距离结果，也可以使用从基准距离测量视场向外偏移的距离测量视场和/或具有不同于基准距离测量视场的视场的距离测量视场，来获得测定距离结果。通过从利用这些距离测量视场获得的测定距离结果中选择并且使用代表值，可以设置镜头驱动以开始聚焦操作。由此通过增强距离测量传感器的距离测量性能，可以利用到所希望对象的测定距离结果来自动聚焦于所希望的对象。

本说明书的接收部分具体指出并且直接要求本发明的技术主题。但是，本领域技术人员通过参照附图阅读本说明书的其余部分，能够对本发明操作的组织与方法、以及本发明的优点与目的获得最佳理解。在附图中，类似的附图标记指类似的元件。

附图说明

图1为显示距离测量传感器中距离测量视场被减少的情况的图示；

图2为显示根据本发明的摄像机实施方式的配置的方框图；

图3为显示聚焦评估值计算单元的配置的方框图；

图4为显示评估窗口尺寸的图示；

图5为显示过滤水平方向聚焦评估值的计算滤波器的配置的方框图；

图6为显示过滤水平方向聚焦评估值的水平与垂直方向积分方案的计算滤波器的配置的方框图；

图7为显示过滤垂直方向聚焦评估值的计算滤波器的配置的方框图；

图8为显示相差方案的距离测量传感器的原理的图示；

图9为显示在其中提供了多个距离测量视场的距离测量传感器中的距离测量方法的图示；

图10为显示摄像机自动聚焦操作的流程图；

图11为显示从测定距离结果中选择代表值的选择处理的流程图；

图12为显示镜头驱动设置处理的流程图；

图13为解释利用测定距离结果代表值的自动聚焦操作的图示。

具体实施方式

以下将参照附图描述本发明的实施方式。图2显示具有自动聚焦机制的诸如摄像机10等成像装置的整体配置。

摄像机10的镜头组件(lens block)20由以下构成：成像镜头、检测成像镜头位置的镜头位置检测单元、驱动成像镜头的镜头驱动单元等等。应该注意：在图2所示的镜头组件20中，作为成像镜头，显示了聚焦镜头21与摆动镜头22，聚焦镜头21用来将对象图像聚焦在成像元件的成像表面上，摆动镜头22利用对于聚焦镜头21驱动方向的确定来使其焦点位置满足对焦位置。

对于聚焦镜头21，配备有：检测聚焦镜头21的位置的镜头位置检测单元21a，即检测聚焦镜头21的焦点位置的焦点位置检测单元；以及镜头驱动单元21b，其驱动聚焦镜头21使镜头位置沿其光轴移动。

类似地，对于摆动镜头22，配备有：检测摆动镜头22的位置的镜头位置检测单元22a，以及驱动摆动镜头22使镜头位置沿其光轴移动的镜头驱动单元22b，以进行任何适当的摆动。

镜头组件20具有光圈23，以控制入射光量。对于光圈23，也配备有：检测光圈23孔径开口水平的光圈位置检测单元23a，以及驱动光圈23使其打开、关闭的光圈驱动单元23b。

镜头组件控制单元51分别接收来自镜头位置检测单元21a的、指示聚焦镜头21的焦点位置的检测信号RSf，来自镜头位置检测单元22a的、指示摆动量的检测信号RSw，来自光圈位置检测单元23a的、指示光圈23孔径开口水平的的检测信号RSi。镜头组件控制单元51连接到用户界面55，以设置自动聚焦操作模式并且开始自动聚焦操作。根据用户对用户界面55的操纵，镜头组件控制单元51可以接收任何操纵信号PSL。镜头组件控制单元51还具有存储单元(其未显示)，由只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)等等构成。该存储单元可以存储关于聚焦镜头21和摆动镜头22每一个的焦距的数据、关于孔径比的数据、以及关于镜头组件的制造商名称与序列号的任何信息等等。

镜头组件控制单元51基于所存储的信息、检测信号RSf、RSw、和RSi、操纵信号PSL、以及从以后将描述的相机组件控制单元52收到的聚焦控制信号CTf和摆动控制信号CTw，生成镜头驱动信号RDf、RDw。镜头组件控制单元51进一步向镜头驱动单元21b提供所生成的镜头驱动信号RDf以驱动聚焦镜头21，由此允许对所希望的对象对焦。镜头组件控制单元51另外向镜头驱动单元22b提供所生成的镜头驱动信号RDw以驱动摆动镜头22，由此允许对聚焦镜头对焦位置的方向进行检测。镜头组件控制单元51还生成光圈控制信号RDi，并且将其供给光圈驱动单元23b，由此允许光圈23孔径的开口水平得到控制。

相机组件30中的分光棱镜31将来自镜头组件20的入射光分离为三原色红(R)、绿(G)、蓝(B)，并且分别将其中的R分量提供给图像拾取器32R，将其中的G分量提供给图像拾取器32G、并且将其中的B分量提供给图像拾取器32B。

图像拾取器32R通过光电转换生成相应于R分量的图像信号SR，并且将其提供给前置放大器33R。图像拾取器32G通过光电转换生成相应于G分量的图像信号SG，并且将其提供给前置放大器33G。图像拾取器32B通过光电转换生成相应于B分量的图像信号SB，并且将其提供给前置放大器33B。

前置放大器33R放大图像信号SR的电平，对其进行相关双重采样以减少任何重置(reset)噪声，并且将减少了噪声的图像信号SR提供给A/D转换器34R。A/D转换器34R接收图像信号SR，将其转换为数字图像信号DRa，并且将其提供给预处理单元35。

前置放大器33G放大图像信号SG的电平，对其进行相关双重采样以减少任何重置噪声，并且将减少了噪声的图像信号SG提供给A/D转换器34G。A/D转换器34G接收图像信号SG，将其转换为数字图像信号DGa，并且将其提供给预处理单元35。

前置放大器33B放大图像信号SB的电平，对其进行相关双重采样以减少任何重置噪声，并且将减少了噪声的图像信号SB提供给A/D转换器34B。A/D转换器34B接收图像信号SB，将其转换为数字图像信号DBa，并且将其提供给预处理单元35。

预处理单元35接收图像信号DRa、DGa、DBa，以调整它们的增益，并且执行黑电平的稳定处理、对其动态范围的调整等等，以生成图像信号DRb、DGb、DBb，并且将由此生成的图像信号DRb、DGb、DBb提供给信号处理单元36与聚焦评估值计算单元37。

信号处理单元36接收图像信号DRb、DGb、DBb，以对它们进行各种信号处理，由此生成图像输出信号DVout。例如，进行用来压缩具有高于设置电平的电平的图像信号的Knee补偿，用来根据任意各种设置的gama曲线校正图像信号的电平的gama校正，以及用来限制图像信号的电平保留在设置区域中的白及黑电平削波。信号处理单元36还进行边沿增强处理、线性矩阵处理、编码处理，以生成具有希望格式的图像输出信号DVout等等。

聚焦评估值计算单元37根据图像信号DRb、DGb、DBb，利用在成像框中提供的特定区域中的这些图像信号的频率分量，计算任意聚焦评估值ID，并且将聚焦评估值ID提供给相机组件控制单元52。

图3显示聚焦评估值计算单元37的配置。聚焦评估值计算单元37具有：亮度信号生成电路371，用来根据图像信号DRb、DGb、DBb生成亮度信号DY；聚焦评估值生成电路372-ID0至372-ID13，用来生成将在以后描述的十四种聚焦评估值ID0至ID13；以及接口电路373，用来与相机组件控制单元52通信，并且根据来自相机组件控制单元52的任何请求，将所生成的聚焦评估值ID0至ID13提供给相机组件控制单元52。

通过使用从预处理电路35接收的图像信号DRb、DGb、DBb，亮度信号生成电路371生成亮度信号DY，如下计算：DY＝0.30DRb+0.59 DGb+0.11DBb。

这是因为为了确定是否达到聚焦，确定对比度是高还是低就足够了，并且检测亮度信号DY电平变化作为对比度变化就足够了。

聚焦评估值生成电路372-ID0生成如下聚焦评估值ID0。类似地，每个聚焦评估值生成电路372-ID1至372-ID13生成如下聚焦评估值ID1至ID13。

聚焦评估值ID0：聚焦评估值的名称″IIR1_W1_HPeak″；

聚焦评估值ID1：聚焦评估值的名称″IIR1_W2_HPeak″；

聚焦评估值ID2：聚焦评估值的名称″IIR1_W2_HPeak″；

聚焦评估值ID3：聚焦评估值的名称″IIR4_W3_HPeak″；

聚焦评估值ID4：聚焦评估值的名称″IIR0_W1_VIntg″；

聚焦评估值ID5：聚焦评估值的名称″IIR3_W1_VIntg″；

聚焦评估值ID6：聚焦评估值的名称″IIR1_W1_HIntg″；

聚焦评估值ID7：聚焦评估值的名称″Y_W1_HIntg″；

聚焦评估值ID8：聚焦评估值的名称″Y_W1_Satul″；

聚焦评估值ID9：聚焦评估值的名称″IIR1_W3_HPeak″；

聚焦评估值ID10：聚焦评估值的名称″IIR1_W4_HPeak″；

聚焦评估值ID11：聚焦评估值的名称″IIR1_W5_HPeak″；

聚焦评估值ID12：聚焦评估值的名称″Y_W3_HIntg″；以及

聚焦评估值ID13：聚焦评估值的名称″Y_W3_HIntg″。

此处，对于以上聚焦评估值ID0至ID13，分别使用指示其属性的聚焦评估值名称，“使用数据_评估窗口尺寸_聚焦评估值计算方法”。评估窗口为在图像帧中提供的特定区域。

基本通过将评估窗口中的图像信号频率分量相加在一起，获得这些聚焦评估值ID0至ID13，并且这些聚焦评估值指示相应于图像中任何模糊的值。

在聚焦评估值名称的“使用数据”中有“IIR”与“Y”。“IIR”使用关于通过利用高通滤波器(HPF)从亮度信号DY中过滤出的高频分量的数据。“Y”使用未利用任何HPF的、原样的亮度信号DY。

当利用HPF时，可以使用无限脉冲响应(IIR)型HPF。根据HPF的种类，IIR分类为IIR0、IIR1、IIR3、以及IIR4，其表示具有不同截断频率的HPF。设置HPF从而具有不同截断频率允许放大聚焦评估值的变化，例如，如果使用具有高截断频率的HPF的话则在对焦位置附近的位置上，与使用具有低截断频率的HPF的情况形成对比。如果几乎没有聚焦，则当使用具有低截断频率的HPF时可以放大聚焦评估值的变化，与使用具有高截断频率的HPF的情况形成对比。由此，可以设置HPF从而具有不同截断频率，以在自动聚焦操作期间、根据任意聚焦情况选择最适当的聚焦评估值。

评估窗口尺寸为将被用来生成聚焦评估值的图像区域的尺寸。在本实施方式中，评估窗口的各种尺寸显示了以下五种评估窗口尺寸W1至W5。

评估窗口尺寸W1：116像素乘60像素；

评估窗口尺寸W2：96像素乘60像素；

评估窗口尺寸W3：232像素乘120像素；

评估窗口尺寸W4：192像素乘120像素；

评估窗口尺寸W5：576像素乘180像素。

这些评估窗口的中心对准成像框的中心。应该注意：在图4中，在一场的帧尺寸为768像素乘240像素的情况下显示评估窗口尺寸W1至W5。

由此，设置评估窗口从而具有其各种尺寸允许产生适合于任意评估窗口尺寸的任意聚焦评估值。这允许从聚焦评估值ID0至ID13中选择任意适当的聚焦评估值，以满足目标对象所具有的任何尺寸。

对于聚焦评估值的计算方法，可以使用HPeak方案、HIntg方案、VIntg方案、以及Satul方案。HPeak方案为相对于任何峰值的水平方向聚焦评估值的计算方法。HIntg方案为相对于任何水平与垂直积分的水平方向聚焦评估值的计算方法。VIntg方案为相对于任何积分的垂直方向聚焦评估值的计算方法。Satul方案为计算其亮度饱和的像素的数目的计算方法。

HPeak方案还是用来利用HPF从水平方向图像信号中获取任何高频分量的、聚焦评估值的计算方法。在本实施方式中，其用来计算聚焦评估值ID0、ID1、ID2、ID3、ID9、ID10、以及ID11。

图5显示用于HPeak方案的、用来过滤水平方向聚焦评估值的计算滤波器的配置，其可以用于聚焦评估值计算单元37中。该用来过滤水平方向聚焦评估值的计算滤波器具有：HPF 381，用来从来自亮度信号生成电路的亮度信号DY中只过滤出高频分量；绝对值处理单元382，用来计算该高频分量的绝对值；乘法电路383，用来将这些高频分量的绝对值乘以水平方向窗口控制信号WH；行峰值保持电路384，用来为每一行保持一个峰值；以及垂直方向积分电路386，用来垂直地积分评估窗口内所有行的峰值。

HPF 381从亮度信号DY中过滤出高频分量，并且绝对值处理单元382计算这些高频分量的绝对值。

乘法电路383将该绝对值乘以水平方向窗口控制信号WH，以获得评估窗口内高频分量的绝对值。换而言之，如果向乘法电路383提供评估窗口中其相乘值变为零的水平方向窗口控制信号WH，就可能向行峰值保持电路384只提供评估窗口内高频分量的水平方向绝对值。另外，如果设置窗口控制信号WH使得在评估窗口中靠近窗口的位置上相乘值变小，则可能消除基于靠近评估窗口的窗口存在的任何额外边沿(具有高亮度的任何边沿)侵入评估窗口的影响的、聚焦评估值中的任何噪声，该噪声响应于聚焦的进展、以及伴随对象任何左右滚动和/或上下颠簸的聚焦评估值的突然变化而发生。

行峰值保持电路384可以为每行保持一个峰值。垂直方向积分电路386根据垂直方向窗口控制信号WV，垂直地相加或积分已被保持的、评估窗口内每行的峰值，以生成任何聚焦评估值ID。应该注意：该方案被称为“HPeak”是因为水平方向峰值曾被保持。

HIntg方案为通过利用水平与垂直积分获得水平方向聚焦评估值的聚焦评估值计算方法。图6显示用来根据水平与垂直积分过滤水平方向聚焦评估值的计算滤波器的配置，其可以用于聚焦评估值计算单元37中。该计算滤波器具有与以上图5所示HPeak方案的计算滤波器类似的配置，只是利用了水平方向相加电路385来代替行峰值保持电路。在图6所示的该计算滤波器中，水平方向相加电路385水平地相加评估窗口内所有高频分量的绝对值，并且垂直方向积分电路386垂直地对评估窗口中所有行的相加结果进行积分。

在本实施方式中，这样的根据垂直与水平积分过滤水平方向聚焦评估值的计算滤波器用来计算聚焦评估值ID6、ID7、ID12、以及ID13。

当比较HIntg方案与HPeak方案时，其相互不同之处在于：在HPeak方案中，计算每行的峰值，并且垂直地相加所计算的峰值；而在HIntg方案中，水平地相加评估窗口内每行中高频分量的绝对值，并且垂直地积分相加结果。

HIntg方案分类为在其使用数据中使用高频分量的“IIR1”，以及在其中使用原样的亮度信号DY自身的“Y”。应该注意：亮度相加值计算滤波器电路(其为从图6所示的计算滤波器中去除HPF 381的滤波器电路)可以获得亮度相加值。

VIntg方案为通过利用垂直积分获得垂直方向聚焦评估值的聚焦评估值计算方法。在本实施方式中，其用来计算聚焦评估值ID4以及ID5。HIntg方案与HPeak方案都进行水平相加，以产生聚焦评估值；而VIntg方案垂直地相加高频分量，以产生聚焦评估值。如果只存在垂直高频分量而不存在水平高频分量，例如，其中景象的上半部为白、景象的下半部为黑的图像，即地平线等等的图像，则根据HPeak方案的水平方向聚焦评估值计算方法不能有效地发挥作用。在此类景象中，使用VIntg方案的聚焦评估值进行自动聚焦，以便有效地发挥作用。

图7显示用来过滤垂直方向聚焦评估值的计算滤波器的配置，其可以用于聚焦评估值计算单元37中。用来过滤垂直方向聚焦评估值的计算滤波器具有：计算电路391，用来计算水平方向平均值；IIR型HPF392；绝对值处理单元393；以及积分电路394。

计算电路391根据窗口控制信号WHc、从每行的亮度信号DY中选择在其水平方向上位于评估窗口中心部分的任何像素(例如63个像素)的亮度信号，并且计算其平均值(类似于总计)，以将其作为每个水平周期的一个输出来传送。这是因为选择其中心部分的64个像素，消除了存在于评估窗口***的任何噪声。在本实施方式中，因为依次存储了64个像素的数据，并且最终输出一个平均值，所以可以获得不需要诸如行存储器或帧存储器等任何存储器件的简单配置。接着，IIR型HPF392过滤高频分量，其与行频率同步。然后绝对值处理电路393计算高频分量的绝对值。积分电路394根据垂直方向窗口控制信号WV，垂直地积分评估窗口内所有行。

Satul方案为计算评估窗口中亮度信号DY中饱和像素的数目(具体地，其亮度电平变得高于预定电平的像素的数目)的计算方法。在本实施方式中，Satul方案用来计算聚焦评估值ID8。在计算聚焦评估值ID8时，通过将亮度信号DY与门限值比较计算对于每场有多少超过门限值…的像素存在于评估窗口内，来确定聚焦评估值ID8。

回去参照图2，基准信号产生单元40产生摄像机10中的每个单元根据其来进行操作的垂直同步信号VD、水平同步信号HD、以及基准时钟信号CLK。基准信号产生单元40将这些信号提供给图像拾取器驱动单元42。图像拾取器驱动单元42根据如此提供的垂直同步信号VD、水平同步信号HD、以及基准时钟信号CLK，生成驱动信号RIR，并且将其提供给图像拾取器32R，以驱动该器件。类似地，图像拾取器驱动单元42还分别生成驱动信号RIG、RIB，并且将它们提供给图像拾取器32G、32B，以驱动所述器件。应该注意：前置放大器33R、33G、33B，A/D转换器34R、34G、34B，预处理单元35，信号处理单元36，聚焦评估值计算单元37等等利用与从它们相应的先前单元接收的图像信号同步的垂直同步信号VD、水平同步信号HD、以及基准时钟信号CLK，进行各种处理。这些信号可以从基准信号产生单元40接收，或者可以从其相应的先前单元与图像信号一起接收。

距离测量传感器45进行距离测量，以测量到对象的距离，从而向相机组件控制单元52提供测定距离结果Mag，该结果指示到对象的距离。距离测量传感器45可以设置其距离测量的视场，从而可以相继安排基准距离测量视场、从基准距离测量视场向外偏移的距离测量视场、和/或具有不同于基准距离测量视场的视场的距离测量视场。这些距离测量视场的相继安排防止了当在距离测量视场之间出现距离测量无法进行的区域、并且对象进入该区域时无法获得测定距离结果。由此可以精确地进行任何距离测量。

以下将描述例如能够在其中设置多个距离测量视场的相差方案的距离测量传感器。图8显示相差方案的距离测量传感器的原理。该距离测量传感器具有：主镜头100，一对辅助合镜头(bond lens)101a、101b，以及一对图像传感器102a、102b。通过主镜头100，对象OBa的虚像OBGa在例如位置Pf1上对焦。通过辅助结合镜头101a、101b，虚像OBGa还分别在图像传感器102a、1 02b上对焦。估计在图像传感器102a、102b上聚焦的虚像OBGa中相应点之间的距离为相差PHa，在图像传感器102a上的图像与图像传感器102b上的图像之间进行任意相关计算。可以从具有最高相关值的图像的位置中获得相差PHa

接着，通过主镜头100，比对象OBa更近的对象OBb的虚像OBGb在比位置Pf1更接近辅助结合镜头的位置Pf2上对焦。通过辅助结合镜头101a、101b，虚像OBGb还分别在离开图像传感器102a、102b的位置上对焦。相差PHb看起来比相差PHa大，该像差PHb是通过在图像传感器102上的图像与图像传感器102b上的图像之间进行的任何相关计算获得的。由此，相差根据与对象的距离变化，并且通过检测相差，可以测量与对象的距离。

如果切换用于相关计算的图像传感器中的区域，则可以对每个距离测量视场进行距离测量。例如，如果设置视场包含对象OBa、OBb的黑点(存在于光轴上的部分)，则当对在图像传感器102a、102b上形成的对象OBa、OBb的黑点进行任意相关计算时，可以测量到包含在距离测量视场中的对象的距离。类似地，如果设置视场包含对象OBa、OBb的箭头点(其前向端部分)，则当对在图像传感器102a、102b上形成的对象OBa、OBb的箭头点区域进行任意相关计算时，可以测量到包含在距离测量视场中的对象的距离。

图9显示在距离测量传感器45中提供的多个距离测量视场。例如，在三度的角度的距离测量视场AG1上，设置每个都从距离测量视场AG1向外偏移的距离测量视场AG2、AG3，以相继排列。可以设置距离测量视场AG4，其比测量视场AG1的角度大六度的角度。另外，可以设置距离测量视场AG5、AG6以相继排列在距离测量视场AG4之上，其中AG5、AG6中的每个都具有比测量视场AG1的角度大六度的角度，并且从测量视场AG1向外偏移。

基准距离测量视场AG1沿镜头组件20中成像镜头的光轴设置。将基准距离测量视场AG1沿光轴设置允许对将要加强的、位于成像框中心的对象进行距离测量。

距离测量传感器45对每个距离测量视场进行距离测量。当距离测量传感器45进行距离测量时，其传送指示到对象距离的测定距离结果Mag。当距离测量传感器45不能进行任何距离测量时，其传送指示不能进行任何测量的数据(此后称为“无能力数据NG”)作为测定距离结果Mag。

对多个距离测量视场的每一个设置优先级。例如，与向外偏移的距离测量视场相比，为设置在成像框中心的距离测量视场设置较高优先级。与具有宽角度的距离测量视场相比，为具有小角度的距离测量视场设置较高优先级。如果多个距离测量视场获得多个测定距离结果，则选择多个距离测量视场中具有较高优先级的测定距离结果，并且将其设置为测定距离结果的代表值Magd，其指示到对象的距离。距离测量传感器45与相机组件控制单元52中的任意一个都可以选择测定距离结果。例如，如果相机组件控制单元52选择测定距离结果的代表值Magd，则可以利用通用距离测量传感器，由此使得可以配置廉价摄像机10。如果距离测量传感器45选择测定距离结果的代表值Magd，则可以减少相机组件控制单元52中的负载。还应该注意，以下将描述相机组件控制单元52选择代表值Magd的情况。

相机组件控制单元52连接到用户界面56。相机组件控制单元52根据从用户界面56接收的操纵信号PSC生成任意控制信号，并且将这些控制信号提供给相应单元以控制它们，从而摄像机10可以基于操纵信号PSC等等进行操作。相机组件控制单元52还从由距离测量传感器45获得的每个距离测量视场的测定距离结果Mag中选择代表值Magd。

镜头组件控制单元51与相机组件控制单元52可以使用预先设置的格式和/或预先设置的协议相互进行通信。镜头组件控制单元51与相机组件控制单元52对自动聚焦操作进行任意控制。

响应于来自相机组件控制单元52的请求，镜头组件控制单元51还向相机组件控制单元52提供各种信息QF(例如，关于镜头焦点位置、光圈值等等的信息)。

镜头组件控制单元51还根据从相机组件控制单元52接收的聚焦控制信号CTf、摆动控制信号CTw等等生成镜头驱动信号RDf、RDw，并且控制镜头驱动单元21b、22b以驱动聚焦镜头21与摆动镜头22。

相机组件控制单元52根据在聚焦评估值计算单元37中计算的聚焦评估值ID、由距离测量传感器45获得的测定距离结果Mag、以及从镜头组件控制单元51读取的各种信息，生成用于进行聚焦镜头21的驱动控制的聚焦控制信号CTf，和用于进行摆动镜头22的驱动控制的摆动控制信号CTw。相机组件控制单元52将这些信号提供给镜头组件控制单元51。

镜头组件控制单元51与相机组件控制单元52可以内置在一起。在以下描述中，控制器50指示镜头组件控制单元51与相机组件控制单元52的结合。控制器50可以由微机、存储器等等构成，并且通过运行从存储器中读出的各种程序来执行自动聚焦操作。

以下将描述摄像机10的自动聚焦操作。图10显示了自动聚焦操作的流程图。

在步骤ST1，控制器50控制距离测量传感器45测量到对象的距离。在距离测量传感器45中，设置基准距离测量视场、从基准距离测量视场向外偏移的距离测量视场、和/或角度不同于基准距离测量视场的角度的距离测量视场，以相继排列，从而减少提交(file)任意距离测量的情况的发生。

如果有一个具有小角度的距离测量视场，则可能发生难于生成对象对比度任何差异的情况。然而，如果提供了距离测量视场AG4至AG6，则距离测量视场的范围具有18度的角度。在这种情况下，距离测量区域在从传感器向前延伸2m的位置上具有63cm的直径，并且穿着没有图案的简单汗衫的人物OB的轮廓被包含在距离测量视场内，由此允许确定到对象的距离。例如，因为距离测量视场AG1被设置为具有三度的角度，所以距离测量区域在向前延伸7m的位置上具有37cm的直径。当对宽度20cm的玩具娃娃成像时，玩具娃娃占据多于一半的视场，从而可以在没有任何背景影响的情况下正确地测量到玩具娃娃的距离。

在步骤ST2，控制器50进行从距离测量视场的测定距离结果中选择代表值(其指示到对象的距离)的选择处理。在该选择代表值的选择处理中，如果由多个距离测量视场获得多个测定距离结果，则选择具有较高优先级的距离测量视场的测定距离结果，并且将其设置为测定距离结果的代表值。

图11显示从测定距离结果中选择代表值的选择处理。在图11中，将描述在距离测量传感器45中提供图9所示的六个距离测量视场AG1至AG6的情况。

如果提供了多个距离测量视场，则向多个距离测量视场的每一个预先设置优先级。根据对象的什么位置在成像框中对焦来设置所述优先级。例如，如果在所希望的对象位于成像框中心的情况下对其成像，则为与向外偏移的视场相比设置在成像框中心的视场设置较高优先级。为了即使与对象有较长距离也获得正确的测定距离结果，对与具有宽角度的视场相比具有小角度的视场设置较高优先级。由此，对图9所示距离测量视场AG1设置最高优先级。对图9所示距离测量视场AG5、AG6设置铰低优先级。

在步骤ST11，控制器50确定具有最高优先级的距离测量视场AG1的测定距离结果Mag1是否为无能力数据NG。如果测定距离结果Mag1不是无能力数据NG，则该处理进行到步骤ST12；而如果测定距离结果Mag1是无能力数据NG，则该处理进行到步骤ST13。

在步骤ST12，控制器50将测定距离结果Mag1设置为测定距离结果的代表值Magd(其指示到对象的距离)，并且处理完成。

在步骤ST13，控制器50选择具有次最高优先级的距离测量视场AG2、AG3、AG4的测定距离结果Mag2、Mag3、Mag4中具有最短距离的最小测定距离结果，并且将选定结果设置为测定距离结果Mag-a。应该注意：无能力数据NG被认为是比距离测量允许值的最大值要大的值，并且如果所有测定距离结果Mag2、Mag3、Mag4都是无能力数据NG，则将测定距离结果Mag-a设置为无能力数据NG。

在步骤ST14，控制器50确定测定距离结果Mag-a是否为无能力数据NG。如果测定距离结果Mag-a不是无能力数据NG，则该处理进行到步骤ST15；而如果测定距离结果Mag-a是无能力数据NG，则该处理进行到步骤ST16。

在步骤ST15，控制器50将测定距离结果Mag-a设置为测定距离结果的代表值Magd，并且处理完成。

在步骤ST16，控制器50选择具有较低优先级的距离测量视场AG5、AG6的测定距离结果Mag5、Mag6中具有较短距离的最小测定距离结果，并且将选定结果设置为测定距离结果Mag-b。如果测定距离结果Mag5、Mag6都是无能力数据NG，则将测定距离结果Mag-b设置为无能力数据NG。

在步骤ST17，控制器50确定测定距离结果Mag-b是否为无能力数据NG。如果测定距离结果Mag-b不是无能力数据NG，则该处理进行到步骤ST18；而如果测定距离结果Mag-b是无能力数据NG，则该处理进行到步骤ST19。

在步骤ST18，控制器50将测定距离结果Mag-b设置为测定距离结果的代表值Magd，并且处理完成。在步骤ST19，控制器50将无能力数据NG设置为测定距离结果的代表值Magd，并且处理完成。

由此，在本实施方式中，提供了多个距离测量视场，并且对它们中的每一个设置优先级。如果具有较高优先级的距离测量视场为无能力数据NG，则使用向外偏移的视场和/或具有宽角度的视场的测定距离结果。与只使用一个距离测量视场的情况相比，这使得确保能够测量到对象的距离。

在图10所示步骤ST3，控制器50根据从镜头位置检测单元21a接收的检测信号RSf，检测聚焦镜头21自的焦点FPs的当前位置。

在步骤ST4，控制器50进行任意镜头驱动设置处理。在该镜头驱动设置处理中，根据焦点FPs的当前位置以及测定距离结果的代表值Magd，设置聚焦镜头21的驱动方向与驱动速度。

然后，在步骤ST5，控制器50进行镜头驱动处理。

图12显示了镜头驱动设置处理的流程图。

在步骤ST51，控制器50确定测定距离结果的代表值Magd是否为无能力数据NG。如果测定距离结果的代表值Magd不是无能力数据NG，则该处理进行到步骤ST52；而如果测定距离结果的代表值Magd是无能力数据NG，则该处理进行到步骤ST56。

在步骤ST52，控制器50根据测定距离结果的代表值Magd，确定焦点FPs的当前位置是否离开对焦区域FJA，更加远离第一确定距离LD1。如果从焦点FPs的当前位置到基于代表值Magd的对焦区域FJA的距离LE大于第一确定距离LD1，则该处理进行到步骤ST53；否则该处理进行到步骤ST54。

对焦区域FJA相对于代表值Magd而设置，从而对象上的对焦位置FPj(其相应于代表值Magd)可以包含在其中。例如，将基于代表值Magd的错误距离测量区域设置于对焦区域FJA。可替换地，可以将比基于代表值Magd的错误距离测量区域宽的区域设置于对焦区域FJA。可以在考虑聚焦镜头21的控制能力的情况下设置第一确定距离LD1的量。即，如果试图以后面描述的第一驱动速度Va驱动聚焦镜头21，则当第一确定距离LD1太短时，聚焦镜头21会在其达到第一驱动速度Va之前已经到达对焦位置FPj。如果以非常高的速度驱动聚焦镜头21，则停止聚焦镜头21可能需要很多时间，从而如果当聚焦镜头21靠近对焦位置FPj时试图停止聚焦镜头21，聚焦镜头21可能穿过对焦位置FPj，由此导致不良的聚焦操作。因此，当驱动聚焦镜头21时，可以根据最大速度与控制能力设置第一确定距离LD1。因为该最大速度与控制能力根据焦距与光圈值而不同，所以可以根据焦距与光圈值调整第一确定距离LD1。

在步骤ST53，控制器50将聚焦镜头21的驱动速度设置为第一驱动速度Va，以使聚焦镜头21的焦点FPs迅速达到对焦位置FPj，这是因为聚焦镜头21的焦点FPs的当前位置离开对焦区域FJA，且焦点位置更加远离第一确定距离LD1。控制器50还基于代表值Magd将聚焦镜头21的驱动方向设置至一个方向。换言之，设置驱动方向使得聚焦镜头21的焦点FPs可以朝向代表值Magd所指示的焦点FPm的位置的方向驱动。因为可以根据距离测量传感器45的代表值Magd正确地确定聚焦镜头21的驱动方向，所以对于确定其驱动方向不需要任何摆动。

聚焦镜头21的第一驱动速度Va用来允许聚焦镜头21的焦点迅速接近对焦位置。不需要限制其驱动速度以防止其焦点穿过聚焦评估值曲线的峰值，这是因为每一场每个聚焦评估值只修改一次。由此，当驱动聚焦镜头21时，第一驱动速度Va可以是允许的驱动速度的最大值。

然后，处理进行到步骤ST54，其中控制器50确定聚焦镜头21的焦点FPs的当前位置是否在对焦区域FJA内。如果焦点PFs的位置没有在对焦区域FJA内，则处理进行到步骤ST55；而如果焦点PFs的位置在对焦区域FJA内，则该处理进行到步骤ST56。

在步骤ST55，控制器50将聚焦镜头21的驱动速度设置为低于第一驱动速度Va的第二驱动速度Vb。控制器50还基于代表值Magd将其驱动方向设置至一个方向。换言之，设置其驱动方向使得聚焦镜头21的焦点FPs可以朝向由代表值Magd所指示的焦点FPm的位置的方向驱动。设置第二驱动速度Vb以允许平滑地实现从第二驱动速度Vb到低于第二驱动速度Vb的第三驱动速度Vc的速度变化，以防止指示当驱动聚焦镜头21时的聚焦评估值变化的聚焦评估值曲线变小。

例如，估计景深为Fs、第二驱动速度Vb设置为12Fs/场。应该注意：第三驱动速度Vc被设置为能够精确检测聚焦评估值曲线的峰值的速度，例如2Fs/场。如果驱动聚焦镜头20时的允许速度的最大值不大于12Fs/场，则第一驱动速度Va等于第二驱动速度Vb。

当处理从步骤ST51或ST54进行到步骤ST56时，控制器50进行类似于过去情况的摆动，并且根据当驱动摆动镜头22时的聚焦评估值的变化设置聚焦镜头21的驱动方向。在这种情况下，控制器50将聚焦镜头21的驱动速度设置为其第二驱动速度Vb。如果焦点FPs的当前位置与焦点FPm的位置之间的距离短，则控制器50可以将聚焦镜头21的驱动速度设置为其第三驱动速度Vc，这是因为焦点FPs的当前位置靠近对焦位置FPj。

此后，在图10所示的步骤ST5，控制器50进行镜头驱动处理，并且当完成镜头驱动处理时结束自动聚焦操作。在镜头驱动处理中，进行聚焦镜头21驱动速度的切换以及类似于过去情况的爬山控制处理，从而驱动聚焦镜头21以使其焦点FPs的位置满足对焦位置FPj。

如果从焦点FPs的位置到对焦区域FJA的距离小于比第一确定距离LD1短的第二确定距离LD2，则聚焦镜头21的驱动速度从第一驱动速度Va切换到第二驱动速度Vb。设置第二确定距离LD2，从而例如在离开对焦区域FJA第二确定距离LD2的位置上，当聚焦镜头21的驱动速度从第一驱动速度Va切换到第二驱动速度Vb时，聚焦镜头21的驱动速度可以在对焦区域FJA内减少到第二驱动速度Vb。由于较少数目的聚焦评估值，这样的设置可以防止聚焦镜头21的焦点穿过对焦区域FJA中聚焦评估值的曲线的峰值。

在爬山控制处理中，检测由聚焦评估值计算单元37计算的聚焦评估值的任何增加与减少，并且驱动聚焦镜头21的焦点FPs，使得该检测的聚焦评估值可以为最大值，由此使焦点FPs的位置满足对焦位置FPj。在本实施方式中，在利用聚焦评估值的爬山控制处理中，驱动聚焦镜头21的焦点FPs，使得以上聚焦评估值ID0、ID2等等为最大值。如果具有较大亮度的像素增加，则将评估窗口尺寸W1切换到评估窗口尺寸W5，并且通过利用聚焦评估值ID8来计算聚焦评估值，以防止聚焦镜头21被驱动到发生模糊的方向。另外，通过利用聚焦评估值ID0与其他聚焦评估值ID1至ID7以及ID9至ID13，可以确定聚焦镜头21的驱动速度的变化，可以确定摄像机的任何震动，可以确定聚焦镜头21的反向驱动，并且可以确定聚焦镜头21达到其近点或远点。根据这些确定结果，控制聚焦镜头21的驱动操作，以达到优良的精确聚焦。由此，进行步骤ST4、ST5的聚焦处理，以使聚焦镜头21的焦点位置满足对焦位置FPj。然后结束自动聚焦操作。

图13显示利用测定距离结果的自动聚焦操作。当聚焦镜头21的焦点FPs的当前位置离开基于代表值Magd的对焦区域FJA且其中焦点位置更加远离第一确定距离LD1时，即从焦点FPs的当前位置到基于代表值Magd的对焦区域FJA的距离LE大于第一确定距离LD1时，在没有任何摆动的情况下以第一驱动速度Va驱动聚焦镜头21。然后以第二驱动速度Vb与第三驱动速度Vc驱动聚焦镜头21。当经过时间周期Tafu时，焦点FPs的位置满足对焦位置FPj。与图10中虚线所示的过去的自动聚焦操作相比，这允许大大缩短聚焦时间周期，从而进行摆动以确定驱动聚焦镜头的方向，然后以第二驱动速度Vb驱动聚焦镜头21，并且当经过时间周期Tafv时，焦点FPs的位置满足对焦位置FPj。

当焦点FPa的当前位置比第一确定距离LD1更靠近基于测定距离结果Mag的对焦区域FJA且其中焦点的位置处于对焦区域FJA之外时，以第二驱动速度Vb驱动聚焦镜头21而没有任何摆动。与过去的自动聚焦操作相比，这允许缩短聚焦时间周期，以使得在自动聚焦操作的开始点处进行摆动。

在本实施方式中，当聚焦镜头21的焦点FPs的当前位置在对焦区域FJA内时，进行自动聚焦操作，从而可以类似于过去自动聚焦操作地使焦点FPs位置满足对焦位置FPj，但是本发明的实施方式可以得到与过去自动聚焦操作一样的聚焦精确度，即使其需要更短的聚焦时间周期。

由此，在以上实施方式中，因为在距离测量传感器中提供多个距离测量视场，所以如果选择并使用多个距离测量视场的测定距离结果，则可以加强距离测量精确度，而不会有任何背景影响。如果对其对比度具有较小差异的对象成像，就可以测量到对象的距离，由此加强其距离测量性能。

在以上实施方式中，可以确保获得距对象的测定距离。通过测定距离结果的代表值而不是摆动，可以确定聚焦镜头的驱动方向，以及镜头驱动到其对焦位置的大概的量，由此与现有技术相比，减少了聚焦时间周期。

虽然在以上实施方式中将成像设备描述为摄像机，但是不本发明不限于此。本发明可用于任何其他成像设备，例如数字静止相机。

本领域技术人员应该理解：根据设计需求与其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变化，只要其落入所附权利要求或其等价物的范围即可。

Claims (5)

1. 一种自动聚焦设备，包含：

镜头驱动单元，其驱动镜头；

焦点位置检测单元，其检测镜头焦点的位置；

距离测量传感器，在其中提供了基准距离测量视场、以及从基准距离测量视场向外偏移的距离测量视场和具有不同于基准距离测量视场的视场的距离测量视场中的任一个，该距离测量传感器根据每个距离测量视场测量到对象的距离；以及

控制单元，其进行聚焦操作，以控制镜头驱动单元驱动镜头，由此使由焦点位置检测单元检测的镜头焦点的位置满足其对焦位置，

其中控制单元允许聚焦操作开始于：根据从由距离测量传感器获得的测定距离结果中选择的代表值、以及由焦点位置检测单元检测的镜头焦点的位置，设置镜头驱动，

其中在距离测量传感器中为多个距离测量视场设置优先级；以及

其中如果获得基于该多个距离测量视场的多个测定距离结果，则选择具有最高优先级的测定距离结果作为测定距离结果的代表值。

2. 如权利要求1所述的自动聚焦设备，其中设置多个距离测量视场以相继排列。

3. 如权利要求1所述的自动聚焦设备，其中沿镜头光轴提供基准距离测量视场。

4. 如权利要求1所述的自动聚焦设备，其中距离测量传感器与控制单元中的任一个选择测定距离结果的代表值。

5. 一种自动聚焦方法，包含：

焦点位置检测步骤，其检测镜头焦点的位置；

代表值选择步骤，其在距离测量传感器中提供基准距离测量视场、以及从基准距离测量视场向外偏移的距离测量视场和具有不同于基准距离测量视场的视场的距离测量视场中的任一个，由该距离测量传感器根据距离测量视场来测量到对象的距离，以获得测定距离结果，并且从由此获得的测定距离结果中选择代表值；以及

聚焦处理步骤，其通过根据测定距离结果的代表值以及镜头焦点的检测位置来设置镜头驱动，而开始使得在焦点位置检测步骤中检测的镜头焦点位置满足其对焦位置的聚焦操作，

其中在所述代表值选择步骤中，在距离测量传感器中为多个距离测量视场设置优先级；以及

其中如果获得基于该多个距离测量视场的多个测定距离结果，则选择具有最高优先级的测定距离结果作为测定距离结果的代表值。

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