CN101271245B - 摄像装置中的焦点调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种摄像装置中的焦点调节方法，在摄像装置中，当在光轴方向上移动摄像镜头来调节对焦位置时，即使被摄像的对比度特性和MTF特性的峰值点附近不清楚，也可以高精度地调节对焦位置，同时能够容易进行其调节。隔着被摄体(P)的目标位置在前后设定具有被划分成白色和黑色的摄像图案的第一、第二测试图(CH1、CH2)，在光轴(X)方向上移动聚焦透镜(3)，分别针对第一、第二测试图(CH1、CH2)，与聚焦透镜(3)的移动量相对应地求出在摄像元件(5)上成像的摄像图案的焦点评价值，并设定聚焦透镜(3)的位置，以使第一测试图(CH1)的焦点评价值和第二测试图(CH2)的焦点评价值一致。

Description

摄像装置中的焦点调节方法
技术领域
本发明涉及在摄像装置中，使用通过例如CCD等摄像元件获得的图像信来将摄像镜头设定在对焦位置的焦点调节方法。
背景技术
以往，如图6(a)所示，公知有使用了登山方式(山登り方式)的焦点调节方法，在照相机等摄像装置201中，检测被摄像的图像投影光的对比度，并移动摄像光学***进行焦点调节以使光的对比度变为最大。
摄像装置201被构成为：通过摄像镜头202将被摄体203的像引导到CCD等摄像元件204转换为电信号，并在焦点检测部205中检测对比度。
如图6(b)所示，登山方式的焦点调节方法为如下方法：摄像镜头202和摄像元件204等摄像光学***相对于被摄体203处于对焦点位置时，被摄体203的像的对比度变为最大，如果产生散焦(焦点偏移)，对比度会降低，因而调节摄像镜头202的位置，以对比度特性的顶点为目标。
此外，公知有在调节焦点时，计测被摄像的被摄体像的MTF(Modulation Transfer Function：调制传递函数)来调节焦点的方法。具体地说，具有计测伴随摄像镜头的移动的MTF的变化，设定摄像镜头的位置，以使预定的空间频率的MTF为最大的焦点调节方法(例如，参照专利文献1和专利文献2)。
【专利文献1】日本特开昭62-284314号公报
【专利文献2】日本特开2005-258360号公报
但是，依照如以往的登山方式求出对比度的最大值和MTF的最大值的焦点调节方法，一般必须通过光轴方向的对焦位置使摄像镜头向两侧往返移动，以检测对比度为最佳的位置，所以有可能为了焦点调节而损害操作性(即，与使摄像镜头向一个方向移动来进行调节的方法作比较有可能损害了操作性)。而且，当相对于散焦量的对比度特性和MTF特性在峰值点附近接近于平坦而不能明确表示峰值点时，也有可能不易于高精度地调节摄像镜头的对焦位置。
发明内容
所以，本发明的目的在于提供一种在摄像装置中，在光轴方向上移动摄像镜头来调节对焦位置时，即使被摄像的对比度特性和MTF特性中的焦点评价值的峰值点不清楚，也可以高精度地调节对焦位置，并且能够容易进行调节的焦点调节方法。
为了达到上述目的而完成的第1方面所述的发明是一种摄像装置中的焦点调节方法，该摄像装置使用了摄像镜头和摄像元件，上述摄像镜头将被摄体像引导至上述摄像元件；上述摄像元件对通过上述摄像镜头引导的上述被摄体像进行光电转换，并输出图像信号；该焦点调节方法在上述摄像装置中，沿连接上述被摄体和上述摄像元件的光轴上，隔着上述被摄体的目标位置在前后设定具有被划分成白色和黑色的摄像图案的第一测试图和第二测试图；在上述光轴方向上移动上述摄像镜头，并分别针对上述第一测试图和第二测试图，与上述摄像镜头的移动量相对应地求出在上述摄像元件上成像的上述摄像图案的焦点评价值；设定上述摄像镜头的位置，以使上述第一测试图的焦点评价值和上述第二测试图的焦点评价值一致，该焦点调节方法的特征在于，隔着与上述光轴正交的正交线，对称配置上述第一测试图和上述第二测试图，并分别配置到不重合的位置，上述摄像图案的白色与黑色之间的边缘相对于上述摄像元件的像素配置方向形成倾斜角度，当将上述像素配置的一个方向设为主扫描方向，并将与该主扫描方向正交的方向设为副扫描方向时，根据上述倾斜角度，按照作为上述摄像元件的像素配置的主扫描方向上的扫描基本的取样数成为上述形成倾斜角度的边缘在上述副扫描方向上位移1个像素所需的上述主扫描方向的像素的位移数的方式求出上述主扫描方向的取样数，接下来，在上述主扫描方向上，以按照上述取样数扫描1列的方式对每个像素扫描上述摄像元件拍摄到的图像，当结束1列扫描时，通过在副扫描方向上1个像素1个像素地错开扫描位置来重复主扫描方向上的扫描，取得各扫描位置的像素值，由此求出上述边缘的阶跃响应，接下来，通过对上述阶跃响应进行微分来求出脉冲响应，通过对该脉冲响应进行傅里叶变换来求出MTF，将上述MTF作为上述焦点评价值的指标。
根据第1方面所述的摄像装置中的焦点调节方法，在光轴上，隔着被摄体的目标位置在前后设定具有被划分成白色和黑色的摄像图案的第一测试图和第二测试图，在光轴方向上移动摄像镜头，分别针对第一测试图和第二测试图，与摄像镜头的移动量相对应地求出在摄像元件上成像的摄像图案的焦点评价值，并设定摄像镜头的位置，以使第一测试图的焦点评价值和第二测试图的焦点评价值一致，因此，即使通过摄像镜头所摄像的被摄体像的焦点评价值的峰值点不清楚，也可以高精度地调节对焦位置，并且能够容易进行其调节。
即，沿光轴移动摄像镜头，只要将第一测试图的焦点评价值和第二测试图的焦点评价值一致时的摄像镜头的位置设定为对焦位置即可，因此与以往的登山方式相比较，可以高精度地求出对焦位置，并且可以缩短其调节时间。
此外，第1方面所述的摄像装置中的焦点调节方法，可以同时对沿光轴分离的第一测试图和第二测试图进行摄像，焦点调节容易而且可以高精度地检测摄像镜头的对焦位置。
此外，第1方面所述的摄像装置中的焦点调节方法，与利用整体面得到焦点评价值相比，可以容易地得到焦点评价值。即，当摄像图案对焦地成像到摄像元件上时，成为边缘被明确显示、空间频率的高频分量增强的影像，另一方面，当相对于摄像元件的对焦位置偏移时，成为边缘模糊显示、空间频率的高频分量减弱的影像，所以只要检测边缘图像，将检测到的边缘图像微分转换成点像，对该点像进行傅里叶变换以求出光学***的MTF即可。
第1方面所述的摄像装置中的焦点调节方法如第2方面所述的发明那样，通过在所述的第一测试图和第二测试图中，并列设置多个上述摄像图案，与摄像图案为单数相比，可以降低噪声影响并且可以高精度地得到焦点评价值。即，如果摄像图案是多个，比较从各个摄像图案得到的焦点评价值，如果存在因噪声产生的波动，则去除重叠噪声的摄像图案，可以选择适当的摄像图案的焦点评价值。而且，通过在图像的中央或离开中央的位置上配置多个摄像图案，可以根据用途设定图像中的焦点位置，并可以提高附加值。
根据本发明的摄像装置中的焦点调节方法，在光轴上，隔着被摄体的目标位置在前后设定具有被划分成白色和黑色的摄像图案的第一测试图和第二测试图，在光轴方向上移动摄像镜头，并分别针对第一测试图和第二测试图，与摄像镜头的移动量相对应地求出在摄像元件上成像的摄像图案的焦点评价值，并设定摄像镜头的位置，以使第一测试图的焦点评价值和第二测试图的焦点评价值一致，因此，即使通过摄像镜头所摄像的被摄体像的焦点评价值的峰值点附近不清楚，也可以高精度地调节对焦位置，并且能够容易进行其调节。
此外，根据本发明的摄像装置中的焦点调节方法，可以同时对沿光轴分离的第一测试图和第二测试图进行摄像，焦点调节用的操作性良好，而且可以高精度地检测摄像镜头的对焦位置。
附图说明
图1是示出了本发明的一个实施例的摄像装置中的焦点调节方法的概略图，(a)图表示第一测试图和第二测试图的设置例，(b)图表示被检测的MTF特性。
图2是示出同一实施例中的摄像装置的结构的框图。
图3是示出同一实施例中的MTF的测定方法的图。
图4是示出了同一实施例中的焦点调节方法的步骤的流程图。
图5是图1(a)中示出的测试图的变形例。
图6是以往的焦点调节方法的说明图。
符号说明
1：摄像装置；2：前部透镜；3：聚焦透镜；4：滤光器；5：摄像元件；6：AFE(Analog Front End：模拟前端)；7：相关二重取样电路；8：可变增益放大器(AGC：Automatic Gain Control：自动增益控制)；9：A/D转换器；10：聚焦检测部；11：传感器；12：聚焦驱动部；13：TG(Timing Generator：定时脉冲发生器)；15：焦点调节装置；16：MTF运算部；17：第一运算部；17a，18a：取样数计算部；17b，18b：阶跃响应计算部；17c，18c：脉冲响应计算部；17d，18d：MTF计算部；18：第二运算部；23：ROM(Read Only Memory：只读存储器)；24：CPU(CentralProcessing Unit：中央处理单元)；25：MTF比较部；26：缓冲器。
具体实施方式
接下来，根据附图对本发明的摄像装置中的焦点调节方法及焦点调节装置的一个实施例进行说明。
图1是示出了本实施例的摄像装置中的焦点调节方法的概略图，(a)图表示第一测试图和第二测试图的设置例，(b)图表示此时被检测的MTF特性。此外，图2是示出同一实施例中的摄像装置的结构的框图，图3是示出同一实施例中的MTF的测定方法的图，图4是示出了同一实施例中的焦点调节方法的步骤的流程图，图5是示出了图1(a)中的测试图的变形例的图。
如图1(a)所示，摄像装置1具有：聚焦透镜(本发明中所谓的摄像镜头)3，其构成为可在光轴X方向上移动；以及摄像元件5，其对通过聚焦透镜3被引导的被摄体像进行光电转换，输出图像信号。本实施例的摄像装置中的焦点调节方法沿连接被摄体P和摄像元件5的光轴X，隔着被摄体P的目标位置在前后设定具有划分成白色和黑色的摄像图案的第一测试图CH1和第二测试图CH2，沿光轴X移动聚焦透镜3，通过焦点调节装置21，调节聚焦透镜3的位置，以使在摄像元件5上成像的被摄体P的像对焦。
在图1(a)中，M是聚焦透镜3到被摄体P的距离，N是聚焦透镜3到第一测试图CH1的距离，F是聚焦透镜3到第二测试图CH2的距离，相对于被摄体P的目标位置，隔开大致相同的距离配置第一测试图CH1和第二测试图CH2。此外，关于第一测试图CH1和第二测试图CH2的位置，可以分别按照如下的方式求得：预先根据聚焦透镜3的焦点距离和F值等光学信息来计算MTF，使计算出的MTF相等，另外，也可以使用调整后的透镜以实验的方式求得。
具体地说，如图1(b)所示，在光轴X方向上移动聚焦透镜3，分别针对第一测试图CH1和第二测试图CH2，对应于聚焦透镜3的移动量，求出在摄像元件5上成像的摄像图案的焦点评价值，并设定聚焦透镜3的位置，以使第一测试图CH1的焦点评价值和第二测试图CH2的焦点评价值一致。
接下来，如图2所示，摄像装置1中具有以下等部件：前部透镜2；聚焦透镜3；去除有害的红外线和有害的反射光等的滤光器(红外线去除滤光器或光学滤光器)4；摄像元件(CCD：Charge Coupled Devices：电荷耦合装置)5；AFE(Analog Front End：模拟前端)6，其将从摄像元件5输出的模拟图像信号转化为数字图像信号C并输出；TG(TimingGenerator：定时脉冲发生器)13，其利用预定的周期控制摄像元件5和AFE 6；聚焦驱动部12，其进行聚焦透镜3的光轴方向的滑动驱动；以及聚焦检测部10，其通过传感器11检测聚焦透镜3的滑动量。
摄像元件5通过并列设置多个光电转换元件而构成，并且构成为：针对每个光电转换元件，对摄像信号S进行光电转换并输出模拟图像信号。
AFE 6由以下等部件构成：相关二重取样电路(CDS：CorelatedDouble Sampling：相关二重取样)7，其去除通过摄像元件5输出的模拟图像信号的噪声；可变增益放大器(AGC：Automatic Gain Control：自动增益控制)8，其放大利用相关二重取样电路7进行了相关二重取样的图像信号；以及A/D转换器9，其将通过可变增益放大器8所输入的来自摄像元件5的模拟图像信号转换成数字图像信号。AFE 6利用预定的取样频率将从摄像元件5输出的图像信号转换成数字图像信号，并输出到焦点调节装置15。
焦点调节装置15具有以下等部件：MTF运算部16，其处理从摄像装置1输出的数字图像信号C并运算第一测试图CH1和第二测试图CH2中的摄像图案的MTF；MTF比较部25，其比较第一测试图CH1的MTF值和第二测试图CH2的MTF值是否一致；ROM(Read Only Memory：只读存储器)23；CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)24；缓冲器26，其临时存储从AFE 6输出的图像数据。CPU 24根据储存在ROM23中的控制用程序，控制焦点调节装置15的各个处理。
另外，本发明的焦点评价值通过MTF发挥其作用，本发明的焦点评价值检测单元通过MTF运算部16发挥其作用。
另外，MTF运算部16由运算第一测试图CH1的MTF的第一运算部17和运算第二测试图CH2的MTF的第二运算部18构成。
接下来，根据图3，说明本实施例的MTF的测量方法。首先，求解MTF时，通过聚焦透镜3使第一测试图CH1和第二测试图CH2成像在摄像元件5上，从AFE 6中输出图像数据(数字信号C)。
然后，如图3(a)所示，在第一运算部17和第二运算部18中，根据所摄影的第一测试图CH1和第二测试图CH2的摄像图案的边缘倾斜角度来计算取样数，接下来，使用计算出的取样数，扫描图像数据以获取像素值，由此求出边缘的阶跃响应，接下来，通过对阶跃响应进行微分，求出边缘的脉冲响应，然后对脉冲响应进行傅里叶变换求出MTF。
具体地说，如图3(a)、(b)所示，首先，在取样数计算部17a、18a中，计算第一测试图CH1和第二测试图CH2中的边缘倾斜角度α，计算成为图像的一个方向的扫描的基本单位的取样数P。
接下来，如图3(c)所示，将图像的一个方向设为主扫描方向，将另一个方向设为副扫描方向(在本实施例中，设垂直方向为主扫描方向，水平方向为副扫描方向)，扫描由摄像元件5拍摄的图像。此时，在主扫描方向上，按照一列扫描取样数P的方式来依次扫描图像。然后，如图3(d)所示那样，通过获取各个扫描位置的像素值，求出边缘的阶跃响应。
如图3(b)所示，测试图CH1、CH2的摄像图案的边缘相对于垂直方向略微倾斜时，将主扫描方向设为垂直方向，并且按照边缘线在垂直方向上位移1个像素的方式设定取样数P。图3(b)示出摄像而得的图像数据，示出四方形框中的1个个像素，像素内的△、□、●、○等表示像素值。
此外，在第一图CH1中，显现出隔着图像数据的边缘，左侧亮度较暗，右侧亮度较亮；在第二图CH2中，与第一图对称表示，显现出隔着边缘，右侧亮度较暗，左侧亮度较亮。
此外，求解倾斜角度α时，如图3(e)所示，针对第一测试图CH1和第二测试图CH2的边缘，在y方向(垂直方向)上设置S个窗口w。此时，设1个窗口在x方向(水平方向)上具有多个单位要素，各个单位要素的高度与1个像素具有相同的值，宽度为比1个像素小的值。
接下来，使用(式1)，在各窗口w内进行二次微分。
Lw(x)＝2*Pw(x)-Pw(x-1)-Pw(x+1)        (式1)
在(式1)中，Pw(x)是窗口w内的点(x，Eyw)中的像素值，Lw(x)是该点的二次微分值。此外，点(x，Eyw)是将1个单位要素设为x坐标和y坐标的一个刻度时的位置，Eyw相当于图3(e)中的1，2，3，...，S。
接下来，在各窗口w内，求出二次微分值Lw(x)的最大值Lmaxw和最小值Lminw，求出这些点的x坐标Xmaxw，Xminw，使用(式2)求出窗口w内的边缘点的x坐标Exw。
Exw＝(Xminw*|Lmaxw|+Xmaxw*|Lminw|)/(|Lmaxw|+|Lminw|)            (式2)
接下来，求出从(式2)中得出的边缘点群的边缘线的倾斜角度α，将此时的cotα四舍五入得到的整数值设为取样数P。
接下来，转移到阶跃响应计算部17b、18b，如图3(c)所示，首先，沿垂直方向按照取样数P扫描第一列像素，第1列扫描结束后，在水平方向上移动扫描位置，再次沿垂直方向按照取样数P进行扫描，依次沿垂直方向每取样数地扫描图像数据。
接下来，如图3(d)所示，一元地排列各扫描位置的像素值，得到边缘的阶跃响应。在图3(d)中，纵轴表示亮度值，横轴表示将各扫描位置一元展开时的位置。即，在阶跃响应计算部17b、18b中，沿垂直方向每扫描取样数P地扫描边缘附近的像素值，按照扫描的顺序排列像素值，可以得到边缘的阶跃响应。
接下来，转移到脉冲响应计算部17c、18c，通过对由阶跃响应计算部17b、18b得到的阶跃响应进行微分，转换成脉冲响应。此处进行的微分可以通过例如取阶跃响应的相邻像素间的差分来进行。
接下来，转移到MTF计算部17d、18d，通过对由脉冲响应计算部17c、18c求出的脉冲响应进行傅里叶变换求出MTF。此时，通过傅里叶变换，可以得到每个频率的实数部分和虚数部分，将该实数部分和虚数部分相加获得MTF。此外，关于MTF的计算方法，不限于此，也可以使用例如ISO12233所述的分辨率测量方法。
接下来，参照图4，使用第一测试图CH1和第二测试图CH2说明求出聚焦透镜3的对焦位置时的步骤。该步骤通过CPU 24根据保存在ROM23中的程序给予各功能部指令信号来实行。此外，图4中的S表示步骤。
首先，该步骤在操作员对焦点调节装置15输入起动信号时开始。
接下来，在S101中，使聚焦透镜3移动到预定的初期位置，转移到S102。
接下来，在S102中，开始第一测试图CH1和第二测试图CH2的摄影，在S103中，向焦点调节装置15输出通过AFE 6输出的图像数据。
接下来，在S104中，在第一运算部17中，通过运算求出第一测试图CH1中的摄像图案的MTF，并且在第二运算部18中，通过运算求出第二测试图CH2中的摄像图案的MTF，此后，转移到S105。
接下来，在S105中，计算通过第一运算部17计算出的预定频率的MTF和通过第二运算部18计算出的预定频率的MTF之间的差，然后转移到S106。此时，由于MTF可以按照每个频率分量进行计算，所以只要比较与预先设定的高频频率分量对应的MTF即可。
接下来，在S106中，比较通过第一运算部17计算出的MTF和通过第二运算部18计算出的MTF，判定两者的差值是否为0(所谓判定拍摄第一测试图CH1得到的MTF和拍摄第二测试图CH2得到的MTF是否一致)，在S106中，两者的差值为0(是)时，认为聚焦透镜3处于对焦位置而结束本处理；两者的差值不为0(否)时，转移到S107。
接下来，在S107中，沿光轴X以预定量移动聚焦透镜3，然后反复操作S103到S106，直到在S106中两者的差值为0时结束本处理。
如上所述，根据实施例所述的摄像装置1中的焦点调节方法和焦点调节装置，隔着被摄体P的目标位置在光轴X的前后设定具有划分成白色和黑色摄像图案的第一测试图CH1和第二测试图CH2，使聚焦透镜3在光轴X方向上移动，分别针对第一测试图CH1和第二测试图CH2，对应于聚焦透镜3的移动量，求出在摄像元件5上成像的摄像图案的MTF，并设定聚焦透镜3的位置，以使第一测试图CH1中的MTF和第二测试图CH2中的MTF一致，因此，即使焦点评价值的峰值点不清楚，也可以高精度地调节对焦位置，并且能够容易地进行其调节。
此外，根据本发明的实施例所述的摄像装置1中的焦点调节方法和焦点调节装置，可以同时对沿光轴X分离的第一测试图CH1和第二测试图CH2进行摄像，焦点调节用的操作容易而且可以高精度地检测聚焦透镜3的对焦位置。
以上，说明了本发明的一个实施例，但是本发明不限于上述实施例，可以采取各种方式。
例如，如图5所示，在第一测试图CH1和第二测试图CH2中也可以分别具备具有倾斜边缘的多个摄像图案。由此，与摄像图案为单数相比，可以降低噪声的影响并且可以高精度地得到焦点评价值。而且，通过在多个位置配置多个摄像图案，能够根据用途来设定图像中的焦点位置，可以提高附加值。
此外，在本实施例中，将第一测试图CH1的MTF值和第二测试图CH2的MTF值之间的差值为0的位置设为对焦位置，但是也可以代替0，在到达预先设定的预定值的范围时，设为对焦位置。
此外，在本实施例中，使用了具有白色和黑色的摄像图案的图，但是也可以使用具有其它颜色(例如红色，绿色，蓝色)的图，对特定的颜色成分进行对焦调节。
此外，在本实施例中记载了具有聚焦透镜3的驱动部12(电动)的所谓自动聚焦功能的摄像装置，但是本发明不限于具备了自动聚焦功能的摄像装置，也适用于利用手动调节聚焦透镜3的位置的摄像装置。而且，此时也可以沿光轴X例如螺合聚焦透镜3使其螺旋固定在对焦位置。
此外，将本发明适用于具有自动聚焦的摄像装置时，也可以使用本发明求出聚焦透镜3的对焦点，将其存储在ROM 23中作为自动聚焦的参数。

Claims (2)

1.一种摄像装置中的焦点调节方法，该摄像装置使用了摄像镜头和摄像元件，
上述摄像镜头将被摄体像引导至上述摄像元件；
上述摄像元件对通过上述摄像镜头引导的上述被摄体像进行光电转换，并输出图像信号；
该焦点调节方法在上述摄像装置中，沿连接上述被摄体和上述摄像元件的光轴上，隔着上述被摄体的目标位置在前后设定具有被划分成白色和黑色的摄像图案的第一测试图和第二测试图；
在上述光轴方向上移动上述摄像镜头，并分别针对上述第一测试图和第二测试图，与上述摄像镜头的移动量相对应地求出在上述摄像元件上成像的上述摄像图案的焦点评价值；
设定上述摄像镜头的位置，以使上述第一测试图的焦点评价值和上述第二测试图的焦点评价值一致，
该焦点调节方法的特征在于，
隔着与上述光轴正交的正交线，对称配置上述第一测试图和上述第二测试图，并分别配置到不重合的位置，
上述摄像图案的白色与黑色之间的边缘相对于上述摄像元件的像素配置方向形成倾斜角度，当将上述像素配置的一个方向设为主扫描方向，并将与该主扫描方向正交的方向设为副扫描方向时，
根据上述倾斜角度，按照作为上述摄像元件的像素配置的主扫描方向上的扫描基本的取样数成为上述形成倾斜角度的边缘在上述副扫描方向上位移1个像素所需的上述主扫描方向的像素的位移数的方式求出上述主扫描方向的取样数，
接下来，在上述主扫描方向上，以按照上述取样数扫描1列的方式对每个像素扫描上述摄像元件拍摄到的图像，当结束1列扫描时，通过在副扫描方向上1个像素1个像素地错开扫描位置来重复主扫描方向上的扫描，取得各扫描位置的像素值，由此求出上述边缘的阶跃响应，
接下来，通过对上述阶跃响应进行微分来求出脉冲响应，通过对该脉冲响应进行傅里叶变换来求出MTF，
将上述MTF作为上述焦点评价值的指标。
2.根据权利要求1所述的摄像装置中的焦点调节方法，其特征在于，
在上述第一测试图和第二测试图中，并列设置了多个上述摄像图案。
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