焦点调节方法和摄像机 【技术领域】
本发明涉及从摄像装置输出的摄像信号计算焦点评价值，进行摄影透镜的焦点调整，从而使其焦点评价值最大的焦点调节方法和摄像机。
背景技术
众所周知，在用CDD等摄像元件对被拍摄物体进行拍摄的电子摄像机中，从摄像信号中取出对应对比信号的高频成分，使聚焦透镜移动到此高频成分最大的透镜位置的焦点调整方法。高频成分被称为焦点评价值，上述焦点调整方法被称为登山AF。
在计算焦点评价值最大的透镜位置时，一般使聚焦透镜在部分驱动区域或整个区域移动，对不同的多个透镜位置得到各焦点评价值。对透镜驱动区域可以得到足够多的焦点评价值的情况下，选择最大的焦点评价值，使聚焦透镜向得到最大焦点评价值的透镜聚焦位置移动。
另一方面，在得到焦点评价值个数少的情况下，利用插入计算(插入法)(例如3点插入计算)的方法计算出推测焦点评价值实际最大的透镜聚焦位置。进行插入计算的情况下，使用最大焦点评价值和至少位于其左右的焦点评价值计算出透镜聚焦位置。在该计算方法中，用于计算的数据越多，插入计算地精度越好。
可是非常靠近透镜驱动区域端点的焦点评价值位置是上述最大焦点评价值的情况下，位于其左右的焦点评价值中的一个是不存在的。因此存在聚焦位置在端点附近的情况下，不能高精度调节焦点的缺点。
【发明内容】
本发明提供一种焦点调节方法和摄像机，在以焦点评价值为基础进行焦点调节的焦点调节方法和摄像机中，即使聚焦位置在透镜驱动区域的端点附近，也能进行高精度焦点调节。
本发明的焦点调节方法是用摄像装置拍摄摄影光学系统成像的被拍摄物体像，以从摄像信号计算出来的焦点评价值为基础，计算出摄影光学系统的聚焦位置，焦点调节方法是在摄影光学系统焦点调节区域中，以第1抽样间隔得到焦点评价值，然后判断以第1抽样间隔得到的焦点评价值最大值的抽样位置实质上是否在焦点调节区域的端点，焦点评价值最大值抽样位置是焦点调节区域端点的情况下，在比包括端点的焦点调节区域更窄的区域中，以比第1抽样间隔更小的第2抽样间隔得到焦点评价值，以用第2抽样间隔得到的焦点评价值为基础计算出聚焦位置。
本发明的摄像机设置有摄像装置，通过摄影光学系统拍摄被拍摄物体；评价值运算部，以从摄像装置输出的摄像信号为基础，计算出焦点评价值；移动部，使摄影光学系统的聚焦透镜移动；和控制部，控制评价值运算部和移动部，控制部控制移动部，使聚焦透镜从规定的第1区域一边的端点移向另一边的端点，聚焦透镜从第1区域一边的端点移向另一边端点时，控制评价值运算部，以第1抽样间隔计算出焦点评价值，判断以第1抽样间隔得到的焦点评价值中最大焦点评价值抽样位置是否在第1区域两个端点的某一个上，判断最大焦点评价值抽样位置在两个端点中的某一个上的情况下，控制移动部，使聚焦透镜从比包括最大焦点评价值抽样位置的第1区域窄的第2区域一边的端点向另一边的端点移动，聚焦透镜从第2区域一边的端点向另一边的端点移动时，控制评价值运算部，使以比第1抽样间隔小的第2抽样间隔计算出焦点评价值，以第2抽样间隔得到的焦点评价值为基础，计算出聚焦透镜聚焦位置，控制移动部，使聚焦透镜移动到计算出的聚焦位置。
在此摄像机中，控制部在判断以第1抽样间隔得到的焦点评价值中最大焦点评价值抽样位置不在第1区域两个端点的某一个上时，优选以用第1抽样间隔得到的焦点评价值为基础计算出聚焦透镜的聚焦位置。
此外控制部进一步判断以第2抽样间隔得到的焦点评价值中最大焦点评价值抽样位置是否在第2区域两个端点的某一个上，在判断以第2抽样间隔得到的焦点评价值中最大焦点评价值抽样位置是在第2区域两个端点的某一个上的情况下，控制移动部，使聚焦透镜从包括以第二抽样间隔得到的焦点评价值中最大焦点评价值抽样位置的第3区域一边的端点向另一边的端点移动，在聚焦透镜从第3区域一边的端点向另一边的端点移动时，控制评价值运算部，使以比第2抽样间隔小的第3抽样间隔计算出焦点评价值，优选以第3抽样间隔得到的焦点评价值为基础，计算出聚焦透镜聚焦位置。
此外控制部优选用得到的最大焦点评价值及其附近的焦点评价值，用插入法计算出聚焦透镜的聚焦位置。
本发明另外的摄像机设置有摄像装置，通过摄影光学系统拍摄被拍摄物体像；评价值运算部，以从摄像装置输出的摄像信号的高频部分为基础，计算焦点评价值；移动部，使摄影光学系统的聚焦透镜在规定区域移动；第1评价值取得部，在一个方向上使聚焦透镜从驱动区域的一端向另一端移动，在此移动动作中聚焦透镜每移动第1移动量，利用评价值运算部得到焦点评价值；第1评价值判断部，判断用第1评价值取得部得到的焦点评价值中最大焦点评价值是否靠近规定驱动区域两端点中的某一个；第2评价值取得部，在至少包括从靠近最大焦点评价值一侧端点到与最大焦点评价值对应的透镜位置的部分区域中，使聚焦透镜从部分区域的一端向另一端移动，此移动动作中聚焦透镜每移动一个比第1移动量小的第2移动量，利用评价值运算部得到焦点评价值；和控制部，在利用第1评价值判断部判断不是最靠近最大评价值的焦点评价值的情况下，以用第1评价值取得部得到的多个焦点评价值为基础，使聚焦透镜移动到透镜聚焦位置，在利用第1评价值判断部判定最大焦点评价值是最近的焦点评价值的情况下，以用第2评价值取得部得到的多个焦点评价值为基础，使聚焦透镜移动到计算出的透镜聚焦位置。
在此摄像机中，优选利用改变聚焦透镜的移动速度，形成第1移动量和第2移动量。
此外，设置有第2评价值判断部，判断利用第2评价值取得部得到的焦点评价值中最大焦点评价值是否是非常靠近包括部分区域端点的焦点评价值，控制部由第2评价值判断部判断最大焦点评价值是最靠近的焦点评价值时，优选使聚焦透镜移向包括部分区域的端点。
此外，设置有第2评价值判断部，判断用第2评价值取得部得到的焦点评价值中最大焦点评价值是否是包括部分区域端点最近的焦点评价值；和第3评价值取得部，使聚焦透镜在一个方向上从部分区域的一端向另一端移动，在此移动动作中，聚焦透镜每次仅以比第2移动量小的第3移动量，通过评价值运算部得到焦点评价值。控制部用第2评价值判断部判断最大焦点评价值是最近的焦点评价值时，优选以用第3评价值取得部得到的多个焦点评价值为基础，把聚焦透镜移动到计算出的透镜聚焦位置。
【附图说明】
图1表示本发明摄像机一个实施方式，为AF(自动聚焦)数码摄像机的框图。
图2为表示设置有摄影透镜1的聚焦透镜位置和焦点评价值关系的图。
图3为说明计算聚焦透镜位置方法的图。
图4为表示焦点评价值抽样示例的图，是表示聚焦点在驱动区域外情况下的焦点评价值分布曲线L1的图。
图5为表示焦点评价值抽样示例的图，是表示聚焦点在驱动区域内情况下的焦点评价值分布曲线L2的图示。
图6为说明检索动作的流程图。
图7为表示接续图6的处理顺序的流程图。
图8为表示聚焦动作时的聚焦透镜位置和时间变化的图。
图9为说明变化示例的流程图。
【具体实施方式】
下面参照附图说明本发明的实施方式。图1为表示本发明摄像机的一个实施方式的图示，是AF(自动聚焦)数码摄像机的框图。图1所示的数码摄像机具有摄影透镜1、固体摄像元件2、A/D转换器3、存储器4、图像处理电路5、外存储电路6、控制电路8、用电机13驱动的聚焦控制机构14、CPU12、和光圈19。在CPU12中设置有AE/AWB处理电路7、带通滤波器(BPF)9、积分电路10和AF电路11。外存储介质6被设置成可以安装在数码摄像机上，也可从数码摄像机上拆下来。
在图1中表示的是简化的摄影透镜1，摄影透镜1由1枚透镜或多枚透镜构成，利用聚焦控制机构14驱动聚焦透镜，进行焦点调节。也就是利用聚焦控制机构14在光轴方向上驱动摄影透镜1的聚焦透镜，对成像在固体摄像元件2摄像面上的被拍摄物体的焦点进行调整。此外摄影透镜1可以是单一焦点距离(固定焦点)的透镜，也可以是变焦透镜和节跃式变焦透镜那样的焦点距离可变的透镜。
固体摄像元件2是二维摄影器件，这样的摄影器件有CCD型、MOS型、CID型等各种型式。本实施方式采用CCD摄像元件。通过摄影透镜1的被拍摄物体的光通过光圈19的开口成像在固体摄像元件2的摄像面上。被拍摄物体的像成像在固体摄像元件2的摄像面上时，根据被拍摄物体像光的强弱，在每个像素上积蓄信号电荷。固体摄像元件2利用从控制电路8得到的快门脉冲，控制各像素积蓄电荷的积蓄时间(快门速度)。这就是叫做电子快门的功能。
顺序读出积蓄在固体摄像元件2各像素的信号电荷作为图像输出信号，利用A/D转换器3变成数字信号。变成数字信号的图像信号作为图像数据暂时保存在存储器4中。图像处理电路5设置有亮度(Y)信号生成电路和色差(C)信号生成电路和数据压缩译码电路等的信号处理电路。此外图像处理电路5从存储器4读取图像数据，对各种信号进行处理后，变换成规定形式(例如JPEG形式)的图像数据，把此图像数据存储到存储器4或存储器插件板等外存储电路6。
CPU12与控制电路8和存储器4等连接，按规定的算法进行曝光值和聚焦状态等的各种计算，同时统一对AE/AWB处理电路7和AF电路11等的控制进行管理。从与被拍摄物体像中AF区域内的图像对应的AF图像数据从存储器4中读入BPF9中。BPF9从读入的AF用图像数据抽出高频成分，用积分电路10对抽出的高频成分的绝对值进行积分，此积分的结果被称为焦点评价值。
在上述说明中，采用的是以存储在存储器4中的图像数据为基础，利用带通滤波器9和积分电路10计算焦点评价值的结构，也可以采用逐次把A/D转换器3的输出送到带通滤波器9，传输数据的同时计算焦点评价值的结构。在本实施方式中，上述的BPF9和积分电路10的处理实际上是在CPU12中利用软件进行处理，也可以采用硬件实现这些功能。
图2为表示设在摄影透镜1上的聚焦透镜位置和焦点评价值之间关系的图示。在图2中横轴为聚焦透镜在光轴方向上的位置，纵轴为焦点评价值。在图2中焦点评价值在透镜D1位置最大，使聚焦透镜移动到次透镜位置D1时焦点吻合的被拍摄物体像在固体摄像元件2的摄像面上成像。下面把焦点评价值最大的透镜位置D1称为透镜聚焦位置。聚焦透镜可以在到无限远一侧的端点(图中原点O)和最近一侧端点(D0)之间的驱动区域移动。
[透镜聚焦位置的计算方法]
图3为说明透镜聚焦位置计算方法的图示，其中对三点插入法计算(插入法)进行说明。图3所示的黑圆点表示焦点评价值的抽样点，包括透镜驱动区域两端(无限远一侧的端点和最近一侧的端点)得到了7个焦点评价值。虚线L0表示焦点评价值的分布，在透镜位置D1有峰值。透镜驱动区域也可以称为焦点调节区域、得到焦点评价值取得区域或焦点评价值抽样区域。
在得到的7个焦点评价值中，焦点评价值P2最大。用三点插入法计算使用最大的焦点评价值P2和位于它前后的焦点评价值P1、P3，计算透镜聚焦位置(透镜位置D1)。首先选择点P1和点P3中焦点评价值小的点P3，计算通过点P2和点P3的直线L11。设此直线L11的斜率为-K时，计算出斜率为K且通过点P1的直线L12。求出直线L11和L12的交点IP。用透镜位置和焦点评价值表示交点IP坐标，将此交点IP的透镜位置作为透镜聚焦位置D1。
可是如图4所示的焦点评价值P11～P17那样，在端点(无限远一侧端点)的焦点评价值P17为最大的情况下，可能不是像图4那样的焦点评价值分布曲线L1，而是变成像图5那样的焦点评价值分布曲线L2。在图4分布曲线L1的情况下，透镜聚焦位置位于在无限远一侧端点外侧附近，在图5分布曲线L2的情况下，透镜聚焦位置D1位于在无限远一侧端点内侧附近。也就是存在不能精确地计算出透镜聚焦位置的可能性。
[聚焦动作说明]
在本发明中，即使如图4所示，在端点位置的焦点评价值P17是最大焦点评价值，也能高精度地计算出透镜聚焦位置。图6和图7为表示本实施方式中聚焦动作处理顺序的流程图。图6的步骤S1中使AF动作所需的数据和聚焦特征初始化。在步骤S2中为了在透镜驱动区域(从无限远一侧端点到最近一侧的端点)整个区域得到焦点评价值，首先使聚焦透镜移向第1检索开始位置。作为第1检索开始位置可以是无限远一侧端点，也可以是最近一侧端点。这种情况下在检索开始时移到最靠近端点的话，可以缩短此时移动所需要的时间。
在步骤S3中把检索时透镜移动速度设定为第1速度V1。根据此透镜移动速度的大小改变焦点评价值的抽样数量。由于在固体摄像元件2上以规定的时间间隔拍摄被拍摄物体的图像，所以透镜移动速度加快的话抽样数量就减少，相反透镜移动速度变慢的话抽样数量增加。换句话说，透镜移动速度越慢，抽样点间透镜移动量越小，可以更精细地对焦点评价值抽样，但也存在检索时间变长的缺点。
在步骤S4中进行焦点评价值的计算。在从步骤S3进入步骤S4的最初的计算中，计算出第1检索开始位置(端点)的焦点评价值。在步骤S5中使聚焦透镜以在步骤S3设定的第1速度V1向另一端移动。在步骤S6中判断对整个驱动区域检索焦点评价值是否完成，也就是判断聚焦透镜是否到达与检索开始时的端点相反的另一个端点，在此位置是否得到焦点评价值。在步骤S6中判断检索完成的话进入步骤S7，检索没有完成的话返回到步骤S4。
从步骤S4到步骤S6的处理在聚焦透镜到达另一端之间反复进行，抽取与反复次数相同次数的焦点评价值的样本。抽样的焦点评价值存储在图1的存储部15中。在步骤S7中判断抽样的焦点评价值中是否有规定水平以上的焦点评价值。对比度低的被拍摄物体的情况下，有时会产生与真实聚焦位置不同的位置上焦点评价值表现为最大值的被成为虚拟聚焦的现象。为此在本实施方式中为了避免这样的虚拟聚焦，在步骤S7仅在判断了是否有规定水平以上的焦点评价值的情况下，才进行透镜聚焦位置的计算。
在步骤S7中判断是否有规定值水平以上的焦点评价值的情况下，由于对比度低到不能进行焦点调节的程度，进入步骤S9，把聚焦透镜移到预先确定的规定位置，例如移向最近一侧的一个端点。步骤S9的处理完成后，一系列的聚焦动作处理完成。另一方面在步骤S7中判断有规定水平以上的焦点评价值的话，进入图7的步骤S8。
在图7的步骤S8中，判断从抽样的焦点评价值能否用插入计算方法计算出透镜聚焦位置。例如像本实施方式那样用三点插入方式计算透镜聚焦位置的情况下，最大焦点评价值像图4、5那样在端点的情况下，由于数据不够而不能计算。因此步骤S8的判断是可以判断像图4、5那样最大焦点评价值P17在开始的抽样点还是在最后的抽样点。
在步骤S8中判断为YES的情况下，用抽样的焦点评价值可以计算透镜聚焦位置，所以进入步骤S17，用三点插入方式计算出透镜聚焦位置。然后进入步骤S18，使聚焦透镜移向计算出的透镜聚焦位置，完成一系列聚焦动作。
另一方面在步骤S8中判断为NO的话，进入步骤S10。在步骤S10中把透镜移动速度设定为比在第3步设定的第1速度V1要慢的第2速度V2。例如设定为V2＝V1/2。在步骤S11中，为了进一步细致地检索，使聚焦透镜移到第2检索开始位置。
例如在最初的焦点评价值抽样中，考虑使聚焦透镜从无限远一侧端点移动到最近一侧的端点，像图4所示抽取焦点评价值P11～P17样本的情况。此情况下最大焦点评价值P17的位置是无限远一侧端点，检索完成时的聚焦透镜位置变成最近一侧端点。计算透镜聚焦位置时，焦点评价值P16的透镜位置x16和无限远一侧端点(坐标原点)之间的焦点评价值是必要的。为此至少在透镜位置x16和无限远一侧端点之间必须进行更细致的检索。因此在步骤S11中选取透镜位置x16为第2检索开始位置，使聚焦透镜从最近一侧端点移向透镜位置x16。
在步骤S12进行焦点评价值的计算。在从步骤S11到进入步骤S2的最初计算中，计算出在第2检索开始位置(透镜位置x16)中的焦点评价值。在步骤S13中，使聚焦透镜以在步骤S10设定的第2速度V2向无限远一侧端点移动。在步骤S14中，判断对整个第2检索区域的检索焦点评价值是否完成，也就是判断聚焦透镜是否到达无限远一侧端点，在此位置得到焦点评价值。在步骤S14判断检索完成的话进入步骤S15，判断检索没有完成的话返回到步骤S12。
在步骤S15中，判断从第2次检索抽样得到的焦点评价值能否用插入计算方法计算透镜聚焦位置，也就是判断最大的焦点评价值是否位于端点位置。在步骤S15中判断最大焦点评价值在端点位置，不能计算透镜聚焦位置的话，进入步骤S16，使聚焦透镜移向焦点评价值为最大的端点。例如图4的状态下使聚焦透镜移向无限远一侧端点。
另一方面在步骤S15中，判断最大焦点评价值不是端点位置，可以计算透镜聚焦位置的话，进入步骤S17。在步骤S17中，以第2次检索抽取的焦点评价值为基础，计算透镜聚焦位置。然后在步骤S18中，使聚焦透镜移向在步骤S17中计算的透镜聚焦位置。步骤S18的处理完成的话，一系列聚焦动作结束。
图8为表示聚焦动作中的聚焦透镜位置随时间变化的图示，纵轴表示透镜位置，横轴表示时间。利用图8所绘的折线表示不同时间聚焦透镜的位置。折线的直线部分L31表示最初的检索，直线部分L32表示第2次的检索。在直线部分L31、L32中表示的黑圆点P11～P17、P21～P23表示抽样点，在时间上是等间隔的。
在时刻t1中，开始向检索开始位置的最近一侧端点驱动聚焦透镜(步骤S2)。然后在时刻t2到达最近一侧端点。在时刻t3开始检索(步骤S4)，聚焦透镜以第1速度V1从最近一侧端点向无限远一侧端点移动，在时刻t4到达无限远一侧端点(步骤S6)。通过此检索在7个抽样点P11～P17得到焦点评价值。上述的图4为表示抽样点P11～P17的焦点评价值的大小的图示，抽样点P17的焦点评价值最大。
在图3所示的示例中，在最初检索完成时聚焦透镜位于无限远一侧端点。因此第2次检索中把检索开始位置定在无限远一侧端点，使聚焦透镜移动到抽样点P16得到的透镜位置x16。第2次的检索从时刻t5开始，到时刻t6完成。第2次检索的移动速度V2设定成比最初检索的移动速度V1慢，所以直线部分L32的斜率大小比直线部分L31的小，在抽样点间移动的距离也比直线部分L31的小。因此在第2次检索中得到了3个抽样点P21～P23。
在第2次检索中距透镜聚焦位置最近的抽样点P22的焦点评价值最大。所以利用抽样点P21～P23的焦点评价值的三点插入计算方法计算透镜聚焦位置。计算出来后在时刻t7开始使聚焦透镜向透镜聚焦位置D1移动，在时刻t8到达透镜聚焦位置D1的话停止移动。
[变化示例]
在上述的实施方式中，在第2次检索不能计算出透镜聚焦位置的情况下，移动到得到最大焦点评价值的端点，也可以再进一步降低透镜移动速度，进行第3次检索。这种情况下，可以用图9的流程图代替上述图7的流程图。在图9的流程图中，与图7进行相同处理的步骤采用相同的标号。
图9的步骤S10～S14的处理是关于第2次检索的处理，与图7所示的内容相同。第2次检索完成的话，进入步骤S15，判断在第2次检索中从抽样的焦点评价值能否计算出透镜聚焦位置。在步骤S15中判断可以计算出透镜聚焦位置的话，与图7的情况相同，在步骤S17中计算出透镜聚焦位置后，在第18步使聚焦透镜移向计算出的透镜聚焦位置。
另一方面，在步骤S15判断不能计算出透镜聚焦位置的话，进入第S30步，判断第3次检索是否完成。在第S30步中判断第3次检索完成的话，进入步骤S16，使聚焦透镜向焦点评价值最大的端点移动，完成一系列聚焦动作。在第S30步判断第3次检索没有完成的话，进入第S31步，把透镜移动速度设定为比第2速度V2更低的第3速度V3。
在第S31步设定移动速度完成后进入步骤S11。在步骤S11中为了进行第3次检索，把聚焦透镜移动到第2检索开始位置(图8的无限远一侧端点)。第3次检索时也检索与第2次检索相同的透镜移动区域，把聚焦透镜移动到第2检索开始位置。可是在图8的示例中，由于第2次检索完成时，聚焦透镜停止在透镜位置x16上，所以也可以把此位置x16作为第3次检索开始位置。
此外由于推测焦点评价值的峰值在抽样点P21和P22之间，所以也可以以抽样点P22的透镜位置为检索开始位置。然后反复进行从步骤S12到步骤S14的处理，第3次检索完成的话，与第2次检索完成的情况相同，进行步骤S15以后的处理。
如上所述，在本实施方式中，在第1次检索不能计算透镜聚焦位置的情况下，由于进行抽样间隔更短的第2次检索，所以即使是透镜聚焦位置在透镜驱动区域端点附近的情况也能进行高精度的焦点调节。特别是在变化示例中再在第2次检索上加上进行第3次检索，所以可以准确地计算出透镜聚焦位置。
此外在现有的摄像机中由于是用1次检索计算透镜聚焦位置，为了要在聚焦位置在端点附近也能高精度地检测出来，必须在整个驱动区域使抽样间隔细化。因此存在有调节焦点时间长的缺点。可是在本实施方式中，第1次在整个区域高速进行粗的抽样，在第2次和第3次的检索中在端点附近狭小区域进行细致抽样。此时，焦点评价值峰值在端点附近以外的情况下，用第1次检索就能计算出透镜聚焦位置，只有峰值在端点附近时才进行第2次、第3次的检索。其结果不仅可以高精度进行焦点调节，也能实现焦点调节的高速化。
在上述实施方式中，以数码摄像机为例进行了说明，而本发明也适用于用摄像元件拍摄被拍摄物体，以该摄像信号为基础用计算出的焦点评价值进行焦点调节的摄像机。
在以上说明的实施方式中，固体摄像元件2也可以叫做摄像装置，带通滤波器9及积分电路10可以叫做评价值运算部，存储器13和聚焦控制机构14可以叫做移动部，CPU12可以叫做第1、第2、第3评价值取得部，第1、第2评价值判断部和控制部。
上述实施例仅是示例，在不离开本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种修改。