焦點調節裝置及其控制方法和攝像設備的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種焦點調節裝置、該焦點調節裝置的控制方法和攝像設備。
【背景技術】
[0002]作為攝像設備的自動調焦(AF)方法，已知有對比度AF方法和相位差AF方法。對比度AF方法和相位差AF方法這兩者都是經常用于攝像機和數字靜態照相機的AF方法，并且在這些AF方法中的一些AF方法中，使用圖像傳感器作為焦點檢測傳感器。
[0003]在這些AF方法中，使用光學圖像來進行焦點檢測，因此存在用于形成光學圖像的光學系統的像差在焦點檢測結果中產生誤差的情況。提出了用于減少這種誤差的方法。
[0004]日本專利第5087077號(文獻I)公開了如下方法:針對AF框、焦距、AF評價頻率和到被攝體的距離各自，準備定義多個代表值的組合的基準校正數據，并且使用通過根據實際條件進行插值所獲得的校正數據來校正焦點檢測結果。
[0005]然而，利用使用適合照相機本體特有的AF評價頻率的校正值來校正焦點檢測結果的文獻I中的方法，產生無法充分校正焦點檢測誤差的問題。焦點檢測誤差本來是觀察者針對拍攝圖像感覺最良好的焦點狀態和焦點檢測結果所指示的焦點狀態之間的差。然而，在文獻I所述的方法中，沒有考慮到拍攝圖像的焦點狀態。此外，在焦點檢測誤差中存在各種因素，并且要考慮與各因素的頻率相對應的焦點檢測誤差。然而，在文獻I中也沒有考慮到這點。

【發明內容】

[0006]本發明提供一種焦點調節裝置及其控制方法和攝像設備，其可以通過在至少考慮到拍攝圖像的焦點狀態的情況下校正焦點檢測結果來精確地校正光學系統的像差所引起的焦點檢測誤差，并且解決了傳統技術中的一個或多個問題。
[0007]根據本發明的方面，提供一種焦點調節裝置，其能夠利用相位差檢測方法和對比度檢測方法至少之一來執行自動調焦，所述焦點調節裝置包括:
[0008]獲得部件，用于根據與攝像光學系統的像散、色像差和球面像差至少之一有關的像差信息以及與所述自動調焦有關的焦點檢測信息，來獲得用于校正所述自動調焦的結果的校正值；以及控制部件，用于基于使用所述校正值校正后的所述自動調焦的結果，來控制所述攝像光學系統所具有的調焦透鏡的位置。
[0009]根據本發明的另一方面，提供一種焦點調節裝置的控制方法，所述焦點調節裝置能夠利用相位差檢測方法和對比度檢測方法至少之一來執行自動調焦，所述控制方法包括以下步驟:獲得步驟，用于根據與攝像光學系統的像散、色像差和球面像差至少之一有關的像差信息以及與所述自動調焦有關的焦點檢測信息，來獲得用于校正所述自動調焦的結果的校正值；以及控制步驟，用于基于使用所述校正值校正后的所述自動調焦的結果，來控制所述攝像光學系統所具有的調焦透鏡的位置。
[0010]根據本發明的又一方面，提供一種攝像設備，包括:根據本發明的焦點調節裝置；照相機單元；以及鏡頭單元，其包括所述攝像光學系統并且相對于所述照相機單元能夠拆卸，其中，所述獲得部件設置在所述照相機單元中。
[0011]根據本發明的另一方面，提供一種攝像設備，包括:根據本發明的焦點調節裝置；照相機單元；以及鏡頭單元，其包括所述攝像光學系統并且相對于所述照相機單元能夠拆卸，其中，所述獲得部件設置在所述鏡頭單元中。
[0012]通過以下參考附圖對典型實施例的說明，本發明的其它特征將變得明顯。
【附圖說明】
[0013]圖1A是示出實施例中的AF操作的流程圖。
[0014]圖1B是示出實施例中的AF操作的流程圖。
[0015]圖2是用作根據實施例的示例性攝像設備的數字照相機的框圖。
[0016]圖3A和3B是示出實施例中的圖像傳感器的示例性結構的圖。
[0017]圖4A和4B是示出實施例中的光電轉換區域和出射光瞳之間的關系的圖。
[0018]圖5是圖2的TVAF單元130的框圖。
[0019]圖6是示出實施例中的示例性焦點檢測區域的圖。
[0020]圖7是實施例中的垂直/水平BP校正值(BPl)計算處理的流程圖。
[0021]圖8A和8B是用于說明實施例中的垂直/水平BP校正值計算處理的圖。
[0022]圖9A?9C是用于說明實施例中的顏色BP校正值(BP2)計算處理的圖。
[0023]圖1OA?1C是用于說明第一實施例中的空間頻率BP校正值(BP3)計算處理的圖。
[0024]圖1lA?IlF是示出實施例中的各種空間頻率特性的圖。
[0025]圖12是用于說明第二實施例中的空間頻率BP校正值(BP3)計算處理的圖。
[0026]圖13是用于說明第三實施例中的空間頻率BP校正值(BP3)計算處理的流程圖。
[0027]圖14是示出第四實施例中的AF操作的流程圖。
[0028]圖15是用于說明第四實施例中的BP校正值(BP)計算處理的圖。
[0029]圖16A?16C是用于說明第四實施例中的BP校正值(BP)計算處理的圖。
[0030]圖17是用于說明第四實施例中的BP校正值(BP)計算處理的變形例的圖。
[0031]圖18是用于說明第五實施例中的BP校正值(BP)計算處理的圖。
[0032]圖19A?19C是用于說明第五式實力中的界限頻帶(limit band)處理的圖。
【具體實施方式】
[0033]現在將根據附圖來詳細說明本發明的優選實施例。注意，盡管為了便于本發明的理解和說明的目的、這些實施例具有特定結構，但本發明不限于這些特定結構。例如，盡管以下說明將根據本發明的焦點調節裝置和用于控制該焦點調節裝置的方法應用于攝像設備(具體為鏡頭可更換型單鏡頭反光數字照相機)的實施例，但本發明還可應用于攝像機以及鏡頭不可更換的數字照相機。本發明還可以在例如移動電話、個人計算機(筆記本式、平板式、臺式PC等)和游戲機等的具有照相機的任意電子裝置中實現。此外，本發明還可以在進行光學系統的焦點調節的任意裝置中實現。
[0034]第一實施例
[0035]攝像設備的結構的說明-鏡頭單元
[0036]圖2是示出作為根據實施例的攝像設備的示例的數字照相機的功能的示例性結構的框圖。本實施例中的數字照相機是鏡頭可更換型單鏡頭反光照相機，并且具有鏡頭單元100和照相機本體120。鏡頭單元100經由圖2的中央的虛線所示的卡口 M安裝在照相機本體120上。
[0037]鏡頭單元100具有光學系統(第一透鏡組101、光圈102、第二透鏡組103和調焦透鏡組(以下簡稱為“調焦透鏡”)104)和驅動/控制系統。因而，鏡頭單元100是包括調焦透鏡104并且形成被攝體的光學圖像的攝像鏡頭。
[0038]第一透鏡組101配置在鏡頭單元100的前端，并且被保持成能夠沿光軸方向OA移動。光圈102具有調節攝像時的光量的功能，并且還用作用于在拍攝靜止圖像時控制曝光時間的機械快門。光圈102和第二透鏡組103可以一體地沿光軸方向OA移動，并且通過與第一透鏡組101連動地移動來實現變焦功能。調焦透鏡104也可以沿光軸方向OA移動，并且鏡頭單元100聚焦的被攝體距離(對焦距離或聚焦距離)根據調焦透鏡104的位置而改變。通過控制調焦透鏡104在光軸方向OA上的位置來進行焦點調節、即鏡頭單元100的對焦距離的調節。
[0039]驅動/控制系統具有變焦致動器111、光圈致動器112、調焦致動器113、變焦驅動電路114、光圈驅動電路115、調焦驅動電路116、鏡頭MPU 117和鏡頭存儲器118。
[0040]變焦驅動電路114使用變焦致動器111來沿光軸方向OA驅動第一透鏡組101和第三透鏡組103，并且控制鏡頭單元100的光學系統的視角。光圈驅動電路115使用光圈致動器112來驅動光圈102，并且控制光圈102的開口直徑和開閉操作。調焦驅動電路116使用調焦致動器113來沿光軸方向OA驅動調焦透鏡104，并且控制鏡頭單元100的光學系統的對焦距離。調焦驅動電路116使用調焦致動器113來檢測調焦透鏡104的當前位置。
[0041]鏡頭MPU (處理器)117進行與鏡頭單元100有關的所有計算和控制，并且控制變焦驅動電路114、光圈驅動電路115和調焦驅動電路116。鏡頭MPU 117經由卡口 M連接至照相機MPU 125，并且與該照相機MPU 125進行命令和數據通信。例如，鏡頭MPU 117檢測調焦透鏡104的位置，并且根據來自照相機MPU 125的請求向照相機MPU 125通知鏡頭位置信息。該鏡頭位置信息包含以下信息，諸如調焦透鏡104在光軸方向OA上的位置、光學系統沒有移動的狀態下的出射光瞳在光軸方向OA上的位置和直徑、以及限制出射光瞳的光束的鏡頭架在光軸方向OA上的位置和直徑等。鏡頭MPU 117根據來自照相機MPU 125的請求，還控制變焦驅動電路114、光圈驅動電路115和調焦驅動電路116。將自動調焦所需的光學信息預先存儲在鏡頭存儲器118中。照相機MPU 125通過執行照相機MPU 125所內置的非易失性存儲器中或鏡頭存儲器118中所存儲的程序來控制鏡頭單元100的操作。
[0042]攝像設備的結構的說明-照相機本體
[0043]照相機本體120具有光學系統(光學低通濾波器121和圖像傳感器122)以及驅動/控制系統。鏡頭單元100中的第一透鏡組101、光圈102、第二透鏡組103和調焦透鏡104以及照相機本體120中的光學低通濾波器121構成了攝像光學系統。
[0044]光學低通濾波器121減少拍攝圖像中的偽色和摩爾紋。圖像傳感器122包括CMOS圖像傳感器和外周電路，并且具有沿水平方向配置的m個像素和沿垂直方向配置的η個像素(η和m是2以上的整數)。本實施例中的圖像傳感器122具有光瞳分割功能，并且能夠進行使用圖像數據的相位差AF。圖像處理電路124根據圖像傳感器122所輸出的圖像數據來生成相位差AF所用的數據以及顯示、記錄和對比度AF(TVAF)所用的圖像數據。
[0045]驅動/控制系統具有傳感器驅動電路123、圖像處理電路124、照相機MPU 125、顯示器126、操作開關組127、存儲器128、相位差AF單元129和TVAF單元130。
[0046]傳感器驅動電路123控制圖像傳感器122的操作，對所獲得的圖像信號進行A/D轉換，并將轉換得到的圖像信號發送至照相機MPU 125。圖像處理電路124對圖像傳感器122所獲得的圖像數據進行諸如γ轉換、白平衡處理、顏色插值處理和壓縮編碼處理等的在數字照相機中通常進行的圖像處理。圖像處理電路124還生成相位差AF所用的信號。
[0047]照相機MPU(處理器)125進行與照相機本體120有關的所有計算和控制，并且控制傳感器驅動電路123、圖像處理電路124、顯示器126、操作開關組127、存儲器128、相位差AF單元129和TVAF單元130。照相機MPU 125經由卡口 M的信號線連接至鏡頭MPU 117，并且與鏡頭MPU 117進行命令和數據通信。照相機MPU 125將用以獲得鏡頭位置的請求、用以以預定驅動量驅動光圈、調焦透鏡或變焦的請求以及用以獲得鏡頭單元100特有的光學信息的請求等發出至鏡頭MPU 117。照相機MPU 125內置有用于存儲用于控制照相機操作的程序的ROM 125a、用于存儲變量的RAM 125b和用于存儲各種參數的EEPROM 125c。
[0048]顯示器126由IXD等構成，并且顯示與照相機的攝像模式有關的信息、攝像之前的預覽圖像、攝像之后的確認用圖像和焦點檢測時的對焦狀態顯示圖像等。操作開關組127由電源開關、釋放(攝像觸發)開關、變焦操作開關和攝像模式選擇開關等構成。存儲器128是可移除的閃速存儲器并且記錄所獲得的圖像。
[0049]相位差AF單元129利用圖像處理電路124所獲得的焦點檢測用的數據，通過相位差檢測方法來進行焦點檢測處理。更具體地，圖像處理電路124生成穿過攝像光學系統中的一對光瞳區域的光束所形成的一對圖像的數據作為焦點檢測用的數據，并且相位差AF單元129基于該對圖像的數據中的偏移量來檢測焦點偏移量。因而，本實施例中的相位差AF單元129在無需使用專用AF傳感器的情況下，基于圖像傳感器122的輸出來進行相位差AF(攝像面相位差AF)。后面將詳細說明相位差AF單元129的操作。
[0050]TVAF單元130基于圖像處理電路124所生成的TVAF用評價值(圖像數據的對比度信息)來通過對比度檢測方法進行焦點檢測處理。在利用對比度檢測方法的焦點檢測處理中，使調焦透鏡104移動，并且將評價值達到峰的調焦透鏡位置檢測作為對焦位置。
[0051 ] 因而，本實施例中的數字照相機可以執行相位差AF和TVAF這兩者，并且可以根據狀況來選擇性地使用這兩者或者可以組合使用這兩者。
[0052]焦點檢測操作的說明:相位差AF
[0053]以下將進一步說明相位差AF單元129和TVAF單元130的操作。
[0054]首先，將說明相位差AF單元129的操作。
[0055]圖3A是示出本實施例中的圖像傳感器122的像素陣列的圖，并且示出如從鏡頭單元100側所觀看到的、二維C-MOS區域傳感器中的覆蓋垂直方向上的6 (Y方向)行和水平方向上的8(X方向)列的區域的狀態。圖像傳感器122設置有拜耳(Bayer)圖案的顏色濾波器，其中綠色(G)和紅色(R)的顏色濾波器按從左起的順序交替配置在奇數行的像素上，并且藍色(B)和綠色(G)的顏色濾波器按從左起的順序交替配置在偶數行的像素上。在像素211中，圓211i表示片上微透鏡，并且這些片上微透鏡內所配置的多個矩形(即，矩形211a和211b)是光電轉換單元。
[0056]在本實施例的圖像傳感器122中，沿X方向對每個像素中的光電轉換單元進行2分割，并且可以單獨讀出各個光電轉換單元的光電轉換信號以及這些光電轉換信號的總和。通過從光電轉換信號的總和中減去光電轉換單元其中之一的光電轉換信號，可以獲得與其它光電轉換單元的光電轉換信號相對應的信號。各個光電轉換單元的光電轉換信號可以用作相位差AF用的數據，并且用于生成構成3D(3維)圖像的視差圖像。可以使用光電轉換信號的總和作為通常的拍攝圖像數據。
[0057]現在將說明在進行相位差AF的情況下的像素信號。如后面所述，在本實施例中，圖3A中的微透鏡211i和分割得到的光電轉換單元211a和211b對攝像光學系統的出射光束進行光瞳分割。關于同一像素行中所配置的預定區域內的多個像素211，將通過組合光電轉換單元211a的輸出所組織成的圖像設置為AF圖像A，并且將通過組合光電轉換單元211b的輸出所組織成的圖像設置為AF圖像B。光電轉換單元211a和211b的輸出使用了通過對顏色濾波器的單位陣列中所包括的綠色、紅色、藍色和綠色的輸出進行相加所計算出的偽亮度(Y)信號。然而，可以針對紅色、藍色和綠色的各顏色來組織AF圖像A和B。通過使用相關計算檢測如以上所生成的AF圖像A和AF圖像B之間的相對圖像偏移量，可以檢測到預定區域中的焦點偏移量(散焦量)。在本實施例中，從圖像傳感器122讀出各像素中的光電轉換單元其中之一的輸出和該像素中的兩個光電轉換單元的輸出的總和。例如，在讀出光電轉換單元21 Ia的輸出以及光電轉換單元21 Ia和21 Ib的輸出的總和的情況下，通過從該總和中減去光電轉換單元211a的輸出來獲得光電轉換單元211b的輸出。由此可以獲得AF圖像A和B這兩者，從而實現相位差AF。由于這種圖像傳感器如日本特開所公開是已知的，因此將省略針對該圖像傳感器的詳情的進一步說明。
[0058]圖3B是示出本實施例中的圖像傳感器122的讀出電路的示例性結構的圖。附圖標記151表示水平掃描電路，并且附圖標記153表示垂直掃描電路。水平掃描線152a和152b以及垂直掃描線154a和154b配置在各像素的邊界部，并且各光電轉換單元的信號經由這些掃描線被讀出至外部。
[0059]注意，本實施例中的圖像傳感器除上述的用于讀出各像素的方法以外，還具有以下兩種讀出模式。第一讀出模式被稱為作為用于拍攝精細的靜止圖像的模式的“全像素讀出模式”。在這種情況下，讀出所有像素的信號。
[0060]第二讀出模式被稱為作為用于僅記錄運動圖像或顯示預覽圖像的模式的“間隔剔除讀出模式”。由于這種情況下所需的像素數小于所有像素數，因此僅讀出像素組中在X方向和Y方向這兩者上按預定比率進行間隔剔除之后剩余的像素。在需要進行高速讀出的情況下，也同樣使用間隔剔除讀出模式。在X方向上對像素進行間隔剔除的情況下，對信號進行相加以實現S/N比的改善，并且在Y方向上對像素進行間隔剔除的情況下，忽略了間隔剔除后的行中的信號輸出。相位差AF和對比度AF通常也基于第二讀出模式中所讀出的信號來進行。
[0061]圖4A和4B是示出在本實施例的攝像設備中攝像光學系統的出射光瞳面與像高為O處(S卩，像面中央附近)所配置的圖像傳感器中的光電轉換單元之間的共軛關系的圖。圖像傳感器中的光電轉換單元和攝像光學系統中的出射光瞳面被設計成經由片上微透鏡具有共軛關系。通常，攝像光學系統的出射光瞳與放置有用于調節光量的虹彩光圈的面大致一致。另一方面，本實施例中的攝像光學系統是具有變倍功能的變焦鏡頭。根據光學類型，在進行變倍操作的情況下，出射光瞳相對于像面的距離或出射光瞳的大小改變。圖4A和4B示出鏡頭單元100的焦距處于廣角端和遠攝端之間的中央的狀態。在以這種狀態下的出射光瞳距離Zep作為標準值的情況下，實現了片上微透鏡的形狀和適合像高(X坐標和Y坐標)的偏心參數的最佳設計。
[0062]在圖4A中，附圖標記101表示第一透鏡組，附圖標記1lb表示保持第一透鏡組的鏡筒構件，附圖標記105表示第三透鏡組，并且附圖標記104b表示保持調焦透鏡104的鏡筒構件。附圖標記102表不光圈，附圖標記102a表不定義光圈開放時的開口直徑的開口板，并且附圖標記102b表示用于調節光圈縮小時的開口直徑的光圈葉片。注意，用作用于限制穿過攝像光學系統的光束的構件的附圖標記101b、102a、102b和104b表示如從像面所觀察到的光學虛像。將光圈102附近的合成開口定義為透鏡的出射光瞳，并且如上所述相對于像面的距離為Z印。
[0063]像素211配置在像面的中央附近，并且在本實施例中將被稱為“中央像素”。中央像素211從最下層起包括光電轉換單元211a和211b、互連層211e?211g、顏色濾波器211h和片上微透鏡211i。兩個光電轉換單元通過片上微透鏡211i被投影至攝像光學系統的出射光瞳面。換句話說，將攝像光學系統的出射光瞳經由片上微透鏡211i投影至光電轉換單元的表面。
[0064]圖4B示出光電轉換單元在攝像光學系統的出射光瞳面上的投影圖像，并且利用EPla和EPlb來分別表示與光電轉換單元211a和211b相對應的投影圖像。在本實施例中，圖像傳感器具有可以獲得兩個光電轉換單元211a和211b其中之一的輸出以及這兩個光電轉換單元的輸出總和的輸出的像素。通過對穿過了大致覆蓋