专利名称：使用滚动快门拍摄图像的成像器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括使用滚动快门(rolling shutter)捕捉图像的成像传感器的 成像器。
背景技术：
公知的用于捕捉图像的成像传感器具有设置在二维平面上的光电二极管。例 如，CMOS成像传感器就是这样一种成像传感器。常规的对比度AF过程(contrast AF procedure)使用来自CMOS成像传感器所输出的图像数据的对比度值(contrast value)来 确定照相镜头是否对焦到对象上。从实质上设置在CMOS成像传感器上的AF区域中的对比 度值来确定对焦状态。但是，当CMOS成像传感器输出图像数据时，在对焦状态改变的情况下，所输出的 图像数据发生失真，从而可能不能正确地确定照相镜头是否对焦到对象上。
发明内容
本发明的目的是提供一种即使当对象不固定时也能够通过对比度AF过程对焦到 对象上的成像器。成像器具有成像传感器和对焦检测器。成像传感器输出具有存储在一行像素中的 电荷的图像信号。对焦检测器基于图像信号所形成的一个图像帧的帧图像数据的对比度值 检测对象图像是否对焦到所述成像传感器上。成像传感器改变作为电荷在像素中的存储周 期的电荷存储周期，在预期对象运动的拍摄状态下拍照的情况下，延长电荷存储周期。
参照附图，通过下面的描述将更好地理解本发明的目的和优点，其中图1是根据本发明的实施例的成像器从其后表面所见的透视图；图2是成像器的方块图；图3是成像传感器的主视图；图4是成像传感器的另一主视图；图5显示了正常电荷存储周期中的一行电荷读取结果；图6显示了大于正常电荷存储周期的电荷存储周期中的一行电荷读取结果；图7是AF过程的流程图。
具体实施例方式下面将参考附图所示的实施例描述本发明。图1显示了作为根据该实施例的成像 器的数码相机100。例如，数码相机为轻便型相机。数码相机100配备有开启和关闭主电源的主电源开关111、释放按钮112、IXD监 视器114、卡槽116、以及从数码相机的前表面突出的成像镜头121。主电源开关111和释放按钮112由操作开关110构成。主电源开关111是从数码相机100的后表面突出的瞬时开关(momentary switch)0释放按钮112是设置在数码相机100的顶部的二阶(two-step)瞬时开关。在用 户部分按下释放按钮112的情况下，数码相机执行测光和测距过程。在用户完全按下释放 按钮112的情况下，数码相机捕捉图像。IXD监视器114的形状是具有与所拍摄的图像相同的纵横比3 4的矩形。如图 1所示，IXD监视器114的矩形的长边沿数码相机100的长度方向延伸，且IXD监视器114 设置在靠近数码相机100的后表面上的中心处。IXD监视器114显示预览图像和通过照相 镜头121获得的图像、所拍摄的图像、以及数码相机100的配置设置。参考图2描述数码相机中设置的部件。数码相机100主要包括控制数码相机100 的操作的DSP 131、用于操作数码相机100的操作开关110、将对象图像转化为数字图像信 号的成像单元120、存储从DSP 131发送来的数据的存储器132、存储所拍摄的图像的SD卡 133、以及LCD监视器114。成像单元120主要包括CMOS成像传感器124、AFE (模拟前端)125、以及定时发生 器(timing generator)126。CMOS成像传感器124具有在其中将进入的对象图像转化为模拟图像信号的成像 区域124a。成像镜头121将对象图像对焦到成像区域124a上。成像区域124a是矩形的并 设置在数码相机100中，以使成像区域124a的长边与图1中从右到左的方向一致并且成像 区域124a的短边与图1中从上到下的方向一致。包括光电二极管的多个像素在成像区域 124a上排列。在下文中，将沿长边方向排列的像素称为行(line)，将沿短边方向排列的像 素称为列(row)。CMOS成像传感器124读取每行像素中存储的电荷并将其作为模拟图像信号输出 到AFE 125。电荷在像素中的存储周期由使用者决定。AFE 125在调整模拟图像信号的增 益之后将模拟图像信号转化为数字图像信号，然后将数字图像信号发送到DSP 131。CMOS成像传感器124使用滚动快门来输出模拟图像信号。滚动快门是一种信号读 取过程(signal-reading procedure)，其为CMOS成像传感器124的每一行(即沿长边方向 排列的每组像素)输出模拟图像信号。根据该实施例的CMOS成像传感器124沿从成像区 域124a的顶部到底部的扫描方向输出模拟图像信号。定时发生器126基于来自DSP 131的信号向CMOS成像传感器124和AFE 125两 者发送定时信号。CMOS成像传感器124和AFE 125基于该定时信号操作。在成像前，DSP 131使用来自数字图像信号中包含的对象图像的光量执行对象的 测光过程。其根据测光值计算曝光值，然后计算拍摄中使用的快门速度和光圈值。之后，基 于计算出的快门速度和光圈值拍摄照片。DSP 131利用接收到的数字图像信号控制照相镜 头121，并且对象图像被对焦到CMOS成像传感器的成像区域124a上。在从AFE 125接收到数字图像信号之后，DSP 131处理数字图像信号并创建包含 一帧图像的数据的帧图像数据。帧图像数据被存储在SD卡133中并被显示在LCD监视器 114上作为预览图像。当DSP 131进行计算并执行图像处理时，存储器132用作临时存储中 间数据的工作存储器。
数码相机100包括多个拍摄模式。拍摄模式包括用于拍摄快速运动对象的运动模 式、用于拍摄孩子的儿童模式、以及用于拍摄远处风景和宽阔范围的风景模式等等。儿童模 式被配置为用于拍摄频繁运动的人物，因为孩子们经常动来动去。参考图3，成像区域124a中的多个像素按照Bayer排列方式排列成s行t列。DSP 131在CMOS成像传感器124的成像区域124a上实质上设置了横向AF区域124b和纵向AF 区域124c。横向AF区域124b是在成像区域124a的垂直方向的中心处沿水平方向(即CMOS 成像传感器124的长度方向)延伸并具有多个列的矩形区域。横向AF区域124b垂直于扫 描方向延伸。纵向AF区域124c是在成像区域124a的长度方向的中心处沿CMOS成像传感 器124的垂直方向延伸并具有多个列的矩形区域。纵向AF区域124c沿扫描方向延伸。横 向AF区域124b垂直于纵向AF区域，以使它们的中心重叠。成像区域124a的中心与横向 AF区域124b的中心以及纵向AF区域的中心重叠。DSP 131基于对比度AF过程移动对焦 光学系统以使照相镜头121对焦到对焦位置。在对比度AF过程中，DSP 131基于位于横向AF区域124b和纵向AF区域124c中 的像素的亮度来计算对比度值C，其中最高的平均对比度值C被确定在对焦光学系统对焦 的对焦位置。下文将描述应用于横向AF区域124b中的像素的亮度计算过程的示例。对具有多个像素的每个块计算亮度。块包括四个像素水平方向的两个像素和垂 直方向的两个像素。这四个像素构成二乘二的方矩阵。根据Bayer矩阵的块包括一个红色 像素、两个绿色像素和一个蓝色像素。如下所述通过对四个像素输出的数字图像信号求和 来计算亮度“AN”。AN = G+R+B+G其中G为每个绿色像素输出的数字图像信号的值，R为红色像素输出的数字图像 信号的值，B为蓝色像素输出的数字图像信号的值。接下来，计算在水平方向上计算亮度“AN”与隔了一个块的块的亮度AN+2之间的 差，并将两个亮度值之差平方。对所有像素进行该计算，然后将计算出的值累加到一起。通 过这种方式，计算对比度值。C。即，使用下面的公式来计算对比度值C。
maxC = ^(αη+2 - a )2
η=0在上述计算中，用列代替行并用行代替列，从而以类似的方式计算垂直方向上的 对比度值。SD卡133可拆卸地存放在设于数码相机100的侧面上的卡槽116中。用户可以从 数码相机100外部接近卡槽116来更换SD卡133。在拍摄状态随时间变化的对象的情况下，在输出全部行中存储的电荷前，对象的 状态可能变化。由于CMOS成像传感器124使用滚动快门输出模拟图像信号，因此对每一行 而言在每个像素中存储电荷的时刻不同。因此，CMOS成像传感器124所输出的图像可能会 发生畸变。下文将参考图4和5详细描述输出图像的畸变。图4显示了沿成像区域124a的 垂直方向延伸并沿成像区域124a的水平方向向右移动的对象。图5显示了在像素中存储电荷的周期(电荷存储周期)与读取一行中所有像素所需的时间周期相同的情况下读取电荷得到的结果。在这种特定情形下，对象从CMOS成像传 感器124输出来自设置在第m行中的像素的模拟图像信号的时刻一直运动到CMOS成像传 感器124输出设置在第m+1行中的像素的模拟图像信号的时刻。因此，当输出第m行的电 荷时映射在第η列的对象图像移动到输出第m+1行的电荷时的第n+1列。因此，拍摄的矩 形对象在水平方向上发生畸变。由于对象图像的畸变，降低了对象图像在垂直方向上的对 比度值的可靠性。图6显示了在电荷存储周期与读取两行中所有像素所需的时间周期相同的情况 下的电荷读取结果。在这种情况下，电荷存储周期是图5所示的周期的两倍。由于当CMOS 成像传感器124在设置在第m-1和第m行中的像素中存储电荷时，对象移动，因此对象图像 在成像区域124a的水平方向上的长度变得大于图5所示的对象图像的长度。即，通过设置 在第m-1行第η列、第m-1行第n+1列、第m行第η列、以及第m行第n+1列中的像素输出 对象图像。当CMOS成像传感器124在设置在第m和第m+1行中的像素中存储电荷时，对象 进一步移动，于是对象图像来自于设置在第m-1行第η列、第m-1行第n+1列、第m行第η 列、以及第m行第n+1列中的像素。从当前扫描获得的对象图像与从前一扫描获得的对象 图像在第n+1行中重叠。扫描对应于输出一行电荷。因此，从图6所示的行中读取的电荷 之间的相关性强于图5所示的行中读取的电荷之间的相关性，从而在垂直方向上的对比度 值的可靠性不会变差。应注意的是，电荷存储周期不限于用于读取两行的周期，其可以任意 变化。参考图7描述当部分按下释放按钮112时所执行的AF过程。在步骤S701中，DSP 131确定数码相机100的当前拍摄模式是否为对象图像快速 移动时适用的拍摄模式。这种拍摄模式应当是运动模式或儿童模式。在数码相机100的当 前拍摄模式是这种拍摄模式的情况下，过程进行到步骤S702，否则过程进行到步骤S705。在步骤S702中，CMOS成像传感器124延长像素的电荷存储周期并输出模拟图像 信号。这时，一个时间周期的扫描行数是基于当前拍摄模式的。例如，运动模式具有三个扫 描行，儿童模式具有两个扫描行。即，运动模式的电荷存储周期与对应于三行的电荷读取周 期相同，儿童模式的电荷存储周期与对应于两行的电荷读取周期相同。在步骤S703中，确定电荷存储周期是否超过特定值。在电荷存储周期超过特定值 的情况下，过程继续到步骤S704，否则，过程进行到步骤S705。当数码相机100拍摄具有大 光量的对象时，电荷存储周期增加太多，在这种情况下会发生过度曝光。为了防止过度曝 光，电荷存储周期被限制到特定的最大值。在步骤S704中，DSP 131被配置为基于仅来自于横向AF区域124b的对比度值C 来确定照相镜头121是否对焦，而不考虑来自于纵向AF区域124c的对比度值C。在步骤S705中，DSP 131基于步骤S703中的判断使用基于长电荷存储周期的对 比度值C或者仅来自于横向AF区域124b的对比度值C来确定照相镜头121的对焦位置。 在步骤S706中，DSP 131将对焦光学系统移动到对焦位置。根据该实施例，照相镜头121以平稳方式将物体图像对焦到CMOS成像传感器124 上，而不发生由对象图像的移动导致的畸变。应注意的是，DSP 131不限于使用横向AF区域124b和纵向AF区域124c，作为替 代，可以使用设置在成像区域124a的任何位置的AF区域来确定对焦。
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CMOS成像传感器124的扫描方向不限于从上到下的方向。可以使用来自所有像素的图像信号来计算对比度值C。或者，可以基于通过照相区 域124a的一段得到的每个块的亮度“AN”、具有特定间隔的一组像素或块的亮度“AN”、或者 设置在照相区域124a的中心附近的多个像素的亮度“AN”来计算对比度值C。或者，在计算 设置在照相区域124a的中心附近的多个像素的亮度“AN”之后计算对比度值C。在步骤S702中，可以基于预览图像中的对象的运动确定一个扫描周期的扫描行 数。即，在预览图像的每一帧之间存在的差大于特定值的情况下，确定对象的运动是快速 的，并相应地延长电荷存储周期，但是在差小于特定值的情况下，确定对象的运动是缓慢 的，并相应地缩短电荷存储周期。成像传感器不限于CMOS成像传感器124，也可以是CXD成像传感器等等。对比度值C不限于通过亮度“AN”来计算，可以替换为通过G、R、B信号中的任意一 个来计算。此外，为横向AF区域124b中的每一行以及对纵向AF区域124c中的每一行计 算对比度值C，并通过对每一行的对比度值C求和来确定照相镜头121的对焦。虽然在此参考附图描述了本发明的实施例，但是显然本领域技术人员可在不脱离 本发明的范围的情况下进行多种修改和变化。
权利要求
一种成像器，包括成像传感器，其输出具有存储在一行像素中的电荷的图像信号；以及对焦检测器，其基于通过图像信号形成的一个图像帧的帧图像数据的对比度值来检测对象图像是否对焦到所述成像传感器上；所述成像传感器改变电荷存储周期，所述电荷存储周期是在像素中存储电荷的时间周期，在预期对象运动的拍摄状态下拍照的情况下，所述成像传感器延长电荷存储周期。
2.如权利要求1所述的成像器，其中所述成像传感器包括沿水平方向和垂直方向排列 的像素，在所述成像传感器的水平方向上读取一行的图像数据，以及所述对焦检测器基于水平方向上的对比度值但不基于垂直方向上的对比度值来检测 对象图像是否对焦到所述成像传感器上。
3.如权利要求2所述的成像器，其中在电荷存储周期大于预定值的情况下，所述对焦 检测器基于水平方向上的对比度值来检测对象图像是否对焦到所述成像传感器上。
4.如权利要求1所述的成像器，进一步包括用户根据对象选择的多个拍摄模式，其中 拍摄状态对应于预期对象运动的拍摄模式。
5.如权利要求1所述的成像器，进一步包括比较器，所述比较器计算所述成像传感器 输出的第一帧图像数据与所述成像传感器在输出第一帧图像数据之后紧接着输出的第二 帧图像数据之间的差，并确定该差是否大于第一阈值，其中存在于所述比较器中的拍摄状 态确定该差大于第一阈值。
6.如权利要求1所述的成像器，其中所述成像传感器使用滚动快门输出图像信号，所 述成像传感器通过所述滚动快门沿垂直方向读取每一行的电荷。
全文摘要
本发明提供了一种使用滚动快门拍摄图像的成像器。该成像器具有成像传感器和对焦检测器。成像传感器输出具有存储在一行像素中的电荷的图像信号。对焦检测器基于图像信号所形成的一个图像帧的帧图像数据的对比度值检测对象图像是否对焦到所述成像传感器上。成像传感器改变作为电荷在像素中的存储时间周期的电荷存储周期，在预期对象运动的拍摄状态下拍照的情况下，延长电荷存储周期。
文档编号H04N5/225GK101931744SQ20101020524
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月13日 优先权日2009年6月17日
发明者山元康裕 申请人:Hoya株式会社