(57)【要約】【課題】  より改良されたデジタルカメラにおけるオートフォーカスの実施が要求される。【解決手段】  カメラ（１００）は、光パルスを第１のレートで送るように構成された光トランスミッタ（２０４）と、該光トランスミッタによって送られた前記光パルスに対応するリターン信号を受け取るように構成された光レシーバ（２０５）と、該光レシーバが受け取った前記リターン信号に対応する電気信号をサンプリングするように構成されたサンプラ（２０７）であって、前記電気信号を前記第１のレートよりも低い第２のレートでサンプリングするように構成されたサンプラとを備える。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カメラによりオートフォーカスを実施する方法であって、
光パルスを第１のレートで送ることと、
前記送られた光パルスに対応するリターン信号を受け取ることと、
前記リターン信号に対応する電気信号を、前記第１のレートよりも低い第２のレートでサンプリングすることと
を含む、カメラによりオートフォーカスを実施する方法。
【請求項２】
前記サンプリングされた電気信号をデジタル化することと、
前記デジタル化された電気信号に応答してフォーカス距離を決定することと、
前記決定されたフォーカス距離に応答してカメラレンズのピントを合わせることと
をさらに含む、請求項１記載のカメラによりオートフォーカスを実施する方法。
【請求項３】
カメラであって、
光パルスを第１のレートで送るように構成された光トランスミッタと、
該光トランスミッタによって送られた前記光パルスに対応するリターン信号を受け取るように構成された光レシーバと、
該光レシーバが受け取った前記リターン信号に対応する電気信号をサンプリングするように構成されたサンプラであって、前記電気信号を前記第１のレートよりも低い第２のレートでサンプリングするように構成されたサンプラと
を備えるカメラ。
【請求項４】
前記光パルスおよび前記対応するリターン信号は赤外線光を含む、請求項３記載のカメラ。
【請求項５】
前記サンプリングされた電気信号をデジタル化するように構成されたアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器と、
前記デジタル化された電気信号に応答してフォーカス距離を決定するように構成されたプロセッサと
をさらに備える請求項３記載のカメラ。
【請求項６】
前記プロセッサは、カメラレンズを、前記決定されたフォーカス距離に応答するフォーカス位置に配置できるように構成された、請求項５記載のカメラ。
【請求項７】
前記光トランスミッタは、該光トランスミッタがパルス発生器から受け取った電気パルスに応答し、該電気パルスは、前記パルス発生器により前記第１のレートで出力される、請求項３記載のカメラ。
【請求項８】
前記光トランスミッタは発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える、請求項７記載のカメラ。
【請求項９】
前記サンプラは、該サンプラがパルス発生器から受け取った電気パルスに応答し、該電気パルスは、前記パルス発生器により前記第２のレートで出力される、請求項５記載のカメラ。
【請求項１０】
前記光レシーバは、前記リターン信号を前記電気信号に変換するように構成されたフォトダイオードを備える、請求項５記載のカメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パルスを使用した、デジタルカメラにおけるオートフォーカスの実施に関する。
【背景技術】
【０００２】
オートフォーカスをデジタルカメラにおいて実施するいくつかの異なる手法がある。比較的簡易かつ安価な手法によれば、ユーザがシャッタボタンを半押しすると、カメラは、フォーカスレンジを通してレンズを移動させながら連続した露出を採用する。センサ中央のオートフォーカス領域が読み出され、フォーカス測度（focus metric）（被写体にピントが合っている程度を識別する値）が生成される。次いで、カメラ内のロジックが、カメラレンズの最良フォーカス位置に対応するフォーカス測度を識別する。しかし、この技法は、レンズを複数の可能なフォーカス位置を通して進ませなければならないため低速である。したがって、シャッタボタンを押してから写真が撮影されるまでに、比較的長い遅延期間（たとえば、約１秒）がある。
【０００３】
オートフォーカスをカメラにおいて実施する別の手法には、感光素子アレイに加えて、プリズムまたはビームスプリッタ等の光学素子を備えたオートフォーカスモジュールを使用することが含まれる。この手法には、光学素子からの入力に基づいて望ましいフォーカス距離が素早く測定されるという利点がある。したがって、カメラレンズの移動は一度だけでよく、望ましいフォーカス位置に直接移動する。しかし、このような手法では、比較的高価な光学部品が必要である。
【０００４】
さらに別の手法では、超音波パルスを使用してフォーカス距離が求められる。たとえば、Ｐｏｌａｒｏｉｄは、超音波パルスを発し、対応するリターン信号の遅延を測定するモジュールを開発した。しかし、この手法の欠点は、必要なハードウェアが比較的嵩張り、高価であることである。
【０００５】
使用され得るさらなる手法には、光パルスを使用してフォーカス距離を求めることが含まれる。たとえば、測量機器が赤外線レーザを発し、フォトダイオード検出器を介して対応する反射を受け取り、次いで、受け取った反射に基づいて目標被写体までの距離を求める。レーザを使用することにより、長い距離を高精度で測定することが可能になる。しかし、この手法では、目標被写体から狭ビームを受け取る必要があり、写真の場合に必要になり得る広ビーム・多重リターン経路状況では効率的ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記に鑑み、より改良されたデジタルカメラにおけるオートフォーカスの実施が要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
カメラおよび関連する方法が開示される。カメラによりオートフォーカスを実施する方法の一実施形態は、光パルスを第１のレートで送ること、送られた光パルスに対応するリターン信号を受け取ること、リターン信号に対応する電気信号を、第１のレートよりも低い第２のレートでサンプリングすること、とを含む。
【０００８】
メモリシステムおよび関連する方法は、例として示され、添付図面に示す実施形態によって限定されない。図面中の部品は、必ずしも一定の縮尺である訳ではない。同様の参照符号が、いくつかの図を通して対応する部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
オートフォーカスを実施する方法の一実施形態は、光パルスを所定の出力レートで送り、対応する反射を受け取ることを含む。次いで、これら反射は、出力レートよりも低いサンプリングレートでサンプリングされる。次いで、サンプリング信号はデジタル化され、解析されて、望ましいフォーカス距離が求められる。
【００１０】
この方法は、たとえば、ＩＲ光パルスを発するように構成された赤外線（ＩＲ）発光ダイオード（ＬＥＤ）、およびパルスに対応する反射を受け取るように構成されたフォトダイオードを備えるカメラによって実施することができる。ＬＥＤは高いレートで、たとえば約１〜１０ＭＨｚでパルス化される。後述するように、各ＩＲパルスの持続時間を短く（たとえば、１〜１０ｎｓ）することができ、それによって高精度が実現する。
【００１１】
エミッタおよび検出器の視野内の単一の被写体からのリターン信号は、ＩＲパルスが被写体に到達し、それからフォトダイオードに戻るまでに要した移動時間だけ遅延したパルスである。たとえば、被写体がエミッタおよび検出器から１０フィート（約３ｍ）離れている場合、この移動時間は約２０ｎｓである。
【００１２】
エミッタおよび検出器の視野内にいくつかの被写体がある場合、異なる距離からのいくつかのリターン信号が存在し得る。複数のリターン信号を含む複合信号は、「ビデオの様な(video-like)」外観を有し得る（たとえば、図３に示すような）。次いで、このビデオ様信号はデジタル化されて解析され、望ましいフォーカス距離が特定される。
【００１３】
殆どの場合、望ましいフォーカス距離は、有意な信号強度がある最も近い被写体に対応する。フォーカス距離を見つけるアルゴリズムの一例は、複合リターン信号のしきい値レベルを設定し、次いで、しきい値を上回る信号レベルを識別し、この信号レベルが最速リターン時間に対応する。
【００１４】
非常に高速でのＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換および複合リターン信号の記憶が必要とされるため、直接Ａ／Ｄ変換は実際的ではない。しかし、パルスを非常に高いレートで繰り返すことにより、複合リターン信号は、多くのパルスサイクルにわたって連続してサンプリングされ、次いでＡ／Ｄ変換器によってデジタル化される。この手法の一利点は、比較的低速のＡ／Ｄ変換器を使用して、より高速でより高価な変換器を必要とすることなく複合リターン信号を正確にデジタル化することができることである。以下、これらおよび他の実施形態について添付図面を参照しながらより詳細に考察する。
【００１５】
図１は、デジタルカメラ１００の構成要素の一例を示すブロック図である。デジタルカメラ１００は、画像を取り込むフォトセンサ１０２、画像を処理するデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１１２、画像を表示する表示画面１０７、ファームウェアおよび／または取り込まれた画像を記憶するメモリ１０８、メモリ１０８に記憶されているファームウェアを実行するプロセッサ１２０、ユーザ入力を受け取るユーザ入力（ＵＩ）制御機構１０１、および画像データを別の装置（たとえば、テレビジョンまたはコンピュータ）に出力するための１つまたは複数の通信ポート１２２を備える。
【００１６】
フォトセンサ１０２としては、たとえば、電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）を挙げることができる。ＵＩ制御機構１０１としては、物理的な制御機構、たとえばユーザ入力を受け取るボタン、ロッカスイッチ、および／またはキーパッド等を挙げることができる。別法として、表示画面１０７はタッチセンシティブであることができ、したがって、ユーザ入力を受け取る仮想制御機構を表示することができる。
【００１７】
メモリ１０８としては、揮発性および不揮発性のメモリ構成要素の組み合わせを挙げることができ、グラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）アプリケーションおよびオートフォーカスアプリケーション（図示せず）を記憶する。これらアプリケーションはプロセッサ１２０によって実行することができ、プロセッサ１２０は、プログラムコードを実行するように構成された汎用または注文製のプロセッサであることができる。
【００１８】
プロセッサ１２０は、光トランシーバ１１１が発した光パルスの、受け取った反射に応答して、カメラレンズ１２６のピントを合わせることができるようにプログラムされる。カメラレンズ１２６は、プロセッサ１２０に応答するレンズモータ１２８を介してピントを合わせることができる。
【００１９】
各通信ポート１２２としては、たとえば、シリアルポート、パラレルポート、小型コンピュータシステムインタフェース（ＳＣＳＩ）、赤外線（ＩＲ）インタフェース、ワイヤレス無線周波（ＲＦ）インタフェース、またはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）インタフェースを挙げることができる。通信ポート１２２は、たとえば、カメラ１００をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）またはテレビジョンに結合することができるように構成することができる。
【００２０】
デジタルカメラ１００の上述の構成要素は、ローカルインタフェース１３０を介して通信可能に結合することができ、ローカルインタフェース１３０としては、たとえば、１つまたは複数のバス、あるいは他の有線接続または無線接続を挙げることができる。ローカルインタフェース１３０は、デジタルカメラ１００の構成要素間でのデータ転送および通信を可能にする、簡単のために省略されている追加要素、たとえば、コントローラ、バッファ、ドライバ、リピータ、および／または受信器等を備え得る。
【００２１】
図２は、図１に示す光トランシーバ１１１等の光トランシーバの一実施形態のブロック図である。光トランシーバ１１１は、パルス発生器２０１、パルスドライバ２０３、光トランスミッタ２０４、光検出器２０５、増幅器２０６、サンプラ２０７、およびＡ／Ｄ変換器２０９を備える。パルス発生器２０１は、出力パルス２０２およびサンプリングパルス２０８を生成する。サンプリングパルス２０８は、出力パルス２０２よりも低い周波数を有する。別法として、２つの別個のパルス発生器を使用して、出力パルス２０２およびサンプリングパルス２０８をそれぞれ生成することも可能であることに留意されたい。
【００２２】
パルスドライバ２０３は、出力パルス２０２を使用して、増幅パルス２１０を介して光トランスミッタ２０４を駆動する。光トランスミッタ２０４（たとえば、赤外線発光ダイオード）は、出力パルス２０２と同じ周波数を有する光パルス２２０を発する。光検出器２０５（たとえば、フォトダイオード）は、光パルス２２０に対応する反射２２１を検出し、対応する反射信号２１１を増幅器２０６に提供する。
【００２３】
光検出器２０５は、広範囲の周波数を検出するように構成することができるが、光トランスミッタ２０４は、狭い波長のパルスを発するように構成することができる。したがって、環境内のＩＲソースからの干渉を制限するために、光トランシーバ１１１は、光をフィルタリングする狭帯域バンドパスフィルタ（図示せず）を備えることができる。このようなバンドパスフィルタは、パルス反射２２１に対応する波長を有する光波を光検出器２０５に通過させ、他の波長を有する光波を拒絶させる。
【００２４】
増幅器２０６は、光検出器２０５から受け取った反射信号２１１を増幅し、増幅反射信号２１２をサンプラ２０７に供給する。サンプラ２０７は、増幅器２０６から受け取った増幅反射信号２１２を、サンプリングパルス２０８に対応するサンプリングレートでサンプリングする。サンプラ２０７は、サンプリング信号２１３をＡ／Ｄ変換器２０９に供給し、Ａ／Ｄ変換器２０９は、サンプリング信号２１３を対応するデジタル信号２１４に変換する。次いで、デジタル信号２１４を解析して、カメラレンズの望ましいフォーカス距離を決定することができ、これについてさらに後述する。
【００２５】
オートフォーカスシステムの視野は、ＩＲビームの幅およびＩＲビームを検出するように構成された光検出器２０５の検出範囲に依存する。一実施形態では、所定のＩＲビーム幅を有する単一のＩＲ光トランスミッタ２０４が使用されて、カメラ視野の中心にあるオートフォーカスゾーンをカバーする。
【００２６】
他の実施形態は、等幅または可変幅を有する各ＩＲビームを発するように構成された複数のＩＲ光トランスミッタ２０４を備えることができる。たとえば、ズームレンズが「望遠」モードにある場合、より集束したＩＲビームを使用して光をより遠くまで送り、より狭い視野を対象とすることができる。さらに、狭いビーム幅を有するＩＲビームを発するように構成されたＩＲ送信器２０４のアレイを使用して、「可動」フォーカスゾーン（たとえば、各フォーカスゾーンが左中央、中央部の真ん中、右上等、シーンの特定のエリアをカバーするように構成された）を可能にすることができる。さらに別の実施形態によれば、より狭いＩＲビームを使用して長距離被写体のオートフォーカス精度を高めることができ、より広いＩＲビームを使用してより近い被写体にピントを合わせられるようにする。
【００２７】
図３は、オートフォーカスを実施するために光トランシーバ１１１によって使用される信号を示す図である。増幅反射信号２１２は、一連の略同一波形３１０Ａ〜３１０Ｆを含む。サンプリングパルス２０８が使用されて、増幅反射信号２１２がサンプリングされる。サンプリング信号２１３は、増幅反射信号２１２をサンプリングしたものである。
【００２８】
サンプリングパルス２０８は、増幅パルス２１０に対応する期間Ｔ１よりもわずかに長い期間Ｔ２を有する。したがって、各波形３１０Ａ〜３１０Ｆは、前の波形のサンプリング位置よりも時間的に離れた位置でサンプリングされる。たとえば、波形３１０Ｆに対するサンプリングポイント３０６の位置は、波形３１０Ｅに対するサンプリングポイント３０５の位置よりも、期間Ｔ２から期間Ｔ１を差し引いた分に等しい時間増分だけ先にある。
【００２９】
一例として、光パルス２２０は１０ＭＨｚ（すなわち、Ｔ１＝１００ｎｓ）のレートでパルス化され、パルス幅１ｎｓを有するものと仮定する。この場合、増幅反射信号２１２はサンプリング時間幅(sample window)１ｎｓでサンプリングされ、サンプリング信号２１３は、毎秒１０，０００，０００個のサンプルを変換することが可能なＡ／Ｄ変換器２０９に提供される。この例では、各波形３１０に１００個のサンプル位置があり、各サンプルウィンドウは１ｎｓ幅である。
【００３０】
この例を続けて、サンプリングパルス２０８がレート９．９ＭＨｚ（すなわち、Ｔ２＝１０１ｎｓ）を有するものと仮定する。したがって、取り込まれて変換される各サンプルは、前のサンプルよりも１ｎｓ遅れることになる。したがって、全体波形３１０に相当するものをデジタル化するためには、１００個の連続した波形３１０が１０マイクロ秒にわたってサンプリングされる。この例において被写体に関して計算される距離は、離れた距離が５０フィート（１５．２４ｍ）未満の被写体の場合には約６インチ（１５．２４ｃｍ）の精度を有する。
【００３１】
よりローバストで正確な変換を提供するには、より多くのサンプルをより長い時間期間にわたってとることができる。たとえば、サンプリングパルス２０８がレート９．９９ＭＨｚを有する場合、１０００個のサンプルをとって、波形３１０を時間期間１００マイクロ秒にわたってデジタル化することができる。別の例としては、サンプリングパルス２０８がレート９．９９９ＭＨｚを有する場合、１０，０００個のサンプルをとって、波形３１０を時間期間１ミリ秒にわたってデジタル化することができる。高いレートでサンプリングするほどノイズおよびスプリアス信号の影響は低く、より正確なフォーカス距離決定が可能である。
【００３２】
図４は、サンプリング信号２１３を示すグラフ４００を示す。グラフ４００は、電圧軸４０１および時間軸４０２を含む。しきい値４０３が、カメラレンズ１２６のピントを合わせる予想目標被写体に対応する伝搬時間の決定を可能にするレベルに設定される。
【００３３】
フォーカス距離を決定する一手法では、しきい値４０３を上回る最初のサンプリングレベルに対応する距離が決定される。この手法に続き、サンプリングレベル３２３が、しきい値４０３を上回る最初の信号レベルとして決定される。したがって、サンプリングレベル３２３に対応する伝搬時間(time of flight)４０４を使用して、フォーカス距離を計算することができる。たとえば、フォーカス距離は、カメラ１００とサンプリングレベル３２３に対応する被写体の間の距離に等しく設定することができる。このような距離は、以下のように計算することができる。
【００３４】
ｄ＝ｔ＊Ｃ／２    ［式１］
【００３５】
式中、ｄはカメラ１００と目標被写体の間の距離であり、ｔは対応する伝搬時間４０４であり、ｃは光の速さである。換言すれば、カメラ１００と目標被写体の間の距離は、カメラ１００によって送られ、目標被写体で反射して再びカメラ１００に戻ってきた光パルスの移動距離の半分に等しい。
【００３６】
フォーカス距離を決定する他の手法としては、たとえば、１つまたは複数のしきい値を上回る複数のサンプリングレベルを考慮に入れる手法、または最高サンプリングレベルに対応して、または２つの最高サンプリングレベル間の位置に対応してフォーカス距離を設定する手法を挙げることができる。
【００３７】
しきい値４０３は経時にわたり一定であると示されるが、別法として、所望の目標被写体までの距離をよりよく決定するために、経時にわたって可変であってもよい（たとえば、傾斜が付いてもよい）ことに留意されたい。たとえば、ユーザが変更したカメラ設定により、目標被写体がカメラに対して比較的近くにある可能性が高いことが示される場合、上向きに傾斜の付いたしきい値４０３を使用することが可能である。逆に、ユーザが変更したカメラ設定により、目標被写体がカメラから比較的遠くにある可能性が高いことが示される場合、下向きに傾斜の付いたしきい値４０３を使用することが可能である。
【００３８】
図５は、デジタルカメラ１００（図１）においてオートフォーカスを実施する方法５００を示すフローチャートである。ステップ５０１に示すように、光パルスが所定の出力レートで送られる。光パルスは、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）を介して送ることができる。ステップ５０２に示すように、送られた光パルスの反射に対応するリターン信号が受け取られる。リターン信号は、たとえば、フォトダイオードを介して検出することができる。
【００３９】
次いで、リターン信号は、ステップ５０３に示すように、出力レート（光パルスがステップ５０１において送られた）よりも低いサンプリングレートでサンプリングされる。このより低いレートでリターン信号をサンプリングすることにより、リターン信号内の繰り返し波形をデジタル化したものを再構築することが可能になる。次いで、ステップ５０４に示すように、サンプリング信号はデジタル化される。
【００４０】
ステップ５０５に示すように、デジタル化信号は解析されて、望ましいフォーカス距離が決定される。たとえば、一手法は、フォーカス距離を、サンプリング信号レベルが所定のしきい値を上回る最も近い被写体に対応するように設定することであることができる。次いで、ステップ５０６に示すように、決定されたフォーカス距離に基づいて、カメラレンズのピントが合わせられる。
【００４１】
図６は、図２に示す光トランシーバ１１１によって実施される方法１１１−１を示すフローチャートである。ステップ６０１に示すように、第１の周波数を有する出力パルス２０２（図２）が生成される。ステップ６０２に示すように、出力パルス２０２は増幅されて、増幅パルス２１０（図２）が生成される。ステップ６０３に示すように、出力パルス２０２と同じ周波数を有する光パルス２２０（図２）が発せられる。光パルス２２０は、たとえば、発光ダイオード（ＬＥＤ）を介して発せられる赤外線（ＩＲ）光であることができる。
【００４２】
ステップ６０４に示すように、光パルス２２０に対応する反射２２１（図２）が検出され、対応する反射信号２１１（図２）が生成される。反射２２１は、たとえば、フォトダイオードを介して検出することができる。ステップ６０５に示すように、反射信号２１１は増幅される。ステップ６０６に示すように、第１の周波数よりも低い（すなわち、出力パルス２０２の周波数よりも低い）第２の周波数を有するサンプリングパルス２０８（図２）が生成される。サンプリングパルス２０８および出力パルス２０２は、同じパルス発生器２０１（図２）によって生成されてもよく、または各パルス発生器によって生成されてもよい。
【００４３】
ステップ６０７に示すように、増幅反射信号２１２（図２）は、サンプリングパルス２０８の周波数に対応するサンプリングレートでサンプリングされて、サンプリング信号２１３（図２）が生成される。ステップ６０８に示すように、サンプリング信号２１３は、対応するデジタル信号２１４（図２）に変換される。次に、デジタルカメラ１００（図１）がこのデジタル信号２１４を使用して、カメラレンズ１２６（図１）のフォーカス距離を決定することができる。
【００４４】
上述した実施形態は可能な実施形態の例であることを重要視されたい。上述した実施形態に対して他の変形および変更を行うことが可能である。本明細書では、このような変更および変形はすべて、本開示の範囲内に包含されることを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】デジタルカメラの構成要素の一例を示すブロック図である。
【図２】図１に示すデジタルカメラに含まれる光トランシーバの一実施形態を示すブロック図である。
【図３】オートフォーカスを実施する、図２に示す光トランシーバにおける代表的な信号を示す図である。
【図４】図３に示すサンプリング信号をどのように使用して、フォーカス距離を決定することができるかを表すグラフを示す。
【図５】図１に示すデジタルカメラ等のデジタルカメラにおいてオートフォーカスを実施する方法を示すフローチャートである。
【図６】図２に示す光トランシーバによって実施される方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４６】
１００  カメラ
１０２  フォトセンサ
１０７  ディスプレイ
１０８  内部メモリ
１１１  光トランシーバ
１２０  プロセッサ
１２２  通信ポート
１２６  カメラレンズ
１２８  レンズモータ
２０１  パルス発生器
２０４  光トランスミッタ
２０５  光検出器（光レシーバ）
２０７  サンプラ
２０９  アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
【図１】
2006079074.tif 000003
【図２】
2006079074.tif 000004
【図３】
2006079074.tif 000005
【図４】
2006079074.tif 000006
【図５】
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【図６】
2006079074.tif 000008