CN101010625A

CN101010625A - 高速自动聚焦系统、成像装置及其方法

Info

Publication number: CN101010625A
Application number: CNA2005800287231A
Authority: CN
Inventors: 赵京一; 金泰县; 金东佑; 徐清洙
Original assignee: Angstrom Inc; Stereo Display Inc
Current assignee: Angstrom Inc; Stereo Display Inc
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2007-08-01
Also published as: EP1779193A2; EP1779193A4; NO20071024L; JP2008507727A; CA2574736A1; WO2006019570A3; WO2006019570A2; EA200700349A1; TW200608121A; US7215882B2; US20060018651A1

Abstract

本发明公开了一种自动聚焦系统、成像装置及其方法，所述自动聚焦系统包括：至少一个微镜阵列透镜、影像传感器、及信号处理器。该微镜阵列透镜使物体成像，且将影像聚焦在影像传感器上。该影像传感器接收光线且将该光线的光能转变为电信号形式的电能。该影像传感器传送该电信号至信号处理器，该电信号带有关于物体的影像资料。该信号处理器接收该电信号，比较该影像资料的影像品质与其聚焦标准，并产生传送至该微镜阵列透镜的控制信号，以调整微镜阵列透镜的焦距。这个重复的程序一直持续到影像资料的品质符合聚焦标准，且该程序在人类肉眼的后像速度以内完成。

Description

高速自动聚焦系统、成像装置及其方法

技术领域

本发明大体上涉及一种自动聚焦系统，且更具体地说，涉及一种高速自动聚焦系统，其包括至少一个微镜阵列透镜。

背景技术

许多传统成像装置(如，照相机、摄录像机、及其它替代物)皆使用自动聚焦系统，以轻易地捕捉较鲜明的影像。传统的自动聚焦透镜系统包括一系列的透镜、透镜移动机构、影像传感器及信号处理器。当成像装置和/或成像物体突然移动时，该成像装置会失去影像的焦点，因为传统自动聚焦系统的聚焦速度很慢。因此，该成像装置会得到模糊的影像。

大部分的传统自动聚焦成像装置使用电磁驱动马达和/或压电致动装置，来使至一个或多个透镜为了聚焦而移动。然而，传统自动聚焦系统的响应速度太慢了，因为并入成像装置中的传统折射透镜及传统透镜移动机构具有相当的惯性。对电磁马达而言，响应速度会受限于磁感应。可行快速自动聚焦的成像装置迄今尚未问世。

因此，存有对改良的自动聚焦系统的实际需求，其可在短暂的时间内捕捉到清晰的影像。这样的系统必须易于制造，且可调适为可以与现有的成像装置一起使用。

发明内容

本发明针对一种高速自动聚焦透镜系统，能够捕捉高速移动物体的清晰影像，和/或在成像装置处于移动和/或振动状态时，亦能够捕捉清晰影像。本发明的自动聚焦系统包括：至少一个微镜阵列透镜、影像传感器、及信号处理器。该微镜阵列透镜包括由多个致动零件所控制的多个微镜。这些致动零件可将这些微镜缩进和/或提升至一长度，或可将由物体散射的光的光径缩短，以移除影像的相位像差。

根据本发明，该微镜阵列透镜可通过反射由物体散射的光线，而将物体成像在影像传感器。该影像传感器接收光线，并以电信号的形式将光能转变为电能。影像传感器将电信号传送至信号处理器，该电信号带有与物体相关的影像资料。信号处理器接收该电信号，将该影像资料的影像品质与其聚焦标准比较，并产生控制信号，这会传送至该微镜阵列透镜的致动零件，以调整该微镜阵列透镜的焦距。这个反复的程序会一直持续，直至影像资料的品质符合聚焦标准，并且整个反复程序会在人类肉眼的后像速度以内完成。

本发明的主动自动聚焦系统包括距离测量装置。该距离测量装置将能量束射向一物体，并侦测由该物体所反射的能量，来确定正确的聚焦距离。一旦确定了聚焦距离，信号处理器就会应用透镜方程式(Lens Formula)来计算该系统的有效焦距。接着，信号处理器产生控制信号，并将该控制信号传送至该微镜阵列透镜，来因此而调整其焦距。

当用在成像装置的成像系统及变焦系统时，本发明的自动聚焦系统还包括微镜阵列透镜与多个传统透镜的结合体，或不含传统透镜的微镜阵列透镜。

本发明的自动聚焦系统可提供实时自动聚焦，因为该微镜阵列透镜的焦距改变速度约为10KHz。当用在成像装置的成像系统和/或变焦系统时，本发明的自动聚焦系统包括微镜阵列透镜与一个或多个传统折射透镜的结合体。

本发明的自动聚焦系统通过将该微镜阵列透镜应用到聚焦元件，而消除了对传统聚焦系统的透镜移动机构的需求。因为本发明具有较少数量的零件，且无肉眼可见的移动零件，因此本发明可以降低自动聚焦系统的实体尺寸、重量、及制造成本。本发明亦可促进自动聚焦系统的耐用性及使用寿命。

总而言之，本发明所提供而相比于现有技术的自动聚焦系统而言的优点如下：

1.可实时捕捉清晰的影像；

2.这样的系统成本低廉且易于制造；

3.无肉眼可见的透镜移动，从而可增加整个系统的可靠性；及

4.通过加入一个或多个微镜阵列透镜，即可轻易地建构一高速改变的变焦系统，而无须使用肉眼可见的移动元件。

附图说明

通过参考下面的结合附图的详细描述，将更加了解本发明的这些及其它的特征、观点及优点，附图中：

图1是具有根据本发明的自动聚焦透镜系统的成像装置的示意图；

图2是包括在图1的自动聚焦透镜系统内的微镜阵列透镜的顶视图；

图3(a)及3(b)是示出一微镜阵列透镜取代传统凹面镜的方式的示意侧视图；

图4是图1的自动聚焦透镜系统的分解示意侧视图；

图5是示出透镜方程式的示意图；

图6是根据本发明的自动聚焦透镜系统的可替换实施例的示意图；

图7是根据本发明的自动聚焦透镜系统的另一实施例的示意图；以及

图8是具有根据本发明的主动自动聚焦透镜系统的成像装置的示意图。

具体实施方式

在本发明的具体优选实施例中，提供了一种用于现有数字和/或模拟成像装置的自动聚焦系统。该自动聚焦系统包括至少一个微镜阵列透镜，其与影像传感器及信号处理器结合。该自动聚焦系统提供了高速自动聚焦，以补偿因目标物体和/或成像装置的突然移动所造成的散焦。

图1示出了成像装置10，其包括根据本发明的自动聚焦系统20。该自动聚焦透镜系统20包括透镜30、微镜阵列透镜40、影像传感器50、以及信号处理器60。

透镜30优选为具有固定焦距的传统折射透镜。该透镜可由任何适用的构造制成，且可由玻璃、塑料或任何其它适用的材料制成。该透镜使物体12成像，并优选地定位为垂直于由该物体所散射的光的光径14，以使光线通过微镜阵列透镜40。

微镜阵列透镜40是可变焦距透镜。这样的微镜阵列透镜的提出可参见James G. Boyd IV及Gyoungil Cho的论文，标题“快速响应可变聚焦微镜阵列透镜(Fast-response Variable FocusingMicromirror Array Lens)”，Proc.SPIE，Vol.5055，第278至286页(2003)，且该微镜阵列透镜的改良公布于美国专利申请第10/806,299号(申请日2004/03/23)，第10/855,554号(申请日2004/03/27)，第10/855,715号(申请日2004/03/27)，第10/855,287号(申请日2004/03/27)，第10/857,796号(申请日2004/03/28)，以及第10/857,280号(申请日2004/03/28)，这些文献的全部内容以引用的方式并入本文中。

如图2所示，微镜阵列透镜40包括多个微镜42，这些透镜以同心地配置于一平面中，以形成一个或多个同心圆。优选地，这些微镜可通过致动零件以静电方式和/或电磁方式个别控制，这些致动零件可使这些微镜旋转及平移。每个微镜均包括优选地由金属制成的反射面。目前优选地，这些微镜的反射面包括一轻度曲率，且每个微镜的形状是扇形，以增加微镜阵列透镜的有效反射面积。这增加了透镜的光学有效性。

在另一实施例中，微镜42的反射面可以是平坦的。

支持微镜42及使微镜旋转和平移的致动零件的机械结构设置于微镜下方，以使这些微镜定位为彼此靠近。这亦可增加微镜阵列透镜的有效反射面积。因为这些微镜的质量很小，而仍会产生很小的惯性力矩，其位置及位向可以约10KHz的频率改变。因此，该微镜阵列透镜变成高速可变聚焦透镜，其具有约10KHz的聚焦响应速度。

图3(a)及图3(b)示出了微镜阵列透镜40与传统凹面镜24之间的相似处。众所周知，凹面镜的作用与具有固定焦距的凸面反射透镜相同。然而，如图3(b)所示，微镜阵列透镜40包括多个微镜42，且不同于传统的凹面镜，微镜阵列透镜可以通过控制微镜42的旋转和/或平移运动来改变其焦距。该微镜阵列透镜是反射富斯聂(Fresnel)透镜。

图3(b)示出了微镜阵列透镜40获得影像的方式。因此，通过控制微镜42的位置，任意散射的光线44聚在影像面上的一点F。位意光线44的相位可通过平移每一个微镜42而调整为相同。这些微镜所需的平移位移范围至少为光波的一半。

微镜阵列透镜40的焦距F可通过控制各微镜42的旋转和/或平移运动而改变。因为这些微镜可以具有旋转及平移运动，所以该微镜阵列透镜可以是空间光调制器(SLM)。因此，通过独立控制各微镜，该透镜即可校正像差，该像差因物体与其影像间的媒介所导致的光学效应造成，或因透镜系统的缺陷而造成，该缺陷会使其影像不遵守近轴影像原理。这些微镜会缩进或提升至一长度，或缩短由该影像散射的光的光径，以消除该影像的相位像差。

如上所述，期望各微镜42具有一曲率，因为传统反射透镜的理想形状亦具有一曲率。然而，因为如果微镜的尺寸够小，则具有平坦微镜的微镜阵列透镜的像差与具有曲率的传统透镜的相异不大，则无须控制微镜的曲率。

回顾图1，该影像传感器可以是耦合电荷装置(CCD)、CMOS影像传感器、或任何其它适用的替代物。在其它实施例中，影像传感器可以包括一个或多个光侦测器。该影像传感器将由物体散射的光能以电信号55的形式转变为电能。该电信号带有与该物体相关的影像资料。该影像传感器将所产生的信号传送至信号处理器60，以进行处理。

信号处理器60优选为中央处理器(CPU)，其包括在成像装置10内或可与该成像装置10分开。该信号处理器60使用一算法来分析影像资料的鲜明度及对比度。根据本发明可使用各种信号处理算法，包括(但不限于)使用鲜明度标准的方法。该信号处理器将影像资料的影像品质与其聚焦标准比较，并产生控制信号65。该控制信号传送至微镜阵列透镜40，以调整物体影像的焦距。

图1示出了根据本发明的自动聚焦系统的操作。首先，由物体12所散射的光线会由透镜30折射，且由微镜阵列透镜40折射至影像传感器50。经微镜阵列透镜折射的光线由影像传感器50接收，并转变为电信号55，该电信号带有物体的影像资料。该电信号接着传送至信号处理器60，其中对影像资料进行分析并与相机聚焦标准比较。基于所比较的影像资料，如下文更详细所述，该信号处理器产生一控制信号65。该控制信号传送至微镜阵列透镜，以调整该微镜阵列透镜的焦距。

如图4所示，微镜阵列透镜40的焦距会影响影像传感器50所接收的影像品质。例如，如果微镜阵列透镜的焦距会造成折射光聚焦于影像传感器50前方的一点A，则该影像传感器将产生带有“模糊”影像资料的电信号55。因此，信号处理器将处理该“模糊”信号，并传送一控制信号65至微镜阵列透镜，使得微镜42的位置调整为加长该微镜阵列透镜的焦距。

同样地，如果微镜阵列透镜的焦距造成折射光聚焦于影像传感器50后方的一点C，则该影像传感器将同样产生带有“模糊”影像资料的电信号55。因此，信号处理器将处理该“模糊”信号，并传送一控制信号65至微镜阵列透镜，使得微镜42的配置调整为缩短该微镜阵列透镜的焦距。

依此考量，该微镜阵列透镜的焦距可一直以重复的程序调整，直至折射光聚焦在影像传感器上的一点B，而产生了一个“鲜明”的影像，满足了相机的聚焦标准。该重复程序优选地在人类肉眼的后像速度以内完成。因此，信号处理器具有的速度必须相等或大于重复调整次数与人类肉眼后像速度的乘积。例如，如果微镜阵列透镜调整在5次重复程序中符合聚焦标准，则该信号处理器必须具有至少150Hz的处理时间(5次重复程序×30Hz的后像速度)。

通常，自动聚焦系统的响应不为信号处理器的速度所限，但会为聚焦机构的速度所限制。在传统的自动聚焦系统中，控制信号会传送至马达和/或压电致动器，以控制透镜或透镜系统的位置。因此，传统自动聚焦系统的响应时间，是影像处理时间与控制该透镜位置所需时间的函数。

然而，在本发明中，微镜阵列透镜的焦距改变速度约为10KHz。因此，本发明的自动聚焦时间几乎是影像处理时间的函数，因为微镜阵列透镜的焦距改变速度远远快于影像处理速度。因此，本发明的自动聚焦时间会较传统的自动聚焦系统改良。

根据本发明的自动聚焦系统可用在现有的模拟及数字相机内，包括用在移动电话及个人数字助理(PDA)中的小型相机、摄录像机、转播摄影机、电影摄影机及其它替代物。这样的系统亦可用在现有成像装置的变焦系统中。

本发明的另一区别特征在图5中示出。从透镜210至物体200及至影像传感器220的距离之间的数学关系以透镜方程的通用高斯方程式表达：

\frac{1}{l_{o}} + \frac{1}{l_{i}} = \frac{1}{f}

其中，l_o是透镜与物体之间的距离，l_i是透镜与影像传感器之间的距离，而f是自动聚焦透镜系统的有效焦距。

在传统的自动聚焦系统中，透镜的焦距f是固定的，而透镜与影像传感器之间的距离l_i是可调整的，因为透镜与物体之间的距离l_o是可变的。因来回移动透镜而产生的额外移动和振动使得几乎无法立即获得鲜明的影像。

然而，在本发明自动聚焦系统中，透镜与影像传感器之间的距离l_i是固定的，而自动聚焦系统的有效焦距f是可调整的，因为透镜与物体之间的距离l_o是可变的。因此，应用于本发明聚焦系统的振动力可减到最小，且物体可以较人类肉眼后像速度更快的速度完成聚焦。

此刻参照图6，在可替换实施例中，自动聚焦系统20包括分光器70，该分光器定位在由物体散射的光的光径中，位于影像传感器50与该可变聚焦透镜40之间。该影像传感器及该微镜阵列透镜配置为彼此平行。分光器将光线的方向改变90°，因此可仿真同轴光学配置(inline optical arrangement)。该微镜阵列透镜定位成与光径垂直。

在另一实施例中，如图7所示，自动聚焦系统110可以包括具有自动聚焦功能的单一透镜成像系统110。这样的系统可以包括微镜阵列透镜140及影像传感器150。该微镜阵列透镜的焦距可以调整为可取得聚焦内的影像。因此，该微镜阵列透镜具有较短的焦距，以使靠近成像系统的物体170成像，并且亦可具有较长的焦距，以使远离成像系统的物体180成像。

图8示出了具有根据本发明的自动聚焦系统的成像装置310。本实施例的自动聚焦系统包括距离测量装置360，该距离测量装置具有发射器(未示出)及侦测器(未示出)，其中，发射器可将能量束367(通常是红外线或光能)射至物体312，侦测器可确定正确的聚焦距离l_o。一旦物距确定，该信号处理器即会应用透镜方程式来计算系统的有效焦距，并将控制信号传送至微镜阵列透镜，因此而调整其焦距。本发明的自动聚焦系统用于傻瓜相机中是很理想的。

简言之，本发明的自动聚焦系统通过将微镜阵列透镜用于聚焦元件，而消除了对于传统自聚焦系统的透镜移动机构的需求。因为本发明具有较少数量的零件，且无肉眼可见的移动零件，故本发明可减小自动聚焦系统的实体尺寸、重量、及制造成本。本发明亦可促进自动聚焦系统的耐用性及使用寿命。

上文所述已参照本发明的目前优选的实施例呈现。本发明所属领域技术人员应了解，在不违反本发明的原理、精神及范围的前提下，可在本文所述的结构中进行各种替换及改变。

因此，上文所述不应认为仅附属于所描述和附图所示的精确结构，而应认为与具有最宽和清楚范围的所附权利要求一致并由所述权利要求支持。

主要元件符号说明

10具有自动聚焦系统的成像装置

12物体 14光径

20自动聚焦系统 24传统凹面镜

30透镜 40微镜阵列透镜

42微镜 44任意散射的光线

50影像传感器 55电信号

60信号处理器 65控制信号

70分光器 110自动聚焦系统

140微镜阵列透镜 150影像传感器

170物体 180物体

200物体 210透镜

220影像传感器

310具有自动聚焦系统的成像装置

312物体 360距离测量装置

367能量束

Claims

1.一种具有至少一个微镜阵列透镜的自动聚焦系统，所述微镜阵列透镜包括多个微镜，其中，每个微镜均通过致动零件控制，以调整所述微镜阵列透镜的焦距。

2.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，还包括：

(a)影像传感器，接收由物体所散射的光线，其中，所述微镜阵列透镜的焦距调整为将所述物体的影像聚焦在所述影像传感器上；以及

(b)信号处理器，与所述影像传感器及所述微镜阵列透镜通信。

3.根据权利要求2所述的自动聚焦系统，其中，所述影像传感器将所述光线的光能转变成电信号，所述电信号带有关于所述物体的影像资料，并且其中，所述影像传感器将所述电信号传送至所述信号处理器。

4.根据权利要求3所述的自动聚焦系统，其中，所述信号处理器使用一算法来比较所述影像资料的影像品质与其聚焦标准，并产生传送至所述微镜阵列透镜的控制信号。

5.根据权利要求4所述的自动聚焦系统，其中，所述命令信号激活使所述微镜旋转和/或平移的所述致动零件，以调整所述微镜阵列透镜的焦距。

6.根据权利要求5所述的自动聚焦系统，其中，调整所述微镜阵列透镜的焦距，直至所述影像资料的影像品质符合所述聚焦标准。

7.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其中，所述自动聚焦系统的聚焦速度快于或等于人类肉眼的后像速度。

8.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其中，所述自动聚焦系统用在成像装置中。

9.根据权利要求2所述的自动聚焦系统，还包括：至少一个传统透镜，所述传统透镜使所述物体成像，并将由所述物体散射的光线传至所述微镜阵列透镜。

10.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，还包括：

(b)距离测量装置，其具有发射器和侦测器，其中，所述发射器用以将能量束射至所述物体，而所述侦测器确定正确的聚焦距离。

11.根据权利要求9所述的自动聚焦系统，其中，所述控制信号激活所述致动零件，以调整所述微镜阵列透镜的焦距。

12.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其中，每个微镜是可独立控制的，以校正像差，所述像差由物体与其影像之间的媒介所导致的光学效应所造成，或由透镜系统的缺陷造成，所述缺陷会使其影像不遵守近轴影像原理。

13.根据权利要求1所述的自动聚焦系统，其中，所述自动聚焦系统作为用于成像装置的变焦系统中的一部分。

14.一种具有自动聚焦功能的成像装置，所述自动聚焦系统包括至少一个微镜阵列透镜，其中，所述微镜阵列透镜包括多个微镜，并且其中，每个微镜通过致动零件控制，以调整所述微镜阵列透镜的焦距。

15.根据权利要求14所述的成像装置，其中，所述自动聚焦系统还包括：

(a)影像传感器，接收由物体所散射的光线，其中，所述微镜阵列透镜使所述物体成像，并且其中，所述微镜阵列透镜的焦距调整为使所述影像聚焦在所述影像传感器上；以及

(b)信号处理器，与所述影像传感器及与所述微镜阵列透镜通信。

16.根据权利要求15所述的成像装置，其中，所述影像传感器将所述光线的光能转变成电信号，所述电信号带有关于所述物体的影像资料，并且其中，所述影像传感器将所述电信号传送至所述信号处理器。

17.根据权利要求16所述的成像装置，其中，所述信号处理器使用一算法来比较所述影像资料的影像品质与其聚焦标准，并产生传送至所述微镜阵列透镜的控制信号。

18.根据权利要求17所述的成像装置，其中，所述命令信号激活使所述微镜旋转和/或平移的所述致动零件，以调整所述微镜阵列透镜的焦距。

19.根据权利要求18所述的成像装置，其中，调整所述微镜阵列透镜的焦距，直至所述影像资料的影像品质符合所述聚焦标准。

20. 根据权利要求14所述的成像装置，其中，所述自动聚焦系统的聚焦速度快于或等于人类肉眼的后像速度。

21.根据权利要求15所述的成像装置，其中，所述自动聚焦系统还包括至少一个传统透镜，所述传统透镜使所述物体成像，并将由所述物体散射的光线传至所述微镜阵列透镜。

22.根据权利要求15所述的成像装置，其中，所述自动聚焦系统的信号处理器包括发射器和侦测器，所述发射器用以将能量束射至所述物体，而所述侦测器确定物距，并且其中，所述信号处理器应用所述透镜方程式来确定所述系统的有效焦距，并产生传送至所述微镜阵列透镜的控制信号。

23.根据权利要求22所述的成像装置，其中，所述控制信号激活所述致动零件，以调整所述微镜阵列透镜的焦距。

24.根据权利要求14所述的成像装置，其中，每个微镜是可独立控制的，以校正像差，所述像差由物体与其影像之间的媒介所导致的光学效应所造成，或由透镜系统的缺陷造成，所述缺陷会使其影像不遵守近轴影像原理。

25.根据权利要求1 4所述的成像装置，其中，所述自动聚焦系统作为用于所述成像装置的变焦系统中的一部分。

26.一种使成像物体聚焦的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)使用传统透镜或微镜阵列透镜使所述物体成像，并使用所述微镜阵列透镜使所述影像聚焦在影像传感器上；

(b)将由所述物体散射的光的光能，转变为电信号，所所述电信号带有关于所述物体的影像资料，并将所述信号传输至与所述影像传感器通信的信号处理器；

(c)以聚焦标准分析所述影像资料，并产生传送至所述微镜阵列透镜的控制信号；

(d)传输所述控制信号，以激活所述微镜阵列透镜的致动零件，所述致动零件调整所述微镜阵列透镜的焦距；以及

(e)重复步骤(a)至(d)，直至所述影像资料的品质满足所述聚焦标准。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述重复步骤(a)至(d)是在人类肉眼的后像速度内完成。

28.一种使成像物体聚焦的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)使用距离测量装置，测量成像物体的距离；

(b)应用透镜方程式来确定所述自动聚焦系统的有效焦距；

(c)传输来自所述距离测量装置的控制信号至所述自动聚焦系统的微镜阵列透镜，其中，所述信号激活将所述微镜阵列透镜的焦距调整为有效焦距的致动零件；以及

(d)将物体的影像聚焦在影像传感器上，其中，所述微镜阵列透镜的焦距调整为使所述影像聚焦在所述影像传感器上。