CN101470324B - 照相机的自动聚焦设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对照相机进行自动聚焦的设备和方法，该方法包括如下步骤：通过测量透镜系统的初始位置来检测编码器的初始值；使所测量的编码器初始值与要被移动的透镜系统的初始位置值匹配；通过测距传感器来测量对象的距离值；确定必须将聚焦透镜相对于所测量距离值而移动的位移；以及调整聚焦透镜的位置，以使得实际移动的聚焦透镜的位置值与位移值相同。

Description

照相机的自动聚焦设备和方法

技术领域

本发明涉及一种照相机，更特别地涉及一种通过利用测距传感器和编码器来对照相机进行自动聚焦的设备和方法。

背景技术

传统照相机包括在胶片或者图像传感器上形成对象图像的透镜系统。图像传感器检测透镜系统所形成的图像并将该图像转换成电信号。在任一种情况下，胶片或图像传感器表面都是成像平面。透镜系统的焦点根据透镜与对象之间的距离改变其位置。因此，仅当成像平面的位置相对于对象位置的变化量处于照相机的聚焦深度之内时，才能够获得高质量聚焦的照片。也就是说，为了让照相机获得清晰的图像，图像传感器的光接收平面应当位于透镜系统的聚焦深度之内。

普通照相机，特别是具有聚焦位置的变化相对于对象距离的变化很大的宏功能(macro function)的照相机(即，具有特写功能的照相机)，应当配备有能够移动透镜位置以计算对象距离的设备。自动调整相对位置的照相机被称为自动聚焦(AF)照相机。为了在现今的多媒体通讯中起主导作用，照相机具有这种AF功能是必不可少的。

根据照相机与对象之间的距离的测量方式，通常可以将控制照相机的AF功能分为被动方法和主动方法。

被动方法通过检测从图像传感器获得的图像高频分量和将透镜移到具有最大边缘值的位置，获得适合于调整聚焦的边缘值。驱动单元响应于控制器的控制信号，逐步移动聚焦透镜，以获得的最大边缘值。由于这种被动方法允许不借助附加设备从图像信号中获得聚焦控制的有关信息，并且具有高精度，同时允许小尺寸的设备，因此它广泛地应用在大多数照相机中。参照图1描述了使用上述被动方法的照相机的内部配置。

图1是示出了现有技术的、具有被动自动聚焦功能的照相机的内部配置的图。

参见图1，具有被动自动聚焦功能的照相机包括：用于形成对象图像的透镜101、用于对所形成图像进行精确聚焦的聚焦透镜103、用于检测所形成图像作为电信号的图像传感器107、用于移动聚焦透镜的驱动单元109、用于对从图像传感器输入的图像信号和每帧单元的驱动电流进行处理的ISP(图像信号处理器)111、以及用于控制驱动单元109的控制器113。

参照上述配置，以下描述用于获得边缘值并将聚焦透镜103移动到具有最大边缘值的位置的方法。

图2是示出了现有技术的、边缘值随具有传统被动自动聚焦功能的照相机的透镜位置的变化的曲线图。

参见图2，根据步骤编号，将用于执行自动聚焦的聚焦透镜的移动距离划分为10部分，从0到9。在依次从步骤0到步骤9移动聚焦透镜的同时，检测每一步骤的边缘值。如果如图2所示，步骤5具有所检测边缘值的最大边缘值，那么再次将聚焦透镜移到与步骤5对应的第5边缘值的位置，就实现了自动聚焦功能。

根据主动方法，测距传感器发射红外线、超声波、激光或者适合于测量朝向对象的距离的任何其他类型的射线，以测量照相机与对象之间的距离。主动方法优势在于能在黑暗中有效地工作，但要求如测距传感器之类的附加的硬件，以发射和检测信号。以下参照图3描述具有主动自动聚焦功能的照相机的内部配置。

图3是示出了根据现有技术的传统主动自动聚焦功能的照相机的内部配置的图。

参见图3，具有主动自动聚焦功能的照相机包括：用于形成对象图像的透镜、用于对所形成图像进行精确聚焦的聚焦透镜、用于移动聚焦透镜的驱动单元、用于对从图像传感器输入的图像信号和每帧单元的驱动电流进行处理的ISP、以及用于测量照相机与对象之间的距离的测距传感器。

假定从测距传感器发射的光是红外线，从测距传感器的发射器Tx发射的红外线被对象反射并由测距传感器的接收器Rx检测。这样就获得了照相机与对象之间的距离L。将所获得的值传送到ISP。接收距离值L的ISP通过预定的算法确定必须将聚焦透镜移动的位移x。可以由以下方程(1)表示位移x。

x＝f(L)        (1)

以上方程(1)表示当照相机与对象间的距离是L时的位移x。以下参照图4描述采用方程(1)的自动聚焦。

图4是现有技术的、示出了聚焦透镜的位置随被传送到具有主动自动聚焦功能的照相机的驱动单元的输入(如电流或电压)的变化的曲线图。用A、B和C表示根据各个驱动单元的变化。

参见图4，由于驱动单元的特性变化，即，根据组成音圈电机(VCM)的元件的特性变化，如弹簧常数k、线圈绕组匝数、机械干扰等等，将聚焦透镜移动到对象完全聚焦的位置(即“x”)的初始驱动电流值以及A、B和C在“x”处的斜率互不相同。

如上所述，根据被动和主动方法的目的和特征，有区别地使用这两种方法。为了提高制造产量，同时制造每种方法所采用的驱动单元，以使得启动驱动单元的初始驱动电流和对应于该电流的斜率保持在各自预定范围之内。

然而，当用上述方式制造AF照相机以提高制造产量，而不是将精确的驱动电流应用于相应的驱动单元时，为了该过程而确定的范围的最小电流值集中应用于所有驱动单元。因此，即使每一个驱动单元可能本身具有不同的驱动电流值，也将公共的驱动电流应用于这些驱动单元。所应用的电流值不是最适合于各个驱动单元的。相应地，在自动聚焦模块的一些示例中，存在实际上没被使用的自动聚焦步骤，从而增加了其自动聚焦时间。除了这个共同的问题外，上述被动和主动方法还有它们各自的问题。

被动方法存在的问题是：因为聚焦透镜在被逐步移动以检测边缘值之后，位于具有最大边缘值的步骤处，且由于每一步都必须进行，所以自动聚焦时间相对较长。另外，由于这个相对耗时的过程，当拍摄运动图像时难以连续地执行自动聚焦，因此很难获得清晰的运动图像，导致顾客不能满意。

主动方法存在的问题是：由于每个驱动单元根据制造过程的特征而具有不同的位移值，因此各个驱动单元需要单独的算法以将聚焦透镜移到它们的、具有最大边缘值的位置。这些算法本身难以实现，且实现这些单独的算法会提高制造成本。

为了解决以上问题，需要一种自动聚焦方法，其能够确保与驱动单元的驱动电流无关的、照相机的快速操作特性。

发明内容

相应地，实施本发明以解决至少在现有技术中出现的上述问题。本发明提供一种对照相机进行自动聚焦的设备和方法，其通过使用测距传感器和编码器型驱动单元，能够执行与驱动单元的特性无关的自动聚焦。这就在拍摄静止图像时允许快速自动聚焦，在拍摄运动图像时允许连续自动聚焦。

根据本发明的一个方面，提供一种对照相机进行自动聚焦的方法，其包括如下步骤：通过测量透镜系统的初始位置来检测编码器的初始值；使所测量的编码器初始值与透镜系统的初始位置值匹配；通过测距传感器来测量对象的距离值；确定必须将聚焦透镜相对于所测量距离值而移动的位移；以及调整聚焦透镜的位置，以使得所移动的聚焦透镜的位置值与位移值相同。

根据本发明的另一方面，提供一种对照相机进行自动聚焦的设备，其包括：用于通过测量透镜系统的初始位置来检测初始值的编码器；用于测量对象距离和将测量值传送到图像信号处理器(ISP)的测距传感器；ISP，其用于接收编码器初始值并使该初始值与自动聚焦的起始位置匹配，以及用于检测必须将聚焦透镜相对于从测距传感器接收的测量值而移动的位移；控制器，其用于调整透镜的位置值，以使得所移动的聚焦透镜的位置与位移值相同。

根据如上所述的本发明，其优势在于：由于能够与驱动单元的特性无关地实现具有同样移动特性的设备，因此仅在一帧以内实现自动聚焦，以便能够快速且连续地执行自动聚焦，这与每一步都需要几帧的传统自动聚焦过程不同。

附图说明

本发明的上述方面和其他方面、特征以及优势在结合附图的以下详细描述中更加显而易见，在附图中：

图1是示出了具有现有技术的被动自动聚焦功能的照相机的内部配置的图；

图2是示出了边缘值随具有现有技术的被动自动聚焦功能的照相机的透镜位置的变化的曲线图；

图3是示出了具有现有技术的主动自动聚焦功能的照相机的内部配置的图；

图4是示出了聚焦透镜的位置随被传送到具有主动自动聚焦功能的照相机的驱动单元的输入(如电流或电压)的变化的曲线图；

图5是示出了一种根据本发明实施例的、通过使用测距传感器来执行自动聚焦的照相机的内部配置的方框图；

图6是示出了根据本发明实施例的、执行包括测距传感器和编码器的照相机的自动聚焦的过程的流程图；

图7是示出了根据本发明实施例的、使用编码器初始值而执行的自动聚焦的效果的曲线图；以及

图8是示出了根据本发明实施例的、使用编码器的补偿初始值而执行的自动聚焦的效果的曲线图。

具体实施方式

以下，将参照附图描述本发明的典型实施例。另外，以下描述中提及的各种特定的定义仅用于帮助本发明的全面理解，对于本领域技术人员而言，显而易见，在没有这些定义的情况下也能实现本发明。

正如现有技术的描述中所述，在已知的被动自动聚焦方法的情况下，为了该过程而确定的、用于VCM的驱动电流值的最小电流值集中应用于所有VCM。因此，每一驱动单元不具有最佳驱动电流值，自动聚焦时间会被浪费并被延长。另外，在检测了最大边缘值之后，将聚焦透镜移至相应步骤以执行自动聚焦，这就增加了完成自动聚焦所需时间。

在现有技术的主动自动聚焦方法的情况下，单独的最初驱动值与相应的VCM不合，导致聚焦透镜不能精确定位。为了解决这个问题，需要将单独的算法应用到相应VCM，因此导致无法大规模生产照相机。

因此，本发明用于解决现有技术中出现的上述问题，本发明提供一种对照相机进行自动聚焦的设备和方法，能够通过使用测距传感器和编码器型驱动单元来执行与驱动单元的特性无关的自动聚焦，从而在不浪费自动聚焦时间的情况下允许快速且连续的自动聚焦。以下，将结合附图详细地描述本发明。

图5是示出了根据本发明实施例的、通过使用测距传感器来执行自动聚焦的照相机的内部配置的方框图。

参见图5，该照相机包括：测距传感器517，其用于测量该照相机与对象间的距离并将测量值传送到图像信号处理器(ISP)515。透镜501形成对象的图像，聚焦透镜503对所形成图像进行精确聚焦。图像传感器505检测所形成的图像作为电信号，编码器507检测聚焦透镜503的初始位置，并将所移动的聚焦透镜503的位置信号传送到ISP 515和控制器511。基于ISP 515如何使用从图像传感器505输入的图像信号和由测距传感器517检测的数据来确定必须将聚焦透镜503移动的位移，驱动单元509移动聚焦透镜503。控制器511控制驱动单元509。图5所示的编码器507包括霍尔传感器和永久磁体，且能够识别当使用编码器初始值而自动聚焦时透镜实际移动的起始值。控制器511可以构造为单个芯片，该单个芯片还包括反馈控制电路和驱动器并操作用于使用控制信号来控制驱动单元。

CMOS(互补性金属氧化物半导体)或CCD(电荷耦合器件)通常用于图像传感器505，图像传感器505操作用于将通过透镜接收到的光信号转换成电信号。

以下，描述图5的上述组件各自的功能。

测距传感器517使用红外线、超声波、激光或者适合于测量距离的任何其他类型的射线作为传输媒质信号，且具有用于将该传输媒质信号发射到对象的发射器Tx。在接收器Rx处接收从对象反射的信号，从而测量了对象的距离，且将测量值以电流或者电压的形式传送到ISP 515。

ISP 515执行图像信号处理，以处理从测距传感器517传输的图像数据。ISP 515接收到当自动聚焦启动时聚焦透镜503移动的起始位置值(即，来自编码器507的编码器初始值)并存储该值。ISP 515通过将从测距传感器517接收到的电流或者电压与内在算法相比较，来确定应将聚焦透镜503移动到的位置，并将该位置传送到控制器511。

编码器507包括永久磁体，霍尔传感器操作用于与聚焦透镜503的移动一同移动，编码器507将聚焦透镜503开始被驱动单元509移动的时间点传送到ISP 515，测量聚焦透镜503的实际移动距离，并将所测量的移动距离传送到控制器511。

以下，将参考下面的流程图描述基于图5的组件执行自动聚焦的过程。

图6是示出了根据本发明实施例的、执行包括测距传感器和编码器的照相机的自动聚焦的处理的流程图，其中，该过程包括如下步骤：检测编码器初始值，以及基于通过测距传感器而测量的距离来控制聚焦透镜。

参见图6，在步骤601，编码器检测透镜系统的初始位置。检测到的透镜系统初始位置值成为编码器初始值。当检测到编码器初始值时，编码器在步骤603将检测到的编码器初始值传送到ISP。ISP使所测量的编码器初始值与透镜系统的初始位置值匹配，其中该初始位置值与当自动聚焦开始时透镜移动的起始位置对应。通过使编码器初始值与自动聚焦步骤的第一起始点匹配，可以去除多余的步骤。这时，要传送的编码器初始位置值可以根据驱动设备的特性而变化。然后，在步骤605，测距传感器测量对象的距离。为了对象的距离的测量，测距传感器的发射器Tx将信号发射到对象，接收器Rx接收从对象反射的信号。照相机与对象间的距离值从测距传感器传送到ISP 515。

在步骤607，ISP 515(已接收到照相机与对象间的距离)通过预定算法确定必须将聚焦透镜移动的位移x，即，根据用于调整聚焦的编码器初始值的编码器初始值变化。令照相机与对象间的距离为“L”。由于编码器初始值的比例因子的线性控制，用于确定位移“x”的算法能够根据与各个驱动单元的初始驱动电流无关的以下方程(2)来实现。

1/a+1/b＝1/f    ......(2)

以上方程(2)是应用于本发明的焦距方程，其中“a”是聚焦透镜与对象间的距离，“b”是聚焦透镜与图像传感器表面间的距离，“f”是透镜的焦距。

由于根据透镜特性将f定义为常数值，因此b表示聚焦透镜与图像传感器表面间的距离且也被定义。因此，能够通过从b中减去透镜初始位置值(当VCM不存在输入时聚焦透镜与图像传感器表面间的距离)来确定必须将聚焦透镜移动的距离。既然必须将聚焦透镜实际移动的位移值x表示必须将聚焦透镜移动的距离，并且位移值x部分地基于与各个驱动单元无关的、朝向对象的距离L，那么位移值x能够由以下与驱动单元特性无关的一般方程来表示。

x＝f(L)＝fA(L)＝fB(L)＝fC(L)......(3)

当根据本发明执行自动聚焦时，通过对用于使用测距传感器来估计位移的算法进行修改，获得以上方程(3)。“L”是照相机与对象间的距离，“x”是位移值，即，对象完全聚焦时的透镜位置，由该方程可知：一种算法能够处理其中存在具有特性变化的驱动单元A、B和C的典型案例。

ISP 515使用与驱动单元的特性无关的方程(3)确定位移值x，并根据该位移值将聚焦透镜的移动距离值传送到控制器511，从而移动聚焦透镜503。

在步骤609，控制器511通过反馈控制将控制信号发送到驱动单元509，以使ISP 515中确定的编码器值和来自聚焦透镜503实际移动的编码器值变得彼此相同。在步骤611，接收控制信号的驱动单元509移动聚焦透镜503以执行自动聚焦。

图7是示出了根据本发明实施例的、使用编码器初始值而执行自动聚焦的效果的曲线图。根据驱动单元的特性，各个驱动单元的编码器初始值具有不同值E1、E2和E3。每当操作照相机时启动驱动单元各自的聚焦透镜的同时，通过存储与各个驱动单元对应的这些编码器初始值，各个聚焦透镜的初始移动所必需的、控制器的各个控制信号一直能够被识别。

另外，由于比例因子的线性控制，根据驱动单元各自初始值的、现有技术的不同曲线图斜率变为恒定的斜率，从而能够与各个驱动单元的驱动电流无关地实现对驱动单元的控制。在本发明的示例中，也就是说，对于同样的变化E1+a、E2+a和E3+a，给出了聚焦透镜的同样的移动。此外，当对每一编码器的值开始变化的时间点(即，相应的驱动单元开始移动的时间点)进行检查并且每一编码器的初始值被一个值所补偿时，可以获得图8所示的曲线图。

图8是示出了根据本发明实施例的自动聚焦的效果的曲线图，其中在根据本发明方法补偿了编码器初始值之后，执行自动聚焦。这时，由于当确定编码器值的变化时需要考虑所存储的编码器初始值E1、E2和E3，因此将各个聚焦透镜移动到最佳聚焦位置所必需的、编码器值的变化彼此相同，如参考“a”。该变化是考虑编码器初始值而确定的，因此编码器的实际值分别是E1+a、E2+a和E3+a。

这时，以如下方式执行通过使用位移来移动聚焦透镜的操作：某时刻使用测距传感器517来测量距离，从而可以在一帧时间之内确定最佳位置，这与在逐步移动聚焦透镜的同时寻找最大边缘值的点的现有技术不同。在现有技术中，一帧与扫描一幅图像所需的时间对应，由此，需要与相应步骤数量对应的帧数，以扫描所有边缘值。在本发明中，由于即使没有扫描图像，距离也能被精确测量，故而能在一帧时间之内检测到最佳位置。

可以如上所述实现照相机进行自动聚焦的设备和方法的配置和操作。虽然已参照本发明的特定典型实施例示出并描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，只要不脱离如所附权利要求限定的、本发明的精神和范围，就可以作出形式和细节上的多种变化。相应地，本发明的范围不限于上述实施例，但被所附权利要求及其等价物所限定。

Claims (14)

1.一种对照相机进行自动聚焦的方法，包括如下步骤：

通过测量透镜系统的初始位置来检测编码器的初始值；

使所检测的编码器初始值与透镜系统的初始位置值匹配；

使用测距传感器来测量对象的距离值；

与驱动单元的驱动电流无关地确定要将聚焦透镜相对于所测量距离值而移动的位移；以及

调整聚焦透镜的位置，以使得所移动的聚焦透镜的位置值与位移值基本相同。

2.根据权利要求1所述的自动聚焦方法，其中通过使用编码器的霍尔传感器来执行透镜系统初始位置的测量。

3.根据权利要求2所述的自动聚焦方法，其中能够根据透镜系统的装配情况和位置，检测通过使用霍尔传感器而测量的编码器初始值作为不同初始值。

4.根据权利要求1所述的自动聚焦方法，其中在确定了与编码器初始值对应的驱动电流值之后，发生所述调整聚焦透镜的位置以使得所移动的聚焦透镜的位置值与位移值基本相同的步骤。

5.根据权利要求1所述的自动聚焦方法，其中所述确定位移的步骤在一帧时间之内确定最佳位置。

6.根据权利要求5所述的自动聚焦方法，还包括如下步骤：通过线性地重新调整透镜系统的位置值来检测聚焦透镜的最佳移动距离值。

7.根据权利要求1所述的自动聚焦方法，其中所述初始值和所述初始位置值是根据聚焦透镜的至少一个实际移动而确定的。

8.一种对照相机进行自动聚焦的设备，包括：

用于通过测量透镜系统的初始位置来检测初始值的编码器；

用于测量到对象的距离和将测量值传送到图像信号处理器(ISP)的测距传感器；

图像信号处理器(ISP)，其用于接收初始值并使初始值与自动聚焦的起始位置匹配，以及用于与驱动单元的驱动电流无关地检测要将聚焦透镜相对于从测距传感器接收的测量值而移动的位移；以及

控制器，其用于调整聚焦透镜的位置值，以使得所移动的聚焦透镜的位置与位移值相同。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述控制器包括：

反馈控制电路，其用于线性地重新调整透镜系统的位置值；以及

驱动器，其用于通过接收在反馈控制电路处重新调整的透镜系统位置值并控制适于移动透镜系统的驱动单元的电动机，来移动透镜系统。

10.根据权利要求8所述的设备，其中所述编码器包括永久磁体和霍尔传感器。

11.根据权利要求8所述的设备，其中所述编码器被操作为与聚焦透镜同步移动。

12.根据权利要求11所述的设备，其中所述编码器将聚焦透镜开始被驱动单元移动的时间点传送到图像信号处理器(ISP)。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述编码器测量聚焦透镜的实际移动距离，并将所测量的移动距离传送到控制器。

14.根据权利要求8所述的设备，其中所述控制器与所述驱动单元的驱动电流无关地控制驱动单元。

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