CN102087458A - 在具有由执行器定位的镜头的成像系统中实现自动聚焦功能的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用成像系统来自动捕捉聚焦图像的方法，该成像系统包括由执行器定位的镜头，执行器由驱动电流控制并具有起始电流值。其中，音圈马达(VCM)或自动聚焦线性-马达(AFL)执行器在成像系统中移动镜头；探测一定位置处镜头所形成的图像；计算所探测的图像的聚焦值；如果发现峰值聚焦值，则捕捉峰值聚焦值时的图像；如果未发现峰值，则执行器移动镜头到新的位置。本发明的方法不需要校正执行器或者测量VCM或AFL执行器的起始电流。

Description

在具有由执行器定位的镜头的成像系统中实现自动聚焦功能的系统及方法

背景技术

在拍照手机(移动电话)、数字照相机和其它流行的手持式装置中，通常需要且执行自动聚焦(Auto focusing，AF)功能。AF功能帮助照相机使用者捕捉近距离或远距离处目标的清楚且清晰的图像。目前，装备有AF功能的照相模块主要设置在照相机、可携式摄像机以及中高端的移动电话中。

为了正确聚焦目标或获得清楚且明锐的聚焦图像，到镜头的图像距离以及到镜头的目标距离应当满足公知的镜头方程式1/f＝1/o+1/i，其中，f是镜头的焦距，o是到镜头的目标距离，i是到镜头的图像距离。通过移动镜头的一个或更多元件以满足镜头方程式，从而实现AF功能。通常，由执行器(actuator，亦称作动器或致动器)例如音圈马达(voice coilmotor，VCM)来驱动镜头向前或向后，执行器有时是指自动聚焦线性马达(AFL)、步进电机或其它马达类型。VCM在AF应用中的使用不断增长，尤其是在拍照手机应用中。

VCM包括线圈、永久磁铁以及将线圈回复到其起始位置的弹簧。当电流在线圈中流动时，随之产生磁场。永久磁铁的磁场以及由线圈所产生的磁场之间的相互作用相对于永久磁铁移动线圈。镜头固定到线圈上，并且镜头将会随着线圈移动。根据电流的强度，电流将驱动镜头到某一位置。通过给线圈供应适当的电流，可适当设置镜头，并且从而能够执行AF功能。

当将镜头从其初始位置移动到另一位置时，VCM消耗″起始电流″。起始电流通常定义为将镜头从镜头的初始位置移开10微米(μm)时VCM所需要的电流。通常在不同的VCM样机之间，起始电流是变化的，因为每个样机具有独特的惯性。例如，给定的VCM模型的起始电流通常可从15mA到40mA。因此，由于给定的驱动电流强度所导致的VCM线圈运动将会在VCM样机之间变化。因此，由于VCM响应的变化，不能仅仅通过控制驱动电流强度来控制AF功能。

除非测量VCM的电流，否则给定的VCM的起始电流通常是未知的。测量值通常储存在存储器中并且在计算采用以执行AF功能。起始电流值的测量和储存以及计算会消耗存储器和处理资源，因而增加了处理时间和系统成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于数字成像装置之自动聚焦的方法和系统，这种系统和方法无需校正执行器的起始电流就能够执行AF功能；也即本发明的目的是提供一种用于数字成像装置之自动聚焦的方法和系统，器无需测量和储存起始电流，也无需基于起始电流进行计算，从而减少处理时间和/或系统成本。

为实现上述的发明目的，在本发明的一实施方式中，提供了一种利用成像系统来自动捕捉聚焦图像的方法，该成像系统包括有由执行器定位的镜头，该方法包括以下步骤：(1)将镜头设置在其零位置；(2)在第一驱动电流范围中以第一增量重复增大执行器的驱动电流强度，从而改变镜头的位置，使得镜头在第一位置范围内移动；(3)在第一位置范围中在每一镜头位置上捕捉各自的图像；(4)确定在第一位置范围中捕捉的每一图像各自的聚焦值(清晰度)；(5)评估在第一位置范围中捕捉的图像的聚焦度(focus value)，以确定峰值聚焦值是否出现在第一位置范围中；以及(6)如果峰值聚焦值出现在第一位置范围中，则在与捕捉具有峰值聚焦值的图像之时的驱动电流强度相等的驱动电流强度下捕捉图像。

在本发明的方法中，零位置可以是指成像系统捕捉无限远处目标的聚焦图像的镜头位置；第一位置范围包括零位置，第一驱动电流范围包括起始电流值。

在本发明的方法中，如果峰值聚焦值未出现在第一位置范围中，则进一步包括如下步骤：

在第二驱动电流范围的至少一部分中以第二增量重复增大驱动电流的强度，从而改变镜头的位置，使得镜头在第二位置范围内移动；

在第二位置范围中于镜头的每一位置处捕捉各自的图像；

确定在第二位置范围中所捕捉的每一图像各自的聚焦值；

评估在第二位置范围中所捕捉的图像的聚焦值，以确定峰值聚焦值是否出现在第二位置范围中；以及

如果峰值聚焦值出现在第二位置范围中，在与捕捉该具有峰值聚焦值的图像之时的驱动电流强度相等的驱动电流强度下，捕捉聚焦图像。

优选地，第二驱动电流范围大于第一驱动电流范围。例如，第一驱动电流范围可以是从0到45mA，而第二驱动电流范围可以是从45mA到80mA。

进一步优选地，第二增量小于第一增量。例如，第一增量可以为15mA，而第二增量可以是从6mA到8mA。

本发明中，执行器可以是但不限于音圈马达。

在本发明的方法中，每一聚焦值是实数且为正数。

本发明的系统和方法无需校正执行器起始电流就能够执行AF功能，即本发明的系统和方法无需测量和储存起始电流以及无需基于起始电流的计算，从而减少处理时间和/或系统成本。此外，本发明的一些实施方式比现有的AF系统具有更短的图像捕捉时间，并能产生中等距离或远距离处目标的更佳聚焦的图像。因此，尤其适于照相机和拍照手机应用。

下面结合附图，来详细地说明本发明。但应该理解，为了清楚起见，附图中某些元件不是按比例绘制的。

附图说明

图1显示了根据本发明一实施方式的成像系统。

图2显示了根据本发明一实施方式的自动聚焦方法。

图3显示了根据本发明一实施方式的，聚焦值与驱动电流强度的曲线图。

图4显示了根据本发明一实施方式的自动聚焦镜头控制方法。

具体实施方式

图1显示的是一具有AF功能的成像系统20。例如，成像系统20是能够获取画面的手持式装置，例如拍照手机(移动电话)或数字照相机，或装置中的照相机模块。镜头22由AF执行器24移动。例如，AF执行器24为VCM。镜头22在图像传感器26上形成图像。图像传感器26提供由镜头22所形成的图像的电表征并且输出可代表所探测到的图像的电信号28。电信号28由处理器30接收，例如，处理器30为图像信号处理器(ISP)或数字信号处理器(DSP)(数字信号处理器)。在储存于存储器(未图示)中的软件或固件的控制下，处理器30处理电信号28并输出AF控制信号32。AF控制信号32由AF执行器24接收。AF执行器24移动镜头22以响应控制信号32。该操作不断重复直到镜头22在图像传感器26上或者在图像传感器26的一个或更多的部分上形成清楚且明锐的聚焦图像。

系统20通常由图像传感器26利用处于其零位置的镜头22探测图像而开始其AF功能。镜头22的零位置是从镜头22到图像传感器26的距离实际上等于镜头22的焦距的位置。因此，当镜头22处于其零位置时，无限远处的目标将会被聚焦。在下一个步骤中，镜头22从图像传感器26移开预定的距离。因此，在该步骤中，接近镜头22的目标可被聚焦。在进一步的步骤中，镜头22从图像传感器26移开更远，并且更加接近镜头22的目标可被聚焦。因此，系统20的特定实施方式可以比现有技术的系统提供更好的AF功能，尤其对于位于离开镜头22中间范围(大约0.4m)或者无限远的目标。相反，一些现有的AF系统通常不启动其AF功能直到目标位于其镜头的1.2m处或更近。

图2显示了一种自动聚焦方法40，例如，其通过图1的成像系统20执行。方法40由步骤42开始，其中处理器(例如，处理器30)接收图像数据，例如从照相机界面的输入缓冲器接收图像数据。图像数据格式的示例包括RGBraw、YUV、YCbCr或RGB。

在步骤44中，处理器(例如，处理器30)利用聚焦值(FV)计算法则来计算所接收到的图像数据的聚焦值。FV指示并量化图像的聚焦质量。在一些实施方式中，FV是实数且为正数并且与图像聚焦值或聚焦质量成比例。在步骤44中采用的FV计算法则是设计选择。一种可能的FV计算法则考虑图像高空间频率内容。例如，聚焦图像可比相同场景的散焦图像包括更大的高空间频率分量，因为聚焦图像比散焦的图像更清楚且更明锐，并因此具有更明确的边缘。尤其，聚焦图像的清晰边缘具有高空间频率分量，而散焦的或者模糊的图像不包括产生高空间频率分量的清晰边缘。在一实施方式中，图像的高空间频率分量的强度有助于FV。在步骤44中确定的聚焦值可选择从图像的一个或更多部分或″聚焦区域″确定，而不是从整个图像确定。在该实施方式中，在自动聚焦方法中仅仅是包括聚焦区域的传感器的部分必须被读取，从而减少处理时间。在一实施方式中，确定图像的多个聚焦区域中的每一个各自的聚焦值，并且从区域的聚焦值确定组合聚焦值。聚焦区域的数量，位置和/或大小可由使用者随意选择。

在步骤46中，采用在步骤44中确定的计算的聚焦值来执行AF镜头控制方法，并产生AF控制信号。步骤46的示例是执行AF镜头控制方法并输出AF控制信号32的处理器30。AF镜头控制方法的一些实施方式参照图3-4讨论。

在步骤48中，在步骤46中产生的控制信号被输出从而控制执行器(例如，执行器24)以进一步移动镜头(例如，镜头22)或者停止移动镜头。

图3显示了图1的成像系统20的一实施方式的聚焦值(FV)与驱动电流强度的曲线图50。驱动电流强度是通过控制信号32提供给执行器24的电流强度，并且FV是由系统20捕捉的图像的聚焦值(或图像的一个或更多聚焦区域的组合聚焦值)，例如在方法40(图2)的步骤44中确定的。因此，曲线图50表示了图像聚焦值和驱动电流强度之间的关系。图3的示例包括曲线1和2，其中每条曲线对应作为具有各自不同的起始电流的不同VCM样机的执行器24。显然，具有相同强度的电流有差别地驱动每个VCM样机。

驱动电流范围(x-轴线)被分为区位I和II。区位II可大于区位I。例如，区位I的范围从0到45mA，而区位II的范围从45mA到80mA。通常，起始电流在区位I中，并且VCM的线性运动发生在区位II中。

例如，通过在每个驱动电流步骤中重复增大驱动电流并确定FV来执行AF镜头控制方法。一实施方式的示例，其中驱动电流在区位I中以15mA的幅度增大，该示例如下。首先，当镜头位于其零位置或静止位置时，从位于镜头(例如，镜头22)后面的图像传感器(例如，传感器26)读取图像。镜头零位置是从镜头到图像传感器的距离实际上等于镜头的焦距的位置。因此，在镜头零位置，无限远处的目标会被聚焦。计算(例如，通过处理器30)图像的FV。随后，电流增大15mA(例如通过调节控制信号32的处理器30)。镜头因此移动到新的位置，这导致了新的图像。该新的图像被图像传感器探测。计算新探测的图像的FV。在下一个步骤中，电流另外增大15mA。该操作在整个区位I中继续，因而镜头在对应区位I的第一位置范围中(包括其零位置)移动。重复增大驱动电流的操作称为″扫描″。扫描区位I后，所有计算的FV被评估(例如，通过处理器30)。如果在第一区位中发现峰值FV，镜头回到发现峰值FV的位置，捕捉峰值FV处的图像并完成操作。换句话说，如果发现峰值FV，捕捉图像时的驱动电流强度等于捕捉具有峰值FV的图像之时的驱动电流强度。如果在区位I未发现峰值FV，则操作继续到区位II。

在区位II中的驱动电流增量通常小于区位I中的。例如，区位II中的驱动电流增量在6mA和8mA之间。在区位II中的增量可以等于或大于区位I中的增量。区位II中的操作与区位II中的操作类似，并且镜头移动经过与区位II的至少一部分相对应的第二位置范围。然而，当区位II被扫描时如果发现峰值FV，则停止操作并捕捉峰值FV处的完整图像(即，捕捉完整图像时的驱动电流强度等于捕捉具有峰值聚焦值的图像之时的驱动电流强度)。例如，通过比较即时FV和先前FV可发现峰值FV。如果即时FV小于或低于先前FV，则先前FV可能是峰值FV。可选择的，整个区位II可被扫描并且所有的FV被评估。同样，捕捉在峰值FV处的图像。

因此，利用上文讨论的无需测定执行器24的方法(例如，如果执行器24是VCM，则无需测量起始电流)可以完成AF功能。尤其，该方法不需要了解驱动电流强度和镜头位置之间的关系。

虽然图3结合上下文讨论VCM，但是上文讨论的该方法适用于其它执行器类型并且特别适于具有可变参数的其它执行器类型，例如具有对驱动电流的变化响应的执行器。另外，应注意到，在上文讨论的方法中，聚焦值可选择从图像的一个或更多的聚焦区域确定，以代替从整个图像确定。

图4表示一种AF镜头控制方法60，其为上文讨论的镜头控制方法的另一实施方式。例如，方法60由成像系统20(图1)执行。在步骤62中，设置区位I中的驱动电流增量。还设置区位I中的扫描步骤(n)的总数。步骤62的一个示例是从存储器载入驱动电流增量以及扫描步骤数量的处理器30。

在步骤64中，通过增大驱动电流来扫描整个区位I从而使得镜头移动经过第一位置范围，包括其零位置。换句话说，有n个扫描步骤，并且每个扫描步骤以步骤62中设置的增量来增大驱动电流。或对于整个图像或对于图像的一个或更多的聚焦区域，还计算每个扫描步骤的FV。步骤64的一个示例是处理器30增大控制信号32的强度并确定在每个增量由传感器26所捕捉的图像的FV。

在步骤66中，区位I中的所有FV被评估从而确定是否在步骤64中计算了峰值FV。步骤66的一个示例是处理器30评估在步骤64中所确定的FV。如果峰值FV被计算，方法60进行到步骤68，其中捕捉图像时的驱动电流对应具有峰值FV的图像的驱动电流。换句话说，在步骤68中，捕捉图像时的驱动电流强度等于捕捉具有峰值聚焦值的图像之时的驱动电流强度。步骤68的一个示例是处理器30调整信号32，从而使得驱动电流强度对应具有峰值FV的图像的驱动电流强度，并且系统20通过传感器26捕捉图像。在步骤68之后，方法60随后停止。如果步骤66确定没有峰值FV在步骤66中被计算，则方法60进行到步骤70。在步骤70中，设置区位II的驱动电流增量并且操作继续扫描区位II。步骤70的一个示例是处理器30从存储器载入区位II的驱动电流增量并且控制区位II的扫描，从而使得镜头移动经过第二位置范围。

在步骤72中，或对于整个图像或对于图像的一个或更多的聚焦区域，计算即时(最近的)扫描步骤的FV。步骤72的一个示例是处理器30计算即时扫描步骤的FV。在步骤74中，评估被扫描的区位II的计算的FV以寻找峰值FV。例如，通过比较即时FV和先前FV可发现峰值FV。如果即时FV小于或者低于先前FV，则先前FV可能是峰值FV。步骤74的一个示例是处理器30评估被扫描的区位II中的计算的FV。

在步骤76中，如果没有发现峰值FV，则操作继续扫描下一个扫描步骤，并随后返回到步骤72。例如，通过处理器30控制下一步骤的扫描以执行步骤76。在步骤78中，如果发现峰值FV，则捕捉峰值FV处的图像并完成操作。换句话说，在步骤78中，捕捉图像时的驱动电流强度等于捕捉具有峰值聚焦值的图像之时的驱动电流强度。步骤78的一个示例是处理器30调整信号32，从而使得驱动电流强度对应峰值FV的图像的驱动电流强度，并且系统20通过传感器26捕捉图像。

本领域的普通技术人员应该理解，在没有偏离本发明范围的前提下，完全可以对上述的方法和系统进行改变或改进。因而，应当理解，上面的描述中所包含的内容以及附图中所显示的内容只是用于解释本发明，而不是在任何意义上对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种利用成像系统来自动捕捉聚焦图像的方法，该成像系统包括由执行器定位的镜头，所述的执行器由驱动电流控制并具有起始电流值，所述的方法包括：

将镜头定位在其零位置，所述的零位置是成像系统捕捉无限远处目标的聚焦图像的镜头位置；

在第一驱动电流范围中以第一增量重复增大驱动电流的强度，从而改变镜头的位置，使得镜头在第一位置范围内移动，所述的第一位置范围包括零位置，所述的第一驱动电流范围包括起始电流值；

在所述第一位置范围中于镜头的每一位置处捕捉各自的图像；

确定在所述第一位置范围中所捕捉的每一图像各自的聚焦值；

评估在所述第一位置范围中所捕捉的图像的聚焦值，以确定是否峰值聚焦值出现在所述第一位置范围中；以及

如果峰值聚焦值出现在所述第一位置范围中，则在与捕捉该具有峰值聚焦值的图像之时的驱动电流强度相等的驱动电流强度下，捕捉聚焦图像。

2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括：如果峰值聚焦值未出现在所述第一位置范围中：

在第二驱动电流范围的至少一部分中以第二增量重复增大驱动电流的强度，从而改变镜头的位置，使得镜头在所述第二位置范围内移动；

在所述第二位置范围中于镜头的每一位置处捕捉各自的图像；

确定在所述第二位置范围中所捕捉的每一图像各自的聚焦值；

评估在所述第二位置范围中所捕捉的图像的聚焦值，以确定峰值聚焦值是否出现在所述第二位置范围中；以及

如果峰值聚焦值出现在所述第二位置范围中，在与捕捉该具有峰值聚焦值的图像之时的驱动电流强度相等的驱动电流强度下，捕捉聚焦图像。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述的第二驱动电流范围大于所述第一驱动电流范围。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述的第一驱动电流范围是从0到45mA，所述的第二驱动电流范围是从45mA到80mA。

5.如权利要求2所述的方法，其中，所述的第二增量小于第一增量。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述的第一增量为15mA，所述的第二增量是从6mA到8mA。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述的执行器是音圈马达。

8.如权利要求1所述的方法，其中，每一聚焦值是实数且为正数。

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