CN103760660A - 一种光学变焦、自动对焦镜头及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学变焦、自动对焦镜头，包括测距模块，数据处理模块，液态镜头驱动电路和镜头，所述镜头包括镜筒，第一液态镜头和第二液态镜头；所述测距模块，数据处理模块，液态镜头驱动电路和镜头依次电连接，第一液态镜头和第二液态镜头固定于镜筒内部，测距模块测量待测对象与镜头的距离并输出代表二者距离的距离电压信号，数据处理模块根据距离电压信号输出物距值，并根据物距值得到驱动电路的输入值，驱动电路根据输入值调节输出到液态镜头上的控制电压，进而调节液态镜头中第一液态镜头和第二液态镜头的焦距。本发明在虹膜识别系统的适用距离内，即使改变人与虹膜识别系统的距离，也能保持采集的虹膜图像的大小及清晰度不变。

Description

一种光学变焦、自动对焦镜头及方法

技术领域

本发明涉及一种应用于虹膜识别系统中的镜头，特别涉及一种光学变焦、自动对焦镜头及方法。

背景技术

科技的迅猛发展，不仅给人们的生活带来很多的便捷，也增加了各种安全隐患，人们对身份验证的可靠性，安全性的要求也不断提高。虹膜识别因其唯一性、高可靠性、安全性的特性，基于虹膜的自动身份识别与验证系统近几年越来越受人们的欢迎。虹膜识别的第一步是采集虹膜图像，虹膜图像的清晰度直接影响虹膜识别的精度与识别速度。

为了使虹膜识别系统使用更方便、更人性化、更智能，虹膜识别系统需要满足在一定的距离范围内，采集的虹膜图像大小、清晰度不变的要求。要使物距大小改变而目标图像的大小不变，镜头必须有变焦（ZOOM）的功能，人离虹膜系统近时，变焦使镜头焦距短，放大倍数小，反之则镜头焦距长，放大倍率大，保持目标图像大小恒定。然而，当镜片与图像传感器的距离固定不变时，改变镜片的焦距会导致图像传感器就不再处于镜片的焦距上，使得图像变得模糊不清。为了保证采集到的图像清晰度不变，镜头必须有对焦功能。

变焦分为光学变焦和数字变焦两种。光学变焦是指通过改变光学镜片的焦距来改变目标图像的放大倍率的状态，配合镜头的对焦功能，使目标图像清晰度高，但是镜头体积大；数字变焦是指改目标图像在CCD中的放大倍率并显示在成像设备上的状态，这种方法不需要很大的镜头，但是图像清晰度不够。

传统的带有光学变焦和自动对焦功能的镜头有内、外两个镜筒，内镜筒里安装有前后两组透镜，且具有沿内镜筒表面形成的螺旋凹槽，前后透镜在内镜筒中通过螺旋运动用改变之间的距离，从而达到改变镜头焦距的效果；外镜筒能够沿着内镜筒的表面插入，改变外镜筒插入内镜筒的程度可以改变透镜组与图像传感器的距离，从而实现对焦的功能。这样的结构使得镜头的体积很大，镜头结构复杂，成本高，此外，手动变焦、对焦镜头使用不方便，不能用于自动虹膜识别系统；光学变焦、自动对焦的镜头，还需要机械驱动模块，不仅进一步增加镜头的成本和镜头结构的复杂度，而且会增加相机的功耗。

为了解决传统变焦镜头的诸多问题，法国、韩国、日本的公司相继推出了液态镜头。液态镜头内有不相溶的电解液层与绝缘层，通过改变施加在电解液层的电压值，来改变电解液层与绝缘层的分界面的曲率，从而改变液态镜头的焦距，实现变焦功能。使用一个液态镜头，一个带螺旋凹槽的镜筒，改变镜片组与图像传感器的距离实现对焦功能。若采用两个液态镜头，用两路电压分别控制两个液态镜头的绝缘层与电解液层的分界面的曲率来改变它们的焦距，则可以在两个液态镜头都固定不变的情况下，实现光学变焦和自动对焦的功能。

目前，现有的虹膜识别系统主要有两种，一种不具有变焦和对焦功能，需要用户配合对焦才能得到清晰的虹膜图像，这种虹膜识别系统使用不便；另一种具有变焦和对焦功能，但其变焦和对焦镜头采用传统的机械驱动型镜头，成本高，且携带不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有自动变焦、对焦功能、结构简单、体积小、变焦对焦速度快且精确的学变焦、自动对焦镜头及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种光学变焦、自动对焦镜头，包括测距模块，数据处理模块，液态镜头驱动电路和镜头，所述镜头包括镜筒，第一液态镜头和第二液态镜头；

所述测距模块，数据处理模块，液态镜头驱动电路和镜头依次电连接，所述第一液态镜头和第二液态镜头固定于镜筒内部，测距模块测量待测对象与镜头的距离并输出代表二者距离的距离电压信号，数据处理模块根据测距模块输出的距离电压信号，输出物距值，并根据物距值得到驱动电路的输入值，驱动电路根据输入值调节输出到液态镜头上的控制电压，进而调节液态镜头中第一液态镜头和第二液态镜头的焦距。

本发明的有益效果是：本发明的镜头经过变焦、对焦过程，实现在虹膜识别系统的适用距离内，即使改变人与虹膜识别系统的距离，也能保持采集的虹膜图像的大小及清晰度不变，具有镜头体积小，结构简单，成本极低，操作简单，便携性强，变焦、对焦速度快，精确度高，液态镜头可拆卸，使用不同型号的液态镜头可以改变镜头的有效焦距范围，使用范围广的特点。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述测距模块包括频率源，延迟模块，锁相环，光波发生器，光波接收器和滤波模块；

进一步，所述频率源发出频率恒定的信号给光波发生器，光波发生器根据接收到的信号的频率产生相应频率的测量光波，将一部分的测量光波发送给延迟模块进行延迟，另一部分测量光波发射出去，所述光波接收器接收遇到被测物体反射回来的测量光波，接收到的反射回来的测量光波为反射光波，将反射光波发送给滤波模块进行滤波，将经过延迟的测量光波和经过滤波的反射光波输入到锁相环中，锁相环根据输入的测量光波和反射光波的相位差，输出距离电压信号。

进一步，所述测距模块为测距仪。

进一步，所述测距模块与镜头位于同一水平面上，使测距模块测得的距离与目标物体与镜头的距离相同。

进一步，所述第一液态镜头包括第一液体绝缘层和第一电解液层，所述第二液态镜头包括第二液体绝缘层和第二电解液层，所述第一电解液层和第二电解液层对光的反射率不同。

进一步，通过调节驱动电路输出到液态镜头上的控制电压，进而调节第一液体绝缘层和第一电解液层、第二液体绝缘层和第二电解液层之间的分界面的曲率，实现镜头光学变焦和自动对焦。

进一步，一种光学变焦、自动对焦方法，包括以下步骤：

步骤1：测距模块测量待测对象与镜头的距离，并输出代表二者距离的距离电压信号；

步骤2：数据处理模块根据测距模块输出的距离电压信号，输出物距值，并根据物距值得到驱动电路的输入值；

步骤3：驱动电路根据输入值调节输出到液态镜头上的控制电压，进而调节液态镜头中第一液态镜头和第二液态镜头的焦距。

进一步，所述测距模块包括频率源，延迟模块，锁相环，光波发生器，光波接收器和滤波模块；

所述频率源发出频率恒定的信号给光波发生器，光波发生器根据接收到的信号的频率产生相应频率的测量光波，将一部分的测量光波发送给延迟模块进行延迟，另一部分测量光波发射出去，所述光波接收器接收遇到被测物体反射回来的测量光波，接收到的反射回来的测量光波为反射光波，将反射光波发送给滤波模块进行滤波，将经过延迟的测量光波和经过滤波的反射光波输入到锁相环中，锁相环根据输入的测量光波和反射光波的相位差，输出距离电压信号。

进一步，所述测距模块为测距仪。

进一步，所述第一液态镜头包括第一液体绝缘层和第一电解液层，所述第二液态镜头包括第二液体绝缘层和第二电解液层，所述第一电解液层和第二电解液层对光的反射率不同。

通过调节驱动电路输出到液态镜头上的控制电压，进而调节第一液体绝缘层和第一电解液层、第二液体绝缘层和第二电解液层之间的分界面的曲率，实现镜头光学变焦和自动对焦。

附图说明

图1为本发明镜头结构框图；

图2为本发明数据处理模块的数据处理流程图；

图3a为本发明第一液态镜头和第二液态镜头施加电压为0时状态示意图；

图3b为本发明第一液态镜头施加某一电压，第二液态镜头施加电压为0时状态示意图；

图3c为本发明第一液态镜头施加电压为0，第二液态镜头时施加某一电压时状态示意图；

图3d为本发明第一液态镜头和第二液态镜头均施加某一电压时状态示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、测距模块，1.1、频率源，1.2、延迟模块，1.3、锁相环，1.4、光波发生器，1.5、光波接收器，1.6、滤波模块，100、第一液体绝缘层，101、第一电解液层，200、第二液体绝缘层，202、第二电解液层，2、数据处理模块，3、液态镜头驱动电路，4、镜头，4.0、镜筒,4.1、第一液态镜头，4.2、第二液态镜头。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明镜头结构框图；图2为本发明数据处理模块的数据处理流程图；图3a为本发明第一液态镜头和第二液态镜头施加电压为0时状态示意图；图3b为本发明第一液态镜头施加某一电压，第二液态镜头施加电压为0时状态示意图；图3c为本发明第一液态镜头施加电压为0，第二液态镜头时施加某一电压时状态示意图；图3d为本发明第一液态镜头和第二液态镜头均施加某一电压时状态示意图。

实施例1

一种光学变焦、自动对焦镜头，包括测距模块1，数据处理模块2，液态镜头驱动电路3和镜头4，所述镜头4包括镜筒4.0，第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2；

所述测距模块1，数据处理模块2，液态镜头驱动电路3和镜头4依次电连接，所述第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2固定于镜筒4.0内部，测距模块1测量待测对象与镜头4的距离并输出代表二者距离的距离电压信号，数据处理模块2根据测距模块1输出的距离电压信号，输出物距值，并根据物距值得到驱动电路3的输入值，驱动电路3根据输入值调节输出到液态镜头4上的控制电压，进而调节液态镜头4中第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2的焦距。

所述测距模块1包括频率源1.1，延迟模块1.2，锁相环1.3，光波发生器1.4，光波接收器1.5和滤波模块1.6；

所述频率源1.1发出频率恒定的信号给光波发生器1.4，光波发生器1.4根据接收到的信号的频率产生相应频率的测量光波，将一部分的测量光波发送给延迟模块1.2进行延迟，另一部分测量光波发射出去，所述光波接收器1.5接收遇到被测物体反射回来的测量光波，接收到的反射回来的测量光波为反射光波，将反射光波发送给滤波模块1.6进行滤波，将经过延迟的测量光波和经过滤波的反射光波输入到锁相环1.3中，锁相环1.3根据输入的测量光波和反射光波的相位差，输出距离电压信号。

所述测距模块或者为测距仪。

所述测距模块1与镜头4位于同一水平面上，使测距模块1测得的距离与目标物体与镜头的距离相同。

所述第一液态镜头4.1包括第一液体绝缘层100和第一电解液层101，所述第二液态镜头4.2包括第二液体绝缘层200和第二电解液层202，所述第一电解液层101和第二电解液层202对光的反射率不同。

通过调节驱动电路3输出到液态镜头4上的控制电压，进而调节第一液体绝缘层100和第一电解液层101、第二液体绝缘层200和第二电解液层202之间的分界面的曲率，实现镜头4光学变焦和自动对焦。

一种光学变焦、自动对焦方法，包括以下步骤：

步骤1：测距模块1测量待测对象与镜头4的距离，并输出代表二者距离的距离电压信号；

步骤2：数据处理模块2根据测距模块1输出的距离电压信号，输出物距值，并根据物距值得到驱动电路3的输入值；

步骤3：驱动电路3根据输入值调节输出到液态镜头4上的控制电压，进而调节液态镜头4中第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2的焦距。

所述测距模块1包括频率源1.1，延迟模块1.2，锁相环1.3，光波发生器1.4，光波接收器1.5和滤波模块1.6；

所述频率源1.1发出频率恒定的信号给光波发生器1.4，光波发生器1.4根据接收到的信号的频率产生相应频率的测量光波，将一部分的测量光波发送给延迟模块1.2进行延迟，另一部分测量光波发射出去，所述光波接收器1.5接收遇到被测物体反射回来的测量光波，接收到的反射回来的测量光波为反射光波，将反射光波发送给滤波模块1.6进行滤波，将经过延迟的测量光波和经过滤波的反射光波输入到锁相环1.3中，锁相环1.3根据输入的测量光波和反射光波的相位差，输出距离电压信号。

所述测距模块1或者为测距仪。

所述第一液态镜头4.1包括第一液体绝缘层100和第一电解液层101，所述第二液态镜头4.2包括第二液体绝缘层200和第二电解液层202，所述第一电解液层101和第二电解液层202对光的反射率不同。

通过调节驱动电路3输出到液态镜头4上的控制电压，进而调节第一液体绝缘层100和第一电解液层101、第二液体绝缘层200和第二电解液层202之间的分界面的曲率，实现镜头4光学变焦和自动对焦。

参见图1，一种新型的应用于虹膜识别系统的光学变焦、自动对焦镜头，首先,测距模块1测出人与镜头的距离，即物距u；然后，数据处理模块根据物距u得到最佳成像条件下的相距v和镜头焦距f的值，再根据相距v和镜头焦距f的值得到第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2的控制电压的大小；液态镜头驱动电路3将第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2的控制电压值作为输入信号，输出两路相应的电压；第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2的电压发生变化，从而导致其绝缘层与电解液层的分界面的曲率发生变化，从而使镜头的焦距f和相距v达到理想值，此时，虹膜识别系统采集的虹膜图像大小恒定，清晰度高。

所述测距模块。利用频率源驱动光波发生器产生频率恒定的光波，被测物体将光波反射，反射光被光波吸收器吸收，经延迟线延迟的发射光波与经滤波模块滤波的反射光波作为锁相环的输入信号，锁相环测出两束光波的相位差，从而得到物距u。

参见图2，本发明的数据处理模块主要包括查找表1和查找表2。利用查找表1得到当前物距u下，理想的相距v和镜头焦距f的值；利用查找表2，设定相距v和镜头焦距f，得到第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2的控制电压的电压值。

在一定的范围内，在改变物距u时，改变镜头焦距f能使物像的大小不变。通过改变液态镜头的电压而改变其电解液层与绝缘层的分界面的曲率从而主动改变镜头的焦距f。使用单一的液态镜头只能实现变焦功能，没有自动对焦功能，这样就使得虽然图像的大小不变，但是图像不清晰，不能满足虹膜识别系统的需求。采用两个液态镜头，根据其相对位置，其与图像传感器的位置，调整焦距f1，f2的值，能实现变焦与自动对焦的功能，得到物像大小恒定，且清晰度高的图像。

液态镜头的操作参见图3。图3a至图3d示出了根据本发明的液态镜头组的操作过程的示意图，其中，图3a为示出了第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2在电压为0时的初始状态，图3b为示出了第一液态镜头4.1施加某一电压，第二液态镜头4.2电压为0的状态，图3c为示出了第一液态镜头4.1电压为0，第二液态镜头4.2施加某一电压的状态，图3d为示出了第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2施加某一电压的状态。

参见图3a，在电压未施加到液态镜头的初始状态中，第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2的第一和第二电解液层200、201都处在最薄的状态，它们分别与第一和第一绝缘层100、101形成具有预定曲率的分界面。

参见图3b，当电压施加到第一液态镜头4.1时，启动与第一绝缘层100形成分界面的第一电解液层200，从而改变其间的分界面的曲率，因此第一镜头焦距f1发生变化，达到光学变焦的目的。可以根据第一电解液层200与第一绝缘层100的分界面的曲率变化程度，提供x1、x2、x3等不同的变焦倍率。

参见图3c，当电压施加到第二液态镜头4.2时，启动与第二绝缘层101形成分界面的第二电解液层201，从而改变其间的分界面的曲率，因此第二镜头焦距f2发生变化，达到的对焦目的。

参见图3d，当电压同时施加到第一液态镜头4.1和第二液态镜头4.2时，同时启动与第一绝缘层100形成分界面的第一电解液层200和与第二绝缘层101形成分界面的第二电解液层201，从而改变其间的分界面的曲率，因此第一镜头焦距f1和第二镜头焦距f2都发生变化，从而可以同时实现光学变焦和自动对焦的功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学变焦、自动对焦镜头，其特征在于：包括测距模块（1），数据处理模块（2），液态镜头驱动电路（3）和镜头（4），所述镜头（4）包括镜筒（4.0），第一液态镜头（4.1）和第二液态镜头（4.2）；

所述测距模块（1），数据处理模块（2），液态镜头驱动电路（3）和镜头（4）依次电连接，所述第一液态镜头（4.1）和第二液态镜头（4.2）固定于镜筒（4.0）内部，测距模块（1）测量待测对象与镜头（4）的距离并输出代表二者距离的距离电压信号，数据处理模块（2）根据测距模块（1）输出的距离电压信号，输出物距值，并根据物距值得到驱动电路（3）的输入值，驱动电路（3）根据输入值调节输出到液态镜头（4）上的控制电压，进而调节液态镜头（4）中第一液态镜头（4.1）和第二液态镜头（4.2）的焦距。

2.根据权利要求1所述的光学变焦、自动对焦镜头，其特征在于：所述测距模块（1）包括频率源（1.1），延迟模块（1.2），锁相环（1.3），光波发生器（1.4），光波接收器（1.5）和滤波模块（1.6）；

所述频率源（1.1）发出频率恒定的信号给光波发生器（1.4），光波发生器（1.4）根据接收到的信号的频率产生相应频率的测量光波，将一部分的测量光波发送给延迟模块（1.2）进行延迟，另一部分测量光波发射出去，所述光波接收器（1.5）接收遇到被测物体反射回来的测量光波，接收到的反射回来的测量光波为反射光波，将反射光波发送给滤波模块（1.6）进行滤波，将经过延迟的测量光波和经过滤波的反射光波输入到锁相环（1.3）中，锁相环（1.3）根据输入的测量光波和反射光波的相位差，输出距离电压信号。

3.根据权利要求1所述的光学变焦、自动对焦镜头，其特征在于：所述测距模块为测距仪。

4.根据权利要求1至3任一所述的光学变焦、自动对焦镜头，其特征在于：所述测距模块（1）与镜头（4）位于同一水平面上，使测距模块（1）测得的距离与目标物体与镜头的距离相同。

5.根据权利要求1至3任一所述的光学变焦、自动对焦镜头，其特征在于：所述第一液态镜头（4.1）包括第一液体绝缘层（100）和第一电解液层（101），所述第二液态镜头（4.2）包括第二液体绝缘层（200）和第二电解液层（202），所述第一电解液层（101）和第二电解液层（202）对光的反射率不同。

6.根据权利要求5所述的光学变焦、自动对焦镜头，其特征在于：通过调节驱动电路（3）输出到液态镜头（4）上的控制电压，进而调节第一液体绝缘层（100）和第一电解液层（101）、第二液体绝缘层（200）和第二电解液层（202）之间的分界面的曲率，实现镜头（4）光学变焦和自动对焦。

7.一种光学变焦、自动对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：测距模块（1）测量待测对象与镜头（4）的距离，并输出代表二者距离的距离电压信号；

步骤2：数据处理模块（2）根据测距模块（1）输出的距离电压信号，输出物距值，并根据物距值得到驱动电路（3）的输入值；

步骤3：驱动电路（3）根据输入值调节输出到液态镜头（4）上的控制电压，进而调节液态镜头（4）中第一液态镜头（4.1）和第二液态镜头（4.2）的焦距。

8.根据权利要求7所述的光学变焦、自动对焦方法，其特征在于：所述测距模块（1）包括频率源（1.1），延迟模块（1.2），锁相环（1.3），光波发生器（1.4），光波接收器（1.5）和滤波模块（1.6）；

所述频率源（1.1）发出频率恒定的信号给光波发生器（1.4），光波发生器（1.4）根据接收到的信号的频率产生相应频率的测量光波，将一部分的测量光波发送给延迟模块（1.2）进行延迟，另一部分测量光波发射出去，所述光波接收器（1.5）接收遇到被测物体反射回来的测量光波，接收到的反射回来的测量光波为反射光波，将反射光波发送给滤波模块（1.6）进行滤波，将经过延迟的测量光波和经过滤波的反射光波输入到锁相环（1.3）中，锁相环（1.3）根据输入的测量光波和反射光波的相位差，输出距离电压信号。

9.根据权利要求7所述的光学变焦、自动对焦镜头，其特征在于：所述测距模块为测距仪。

10.根据权利要求7至9任一所述的光学变焦、自动对焦镜头，其特征在于：所述第一液态镜头（4.1）包括第一液体绝缘层（100）和第一电解液层（101），所述第二液态镜头（4.2）包括第二液体绝缘层（200）和第二电解液层（202），所述第一电解液层（101）和第二电解液层（202）对光的反射率不同；

通过调节驱动电路（3）输出到液态镜头（4）上的控制电压，进而调节第一液体绝缘层（100）和第一电解液层（101）、第二液体绝缘层（200）和第二电解液层（202）之间的分界面的曲率，实现镜头（4）光学变焦和自动对焦。

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