CN104813226A - 借助测量用光学器件确定一定距离下的景深的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种借助测量用光学器件(10)确定一定距离下的透镜系统景深的方法，其包括以下步骤：以无需将图像投射到聚焦屏上的方式，利用人眼(11)对所述测量用光学器件(10)进行手动光学调焦(12)；在调焦(12)过程中监测(13)测量用光学器件(10)机构的运动；确定并指出(5)由所述运动产生的调整距离；其中，根据焦距、光圈、超焦距及散光圈，利用数学算法确定并指出(5)与所述调整距离对应的景深范围。

Description

借助测量用光学器件确定一定距离下的景深的方法及装置

技术领域

本发明如权利要求1所述涉及一种借助测量用光学器件确定一定距离下的景深的方法以及对应装置，以及所述装置和记录用光学器件的配置结构。

背景技术

景深或焦深(depth of focus)是成像光学系统物体空间中轮廓清晰度范围的度量。该术语在摄影技术中具有重要的意义，其描述了能够使摄像光学器材成像中物体轮廓足够清晰的距离范围的大小。通常，使用小光圈或短焦距镜头能够获得大焦深。

两种不同设置的基本区别在于：仅由单一针孔光圈构成的针孔照相机以及同样包括上述光圈但(至少)还包括一个(位于该光圈的之前或之后)能够生成普通光学图像的镜头(透镜)的透镜系统。

由物体发出的光束穿过针孔光圈投射到像平面(屏幕、胶片或照相机图像传感器)。根据光圈直径的大小，这些光束变成具有较大或较小厚度的圆锥形光体。通过以圆锥形剪切像平面，在像平面上产生圆形、所谓的散光圈或模糊圈(Z)。它们存在于物体、光圈和图像之间的任意距离维度上。根据相交线定理，计算像平面中圆形的尺寸。针孔光圈的影响成简单正比：孔径越大，模糊光圈就越大。为获得更清晰的成像，则需要较小的孔径。然而，如果将孔径设置得过小，则离开了几何光学的范围，而光的波性将占主导地位。孔径越小，由此产生的衍射效应的分布则越大。这样便降低了清晰度。因此，对于针孔照相机而言，存在一个最佳的孔径。此外，在实现最优化过程中，除了成像属性之外，还需要考虑较小孔径条件下光通量的减少以及由此增加的采光时间。

原则上，具有额外镜头的结构的改变仅在于，在像平面距镜头一定距离时镜头确保能够生成清晰图像(理想情形下)。上述的失真情况不会出现在这一位置上(而光圈开量大致会被增加，以获得较好的光输出)。只有物点在位于清晰成像位置前方或后方时，会使清晰度降低，并随着距离的增加，清晰度减弱到仅为针孔照相机光圈所产生的值。

在几何光学中，在像平面(胶片、晶片传感器)中被重现为清晰图像点的仅有的一些点是那些存在于距离镜头一定物距的平面上的点。位于或近或远的平面上的所有其它点不再作为像平面上的点出现，更确切地说，是以小圆盘的形式出现，即所谓的散光圈或模糊圈(Z)。

散光圈的出现是由于从镜头落入像平面的光体呈圆锥形。通过以圆锥形切割像平面，在像平面上产生了圆形。

未存在于物面上的彼此靠近的点通过彼此靠近且在边缘区域彼此重叠、混合在一起的散光圈成像，由此生成了模糊图像。

由此需要了解和/或确定一定距离的景深和光学器件。

公开号分别为DE 3035568A1和DE 3637742A1的德国专利分别披露了具有自动清晰度调整功能的照相机，该照相机的光学器件将图像投射到聚焦屏(focusing screen)上。

由此，本发明的目的在于提供一种用于确定并指出一定距离下的景深和光学器件景深的简单手动选择方法。

发明内容

上述本发明目的由权利要求1所述方法及权利要求7所述装置实现。

依据本发明不难发现，使用了包含下列步骤的方法能够精确且轻易地确定景深：

以无需将图像投射到聚焦屏或中间投射面上的方式，利用人眼对所述测量用光学器件进行手动光学调焦；

在调焦过程中监测测量用光学器件机构的运动；

确定并指出由所述运动产生的调整距离；

其中，根据焦距、光圈、超焦距及散光圈，利用数学算法确定并指出与所述调整距离对应的景深范围。

由此，本发明方法可以省略传播时间测量等步骤，进而只依赖于测量用光学器件的精度。这样可实现相对的无干扰。此外，本发明方法可以精确地聚焦物体，这对物体的距离和周围清晰度范围的确定是非常有利的。

无需将调焦用的图像投射到聚焦屏上，直接使用适应人眼的光学器件。因此，无需在光学器件与人眼之间使用中间投射面。

此外，也无需向图像传感器、A/D转换器等实施投射，而是由眼球充当投射面，主动省略掉聚焦屏。

本发明方法还考虑到了所谓的焦点位移。焦点位移(FS,focusshift)是指取决于调整过的光圈的焦点平面上的位移。焦点位移的长度取决于个别镜头的设计，而基本与所使用的相机无关。因此，只能通过对个别镜头的修正来消除焦点位移。

通过计算由人眼调整过的清晰度，快速、精确地确定调整过的距离。这是本发明确定景深方法的前提。

对于机械传感器的计算与匹配由此能够实现借助人眼实施的基于光学原理的清晰度或光学距离的精确确定。相比于纯手动调焦，相关机构的监测更加精确。通过省略自动聚焦可以实现小而紧凑的结构和低功耗。

不难理解，测量用光学器件是那些主要仅用于测量确定景深所使用的距离的光学器件。相反，记录用光学器件用于记录图像，例如应用于照相机的光学器件。

为了尽可能小地影响测量用光学器件并实现特别精确的监测，在一实施例中以非接触方式监测待监测机构。举例来说，为了实现这一目的，可考虑使用电感耦合旋转传感器充当上述传感器。这一旋转传感器通过摩檫轮与诸如螺纹蜗轮连接。

在一最简单形式中，根据光学器件的运动以列表形式确定调整过的距离，即：对应于何种距离或光学器件中的何种相对变化的传感器运动被存储下来，为电脑所用。由此，根据光学器件的运动范围，抽选出关于调整过的距离的结果。

较为实用的是，不仅能够确定单一景深，还可指出对于多个光圈值，例如5,6,8,11和15，均有效的景深范围。由此为摄像师提供了光圈选择的参考点。

然而，上述方法还适于直接与记录用光学器件一起使用。为此，将测量用光学器件与记录用光学器件相匹配，即：将记录用光学器件的清晰度调整与测量用光学器件的清晰度调整相匹配，这样一旦发生偏差，可以重新调整测量用光学器件，从而可以精确地确定出景深，并可用于记录用光学器件的调整。

优选地，为此，方向指示器指出在重新调整所述测量用光学器件以使所述测量用光学器件与所述记录用光学器件相匹配的过程中所述测量用光学器件的移动方向。

换句话说，首先利用人眼对一个光学器件进行手动调焦，之后通过重新调整校正这一调焦调整。校正值被用于在数学算法上确定景深，其中，该数学算法依据了焦距、光圈、超焦距以及散光圈。清晰度的近点和远点，即景深，被输出。

这样，可以在光学器件的重新调整过程中实现对于机构运动的监测，即：确定运动范围并在校正过的距离确认中包括该运动范围。

为了向用户输出经过校正的移动方向，可以使用方向指示器指示光学器件在重新调整过程中的移动方向。这样，可使用例如箭头形式或单纯LED形式的简易指示器，根据光学器件的移动方向，例如向左或向右的旋转方向，点亮该指示器。

适于实施本发明方法的装置，其包括：可手动调焦且不具有聚焦屏的测量用光学器件、电脑、输出单元以及传感器，其中，所述测量用光学器件包括借助人眼实施手动调焦的移动机构；所述传感器监测手动调焦操作的移动，其中，所述电脑用于通过计算来自被监测机构的传感器信号确定距离，以便使所述电脑根据焦距、光圈、超焦距和散光圈使用数学算法确定并输出该距离下的景深范围。

所述测量用光学器件优选为透镜，尤其是开普勒单目镜。

优选地，上述装置还包括：用于显示所述距离和景深的显示器。作为一种选择或一种附加，还可实现声音指示。

在一优选实施例中，所述传感器所述测量用光学器件的可旋转机构连接，特别是通过摩檫轮与蜗轮螺纹连接，以便实现较高的精度。

比较有益的是所述传感器以非接触的方式监测光学器件机构的运动，优选地所述传感器以电感方式运行，这样能够精确接通传感器且不会受到影响。

当上述装置与尤其是照相机的记录用光学器件连接构成一配置时，其中，所述装置与所述记录用光学器件电连接，以实现数据交换，并且所述装置用于接收来自所述记录用光学器件的调整过的焦距或调整过的对焦设置，其中，被程序化的所述装置的电脑利用来自被监测机构的传感器信号计算值实施所述装置与记录用光学器件的匹配。由此可利用上述装置(参照上文)精确地确定出用于记录用光学器件调整的景深。

下文将参照附图解释本发明的更多特征及详细内容。所述附图如下：

附图说明

图1为以局部透明方式示意性图解用于确定一定距离下的景深的装置的立体图；

图2为从不同于图1的一侧显示图1所示装置的平面图；以及

图3为使用图1所示装置确定一定距离下的景深的方法流程图。

具体实施方式

上述附图示出了整体以“1”标记的用于确定一定距离下的景深的装置。

上述装置包括形成了杆状把手部3的长壳体2以及光学器件部4。在把手部3中，设置有电脑(未图示)、显示器5、操作部件6、用于供电的电池仓7、稳定供电且/或与照相机和内存卡的内存卡插槽9电连接的电气及电子接口8。

光学器件部4主要包括在其一侧设置的带有突出的镜头罩11的测量用光学器件10以及在其另一侧设置的调焦圈12。开普勒单目镜被用作上述光学器件。

在光学器件部4与把手部3之间的过渡区域内设置有通过摩檫轮14连接于测量用光学器件10的可旋转机构(蜗轮)的传感器13。该传感器为电感旋转式传感器，并以非接触方式感测测量用光学器件的机械运动。

显示器5用于指示距离和景深。

此外，以LED(发光二极管)形式设置的方向指示器15用于显示重新调整过程中光学器件的移动方向。在上述装置装配有电连接的相机(参考下文)时，使用上述方向指示器。

在显示器5中，不仅示出了确定对多个光圈值5,6,8,11和15有效的单一景深，还示出了确定对于多个光圈值5,6,8,11和15有效的景深范围。由此为摄像师提供了光圈选择的参考点。

此外，启动按钮16用于开关通断。

上述装置以如下方式运行或单独使用：

首先，用眼睛在调焦圈12上对光学器件10进行手动调焦。此时的清晰度为调整后的清晰度或距离。传感器13感测出本次调整，并由电脑以列表方式确定距离并相应地计算出景深。

当上述装置与相机连接(例如通过接口8使用USB线缆实施这一连接)时，上述装置以如下方式(参见图3)运行或使用：

首先，利用人眼在调焦圈12上对光学器件10进行手动调焦。此时的清晰度为调整后的清晰度或距离。传感器13感测出本次调整，并由电脑以列表方式确定距离(与上文所述实例相似)。通过借助接口8实施的数据交换或匹配(步骤1)，将本次调整与相机上实施的清晰度或距离调整相比较。

随后检查调整过的清晰度或依据该清晰度选定的距离是否恰当或是否与相机的调整过的清晰度或距离相匹配(步骤2)。

通常不会是这种情况。

通过LED15的闪烁，显示重新调整测量用光学器件所需的移动方向(步骤3)，即：出于重新调整的目的必须逆时针旋转调焦圈12时，左侧LED闪烁；反之，右侧LED闪烁表示调焦圈12的另一移动方向。借助LED15，调焦圈12可被用于重新调整清晰度或距离，直至设定了与相机相一致的调整距离或恰当的清晰度(步骤4)。

如果上述装置确定了恰当清晰度或距离的调整，则会使这两个LED持续点亮(步骤5)。

这一调整是对于清晰度或距离的校正或重新调整。电脑使用这一调整以数学方法确定景深，其中，需要考虑焦距、光圈、超焦距及散光圈，这些参数是在相机中由数据交换产生的。

将计算求出的值输出在显示器5上(步骤6)。其中，指示出了多个光圈(参照上文)的清晰度的近点及远点。

这样，上述装置只输出对于相机有效的值。

Claims (13)

1.一种借助测量用光学器件确定一定距离下的景深的方法，其包括以下步骤：

以无需将图像投射到聚焦屏或中间投射面上的方式，利用人眼对所述测量用光学器件进行手动光学调焦；

在调焦过程中监测测量用光学器件机构的运动；

确定并指出由所述运动产生的调整距离；

其中，根据焦距、光圈、超焦距及散光圈，利用数学算法确定并指出与所述调整距离对应的景深范围。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以非接触方式监测所述测量用光学器件机构。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，依据所述测量用光学器件的运动以列表形式确定所述调整距离。

4.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，确定并指出对多个光圈值有效的景深范围。

5.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，将所述测量用光学器件与记录用光学器件进行匹配。

6.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，方向指示器指出在重新调整所述测量用光学器件以使所述测量用光学器件与所述记录用光学器件相匹配的过程中所述测量用光学器件的移动方向。

7.用于确定一定距离下的景深的装置，尤其是使用前述任一权利要求所述方法确定一定距离下的景深的装置，其包括：

可手动调焦且不具有聚焦屏的测量用光学器件、电脑、输出单元以及传感器，其中，所述测量用光学器件包括借助人眼实施手动调焦的移动机构；

所述传感器监测手动调焦操作的运动，其中，所述电脑用于通过计算来自被监测机构的传感器信号确定距离，以便使所述电脑根据焦距、光圈、超焦距和散光圈使用数学算法确定并输出该距离下的景深范围。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述测量用光学器件是透镜，特别是开普勒单目镜。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，还包括：用于显示所述距离和景深的显示器。

10.根据权利要求7至9中任意一项所述的装置，其特征在于，所述传感器通过摩檫轮与所述测量用光学器件的可旋转机构连接。

11.根据权利要求7至10中任意一项所述的装置，其特征在于，所述传感器以电感方式运行。

12.权利要求7至11中任意一项所述装置与记录用光学器件的配置结构，上述记录用光学器件优选为照相机，其中，所述装置与所述记录用光学器件电连接，以实现数据交换，并且所述装置用于接收来自所述记录用光学器件的调整过的焦距或调整过的对焦设置，其中，被程序化的所述装置的电脑利用来自被监测机构的传感器信号计算值实施所述装置与记录用光学器件的匹配。

13.根据权利要求12所述的总成，其特征在于，所述装置包括优选为LED的方向指示器，所述方向指示器用于显示根据所述匹配实现的所述测量用光学器件的移动方向。