CN106226975B - 自动对焦方法、设备及成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自动对焦方法、设备及成像装置。该自动对焦方法包括：S1通过一可变焦透镜单元获取一场景的深度分布；S2获取该场景的感兴趣区域的深度值；S3依据该深度分布与该场景的物距分布之间的映射关系，获取该感兴趣区域的深度值所对应的物距值；S4依据高斯成像公式，获取该可变焦透镜单元的光焦度值；S5依据光焦度分布与该可变焦透镜单元的驱动电压分布之间的映射关系，施加与该光焦度值对应的驱动电压驱动该可变焦透镜单元。本发明通过可变焦透镜单元获取场景的深度分布不仅实现对场景中感兴趣区域快速自动对焦，而且还获取场景的深度图，为渲染或抠图等图像处理提供更多的可能性和方便性，用户体验佳。

Description

自动对焦方法、设备及成像装置
技术领域
本发明涉及液晶透镜技术领域，具体涉及一种自动对焦方法、自动对焦设备及基于上述自动对焦设备的成像装置。
背景技术
由于液晶透镜及其阵列具有体积小，重量轻，功耗小等优势，其无需机械部件实现可调焦距的特点表现出独有的优势。经过近几年的发展，液晶透镜及其阵列在光通讯器件、光纤开关、光偏转器件、3D显示、集成图像系统及图像处理等各种领域具有极大的潜在应用价值。具有液晶透镜及其阵列的成像装置在国防、科研、医疗和日常生活中具有许多重要的作用。
目前摄像设备的对焦主要是采用位像差和对比度技术实现。其中，日常生活中使用的单反相机就是位相差技术的典型应用。单反相机包括反光镜、取景器及位相检测传感器等，通过位相检测传感器检测位相差，再由驱动机构驱动摄像镜头移动实现对焦。由于位相差技术需要摄像镜头机械移动，因此需要大功率的摄像镜头驱动机构，较耗电，体积大，成本高昂。
而对比度技术的自动对焦系统中，该方法直接从捕获的视频图像抽取与图像离焦状态相对应的信息，且其采用爬山法控制透镜使离焦状态最小。需要不断调节电压实现对焦，对比度技术实现自动对焦的时间较长。
此外，对比文件1(CN101331417A)公开一种自动聚焦设备和光学装置，该自动聚焦设备包括液晶透镜、光电转换单元、聚焦信号抽取单元、聚焦点辨别单元、聚焦点调节单元，其中聚焦信号抽取单元，通过把多个聚焦信号抽取电压施加到所述液晶透镜上使所述折射率分布变化，并且基于所述图像信号抽取多个聚焦信号；聚焦点辨别单元，从所述多个抽取聚焦信号中辨别与聚焦点相对应的聚焦信号；及聚焦点调节单元，通过把聚焦点调节电压施加到所述液晶透镜上来调节聚焦点，该聚焦点调节电压能够产生与由所述聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号相对应的折射率分布，并且小于施加到所述液晶透镜上以便得到由所述聚焦点辨别单元辨别的聚焦信号的所述多个聚焦信号抽取电压。该自动聚焦设备由于需要抽取多个聚焦信号，同时还要辨别与聚焦点相对应的聚焦信号，其本质上也是采用登山法实现，因而自动聚焦的时间较长，若遇到聚焦的场景快速发生变化时，则不能及时实现达到用户需要的自动聚焦。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种自动对焦方法、设备及成像装置，用以解决现有技术中自动对焦需要摄像头机械移动、对焦时间较长的问题。
第一方面，本发明提供一种自动对焦方法，所述自动对焦方法包括以下步骤：
S1通过一可变焦透镜单元获取一场景的深度分布；
S2获取所述场景的感兴趣区域的深度值；
S3依据所述深度分布与所述场景的物距分布之间的映射关系，获取所述感兴趣区域的深度值所对应的物距值；
S4依据高斯成像公式，获取所述可变焦透镜单元的光焦度值；
S5依据光焦度分布与所述可变焦透镜单元的驱动电压分布之间的映射关系，施加与所述光焦度值对应的驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述自动对焦方法在步骤S1之前还包括：
S0像距获取步骤，获取所述可变焦透镜单元处于非透镜状态下的像距。
结合第一方面，在第二种可能的实现方式中，所述自动对焦方法的步骤S1具体包括：
S11控制所述可变焦透镜单元处于第一光焦度，获取所述场景的第一图像，并获取所述第一光焦度对应对焦面的物距U1；
S12控制所述可变焦透镜单元处于第二光焦度，获取所述场景的第二图像，并获取所述第二光焦度对应对焦面的物距U2，其中，所述第一光焦度不等于所述第二光焦度；
S13依据所述第一图像和所述第二图像获取所述场景的深度分布。
结合第一方面，在第三种可能的实现方式中，所述第一光焦度取最小值，所述第二光焦度取最大值。
结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述步骤S5进一步包括以下步骤：
S51建立所述可变焦透镜单元的光焦度分布与驱动电压分布之间的映射关系；
S52计算或查询所述光焦度值所对应的驱动电压；
S53输出所述驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
结合第一方面，在第五种可能的实现方式中，所述步骤S51进一步包括以下步骤：
S511采集所述可变焦透镜单元形成的干涉条纹图像；
S512获取所述干涉条纹图像中全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息；
S513获取所述可变焦透镜单元的Zernike系数，并依据所述Zernike系数与所述全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息计算所述可变焦透镜单元的焦距；
S514不断改变施加至所述可变焦透镜单元的驱动电压，获取满足综合像差量小于预设值时的起步焦距，并记录所述起步焦距对应的第一驱动电压和第二驱动电压；
S515将所述第一驱动电压和所述第二驱动电压中一个固定不变，另一个按照预设的步进量递进，并记录每变化一个步进量对应的焦距；
S516依据所述可变焦透镜单元的焦距与光焦度的换算关系，建立光焦度分布与驱动电压分布之间的对应关系。
结合第一方面，在第六种可能的实现方式中，所述可变焦透镜单元为液晶透镜、液晶微透镜阵列或液体透镜。
第二方面，本发明还提供一种自动对焦设备，所述自动对焦设备包括：
深度分布获取单元，通过一可变焦透镜单元获取一场景的深度分布；
感兴趣区域深度值获取单元，获取所述场景的感兴趣区域的深度值；
物距值获取单元，依据所述深度分布与所述场景的物距分布之间的映射关系，获取所述感兴趣区域的深度值所对应的物距值；
光焦度值获取单元，依据高斯成像公式，获取所述可变焦透镜单元的光焦度值；
驱动单元，依据光焦度分布与所述可变焦透镜单元的驱动电压分布之间的映射关系，施加与所述光焦度值对应的驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实现方式中，所述深度分布获取单元进一步包括：
第一图像获取模块，控制所述可变焦透镜单元处于第一光焦度，获取所述场景的第一图像，并获取所述第一光焦度对应对焦面的物距U1；
第二图像获取模块，控制所述可变焦透镜单元处于第二光焦度，获取所述场景的第二图像，并获取所述第二光焦度对应对焦面的物距U2，其中，所述第一光焦度不等于所述第二光焦度；
场景深度分布获取模块，依据所述第一图像和所述第二图像获取所述场景的深度分布。
结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二方面的第二种可能的实现方式中，所述驱动单元包括：
映射关系建立模块，建立所述可变焦透镜单元的光焦度分布与驱动电压分布之间的映射关系；
驱动电压获取模块，计算或查询所述光焦度值所对应的驱动电压；
驱动电压输出模块，输出所述驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
结合第二方面，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述映射关系建立模块进一步包括：
采集子模块，用于采集所述可变焦透镜单元形成的干涉条纹图像；
条纹位置获取子模块，用于获取所述干涉条纹图像中全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息；
焦距计算子模块，用于获取所述可变焦透镜单元的Zernike系数，并依据所述Zernike系数与所述全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息计算所述可变焦透镜单元的焦距；
起步焦距获取与记录子模块，用于不断改变施加至所述可变焦透镜单元的驱动电压，获取满足综合像差量小于预设值时的起步焦距，并记录所述起步焦距对应的第一驱动电压和第二驱动电压；
焦距记录子模块，将所述第一驱动电压和所述第二驱动电压中一个固定不变，另一个按照预设的步进量递进，并记录每变化一个步进量对应的焦距；
换算对应关系子模块，用于依据所述可变焦透镜单元的焦距与光焦度的换算关系，建立所述光焦度与驱动电压之间的对应关系。
第三方面，本发明还提供一种自动对焦设备，包括：可变焦透镜单元、图像传感器单元和处理器以及存储器，所述处理器控制所述可变焦透镜单元、所述图像传感器单元及存储器工作，所述存储器用于存储计算机执行指令，所述处理器读取所述存储器存储的所述计算机执行指令，用于控制所述可变焦透镜单元与所述图像传感器单元工作，以执行前述自动对焦方法。
第四方面，本发明还提供一种成像装置，包括：主透镜单元，其特征在于，所述成像装置还包括一自动对焦设备，所述自动对焦设备为前述自动对焦设备。
结合第四方面，在一种可能的实现方式中，所述成像装置应用于胶囊型医疗设备、航空拍摄设备、智能汽车、机器人、智能穿戴设备、安防监视设备、医学显微镜、微创医疗设备以及带摄像头的导弹中。
本发明的上述自动对焦方法、自动对焦设备及成像装置，通过可变焦透镜单元获取场景的深度分布不仅实现对场景中感兴趣区域快速自动对焦，而且还获取场景的深度图，为渲染或抠图等图像处理提供更多的可能性和方便性，用户体验佳。
附图说明
图1为本发明实施方式一的自动对焦方法的流程图。
图2为图1中步骤S1一实施例的可选细化流程图。
图3为图1中步骤S1另一实施例的可选细化流程图。
图4为图1中步骤S5的可选细化流程图。
图5是图4中步骤S51的可选细化流程图。
图6是为本发明一实施方式的自动对焦设备的结构示意图。
图7是图6中深度分布获取单元一实施例的结构示意图。
图8是图6中深度分布获取单元另一实施例的结构示意图。
图9为图6中驱动单元的结构示意图。
图10为图9中映射关系建立模块的结构示意图。
图11为本发明另一实施方式的自动对焦设备的结构示意图。
图12为本发明成像装置的较佳实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。
实施方式一
请参见图1至图5，图1为本发明实施方式一的自动对焦方法的流程图，图2为图1中步骤S1一实施例的可选细化流程图，图3为图1中步骤S1另一实施例的可选细化流程图，图4为图1中步骤S5的可选细化流程图，图5是图4中步骤S51的可选细化流程图。如图1至5所示，本发明提供一种自动对焦方法，所述自动对焦方法包括以下步骤：
S1通过一可变焦透镜单元获取一场景的深度分布；
S2获取所述场景的感兴趣区域的深度值；
S3依据所述深度分布与所述场景的物距分布之间的映射关系，获取所述感兴趣区域的深度值所对应的物距值；
S4依据高斯成像公式及所述物距值，获取所述可变焦透镜单元的光焦度值；
S5依据光焦度分布与所述可变焦透镜单元的驱动电压分布之间的映射关系，施加与所述光焦度值对应的驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
在一个实施例中，所述自动对焦方法在步骤S1之前还包括：
S0像距获取步骤，获取所述可变焦透镜单元处于非透镜状态下的像距。
进一步地，所述自动对焦方法的步骤S1具体包括：
S11控制所述可变焦透镜单元处于第一光焦度，获取所述场景的第一图像，并获取所述第一光焦度对应对焦面的物距U1；
S12控制所述可变焦透镜单元处于第二光焦度，获取所述场景的第二图像，并获取所述第二光焦度对应对焦面的物距U2，其中，所述第一光焦度不等于所述第二光焦度，U2≠U1；当然，这里的第一光焦度可以是拍摄场景的前景获得的前景对焦图像，第二光焦度可以是拍摄场景的后景获得的后景对焦图像，或者也可反过来，第一光焦度对应后景对焦图像，第二光焦度对应前景对焦图像。所谓场景的前景是指距离可变焦透镜单元较近的对焦面，所谓场景的后景是指距离可变焦透镜单元较远的对焦面。
S13依据所述第一图像和所述第二图像获取所述场景的深度分布。这里场景深度分布可以通过离焦深度法DFD(Depth from Defocus)获得。
在一个变形实施例中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S41设定场景中需标定的物距的数量和大小；
S42获取每个需标定的物距下可变焦透镜单元工作于第一焦距状态的图像和第二焦距状态的图像，其中第一焦距状态不同于第二焦距状态，这里的不同主要是第一焦距、第二焦距大小不同带来的状态差异，在第一焦距状态、第二焦距状态下，可变焦透镜单元呈现透镜的物理性质；较佳地，这里的第一焦距状态为焦距值最大时的最大焦距状态，第二焦距状态为焦距值最小时的最小焦距状态。
S43通过DFD算法获取每个需标定的物距对应的场景深度；具体来说，DFD(Depth-from-Defocus的首字母简称)算法是一个依靠物体在散焦状态的散焦程度的不同计算深度的方法。我们知道当一个物体处于对焦平面时，物体可呈现一个清晰的像。而当物体到对焦平面有一段距离时，物体成像会逐渐模糊，我们称之为物体处于散焦状态。物体距离对焦平面越远，则散焦程度越重。因此我们可以根据同一个场景下物体在不同对焦状态时的不同散焦度来推测场景中物体的深度。
一般DFD算法是根据两张图计算深度。我们改变成像系统的像距或是焦距，分别获取同一个场景在两个不同对焦状态下的图像I1，I2，然后使用多组窄带滤波器(pass-bandfilter)，或是分式滤波器(rational filter)等获取场景的相对散焦度。物体的相对散焦度与场景深度在一定范围内是成一一对应关系的，因此通过这个方法我们可以计算出一定范围内的场景深度。通常情况下，这个深度范围是生成图像I1，I2时的对焦平面之间的深度。
此外，还可采用DFF(Depth-from-focus)算法采集分时采集同一场景的同一目标的多幅图像，然后获取各幅图像的聚焦值，依据聚焦值峰值得到对应的对焦平面深度，然后不断改变同一场景内的目标，获取多个目标各自对应的对焦平面深度，形成对焦平面深度分布，然后据此拟合出场景的相对深度分布图。
S44采用线性插值方法建立所述场景深度分布与对焦状态时的物距分布之间的映射关系。
具体来说，需要标定物距u与深度Depth之间的关系：将物体放置于不同的物距u'∈[u近，u远]，在每一个物距处将液晶透镜工作在最小焦距和最大焦距的状态，并分别获取这两种状态的图像：前景对焦图像I_Fu'和后景对焦图像I_Bu'，通过DFD算法获取物距u'的深度信息Depth'，这样就建立了物距u与深度Depth映射关系。为提高标定的速度，u'在[u近，u远]范围内取10个不同的距离，通过DFD算法获取10个对应的深度信息，然后用线性插值的方法，得到密集的u'对应的密集的Depth'，密集的u'集合记为：U，密集Depth'集合记为D，集合D与集合U是一一映射的关系。
还有，物距u为相机与物体之间的距离，单位m，u∈[0,umax]，深度Depth为相机与物体之间的距离关系。其中，
Depth∈[0,2BiteWidth]，
BiteWidth为图像的像素位数。由于其物理意义是一样的，所以将深度Depth与u做一一映射，Depth＝(2BiteWidth/umax)*u，其中umax为物距u的最大值。控制的过程如下：由深度信息Depth获得物距u，由物距u获取焦距f＝uv/(u+v)。，再由焦距f获取对应的控制电压(V1，V2),输出电压(V1，V2)，处于物距为u的物体即可立刻对焦，对焦时间为液晶透镜的响应时间t<500ms。
一个较佳的实施例中，所述第一光焦度取最小值，所述第二光焦度取最大值。此时二者的差值最大，得到的深度分布范围较为准确。
进一步地，所述步骤S5进一步包括以下步骤：
S51建立所述可变焦透镜单元的光焦度分布与驱动电压分布之间的映射关系；
S52计算或查询所述光焦度值所对应的驱动电压；
S53输出所述驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
较佳地，所述步骤S51进一步包括以下步骤：
S511采集所述可变焦透镜单元形成的干涉条纹图像；
S512获取所述干涉条纹图像中全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息；
S513获取所述可变焦透镜单元的Zernike系数，并依据所述Zernike系数与所述全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息计算所述可变焦透镜单元的焦距；
S514不断改变施加至所述可变焦透镜单元的驱动电压，获取满足综合像差量小于预设值时的起步焦距，并记录所述起步焦距对应的第一驱动电压和第二驱动电压；
S515将所述第一驱动电压和所述第二驱动电压中一个固定不变，另一个按照预设的步进量递进，并记录每变化一个步进量对应的焦距；
S516依据所述可变焦透镜单元的焦距与光焦度的换算关系，建立光焦度分布与驱动电压分布之间的对应关系。
较佳地，所述可变焦透镜单元为液晶透镜、液晶微透镜阵列或液体透镜。需要指出的是，这里的液晶透镜是指大孔径的单体液晶透镜，而这里的液晶微透镜阵列则是指小孔径的液晶透镜，按照矩阵的方式将多个小孔径液晶透镜组合起来。
具体地，这里的可变焦透镜单元可以为液晶透镜或液晶微透镜阵列。以液晶透镜为例，首先需要测量液晶透镜的光焦度P与驱动电压(V1，V2)变化的关系，寻找出像差最小的电压组合(频率，振幅)，使得总的光焦度P总＝P+-P-最大。测量液晶透镜光焦度P随着驱动电压(V1，V2)变化的关系，测量方法可参考现有技术，经过测量得到液晶透镜的光焦度(optical power)随驱动电压变化的关系：光焦度optical_power＝fun1(V1,V2)，具体的关系可参见以下论文：如B.Wang,M.Ye,and S.Sato的论文《“Lens of electricallycontrollable focal length made by a glass lens and liquid-crystal layers”,Appl.Opt.43,3420–3425(2004)》，M.Ye,M.Noguchi,B.Wang and S.Sato的论文《Zoom lenssystem without moving elements realised using liquid crystal lenses》以及MaoYe,Bin Wang等的论文《Low-Voltage-Driving Liquid Crystal Lens》。
在一个具体实施例中，以液晶透镜为例，将干涉相干光通过液晶透镜，形成干涉条纹，并用成像装置将干涉图采集记录。接着采用第三方软件FringeXP获取全部暗条纹或亮条纹的位置，然后采用软件FringeXP获取液晶透镜的zernike系数，从而依据液晶透镜的光焦度公式P＝4Z3λ/(D/2)2，获得液晶透镜的光焦度P，其中，D为条纹的直径，λ为光的波长，Z3为液晶透镜的zernike系数。通过不断变化电压(V1，V2)，寻找到综合像差量RMS<0.07λ时候，所对应的起步焦距例如液晶透镜处于正透镜时取最小焦距值fmin，并记录起步焦距fmin时的控制电压(V1fmin，V2fmin)。之后固定V1＝V1fmin，连续变化V2＝V2fmin+Vstep，Vstep表示步进电压，可以根据精度的要求，选取0.1V或0.05V，当然并不局限于这些值，可以依据需要任意设定。记录每一个电压(V1fmin，V2fmin+K1*Vstep)组合下的焦距fK，其中K1∈[0，(V1fmin-V2fmin)/Vstep]。从而确定了焦距fK需要的控制电压(V1fmin，V2fmin+K1*Vstep)。以上是针对液晶透镜为正透镜时的情况，对于液晶透镜为负透镜时，固定V2＝V2fmin,连续变化V1＝V1fmin+Vstep,这里的Vstep与前面相同，也表示步进电压，可依据需要任意设定。然后记录每一个电压(V1fmin+K2*Vstep，V2fmin)组合下的焦距FK，其中，K2∈[(V1fmin-V2fmin)/Vstep，0]，从而确定了焦距FK需要的控制电压(V1fmin+K2*Vstep，V2fmin)。
还有，指定的场景深度值Depth’映射得到目标物距值u’，由目标物距值u’根据物距与焦距一一对应的关系：u＝v/(v/(P1+P2)-1)计算液晶透镜需要输出的光焦度P1’，根据光焦度optical_power＝1/f1＝fun1(V1,V2)公式计算需要的电压(V1’，V2’),即可得到液晶透镜在控制电压(V1’,V2’)下，对场景深度值为Depth’的物体清晰对上焦。
此外，成清晰像必须满足高斯成像公式：1/f＝1/u+1/v，f为成像光学系统焦距，u为物距，v为像距。组合透镜的总焦距与子透镜之间的关系为：1/f’＝1/f1+1/f2–d/(f1*f2)，f’为总焦距，f1为液晶透镜焦距，f2为玻璃透镜(相当于成像设备的主透镜单元，包括一个或多个玻璃透镜)的焦距，d为液晶透镜和玻璃透镜之间的距离。在液晶成像系统中，没有任何机械移动，像距v保持不变，所以对焦的物距u与透镜组焦距f’一一对应：u＝fun2(f’)＝vf’/(v–f’)＝v/(v/(1/f1+1/f2–d/(f1*f2))-1)。由于在实际系统中，当液晶透镜贴附在玻璃透镜上时，d的取值可以是d＝0，即：u＝v/(v/(P1+P2)-1)。这里的P1是液晶透镜的光焦度，P2是玻璃透镜的光焦度。也就是说，作为成像系统时，可变焦透镜单元是微调焦设备，需要与主透镜单元(包括多个玻璃透镜和/或多个树脂透镜)结合使用，作为摄像头，当然主透镜单元的很多参数都可通过现有技术获取，这里就不再介绍。
实施方式二
请参见图6至图10，图6是为本发明一实施方式的自动对焦设备的结构示意图，图7是图6中深度分布获取单元一实施例的结构示意图，图8是图6中深度分布获取单元另一实施例的结构示意图，图9为图6中驱动单元的结构示意图，图10为图9中映射关系建立模块的结构示意图。如图6至图10所示，本发明还提供一种自动对焦设备，所述自动对焦设备包括：
深度分布获取单元1，通过一可变焦透镜单元获取一场景的深度分布；
感兴趣区域深度值获取单元2，获取所述场景的感兴趣区域的深度值；
物距值获取单元3，依据所述深度分布与所述场景的物距分布之间的映射关系，获取所述感兴趣区域的深度值所对应的物距值；
光焦度值获取单元4，依据高斯成像公式及所述物距值，获取所述可变焦透镜单元的光焦度值；
驱动单元5，依据光焦度分布与所述可变焦透镜单元的驱动电压分布之间的映射关系，施加与所述光焦度值对应的驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
在一个较佳实施例中，所述深度分布获取单元1进一步包括：
第一图像获取模块11，控制所述可变焦透镜单元处于第一光焦度，获取所述场景的第一图像，并获取所述第一光焦度对应对焦面的物距U1；
第二图像获取模块12，控制所述可变焦透镜单元处于第二光焦度，获取所述场景的第二图像，并获取所述第二光焦度对应对焦面的物距U2，其中，所述第一光焦度不等于所述第二光焦度；
场景深度分布获取模块13，依据所述第一图像和所述第二图像获取所述场景的深度分布。
在一个较佳实施例中，所述驱动单元5包括：
映射关系建立模块51，建立所述可变焦透镜单元的光焦度分布与驱动电压分布之间的映射关系；
驱动电压获取模块52，计算或查询所述光焦度值所对应的驱动电压；
驱动电压输出模块53，输出所述驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
在一个较佳实施例中，所述映射关系建立模块进一步包括：
采集子模块511，用于采集所述可变焦透镜单元形成的干涉条纹图像；
条纹位置获取子模块512，用于获取所述干涉条纹图像中全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息；
焦距计算子模块513，用于获取所述可变焦透镜单元的Zernike系数，并依据所述Zernike系数与所述全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息计算所述可变焦透镜单元的焦距；
起步焦距获取与记录子模块514，用于不断改变施加至所述可变焦透镜单元的驱动电压，获取满足综合像差量小于预设值时的起步焦距，并记录所述起步焦距对应的第一驱动电压和第二驱动电压；
焦距记录子模块515，将所述第一驱动电压和所述第二驱动电压中一个固定不变，另一个按照预设的步进量递进，并记录每变化一个步进量对应的焦距；
换算对应关系子模块516，用于依据所述可变焦透镜单元的焦距与光焦度的换算关系，建立所述光焦度与驱动电压之间的对应关系。
本发明还提供一种自动对焦设备，包括：可变焦透镜单元、图像传感器单元和处理器以及存储器，所述处理器控制所述可变焦透镜单元、所述图像传感器单元及存储器工作，所述存储器用于存储计算机执行指令，所述处理器读取所述存储器存储的所述计算机执行指令，用于控制所述可变焦透镜单元与所述图像传感器单元工作，以执行实施方式一所述的自动对焦方法。
结合第二方面，在第二方面的第三种可能的实现方式中，所述映射关系建立单元4进一步包括：
标定物距设定模块41，用于设定需标定的物距的数量和大小；
获取图像模块42，用于获取每个需标定的物距下所述可变焦透镜单元工作于最小焦距状态的图像和最大焦距状态的图像；
场景深度获取模块43，用于通过DFD算法获取每个需标定的物距对应的场景深度；
映射建立模块44，用于采用线性插值方法建立所述场景深度与对焦状态时的物距之间的映射关系。
实施方式三
请参见图11，图11为本发明另一实施方式的自动对焦设备的结构示意图。如图11所示，本发明还提供一种自动对焦设备，包括：可变焦透镜单元110、图像传感器130和处理器100以及存储器120，所述处理器100控制所述可变焦透镜单元110、所述图像传感器130及存储器120工作，所述存储器120用于存储计算机执行指令，所述处理器100读取所述存储器存储的所述计算机执行指令，用于控制所述可变焦透镜单元110与所述图像传感器130工作，用于执行实施方式一中所述的自动对焦方法，所述自动对焦方法包括以下步骤：
S1通过一可变焦透镜单元获取一场景的深度分布；
S2获取所述场景的感兴趣区域的深度值；
S3依据所述深度分布与所述场景的物距分布之间的映射关系，获取所述感兴趣区域的深度值所对应的物距值；
S4依据高斯成像公式及所述物距值，获取所述可变焦透镜单元的光焦度值；
S5依据光焦度分布与所述可变焦透镜单元的驱动电压分布之间的映射关系，施加与所述光焦度值对应的驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
在一个实施例中，所述自动对焦方法在步骤S1之前还包括：
S0像距获取步骤，获取所述可变焦透镜单元处于非透镜状态下的像距。
进一步地，所述自动对焦方法的步骤S1具体包括：
S11控制所述可变焦透镜单元处于第一光焦度，获取所述场景的第一图像，并获取所述第一光焦度对应对焦面的物距U1；
S12控制所述可变焦透镜单元处于第二光焦度，获取所述场景的第二图像，并获取所述第二光焦度对应对焦面的物距U2，其中，所述第一光焦度不等于所述第二光焦度，U2≠U1；当然，这里的第一光焦度可以是拍摄场景的前景获得的前景对焦图像，第二光焦度可以是拍摄场景的后景获得的后景对焦图像，或者也可反过来，第一光焦度对应后景对焦图像，第二光焦度对应前景对焦图像。所谓场景的前景是指距离可变焦透镜单元较近的对焦面，所谓场景的后景是指距离可变焦透镜单元较远的对焦面。
S13依据所述第一图像和所述第二图像获取所述场景的深度分布。这里场景深度分布可以通过离焦深度法DFD(Depth from Defocus)获得。
实施方式四
请参见图12，图12为本发明成像装置的较佳实施例的结构示意图。如图12所示，本发明的成像装置是在前述实施方式三的自动对焦设备基础上作进一步延伸。该成像装置包括：主透镜单元140、可变焦透镜单元110、图像传感器130、处理器100及存储器120.其中，主透镜单元140用于将拍摄一侧的场景150并成像于其另一侧，可变焦透镜单元110依据处理器100的指令工作，图像传感器130用于将接收的光信号转换为图像信号，存储器120存储计算机执行指令。其中，处理器100、存储器120以及可变焦透镜单元110构成实施方式三的自动对焦设备。
当然，与实施方式二对应，该成像设备可以包括：实施方式二所述的自动对焦设备。具体请参见实施方式二，在此不再赘述。
进一步地，所述成像装置应用于胶囊型医疗设备、航空拍摄设备、智能汽车、机器人、智能穿戴设备、监视设备、医学显微镜、微创医疗设备以及带摄像头的导弹中。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (14)

1.一种自动对焦方法，其特征在于，所述自动对焦方法包括以下步骤：
S1通过一可变焦透镜单元获取一场景的深度分布；
S2获取所述场景的感兴趣区域的深度值；
S3依据所述深度分布与所述场景的物距分布之间的映射关系，获取所述感兴趣区域的深度值所对应的物距值；
S4依据高斯成像公式及所述物距值，获取所述可变焦透镜单元的光焦度值；
S5依据光焦度分布与所述可变焦透镜单元的驱动电压分布之间的映射关系，施加与所述光焦度值对应的驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
2.如权利要求1所述的自动对焦方法，其特征在于，所述自动对焦方法在步骤S1之前还包括：
S0像距获取步骤，获取所述可变焦透镜单元处于非透镜状态下的像距。
3.如权利要求1所述的自动对焦方法，其特征在于，所述自动对焦方法的步骤S1具体包括：
S11控制所述可变焦透镜单元处于第一光焦度，获取所述场景的第一图像，并获取所述第一光焦度对应对焦面的物距U1；
S12控制所述可变焦透镜单元处于第二光焦度，获取所述场景的第二图像，并获取所述第二光焦度对应对焦面的物距U2，其中，所述第一光焦度不等于所述第二光焦度；
S13依据所述第一图像和所述第二图像获取所述场景的深度分布。
4.如权利要求3所述的自动对焦方法，其特征在于，所述第一光焦度取最小值，所述第二光焦度取最大值。
5.如权利要求1至4任一项所述的自动对焦方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括以下步骤：
S51建立所述可变焦透镜单元的光焦度分布与驱动电压分布之间的映射关系；
S52计算或查询所述光焦度值所对应的驱动电压；
S53输出所述驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
6.如权利要求5所述的自动对焦方法，其特征在于，所述步骤S51进一步包括以下步骤：
S511采集所述可变焦透镜单元形成的干涉条纹图像；
S512获取所述干涉条纹图像中全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息；
S513获取所述可变焦透镜单元的Zernike系数，并依据所述Zernike系数与所述全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息计算所述可变焦透镜单元的焦距；
S514不断改变施加至所述可变焦透镜单元的驱动电压，获取满足综合像差量小于预设值时的起步焦距，并记录所述起步焦距对应的第一驱动电压和第二驱动电压；
S515将所述第一驱动电压和所述第二驱动电压中一个固定不变，另一个按照预设的步进量递进，并记录每变化一个步进量对应的焦距；
S516依据所述可变焦透镜单元的焦距与光焦度的换算关系，建立光焦度分布与驱动电压分布之间的对应关系。
7.如权利要求1至6任一项所述的自动对焦方法，其特征在于，所述可变焦透镜单元为液晶透镜、液晶微透镜阵列或液体透镜。
8.一种自动对焦设备，其特征在于，所述自动对焦设备包括：
深度分布获取单元，通过一可变焦透镜单元获取一场景的深度分布；
感兴趣区域深度值获取单元，获取所述场景的感兴趣区域的深度值；
物距值获取单元，依据所述深度分布与所述场景的物距分布之间的映射关系，获取所述感兴趣区域的深度值所对应的物距值；
光焦度值获取单元，依据高斯成像公式，获取所述可变焦透镜单元的光焦度值；
驱动单元，依据光焦度分布与所述可变焦透镜单元的驱动电压分布之间的映射关系，施加与所述光焦度值对应的驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
9.如权利要求8所述的自动对焦设备，其特征在于，所述深度分布获取单元进一步包括：
第一图像获取模块，控制所述可变焦透镜单元处于第一光焦度，获取所述场景的第一图像，并获取所述第一光焦度对应对焦面的物距U1；
第二图像获取模块，控制所述可变焦透镜单元处于第二光焦度，获取所述场景的第二图像，并获取所述第二光焦度对应对焦面的物距U2，其中，所述第一光焦度不等于所述第二光焦度；
场景深度分布获取模块，依据所述第一图像和所述第二图像获取所述场景的深度分布。
10.如权利要求9所述的自动对焦设备，其特征在于，所述驱动单元包括：
映射关系建立模块，建立所述可变焦透镜单元的光焦度分布与驱动电压分布之间的映射关系；
驱动电压获取模块，计算或查询所述光焦度值所对应的驱动电压；
驱动电压输出模块，输出所述驱动电压驱动所述可变焦透镜单元。
11.如权利要求10所述的自动对焦设备，其特征在于，所述映射关系建立模块进一步包括：
采集子模块，用于采集所述可变焦透镜单元形成的干涉条纹图像；
条纹位置获取子模块，用于获取所述干涉条纹图像中全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息；
焦距计算子模块，用于获取所述可变焦透镜单元的Zernike系数，并依据所述Zernike系数与所述全部暗条纹或全部亮条纹的位置信息计算所述可变焦透镜单元的焦距；
起步焦距获取与记录子模块，用于不断改变施加至所述可变焦透镜单元的驱动电压，获取满足综合像差量小于预设值时的起步焦距，并记录所述起步焦距对应的第一驱动电压和第二驱动电压；
焦距记录子模块，将所述第一驱动电压和所述第二驱动电压中一个固定不变，另一个按照预设的步进量递进，并记录每变化一个步进量对应的焦距；
换算对应关系子模块，用于依据所述可变焦透镜单元的焦距与光焦度的换算关系，建立所述光焦度与驱动电压之间的对应关系。
12.一种自动对焦设备，其特征在于，包括：可变焦透镜单元、图像传感器单元和处理器以及存储器，所述处理器控制所述可变焦透镜单元、所述图像传感器单元及存储器工作，所述存储器用于存储计算机执行指令，所述处理器读取所述存储器存储的所述计算机执行指令，用于控制所述可变焦透镜单元与所述图像传感器单元工作，以执行权利要求1至6任一项所述的自动对焦方法。
13.一种成像装置，包括：主透镜单元，其特征在于，所述成像装置还包括一自动对焦设备，所述自动对焦设备为权利要求8至12任一项所述的自动对焦设备。
14.如权利要求13所述的成像装置，其特征在于，所述成像装置应用于胶囊型医疗设备、航空拍摄设备、智能汽车、机器人、智能穿戴设备、安防监视设备、医学显微镜、微创医疗设备以及带摄像头的导弹中。
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