CN106664365A - 用于校准图像捕获设备的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于校准图像捕获设备的方法，包括：安装来自一个批次的至少一个样本设备，以移动通过相对于水平面的多个定向。对于给定的定向，将样本设备聚焦在一系列位置处，每个位置与设备相距相应的聚焦距离。记录样本设备在每个位置处的透镜致动器设置。在样本设备的多个不同定向处重复这些步骤。确定针对来自多个不同定向的不同定向在任何给定位置处的透镜致动器设置和多个不同定向中的所选择的定向处的致动器设置之间的对应关系。记录在至少两个兴趣点(POI)处待校准的图像捕获设备的透镜致动器设置，每个POI与设备相距指定的聚焦距离并且图像捕获设备位于所选择的定向处。基于所确定的关系和所记录的透镜致动器设置，针对多个不同定向校准图像捕获设备。

Description

用于校准图像捕获设备的方法

技术领域

本发明总体上涉及数字图像捕获设备领域。更具体地，本发明涉及用于改善数字图像捕获设备中的自动聚焦操作的方法，其中该设备并且因此该设备的相机模块将用于若干不同的定向上。

更特别地，本发明涉及校准用于数字相机模块的自动聚焦系统，具体而言，诸如音圈和MEMS聚焦系统之类的小型化聚焦系统。

背景技术

相机的自动聚焦(AF)系统自动调节相机透镜以获得在对象上的聚焦。一般地，AF系统使用相机的对比度传感器(被动AF)或者通过发射信号以照射或者估算到对象的距离(主动AF)。被动AF可以利用对比度检测方法或者相位检测方法二者之一，但是两者都依赖于对比度来实现自动聚焦。

某些数字相机利用与相机的图像传感器不同的自动聚焦传感器。这可以，例如，出现在单一功能数字相机中。然而，在诸如手机、平板计算机、个人数字助理、以及便携式音乐/视频播放器之类的小型多功能设备中，通常不使用分立的图像和自动聚焦传感器。在诸如这些之类的设备中，自动聚焦功能可以包含将相机透镜(或者透镜组件)的位置调节到特定的若干位置上；并且评估连续的图像中的对应的点之间的聚焦(例如，对比度)(假设最大对比度对应于最大锐度或者“最佳”聚焦)。

多功能设备一般评估图像中的固定数目的点处的对比度/聚焦，并且，当移动透镜以获得连续的图像时，评估固定数目的透镜位置或者兴趣点(POI)处的对比度/聚焦。这样，这些设备可以以固定速率并且使用固定的分辨率提供自动聚焦操作。

US2013/0076967描述了使用对设备的定向的知识的用于数字图像捕获设备的自动聚焦操作。该方法包括根据定向传感器确定设备的定向，其中一种说明性定向传感器是加速器。至少部分基于设备的定向，可以为自动聚焦操作确定运动范围。这一运动范围指代透镜或者透镜组件在自动聚焦操作期间移动的距离。

然而，US2013/0076967假设，设备定向的效应本质上是线性的并且进一步假设，单个设备的促动特性在不同的定向下是一致的。实际上，事实不是这样并且促动特性随着定向而显著变化并且，进而，预限定的POI不够准确而不能实现自动聚焦算法以在非水平定向下正确地工作。

US8577216公开了在图像捕获设备中的自动聚焦过程期间，校准用于在搜索范围内移动透镜的透镜致动器。图像捕获设备基于针对不同的聚焦条件选取的透镜位置调节用于搜索范围的参考位置，不同的聚焦条件包括远场聚焦条件和近场聚焦条件。聚焦条件基于检测到的设备使用的环境确定。检测到室内环境可以指示近场目标聚焦可能性，而检测到室外环境可以指示远场目标聚焦可能性。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了根据权利要求1的方法。

本发明提供了对数字相机模块中的聚焦步长的准确校准，同时避免了需要针对不同的角定向精确地校准每个单独的模块。

根据第二方面，提供了根据权利要求27的设备。

本发明的实施例特别地可以应用于具有基于音圈模块(VCM)或者微机电系统(MEMS)的聚焦致动器的小型化家用相机的大规模生产。

附图说明

现在将参照附图通过示例描述本发明的实施例，其中：

图1示意性地示出了与水平线成角度θ定向的相机模块的透镜部件并且指示了其对透镜部件上的重力的影响；

图2示出了多个定向下的MEMS相机模块的示例性致动器位移特性；

图3示出了多个定向下的VCM相机模块的示例性致动器位移特性；

图4示出了MEMS相机模块电容和数模转换器(DAC)控制编码之间的关系；

图5示出了在一定范围的POI处针对多个定向所获得的MEMS相机模块批次表征DAC编码值；

图6通过图形化地图示校准测量之间的相对关系而示出了图5中的数据；

图7示出了从图6中的数据得出的转换矩阵；

图8示出了基于图7中的转换矩阵和针对该模块的单次定向测量而为特定的相机透镜模块计算的数据；以及

图9图示了操作温度变化对VCM透镜位移的影响。

具体实施方式

本公开涉及用于至少部分地基于设备的定向而动态调节图像捕获设备的自动聚焦(AF)操作的系统、方法以及计算机可读介质。更特别地，本发明涉及提供对用于数字相机模块的自动聚焦系统(特别地，小型化聚焦系统，诸如VCM和MEMS聚焦系统)的改善的校准，以便克服这种系统的固有非线性。特别地，本发明可以应用于相机模块的大规模生产，其中对聚焦致动器的位移的完全闭环控制可能是不够的或者由于成本限制可能是不实际的。

在以下描述中，为了解释的目的，陈述了众多具体细节以便提供对本发明性概念的透彻理解。作为本说明的一部分，本公开内容的附图中的一些图以框图形式表示结构和设备以便避免模糊本发明。在这一上下文中，应该理解的是，没有关联识别符的所绘元件附图标记(例如100)指代所绘元件的具有识别符的所有实例(例如，100a和100b)。此外，在本公开中使用的语言原则上是为了可读性和指导性目的而选取的，并且可以不是为了描写或者限制本发明性主旨而选取的，确定这种发明主旨所必须依靠权利要求。本公开中使用的“一个实施例”或者“实施例”意指联系该实施例描述的特定特征、结构或者特性被包括在本发明的至少一个实施例中，并且多次使用“一个实施例”或者“实施例”不应被理解为必须都指代同一实施例。

将要领会的是，在开发任何实际的实施方式的过程中(如在任何开发项目中那样)，必须做出大量决定以实现开发者的特定目标(例如，遵循系统相关的和业务相关的约束)，并且这些目标将随实施方式而不同。还将领会的是，这种开发工作可能是复杂并且耗费时间的，然而对于普通技术人员在设计得益于本公开的图像捕获设备过程中而言将是常规事务。

自动聚焦系统

为了更好地理解本发明，理解现代手持式成像设备中的自动聚焦(AF)系统的操作是有帮助的。从顶层视角来看，自动聚焦系统可以被分成两个主要部件：相机模块，其可以调节自身的聚焦并且获取图像；以及自动聚焦算法，其一般被实施在图像信号处理器(ISP)中，ISP是用于包括相机模块的主设备的专用相机预处理器。这一主设备可以是专用数字静态相机或者专用数字视频相机、拍照手机、智能手机、平板计算机或者任何这种设备中的任何一种。

自动聚焦算法是众所周知的并且存在关于各种方法和细化的大量文献，但是实际上，所有AF算法都操作被称为基于对比度的自动聚焦(CB-AF)的技术。简单地说，这包括分析所成像的场景中的区域以确定局部对比度，接着将聚焦移动到下一位置，在这里再次确定对比度并且基于对比度的改变，确定进一步的调节。这种算法依靠针对每个聚焦步长或者兴趣点(POI)对光学系统的准确定位。

在典型的光学系统中，将具有有限数目的POI，因为两个POI之间的光学区别必须足够不同以便提供相对对比度的可分辨区别。在先进手持式成像设备中，根据光学设计，一般具有8至12个POI和超过2m至5m的距离，并且认为透镜处于无穷远位置。然而，将会领会的是，本发明同样可以应用于更精细的聚焦和更多数目的自动聚焦POI。

如果POI精度低，即如果针对POI的实际透镜焦距和名义焦距之间存在差异，则自动聚焦的性能也将变差，从而导致更长的聚焦时间和寻焦过程，即相机在两个聚焦位置之间连续地切换而不锁定优选(和正确)的聚焦设置。

现在转到在如今的手持式数字成像设备中采用的相机模块致动器技术。市场上有两种前沿的具体技术，音圈电机(VCM)和微机电系统(MEMS)。

音圈电机系统

VCM系统采用了由恒定电流源驱动的电感线圈。在理论上，致动器位移与电感成线性并且与驱动电流成比例。在VCM中，光学部件通常为主透镜镜桶，其可以包括多个复合透镜并且相对沉重。利用了VCM的移动是可重复并且无传动装置的，其中透镜位置通过平衡电机和弹簧力固定。弹簧将透镜退回到无穷远聚焦位置，并且除非需要聚焦，否则没有功率耗散。其在机械上牢固、抗震，并且具有低成本机械结构。这些电机一般具有最小的滞回效应并且因此具有直接的电流-位置关系，使得一般不需要透镜位置反馈。

VCM的典型全冲程位移的范围从0.25mm至若干毫米。

MEMS系统

在美国专利申请US2012/0081598中详细描述了适于影响光学元件(诸如透镜、透镜组或者成像传感器)在相机的焦平面(即与光轴或者Z轴正交的X-Y平面)内的移动的MEMS致动器设备的示例，并且其通过引用并入于此。MEMS致动器与VCM的不同在于，电控制被提供为电压并且致动器的内在机构在本质上是电容式的。然而，MEMS由电控制信号驱动并且致动器位移与其阻抗(电容)线性相关。

相比于VCM，MEMS的全冲程一般小于0.2mm，因为仅移动了单个透镜或者光学元件。

综上，我们可以说，VCM是由恒定电流信号驱动的电感式电气系统，而MEMS是由恒定电压信号驱动的电容式电气系统。在本公开中提供的校准方法可以有利地适于这两种类型的聚焦致动器以便提供对聚焦POI的更可靠并且更准确的确定，而不需要感测致动器位置或者实施闭环控制系统。

由非水平定向造成的重力

对透镜系统的致动器位移的这一重力影响在US2013/0076967中进行了记录，其描述了利用对设备的定向的知识，执行用于数字图像捕获设备的自动聚焦操作的方法。提到“定向”，我们指的是相机关于与设备图像传感器的平面平行的水平轴的相对旋转(将相机向上或向下倾斜)，如图1所示。

如上文所述，如今的先进聚焦致动器适应在8至12的范围内的不同的POI。一般，用于致动器的电控制信号(ECS)由具有比该POI数目所需要的更高的分辨率(通常为具有255个不同电压输出水平的8位DAC编码，或者具有1024个不同电压水平的10位DAC编码)的数模转换器(DAC)驱动。因此，自动聚焦算法规定某个POI，该POI被转换为所需要的DAC编码，并且取决于致动器输出电路系统，DAC将该DAC编码转换为等效模拟致动器电压或者电流值。

通常不采用ECS的整个范围，因为光学部件(透镜或者透镜镜桶)在其开始移动之前需要初始开启电压或者电流。此外，为了防止致动器试图移动超过其端部位置，ECS通常被将被限制于某个最大值。因此，一般使用DAC编码和ECS范围的整个范围的有限的子集驱动致动器。

在图2中提供了MEMS传感器的实际设备特性的示例并且在图3中提供了VCM模块的实际设备特性的示例。注意，图3中的VCM致动器的每一步处的振铃大于图2中的MEMS致动器。这是因为在VCM中，通常整个透镜镜桶都会移动并且这一大质量在每一步移动之后持续振荡数十毫秒。

从图2和图3要注意的一点是，这些操作特性中的单个步长在不同的定向角度下不提供相同的位移范围。例如，图2示出了不同的角度定向对MEMS致动器特性的影响，特别地，当在-90度定向时，所确定的用于驱动致动器的电压范围比当在+90度定向时更宽一些。因此，除了致动器必须克服的更多的(或者更少的)“起始力”之外，清楚的是，应该修改对单个聚焦POI的校准。由于这些特定的非线性，无法通过对ECS的任何简单修改(例如，通过将ECS增加固定量的电流或者电压)来实现这一点。这可以改正致动器特性的起始点，但是其后的各个步长对于相关的POI将处于不正确的位移。继而，这将消极地影响在包含相机模块的设备上实施的主自动聚焦算法。

模块的实际校准

对相机模块的完全校准一般将包括使用设备DAC生成一系列阶梯函数和在每个POI处停止，在每个之后暂停通常30ms(用于以30帧每秒(fps)获取图像帧的时间)或者，如果致动器需要额外的稳定时间则在每个之后暂停60ms，使用VCM致动器时就是这一情形。为了考虑不同的相机定向，致动器步长特性可以利用在与水平面成-90度、-30度、0度、+30度以及+90度角中的每个角度处的相机定向测量。这一般将足以实现所需要的精度水平，但是可能需要或者采用额外的中间角度测量以便改善精度和可靠性。

为了横跨针对若干不同的兴趣点的若干定向完全校准相机，相机一般需要被适配到(例如可以从ABB获得的类型的)机械臂，位移系统(例如Keyence激光位移系统)被固定到该机械臂并且该机械臂能够相对于相机在一定范围的位置之间移动目标。壁、位移系统以及相机中的每一个都需要连接到能够控制相机模块、位移系统以及臂并且自动运行一系列校准测试的捕获系统。一般地，捕获系统将经由USB或者相似的串行连接而连接到相机并且使用专用代码运行校准例程，该校准例程将移动相机通过每个所需要的定向和每个定向的每个POI。

将要领会的是，特别对于大规模市场而言，用于诸如智能手机之类的设备的透镜系统，在各种相机定向下针对每个POI表征每个设备不仅耗费时间，而且需要复杂的测试装备以移动相机通过其各个定向并且在每个定向将测试卡移动通过各个POI。这显然是不经济的。

另一方面，要领会的是，某个批次内的设备可能存在一定程度的变化并且因此需要执行一定程度的设备特定校准。

本发明的实施例基于总体上表征特定致动器设计；并且基于这一表征，从一个批次得到一个或者多个样本并且在其上执行测试以便跨所有定向确定对特定批次的统计表征。然后，为一个批次的每个模块致动器确定单个定向测量特性并且这一数据利用该模块被存储。

接着，在包含个体相机模块的手持式设备中，可以根据设备特定的单定向特性、统计多定向批次特性以及当前定向来确定用于自动聚焦的针对下一聚焦POI的适当DAC设置。

备选地，在设备内，一次性可编程存储器可以包括在校准时编程的一组设备特定的多定向特性以便直接返回在任何给定的定向针对任何所需要的POI的所需要的DAC编码。

通用致动器表征

下文给出的特定示例涉及校准MEMS致动器。

对VCM的类似分析对应地聚焦在音圈的阻抗(电感)和其相对于位移的线性度上。相似地，ECS是电流信号，而非电压信号。

如图4所示，不同于VCM致动器，使用MEMS致动器的一个复杂之处在于，致动器位移和ECS(或者DAC编码)之间的关系不是线性的。致动器电容和DAC电压之间的关系也不是线性的。然而，可以直接准确地测量电容，并且致动器位移和MEMS电容之间存在高度线性的关系。因此，致动器性能可以通过测量电容表征，这更简单并且提供与致动器运动的直接测量和最终位移相同的准确性。(对于在本文提供的示例中出现的MEMS模块，从运动到电容的转换系数标称为0.68pF/um。)

图4还示出了透镜致动器的致动器位移(和透镜位移)的无穷远位置(和较低的期望阈值)一般略微在致动器的自然静止位置上方。当第一次向致动器供电时，其被初始化到这一无穷远位置。

此外，微距(近焦)位移位置一般略微在饱和位置下方，以避免致动器上的机械和电应力。因此，期望DAC输出被限制于DAC停止或者微距值。

如图2所示，特别地对于无穷远和微距两者而言(并且图3涉及无穷远)，设备的每个不同的定向都将具有不同的DAC微距停止设置和不同的DAC无穷远设置；然而跨所有设备定向，它们在这些设置下的电容将总体上恒定。

无穷远和微距POI处的对应电容由光学校准确定。这一过程包括使用通常相距2.4m放置的光学图表来确定无穷远电容设置。致动器通过整个聚焦范围操作透镜以确定无穷远聚焦峰值，无穷远聚焦峰值通过测量光学图表的最锐利的图像确定。针对微距位置重复这一过程，但是光学图表被移动到相距透镜10cm的距离处。对于这些测试，模块处于水平(0度)定向，并且跨所有定向都使用该微距和无穷远位置。

一旦确定了致动器无穷远和微距位置的电容，就定义了致动器位移范围(ADR)。

应该注意的是，电容特性是静态的，而非动态的时序测量，即致动器应该被允许在图2和图3所示的阶梯函数输入之后稳定。

因此，对于DAC的每个电压设置，在DAC编码(ECS电压)被改变以将相机模块前进到其下一位置之前，致动器(并且因此其电容)被允许稳定到其最终值。

针对每个定向-90度、-30度、0度、30度以及90度的测量生成对应于一组公共电容的相应的一组DAC电压编码。在图5中示出了跨所有5个定向的DAC电压编码与电容关系的示例。

在图5中，为了简单，致动器位移范围被分割成与聚焦POI关联的若干相等位移。在这一示例中，我们假设无穷远位置和微距位置之间有10个额外的POI，这导致了一共12个POI。致动器位移范围(ADR)因此被分割成11个相等的步长。

这一表格可以为某一相机提供其实施自动聚焦算法所需要的所有DAC编码校准信息，然而，将从上文的讨论中领会的是，为每个相机模块产生这一信息所需要的校准步骤是不经济的。

统计批次表征

如所解释的那样，理想地，期望单独地表征每个模块，但是在大规模生产环境中，这是根本不实际的。然而，可以对来自一个批次的设备中的有限的随机样本执行完整的表征并且确定统计批次数据，即提供诸如图5所示的将从设备的样本集提取的数据平均得到的表格数据。这可以继而用于根据单个测量集来表征剩余模块。

在一个实施方式中，对每个生产批次执行这一批次表征以考虑生产环境可能出现的众多变化，包括输入部件和材料、操作程序、机器设置以及各个生产线之间的区别。

设备的随机样本是从生产批次中选取的。对于初始测试而言，一般的采样率是从1000个设备取1个。因此，从具有50000个设备的批次中选取50设备作为样本。各个设备被电连接到安装在机械臂中的测试平台(rig)，测试平台可以如上文所述那样将模块移动到不同的定向。每个设备接着通过对整个聚焦范围的一系列扫描，这一系列扫描从无穷远位置至微距并且通常使用32个(每个8个中有一个)或者64个(每4个中有一个)DAC编码。设备电容在每个聚焦设置处都被测量。

根据模块的性质和表征，在特定区域中可以使用更精细的DAC编码。在这一示例MEMS模块的情形下，期望朝向微距POI，具有附加的分辨率，并且因此，对于这一部分特性，可以使用单独DAC编码的水平的分辨率。

执行从无穷远至微距再返回无穷远的对聚焦范围的多次扫描(一般为3次)，以便确定设备滞回效应和可重复性。在每个主定向下重复这一过程，在我们的示例实施例中为+90度、+30度、0度、-30度以及-90度。如果得到的数据集在任何主要定向下都超过正常的公差，或者如果滞回效应或者可重复性超过预定变化，则可能表示需要从这一批次进行更高水平的采样。然而，理想地，数据及其针对各个模块的可重复性和滞回效应以及整个批次样本将处于预定公差内。

额外的批次表征可以包括跨一组预期的操作温度、湿度条件、微粒浓度以及其他环境因素。注意，由于这些模块是密封的，一般仅考虑温度，但是在某些实施例中，其他环境因素也可能是重要的。

在一个批次通过了初始测试之后，大量的批次表征数据变得可用并且被统计处理。这提供了一组批次特定的特性。每个批次数据的平均值以及方差与参考数据集不同。目的是(i)保证这些变化不超过可接受的阈值，以及(ii)提供表征批次中的剩余模块而不需要重复如上文所述的整个一组详细表征的手段。

此时，呈现了一种通用设备表征和确定随机批次样本的等效特性的手段。因此，诸如图5所示的一组平均批次特性可以基于来自具有50000个单元的批次的(例如)50个单元的样本获得。(注意，图5仅为了说明性目的而被分割成POI区间。在批次表征期间，当样本设备被完全校准时，不一定在与设备AF算法最终所要求的相同的POI处选择校准点，而是重要的是能够跨若干定向(针对MEMS设备电容)关联给定聚焦距离处的设备致动器设置。)除了平均特性之外，也可以获得针对每个角度定向的特性的方差的数据。假设没有出现反常结果，则平均特性和所关联的方差两者应该在某些预定极限内并且然后需要将这一批次特性应用于该生产批次中的剩余模块。

来自图5的数据可以通过图案表示，如图6所示。可以看到，在任何聚焦距离处(对于MEMS而言与电容同义)，每个定向+90度、+30度、0度、-30度以及-90度下的DAC编码可以与公共定向(在这一情形下为0度(水平))下的DAC编码关联。

图7示出了来自图6的数据，其中针对+90度、+30度、0度、-30度以及-90度定向的数据关于水平定向进行了归一化。这一归一化数据被称为转换矩阵，并且正是该数据来表征任何给定批次。

单独设备表征

为了表征单个相机模块，相机可以连接至适配到与用于完整设备校准的平台相似的平台的控制器，但是不需要移动设备通过不同定向所需要的机械臂。相反，将一个测试图案移动到无穷远位置，并且确定在这一位置处的设备电容。在图8所示的表格中，电容被测得为174。在这一位置处的DAC编码也被记录，在这一情形下，其为146，注意这些图中与图5中的批次平均值的不同。

测试图案接着被移动至微距位置并且再次记录这一位置处的电容(233)和DAC编码(215)。

为了下面讨论的简化，无穷远位置和微距位置之间的电容范围被分割成线性的POI区间。然而，将要领会的是，这一分割可以是非线性的。所需要的位移依赖于透镜元件的光学设计和自动聚焦算法被用于相机设备中的要求。在一个实施例中，相机现在被步进到每个POI，被允许稳定在所需要的电容处并且在该电容处测量并记录DAC编码。这提供了图8中V[0]列中数值146和215之间的DAC编码。

在另一实施例中，DAC编码和电容之间的关系如图4所示根据如下关系被建模：电容＝A*exp(B*DAC+C)。指数B可以使用诸如图5所示的整组数据在批次校准时被确定。A和C值然后可以被拟合到针对特定设备获得的针对无穷远和微距设置的电压、电容对，从而使得水平处的微距和无穷远中间的DAC编码能够根据无穷远和微距中间的电容值进行插值。

现在利用水平处的针对无穷远和微距设置之间的每个POI的DAC编码和用于该批次的图7中的转换矩阵，可以确定图8所示的表格中的其余项(即，列V[-90]、V[-30]、V[30]以及V[90])。应该领会的是，当转换矩阵包括无法与正在被校准的设备的POI区间电容对应的数据点时，将需要某种插值。

以上实施例是针对MEMS致动器描述的，其中DAC编码(ECS电压)和位移之间的关系是非线性的。

然而，对于VCM相机模块而言，DAC编码(ECS电流)和位移之间的关系是线型的并且对于这样的实施例，表征可以基于使用仅针对每个POI的DAC编码建立如图7所示的转换矩阵，并且然后针对每个相机模块，获得针对无穷远和微距二者之一处的水平定向的DAC编码并且在它们之间插值；或者针对微距和无穷远之间的每个POI，与针对MEMS致动器描述的方法类似。

在任何情形下，将看到，以上实施例使得设备特定的校准能够在一个定向下执行并且在该定向处仅执行两次，从而在非常合理的基础上提供全面校准的优势。

备选实施例

主要实施例在上文进行了描述并且包括通过在设备一次性可编程(OTP)存储器中嵌入一组详细LUT而在生产时针对多个定向校准各个设备。然而，如果提供了多个环境因素和多个角度定向并且聚焦POI的数目增加，那么对OTP存储器的要求可能需要为致动器提供更加有限的校准。

注意，在某些设备中，特别是基于MEMS的聚焦致动器，可以从致动器自身来确定定向。这在US2014/0028887中进行了描述，其通过引用并入于此。在这种实施例中，不要求主设备AF算法从主设备获得定向信息，因为这可以根据致动器特性本身确定。

在一个备选实施例中，通过将转换矩阵应用到水平定向DAC编码，致动器未针对所有定向都被编程有POI设置。反而，设备仅被编程有水平定向DAC编码，而转换矩阵被提供作为手持式成像设备(模块被嵌入其中)的驱动器。在这一实施例中，相机模块驱动器软件将在设备操作期间确定致动器的水平定向DAC编码，并且将基于设备的定向和在驱动器中提供的转换矩阵动态地生成POI数据。这一方法具有的劣势是，模块与包括来自生产批次的转换矩阵的驱动器编码捆绑，但是该方法提供了更大的软件灵活性优势，并且如果确定了生产批次之间的稳定性相对一致则该方法可以是有利的。

在另一实施例中，可以提供通过若干DAC编码向上/向下调节微距和/或无穷远位置的选项。用户可以使用定位在微距/无穷远位置处的光学校准图表。根据这种实施例，OTP中的预设POI值可以基于新的微距/无穷远设置被相似地调节以保持POI的相对位置。这可以生成经调节的水平定向DAC编码集合，其转而要求调节针对其他定向的DAC编码。这种用户调节可能需要可以分析所存储的OTP配置、基于所存储的配置生成新的多定向DAC编码并且将OTP存储器再编程的软件应用。

如上文所述，要领会的是，相机模块性能可能随时间漂移，例如，由于操作温度变化、设备老化或者甚至设备的开机时间。

现在参照图9，VCM相机模块具有在+30℃室温计算的并且存储在OTP存储器中的DAC_Start_OTP和DAC_Stop_OTP。从这些数值开始，相机模块可以如以上所描述针对所有中间位置和定向进行校准。然而，如果操作温度改变到(例如)-15℃，则将透镜位移关联到DAC编码的位移曲线将向左偏移。在这一情形下，DAC_Start_OTP针对30℃环境温度对应于50um透镜位移，并且在-15℃处对应于85um透镜位移。这意味着，利用经校准的DAC_Start_OTP，相机模块不能达到无穷远位置。

如上文所指示那样，批次表征可以包括提供针对跨一定范围的操作温度的相应操作温度的分立的校准数据组；其中相机模块使用所存储的DAC编码，该DAC编码针对距所测量的(透镜)操作温度最近的校准温度进行校准。(模块可以挑选最接近的组或者在用于相邻组的数据之间进行插值。)

作为另一备选方案，可以建模针对相应的操作温度的分立的校准数据组之间的变化，使得仅一(或者至少更少)组校准数据与将该数据映射到设备的操作温度的经建模的参数一起存储在设备内。

然而，根据测得的操作温度在所存储的DAC编码之间互换或者使用所存储的DAC编码可能不能完全补偿所有的操作变化。(此外，可能不能获得对透镜温度的准确测量。)

作为使用光学校准图表补偿相机模块漂移的备选方案，还可以使用其他已知的或者固定的参照来自动调节DAC编码(甚至即时)以补偿相机模块操作变化。一种这样的固定参照是典型的成年人脸，其中，特别地，眼睛之间的距离已知在6.5cm至7cm之间。使用这种固定参照使得DAC_Start和DAC_Stop能够被重新校准以便补偿下文描述的各种操作条件：

这一补偿可以在检测到正常人脸(即眼睛之间的距离确实在6.5cm和7cm之间的人脸，而非印刷的人脸或者婴儿的脸或者侧脸)时不时地执行。该人脸还需要在一定距离处，这样相机的光学元件能够使得该人脸被聚焦。

补偿如下操作：

·在所捕获的图像内检测真实(正面)的人脸，这可以是在校准补偿图像捕获之前的一段时间内检测和跟踪的人脸；

·假设人眼之间的距离(ed)在6.5cm至7cm之间；

·已知相机模块的焦距(f)；

·已知相机模块像素尺寸(ps)；

·测量以像素计的眼距(edp)；

·按下式计算到对象的距离(ds)：

ds＝f*(ed/(edp*ps))；

·针对这一距离(ds)的透镜位移(ld)可以使用以下关系式计算：

1/(ld+f)＝1/f–1/ds；

·针对这一透镜位移(ld)的对应DAC_Code_Face可以基于图9所示的校准数据计算，在示例中，150um的透镜位移标称提供接近514的DAC编码，但是可以看到，其随着温度而(向左)漂移。

·相机模块然后跨一定范围的透镜位移进行扫描以获得DAC_Code_Sweep，透镜位移为人脸区域提供最大锐度。

·如果DAC_Code_Face和DAC_Code_Sweep之间的差小于阈值，则经校准的OTP数据被认为仍然可信并且不执行补偿。

·如果两个DAC编码之间的差大于阈值，则这意味着相机模块处出现了一些变化(温度偏移、老化等)并且需要对DAC_Start_OTP和DAC_Stop_OTP校正。

·如果位移弯曲是线性的，则这一校正可以如下执行：

DAC_Start_New＝DAC_Start_OTP–(DAC_Code_Face–DAC_Code_Sweep)

DAC_Stop_New＝DAC_Stop_OTP–(DAC_Code_Face–DAC_Code_Sweep)

然而，将要领会的是，如果需要的话，可以采用上述方程的其他变形。

·如果不可能将OTP存储器重新编程，则这些新的DAC数值可以存储在设备的永久性存储装置上。在这一情形下，每次相机模块被开启时，其可以首先检查设备永久性存储装置中的DAC Start/Stop编码并且如果它们不存在，那么模块可以从OTP存储器读取原始校准的DAC编码并且当需要或者可能时如上文那样重新补偿。

在其他变体中，除了使用上文描述的基于自动聚焦的人脸检测(FDAF)来确定物体与相机的距离，相机可以包括分立的距离测量系统，诸如激光检测自动聚焦(LDAF)系统，诸如在包括LG G3在内的智能手机中所采用那样。在这一情形下，激光检测模块可以用于将场景内任何被成像物体的距离和针对物体检测的距离关联。一旦这一距离(ds)已知，则相机可以如上文描述那样继续进行FDAF。

将要领会的是，应该考虑在以上补偿程序期间的设备定向。可以限制该程序仅当相机水平时运行，但是无论如何，对相机定向的知识有助于将由定向造成的透镜位移的变化与由其他操作变化造成的透镜位移区分开。

将看到的是，如果相机模块仅在单个操作温度被校准，则可以采用以上补偿程序来补偿操作温度变化；但是同样地，可以进行补偿以更新在任何给定的经校准的操作温度提供的DAC编码。

存在若干种触发对设备的重新校准的可能性。例如，应用内的重新校准应用或者菜单选项或者操作系统菜单可以变得可用以允许用户应请求重新校准相机模块。该应用甚至可以向用户发出“站在距设备50cm、1m、2m等距离处”的指令并且然后将控制传送回相机模块以相应地进行重新校准。

备选地，重新校准可以(i)在某个时间段之后自动触发；(ii)在经历了若干操作周期之后触发以补偿老化作用；(iii)响应于检测到/确定反常温度而触发；(这可以通过直接测量温度，或者通过设备无法到达微距位置或者无穷远位置进行)；(iv)或者其他情况。

特定的实施方式可以依赖于设备硬件和操作系统能力，因此，例如，在一些实施方式中，重新校准应用可以被允许直接重新编程DAC设置；而在其他实施方式中，应用可能需要经由相机模块进行交互以重新编程其内部的闪存/EEPROM。在另一实施例中，致动器被配置为在针对各种LUT角度的DAC编码之间插值，并且确定匹配针对-90度、-30度、0度、30度以及90度之间的特定相机定向所请求的AF步骤的最接近的DAC设置。插值可以是简单的线性插值，或者可以根据电子致动器(在特定实施例中，可以包括专用微控制器或者门阵列)的复杂程度使用更先进的技术。在这种实施例中，设备上的AF算法可以更精确地指定设备定向，这取决于可以从设备的运动分析子系统获得的精度水平。

备选地，可以在原始校准中提供更精细的AF步长(POI)组(例如，50而非11)，并且可以通过从设备用户界面手动调节微距/无穷远点并且将剩余AF步长等距离隔开而进行调节，或者根据预定的尺度进行调节。

此外，虽然在所图示的示例中，与聚焦POI关联的位移是相同并且均匀的，但是系统的这一方面依赖于光学设计，并且POI经常将在朝向尺度的微距或者无穷远端间隔得更宽。

将要领会的是，本发明可以容易适配用于具有可互换或者可开关透镜模块的相机，包括具有诸如用于IR成像应用的可开关可见光滤波器(VLF)的相机。因此，不同的校准数据可以被存储并且然后针对不同的透镜模块或者相机所采用的任何滤波器进行选取。

我们还将指出，对于透镜模块中的螺丝，可能产生问题，如果透镜镜桶在校准时在面朝上的位置与相机模块螺纹接合在一起。通常在被校准时，螺纹接合透镜直到测试图像的锐度水平经过阈值。虽然这意味着相机模块将在最有利的情形下(面朝上)到达无穷远位置，但是在一些其他不太有利的情形下(面朝下，或者较低的环境温度)，(透镜镜桶内的)焦平面将由于重力而相对于图像传感器偏移或者焦距确实可能改变，使得相机不可能到达无穷远位置。为了避免这一情况发生，在锐度达到阈值之后继续螺纹接合透镜镜桶可能是有帮助的，直到测试图像的锐度水平再次下降到阈值以下。这种对透镜镜桶的过螺纹接合可以保证，DAC编码总是可用于将透镜置于无穷远位置。

透镜镜桶的螺纹接合可以通过人工操作员执行或者可以使用合适的工具在生产线上自动完成。在后者的情形下，螺纹接合工具需要角度值以确定透镜镜桶应当被过螺纹接合的程度。这一螺纹接合角度可以按如下方式确定：

·对于特定相机模块或者特定批次的模块，如上文所解释的，测量针对所有定向和针对整个环境温度范围[例如，-15℃、…、+45℃]的透镜位移偏移；

·已知透镜镜桶在生产线上被螺纹接合到位时的定向(例如，面朝上)，可以计算所需要的透镜过螺纹接合位移，以便适应以上所有情形(不同的定向和热透镜镜桶/焦距偏移)。这提供了以微米度量的值(例如，12um)以过螺纹接合透镜镜桶；

·已知透镜镜桶螺纹坡度，可以计算以旋转角度度量的过螺纹接合值，以便允许自动透镜镜桶螺纹接合机执行过螺纹接合操作。例如，如果螺纹接合坡度为250um/360度，则12um位移等于17.28度(12um*360度/250um)的过螺纹接合角。

在任何情形下，本发明提供，基于从多个定向下的相机模块获取的批次表征数据和单个定向下的给定设备的组合，提供快速并且成本有效的设备特定的校准。

可以在自动聚焦驱动器或者模块内采用校准数据，使得相机自动聚焦算法能够简单地指定所需要的POI，在本示例中为从1至12，并且其有信心相机确实会聚焦在所需要的焦距处。

Claims (28)

1.一种用于校准图像捕获设备的方法，包括：

a)安装来自一个批次的至少一个样本设备，以移动通过相对于水平面的多个定向，

b)对于给定的定向，将所述样本设备聚焦在一系列位置处，每个位置与所述设备相距相应的聚焦距离；

c)记录所述样本设备在每个位置处的透镜致动器设置；

d)在所述样本设备的多个不同定向处重复步骤b)和c)；

e)确定针对来自所述多个不同定向的不同定向在任何给定位置处的透镜致动器设置和所述多个不同定向中的所选择的定向处的致动器设置之间的相应关系；

f)记录至少两个兴趣点(POI)处待校准的所述图像捕获设备的透镜致动器设置，每个POI与所述设备相距指定的聚焦距离，其中所述图像捕获设备位于所述所选择的定向处；以及

g)基于所确定的所述关系和所记录的所述透镜致动器设置，针对所述多个不同定向校准所述图像捕获设备。

2.根据权利要求1所述的方法，包括针对来自一个批次的多个样本设备重复步骤a)至步骤d)，并且其中步骤e)包括统计分析针对所述样本设备的所记录的透镜致动器设置以便确定所述关系。

3.根据权利要求1所述的方法，包括将测试图案定位在与所述设备相距每个指定的聚焦距离处，以使得所述设备能够聚焦在所述指定的聚焦距离处。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤f)包括：记录在相机微距和无穷远设置中的每一个处的所述透镜致动器设置，以及根据透镜致动器设置和聚焦距离之间的经建模的关系，对所述所选择的定向处的所述微距和无穷远设置之间的每个POI的透镜致动器设置进行插值。

5.根据权利要求5所述的方法，其中所述图像捕获设备包括包含MEMS致动透镜的相机模块，并且其中所述经建模的关系具有电容＝A*exp(B*透镜致动器设置+C)的形式，其中A、B和C是标量值。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述图像捕获设备包括包含VCM致动透镜的相机模块，并且其中所述经建模的关系是线性的。

7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤f)包括：记录在所述所选择的定向处的所述设备微距和无穷远设置之间的每个POI处的所述透镜致动器设置。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述所选择的定向是水平面，并且所述多个不同定向包括相对于水平面成-90度、-30度、30度以及90度。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述透镜致动器设置包括用于在每个POI处定位所述透镜的DAC编码。

10.根据权利要求10所述的方法，其中所述图像捕获设备包括包含MEMS致动透镜的相机模块。

11.根据权利要求11所述的方法，其中步骤c)包括：

针对样本设备迭代地扫描通过DAC编码；

针对每个DAC编码记录透镜致动器电容。

12.根据权利要求11所述的方法，其中步骤f)包括：

记录微距设置和无穷远设置处的透镜致动器电容；以及

记录所述至少两个POI处的DAC编码。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述图像捕获设备包括包含VCM致动透镜的相机模块。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤g)包括：将所确定的所述关系和所记录的所述透镜致动器设置记录在设备存储器中。

15.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤g)包括：将所记录的所述透镜致动器设置与所确定的所述关系组合，以提供包括用于每个定向和每个POI的透镜致动器设置的表格；以及将所述表格记录在设备存储器中。

16.根据权利要求1所述的方法，包括针对多个操作温度中的每个操作温度重复步骤f)和步骤g)。

17.根据权利要求17所述的方法，其中所述操作温度对应于针对相机透镜或者所述图像捕获设备中的一个的温度传感器读数。

18.根据权利要求1所述的方法，其中所述校准所述图像捕获设备包括：将设备特定的校准信息存储在所述图像捕获设备内的一次性可编程存储器(OTP)中。

19.一种校准系统，被设置为执行根据权利要求1所述的校准方法。

20.一种根据权利要求1所述的方法来校准的设备。

21.根据权利要求21所述的设备，所述设备被设置为通过如下方式补偿设备操作变化：

捕获包括物体的场景的图像，所述物体具有尺寸已知的特征；

基于所述特征的所成像的尺寸，确定至所述物体的距离；

确定针对所述距离的第一透镜位移；

确定针对所述第一透镜位移的第一经校准透镜致动器设置；

获得向所述场景内的所述特征提供最大锐度的第二透镜位移；

确定针对所述第二透镜位移的第二透镜致动器设置；以及

根据所述第一经校准透镜致动器设置和所述第二透镜致动器设置之间的任何区别，调节所述经校准透镜致动器设置。

22.根据权利要求22所述的设备，其中所述物体是人脸，所述特征是眼睛，并且所述尺寸是所述眼睛之间的距离。

23.根据权利要求21所述的设备，所述设备被设置为通过如下方式补偿设备操作变化：

确定至场景内的物体的距离；

确定针对所述距离的第一透镜位移；

确定针对所述第一透镜位移的第一经校准透镜致动器设置；

获得向所述场景内的所述特征提供最大锐度的第二透镜位移；

确定针对所述第二透镜位移的第二透镜致动器设置；以及

根据所述第一经校准透镜致动器设置和所述第二透镜致动器设置之间的任何区别，调节所述经校准透镜致动器设置。

24.根据权利要求24所述的设备，其中所述设备包括基于激光的距离测量系统，并且其中所述距离通过将在场景内所成像的物体的距离与由所述距离测量系统测量的到所述物体的距离进行关联来确定。

25.根据权利要求22所述的设备，其中所述设备被设置为响应于所测量的操作变化来执行所述补偿；周期性地执行所述补偿；或者响应于用户请求来执行所述补偿。

26.一种图像捕获设备，被设置为通过如下方式补偿设备操作变化：

a)确定至场景内的物体的距离；

b)确定针对所述距离的第一透镜位移；

c)确定针对所述第一透镜位移的第一经校准透镜致动器设置；

d)获得向所述场景内的所述特征提供最大锐度的第二透镜位移；

e)确定针对所述第二透镜位移的第二透镜致动器设置；以及

f)根据所述第一经校准透镜致动器设置和所述第二透镜致动器设置之间的任何区别，调节所述经校准透镜致动器设置。

27.根据权利要求27所述的设备，其中所述设备被设置为：捕获包括物体的场景的图像，所述物体具有尺寸已知的特征；以及基于所述特征的所成像的尺寸来确定至所述物体的所述距离。

28.根据权利要求27所述的设备，包括用户应用，所述用户应用能实例化以使所述设备执行步骤a)至步骤f)。