CN109788282A - 用于摄像机镜头的自动调焦装置及其调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于摄像机镜头的自动调焦装置及其调焦方法，其中方法包括：获取标准镜头在图卡拍摄位拍摄的标准图片数据；获取待调镜头在持续位移中第一位置和第二位置对图卡拍摄的第一待测图片数据和第二待测图片数据；根据标准图片数据、第一待测图片数据以及第二待测图片数据计算本次待调镜头相对于待调镜头座的移动距离；获取本次待调镜头从第一位置到第二位置电机旋转的角度数据；根据移动距离和角度数据计算待调镜头的位移数据。本发明提高了调焦的速度和精确度，同时保证了批量生产的调焦结果一致性。另外，本发明可快速检测出待调镜头与第一机械手和第二机械手之间是否出现打滑现象，从而便于对待调镜头做出快速的调整。

Description

用于摄像机镜头的自动调焦装置及其调焦方法

技术领域

本发明涉及摄像机镜头，更具体地说是用于摄像机镜头的自动调焦装置及其调焦方法。

背景技术

随着智能终端产业的蓬勃快速发展，众多具有图像采集、处理能力的电子产品被普及，摄像头模组生产的需求量也不断增长。目前在摄像机整机生产中，常见的摄像头镜头调焦的方法是：通过纯手动调焦校正，利用人工和人眼进行判断位置，人工计算数据。由于人眼的精度、速度上的限制，有些高速、高精度的检测无法由人工来完成，而且效率低下，产能成为大规模生产高良品率摄像头模组的瓶颈。

近些面，也出现了一些尝试替代人工生产的自动化调焦装置和系统。这些自动化调焦装置可以认为是为了完成摄像头调焦这一特定任务的机器人，但存在以下缺点：1)调焦的工作效率低；2)当出现调焦机械手和待调镜头之间出现打滑时，系统无法及时检测到，因此，无法及时作出调整；3)不能在调焦的同时就完成调焦结果测试，因此，不能保证批量生产的调焦结果一致性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供用于摄像机镜头的自动调焦装置及其调焦方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：用于摄像机镜头的自动调焦装置，包括旋转轴，及与旋转轴转动连接的悬臂；所述悬臂包括第一连杆和第二连杆，设于第一连杆外端的第一夹具，设于第二连杆外端的第二夹具；所述第一夹具包括用于固定标准镜头的固定座，所述第二夹具包括用于固定待调镜头座的底座，固定连接于底座上的连接柱，旋转连接于连接柱上的电机；所述电机上连接有可伸缩的第一机械手和第二机械手，所述第一机械手和第二机械手用于抱紧待调镜头，并使所述待调镜头在待调镜头座中沿其平行轴线方向前进或者后退。

其进一步技术方案为：所述第一连杆和第二连杆对称设置于所述旋转轴的两侧。

一种上述的用于摄像机镜头的自动调焦装置的调节方法，所述方法包括以下步骤：

获取标准镜头在图卡拍摄位拍摄的标准图片数据；

获取待调镜头在持续位移中第一位置和第二位置对图卡拍摄的第一待测图片数据和第二待测图片数据；

根据标准图片数据、第一待测图片数据以及第二待测图片数据计算本次待调镜头相对于待调镜头座的移动距离；

获取本次待调镜头从第一位置到第二位置电机旋转的角度数据；

根据移动距离和角度数据计算待调镜头的位移数据。

其进一步技术方案为：所述获取标准镜头在图卡拍摄位拍摄的标准图片数据的步骤之后，还包括以下步骤：

旋转悬臂，将待调镜头旋转至图卡拍摄位；

判断第一机械手和第二机械手对待调镜头进行调焦操作的连续工作时间是否小于预设的调焦时间；

若是，则进入所述待调焦镜头在待调镜头座的初始位置，对图卡进行拍照，并记录此位置拍摄的图片数据的步骤；

若否，则返回所述获取标准镜头在图卡拍摄位拍摄的标准图片数据的步骤；

待调焦镜头在待调镜头座的初始位置，对图卡进行拍照，并记录此位置拍摄的图片数据。

其进一步技术方案为：所述的根据移动距离和角度数据计算待调镜头的位移数据步骤之后，还包括以下步骤：

判断所述待调镜头的位移数据是否大于预设阈值；

若是，则判定待调镜头与第一机械手和第二机械手之间出现了打滑现象。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明提供的用于摄像机镜头的自动调焦装置及其调焦方法，通过控制悬臂的转动，使标准镜头和待调镜头分别对图卡进行拍摄，已获得标准图片数据和待测图片数据，然后根据标准图片数据以及待彻底图片数据计算出待调镜头相对于待调镜头座的移动距离，待调镜头座的移动距离结合电机旋转的角度数据即可计算出待调镜头的位移数据，进而可快速、准确的对待调镜头进行调焦，而且保证了批量生产的调焦结果一致性。另外，通过判断待调镜头的位移数据是否大于预设阈值，可快速检测出待调镜头与第一机械手和第二机械手之间是否出现打滑现象，从而便于对待调镜头做出快速的调整。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明用于摄像机镜头的自动调焦装置具体实施例的结构示意图；

图2为本发明用于摄像机镜头的自动调焦装置具体实施例中第一夹具的结构示意图；

图3为本发明用于摄像机镜头的自动调焦装置具体实施例中第二夹具的结构示意图；

图4为本发明用于摄像机镜头的自动调焦装置具体实施例中图卡与悬臂之间相对位置关系示意图；

图5为本发明用于摄像机镜头的自动调焦装置的调节方法具体实施例中光学成像的示意图；

图6为本发明用于摄像机镜头的自动调焦装置的调节方法具体实施例中待调镜头在调焦过程中移动量与相距之间的关系示意图；

图7为本发明用于摄像机镜头的自动调焦装置的调节方法具体实施例的流程图。

附图标记

101、旋转轴；102、旋转电机；103、第一连杆；104、第一夹具；105、第二夹具；201、固定座；202、第一信号连接点；203、第一线缆；204、标准镜头；301、底座；302、第二信号连接点；303、第二线缆；304、待调镜头；305、电机；306、第二机械手；307、连接柱；801、图卡；802、调焦悬臂。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

应当理解，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体/操作/对象与另一个实体/操作/对象区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体/操作/对象之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

还应当理解，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

如图1-3所示，本发明提供了一种用于摄像机镜头的自动调焦装置，包括旋转轴101，及与旋转轴101转动连接的悬臂，悬臂在旋转电机102的作用下可绕旋转轴101旋转；悬臂包括第一连杆103和第二连杆，设于第一连杆103外端的第一夹具104，设于第二连杆外端的第二夹具105；第一夹具104包括用于固定标准镜头的固定座201，第二夹具105包括用于固定待调镜头304座的底座301，固定连接于底座301上的连接柱307，旋转连接于连接柱307上的电机305；电机305上连接有可伸缩的第一机械手和第二机械手306，第一机械手和第二机械手306用于抱紧待调镜头304，并使待调镜头304在待调镜头304座中沿其平行轴线方向前进或者后退。

具体的，上述的标准镜头204，指的是不存在光轴偏移，拍摄的图像的四周解像力等指标满足设计要求的镜头，在文中简称标准镜头204。标准镜头204是固定在第一夹具104的固定座201中的，固定座201能够保证在生产过程中，标准镜头204相对于第一夹具104和第一连杆103不会发生任何位移。第一信号连接点202是给标准镜头204供电以及作为其它信号的连接点，第一线缆203一端通过第一信号连接点202与标准镜头204连接，另一端与摄像机的主板连接。

第二夹具105与第一夹具104不同，第二夹具105在底座301上固定连接有连接柱307，连接柱307上旋转连接有电机305，电机305上连接有可伸缩的第一机械手和第二机械手306。开始调焦时，第一机械手和第二机械手306会伸出，并按照设定的扭矩抱紧待调镜头304。待调镜头304上有外螺纹，待调镜头304座上有内螺纹，第一机械手和第二机械手306在电机305的带动下做顺、逆时针运动，以使得待调镜头304在待调镜头304座中沿平行轴线方向前进或后退。第二信号连接点302是给待调镜头304供电以及作为其他信号的连接点，第二线缆303一端通过第二信号连接点302与待调镜头304连接，另一端与摄像机的主板连接。

另外，第一连杆103和第二连杆需等长，且对称设置于旋转轴101的两侧。

如图1-7所示，本发明还提供了一种上述的用于摄像机镜头的自动调焦装置的调节方法，该方法包括以下步骤：

S10、获取标准镜头在图卡拍摄位拍摄的标准图片数据；

S20、旋转悬臂，将待调镜头旋转至图卡拍摄位；

S30、判断第一机械手和第二机械手对待调镜头进行调焦操作的连续工作时间是否小于预设的调焦时间，若是，则进入步骤S40，若否，则返回步骤S10；

S40、待调焦镜头在待调镜头座的初始位置，对图卡进行拍照，并记录此位置拍摄的图片数据；

S50、获取待调镜头在持续位移中第一位置和第二位置对图卡拍摄的第一待测图片数据和第二待测图片数据；

S60、根据标准图片数据、第一待测图片数据以及第二待测图片数据计算本次待调镜头相对于待调镜头座的移动距离；

S70、获取本次待调镜头从第一位置到第二位置电机旋转的角度数据；

S80、根据移动距离和角度数据计算待调镜头的位移数据；

S90、判断待调镜头的位移数据是否大于预设阈值，若是，S901、则判定待调镜头与第一机械手和第二机械手之间出现了打滑现象，若否，S901、则待调镜头未出现打滑现象。

具体的，如图4所示，图卡801可以是标准的ISO12233图卡，也可以是定制的图卡，图卡801作为被拍摄的对象。对图卡801进行拍摄的是标准镜头或者是待调镜头。图卡801和调焦悬臂802之间有相对位置要求，待调镜头或者标准镜头的中轴要垂直于图卡801，并且要正对着图卡801的中心，待调镜头或者标准镜头到图卡801之间的距离是镜头设计的最佳合焦距离(即使采用增距镜，也要求等效距离就是镜头设计的最佳合焦距离)。一般情况下，每间隔设置的指定时间段将标准镜头旋转到图卡801的正前方，并拍摄对焦清晰的图像，记为f(x,y)。周期性的间隔一段时间，标准镜头的对焦清晰照片，可以使得待调镜头对光(灯)源的照度等特性随时间的改变，有良好的自适应能力。

由于标准镜头拍摄图卡801的图像f(x,y)是对焦清晰的图像，待调镜头在调焦过程中拍摄得到的图像为g_i(x,y),i＝0,1,2,…，可以得到：

公式1、

公式2、σ_i＝ασ_j+β；

对于σ_i,σ_j分别有：

公式3、σ_i＝m_iu^-1+c_i；

公式4、σ_j＝m_ju^-1+c_j；

其中，

公式5、

公式6、

公式5、6中的m_i和m_j分别是D_i和D_j,在固定光圈前提下或者是调焦的过程中光圈不改变的前提下，D_i＝D_j。

所以，

公式7、σ_j＝m_ju^-1+c_j；

公式8、σ_i＝ασ_i+β；

公式9、

如图5所示，图中u是物距，f是焦距，s是像距，在现有技术中，RDFD主要用于在拍照中镜头的自动对焦，而本发明中，将RDFD用于调焦过程中，测量在第一机械手或者第二机械手在转动下待调镜头移动的距离。下面以固定光圈的定焦镜头的调焦过程为实施例进行说明。

如图6所示，在调焦过程中，待调镜头处于i，j两个位置。显示待调镜头的位移和两次成像的像距之间存在这样的关系：d_ij＝s_i-s_j。

对于固定光圈或调焦过程中光圈不变的情况下，有：

公式10、α＝1；

因此，可以得到σ_j的唯一解：

公式11、

其中，公式十二、

公式12中，s₀是给定的归一化系数，通常是已知的规定数据；s_i，s_j是两次拍照时的像距。因此，在本实施例中，需要计算出s_i，s_j，而β也是未知参数。为此，需对RDFD进行改动。因为已知标准镜头在图卡801拍摄位拍摄的标准图片数据，而且它的PSF标准差很小，采用反卷积法的估计也够用，记为σ₀。我们分别由g₁(x,y)，f(x,y)和g₂(x,y)，f(x,y)可以得到：

公式13、

公式14、

公式13、14的右边可通过图像计算而得到。

至此，得到了关于σ_i，σ_j的三个方程公式1、公式13和公式15。在解这几个方程前，已经通过反卷积的方法计算出图像f(x,y)对应的σ₀，进而可通过最小二乘法求解该方程组：

公式15、AX＝G；

公式16、

根据最小二乘法，可以得到：

公式17、X＝(A^TA)^-1A^TG；

需要注意的是，由X求解σ_i，σ_j存在两个解，即存在正、负号两个解，需要讨论每种解的可能性。

在本实施例中，第一机械手和第二机械手旋转镜头，改变了成像的像距；如果不是为微距镜头调焦，都可以认为旋转镜头对物距的改变很小。可以采用激光测距仪测量出标准镜头到图卡801之间的距离u。对于定焦镜头，f_i，f_j已知，故可以从公式3-6计算出s_i，s_j。

如果拍摄第i张图像的时间要早于第j张图像，那么我们可以认为待调镜头沿轴线方向前进的距离为：

公式18、d_ij＝s_i-s_j。

如上述，待调镜头与待调镜头座是通过螺纹的方式连接的，待调经过在电机的带动下相对于待调镜头座旋转前进或者后退。螺纹旋转一周，在平行轴线方向前进或后退的距离和螺纹的类型有关，若是单线螺纹，则螺纹旋转一周，前进一个螺距；若是复线螺纹，则螺纹旋转一周，前进n个螺距。例如：双线螺纹旋转一周前进2个螺距，三线螺纹旋转一周前进3个螺距，以此类推。

将螺纹旋转一周，在平行轴线方向前进或后退的距离称为导程，记为L。不管是螺母位移或螺杆位移，其位移量d与螺旋传动时的转速n之间的关系为：

公式19、d＝n·L·t；

公式20、

借助电机编码器，可以直接测量出电机的旋转位移，即是从电机编码器的数据信号获得电机在某段时间内的旋转角度θ，因此公式19和20是等价的。

虽然公式20是测量公式，同样可以控制电机。因此，从已知需要镜头的位移量d，求解电机需要的转动的角度θ。

由于公式18和20都存在误差(可称为噪声)，为了提高调节的精度在基于Kalman(卡尔曼滤波)滤波器进行调节；

Kalman滤波器公式：

公式21、X_t＝A_tX_t-1+B_tu_t+ε_t；

公式22、Z_t＝C_tX_t+δ_t；

在公式21和22中，X_t和X_t-1是状态量；u_t为时刻t的控制向量；Z_t是测量向量。公式21中的ε_t是一个高斯随机向量，表示由状态转移引入的不确定性；公式22中的δ_t测量噪声。

以下为基于Kalman滤波器的调焦实施例；

公式20中的θ就是控制量u_t，当前时刻t镜头位移量d_t就是状态量x_t。这里的d_t可以认为是公式20中的d，并且考虑到公式20，也就是电机测量公式中的噪声后的位移d_t。下标t表示当前的时刻t。经过Kalman滤波器的处理后，d_t会获得比公式20中的d更高的精度。在公式20的基础上建立状态转移方程21。考虑到合焦图像已知的RDFD算法是基于图像处理的一种镜头位移量的测量的方式，在公式18的基础上建立测量方程22。因此，

公式23、A_t＝0；

公式24、

公式25、C_t＝1。

由于电机控制和测量存在噪声，该噪声的方差为R_t，合焦图像已知的RDFD算法也存在计算噪声，该噪声的方差为Q_t。基于Kalman滤波器的调焦电机按照下面的公式计算经过本次(当前时刻t)Kalman滤波器后镜头位移距离。

公式26、

公式27、

公式28、

公式29、

公式30、

在公式26-30中，是计算预测的置信度，其中是位移的预测均值，而是预测的方差。μ_t，∑_t是时刻t的置信度，μ_t，d_t是时刻t滤波后的待测镜头位移量，∑_t是时刻t位移量对应的方差。d_ij是经过合焦图像已知的RDFD算法计算出来的镜头位移量，如公式18所示，μ_t即d_t要比单独根据公式18和公式20计算出来的结果更为精确。另外，如果第一机械手和第二机械手机械手与待调镜头接触不良，导致螺丝打滑，公式20将存在极大的误差，如果满足：

公式31、

则判定出现了打滑现象，公式31中，Th是预设阀值。如何满足公式31，可以认为：在调焦过程中，发生了螺丝打滑的异常事件(尽管在实际运行中，这样的异常事件并不常见，但是如果一旦发生了，而且不提醒人工进行干预，将会阻塞生产的继续进行)。

上述仅以实施例来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.用于摄像机镜头的自动调焦装置，其特征在于，包括旋转轴，及与旋转轴转动连接的悬臂；所述悬臂包括第一连杆和第二连杆，设于第一连杆外端的第一夹具，设于第二连杆外端的第二夹具；所述第一夹具包括用于固定标准镜头的固定座，所述第二夹具包括用于固定待调镜头座的底座，固定连接于底座上的连接柱，旋转连接于连接柱上的电机；所述电机上连接有可伸缩的第一机械手和第二机械手，所述第一机械手和第二机械手用于抱紧待调镜头，并使所述待调镜头在待调镜头座中沿其平行轴线方向前进或者后退。

2.根据权利要求1所述的用于摄像机镜头的自动调焦装置，其特征在于，所述第一连杆和第二连杆对称设置于所述旋转轴的两侧。

3.一种权利要求1-2任意一项所述的用于摄像机镜头的自动调焦装置的调节方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

获取标准镜头在图卡拍摄位拍摄的标准图片数据；

获取待调镜头在持续位移中第一位置和第二位置对图卡拍摄的第一待测图片数据和第二待测图片数据；

根据标准图片数据、第一待测图片数据以及第二待测图片数据计算本次待调镜头相对于待调镜头座的移动距离；

获取本次待调镜头从第一位置到第二位置电机旋转的角度数据；

根据移动距离和角度数据计算待调镜头的位移数据。

4.根据权利要求3所述的用于摄像机镜头的自动调焦装置的调节方法，其特征在于，所述获取标准镜头在图卡拍摄位拍摄的标准图片数据的步骤之后，还包括以下步骤：

旋转悬臂，将待调镜头旋转至图卡拍摄位；

判断第一机械手和第二机械手对待调镜头进行调焦操作的连续工作时间是否小于预设的调焦时间；

若是，则进入所述待调焦镜头在待调镜头座的初始位置，对图卡进行拍照，并记录此位置拍摄的图片数据的步骤；

若否，则返回所述获取标准镜头在图卡拍摄位拍摄的标准图片数据的步骤；

待调焦镜头在待调镜头座的初始位置，对图卡进行拍照，并记录此位置拍摄的图片数据。

5.根据权利要求3所述的用于摄像机镜头的自动调焦装置的调节方法，其特征在于，所述的根据移动距离和角度数据计算待调镜头的位移数据步骤之后，还包括以下步骤：

判断所述待调镜头的位移数据是否大于预设阈值；

若是，则判定待调镜头与第一机械手和第二机械手之间出现了打滑现象。