CN112788247A - 一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统 - Google Patents

一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统，由脉冲激光器1、单光子雪崩光电二极管2、淬灭电路3、时间数字转换器4、调焦系统5、成像传感器6、手机微处理器7和光学系统8组成。本发明通过激光雷达测距功能让智能手机摄像头在暗光或雾天或人物等拍摄场景，实现高速对焦。

Description

一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统，本发明通过激光雷达测距功能让摄像头在暗光或雾天或人物等拍摄场景，实现高速对焦。属于手机摄像聚焦技术领域。
(二)背景技术
近年来智能手机迅猛发展，手机也不再是单一的通讯设备，各种其他功能不断地加入，例如上网功能、GPS定位功能和数码相机功能等。手机的数码相机不仅由原来的一种设想发展为实用的功能，更由原来的单一照相功能发展为可以录制视频即摄像，拍摄的图片和录制的视频的清晰度也越来越高，手机的数码相机功能极大地满足了用户的随时拍摄的需求，手机相机已经成为一种不可或缺的生活用品。用户在使用手机时都希望能够抓拍到精彩的瞬间，这就要求手机相机的聚焦速度要足够的快。
现用的手机聚焦方法有以下几种，陈翔宇于2017年公开了一种反差式对焦的快速合焦方法以及装置(中国专利：CN107483820A)，该发明利用反差对焦进行快速对焦；赵玮于2017年公开了一种基于智能终端的对焦方法及对焦装置(中国专利：CN201711458446.9)，他通过相位对焦和反差对焦完成对焦过程；卢亮于2017年公开了一种双摄像头对焦方法、移动终端以及计算机可读存储介质(中国专利：CN107465881A)，他通过双摄像头结合反差对焦方法实现对焦过程；钞晨于2014年公开了一种快速对焦的手机摄像模组(中国专利：CN106101546A)，他使用红外激光聚焦发光二极管和红外光电二极管作为测距模块来测量出被拍摄物体的距离，实现快速对焦。以上所述的设计具有以下缺点：(1)反差对焦和相位对焦都是基于图像传感器，受限于图像传感器较低增益的问题，无法在复杂环境如暗光、雾天和人像模式中实现快速精准的对焦；(2)使用双摄像头进行对焦，增加了手机的制造成本且浪费了手机的算力；(3)激光测距模块中使用增益较低的常规光电二极管，同样限制了在复杂环境如暗光、雾天和人像模式中的使用。
为了解决以上问题，本发明公开了一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统，发明通过激光雷达测距功能让摄像头在暗光或雾天或人物等拍摄场景，实现高速对焦。系统中激光雷达的光电探测器使用单光子雪崩光电二极管，单光子雪崩光电二极管具有能够探测光子量级的极高增益，使得系统可以在暗光或雾天或人物等场景中，迅速且精准的测量被拍摄物体的距离进而实现快速对焦。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统，本发明通过激光雷达测距功能让摄像头在暗光或雾天或人物等拍摄场景，实现高速对焦。
手机摄像用自动聚焦激光雷达，由脉冲激光器1、单光子雪崩光电二极管2、淬灭电路3、时间数字转换器4、调焦系统5、成像传感器6、手机微处理器7和光学系统8组成。
本发明是这样实现的：手机微处理器7控制脉冲激光器1发射脉冲激光信号，脉冲激光信号通过光学系统8照射到拍摄物体，脉冲激光信号在拍摄物体的表面发生反射，反射的脉冲激光信号经过光学系统8入射到单光子雪崩光电二极管2。单光子雪崩光电二极管2工作在单光子探测模式，入射的脉冲激光信号引起单光子雪崩光电二极管2输出雪崩事件，完成光信号到电信号的转换。淬灭电路3对单光子雪崩光电二极管2进行淬灭和复位并将雪崩事件电脉冲转换成标准晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)脉冲信号，之后TTL脉冲信号输出至时间数字转换器4。时间数字转换器4记录下脉冲激光器1发射脉冲激光信号到淬灭电路3输出TTL脉冲信号之间的时间间隔并将时间间隔数据发送到手机微处理器7。手机微处理器7将时间间隔数据进行直方图处理，直方图顶点对应的时间间隔用于计算距离，之后调焦系统5根据计算的距离进行快速对焦。当调焦系统5完成调焦动作后，手机微处理器7控制成像传感器6完成对被拍摄物体的拍摄。
所述系统中脉冲激光器1可以是基于波长范围在可见光和近红外的半导体激光器，脉冲激光器1的开启/关闭和发射频率由手机微处理7控制。脉冲激光器1发射的激光经过光学系统8准直并照射到拍摄物体，经拍摄物体反射的脉冲激光由光学系统8汇聚到单光子雪崩光电二极管2。
所述系统中单光子雪崩光电二极管2可以是基于标准互补金属氧化物半导体，双极型互补金属氧化物半导体工艺以及硅晶绝缘体互补金属氧化物半导体工艺的点探测器或者探测器阵列。系统中单光子雪崩光电二极管2施加高于击穿电压的反向电压，使其工作在单光子探测模式，该模式下具有非常高的增益。入射的光子引起单光子雪崩光电二极管2内部发生雪崩效应输出雪崩事件到淬灭电路3。淬灭电路3的作用是对工作在单光子探测模式的单光子雪崩光电二极管2进行淬灭和复位，单个光子引起单光子雪崩光电二极管2发生雪崩时，淬灭电路3将单光子雪崩光电二极管2的偏置电压降低到击穿电压以下来进行淬灭，经过一段时间后淬灭电路3将单光子雪崩光电二极管2的偏置电压恢复来进行复位来准备探测下一个光子，同时输出一个TTL脉冲信号。淬灭电路3基于标准集成电路工艺，其数量与单光子雪崩光电二极管2的数量一致。
所述系统中时间数字转换器4是基于标准集成电路工艺制作的芯片，其数量与淬灭电路3的数量一致，为了提高集成度，淬灭电路3和时间数字转换器4可以集成在同一个芯片上。手机微处理器7控制脉冲激光器1发射脉冲激光，时间数字转换器4开始计时，淬灭电路3输出的TTL脉冲信号到达时间数字转换器4停止计时，完成一次时间间隔的记录，时间数字转换器4不断的启动计时和停止计时，得到的一系列时间间隔统计数据发送至手机微处理器7进行处理。
所述系统中调焦系统5由手机微处理器7控制，手机微处理器7根据手机与被拍摄物体的距离调整好调焦系统5的焦点距离，使得被拍摄物体清晰到成像在成像传感器6上。成像传感器6为CMOS图像传感器，在调焦系统5完成对焦动作后，手机微处理器7控制成像传感器6完成拍摄。
所述系统中手机微处理器7对时间数字转换器4输出的时间间隔数据进行直方图处理，直方图处理过程是对不同时间间隔计数进行分布统计，直方图中计数最大对应的时间间隔用于计算距离(距离等于时间间隔与光速乘积的二分之一)。定义直方图中计数最大值与最小值之间的差值为计数极差，计数1为计数最小值+95％×计数极差，计数2为计数最小值+5％×计数极差。为了保证系统测量的精度，直方图的处理中需要确保计数1是计数2的三倍。在背景噪声低，干扰弱的场景中，计数1很快达到计数2的三倍就停止时间间隔计数进行直方图处理得到计数最大值对应的距离。如果受暗光或雾天等因素影响，计数1没有达到计数2的三倍，就增加时间间隔计数累计，至达到为止。当设置不同模式，如人像，远景等，计数1与计数2倍数可按需调整。
(四)附图说明
图1是基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统意图。它由脉冲激光器1、单光子雪崩光电二极管2、淬灭电路3、时间数字转换器4、调焦系统5、成像传感器6、手机微处理器7和光学系统8组成。
图2是基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统实施例示意图。它由脉冲激光器1、2×2单光子雪崩光电二极管阵列2、2×2淬灭电路阵列3、2×2时间数字转换器阵列4、调焦系统5、成像传感器6、手机微处理器7和光学系统8组成。
图3是基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统实施例中直方图处理方法示意图。直方图中横轴t为时间间隔，纵轴计数为同一时间间隔的总个数，直方图分布反应了不同时间间隔的相对频率统计分布。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图3给出手机摄像用自动聚焦激光雷达的实施例。该系统是由脉冲激光器1、2×2单光子雪崩光电二极管阵列2、2×2淬灭电路阵列3、2×2时间数字转换器阵列4、调焦系统5、成像传感器6、手机微处理器7和光学系统8组成。
实施例中手机微处理器7控制脉冲激光器1发射脉冲激光信号，脉冲激光信号通过光学系统8照射到拍摄物体，脉冲激光信号在拍摄物体的表面发生反射，反射的脉冲激光信号经过光学系统8入射到2×2单光子雪崩光电二极管阵列2。2×2单光子雪崩光电二极管阵列2工作在单光子探测模式，入射的脉冲激光信号引起2×2单光子雪崩光电二极管阵列2输出雪崩事件，完成光信号到电信号的转换。2×2淬灭电路阵列3对2×2单光子雪崩光电二极管阵列2中对应的单光子雪崩光电二极管进行淬灭和复位并将雪崩事件电脉冲转换成标准晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)脉冲信号，之后TTL脉冲信号输出至2×2时间数字转换器阵列4。2×2时间数字转换器阵列4记录下脉冲激光器1发射脉冲激光信号到2×2淬灭电路阵列3输出TTL脉冲信号之间的时间间隔并将时间间隔数据发送到手机微处理器7。手机微处理器7将时间间隔数据进行直方图处理，处理方法如图3所示。定义直方图中计数最大值与最小值之间的差值为计数极差，计数1为计数最小值+95％×计数极差，计数2为计数最小值+5％×计数极差。为了保证系统测量的精度，直方图的处理中需要确保计数1是计数2的三倍。在背景噪声低，干扰弱的场景中，计数1很快达到计数2的三倍就停止时间间隔计数进行直方图处理得到计数最大值对应的距离。如果受暗光或雾天等因素影响，计数1没有达到计数2的三倍，就增加时间间隔计数累计，至达到为止。之后将直方图中计数最大对应的时间间隔用于计算距离(距离等于时间间隔与光速乘积的二分之一)。手机微处理器7根据计算的距离控制调焦系统5进行快速对焦。当调焦系统5完成调焦动作后，手机微处理器7控制成像传感器6完成对被拍摄物体的拍摄。

Claims (6)

1.一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统，由脉冲激光器1、单光子雪崩光电二极管2、淬灭电路3、时间数字转换器4、调焦系统5、成像传感器6、手机微处理器7和光学系统8组成。所述系统中手机微处理器7控制脉冲激光器1发射脉冲激光信号，脉冲激光信号通过光学系统8照射到拍摄物体，脉冲激光信号在拍摄物体的表面发生反射，反射的脉冲激光信号经过光学系统8入射到单光子雪崩光电二极管2。单光子雪崩光电二极管2工作在单光子探测模式，入射的脉冲激光信号引起单光子雪崩光电二极管2输出雪崩事件，完成光信号到电信号的转换。淬灭电路3对单光子雪崩光电二极管2进行淬灭和复位并将雪崩事件电脉冲转换成标准晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)脉冲信号，之后TTL脉冲信号输出至时间数字转换器4。时间数字转换器4记录下脉冲激光器1发射脉冲激光信号到淬灭电路3输出TTL脉冲信号之间的时间间隔并将时间间隔数据发送到手机微处理器7。手机微处理器7将时间间隔数据进行直方图处理，直方图顶点对应的时间间隔用于计算距离，之后调焦系统5根据计算的距离进行快速对焦。当调焦系统5完成调焦动作后，手机微处理器7控制成像传感器6完成对被拍摄物体的拍摄。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统，其特征是：脉冲激光器1可以是基于波长范围在可见光和近红外的半导体激光器，脉冲激光器1的开启/关闭和发射频率由手机微处理7控制。脉冲激光器1发射的激光经过光学系统8准直并照射到拍摄物体，经拍摄物体反射的脉冲激光由光学系统8汇聚到单光子雪崩光电二极管2。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统，其特征是：单光子雪崩光电二极管2可以是基于标准互补金属氧化物半导体，双极型互补金属氧化物半导体工艺以及硅晶绝缘体互补金属氧化物半导体工艺的点探测器或者探测器阵列。系统中单光子雪崩光电二极管2施加高于击穿电压的反向电压，使其工作在单光子探测模式，该模式下具有非常高的增益。入射的光子引起单光子雪崩光电二极管2内部发生雪崩效应输出雪崩事件到淬灭电路3。淬灭电路3的作用是对工作在单光子探测模式的单光子雪崩光电二极管2进行淬灭和复位，单个光子引起单光子雪崩光电二极管2发生雪崩时，淬灭电路3将单光子雪崩光电二极管2的偏置电压降低到击穿电压以下来进行淬灭，经过一段时间后淬灭电路3将单光子雪崩光电二极管2的偏置电压恢复来进行复位来准备探测下一个光子，同时输出一个TTL脉冲信号。淬灭电路3基于标准集成电路工艺，其数量与单光子雪崩光电二极管2的数量一致。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统，其特征是：时间数字转换器4是基于标准集成电路工艺制作的芯片，其数量与淬灭电路3的数量一致，为了提高集成度，淬灭电路3和时间数字转换器4可以集成在同一个芯片上。手机微处理器7控制脉冲激光器1发射脉冲激光，时间数字转换器4开始计时，淬灭电路3输出的TTL脉冲信号到达时间数字转换器4停止计时，完成一次时间间隔的记录，时间数字转换器4不断的启动计时和停止计时，得到的一系列时间间隔统计数据发送至手机微处理器7进行处理。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统，其特征是：调焦系统5由手机微处理器7控制，手机微处理器7根据手机与被拍摄物体的距离调整好调焦系统5的焦点距离，使得被拍摄物体清晰到成像在成像传感器6上。成像传感器6为CMOS图像传感器，在调焦系统5完成对焦动作后，手机微处理器7控制成像传感器6完成拍摄。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的手机摄像用自动聚焦系统，其特征是：手机微处理器7对时间数字转换器4输出的时间间隔数据进行直方图处理，直方图处理过程是对不同时间间隔计数进行分布统计，直方图中计数最大对应的时间间隔用于计算距离(距离等于时间间隔与光速乘积的二分之一)。定义直方图中计数最大值与最小值之间的差值为计数极差，计数1为计数最小值+95％×计数极差，计数2为计数最小值+5％×计数极差。为了保证系统测量的精度，直方图的处理中需要确保计数1是计数2的三倍。在背景噪声低，干扰弱的场景中，计数1很快达到计数2的三倍就停止时间间隔计数进行直方图处理得到计数最大值对应的距离。如果受暗光或雾天等因素影响，计数1没有达到计数2的三倍，就增加时间间隔计数累计，至达到为止。当设置不同模式，如人像，远景等，计数1与计数2倍数可按需调整。
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