CN113204155A - 一种快速调焦和精确测距的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速调焦和精确测距的方法及装置，方法包括根据目标物所在位置，将目标物、观察筒、凸透镜和图像传感器布设在平面直角坐标系，其中观察筒在直角坐标系的原点，凸透镜在平面直角坐标系的X轴上，目标物在平面直角坐标系的Y轴上，所述观察筒的轴线沿Y轴朝向目标物，所述凸透镜的轴线朝向目标物，所述目标物在所述凸透镜的前侧，所述图像传感器在所述凸透镜的后侧，图像传感器和所述凸透镜在同一轴线上；所述凸透镜中心B和观察筒中心A之间的距离为L，所述凸透镜的轴线与X轴的夹角为α；调整图像传感器与凸透镜之间的像距V＝(L*f)/(L‑f*cosα)，f为凸透镜的焦距，完成快速调焦。本发明可以克服现有相机的调焦问题，还可以用于精确测距。

Description

一种快速调焦和精确测距的方法及装置

技术领域

本发明属于相机技术领域，尤其涉及一种快速调焦和精确测距的方法及装置。

背景技术

目前相机的技术中，存在以下缺陷：

1、调焦需要控制调焦环来调整像屏的距离，调节速度慢；

2、无法利用相机精确测量距离，测量的距离只能通过预估，误差大。

3、无法快速对玻璃后面的观察物或者由水面拍摄水下观察物进行精确对焦。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种快速调焦和精确测距的方法及装置，利用几何知识进行物理调焦，可以克服现有相机的调焦问题，还可以用于精确测距。

本发明第一方面公开了一种快速调焦和精确测距的方法，包括以下步骤：

根据目标物所在位置，将目标物、观察筒、凸透镜和图像传感器布设在同一虚拟平面上；

在虚拟平面上建立平面直角坐标系，其中观察筒在直角坐标系的原点，凸透镜在平面直角坐标系的X轴上，目标物在平面直角坐标系的Y轴上，所述观察筒的轴线沿Y轴朝向目标物，所述凸透镜的轴线朝向目标物，所述目标物在所述凸透镜的前侧，所述图像传感器在所述凸透镜的后侧，所述图像传感器和所述凸透镜在同一轴线上；所述凸透镜中心B和观察筒中心A之间的距离为L，所述凸透镜的轴线与X轴的夹角为α；

测出夹角α，调整图像传感器与凸透镜之间的像距V＝(L*f)/(L-f*cosα)，f为凸透镜的焦距，完成快速调焦；

若以观察筒中心A为参考点，计算参考点与目标物的距离为L*tgα，若以凸透镜中心B为参考点，计算参考点与目标物的距离为L/cosα。

上述快速调焦和精确测距的方法，所述测出夹角α采用倾角传感器测量。

上述快速调焦和精确测距的方法，所述调整图像传感器与凸透镜之间的像距V时，包括以下步骤：

将凸透镜和图像传感器在初始时均沿X轴设置，凸透镜的前侧朝向观察筒，凸透镜和图像传感器之间的初始像距为(L*f)/(L-f)，α＝0°；

建立以穿过凸透镜中心，且垂直所述平面直角坐标所在平面的回转轴线，绕回转轴线沿顺时针旋转凸透镜和图像传感器，旋转过程中夹角α逐渐变大；

在旋转过程中凸透镜位置不变，图像传感器和凸透镜之间的像距满足V＝(L*f)/(L-f*cosα)，当旋转至凸透镜的轴线朝向目标物时停止旋转。

上述快速调焦和精确测距的方法，所述图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

本发明第二方面公开了一种快速调焦和精确测距的装置，包括机架、布设在机架上的观察筒和成像机构，所述成像机构包括支架、凸透镜和图像传感器；所述支架铰接在机架上，且绕铰接处在水平面可转动；所述凸透镜和图像传感器均安装在支架上，且所述凸透镜和图像传感器均沿竖直面布设，所述图像传感器布设在凸透镜后侧，且凸透镜和图像传感器布设在同一水平轴线上，所述支架铰接处的回转轴线穿过所述凸透镜的中心点，所述图像传感器与凸透镜之间的相对位置可调节，在所述支架旋转时，所述凸透镜和图像传感器均绕所述回转轴线旋转；所述凸透镜和观察筒的中心点处在同一水平直线M1上，所述凸透镜的轴线与所述水平直线M1间的夹角为α。

上述快速调焦和精确测距的装置，所述支架铰接处安装有用于测量夹角α角度值的倾角传感器。

上述快速调焦和精确测距的装置，所述支架包括一端与机架铰接可沿水平面转动的导杆、以及均套设在导杆上的导套和拉簧，所述拉簧的一端固定在导杆上，另一端连接导套；所述凸透镜通过连接板固定在所述导杆的铰接端，所述导杆的轴线与所述凸透镜的轴线相平行；当所述导套向后移动时，所述拉簧被拉长；所述导杆上连接有调节导套前后位置的连接架，所述连接架上设置有顶块，所述图像传感器固定在连接架上；所述机架上设置有一曲线形状的轨道，所述轨道的第一端处在所述水平直线M1上，第二端处在与所述水平直线M1垂直的另一水平直线M2上，所述水平直线M2与所述导杆铰接处的回转轴线相交，所述顶块顶在所述轨道上，当所述顶块从所述轨道的第一端向第二端移动时，所述夹角α为从0°向90°变化，所述凸透镜和图像传感器之间的像距在所述顶块位于第一端时为(L*f)/(L-f)，所述凸透镜和图像传感器之间的像距在所述顶块位于第二端时为f，f为凸透镜的焦距，L为所述凸透镜中心B和观察筒中心A之间的距离，在所述顶块从所述轨道的第一端向第二端移动时，凸透镜和图像传感器之间的像距满足V＝(L*f)/(L-f*cosα)。

上述快速调焦和精确测距的装置，所述图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明不需要使用控制调焦环的方式，一点一点调焦，可以直接计算出像距，调焦速度快。

2、本发明可以精确测距，通过利用三角函数几何直接计算出距离，实现精确测量距离。

3、本发明因为是通过几何计算出像距的方法进行调焦，所以对于玻璃后面的观察物或者由水面拍摄水下观察物也可以进行精确对焦。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1中的平面直角坐标图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明实施例2中轨道曲面的原理图。

附图标记说明：

1-观察筒； 2-凸透镜； 3-图像传感器；

4-倾角传感器； 5-机架； 6-导杆；

7-导套； 8-拉簧； 9-连接架；

10-顶块； 11-轨道； 12-第一端；

13-第二端。

具体实施方式

实施例1

一种快速调焦和精确测距的方法，包括以下步骤：

步骤1、根据目标物所在位置，将目标物、观察筒1、凸透镜2和图像传感器3布设在同一虚拟平面上；

步骤2、如图1所示，在虚拟平面上建立平面直角坐标系，其中观察筒1在直角坐标系的原点，凸透镜2在平面直角坐标系的X轴上，目标物在平面直角坐标系的Y轴上，所述观察筒1的轴线沿Y轴朝向目标物，所述凸透镜2的轴线朝向目标物，所述目标物在所述凸透镜2的前侧，所述图像传感器3在所述凸透镜2的后侧，所述图像传感器3和所述凸透镜2在同一轴线上；所述凸透镜2中心B和观察筒1中心A之间的距离为L，所述凸透镜2的轴线与X轴的夹角为α；

步骤3、测出夹角α，调整图像传感器3与凸透镜2之间的像距V＝(L*f)/(L-f*cosα)，f为凸透镜2的焦距，完成快速调焦；

关于像距V＝(L*f)/(L-f*cosα)，需要说明的是，物距U，像距V，凸透镜2的焦距f，满足1/U+1/V＝1/f，U＝(f*V)/(V-f)，cosα＝L/U＝[L(f*V)]/(V-f)，fVcosα＝VL-fL，fL＝VL-fVcosα＝V(L-fcosα)，V＝V＝(L*f)/(L-f*cosα)；

步骤4、若以观察筒1中心A为参考点，计算参考点与目标物的距离为L*tgα，若以凸透镜2中心B为参考点，计算参考点与目标物的距离为L/cosα。

所述测出夹角α采用倾角传感器4测量。

所述调整图像传感器3与凸透镜2之间的像距V时，包括以下步骤：

将凸透镜2和图像传感器3在初始时均沿X轴设置，凸透镜2的前侧朝向观察筒1，凸透镜2和图像传感器3之间的初始像距为(L*f)/(L-f)，α＝0°；

建立以穿过凸透镜2中心，且垂直所述平面直角坐标所在平面的回转轴线，绕回转轴线沿顺时针旋转凸透镜2和图像传感器3，旋转过程中夹角α逐渐变大；

在旋转过程中凸透镜2位置不变，图像传感器3和凸透镜2之间的像距满足V＝(L*f)/(L-f*cosα)，当旋转至凸透镜2的轴线朝向目标物时停止旋转。

所述图像传感器3为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

实施例2

如图2所示，一种快速调焦和精确测距的装置，包括机架5、布设在机架5上的观察筒1和成像机构，所述成像机构包括支架、凸透镜2和图像传感器3；所述支架铰接在机架5上，且绕铰接处在水平面可转动；所述凸透镜2和图像传感器3均安装在支架上，且所述凸透镜2和图像传感器3均沿竖直面布设，所述图像传感器3布设在凸透镜2后侧，且凸透镜2和图像传感器3布设在同一水平轴线上，所述支架铰接处的回转轴线穿过所述凸透镜2的中心点，所述图像传感器3与凸透镜2之间的相对位置可调节，在所述支架旋转时，所述凸透镜2和图像传感器3均绕所述回转轴线旋转；所述凸透镜2和观察筒1的中心点处在同一水平直线M1上，所述凸透镜2的轴线与所述水平直线M1间的夹角为α。

所述支架铰接处安装有用于测量夹角α角度值的倾角传感器4。

所述支架包括一端与机架5铰接可沿水平面转动的导杆6、以及均套设在导杆6上的导套7和拉簧8，所述拉簧8的一端固定在导杆6上，另一端连接导套7；所述凸透镜2通过连接板固定在所述导杆6的铰接端，所述导杆6的轴线与所述凸透镜2的轴线相平行；当所述导套7向后移动时，所述拉簧8被拉长；所述导杆6上连接有调节导套7前后位置的连接架9，所述连接架9上设置有顶块10，所述图像传感器3固定在连接架9上；所述机架5上设置有一曲线形状的轨道11，所述轨道11的第一端12处在所述水平直线M1上，第二端13处在与所述水平直线M1垂直的另一水平直线M2上，所述水平直线M2与所述导杆6铰接处的回转轴线相交，所述顶块10顶在所述轨道11上，当所述顶块10从所述轨道11的第一端12向第二端13移动时，所述夹角α为从0°向90°变化，所述凸透镜2和图像传感器3之间的像距在所述顶块10位于第一端12时为(L*f)/(L-f)，所述凸透镜2和图像传感器3之间的像距在所述顶块10位于第二端13时为f，f为凸透镜2的焦距，L为所述凸透镜2中心B和观察筒1中心A之间的距离，在所述顶块10从所述轨道11的第一端12向第二端13移动时，凸透镜2和图像传感器3之间的像距满足V＝(L*f)/(L-f*cosα)。

需要说明的是，所述轨道11通过以下方法加工制成，如图3所示，夹角α变化与像距之间的函数关系图，多边形CDEF组成不规则图形，其中CD为弧形线

C点坐标为(0°，L*f/(L-f))，D点坐标为(90°，f)，

EF的长度可以根据需要取任意值，DE的长度也可以根据需要取任意值，DE的长度取值原则为根据加工工艺可实现性越小越好，多边形CDEF越细长越好

图3所示的图形需要用一定的塑性材料或者金属加工出来，弯曲后形成轨道11，轨道11的内圈面为90°圆弧曲面，轨道11的外圈面对应V＝(L*f)/(L-f*cosα)函数的变化曲线。使用时，在拉簧8的作用下所述顶块10顶在所述轨道11上外圈面上。

所述图像传感器3为CCD图像传感器3或CMOS图像传感器3。

本发明作为测距使用时，A点为观察筒1，先用A点的中心对准被观察物，再旋转凸透镜2的角度，使被观察物同时落在凸透镜2的中心，即可得到最清晰的成像。以观察筒1A点为测距参照点，则与被观察物的距离为L*tgα，若以凸透镜2中心B点为测距参照点，则与被观察物的距离为L/cosα。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种快速调焦和精确测距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据目标物所在位置，将目标物、观察筒、凸透镜和图像传感器布设在同一虚拟平面上；

在虚拟平面上建立平面直角坐标系，其中观察筒在直角坐标系的原点，凸透镜在平面直角坐标系的X轴上，目标物在平面直角坐标系的Y轴上，所述观察筒的轴线沿Y轴朝向目标物，所述凸透镜的轴线朝向目标物，所述目标物在所述凸透镜的前侧，所述图像传感器在所述凸透镜的后侧，所述图像传感器和所述凸透镜在同一轴线上；所述凸透镜中心B和观察筒中心A之间的距离为L，所述凸透镜的轴线与X轴的夹角为α；

测出夹角α，调整图像传感器与凸透镜之间的像距V＝(L*f)/(L-f*cosα)，f为凸透镜的焦距，完成快速调焦；

若以观察筒中心A为参考点，计算参考点与目标物的距离为L*tgα，若以凸透镜中心B为参考点，计算参考点与目标物的距离为L/cosα。

2.按照权利要求1所述的一种快速调焦和精确测距的方法，其特征在于，所述测出夹角α采用倾角传感器测量。

3.按照权利要求1或2所述的一种快速调焦和精确测距的方法，其特征在于，所述调整图像传感器与凸透镜之间的像距V时，包括以下步骤：

将凸透镜和图像传感器在初始时均沿X轴设置，凸透镜的前侧朝向观察筒，凸透镜和图像传感器之间的初始像距为(L*f)/(L-f)，α＝0°；

建立以穿过凸透镜中心，且垂直所述平面直角坐标所在平面的回转轴线，绕回转轴线沿顺时针旋转凸透镜和图像传感器，旋转过程中夹角α逐渐变大；

在旋转过程中凸透镜位置不变，图像传感器和凸透镜之间的像距满足V＝(L*f)/(L-f*cosα)，当旋转至凸透镜的轴线朝向目标物时停止旋转。

4.按照权利要求1或2所述的一种快速调焦和精确测距的方法，其特征在于，所述图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

5.一种快速调焦和精确测距的装置，其特征在于，包括机架、布设在机架上的观察筒和成像机构，所述成像机构包括支架、凸透镜和图像传感器；所述支架铰接在机架上，且绕铰接处在水平面可转动；所述凸透镜和图像传感器均安装在支架上，且所述凸透镜和图像传感器均沿竖直面布设，所述图像传感器布设在凸透镜后侧，且凸透镜和图像传感器布设在同一水平轴线上，所述支架铰接处的回转轴线穿过所述凸透镜的中心点，所述图像传感器与凸透镜之间的相对位置可调节，在所述支架旋转时，所述凸透镜和图像传感器均绕所述回转轴线旋转；所述凸透镜和观察筒的中心点处在同一水平直线M1上，所述凸透镜的轴线与所述水平直线M1间的夹角为α。

6.按照权利要求5所述的一种快速调焦和精确测距的装置，其特征在于，所述支架铰接处安装有用于测量夹角α角度值的倾角传感器。

7.按照权利要求5或6所述的一种快速调焦和精确测距的装置，其特征在于，所述支架包括一端与机架铰接可沿水平面转动的导杆、以及均套设在导杆上的导套和拉簧，所述拉簧的一端固定在导杆上，另一端连接导套；所述凸透镜通过连接板固定在所述导杆的铰接端，所述导杆的轴线与所述凸透镜的轴线相平行；当所述导套向后移动时，所述拉簧被拉长；所述导杆上连接有调节导套前后位置的连接架，所述连接架上设置有顶块，所述图像传感器固定在连接架上；所述机架上设置有一曲线形状的轨道，所述轨道的第一端处在所述水平直线M1上，第二端处在与所述水平直线M1垂直的另一水平直线M2上，所述水平直线M2与所述导杆铰接处的回转轴线相交，所述顶块顶在所述轨道上，当所述顶块从所述轨道的第一端向第二端移动时，所述夹角α为从0°向90°变化，所述凸透镜和图像传感器之间的像距在所述顶块位于第一端时为(L*f)/(L-f)，所述凸透镜和图像传感器之间的像距在所述顶块位于第二端时为f，f为凸透镜的焦距，L为所述凸透镜中心B和观察筒中心A之间的距离，在所述顶块从所述轨道的第一端向第二端移动时，凸透镜和图像传感器之间的像距满足V＝(L*f)/(L-f*cosα)。

8.按照权利要求5或6所述的一种快速调焦和精确测距的装置，其特征在于，所述图像传感器为CCD图像传感器或CMOS图像传感器。

Images