CN118151327A - 可变焦透镜的自动对焦方法、图像采集方法及装置 - Google Patents

可变焦透镜的自动对焦方法、图像采集方法及装置 Download PDF

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刘志强
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Abstract

本发明提供一种可变焦透镜的自动对焦方法、图像采集方法及装置，涉及光学成像领域。该自动对焦方法包括：获得可变焦透镜的第一组、第二组和第三组驱动信号；施加第一组驱动信号，确定参考区域；将驱动信号在第二组值和第三组值之间进行周期性切换；连续变焦过程中采集图像；根据对焦评价，获得参考区域和感兴趣区域的对焦时刻；根据可变焦透镜光焦度随时间变化的部分线性特性，结合对焦时刻，获得感兴趣区域对焦时的光焦度；施加对应的驱动信号，对感兴趣区域对焦。本发明通过可变焦透镜变焦过程中光焦度随时间变化的部分线性特性，无需获得透镜的具体曲线或者计算场景的深度分布，并且在静态场景下通过一次变焦，就可以实现对各物体快速对焦。

Description

可变焦透镜的自动对焦方法、图像采集方法及装置
技术领域
本发明属于可变焦透镜技术领域，具体涉及一种可变焦透镜的自动对焦方法、图像采集方法及基于上述自动对焦方法的自动对焦装置。
背景技术
可变焦透镜是实现微型化、无机械式移动光学变焦成像系统的极佳选择。相似于传统透镜组依靠马达驱动实现对焦时，需要建立相位差等信息与马达行程的线性关系以便将马达一次性驱动到相应位置实现准确对焦，线性关系的建立能使得可变焦透镜的自动对焦过程更加快速、准确。
目前可变焦透镜的对焦主要采用爬山法和深度计算法实现。爬山法需要不断调整可变焦透镜的变焦范围并对比感兴趣区域的对焦评价值，所需时间长、图像数据量大，在静态场景中对焦其他物体也需要重新变焦和计算。深度计算法利用离焦信息分析场景的深度分布，根据深度分布和场景物距的映射关系，获得感兴趣区域对应的物距，结合高斯公式和光学成像系统的参数，获得可变焦透镜的驱动信号参数。深度计算法只需要两张离焦图像，但深度计算方法复杂，并且可变焦透镜成像系统中的物距映射关系通常无法准确计算，因此图像处理速度慢、映射关系寻找困难、驱动信号计算不够准确。
发明内容
为实现上述发明目的，本发明提供一种可变焦透镜的自动对焦方法，用以解决现有的可变焦透镜自动对焦技术中变焦时间长、图像处理量大、处理速度慢和对焦不够准确的问题。
本发明的第一个目的是提供一种可变焦透镜的自动对焦方法，包括以下步骤：
S1、获取可变焦透镜3的光焦度值随驱动信号变化的特性；
S2、获得可变焦透镜3的至少三组驱动信号：第一组、第二组和第三组驱动信号对应的光焦度分别为第一光焦度、第二光焦度和第三光焦度，第一光焦度介于第二光焦度和第三光焦度之间，并且第一光焦度处于可变焦透镜3在第二光焦度和第三光焦度之间切换的过程中光焦度随时间变化的部分线性区内；
S3、可变焦透镜3上施加第一组驱动信号，并在场景中获得对焦区域作为参考区域；
S4、将可变焦透镜3的驱动信号在第二组值和第三组值之间进行周期性切换实现连续变焦，周期时间大于可变焦透镜的响应时间；
S5、连续变焦过程中采集图像；
S6、获取图像中参考区域和感兴趣区域的对焦评价值；
S7、根据对焦评价值，获得参考区域和感兴趣区域在连续变焦过程中对焦时图像的序号，结合图像采集的规律获得对应的对焦时刻；
S8、根据可变焦透镜在变焦过程中光焦度值随时间变化的部分线性特性，结合线性区域中参考区域对焦的时刻，获得光焦度值随时间变化的部分线性表达式；
S9、根据部分线性表达式获得感兴趣区域对焦时对应的光焦度值；
S10、施加与所述光焦度值对应的驱动信号参数，驱动可变焦透镜对感兴趣区域对焦。
作为优选方式，对焦方法使用的自动对焦装置，包括：沿物方入射光方向依次设置的可变焦透镜3、玻璃透镜2、图像传感器1；三者在同一条光轴上，图像传感器1和玻璃透镜2构成定焦成像装置，所述定焦成像装置和可变焦透镜3构成变焦成像装置，可变焦透镜3与玻璃透镜2紧贴从而保证可变焦透镜3作为对焦装置的光阑，保证变焦过程中成像放大率不变。
作为优选方式，所述的可变焦透镜的自动对焦方法的步骤S2中：第二光焦度取可变焦透镜的最大光焦度，第三光焦度取可变焦透镜的最小光焦度，第一光焦度取第二光焦度和第三光焦度的中间值，从而提高光焦度的跨度，获得光焦度随时间变化的部分线性区。
作为优选方式，所述的可变焦透镜的自动对焦方法，若光焦度达到第一光焦度的时刻已知，则省略步骤S3，以及省略步骤S7中获得参考区域对焦时刻的步骤。
本发明的第二个目的是提供一种图像采集方法，应用在所述自动对焦方法的步骤S5中；包括以下步骤：
可变焦透镜接收第二驱动信号并维持ts秒；
将可变焦透镜的驱动信号切换为第三驱动信号并维持ts秒；
响应于驱动信号的切换，可变焦透镜的光焦度在第二光焦度和第三光焦度之间连续变化；
在连续变焦过程中对同一场景连续采集图像，采集频率的上限由成像装置的曝光时间限制。
作为优选方式，所述的一种图像采集方法，ts大于可变焦透镜的响应时间。
本发明的第三个目的是提供一种自动对焦装置，使用上述的自动对焦方法，包括沿物方入射光方向依次设置的可变焦透镜3、玻璃透镜2、图像传感器1；三者在同一条光轴上，图像传感器1和玻璃透镜2构成定焦成像装置，所述定焦成像装置和可变焦透镜3构成变焦成像装置，可变焦透镜3与玻璃透镜2紧贴从而保证可变焦透镜3作为对焦装置的光阑，保证变焦过程中成像放大率不变。
作为优选方式，所述的一种自动对焦装置，可变焦透镜3包括第一基板4、第二基板10、第一基板4和第二基板10之间的液晶层8，第一基板4靠近液晶层8的一面涂覆第一ITO电极5、第二ITO电极6；第二基板10靠近液晶层8的一面涂覆第三ITO电极9；液晶层8的厚度由间隔子7的尺寸决定。
作为优选方式，所述的一种自动对焦装置，还包括处理器、存储器和驱动信号发生器；处理器、存储器分别和图像传感器1电性连接，驱动信号发生器和可变焦透镜3电性连接，用于对可变焦透镜3提供驱动信号。
优选地，可变焦透镜在变焦过程中系统的成像放大率不变。
本发明的有益效果为：本发明发现了可变焦透镜在变焦过程中的部分线性特性，利用这一特性建立了可变焦透镜驱动信号与光焦度的线性关系，克服了可变焦透镜的自动对焦依赖非线性映射关系的技术偏见。本发明利用至多两次变焦过程就可以完成自动对焦计算，不限制对焦评价方法的技术，图像采集和计算时间依赖于可变焦透镜的响应时间、系统曝光时间、处理器效率和算法效率，具有多个提高自动对焦速度的自由度和较高的对焦准确度。
附图说明
图1为实施例1中自动对焦装置的结构示意图；
图2为实施例1中液晶透镜的结构示意图；
图3为实施例4中获得的液晶透镜的光焦度Power随驱动电压差ΔV的变化特性；
图4为实施例4中图像采集装置与被摄场景的俯视图；
图5为实施例4中液晶透镜的光焦度随时间变化的特性曲线；
附图标记如下：
1为图像传感器；2为玻璃透镜；3为可变焦透镜；4为第一基板；5为第一ITO电极；6为第二ITO电极；7为间隔子；8为液晶层；9为第三ITO电极；10为第二基板；11为第一物体；12为第二物体；13为第三物体；14为第四物体；15为第五物体；16为第六物体；17为第七物体。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1：
本实施例提供一种可变焦透镜的自动对焦方法，包括以下步骤：
S1、获取可变焦透镜3的光焦度值随驱动信号变化的特性；
S2、获得可变焦透镜3的至少三组驱动信号：第一组、第二组和第三组驱动信号对应的光焦度分别为第一光焦度、第二光焦度和第三光焦度，第一光焦度介于第二光焦度和第三光焦度之间，并且第一光焦度处于可变焦透镜3在第二光焦度和第三光焦度之间切换的过程中光焦度随时间变化的部分线性区内；
S3、可变焦透镜3上施加第一组驱动信号，并在场景中获得对焦区域作为参考区域；
S4、将可变焦透镜3的驱动信号在第二组值和第三组值之间进行周期性切换实现连续变焦，周期时间大于可变焦透镜的响应时间；
S5、连续变焦过程中采集图像；
S6、获取图像中参考区域和感兴趣区域的对焦评价值；
S7、根据对焦评价值，获得参考区域和感兴趣区域在连续变焦过程中对焦时图像的序号，结合图像采集的规律获得对应的对焦时刻；
S8、根据可变焦透镜在变焦过程中光焦度值随时间变化的部分线性特性，结合线性区域中参考区域对焦的时刻，获得光焦度值随时间变化的部分线性表达式；
S9、根据部分线性表达式获得感兴趣区域对焦时对应的光焦度值；
S10、施加与所述光焦度值对应的驱动信号参数，驱动可变焦透镜对感兴趣区域对焦。
如图1所示，对焦方法使用的自动对焦装置，包括：
沿物方入射光方向依次设置的可变焦透镜3、玻璃透镜2、图像传感器1；三者在同一条光轴上，图像传感器1和玻璃透镜2构成定焦成像装置，所述定焦成像装置和可变焦透镜3构成变焦成像装置，可变焦透镜3与玻璃透镜2紧贴从而保证可变焦透镜3作为对焦装置的光阑，保证变焦过程中成像放大率不变。
所述步骤S2中：第二光焦度取可变焦透镜的最大光焦度，第三光焦度取可变焦透镜的最小光焦度，第一光焦度取第二光焦度和第三光焦度的中间值，从而提高光焦度的跨度，获得光焦度随时间变化的部分线性区。
若光焦度达到第一光焦度时刻已知，则省略步骤S3，以及省略步骤S7中获得参考区域对焦时刻的步骤。
实施例2
本实施例提供一种图像采集方法，应用在所述实施例1的自动对焦方法的步骤S5中；其特征在于包括以下步骤：
可变焦透镜接收第二驱动信号并维持ts秒；
将可变焦透镜的驱动信号切换为第三驱动信号并维持ts秒；
响应于驱动信号的切换，可变焦透镜的光焦度在第二光焦度和第三光焦度之间连续变化；
在连续变焦过程中对同一场景连续采集图像，采集频率的上限由成像装置的曝光时间限制。优选的，ts大于可变焦透镜的响应时间。
实施例3
如图1所示，本实施例提供一种自动对焦装置，使用实施例1所述的自动对焦方法，包括沿物方入射光方向依次设置的可变焦透镜3、玻璃透镜2、图像传感器1；三者在同一条光轴上，图像传感器1和玻璃透镜2构成定焦成像装置，所述定焦成像装置和可变焦透镜3构成变焦成像装置，可变焦透镜3与玻璃透镜2紧贴从而保证可变焦透镜3作为对焦装置的光阑，保证变焦过程中成像放大率不变。
如图2所示，可变焦透镜3包括第一基板4、第二基板10、第一基板4和第二基板10之间的液晶层8，第一基板4靠近液晶层8的一面涂覆第一ITO电极5、第二ITO电极6；第二基板10靠近液晶层8的一面涂覆第三ITO电极9；液晶层8的厚度由间隔子7的尺寸决定。
还包括处理器、存储器和驱动信号发生器；处理器、存储器分别和图像传感器1电性连接，驱动信号发生器和可变焦透镜3电性连接，用于对可变焦透镜3提供驱动电压。
实施例4
本实施例公开了一种可变焦透镜动态变焦的图像采集方法，该图像采集方法采用如图1所示的图像采集装置，图像采集装置从沿物方入射光方向依次设置的可变焦透镜3、玻璃透镜2、图像传感器1；三者在同一条光轴上，图像传感器1和玻璃透镜2构成定焦成像装置，所述定焦成像装置和可变焦透镜3构成变焦成像装置，可变焦透镜3与玻璃透镜2紧贴从而保证可变焦透镜3作为对焦装置的光阑，保证变焦过程中成像放大率不变。
本实施例的可变焦透镜使用液晶透镜为例进行说明，并放置于系统的光阑位置，在液晶透镜的变焦过程中系统的成像放大率不变；玻璃透镜的焦距为35mm，图像传感器接收经过液晶透镜和玻璃透镜的光线。
液晶透镜的结构如图2所示，可变焦透镜3包括第一基板4、第二基板10、第一基板4和第二基板10之间的液晶层8，第一基板4靠近液晶层8的一面涂覆第一ITO电极5、第二ITO电极6；第二基板10靠近液晶层8的一面涂覆第三ITO电极9；液晶层8的厚度由间隔子7的尺寸决定。施加在液晶透镜的第一ITO电极和第三ITO电极间的驱动电压为V1，施加在液晶透镜的第二ITO电极和第三ITO电极间的驱动电压为V2。
获得液晶透镜的光焦度Power随驱动电压差ΔV＝V2-V1的变化特性，如图3所示，光焦度与驱动电压差ΔV呈线性关系。V1＝2.0Vrms，V2＝2.0Vrms时液晶透镜有零光焦度Power＝0m-1(第一光焦度)，此时的驱动电压作为第一驱动电压；V1＝1.4Vrms，V2＝2.0Vrms时液晶透镜有最大光焦度Power＝1m-1(第二光焦度)，此时的驱动电压作为第二驱动电压；V1＝2.0Vrms，V2＝1.4Vrms时液晶透镜有最小光焦度Power＝-0.96m-1(第三光焦度)，此时的驱动电压作为第三驱动电压。
使用图像采集装置进行图像采集的场景的俯视图如图4所示，将图像采集装置、第一物体11、第二物体12、第三物体13、第四物体14、第五物体15、第六物体16和第七物体17从左至右依次放置。调整被摄物体的位置，使得物体都在液晶透镜变焦范围内清晰成像，并且当施加第一驱动电压时，成像系统对第三物体对焦。第三物体13在图像中的对应区域作为步骤S3所述的参考区域，场景中有6个待对焦物体。
例如，从第二驱动电压开始，将液晶透镜的驱动电压在第二驱动电压和第三驱动电压之间进行周期性切换，周期时长ts＝4s。同时以30Hz的频率采集图像，当未知对焦物体处于液晶透镜的正透镜、负透镜范围内，或者需要对正透镜、负透镜范围内的物体都进行对焦计算时，完成一个场景内各个物体的对焦计算需要采集时长为2ts＝8s，也就是采集两次变焦过程。为了便于叙述原理，变焦过程中液晶透镜的光焦度随时间变化的特性如图5所示，实际在本发明的步骤中无须测量该特性。如图5，液晶透镜由第二光焦度变化到第三光焦度的过程中，从第二光焦度到第一光焦度的曲线近似线性；液晶透镜由第三光焦度变化到第二光焦度的过程中，从第三光焦度到第一光焦度的曲线近似线性。结合液晶透镜的光焦度与驱动电压差ΔV＝V2-V1的线性关系，可以建立驱动电压与时间的线性关系。根据第一次变焦过程中第一张图的采集时刻和第二驱动电压、第三物体(参考区域)的对焦时刻和第一驱动电压，以及待对焦物体(对应的光焦度介于第二光焦度和第一光焦度之间)的对焦时刻，可以计算出待对焦物体的驱动电压；根据第二次变焦过程中第一张图的采集时刻/> 和第三驱动电压、第三物体(参考区域)的对焦时刻和第一驱动电压，以及待对焦物体(对应的光焦度介于第三光焦度和第一光焦度之间)的对焦时刻，可以计算出待对焦物体的驱动电压。
使用梯度函数作为对焦评价方法，分析采集的240张图中7个物体的对焦评价值，得到7个物体对焦时对应的图片序号和图片采集时刻表1所示。将物体的对焦时刻与第三物体(参考区域)的对焦时刻对比，得到物体对焦时液晶透镜的状态。例如，第一物体的第一次对焦时刻小于第三物体的第一次对焦时刻，说明第一物体位于液晶透镜呈正透镜(光焦度介于第二光焦度与第一光焦度之间)时的对焦范围内，使用第一物体的第一次对焦时刻代入线性关系中计算第一物体的驱动电压；第七物体的第一次对焦时刻大于第三物体的第一次对焦时刻，说明第七物体位于液晶透镜呈负透镜(光焦度介于第一光焦度与第三光焦度之间)时的对焦范围内，根据图5的线性区特性，使用第七物体的第二次对焦时刻代入线性关系中计算第七物体的驱动电压。
表1
使用本发明的自动对焦方法，实施例1中6个待对焦物体的对焦计算误差依次为1.72％、3.18％、0.82％、0.06％、1.09％、1.59％。
本实施例说明：本发明提供的自动对焦方法能够利用可变焦透镜至少一次、至多两次的变焦过程快速完成自动对焦，并且对焦准确度高，对场景中物体数量无限制。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种可变焦透镜的自动对焦方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、获取可变焦透镜(3)的光焦度值随驱动信号变化的特性；
S2、获得可变焦透镜(3)的至少三组驱动信号：第一组、第二组和第三组驱动信号，对应的光焦度分别为第一光焦度、第二光焦度和第三光焦度，第一光焦度介于第二光焦度和第三光焦度之间，并且第一光焦度处于可变焦透镜(3)在第二光焦度和第三光焦度之间切换的过程中光焦度随时间变化的部分线性区内；
S3、可变焦透镜(3)上施加第一组驱动信号，并在场景中获得对焦区域作为参考区域；
S4、将可变焦透镜(3)的驱动信号在第二组值和第三组值之间进行周期性切换实现连续变焦，周期时间大于可变焦透镜的响应时间；
S5、连续变焦过程中采集图像；
S6、获取图像中参考区域和感兴趣区域的对焦评价值；
S7、根据对焦评价值，获得参考区域和感兴趣区域在连续变焦过程中对焦时图像的序号，结合图像采集的规律获得对应的对焦时刻；
S8、根据可变焦透镜在变焦过程中光焦度值随时间变化的部分线性特性，结合线性区域中参考区域对焦的时刻，获得光焦度值随时间变化的部分线性表达式；
S9、根据部分线性表达式获得感兴趣区域对焦时对应的光焦度值；
S10、施加与所述光焦度值对应的驱动信号参数，驱动可变焦透镜对感兴趣区域对焦。
2.根据权利要求1所述的可变焦透镜的自动对焦方法，其特征在于：对焦方法使用的自动对焦装置，包括：
沿物方入射光方向依次设置的可变焦透镜(3)、玻璃透镜(2)、图像传感器(1)；三者在同一条光轴上，图像传感器(1)和玻璃透镜(2)构成定焦成像装置，所述定焦成像装置和可变焦透镜(3)构成变焦成像装置，可变焦透镜(3)与玻璃透镜(2)紧贴从而保证可变焦透镜(3)作为对焦装置的光阑，保证变焦过程中成像放大率不变。
3.根据权利要求1所述的可变焦透镜的自动对焦方法，其特征在于：所述步骤S2中：第二光焦度取可变焦透镜的最大光焦度，第三光焦度取可变焦透镜的最小光焦度，第一光焦度取第二光焦度和第三光焦度的中间值，从而提高光焦度的跨度，获得光焦度随时间变化的部分线性区。
4.根据权利要求1所述的可变焦透镜的自动对焦方法，其特征在于：若光焦度达到第一光焦度的时刻已知，则省略步骤S3，以及省略步骤S7中获得参考区域对焦时刻的步骤。
5.一种图像采集方法，应用在权利要求1至4任意一项所述自动对焦方法的步骤S5中；其特征在于包括以下步骤：
可变焦透镜接收第二驱动信号并维持ts秒；
将可变焦透镜的驱动信号切换为第三驱动信号并维持ts秒；
响应于驱动信号的切换，可变焦透镜的光焦度在第二光焦度和第三光焦度之间连续变化；
在连续变焦过程中对同一场景连续采集图像，采集频率的上限由成像装置的曝光时间限制。
6.根据权利要求5所述的一种图像采集方法，其特征在于：ts大于可变焦透镜的响应时间。
7.一种自动对焦装置，使用权利要求1或3或4任意一项所述的自动对焦方法，其特征在于：包括沿物方入射光方向依次设置的可变焦透镜(3)、玻璃透镜(2)、图像传感器(1)；三者在同一条光轴上，图像传感器(1)和玻璃透镜(2)构成定焦成像装置，所述定焦成像装置和可变焦透镜(3)构成变焦成像装置，可变焦透镜(3)与玻璃透镜(2)紧贴从而保证可变焦透镜(3)作为对焦装置的光阑，保证变焦过程中成像放大率不变。
8.根据权利要求7所述的一种自动对焦装置，其特征在于：可变焦透镜(3)包括第一基板(4)、第二基板(10)、第一基板(4)和第二基板(10)之间的液晶层(8)，第一基板(4)靠近液晶层(8)的一面涂覆第一ITO电极(5)、第二ITO电极(6)；第二基板(10)靠近液晶层(8)的一面涂覆第三ITO电极(9)；液晶层(8)的厚度由间隔子的尺寸(7)决定。
9.根据权利要求7所述的一种自动对焦装置，其特征在于：还包括处理器、存储器和驱动信号发生器；处理器、存储器分别和图像传感器(1)电性连接，驱动信号发生器和可变焦透镜(3)电性连接，用于对可变焦透镜(3)提供驱动信号。
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