CN1392446A - 数字静物照相机双区间自动镜头聚焦系统 - Google Patents

Abstract

一种用在数字静物照相机中的双区间自动聚焦系统，其包括一照片拍摄镜头、一用于将镜头焦点在近距点与远距点之间转换的螺线管。数字静物照相机的CPU或电控距离测量系统在探测到对象位置后将激励螺线管，螺线管头部被以非常短的行程拉入螺线管体中，而设在镜头筒上并且与螺线管头部相连的臂也被拉向螺线管体，以将螺线管头部的运动传递到镜头筒上，从而可以将镜头焦点自动设置在远侧位置或近侧位置上。

Description

数字静物照相机双区间自动镜头聚焦系统

本发明涉及一种数字静物照相机双区间自动聚焦系统，其能够根据数字静物照相机的CPU或电控距离测量系统所产生和发出的距离判断信号而在两个区间内自动转换镜头焦点，即从近侧区间转换至远侧区间或反向转换。

在传统的数字静物照相机自动聚焦过程中，通过检测形成在图像传感器如CCD传感器或C-MOS传感器上的图像而将镜头聚焦在物体上，传感器被提供在照像机中的CPU(中央处理器)控制的。首先，镜头开始从其原位(常设位置)开始前后移动，而且在镜头移动时，CPU将频繁检测通过镜头而形成在图像传感器如CCD或C-MOS传感器上图像，之后，镜头停止在图像最清晰聚焦的位置上。在这种情况下，镜头必须被驱动着以连续的次序沿环形凸轮前后移动，该环形凸轮上设有镜头驱动机构并且被一个步进电机带动着旋转，从而在步进电机旋转时使镜头前后移动。当镜头前后移动时，CPU将探测图像最清晰聚焦的时刻，而在探测到的最佳图像时刻时，CPU将向镜头发送一个信号，以停止运动。之后，镜头将停止在图像最清晰聚焦的这个位置上。在拍摄了一幅照片后，镜头必须返回其原位(常设位置)，而且为了使镜头返回原位，环形凸轮必须再次旋转。当镜头返回原位后，设在镜头筒旁边的光断路器将探测镜头原位，其中一种遮光器设在镜头筒的边缘上，以遮断穿透型光断路器的光线。在光断路器探测到原位的时刻，镜头的运动将停止在该位置即原位。

因此，在数字静物照相机自动聚焦系统的普通情况下，镜头必须以连续的次序被驱动，图像探测必须以频繁的次序进行，而且在每次拍摄了一幅照片后镜头必须返回其原位。镜头这些自动聚焦设置步骤会占用时间，并且在很多情况下会失去最佳照片拍摄时机。此外，由步进电机、环形凸轮和光断路器构成的机构的成本相当高。

图1和2中示出了一种用于实现前面描述功能的典型传统自动聚焦系统。当步进电机1接收到一个来自照相机CPU的启动信号后，步进电机将开始旋转，而且与设在环形凸轮4边缘上的环形凸轮轴齿轮3相咬合的步进电机齿轮2也开始旋转。接着，以其环形凸轮轴齿轮3与步进电机齿轮2咬合着的环形凸轮4开始旋转，而位置探测杆5开始沿着环形凸轮4的斜坡表面前后(上下)移动，之后整个镜头组件6开始沿着设在镜头组件6上的导轨7前后移动。镜头筒的一侧被成型为一个套筒状，在套筒上设有一个作为套筒一部分并从套筒伸出的位置探测杆5，在镜头组件6的套筒的最外侧部分上设有能够沿着导轨7前后移动的轴向支承部分8。在镜头筒的另一侧形成了作为套筒一部分的位置稳定叉9，在叉的端部之间(槽中)设有位置稳定销10。

轴向支承部分8和导轨7与位置稳定叉9和位置稳定销10一起支承着整个镜头组件6。镜头组件6总是被卷簧12推向图像传感器11，从而使得位置探测杆5的末端总是适宜地接触环形凸轮4的斜坡表面，而不会失误。

在数字静物照相机的电源开关接通后，一个图像将通过镜头形成在图像传感器11上。在自动聚焦系统的开关接通的瞬间，图像的聚焦状态即被发送到CPU，从而以频繁的次序检测形成在图像传感器上的图像，而在图像到达最清晰聚焦状态的瞬间，CPU将发出一个信号以停止检测，即导致步进电机1停止。之后，可以释放快门并拍摄图像。在这些步骤之后，镜头组件6必须返回其原位(常设位置)。在环形凸轮4的边缘上设有位置探测遮光叶片13。在拍摄了一幅照片后，环形凸轮4开始再次旋转，以将镜头组件6返回其原位，而当位置探测遮光叶片13到达光断路器14的槽中后，光断路器14的光线(光束)将被位置探测遮光叶片13遮断，而环形凸轮4将立即停止在此，从而使得镜头组件6能够返回并停止在其原位。图2中示出了位于原位的镜头组件。

如这个例子中所解释，必须将镜头组件6连续前后移动，以使CPU检测图像状态。这种通过机械式连续镜头运动反复检测图像以搜索最佳聚焦点的方式必然占用很多时间，并且可能导致使用者错过良好拍摄时机。此外，机构本身非常复杂并且必须精确调节，而且机构的组装也很困难。机构中所用的部件和元件相当昂贵。因此，优选采用极大简化的机构，其具有数量更少而且价格更低的部件和元件，而且自动聚焦的处理时间更短。

因此，本发明的一个目的是提供一种数字照相机自动聚焦系统，其能够缩短自动聚焦的总体处理时间。

本发明的另一个目的是提供一种数字照相机自动聚焦系统，其机构被简化并尽可能采用价格更低且数量更少的部件和元件。

在本发明中，以下面描述的方式构造了双区间自动聚焦系统，以缩短自动聚焦的总体处理时间，并且以价格更低且数量更少的部件和元件取代昂贵的部件和元件，从而节省空间和时间。

本发明的双区间自动聚焦系统(为简化，以下称作2区间AF系统)包括一个照片拍摄镜头、一个螺线管、一个镜头位置稳定装置和一个导轨。在本发明中，与图1和2所示系统的不同之处在于，采用了低价格螺线管以取代昂贵的步进电机，而带有齿轮的精确成型的环形凸轮被省略，昂贵的光断路器被省略，而且总体而言其结构和机构在组装时远比图1和2所示系统简单和容易。

本发明的2区间AF系统基于数字静物照相机的非常深的视场焦深、非常小的尺寸、非常轻的重量和非常短的调焦行程。与传统静物照相机如35mm格式照相机完全不同的是，数字照相机的镜头具有非常短的焦距。在很多情况下，焦距在4mm至15mm之间。理论上讲，焦距越短则视场焦深越深。

例如，如果在漫射圈(图像圈)为0.1mm的情况下计算F2.5f-9mm(焦距)镜头的焦深，则计算结果显示出，如果镜头焦点被设置在距离照相机3米处，在距离1.6米至无穷远之间的所有对象均位于良好焦点上。而且还显示出，如果镜头焦点被设置在1米的距离处，则在距离0.8米至1.6米之间的所有对象均位于良好焦点上。这意味着，如果根据照相机与对象之间的距离而将镜头焦点设置在两个位置中的一个上，即一方面，对于距离在0.8米至1.6米之间的对象，镜头焦点设置为大约1米，另一方面，对于距离在1.6米至无穷远之间的对象，镜头焦点设置为大约3米，则距离照相机0.8米至无穷远之间的所有对象均能够位于良好焦点上。因此，如果镜头只在这两个焦点之间移动，则这种2区间AF系统实际上可以覆盖所有对象。

在传统照相机镜头的情况下，通常焦距非常的长，因此视场焦深非常浅，而且难以只将这种浅视场焦深用于两个区间的聚焦，除非镜头焦距极短，或镜头速度非常慢如F11或更慢。

利用每个数字照相机的F数(镜头速度)和焦距，可以计算出近侧和远侧焦点的距离。通过数字照相机镜头的这种较深的焦深，用于将镜头焦点只在两个点之间转换即由近至远或由远至近转换的2区间自动聚焦系统可以被设计得使在很近距离如0.8mm至无穷远之间的所有对象均位于良好焦点上。

此外，对于如0.8mm至无穷远之间的对象，数字照相机镜头的聚焦运行距离极短，即小于1mm左右。借助于镜头的短调焦行程这一优点，本发明的2区间AF系统可以利用螺线管的力直接驱动镜头，而不需要借助于任何复杂的增力机构如杠杆，而且行程是在螺线管头部的非常短的驱动行程内。数字静物照相机的非常小的尺寸和轻质也有利于利用螺线管直接驱动镜头。

在本发明中，采用了低价格的螺线管移动镜头组件。镜头组件本体在其一侧具有一个作为导轨轴向支承部分的长孔，该孔用作轴向支承并且在导轨上滑动。导轨在图像传感器部分旁边固定在组件底座上，而镜头组件的轴向支承部分套在导轨上，以便利用支承孔保持住导轨，并且在导轨上前后(上下)滑动。

在镜头组件的另一侧设有一个作为镜头组件一部分的小型平坦叉，而且一个位置稳定销安置在叉端部之间(槽中)。镜头组件在一侧被导轨和轴向支承支承着，在另一侧被叉和稳定销支承着。镜头组件在导轨和位置稳定销上滑动。

整个镜头组件被一个卷簧按压向图像传感器并且停止在使镜头远位置聚焦的位置上。一个小型臂作为镜头组件的一部分形成在导轨轴向支承的一侧上，该小型臂连接着螺线管头部。当螺线管受激而且螺线管头部被以非常短的行程拉入螺线管体中后，镜头组件的小型臂也被拉向螺线管体并且在与螺线管头部相同的时间和相同的位置停止。与此同时，镜头组件沿着相同的方向移动，即离开图像传感器并且停止于此。镜头在移动之前的第一位置是远侧位置，其中镜头焦点被设置在远侧位置距离如3米左右，而镜头在移动之后的第二位置是近侧位置，其中镜头焦点被设置在近侧位置距离如1米左右。因此，通过简单的螺线管运动即可以将镜头焦点在远侧与近侧点之间转换。如前面所作解释，镜头调焦行程短于1mm，而且即使是小量的螺线管力也能够容易且直接地控制这种非常短的行程，而不需要对力做任何增大。远侧和近侧焦点设置距离是根据所用镜头的焦距和F数确定的。

2区间AF系统从数字静物照相机的CPU或电控距离测量系统接收一个信号，该信号可以表示对象是在近侧区间如0.8mm左右至1.6mm左右，还是在远侧区间如1.6mm左右至无穷远。

如果信号表示的是近侧区间，则一旦螺线管受激而且螺线管头部将镜头移动了小于1mm的行程并将镜头设置在近距离区间，CPU就会发出一个批准信号以释放快门。如果距离信号表示的是远距离区间，则根本不需要移动镜头，因为它已经被初始设置在远距离区间上，因此CPU将立即发出一个批准信号以释放快门，而不需要螺线管和镜头作任何移动。

如果镜头焦点的原位(常设位置)被设置在近距离区间点上，则镜头组件必须被卷簧沿反向按压，即镜头组件必须被推离图像传感器并将原位(常设位置)设置在近侧区间如1米设置点上，而且只在接收到远距离信号时，螺线管才受激而镜头移向图像传感器并停止在远距离区间上。

因此，2区间AF系统不需要利用由昂贵的步进电机、光断路器和环形凸轮构成的复杂机构作任何次序图像状态检测。镜头的运动只是单步的，即从近侧移向远侧或从远侧移向近侧，而且移动非常快速。不需要镜头作连续和耗时的运动。

参考附图和下面的详细描述可以更全面地理解和认识本发明的这些以及其他目的、优点和特点。

图1是根据现有技术的由步进电机、光断路器和环形凸轮构成并且采用了次序图像检测方法和连续次序镜头移动方法的典型数字静物照相机自动聚焦系统的剖视图。

图2是是根据现有技术的由步进电机、光断路器和环形凸轮构成并且采用了次序图像检测方法和连续镜头移动方法的典型数字静物照相机自动聚焦系统的透视图。

图3是本发明的双区间自动聚焦系统剖视图，其中镜头原位设置在远侧区间聚焦位置。

图4是本发明的双区间自动聚焦系统透视图，其中镜头原位设置在远侧区间聚焦位置。

图5是本发明的双区间自动聚焦系统剖视图，其中镜头原位设置在近侧区间聚焦位置。

图6是本发明的双区间自动聚焦系统透视图，其中镜头原位设置在近侧区间聚焦位置。

                       注释：

图1和图2

1.步进电机

2.步进电机齿轮

3.环形凸轮轴齿轮

4.环形凸轮

5.位置探测杆

6.镜头组件

7.导轨

8.轴向支承部分

9.位置稳定叉

10.位置稳定销

11.图像传感器

12.卷簧

13.位置探测遮光叶片

14.光断路器

图3、4、5和6

1.镜头组件

2.螺线管

2-a.螺线管头部

3.导轨

4.导轨轴向支承

5.连接臂

6.卷簧

7.图像传感器

8.稳定叉

9.稳定销

10.组件底座

10-a.组件底座上的固定着稳定销的部分

10-b.组件底座上的固定着导轨的部分

图3和4中示出了本发明的数字静物照相机双区间自动聚焦系统，其包括一个照片拍摄镜头组件1、一个螺线管2、一个导轨3、一个设在镜头组件上的导轨轴向支承4、一个形成在镜头组件的一侧以接受螺线管的力和运动的连接臂5、一个用于将整个镜头组件向着图像传感器7按压的卷簧6、一个形成在镜头组件的另一侧用于稳定镜头组件位置的稳定叉8和一个安置在稳定叉的端部之间(槽中)用于与稳定叉一起稳定镜头组件位置的稳定销9。所有这些组成元件均组装在组件底座10上。图3和4中也显示了本发明，其中镜头原位设置在远侧区间聚焦位置。

镜头组件1被导轨3支承着，导轨在图像传感器7旁边固定在组件底座10上并且穿过设在轴向支承部分4中的孔，轴向支承部分作为镜头组件1的一部分形成在镜头组件1的一侧。此外镜头组件还被设在镜头组件1另一侧的位置稳定叉8和设在并固定在组件底座10上的位置稳定校9支承。

镜头组件1沿着导轨3移向和离开图像传感器7，其中导轨轴向支承部分4在导轨3上滑动。整个镜头组件1总是被套在导轨3上的卷簧6按压向图像传感器7，从而在螺线管2未受激时使得镜头组件能够停止在这样的位置上，即镜头焦点被设置在远侧区间聚焦位置。

设在轴向支承部分4的下端上的连接臂5通过设在螺线管2的头部2-a上的槽连接着该头部2-a。

在螺线管2受激后，螺线管2的头部2-a被以非常短的行程拉入螺线管体中，而连接臂5被拉向螺线管2，因此整个镜头组件1将克服卷簧6的应力而向前向上)移动与螺线管头部相等的短行程并且停止于此。

当镜头组件1位于其原位(常设位置)即镜头组件1运动之前的位置时，镜头聚焦位置将在远侧位置上进行调节，该位置覆盖了用于所有远距离区间物体的镜头聚焦位置。

当镜头组件1位于其移动位置即螺线管2受激而且镜头组件1被移动后的位置时，镜头聚焦位置将在近侧位置上进行调节，该位置覆盖了用于所有近距离区间物体的镜头聚焦位置。

图5和6中显示了本发明，其中镜头原位设置在近侧区间聚焦位置。

镜头组件1被导轨3支承着，导轨在图像传感器7旁边固定在组件底座10上并且穿过设在轴向支承部分4中的孔，轴向支承部分作为镜头组件1的一部分形成在镜头组件1的一侧。此外镜头组件还被设在镜头组件1另一侧的位置稳定叉8和设在并固定在组件底座10上的位置稳定校9支承。

镜头组件1沿着导轨3移向和离开图像传感器7，其中导轨轴向支承部分4在导轨3上滑动。整个镜头组件1总是被套在导轨3上的卷簧6推离图像传感器7，从而在螺线管2未受激时使得镜头组件能够停止在这样的位置上，即镜头聚焦位置被设置在近侧区间聚焦位置。

设在轴向支承部分4的下端上的连接臂5通过设在螺线管2的头部2-a上的槽连接着该头部2-a。

在螺线管2受激后，螺线管2的头部2-a被以非常短的行程拉入螺线管体中，而连接臂5被拉向螺线管2，因此整个镜头组件1将克服卷簧6的应力而向后(向下)移动与螺线管头部相等的短行程并且停止于此。

当镜头组件1位于其原位(常设位置)即镜头组件1运动之前的位置时，镜头聚焦位置将在近侧位置上进行调节，该位置覆盖了用于所有近距离区间物体的镜头聚焦位置。

当镜头组件1位于其移动位置即螺线管2受激而且镜头组件1被移动后的位置时，镜头聚焦位置将在远侧位置上进行调节，该位置覆盖了用于所有远距离区间物体的镜头聚焦位置。

因此，同普通的数字照相机AF系统相比，2区间AF系统可以更快速地工作，这是因为不需要通过镜头以连续次序沿环形凸轮移动而进行任何频繁且连续的图像检测。本发明的2区间AF系统的操作非常快速和简单。只需要螺线管的吸力作用就可以完成所有任务。此外，许多昂贵的部件和元件如步进电机、光断路器和带齿环形凸轮均不需要使用，而仅需利用低价格的螺线管承担工作。

Claims (8)

1.一种数字静物照相机双区间自动聚焦系统，其可以将镜头焦点在两个位置即远聚焦位置和近聚焦位置之间转换，该系统包括：

一个组件底座，其上组装着上述双区间自动聚焦系统；一个螺线管，其用于将镜头焦点在两个点即远聚焦位置和近聚焦位置之间转换；一个照片拍摄镜头，其作为一个镜头组件组装在一个镜头筒中；一个轴向支承部分，其设在上述镜头筒的一侧并且具有一个轴向孔；一个导轨，其固定在上述组件底座上并且插入轴向支承部分的上述孔中；一个卷簧，其套在上述导轨上，以将上述镜头筒组件推向图象传感器并将上述镜头筒组件保持在原位即远侧位置；一个连接臂，其设在上述镜头组件上；一个稳定叉，其设在上述镜头筒上；以及一个稳定销，其固定在组件底座上并且安置在上述叉的端部之间。

2.如权利要求1所述的数字静物照相机双区间自动聚焦系统，其特征在于，当上述镜头组件前后移动时，整个上述镜头组件被上述导轨、上述轴向支承、上述稳定叉和上述稳定销支承并保持稳定，以使上述镜头组件光滑移动而没有任何有害摆动。

3.如权利要求1所述的数字静物照相机双区间自动聚焦系统，其特征在于，上述连接臂连接着上述螺线管的头部，从而在上述螺线管受激时通过螺线管头部的动作使镜头组件移动。

4.如权利要求1所述的数字静物照相机双区间自动聚焦系统，其特征在于，在上述螺线管接收到来自数字静物照相机的CPU或电控距离测量系统的信号而受激后，可以通过上述螺线管头部而使上述连接臂运动，从而使上述镜头组件被驱动并且从图像传感器移开，以将上述镜头组件安置在近侧位置。

5.一种数字静物照相机双区间自动聚焦系统，其可以将镜头焦点在两个位置即远聚焦位置和近聚焦位置之间转换，该系统包括：

一个组件底座，其上组装着上述双区间自动聚焦系统；一个螺线管，其用于将镜头焦点在两个点即远聚焦位置和近聚焦位置之间转换；一个照片拍摄镜头，其作为一个镜头组件组装在一个镜头筒中；一个轴向支承部分，其设在上述镜头筒的一侧并且具有一个轴向孔；一个导轨，其固定在上述组件底座上并且插入轴向支承部分的上述孔中；一个卷簧，其套在上述导轨上，以将上述镜头筒组件推离图象传感器并将上述镜头筒组件保持在原位即近侧位置；一个连接臂，其设在上述镜头组件上；一个稳定叉，其设在上述镜头筒上；以及一个稳定销，其固定在组件底座上并且安置在上述叉的端部之间。

6.如权利要求5所述的数字静物照相机双区间自动聚焦系统，其特征在于，当上述镜头组件前后移动时，整个上述镜头组件被上述导轨、上述轴向支承、上述稳定叉和上述稳定销支承并保持稳定，以使上述镜头组件光滑移动而没有任何有害摆动。

7.如权利要求5所述的数字静物照相机双区间自动聚焦系统，其特征在于，上述连接臂连接着上述螺线管的头部，从而在上述螺线管受激时通过螺线管头部的动作使镜头组件移动。

8.如权利要求5所述的数字静物照相机双区间自动聚焦系统，其特征在于，在上述螺线管接收到来自数字静物照相机的CPU或电控距离测量系统的信号而受激后，可以通过上述螺线管头部而使上述连接臂运动，从而使上述镜头组件被驱动并且移向图像传感器，以将上述镜头组件安置在远侧位置。

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