CN203012315U - 一种实现相位对焦的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实现相位对焦的装置，属于图像处理技术及光学设计领域。本实用新型所述的装置包括透镜组、图像传感器，与图像传感器连接的对焦处理单元，该装置还包括遮挡装置，与遮挡装置连接并对其进行控制的遮挡控制单元，与遮挡控制单元、对焦处理单元连接的主控制单元。本实用新型可以在一般成像装置（CCD、CMOS等）的基础上通过调整光路中的遮挡装置获取多帧图像的方式实现相位对焦。

Description

一种实现相位对焦的装置

技术领域

本实用新型属于图像处理技术及光学设计领域，具体涉及一种实现相位对焦的装置。

背景技术

对焦的英文学名为Focus，通常数码相机有多种对焦方式，分别是自动对焦、手动对焦和多重对焦方式。

1、自动对焦：

非TTL式：传统相机通常采取一种类似目测测距的方式实现自动对焦，相机发射一种红外线（或其它射线），根据被摄体的反射确定被摄体的距离，然后根据测得的结果调整镜头组合，实现自动对焦。这种自动对焦方式直接、速度快、容易实现、成本低，但有时候会出错（相机和被摄体之间有其它东西如玻璃时就无法实现自动对焦，或者在光线不足的情况下），精度也差，如今高档的相机一般已经不使用此种方式。因为是相机主动发射射线，故称主动式，又因它实际只是测距，并不通过镜头的实际成像判断是否正确结焦，所以又称为非TTL式。

TTL自动对焦：这种对焦方式相对于主动式自动对焦，后来发展了被动式自动对焦，也就是根据镜头的实际成像判断是否正确结焦，判断的依据一般是反差检测式，具体原理相当复杂。因为这种方式是通过镜头成像实现的，故称为TTL自动对焦。也正是由于这种自动对焦方式基于镜头成像实现，因此对焦精度高，出现差错的比率低，但技术复杂，速度较慢（采用超声波马达的高级自动对焦镜头除外），成本也较高。

2、手动对焦：

手动对焦，它是通过手工转动对焦环来调节相机镜头从而使拍摄出来的照片清晰的一种对焦方式，这种方式很大程度上面依赖人眼对对焦屏上的影像的判别以及拍摄者的熟练程度甚至拍摄者的视力。早期的单镜反光相机与旁轴相机基本都是使用手动对焦来完成调焦操作的。现在的准专业及专业数码相机，还有单反数码相机都设有手动对焦的功能，以配合不同的拍摄需要。

3、多重对焦：

很多数码相机都有多点对焦功能，或者区域对焦功能。当对焦中心不设置在图片中心的时候，可以使用多点对焦，或者多重对焦。除了设置对焦点的位置，还可以设定对焦范围，这样，用户可拍摄不同效果的图片。常见的多点对焦为5点，7点和9点对焦。

4、全息自动对焦：

全息自动对焦功能(Hologram AF)，是索尼数码相机独有的功能，也是一种崭新自动对焦光学系统，采用先进激光全息摄影技术，利用激光点检测拍摄主体的边缘，就算在黑暗的环境亦能拍摄准确对焦的照片，有效拍摄距离达4.5米。

随着相机对焦技术的不断发展，由最初的手动对焦发展到现在的自动对焦。电子相机等设备在自动对焦过程中通常采用对比度法或相位法实施对焦。对比检测自动对焦在检测到最大对比度之前不断调整，因而速度较慢。

现有的相位对焦的技术主要有两大类：

第一种是通过反射装置和额外相位检测装置实现对焦的，此种方式结构比较复杂，成本较高，一般只有数码单反相机才具备。数码单反相机完成对焦的过程非常复杂。当光线射入镜头后，光线通过反光镜反射在位于反光镜上方的对焦屏上。反光镜到对焦屏的距离与反光镜到感光元件的距离是完全相等的。在未曝光前，对焦屏代替感光元件进行对焦操作，利用透镜分离相位检测法对焦，并发出命令。而对焦操作的过程是通过镜头内部的自动对焦马达完成的。对焦系统通过调整镜头内部的透镜组，事实上是镜头内的部分透镜组和感光元件的距离来实现的。由于现在的大多数镜头采用了内对焦或后对焦的方式，在对焦过程中，摄影师不会察觉镜头长度的明显变化。此外，数码单反相机的对焦操作还依赖于相机内部的自动对焦传感器等多个组件合力完成。

第二种是通过在成像装置中按照一定的排布方式增加相位检测单元来实现相位检测对焦。此种方案增加的相位检测单元来替代原有的成像单元，相位检测单元过少则不利于相位检测，过多则影响成像质量。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种结构简单、成本低廉的实现相位对焦的装置，可以在一般成像装置（CCD、CMOS等）的基础上通过调整光路中的附件获取多帧图像的方式快速实现相位对焦。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案如下所描述：

一种实现相位对焦的装置，包括透镜组、图像传感器，与图像传感器连接的对焦处理单元，与对焦处理单元连接并驱动透镜组移动进行对焦的驱动控制单元，其中，该装置还包括遮挡装置，与遮挡装置连接并对其进行控制的遮挡控制单元，与遮挡控制单元、对焦处理单元连接的主控制单元，与对焦处理单元连接并驱动透镜组移动进行对焦的驱动控制单元。

进一步，所述的对焦处理单元用于对图像传感器采集的信号加以处理，得到图像传感器和成像平面的相对位置，并确定透镜组的移动方向。

进一步，所述的透镜组由单一透镜或者多个透镜组成。

进一步，所述的遮挡装置是机械遮挡装置，由机械遮挡片组成。

进一步，所述的遮挡装置是电子遮挡装置，由电子遮挡片组成依靠电压控制遮。更进一步，所述的电子遮挡片为液晶。

进一步，所述的遮挡装置置于透镜组之前或者之后或者透镜组内部。

进一步，所述的遮挡装置遮挡部分的形状为半圆形。

进一步，所述的图像传感器为图像信号采集装置，包括CCD成像元件、CMOS成像元件。

进一步，所述的遮挡控制单元是机械控制装置或者电子控制装置，分别用于控制机械遮挡装置的机械遮挡片或者电子遮挡装置的液晶。

进一步，所述的主控制单元用于接收外部输入信号，协同控制对焦处理单元和遮挡控制单元完成目标功能的总体控制。

本实用新型的有益效果如下：相比现有单反相机的相位对焦的方案，本实用新型具有结构简单，设备体积小，成本低的优点；相比在图像传感器增加相位检测单元的方案，本实用新型不需要修改图像传感器，节约成本，且不会因为增加不能成像的相位检测单元使图像细节造成损失。

附图说明

图1是本实用新型具体实施方式中一种实现相位对焦的装置的结构示意图；

图2是遮挡装置在透镜组前的装置示意图；

图3是遮挡装置的四种不同的遮挡方式示意图；

图4是成像平面在图像传感器前上遮挡光路图；

图5是成像平面在图像传感器前下遮挡光路图；

图6是成像平面在图像传感器后上遮挡光路图；

图7是成像平面在图像传感器后下遮挡光路图；

图8是成像平面在图像传感器上时上遮挡光路图；

图9是成像平面在图像传感器上时下遮挡光路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

本实用新型可以在一般成像装置（CCD、CMOS等）的基础上通过调整光路中的遮挡装置获取多帧图像的方式实现相位对焦。电子相机等设备在自动对焦过程中通常采用对比度法或相位法实施对焦，相位法（或对比度对焦）对焦能够实现快速对焦。单反相机实现相位对焦需要一个光路反射装置和额外的相位检测装置，设备复杂且成本较高；普通的卡片相机没有光路反射装置，许多相机厂商在成像装置上进行了改造，增加了单独的相位检测单元来实现相位检测。本实用新型可以在不增加反射装置和相位检测装置，并且不改变成像装置的基础上，通过简单遮挡光路的方式实现包括相位对焦的功能。

一种实现相位对焦的装置，包括：

由遮挡装置、透镜组以及图像传感器组成一套系统，遮挡装置用于遮挡被拍摄物体通过透镜组到图像传感器间的光路，将图像传感器置于成像平面前部或者后部，通过改变遮挡装置的状态得到一组被遮挡后的图像，这些不同状态遮挡图像之间对比或者遮挡图像和原始图像对比，通过计算检测出图像传感器和成像平面的相对位置，从而可以确定透镜组的移动方向。

本实施例中，如图1所示，本实用新型所述的一种实现相位对焦的装置，包括：

透镜组1，遮挡装置2，图像传感器3，与遮挡装置2连接的遮挡控制单元4，与图像传感器3连接的对焦处理单元5，与遮挡控制单元4、对焦处理单元5连接的主控制单元6，与对焦处理单元5连接并驱动透镜组1移动进行对焦的驱动控制单元7；

其中，所述的透镜组1由单一透镜或者多个透镜组成；然而，透镜组不限于单一凸透镜，具体实施方式中只是举了一个等效于单一凸透镜的透镜组的实例；

所述的遮挡装置2可以是任何机械遮挡装置（如由一片或多片遮挡片组成）、电子遮挡装置（如由一片或多片液晶遮挡片组成，由电压控制）或其它有类似功能的装置，其数目可以是一个或者多个，优选一个；本实施例中，所述的遮挡装置是电子遮挡装置（液晶），形状为圆形，整体安装到镜头的最前方，依靠电压控制遮挡片上遮挡部分的形状、大小和位置；

遮挡装置可以置于透镜组之前（即目标物体和透镜组之间）或之后（即透镜组和图像传感器之间），或者透镜组内部，也能够达到类似的效果，优选置于透镜组之前的位置；遮挡装置包括但不仅限于图3所示的形状和数目，也可以采用任意其他形状而非半圆形也能够达到类似效果，但可能后期计算较为复杂，同样能够达到效果；本实施例中，遮挡装置的遮挡部分的形状优选半圆形状；

所述的图像传感器3为图像信号采集装置，包括CCD成像元件、CMOS成像元件等，图像传感器可以置于非成像平面的任意位置，包括成像平面之前或者成像平面之后，均可以达到类似效果；

所述的遮挡控制单元4用于控制遮挡装置2，可以是用于控制机械遮挡装置的机械控制装置、用于控制电子遮挡装置的电子控制装置或其它有类似功能的控制装置；

所述的对焦处理单元5用于对图像传感器采集的信号加以处理，得到图像传感器和成像平面的相对位置，并确定透镜组的移动方向；

所述的主控制单元6用于接收外部输入信号，协同控制对焦处理单元和遮挡控制单元完成目标功能的总体控制。

本实用新型中，所述的透镜组1和遮挡装置2是整个装置的核心部分。

如图2所示，图2表示的是本实施例中的透镜组21、遮挡装置22以及图像传感器23三者之间的一种位置关系。其中遮挡装置22可以一个或者是多个，遮挡位置22也可以是成像光路的任何位置，包括透镜组前、透镜组后，以及透镜组内部。通过遮挡装置分别遮挡部分光路得到不同的遮挡图像，通过遮挡图像和未遮挡图像或者不同的遮挡图像之间进行对比，检测出图像传感器和成像平面的相对位置，从而可以确定透镜组的移动方向，然后通过驱动控制单元7驱动透镜组21移动，直到不同的遮挡图像之间的相位差为0或者可以忽略不计，就说明图像传感器和成像平面在一个平面上，即完成了对目标物体的对焦。

如图3所示，图3显示的是一种遮挡装置的四种不同遮挡方式，分别为上遮挡、下遮挡、左遮挡、右遮挡。其中遮挡片可以是任意形状，遮挡片的遮挡部分优选半圆形，遮挡方式的可以采用其中的任意角度的一种或多种，优选上遮挡、下遮挡，或者左遮挡、右遮挡，即不同遮挡方式时之间最好是相互对称的。在实际应用中，需要采用多种不同的遮挡方式对目标物体拍照后来进行对比，其中两个对比实例如下：1、没有遮挡时拍摄的全图像分别与采用上（下）遮挡和左（右）遮挡图像方式拍摄的图像进行对比；2、采用上、下遮挡方式拍摄的图像对比和采用左、右遮挡方式拍摄的图像对比。

图4和图5显示遮挡装置位于透镜组前，成像平面8位于图像传感器3之前，分别采用图3遮挡片的形状以及上遮挡与下遮挡两种方式所成像的光路图。被拍摄物体上的任意点0，通过遮挡装置2的遮挡在非成像平面上形成了光斑9或光斑10。根据光学成像原理可以得到，当遮挡片处于上遮挡方式时，在图像传感器成像的过渡区域内的图像会不同程度的产生向上的相位偏移；反正，当遮挡片处于下遮挡方式时，图像会产生向下的相位偏移。对比两幅图像我们可以知道，图像处于离焦状态，且驱动控制单元7驱动透镜组1对焦的方向为靠近图像传感器3的方向。

图6和图7显示遮挡装置位于透镜组前，成像平面8位于图像传感器3之后，分别采用图3遮挡片的形状以及上遮挡与下遮挡两种方式所成像的光路图。被拍摄物体上的任意点0，通过遮挡装置2的遮挡在非成像平面上形成了光斑11或光斑12。同理，当遮挡片处于上遮挡方式时，在图像传感器成像的过渡区域内的图像会不同程度的产生向下的相位偏移；当遮挡片处于下遮挡方式时，图像会产生向上的相位偏移。对比两幅图像我们可以知道，图像处于离焦状态，且驱动装置驱动透镜组对焦的方向为远离图像传感器方向。

图8和图9显示遮挡装置位于透镜组前，成像平面8位于图像传感器3上，分别采用图3遮挡片的形状以及上遮挡与下遮挡两种方式所成像的光路图。当驱动装置移动透镜组1，使成像平面处在图像传感器上时，图像达到对焦状态。这时，分别遮挡上半部分和下半部分光路形成的两幅图像完全一致，即没有相位差产生。

综上，此方案通过遮挡光路的方式，不仅可以判断透镜的对焦或者离焦状态，而且还可以得到透镜组达到对焦所需的移动方向，最终实现快速自动对焦的目的。

需要注意的是，上述具体实施例仅仅是示例性的，在本实用新型的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本实用新型的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本实用新型的目的，并非用于限制本实用新型。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种实现相位对焦的装置，包括透镜组、图像传感器，与图像传感器连接的对焦处理单元，其特征在于：该装置还包括遮挡装置，与遮挡装置连接并对其进行控制的遮挡控制单元，与遮挡控制单元、对焦处理单元连接的主控制单元，与对焦处理单元连接并驱动透镜组移动进行对焦的驱动控制单元。

2.如权利要求1所述的一种实现相位对焦的装置，其特征在于：所述的对焦处理单元用于对图像传感器采集的信号加以处理，得到图像传感器和成像平面的相对位置，并确定透镜组的移动方向。

3.如权利要求1所述的一种实现相位对焦的装置，其特征在于：所述的透镜组由单一透镜或者多个透镜组成。

4.如权利要求1所述的一种实现相位对焦的装置，其特征在于：所述的遮挡装置是机械遮挡装置，由机械遮挡片组成。

5.如权利要求1所述的一种实现相位对焦的装置，其特征在于：所述的遮挡装置是电子遮挡装置，由电子遮挡片组成，依靠电压控制。

6.如权利要求5所述的一种实现相位对焦的装置，其特征在于：所述的电子遮挡片为液晶。

7.如权利要求4或5或6所述的一种实现相位对焦的装置，其特征在于：所述遮挡装置的遮挡部分的形状为半圆形。

8.如权利要求1至6任一所述的一种实现相位对焦的装置，其特征在于：所述的遮挡装置置于透镜组之前或者之后或者透镜组内部。

9.如权利要求1至6任一项所述的一种实现相位对焦的装置，其特征在于：所述的图像传感器为图像信号采集装置，包括CCD成像元件、CMOS成像元件。

10.如权利要求1至6任一项所述的一种实现相位对焦的装置，其特征在于：所述的遮挡控制单元是机械控制装置或者电子控制装置，分别用于控制机械遮挡装置的机械遮挡片或者电子遮挡装置的液晶。

11.如权利要求1至6任一项所述的一种实现相位对焦的装置，其特征在于：所述的主控制单元用于接收外部输入信号，协同控制对焦处理单元和遮挡控制单元完成对焦的总体控制。

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