專利名稱：半通過鏡頭無反光鏡相位比較對焦數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于攝影技術(shù)中的照相機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域。具體涉及如何改進(jìn)相機(jī)對焦技術(shù)以研制緊湊的高性能數(shù)碼相機(jī)。
背景技術(shù)：
多數(shù)實(shí)用相機(jī)都必須具有根據(jù)所拍攝物體的距離調(diào)整對焦(調(diào)整鏡頭和拍攝平 面之間的距離以使被攝物體在拍攝平面上清晰成像)的功能。相機(jī)對焦時利用的物理可測 量參數(shù)一般有兩種圖像對比度和成像相位。利用圖像對比度對焦的原理是根據(jù)成像清晰 時一般圖像的對比度將達(dá)到最大值的特點(diǎn)來進(jìn)行的。成像相位是指被攝物體在成像平面上 的相對位置。同一個物體在兩個相隔一定橫向距離(測距基線)的透鏡系統(tǒng)里的成像相位 是不同的，比較這兩個成像相位便可直接得到被攝物體的距離信息以完成對焦。這種方法 和雙眼立體視覺的物理基礎(chǔ)是相同的。大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)是先通過鏡頭(即TTL，Through The Lens)用圖像傳感器進(jìn)行取 景、曝光參數(shù)測量、對焦等操作，完成后用同一圖像傳感器進(jìn)行拍攝。具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、對 焦可靠的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是只能實(shí)施圖像對比度對焦。在對焦過程中需多次調(diào)焦以搜索最大 對比度，因此速度較慢。單鏡頭反光是一種重要的相機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在拍攝之前利用反光鏡、光學(xué) 取景器和單獨(dú)的光傳感器進(jìn)行TTL取景、曝光參數(shù)測量、對焦等操作，拍攝時反光鏡翻轉(zhuǎn)移 出光路以使所有通過鏡頭的光量射至膠片或主光傳感器上進(jìn)行拍攝。TTL結(jié)構(gòu)非常適用于 可交換鏡頭相機(jī)，無論用什么焦距的鏡頭都會在光學(xué)取景器里如實(shí)顯示將要拍攝的畫面。 光學(xué)取景器還具有快速和分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。更突出的是拍攝前鏡頭和光學(xué)取景器里的裂像 棱鏡或?qū)箓鞲心K構(gòu)成等效于相距適當(dāng)測距基線的兩個相似的透鏡系統(tǒng)，因此可以實(shí)施 人工的或電子的TTL相位比較對焦。由于相位比較對焦中距離信息是直接得到的，因此單 鏡頭反光自動對焦相機(jī)對焦速度較快。這些特點(diǎn)使得單鏡頭反光結(jié)構(gòu)被多數(shù)高性能膠片和 數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)采用。TTL相位比較對焦的一個特點(diǎn)是其等效測距基線當(dāng)測距使用的光圈一定時是隨著 相機(jī)鏡頭的焦距增加而延長的。當(dāng)相機(jī)使用長焦距鏡頭時其等效測距基線也長，從而能自 適應(yīng)地滿足長焦距鏡頭所需的較高測距精度。單鏡頭反光結(jié)構(gòu)也有其自身的弱點(diǎn)。拍攝時的反光鏡翻轉(zhuǎn)動作會產(chǎn)生較大的震 動和聲響，影響拍攝清晰度和在某些安靜場合的使用。更重要的是由于必須在鏡頭后留出 放置和翻轉(zhuǎn)反光鏡的空間，不但增加相機(jī)體積，還使得成像平面必須遠(yuǎn)離鏡頭后緣，對鏡頭 (特別是廣角鏡頭)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了限制。在自動對焦膠片相機(jī)上使用過一種由兩套簡單輔助透鏡系統(tǒng)和光探測器組成的 不通過鏡頭的相位比較對焦系統(tǒng)。但這種系統(tǒng)不能和TTL結(jié)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合起來，因此只能 進(jìn)行較簡單的自動對焦操作，沒有用于數(shù)碼相機(jī)。當(dāng)前相機(jī)業(yè)已開始根據(jù)數(shù)碼相機(jī)的特點(diǎn)對單鏡頭反光結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)加以改進(jìn)。奧林巴斯和松下公司發(fā)布了無反光鏡的微型4/3可交換鏡頭相機(jī)系統(tǒng)(Micro Four Thirds)標(biāo) 準(zhǔn)，松下公司又發(fā)布了符合這個標(biāo)準(zhǔn)的DMC-Gl數(shù)碼相機(jī)。微型4/3系統(tǒng)利用電子取景器替 代光學(xué)取景器來取消反光鏡，得以將鏡像距離縮短了近50%，因此可以設(shè)計(jì)體積更小的鏡 頭和相機(jī)。由于電子取景器技術(shù)的進(jìn)步，其性能將逐步接近光學(xué)取景器。但現(xiàn)在還沒有出 現(xiàn)成熟的通過鏡頭無反光鏡相位比較對焦技術(shù)，松下公司DMC-Gl數(shù)碼相機(jī)采用的是圖像 對比度對焦技術(shù)。但物理結(jié)構(gòu)上的限制使得圖像對比度對焦速度不能直接滿足許多要求較 高的應(yīng)用，如不能解決必將使這類無反光鏡相機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展受到嚴(yán)重限制。本專利要闡述的就是能實(shí)現(xiàn)取消鏡頭反光鏡后也能做相位比較對焦的數(shù)碼相機(jī) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)將可制造體積小、性能高、功能強(qiáng)大的新穎數(shù)碼相機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵是用輔助鏡頭和圖形傳感器系統(tǒng)同相機(jī)的主鏡頭和主圖型傳 感器一起構(gòu)成相位比較對焦系統(tǒng)。這一發(fā)明從技術(shù)上來說非常直接。如果在相機(jī)的主鏡頭旁再加一套有輔助鏡頭和 圖像傳感器組成的輔助對焦模塊，比較這兩個光學(xué)系統(tǒng)的成像相位便可直接得到被攝物體 距離信息并完成測距。如果用于可換鏡頭相機(jī)，可以使用具有合適的焦距變化范圍的輔助鏡頭以覆蓋常 用可替換鏡頭的焦距范圍?，F(xiàn)代數(shù)碼相機(jī)的鏡頭和圖像傳感器技術(shù)已發(fā)展到可以很低的成 本在很小的體積里安置高性能的變焦鏡頭和千萬像素級的圖像傳感器。使用潛望鏡式變焦 鏡頭的卡片數(shù)碼相機(jī)已大量在市場上出現(xiàn)。在高性能大畫幅的數(shù)碼相機(jī)上配置一個乃至多 個這樣的輔助對焦模塊已不成問題。為現(xiàn)代數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)所研發(fā)的微型高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也 為實(shí)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu)提供了必要的處理能力。和單鏡頭反光相機(jī)系統(tǒng)的完全TTL相位比較對焦和旁軸相機(jī)系統(tǒng)(如萊卡M系列 相機(jī))的完全非TTL相位比較對焦不同，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)即使用了通過主鏡頭的圖像信息又 使用了通過另加輔助鏡頭的圖像信息，因此可被稱作半通過鏡頭相位比較對焦結(jié)構(gòu)。附圖是一個最基本的使用本發(fā)明的相機(jī)系統(tǒng)，由主鏡頭⑴和主圖像傳感器⑵、 一套由和主鏡頭相距一個測距基線(B)的輔助鏡頭(3)和輔助圖像傳感器(4)組成的輔助 對焦模塊、計(jì)算機(jī)處理控制單元(5)和電子取景器(6)組成。主圖像傳感器的探測信號除 了可用于拍攝外還可用于取景、曝光參數(shù)測量和對焦控制。由于通常不用在全畫幅的范圍 內(nèi)都提供對焦點(diǎn)，輔助鏡頭的焦距不必設(shè)置得完全和主鏡頭一樣。通過用主鏡頭和主圖像傳感器進(jìn)行取景、曝光參數(shù)檢測和同輔助鏡頭和輔助圖像 傳感器一起進(jìn)行相位比較對焦，本發(fā)明在不使用反光鏡的前提下將TTL結(jié)構(gòu)和相位比較對 焦技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來。不但避免了反光鏡單元引起的較大的震動、響聲和體積等等缺陷， 同時可以具有傳統(tǒng)自動對焦單鏡頭反光相機(jī)的對焦速度，并且對焦點(diǎn)位置和數(shù)量的選擇上 擁有更多的靈活性。在對焦精度和弱光對焦靈敏度方面和單鏡頭反光相機(jī)相比也有可能得到改善。所 有通過主鏡頭和輔助鏡頭的光量都能被用于測距，而且主圖像傳感器和輔助圖像傳感器的 像素?cái)?shù)量都可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單鏡頭反光相機(jī)對焦模塊里使用的傳感器。除此之外許多新穎的數(shù)字技術(shù)也可以得到應(yīng)用。
一個可能的應(yīng)用是面部識別技術(shù)將可以很容易地和相位比較對焦聯(lián)合使用。另一個可能是將圖像對比度對焦和相位比較對焦結(jié)合。在對速度要求不高時這樣做可以提高對焦的可靠性。還可以用圖像對比度對焦來輔助相位比較對焦進(jìn)行自動或人工 的定標(biāo)操作，以提高單獨(dú)使用相位比較對焦時的精度和可靠性。由于電子取景器的使用，對焦信息的顯示也可以更加靈活。不僅可以精確顯示對 焦區(qū)域和所選對焦點(diǎn)，還可以在主圖型傳感器的畫面上疊加輔助圖形傳感器的部分畫面以 得到類似于旁軸取景相機(jī)或棱鏡裂像式取景器的顯示效果，這樣還可以提供極具吸引力和 高效率的手動對焦模式。本專利還可促進(jìn)攝像技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代數(shù)碼相機(jī)已可提供有實(shí)用價(jià)值的視頻拍攝 能力。佳能公司的EOS 5DII相機(jī)甚至可以提供全高清攝像功能。如應(yīng)用本專利則可在攝 像模式下提供更強(qiáng)的自動對焦能力，加速攝像和攝影技術(shù)的融合。由于是半TTL的相位比較對焦，會失去某些全TTL系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但也會帶來一些其 他的優(yōu)點(diǎn)。而由于本專利結(jié)構(gòu)能充分利用數(shù)字處理技術(shù)的強(qiáng)大重新配置能力，許多全新的 實(shí)用功能可以得到實(shí)施。除非通過鏡頭電子接口提供，全TTL系統(tǒng)不能單從對焦傳感器的探測信號里得到 鏡頭焦距的信息。當(dāng)主鏡頭使用前置附加光學(xué)系統(tǒng)時全TTL系統(tǒng)往往因?yàn)闆]有鏡頭實(shí)際焦 距值而影響對焦性能。而這種半TTL系統(tǒng)側(cè)可以通過對主圖像傳感器和輔助圖像傳感器的 探測信號進(jìn)行分析來得到主鏡頭的實(shí)際焦距值。這種信息可以被用來改進(jìn)對焦算法的性 能。當(dāng)使用體積比較大的大口徑或長焦鏡頭時，和全TTL系統(tǒng)不同，鏡頭有可能阻擋 輔助對焦鏡頭的視角。緩解這一限制的方法之一是使用可彈出的輔助對焦模塊以避免被大 鏡頭擋住，同時由于測距基線長度的增加測距精度也可得到提高。如果使用一個輔助對焦模塊，則將只有一條測距基線，成像相位比較將只對和這 條測距基線垂直的條紋敏感。如要對所有方向的條紋都敏感，可在一些高檔相機(jī)系統(tǒng)里采 用兩個輔助傳感模塊。另一個可能的方案是將另一個輔助對焦模塊設(shè)計(jì)到相機(jī)的一個附加 手柄上，需要時加上手柄便可提高測距性能。半TTL系統(tǒng)的等效測距基線的長度不會像全TTL系統(tǒng)那樣隨著鏡頭焦距增加而增 力口。但通常半TTL系統(tǒng)的等效測距基線的長度可以被設(shè)計(jì)得大于多數(shù)鏡頭的最大口徑以保 證對焦精度。也可設(shè)計(jì)附加在長焦距鏡頭上的具有較長測距基線和較高性能輔助對焦鏡頭 的專用對焦模塊以提高長焦距鏡頭的對焦精度。由于電子取景器和光學(xué)取景器的差別、全TTL相位比較對焦系統(tǒng)所具有的對長焦 鏡頭的自適應(yīng)、社會擁有量大等等因素，單鏡頭反光結(jié)構(gòu)相機(jī)將會仍然被使用很長時期。使 用本發(fā)明的新穎相機(jī)可以巧妙利用這個現(xiàn)象來逐步擴(kuò)大自己的應(yīng)用范圍。一個可能的途徑是使新相機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)有單鏡頭反光結(jié)構(gòu)相機(jī)的鏡頭群兼容。較好 的做法是定義較短的鏡頭后緣到主圖像傳感器的距離和較小的卡口直徑以充分發(fā)揮無反 光鏡結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，同時保持一定的兼容性使得原規(guī)格鏡頭可以通過一個附加接圈簡便地接 入新系統(tǒng)使用。這樣新系統(tǒng)開始使用時便可得到現(xiàn)有鏡頭群資源的支持，生產(chǎn)廠家也保留 了研發(fā)充分發(fā)揮無反光鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的新型鏡頭的選擇。這樣生產(chǎn)廠家和消費(fèi)者都將通過選 擇范圍的擴(kuò)大得到好處，將很有利于新系統(tǒng)的普及發(fā)展。
綜合而言，使用本專利發(fā)明的半通過鏡頭無反光鏡相位比較對焦結(jié)構(gòu)可以充分利用當(dāng)前飛速發(fā)展的數(shù)字和電子技術(shù)來設(shè)計(jì)小巧輕便和對焦性能好的的數(shù)碼相機(jī)。


基本系統(tǒng)。
權(quán)利要求
一種可以以數(shù)字方式記錄光學(xué)影像的數(shù)碼照相機(jī)系統(tǒng)其中包含具有較高性能的主鏡頭和主圖像傳感器；一套或一套以上的和主透鏡系統(tǒng)相距一定測距基線距離的由較小口徑的輔助鏡頭和輔助圖像傳感器組成的輔助對焦模塊；信號處理和控制用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；以及顯示取景用圖像和控制信息的電子取景器；其特征是主鏡頭和主圖像傳感器之間在取景和拍攝參數(shù)測量階段不需使用反光鏡而且主圖像傳感器的輸出信號在能被用于通過鏡頭方式的取景、拍攝參數(shù)測量以及最后圖像曝光的同時又和輔助鏡頭和輔助圖像傳感器一起提供傳感信息以使相機(jī)可以實(shí)施相位比較測距對焦。
2.如權(quán)利要求1的數(shù)碼照相機(jī)系統(tǒng)，其特征是由主鏡頭(1)和主圖像傳感器(2)、一套由與主鏡頭相距一個測距基線(B)的輔助鏡 頭(3)和輔助圖像傳感器(4)組成的輔助對焦模塊、計(jì)算機(jī)處理控制單元(5)和電子取景 器(6)組成的基本系統(tǒng)。
3.如權(quán)力要求1的數(shù)碼照相機(jī)系統(tǒng)，其特征是聯(lián)合使用面部識別技術(shù)和相位比較對焦技術(shù)。
4.如權(quán)力要求1的數(shù)碼照相機(jī)系統(tǒng)，其特征是聯(lián)合使用圖像對比度對焦和相位比較對焦以同時提高對焦的速度和可靠性以及用圖 像對比度對焦對相位比較對焦系統(tǒng)輔助進(jìn)行自動或人工的定標(biāo)。
5.如權(quán)利要求1的數(shù)碼照相機(jī)系統(tǒng)，其特征是在電子取景器顯示的主圖型傳感器畫面上疊加輔助圖形傳感器的部分畫面來得到類 似于旁軸取景相機(jī)或棱鏡裂像式取景器的顯示效果以提供高效自動或手動對焦信息顯示。
6.如權(quán)利要求1的數(shù)碼照相機(jī)系統(tǒng)，其特征是采用具有非平行測距基線的兩套輔助對焦模塊以對所有方向的圖像條紋都可實(shí)施成 像相位比較。
7.如權(quán)利要求1的數(shù)碼照相機(jī)系統(tǒng)，其特征是使用可彈出或安裝在附加手柄或鏡頭上的輔助對焦模塊以避免視角被體積較大的鏡 頭遮擋、增加測距基線長度以提高測距精度、實(shí)施多方向的圖像條紋成像相位比較和能采 用較大口徑和較長焦距的輔助鏡頭以提高長焦鏡頭的對焦精度。
8.如權(quán)利要求1的數(shù)碼照相機(jī)系統(tǒng)，其特征是可在攝像模式下提供實(shí)施相位比較測距對焦。
9.如權(quán)利要求1的數(shù)碼照相機(jī)系統(tǒng)，其特征是設(shè)計(jì)和現(xiàn)有單鏡頭反光結(jié)構(gòu)照相機(jī)的鏡頭群兼容的鏡頭接口以使新型照相機(jī)在最初 發(fā)展階段能得到現(xiàn)有鏡頭群資源的支持。
10.如權(quán)利要求9的數(shù)碼照相機(jī)系統(tǒng)，其特征是定義較短的鏡頭后緣到主圖像傳感器的距離和較小的卡口直徑以在利用新設(shè)計(jì)的專 用鏡頭來充分發(fā)揮無反光鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的同時可以通過一個附加接圈將現(xiàn)有規(guī)格的單鏡頭 反光結(jié)構(gòu)照相機(jī)鏡頭簡便地接入新系統(tǒng)使用。
全文摘要
通過用主鏡頭和主圖像傳感器進(jìn)行取景、曝光參數(shù)檢測和同輔助鏡頭和輔助圖像傳感器一起進(jìn)行相位比較對焦，本發(fā)明在不使用反光鏡的前提下將TTL結(jié)構(gòu)和相位比較對焦技術(shù)在數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)里有機(jī)地結(jié)合起來。不但避免了反光鏡單元引起的較大的震動、響聲和體積等等缺陷，同時可以具有傳統(tǒng)自動對焦單鏡頭反光相機(jī)的對焦速度和提供多種新型對焦功能。
文檔編號G02B7/28GK101813867SQ20091000935
公開日2010年8月25日 申請日期2009年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月20日
發(fā)明者張小頻 申請人:張小頻