簡(jiǎn)析光學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)焦的方法

摘要:自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)儀器中。常見(jiàn)的調(diào)焦方法,從基本原理上可分成基于物方測(cè)距的主動(dòng)式和基于像檢測(cè)法的被動(dòng)式兩大類。主動(dòng)、被動(dòng)式自動(dòng)對(duì)焦方式各有千秋,主動(dòng)式由系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)出光波,可以在低反差、弱光線下對(duì)焦,但當(dāng)被攝體能吸收或反射光或波時(shí)對(duì)焦困難。被動(dòng)式直接接收來(lái)自景物自身的反光,對(duì)具有一定亮度的被攝體能理想地自動(dòng)對(duì)焦,自身不要發(fā)射系統(tǒng),耗能少,有利于小型化。被動(dòng)法中的以數(shù)字圖像處理作為調(diào)焦檢測(cè)函數(shù)的方法,理想的評(píng)價(jià)函數(shù)要求無(wú)偏性、單峰性、能反映離焦的極性、對(duì)噪聲敏感度低等。為提高效率,往往還希望計(jì)算量盡可能地小。文章介紹了目前應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)的幾種基于光電測(cè)試和圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦方法。

0 引言

自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)是20世紀(jì)70年代以后發(fā)展起來(lái)的*為活躍的現(xiàn)代照相技術(shù)領(lǐng)域之一,特別是微電子學(xué)工藝突破性的技術(shù)發(fā)展,為自動(dòng)檢調(diào)焦技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的條件[1]。幾十年來(lái),人們?cè)诟倪M(jìn)光學(xué)機(jī)械的基礎(chǔ)上創(chuàng)造發(fā)明了許多自動(dòng)調(diào)焦的方法。自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)在攝影、顯微照相、微細(xì)加工、光測(cè)設(shè)備等領(lǐng)域越來(lái)越受到人們的普遍重視。自動(dòng)調(diào)焦,就是用光電元件來(lái)代替人眼,并通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng),使像清晰落在成像平面上。光電元件的作用就是能把調(diào)好焦(清晰成像)和離焦(影像模糊)區(qū)分開(kāi)來(lái)。

1 調(diào)焦原理

實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)在工作過(guò)程中,被攝物體與光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)距離,每次總是有變化的。由高斯公式1/l′-1/l=1/f′[2]可知,對(duì)于不同的物距l,其攝像光學(xué)系統(tǒng)的像距l′也將隨著變化。為了使不同距離的被攝物體能夠正確地成像在焦平面上以得到清晰的影像,必須隨時(shí)調(diào)整鏡頭與成像平面之間的距離l′來(lái)適應(yīng)物距l的變化。鏡頭的這種調(diào)整過(guò)程就稱為調(diào)焦。為了正確地進(jìn)行調(diào)焦,一般在調(diào)焦前還要測(cè)定出被攝目標(biāo)到成像鏡頭之間的距離,這個(gè)過(guò)程便稱為測(cè)距。

無(wú)論采用何種調(diào)焦方式,都必須使被攝體的物距l和像距l′滿足高斯公式,只有這樣才能獲得清晰的像。通常用下述方法來(lái)獲得正確的調(diào)焦。

2 自動(dòng)調(diào)焦的分類

從基本原理來(lái)說(shuō),自動(dòng)調(diào)焦可以分成兩大類:基于鏡頭與被攝目標(biāo)之間距離測(cè)量的測(cè)距方法和基于調(diào)焦屏上成像清晰的聚焦檢測(cè)方法。

2.1 測(cè)距方法[3]

測(cè)距方法的自動(dòng)調(diào)焦主要有三角測(cè)量法、紅外線測(cè)距法和超聲波測(cè)距法。


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1)三角測(cè)量法　測(cè)距原理如圖1所示。左邊的反射鏡是局部鍍膜反射鏡,即中間一小塊反射右邊來(lái)的光線,而此反射鏡的其余部分透射前方直接進(jìn)入的光線,這樣在調(diào)焦平面上的影像如圖1左下角所示。右邊的反射鏡在電路控制下轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)焦平面上有光電元件進(jìn)行探測(cè),當(dāng)透射和反射的兩部分影像重合的時(shí)候,可動(dòng)反射鏡的擺動(dòng)角α/2和物點(diǎn)A的距離D之間有如下關(guān)系:

α/2=(1/2)arctan(b/D) (b為基線長(zhǎng))。

于是,系統(tǒng)可以計(jì)算出被攝目標(biāo)和鏡頭之間的距離并驅(qū)動(dòng)鏡頭運(yùn)行到合適的位置,完成調(diào)焦。

2)紅外線測(cè)距法[4] 該方法的原理類似于三角測(cè)量法,所不同的是由系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)射紅外線作為測(cè)距光源,并用紅外發(fā)光二極管的轉(zhuǎn)動(dòng)代替可動(dòng)反光鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3)超聲波測(cè)距法　該方法是根據(jù)超聲波在攝像機(jī)和被攝物之間傳播的時(shí)間進(jìn)行測(cè)距的。光學(xué)儀器上分別裝有超聲波的發(fā)射和接收裝置,工作時(shí)由超聲振動(dòng)發(fā)生器發(fā)出持續(xù)時(shí)間約1/1 000 s的超聲波,覆蓋整個(gè)畫面的10%。超聲波到達(dá)被攝體后,立即返回被接收器感知,然后由集成電路根據(jù)超聲波的往返時(shí)間來(lái)計(jì)算確定調(diào)焦距離。

紅外線式和超聲波式自動(dòng)對(duì)焦是利用主動(dòng)發(fā)射光波或聲波進(jìn)行測(cè)距的,稱之為主動(dòng)式自動(dòng)對(duì)焦。

2.2 聚焦檢測(cè)方法

聚焦檢測(cè)方法主要有對(duì)比度法、裂像法和相位法。

1)對(duì)比度法: 該方法通過(guò)檢測(cè)影像的輪廓邊緣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦。像的輪廓邊緣越清晰,則它的亮度梯度就越大,或者說(shuō)邊緣處景物和背景之間的對(duì)比度就越大。反之,離焦的像,輪廓邊緣模糊不清,亮度梯度或?qū)Ρ榷认陆?/span>;離焦越遠(yuǎn),對(duì)比度越低。利用這個(gè)原理,將兩個(gè)光電檢測(cè)器放在底片位置的前后相等距離處,被攝景物的像經(jīng)過(guò)分光同時(shí)成在這兩個(gè)檢測(cè)器上,分別輸出其成像的對(duì)比度。當(dāng)兩個(gè)檢測(cè)器所輸出的對(duì)比度相等時(shí),說(shuō)明調(diào)焦的像面剛好在兩個(gè)檢測(cè)器中間,即和底片的位置重合,于是調(diào)焦完成。

2)裂像法: 在對(duì)焦板位置(與成像平面等同位置)放置裂像光楔或微棱鏡,當(dāng)焦點(diǎn)正好位于裂像光楔的交點(diǎn)上或微棱鏡的頂點(diǎn)上的時(shí)候,看到的只是一個(gè)清晰的像點(diǎn);當(dāng)焦點(diǎn)偏離上述位置時(shí),通過(guò)裂像光楔看到的是兩個(gè)分開(kāi)的像,而通過(guò)微棱鏡看到的則是許許多多分開(kāi)的像,造成一種影像模糊的感覺(jué)。用裂像光楔和微棱鏡對(duì)焦板對(duì)焦就是根據(jù)這個(gè)原理進(jìn)行的。因?yàn)閷?duì)焦屏位置與成像平面完全共軛,人們只需通過(guò)眼睛觀察相當(dāng)于成像平面的對(duì)焦屏的成像情況,就可知道對(duì)焦是否準(zhǔn)確:即只要對(duì)焦屏上的裂像重合和微棱區(qū)影像是清晰的,則成像平面上的像必然清晰;反之則成像模糊。對(duì)焦屏可以做成不同的結(jié)構(gòu)形式,如毛玻璃表面狀、微圓錐面狀、微棱鏡狀、帶裂像光楔、帶環(huán)帶透鏡的,等等。聚焦檢測(cè)的調(diào)焦方法主要應(yīng)用于單鏡頭反光照相機(jī)上。

3)相位法: 該方法是通過(guò)檢測(cè)像的偏移量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的。如圖2所示,在感光底片的位置放置一個(gè)由平行線條組成的網(wǎng)格板,線條相繼為透光和不透光。網(wǎng)格板后適當(dāng)位置上與光軸對(duì)稱地放置兩個(gè)受光元件。網(wǎng)格板在與光軸垂直方向上往復(fù)振動(dòng)。從圖2可以看出,當(dāng)聚焦面與網(wǎng)格板重合時(shí),通過(guò)網(wǎng)格板透光線條的光同時(shí)到達(dá)其后面的兩個(gè)受光元件。而當(dāng)離焦時(shí),光束只能先后到達(dá)兩個(gè)受光元件,于是它們的輸出信號(hào)之間有相位差。有相位差的兩個(gè)信號(hào)經(jīng)電路處理后即可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)物鏡的位置,使聚焦面與網(wǎng)格板的平面重合。

2.3 透鏡分離相位檢測(cè)原理[5]

透鏡分離檢測(cè)裝置由一組分離鏡片和一組或多組由感光元件組成的測(cè)距組件或稱AF傳感器構(gòu)成。下面以CCD感光元件的測(cè)距組件來(lái)說(shuō)明相位檢測(cè)法的工作原理。分離鏡片的作用是將通過(guò)攝影鏡頭的光線分裂成兩束并調(diào)焦,分別投影到測(cè)距組件上。當(dāng)調(diào)焦準(zhǔn)確時(shí),經(jīng)過(guò)分離鏡片生成的兩束光線投影在CCD陣列上的距離是一定的,從而CCD記住這是一個(gè)陣列上被光束照射所產(chǎn)生的電荷的那一對(duì)CCD元件的位置也是固定不變的。這對(duì)CCD元件之間的距離在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)整定好了,作為焦點(diǎn)檢測(cè)的基準(zhǔn)。

調(diào)焦準(zhǔn)確時(shí)見(jiàn)圖3a,用AB來(lái)表示作為基準(zhǔn)的一對(duì)CCD元件之間的距離。當(dāng)調(diào)焦不準(zhǔn)時(shí),有兩種可能性:一種是鏡頭焦點(diǎn)在被攝體之前,見(jiàn)圖3a,此時(shí)受光的兩只CCD元件之間的距離短于AB;另一種情況是鏡頭焦點(diǎn)在被攝體之后,見(jiàn)圖3c,此時(shí)受光的兩只CCD元件之間的距離長(zhǎng)于AB,根據(jù)受光的一對(duì)CCD元件之間的距離,就能鑒別出焦點(diǎn)是否準(zhǔn)確。兩只CCD元件所產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路,再送入系統(tǒng)的CPU中央處理單元,CPU按照設(shè)定的程序及根據(jù)這對(duì)CCD元件的距離與AB的差值,可計(jì)算出散焦量[6]即實(shí)際焦點(diǎn)與準(zhǔn)確焦點(diǎn)之差以及散焦方向。

3 基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦[7]

隨著計(jì)算機(jī)硬件和數(shù)字圖像技術(shù)的飛速發(fā)展,圖像的實(shí)時(shí)處理已成為可能。計(jì)算機(jī)通過(guò)鏡頭和CCD采集到一系列的數(shù)字圖像,對(duì)每一幀圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,判斷對(duì)焦是否準(zhǔn)確,成像是否清晰,并給出反饋信號(hào)控制鏡頭的運(yùn)行,直到采集到的圖像符合使用要求,即完成自動(dòng)調(diào)焦。

基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦具有以下兩大優(yōu)點(diǎn):**,調(diào)焦更加智能化,聚焦判據(jù)更加靈活和多樣?；谀M圖像的聚焦檢測(cè)方法只利用被測(cè)物和背景之間的對(duì)比度(輪廓邊緣的梯度)作為判斷是否成像清晰的判據(jù)。而通過(guò)數(shù)字圖像處理,不僅可以利用梯度信息,還可以提取圖像中各種其它的有效信息進(jìn)行判斷,例如頻率、相位等。對(duì)于具高頻信息的圖像,一般而言,對(duì)焦越準(zhǔn)確,圖像信號(hào)的頻率越高,邊緣越尖銳;離焦時(shí)則頻率降低,邊緣相對(duì)平滑。此外,由于計(jì)算機(jī)處理圖像的靈活性,可以針對(duì)不同的使用要求,選擇不同的判據(jù)進(jìn)行調(diào)焦。例如,有時(shí)候所需的目標(biāo)只是圖像中的某一個(gè)局部,而不是整幅圖像的清晰程度。

這時(shí)應(yīng)該針對(duì)圖像中這一局部進(jìn)行處理和提取判據(jù),用該局部的對(duì)比度(邊緣梯度)作為調(diào)焦的依據(jù)。**,利用計(jì)算機(jī)可以很方便地對(duì)運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,從而避開(kāi)復(fù)雜的調(diào)焦電路和機(jī)構(gòu)。計(jì)算機(jī)接口和總線技術(shù)已經(jīng)非常成熟,通過(guò)軟件給出控制信號(hào),直接控制電機(jī)動(dòng)物鏡的運(yùn)行,不僅靈活方便,響應(yīng)速度符合調(diào)焦要求,還能大大簡(jiǎn)化電路和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。采用圖像處理法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就在于圖像清晰度[8]評(píng)價(jià)函數(shù)的選取。對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)可以根據(jù)圖像給出數(shù)值描述光學(xué)系統(tǒng)的聚焦程度,它的基本要**[9]:1)評(píng)價(jià)函數(shù)必須有效,才能迅速完成自動(dòng)對(duì)焦。自動(dòng)對(duì)焦應(yīng)比手工操作花費(fèi)時(shí)間更少;2)評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)具有這樣的性質(zhì):在某一點(diǎn)上具有峰值且對(duì)應(yīng)于*佳對(duì)焦參數(shù),并當(dāng)物體離開(kāi)*佳點(diǎn)時(shí)單調(diào)遞減。如果有這樣的特性,則能采用一種非常有效的搜索方法;3)在存在噪聲的情況下,評(píng)價(jià)函數(shù)魯棒性要好。

對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)主要有以下3類:

1)頻譜函數(shù)[10]。其理論依據(jù)是:清晰的圖像比模糊的圖像包含更多的信息,人們能更好地分辨其中的細(xì)節(jié)(細(xì)節(jié)意味著圖像有清晰可辨的邊緣,在局部有很強(qiáng)的灰級(jí)變化,灰級(jí)的躍變更加劇烈);2)熵函數(shù)。對(duì)焦良好的圖像的熵大于沒(méi)有清晰對(duì)焦的圖像,因此可以用熵函數(shù)作為一種對(duì)焦評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。即熵越大,圖像越清晰;3)梯度函數(shù)。在圖像處理中,梯度函數(shù)常被用來(lái)提取邊緣信息。對(duì)焦良好的圖像,有更尖銳的邊緣圖像,應(yīng)有更大的梯度函數(shù)值。常用的梯度函數(shù)有方差算子、能量梯度算子、拉普拉斯算子等。實(shí)際的光學(xué)系統(tǒng)中選擇哪種方法,需要進(jìn)行有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)。

4 總結(jié)

各種自動(dòng)對(duì)焦方式各有其局限性。例如紅外測(cè)距和超聲測(cè)距的對(duì)焦方法,當(dāng)被測(cè)目標(biāo)對(duì)紅外光或超聲波有較強(qiáng)的吸收作用時(shí),將使測(cè)距系統(tǒng)失靈或?qū)共粶?zhǔn)確。對(duì)比度法受光照條件的制約,當(dāng)環(huán)境照度較低時(shí),或被攝主體反差較小即景物明暗對(duì)比較弱時(shí),測(cè)距精度明顯降低,甚至失靈。對(duì)光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),當(dāng)光圈數(shù)為*小數(shù)時(shí),光孔*大,光通量也*大;隨著光圈數(shù)的加大,光孔變小,光通量也隨之減少。由于光電元件允許照度范圍有限,所以其對(duì)焦情況受*大光圈數(shù)的限制,以單反相機(jī)為例[11],一般情況下光圈數(shù)大于F8時(shí)自動(dòng)對(duì)焦困難,自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)所能達(dá)到的精度根據(jù)系統(tǒng)所選器件參數(shù)以及制造技術(shù)的不同而有所不同,當(dāng)自動(dòng)對(duì)焦允許照度范圍為EV-1~EV+3時(shí),基本上能達(dá)到的精度為±0.03~±0.1 mm。

基于圖像處理的聚焦檢測(cè)方法由于圖像處理需要占用大量的計(jì)算機(jī)資源,這種自動(dòng)調(diào)焦方法對(duì)計(jì)算機(jī)硬件提出了較高的要求。此外,由于此方法利用被測(cè)物和背景之間的對(duì)比度(輪廓邊緣的梯度)作為判斷是否成像清晰的判據(jù),與前面所介紹的對(duì)比度法一樣,也受到光照條件的限制?；跀?shù)字圖像處理的算法針對(duì)不同性質(zhì)的圖像有著不同的表現(xiàn),綜合不同文獻(xiàn)中的結(jié)論,下列方法得到了普遍的肯定:平方梯度、TenenGrad(梯度)、Laplace和Sobel方差、基于自相關(guān)的函數(shù)、傅里葉變換、小波變換等。