一种自动对焦的方法及系统与流程

本发明涉及相机对焦技术领域，更具体地说涉及一种自动对焦的方法及系统。

背景技术：

现有的相机自动对焦方法主要有三种：第一种是相位对焦，通过检测场景中物体的光量信息，比较离焦和对焦情况下传感器输出波形的位置，从而实现自动对焦。相关专利有cn103852955a、cn105549301a。该方法对环境的光线要求较高，在弱光环境下对焦效果会大打折扣。第二种是反差对焦，反差对焦是基于图像处理的方法。通过镜片组在一维方向上的移动，像素传感器可以对整个场景纵向方向进行全面探测。通过对每一图像的对比度进行比较，找出反差最大的位置，即可找出焦点的位置。反差对焦的工作方式需要相机镜片组前后移动一次并记录所有图像信息才能完成一次对焦，所以耗费的时间长，不能快速对焦。第三种是激光对焦，相关专利有cn106054495a，该方法对焦速度慢，对焦步骤繁琐，同样无法实现快速自动对焦。

专利cn106054495a提出了一种对焦方法、装置，通过判断对焦目标是否位于激光当前的检测模块来决定激光是否需要转动和移动。虽然该方法能进行自动对焦，但其对焦过程繁琐，控制系统复杂，无法实现快速对焦。

专利cn103852955a发明了一种实现相位对焦的装置。该装置包括透镜组、图像传感器、图像处理单元和遮挡装置。光前向传播时，部分光被遮挡装置遮挡，一部分被图像传感器所接收，经处理单元处理后得到图像与对焦图像的相对位置，从而确定透镜组的移动方向，控制对焦装置完成自动对焦。该装置能实现自动对焦，但其受环境因素影响较大，一旦外界环境光线不足时，图像传感器接收到的信号较弱，对焦效果将受到影响。

专利cn105549301a公开了一种用于成像装置对焦的控制方法。该方法是根据相位侦测像素输出左右波形相位差对应的时间，控制对焦电机驱动对焦镜头运行相应的时间，重复前述步骤直到相机对焦完成。该方法有一定的可行性，但对焦时间过长，同样无法快速完成对焦工作。

以上方法都不能解决的重要问题是：相机对焦所需时间长、对环境因素有特定要求、对焦精度、对焦速度不能满足各种场合越来越高的拍摄需求。因此，现有技术存在明显不足，紧需改进。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种不受拍摄环境光线影响的，快速精准的自动对焦系统。

本发明解决其技术问题的解决方案是：

一种自动对焦的系统，包括低相干光源、光纤耦合器、参考臂光路系统、样品臂光路系统、电脑处理终端和光电探测器，所述参考臂光路系统包括第一准直镜和反射镜，所述第一准直镜和反射镜通过光线连接，所述样品臂光路系统包括相机、第二准直镜、半反半透镜和平场聚焦镜，所述第二准直镜通过半反半透镜的反射面与平场聚焦镜光线连接，所述半反半透镜以45°的入射角反射第二准直镜的出射光，并将其反射至平场聚焦镜中，所述相机用于接收所述半反半透镜的透射光，所述光纤耦合器分别与低相干光源、第一准直镜、第二准直镜、光电探测器通过光纤连接，所述光电探测器与电脑处理终端相连接；

低相干光源发出的光束进入光纤耦合器，光束按照10:90的分光比分成第一光束和第二光束，所述第一光束进入第一准直镜，所述第二光束进入第二准直镜；

所述光电探测器用于捕捉产生在光纤耦合器中干涉信号峰，并将其转换为电信号传递给电脑处理终端；

所述电脑处理终端根据迈克尔逊干涉仪干涉原理将所述电信号进行处理，根据处理结果调整所述相机的焦距。

进一步，所述光电探测器与电脑处理终端之间设有采集卡，所述采集卡用于将光电探测器输出的电信号转化为数字信号，并将所述数字信号传输给电脑处理终端。

进一步，所述采集卡的型号为ni-pci5122。

一种自动对焦的方法，包括以下步骤：

初始化自动对焦系统，将样品放置在平场聚焦镜的物方；

低相干光源发出的光束经光纤耦合器按10：90的分光比分成第一光束和第二光束；

所述第一光束经过第一准直镜准直平行后，射向反射镜，反射镜线性移动使得第一光束的传播光程线性改变，所述第一光束经反射镜反射后带有光程参照信息原路返回光纤耦合器；

所述第二光束经过第二准直镜准直平行后，射向半反半透镜，所述半反半透镜将第二光束反射到平场聚焦镜上进行聚焦，聚焦后的第二光束与样品接触并在样品表面发生反射，反射光的一部分沿原路返回光纤耦合器，反射光的另一部分进入到相机的ccd感光器件；

返回光纤耦合器的第一光束和第二光束发生干涉，产生干涉信号峰；

所述光电探测器捕捉干涉信号峰，并将其转换为电信号传递给电脑处理终端；

所述电脑处理终端根据迈克尔逊干涉仪干涉原理将所述电信号进行处理，得到样品与平场聚焦镜的距离；

根据所述样品与平场聚焦镜的距离调整相机镜头的焦距，使得像面与所述ccd感光器件的位置重合。

进一步，所述第一光束的传播光程线性改变的方法包括：线性改变反射镜与第一准直镜之间的距离。

本发明的有益效果是：本发明基于迈克尔逊干涉仪原理设计了一种快速、精准的自动对焦的方法及系统，其对焦空间分辨率可达到微米级，使用直线运动的参考臂光路系统，能实现快速且连续的线阵光程扫描，同时受外界环境影响极小，可在各种明暗光线环境下正常使用，实用性较强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明工作流程图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

实施例1，参照图1，一种自动对焦的系统，包括低相干光源1、光纤耦合器2、参考臂光路系统3、样品臂光路系统7、电脑处理终端12和光电探测器13，所述参考臂光路系统3包括第一准直镜4和反射镜5，所述第一准直镜4和反射镜5通过光线连接，所述样品臂光路系统7包括相机11、第二准直镜8、半反半透镜9和平场聚焦镜10，所述第二准直镜8通过半反半透镜9的反射面与平场聚焦镜10光线连接，所述半反半透镜9以45°的入射角反射第二准直镜8的出射光，并将其反射至平场聚焦镜10中，所述相机11用于接收所述半反半透镜9的透射光，所述光纤耦合器2分别与低相干光源1、第一准直镜4、第二准直镜8、光电探测器13通过光纤连接，所述光电探测器13与电脑处理终端12相连接；

低相干光源1发出的光束进入光纤耦合器2，光束按照10:90的分光比分成第一光束和第二光束，所述第一光束进入第一准直镜4，所述第二光束进入第二准直镜8；

所述光电探测器13用于捕捉产生在光纤耦合器2中干涉信号峰，并将其转换为电信号传递给电脑处理终端12；

所述电脑处理终端12根据迈克尔逊干涉仪干涉原理将所述电信号进行处理，根据处理结果调整所述相机11的焦距。

作为优化，所述光电探测器13与电脑处理终端12之间设有采集卡，所述采集卡用于将光电探测器13输出的电信号转化为数字信号，并将所述数字信号传输给电脑处理终端12。

作为优化，所述采集卡的型号为ni-pci5122。

本发明基于迈克尔逊干涉仪原理：

设两束同频率光波的电场强度分别为：

y1＝a1sin(ωt+φ1)

y2＝a2sin(ωt+φ2)

其中a1、a2为振幅，φ1、φ2为相位。

两束光叠加后的光强为：

其中i1、i2为两束光的光强，即为干涉项。当两束光相位相同，即相位差δφ＝φ2-φ1＝0时干涉强度最大。

由于本发明探测光源为低相干光源1，来自参考臂光路系统3、样品臂光路系统7的两束光在光纤耦合器2中发生干涉，则干涉后的光强为：

其中，а0为直流项，ki为光源的不同波长对应的波矢，△zj为样品臂光路系统7的不同深度反射回的光与参考臂光路系统3反射回的光的光程差，аij为ki、△zj对应的光强幅值。由此可见，只有在光程差为零处才有干涉信号峰产生，然后信号强度向正负两边迅速衰减。

本发明工作过程：

将样品14放置在平场聚焦镜10的物方，低相干光源1发出激光进入光纤耦合器2，光束按照10:90的分光比分成第一光束和第二光束，第一光束经过第一准直镜4准直平行后射向反射镜5，反射镜5在电机6的作用下沿光束入射的方向做快速连续的直线运动，光束射向反射镜5时，传播的光程线性改变，且发生反射，该光束带着光程参考信息反射回光纤耦合器2。第二光束经过第二准直镜8准直平行后，被半反半透镜9反射到平场聚焦镜10上进行聚焦，聚焦后的光束与样品14表面发生反射，该带着样品14位置信息的第二光束一部分沿原路返回光线耦合器中，一部分进入相机11的ccd感光器件。

当带着光程参考信息的第一光束的光程与带着样品14位置信息的第二光束的光程相等时，生成干涉信号，光纤耦合器2将该干涉信号发送给光电探测器13，光电探测器13接将该干涉光信号增益放大转化为相应的电信号通过采集卡传输给电脑处理终端12，电脑处理终端12采用软件labview对电信号进行处理和计算，得到样品14在空间中的位置信息，得到像面位置相对ccd感光器件位置的方向和距离，根据得到的方位和距离调整相机11的镜头焦距，使像面与ccd感光器件的位置重合，完成自动对焦动作，相机11对样品14进行拍摄，若需要拍摄下一个样品14，则需要将样品14放置在平场聚焦镜10的物方，重复上述对焦动作。若拍摄完成，则电脑处理终端12保存数据并关闭系统，结束对焦动作。

本发明基于迈克尔逊干涉仪原理设计了一种快速、精准的自动对焦的方法及系统，其对焦空间分辨率可达到微米级，使用直线运动的参考臂光路系统3，能实现快速且连续的线阵光程扫描，同时受外界环境影响极小，可在各种明暗光线环境下正常使用，实用性较强。

参考图2，一种自动对焦的方法，包括以下步骤：

初始化自动对焦系统，将样品14放置在平场聚焦镜10的物方；

低相干光源1发出的光束经光纤耦合器2按10：90的分光比分成第一光束和第二光束；

所述第一光束经过第一准直镜4准直平行后，射向反射镜5，反射镜5线性移动使得第一光束的传播光程线性改变，所述第一光束经反射镜5反射后带有光程参照信息原路返回光纤耦合器2；

所述第二光束经过第二准直镜8准直平行后，射向半反半透镜9，所述半反半透镜9将第二光束反射到平场聚焦镜10上进行聚焦，聚焦后的第二光束与样品14接触并在样品14表面发生反射，反射光的一部分沿原路返回光纤耦合器2，反射光的另一部分进入到相机11的ccd感光器件；

返回光纤耦合器2的第一光束和第二光束发生干涉，产生干涉信号峰；

所述光电探测器13捕捉干涉信号峰，并将其转换为电信号传递给电脑处理终端12；

所述电脑处理终端12根据迈克尔逊干涉仪干涉原理将所述电信号进行处理，得到样品14与平场聚焦镜10的距离；

根据所述样品14与平场聚焦镜10的距离调整相机11镜头的焦距，使得像面与所述ccd感光器件的位置重合。

作为优化，所述第一光束的传播光程线性改变的方法包括：线性改变反射镜5与第一准直镜4之间的距离。

反射镜5沿着第一光束入射的方向做线性连续直线运动，第一光束射向运动中的反射镜5，传播的光程线性改变。反射镜5的线性直线运动比较平稳，有利于保障光程扫描的稳定性。

本发明方法可在拍摄样品14时自动对焦，且对焦过程中的探测激光不会对拍摄质量造成影响，通过利用干涉信号提取样品14位置信息，实现实时、快速对焦，空间分辨率达到微米级。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。