专利名称：半通过镜头无反光镜相位比较对焦数码相机系统的制作方法
技术领域：
本发明属于摄影技术中的照相机系统领域。具体涉及如何改进相机对焦技术以研制紧凑的高性能数码相机。
背景技术：
多数实用相机都必须具有根据所拍摄物体的距离调整对焦(调整镜头和拍摄平 面之间的距离以使被摄物体在拍摄平面上清晰成像)的功能。相机对焦时利用的物理可测 量参数一般有两种图像对比度和成像相位。利用图像对比度对焦的原理是根据成像清晰 时一般图像的对比度将达到最大值的特点来进行的。成像相位是指被摄物体在成像平面上 的相对位置。同一个物体在两个相隔一定横向距离(测距基线)的透镜系统里的成像相位 是不同的，比较这两个成像相位便可直接得到被摄物体的距离信息以完成对焦。这种方法 和双眼立体视觉的物理基础是相同的。大多数数码相机是先通过镜头(即TTL，Through The Lens)用图像传感器进行取 景、曝光参数测量、对焦等操作，完成后用同一图像传感器进行拍摄。具有硬件结构简单、对 焦可靠的优点。其缺点是只能实施图像对比度对焦。在对焦过程中需多次调焦以搜索最大 对比度，因此速度较慢。单镜头反光是一种重要的相机系统结构。这种结构在拍摄之前利用反光镜、光学 取景器和单独的光传感器进行TTL取景、曝光参数测量、对焦等操作，拍摄时反光镜翻转移 出光路以使所有通过镜头的光量射至胶片或主光传感器上进行拍摄。TTL结构非常适用于 可交换镜头相机，无论用什么焦距的镜头都会在光学取景器里如实显示将要拍摄的画面。 光学取景器还具有快速和分辨率高的优点。更突出的是拍摄前镜头和光学取景器里的裂像 棱镜或对焦传感模块构成等效于相距适当测距基线的两个相似的透镜系统，因此可以实施 人工的或电子的TTL相位比较对焦。由于相位比较对焦中距离信息是直接得到的，因此单 镜头反光自动对焦相机对焦速度较快。这些特点使得单镜头反光结构被多数高性能胶片和 数码相机系统采用。TTL相位比较对焦的一个特点是其等效测距基线当测距使用的光圈一定时是随着 相机镜头的焦距增加而延长的。当相机使用长焦距镜头时其等效测距基线也长，从而能自 适应地满足长焦距镜头所需的较高测距精度。单镜头反光结构也有其自身的弱点。拍摄时的反光镜翻转动作会产生较大的震 动和声响，影响拍摄清晰度和在某些安静场合的使用。更重要的是由于必须在镜头后留出 放置和翻转反光镜的空间，不但增加相机体积，还使得成像平面必须远离镜头后缘，对镜头 (特别是广角镜头)的设计产生了限制。在自动对焦胶片相机上使用过一种由两套简单辅助透镜系统和光探测器组成的 不通过镜头的相位比较对焦系统。但这种系统不能和TTL结构有机地结合起来，因此只能 进行较简单的自动对焦操作，没有用于数码相机。当前相机业已开始根据数码相机的特点对单镜头反光结构的弱点加以改进。奥林巴斯和松下公司发布了无反光镜的微型4/3可交换镜头相机系统(Micro Four Thirds)标 准，松下公司又发布了符合这个标准的DMC-Gl数码相机。微型4/3系统利用电子取景器替 代光学取景器来取消反光镜，得以将镜像距离缩短了近50%，因此可以设计体积更小的镜 头和相机。由于电子取景器技术的进步，其性能将逐步接近光学取景器。但现在还没有出 现成熟的通过镜头无反光镜相位比较对焦技术，松下公司DMC-Gl数码相机采用的是图像 对比度对焦技术。但物理结构上的限制使得图像对比度对焦速度不能直接满足许多要求较 高的应用，如不能解决必将使这类无反光镜相机系统的发展受到严重限制。本专利要阐述的就是能实现取消镜头反光镜后也能做相位比较对焦的数码相机 系统结构。采用这种结构将可制造体积小、性能高、功能强大的新颖数码相机。
发明内容
本发明的技术关键是用辅助镜头和图形传感器系统同相机的主镜头和主图型传 感器一起构成相位比较对焦系统。这一发明从技术上来说非常直接。如果在相机的主镜头旁再加一套有辅助镜头和 图像传感器组成的辅助对焦模块，比较这两个光学系统的成像相位便可直接得到被摄物体 距离信息并完成测距。如果用于可换镜头相机，可以使用具有合适的焦距变化范围的辅助镜头以覆盖常 用可替换镜头的焦距范围。现代数码相机的镜头和图像传感器技术已发展到可以很低的成 本在很小的体积里安置高性能的变焦镜头和千万像素级的图像传感器。使用潜望镜式变焦 镜头的卡片数码相机已大量在市场上出现。在高性能大画幅的数码相机上配置一个乃至多 个这样的辅助对焦模块已不成问题。为现代数码相机系统所研发的微型高速计算机系统也 为实现这一结构提供了必要的处理能力。和单镜头反光相机系统的完全TTL相位比较对焦和旁轴相机系统(如莱卡M系列 相机)的完全非TTL相位比较对焦不同，本发明的结构即使用了通过主镜头的图像信息又 使用了通过另加辅助镜头的图像信息，因此可被称作半通过镜头相位比较对焦结构。附图是一个最基本的使用本发明的相机系统，由主镜头⑴和主图像传感器⑵、 一套由和主镜头相距一个测距基线(B)的辅助镜头(3)和辅助图像传感器(4)组成的辅助 对焦模块、计算机处理控制单元(5)和电子取景器(6)组成。主图像传感器的探测信号除 了可用于拍摄外还可用于取景、曝光参数测量和对焦控制。由于通常不用在全画幅的范围 内都提供对焦点，辅助镜头的焦距不必设置得完全和主镜头一样。通过用主镜头和主图像传感器进行取景、曝光参数检测和同辅助镜头和辅助图像 传感器一起进行相位比较对焦，本发明在不使用反光镜的前提下将TTL结构和相位比较对 焦技术有机地结合起来。不但避免了反光镜单元引起的较大的震动、响声和体积等等缺陷， 同时可以具有传统自动对焦单镜头反光相机的对焦速度，并且对焦点位置和数量的选择上 拥有更多的灵活性。在对焦精度和弱光对焦灵敏度方面和单镜头反光相机相比也有可能得到改善。所 有通过主镜头和辅助镜头的光量都能被用于测距，而且主图像传感器和辅助图像传感器的 像素数量都可以远远高于单镜头反光相机对焦模块里使用的传感器。除此之外许多新颖的数字技术也可以得到应用。
一个可能的应用是面部识别技术将可以很容易地和相位比较对焦联合使用。另一个可能是将图像对比度对焦和相位比较对焦结合。在对速度要求不高时这样做可以提高对焦的可靠性。还可以用图像对比度对焦来辅助相位比较对焦进行自动或人工 的定标操作，以提高单独使用相位比较对焦时的精度和可靠性。由于电子取景器的使用，对焦信息的显示也可以更加灵活。不仅可以精确显示对 焦区域和所选对焦点，还可以在主图型传感器的画面上叠加辅助图形传感器的部分画面以 得到类似于旁轴取景相机或棱镜裂像式取景器的显示效果，这样还可以提供极具吸引力和 高效率的手动对焦模式。本专利还可促进摄像技术的发展。现代数码相机已可提供有实用价值的视频拍摄 能力。佳能公司的EOS 5DII相机甚至可以提供全高清摄像功能。如应用本专利则可在摄 像模式下提供更强的自动对焦能力，加速摄像和摄影技术的融合。由于是半TTL的相位比较对焦，会失去某些全TTL系统的优点，但也会带来一些其 他的优点。而由于本专利结构能充分利用数字处理技术的强大重新配置能力，许多全新的 实用功能可以得到实施。除非通过镜头电子接口提供，全TTL系统不能单从对焦传感器的探测信号里得到 镜头焦距的信息。当主镜头使用前置附加光学系统时全TTL系统往往因为没有镜头实际焦 距值而影响对焦性能。而这种半TTL系统侧可以通过对主图像传感器和辅助图像传感器的 探测信号进行分析来得到主镜头的实际焦距值。这种信息可以被用来改进对焦算法的性 能。当使用体积比较大的大口径或长焦镜头时，和全TTL系统不同，镜头有可能阻挡 辅助对焦镜头的视角。缓解这一限制的方法之一是使用可弹出的辅助对焦模块以避免被大 镜头挡住，同时由于测距基线长度的增加测距精度也可得到提高。如果使用一个辅助对焦模块，则将只有一条测距基线，成像相位比较将只对和这 条测距基线垂直的条纹敏感。如要对所有方向的条纹都敏感，可在一些高档相机系统里采 用两个辅助传感模块。另一个可能的方案是将另一个辅助对焦模块设计到相机的一个附加 手柄上，需要时加上手柄便可提高测距性能。半TTL系统的等效测距基线的长度不会像全TTL系统那样随着镜头焦距增加而增 力口。但通常半TTL系统的等效测距基线的长度可以被设计得大于多数镜头的最大口径以保 证对焦精度。也可设计附加在长焦距镜头上的具有较长测距基线和较高性能辅助对焦镜头 的专用对焦模块以提高长焦距镜头的对焦精度。由于电子取景器和光学取景器的差别、全TTL相位比较对焦系统所具有的对长焦 镜头的自适应、社会拥有量大等等因素，单镜头反光结构相机将会仍然被使用很长时期。使 用本发明的新颖相机可以巧妙利用这个现象来逐步扩大自己的应用范围。一个可能的途径是使新相机系统和现有单镜头反光结构相机的镜头群兼容。较好 的做法是定义较短的镜头后缘到主图像传感器的距离和较小的卡口直径以充分发挥无反 光镜结构的优势，同时保持一定的兼容性使得原规格镜头可以通过一个附加接圈简便地接 入新系统使用。这样新系统开始使用时便可得到现有镜头群资源的支持，生产厂家也保留 了研发充分发挥无反光镜结构优势的新型镜头的选择。这样生产厂家和消费者都将通过选 择范围的扩大得到好处，将很有利于新系统的普及发展。
综合而言，使用本专利发明的半通过镜头无反光镜相位比较对焦结构可以充分利用当前飞速发展的数字和电子技术来设计小巧轻便和对焦性能好的的数码相机。
基本系统。
权利要求
一种可以以数字方式记录光学影像的数码照相机系统其中包含具有较高性能的主镜头和主图像传感器；一套或一套以上的和主透镜系统相距一定测距基线距离的由较小口径的辅助镜头和辅助图像传感器组成的辅助对焦模块；信号处理和控制用微型计算机系统；以及显示取景用图像和控制信息的电子取景器；其特征是主镜头和主图像传感器之间在取景和拍摄参数测量阶段不需使用反光镜而且主图像传感器的输出信号在能被用于通过镜头方式的取景、拍摄参数测量以及最后图像曝光的同时又和辅助镜头和辅助图像传感器一起提供传感信息以使相机可以实施相位比较测距对焦。
2.如权利要求1的数码照相机系统，其特征是由主镜头(1)和主图像传感器(2)、一套由与主镜头相距一个测距基线(B)的辅助镜 头(3)和辅助图像传感器(4)组成的辅助对焦模块、计算机处理控制单元(5)和电子取景 器(6)组成的基本系统。
3.如权力要求1的数码照相机系统，其特征是联合使用面部识别技术和相位比较对焦技术。
4.如权力要求1的数码照相机系统，其特征是联合使用图像对比度对焦和相位比较对焦以同时提高对焦的速度和可靠性以及用图 像对比度对焦对相位比较对焦系统辅助进行自动或人工的定标。
5.如权利要求1的数码照相机系统，其特征是在电子取景器显示的主图型传感器画面上叠加辅助图形传感器的部分画面来得到类 似于旁轴取景相机或棱镜裂像式取景器的显示效果以提供高效自动或手动对焦信息显示。
6.如权利要求1的数码照相机系统，其特征是采用具有非平行测距基线的两套辅助对焦模块以对所有方向的图像条纹都可实施成 像相位比较。
7.如权利要求1的数码照相机系统，其特征是使用可弹出或安装在附加手柄或镜头上的辅助对焦模块以避免视角被体积较大的镜 头遮挡、增加测距基线长度以提高测距精度、实施多方向的图像条纹成像相位比较和能采 用较大口径和较长焦距的辅助镜头以提高长焦镜头的对焦精度。
8.如权利要求1的数码照相机系统，其特征是可在摄像模式下提供实施相位比较测距对焦。
9.如权利要求1的数码照相机系统，其特征是设计和现有单镜头反光结构照相机的镜头群兼容的镜头接口以使新型照相机在最初 发展阶段能得到现有镜头群资源的支持。
10.如权利要求9的数码照相机系统，其特征是定义较短的镜头后缘到主图像传感器的距离和较小的卡口直径以在利用新设计的专 用镜头来充分发挥无反光镜结构优势的同时可以通过一个附加接圈将现有规格的单镜头 反光结构照相机镜头简便地接入新系统使用。
全文摘要
通过用主镜头和主图像传感器进行取景、曝光参数检测和同辅助镜头和辅助图像传感器一起进行相位比较对焦，本发明在不使用反光镜的前提下将TTL结构和相位比较对焦技术在数码相机系统里有机地结合起来。不但避免了反光镜单元引起的较大的震动、响声和体积等等缺陷，同时可以具有传统自动对焦单镜头反光相机的对焦速度和提供多种新型对焦功能。
文档编号G02B7/28GK101813867SQ20091000935
公开日2010年8月25日 申请日期2009年2月20日 优先权日2009年2月20日
发明者张小频 申请人:张小频