TWI588585B - 影像擷取裝置及對焦方法 - Google Patents

Description

影像擷取裝置及對焦方法

本發明是有關於一種影像擷取裝置及對焦方法，特別是指一種快速對焦的影像擷取裝置及對焦方法。

習知的一種對焦方法，適用於一行動裝置如手機或平板中的影像擷取裝置，該影像擷取裝置包含一影像感測器、一鏡頭模組、一對焦驅動器、及一處理模組。該對焦方法採用對比式偵測(Contrast Detection)的技術，其中，該處理模組先根據該影像感測器感測一物體之影像所產生的一影像資料，獲得一對應該影像資料的對比度，然後該對焦驅動器藉由驅動該鏡頭模組移動來控制該鏡頭模組與該影像感測器之間的距離，以獲得具有一相對最大對比度的影像資料。依照該習知的對焦方法，若該物體與該鏡頭模組之間的距離很短時，如小於30公分，為了獲得具有一相對最大對比度的影像資料，受控於該對焦驅動器的該鏡頭模組需要被反覆移動，因而導致對焦所需時間較長，且耗電較大。

因此，本發明之目的，即在提供一種快速對焦 的影像擷取裝置及對焦方法。

於是，根據本發明之一觀點，提供一種對焦方法，適用於一影像擷取裝置，該影像擷取裝置包含一影像感測器、一可相對該影像感測器移動的鏡頭模組、一用於驅動該鏡頭模組移動的對焦驅動器、及一電連接該影像感測器及該對焦驅動器的處理模組，該鏡頭模組包括一第一光圈及一不同於該第一光圈的第二光圈，該對焦方法包含以下步驟：(a)藉由該影像感測器，在該鏡頭模組位於一初始位置時，同時感測相關於一包含至少一物件之影像的一第一光譜能量及一第二光譜能量，以分別產生對應該第一光譜能量的一第一影像資料及對應該第二光譜能量的一第二影像資料，該第一影像資料及該第二影像資料分別相關於該第一光圈及該第二光圈，位於該初始位置之該鏡頭模組及該影像感測器之間的距離被定義為一初始像距；(b)藉由該處理模組，根據該第一影像資料及該第二影像資料，獲得相關於該物件且分別對應該第一影像資料與該第二影像資料的一第一模糊圈直徑與一第二模糊圈直徑，並計算出該第一模糊圈直徑與該第二模糊圈直徑的一差值；(c)藉由該處理模組，至少根據該初始像距、該差值、及一像距對模糊圈差值的查找表，產生一相關於一目標像距的控制信號；及(d)藉由該對焦驅動器，根據該控制信號驅動該鏡頭模組 移動，以便將該初始像距改變為該目標像距。

根據本發明之另一觀點，提供一種影像擷取裝置，包含一影像感測器、一可相對該影像感測器移動的鏡頭模組、一用於儲存一像距對模糊圈差值的查找表的儲存模組、一用於驅動該鏡頭模組移動的對焦驅動器、及一電連接該影像感測器、該對焦驅動器、與該儲存模組並控制該對焦驅動器的處理模組。該鏡頭模組包括共軸設置的一第一光圈及一不同於該第一光圈的第二光圈。

該影像感測器在該鏡頭模組位於一初始位置時，同時感測相關於一包含至少一物件之影像的一第一光譜能量及一第二光譜能量，以分別產生對應該第一光譜能量的一第一影像資料及對應該第二光譜能量的一第二影像資料。該第一影像資料及該第二影像資料分別相關於該第一光圈及該第二光圈。位於該初始位置之該鏡頭模組與該影像感測器之間的距離被定義為一初始像距。

該處理模組接收來自該影像感測器的該第一影像資料及該第二影像資料，並根據該第一影像資料及該第二影像資料，獲得相關於該物件且分別對應該第一影像資料與該第二影像資料的一第一模糊圈直徑與一第二模糊圈直徑，並計算出該第一模糊圈直徑與該第二模糊圈直徑的一差值。

該處理模組至少根據該初始像距、該差值、及儲存於該儲存模組的該查找表，產生一相關於一目標像距的控制信號，並將該控制信號輸出至該對焦驅動器，以使 得該對焦驅動器根據來自該處理模組的該控制信號驅動該鏡頭模組移動，以便將該初始像距改變為該目標像距。

本發明之功效是藉由該處理模組根據相關於不同光圈的二個影像資料，計算而得該第一模糊圈直徑及該第二模糊圈直徑的差值，再至少根據該初始像距、該差值、及該查找表，產生該相關於該目標像距的控制信號，以實現在該物件與該鏡頭模組之間的距離很短時能夠更快速地完成對焦。

11‧‧‧鏡頭模組

111‧‧‧第一光圈

112‧‧‧第二光圈

12‧‧‧影像感測器

13‧‧‧對焦驅動器

14‧‧‧儲存模組

15‧‧‧處理模組

S11~S14‧‧‧步驟

S131‧‧‧子步驟

S132‧‧‧子步驟

P1、P2‧‧‧位置

C1、C2‧‧‧模糊圈直徑

A‧‧‧光圈孔徑

f‧‧‧焦距

f1‧‧‧像距

X1、X2‧‧‧物距

G1~G3‧‧‧曲線

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一方塊圖，說明本發明影像擷取裝置之一實施例；圖2是一流程圖，說明本發明影像擷取裝置之該實施例所執行的一對焦方法的步驟；圖3是一示意圖，說明本發明該實施例之一模糊圈的定義；及圖4是一曲線圖，說明本發明該實施例之一物距與一模糊圈差值的關係。

參閱圖1，本發明影像擷取裝置之一實施例包含一影像感測器12、一可相對該影像感測器12移動的鏡頭模組11、一用於儲存一像距對模糊圈差值的查找表的儲存模組14、一用於驅動該鏡頭模組11移動的對焦驅動器 13、及一電連接該影像感測器12、該對焦驅動器13、與該儲存模組14並控制該對焦驅動器13的處理模組15。

該鏡頭模組11包括共軸設置的一第一光圈111及一不同於該第一光圈111的第二光圈112。特別值得一提的是：在本實施例中，該影像擷取裝置是應用於如手機或平板的行動裝置，因此，該鏡頭模組11的該第一光圈111及該第二光圈112分別為不可調整的二個預定參數，且該對焦驅動器13為常用於手機之相機單元的一音圈馬達(Voice Coil Motor；VCM)模組。該音圈馬達模組藉由改變一驅動電流的大小而驅動鏡頭移動以改變鏡頭與影像感測器12之間的像距。而在其他實施例中，該影像擷取裝置也可以應用於如相機或攝影機的其他設備，則該第一光圈111及該第二光圈112分別都為可調整的參數。

參閱圖1與圖2，圖2是一流程圖，說明該影像擷取裝置的該實施例如何執行一對焦方法。

於步驟S11，該影像感測器12在該鏡頭模組11位於一初始位置時，同時感測相關於一包含至少一被攝物件之影像的一第一光譜能量及一第二光譜能量，以分別產生對應該第一光譜能量的一第一影像資料及對應該第二光譜能量的一第二影像資料。該第一影像資料及該第二影像資料分別相關於該第一光圈111及該第二光圈112。位於該初始位置之該鏡頭模組11與該影像感測器12之間的距離被定義為一初始像距。

在本實施例中，該鏡頭模組11的該第一光圈 111的孔徑大於該第二光圈112的孔徑。該第一光譜能量對應於一可見光譜能量，該第二光譜能量對應於一紅外光譜能量。

再參閱圖1，來自該被攝物件的光線先經過該第一光圈111，再經過該第二光圈112，而至該影像感測器12。其中，該第一光圈111的材質能阻擋可見光譜能量及紅外光譜能量，允許經由該較大孔徑的該光線的可見光譜能量及紅外光譜能量通過。該第二光圈112的材質能阻擋紅外光譜能量但不能阻擋可見光譜能量，允許經由該較小孔徑的該光線的紅外光譜能量通過，而經過該第一光圈111後的該光線的可見光譜能量則能通過該第二光圈112。

參閱圖1與圖2，於步驟S12，該處理模組15根據該第一影像資料及該第二影像資料，獲得相關於該物件且分別對應該第一影像資料與該第二影像資料的一第一模糊圈直徑與一第二模糊圈直徑，並計算出該第一模糊圈直徑與該第二模糊圈直徑的一差值。

再參閱圖3，圖3是一示意圖並藉由一點光源所發出的光線在經過一透鏡後，在一成像平面上的影像，以說明一模糊圈的定義。當該點光源在位置P1而能在該成像平面上清楚成像時，即能形成一個點時，該點光源與該透鏡之間的距離為物距X1，像距為f1，此時，其模糊圈直徑幾乎為零，也就是說該物距X1為一準焦物距。當該點光源在位置P2而在該成像平面上形成一散開的圓形時，該點光源與該透鏡之間的距離為物距X2，此時，其模糊圈直徑 為C2。

利用已知的公式，可以知道該透鏡的焦距f、該透鏡的光圈直徑(Aperture Diameter)A、該透鏡的光圈數(焦距比數；f-number)N、該物距X1、該物距X2、及該模糊圈直徑C2之間的關係為： ，其中，由上述公式可以得知，在本實施例中，該鏡頭模組11的焦距及像距為已知的情況下，該第一光圈111及該第二光圈112的孔徑不同，也就是光圈數不同，該處理模組15計算出的模糊圈直徑只有在已經對焦清楚且正確，即該被攝物件的影像清晰不模糊的情況下，模糊圈直徑才會為零。

再參閱圖4，圖4是一曲線圖，說明當該鏡頭模組11與該影像感測器12之間的距離，即像距保持不變時，一點光源與該鏡頭模組11之間的物距與該第一模糊圈直徑及該第二模糊圈直徑之該差值的關係。其中，橫軸是物距，單位是米(m)，縱軸的單位是毫米(mm)，該鏡頭模組11的焦距f是3.69毫米，該第一光圈111的光圈數是2，該第二光圈112的光圈數是16，曲線A及B是分別在光圈數為16及2時，根據前述公式，而得的物距與模糊圈直徑大小的關係。曲線C是物距與該差值的關係。由圖中的趨勢可知，當物距為0.6公尺時，該差值為零，此時即是準焦的狀態。當物距由0.6公尺而越來越長時，該差值會越來越大，但會趨近飽和。當物距由0.6公尺而越來越短時，該差值會越來越大，且變化的程度遠大於當物距由 0.6公尺而越來越大時。

該儲存模組14儲存的該查找表包含N個不同的參考像距值、N個分別對應該N個參考像距值的模糊圈差值臨界值、及N個分別對應該N個參考像距值的調整像距值，N為正整數。該查找表中的每一模糊圈差值臨界值是在該鏡頭模組11與該影像感測器12之間的距離為該對應的參考像距值且該物件與該鏡頭模組11之間的距離為一預定物距的情況下所獲得。

為方便說明起見，以N=1為例並接續前面的例子說明該查找表。該參考像距值可以選擇是在該音圈馬達模組的驅動電流為零時該鏡頭模組11與該影像感測器12之間的像距。該對應的模糊圈差值臨界值可以選擇是在該被攝物件與該鏡頭模組11之間的距離，即該預定物距，遠大於一準焦物距時，該處理模組15根據該第一影像資料及該第二影像資料計算而得的該第一模糊圈直徑與該第二模糊圈直徑的差值。當該物件與該鏡頭模組之間的距離為該準焦物距，且該鏡頭模組與該影像感測器之間的距離為該對應的參考像距值時，該對應的模糊圈差值為零。

再參閱圖4，舉例來說，該預定物距不小於該鏡頭模組11之準焦物距的22倍時，可以視為遠大於該焦距。假設選擇該預定物距為13.2米，此時，該差值為0.00954毫米，該模糊圈差值臨界值為0.00954毫米。由曲線C可知，若該被攝物件與該鏡頭模組11之間的距離小於0.6公尺而為一近端物距時，如在本實施例中，該近端物 距為0.3069米時，該差值也會是該模糊圈差值臨界值，即0.00954毫米。

參閱圖1與圖2，於步驟S131，該處理模組15在該像距對模糊圈差值的查找表之該N個參考像距值中選取一個相同於該初始像距的參考像距值，並判斷該差值是否大於對應該個參考像距值的該模糊圈差值臨界值。接續前面的例子作說明，假設該初始像距與該參考像距值相等，都為3.735毫米，該對應的模糊圈差值臨界值為0.00954毫米。

於步驟S132，當步驟S131的判斷結果為是時，該處理模組15選擇對應該個參考像距值的該調整像距值作為該目標像距，並根據該目標像距產生該控制信號。接續前面的例子作說明，假設該差值為0.05毫米，再參閱圖4，由曲線C可知，若該差值大於該模糊圈差值臨界值(0.05>0.00954)，表示該被攝物件與該鏡頭模組11之間的距離必定會小於該近端物距，即小於0.3069米。因此，在本實施例中，可以先依據相關的光學公式如： 將f=3.69毫米及該近端物距為0.3069米代入公式(1)，可得像距為3.735毫米，並將該像距的值作為該調整像距的數值儲存於該儲存模組14。在其他實施例中，該調整像距的數值也可以相關於該像距的值而不是完全等於該像距的值，例如該調整像距的值為0.373毫米，略小於該像距的值。

於步驟S133，當步驟S131的判斷結果為否時， 該處理模組15獲得該第一影像資料的對比度，且根據該對比度決定該目標像距，並根據該目標像距產生該控制信號。

於步驟S14，該對焦驅動器13根據該控制信號驅動該鏡頭模組11移動，以便將該初始像距改變為該目標像距。

更具體的說，當該差值大於該模糊圈差值臨界值時，表示此時該被攝物件與該鏡頭模組11之間的距離很短，即小於該近端物距，該對焦驅動器13根據該控制信號，能直接驅動該鏡頭模組11移動而使該初始像距直接改變為該目標像距，進而能比習知的對比對焦方式更快速地接近準焦的像距。而當該差值不大於該模糊圈差值臨界值時，表示此時該被攝物件與該鏡頭模組11之間的距離不是很短，該處理模組15就利用傳統的對比式偵測進行對焦。

特別補充說明的是：在本實施例中是以N=1為例說明該音圈馬達的驅動電流為零的初始條件下進行對焦，而在其他實施例中，N也可為複數，而能提供初始像距在不同的情況下，都能更快速地進行對焦。

綜上所述，該處理模組15根據相關於不同光圈的第一影像資料及第二影像資料，計算而得該第一模糊圈直徑及該第二模糊圈直徑的差值，再至少根據該初始像距、該差值、及該像距對模糊圈差值的查找表，產生該相關於該目標像距的控制信號，以實現在該物件與該鏡頭模組11之間的距離很短時能夠更快速地完成對焦，故確實能 達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11‧‧‧鏡頭模組

111‧‧‧第一光圈

112‧‧‧第二光圈

12‧‧‧影像感測器

13‧‧‧對焦驅動器

14‧‧‧儲存模組

15‧‧‧處理模組

Claims (12)

1. 一種對焦方法，適用於一影像擷取裝置，該影像擷取裝置包含一影像感測器、一可相對該影像感測器移動的鏡頭模組、一用於驅動該鏡頭模組移動的對焦驅動器、及一電連接該影像感測器及該對焦驅動器的處理模組，該鏡頭模組包括一第一光圈及一不同於該第一光圈的第二光圈，該對焦方法包含以下步驟：(a)藉由該影像感測器，在該鏡頭模組位於一初始位置時，同時感測相關於一包含至少一物件之影像的一第一光譜能量及一第二光譜能量，以分別產生對應該第一光譜能量的一第一影像資料及對應該第二光譜能量的一第二影像資料，該第一影像資料及該第二影像資料分別相關於該第一光圈及該第二光圈，位於該初始位置之該鏡頭模組與該影像感測器之間的距離被定義為一初始像距；(b)藉由該處理模組，根據該第一影像資料及該第二影像資料，獲得相關於該物件且分別對應該第一影像資料與該第二影像資料的一第一模糊圈直徑與一第二模糊圈直徑，並計算出該第一模糊圈直徑與該第二模糊圈直徑的一差值；(c)藉由該處理模組，至少根據該初始像距、該差值、及一像距對模糊圈差值的查找表，產生一相關於一目標像距的控制信號；及(d)藉由該對焦驅動器，根據該控制信號驅動該鏡 頭模組移動，以便將該初始像距改變為該目標像距。
2. 如請求項1所述的對焦方法，該第一光圈的孔徑大於該第二光圈的孔徑，其中，在步驟(a)中，該第一光譜能量對應於一可見光譜能量，該第二光譜能量對應於一紅外光譜能量。
3. 如請求項2所述的對焦方法，其中，在步驟(c)中：該查找表包含N個不同的參考像距值、N個分別對應該N個參考像距值的模糊圈差值臨界值、及N個分別對應該N個參考像距值的調整像距值，N為正整數；及該查找表中的每一模糊圈差值臨界值是在該鏡頭模組與該影像感測器之間的距離為該對應的參考像距值且該物件與該鏡頭模組之間的距離為一預定物距的情況下所獲得。
4. 如請求項3所述的對焦方法，其中，在步驟(c)中，該預定物距遠大於一準焦物距，當該物件與該鏡頭模組之間的距離為該準焦物距，且該鏡頭模組與該影像感測器之間的距離為該對應的參考像距值時，該對應的模糊圈差值為零。
5. 如請求項4所述的對焦方法，其中，在步驟(c)中，該預定物距不小於該準焦物距的22倍。
6. 如請求項3所述的對焦方法，其中，步驟(c)包括以下子步驟：(c-1)藉由該處理模組，在該查找表中之該N個參考像距值中選取一個相同於該初始像距的參考像距值， 並判斷該差值是否大於對應該個參考像距值的該模糊圈差值臨界值；(c-2)當步驟(c-1)的判斷結果為是時，藉由該處理模組，選擇對應該個參考像距值的該調整像距值作為該目標像距，並根據該目標像距產生該控制信號；及(c-3)當步驟(c-1)的判斷結果為否時，藉由該處理模組，獲得該第一影像資料的對比度，且根據該對比度決定該目標像距，並根據該目標像距產生該控制信號。
7. 一種影像擷取裝置，包含：一影像感測器；一鏡頭模組，可相對該影像感測器移動，並包括共軸設置且彼此不同的一第一光圈及一第二光圈；一儲存模組，用於儲存一像距對模糊圈差值的查找表；一對焦驅動器，用於驅動該鏡頭模組移動；及一處理模組，電連接該影像感測器、該對焦驅動器、及該儲存模組，並控制該對焦驅動器，其中，該影像感測器在該鏡頭模組位於一初始位置時，同時感測相關於一包含至少一物件之影像的一第一光譜能量及一第二光譜能量，以分別產生對應該第一光譜能量的一第一影像資料及對應該第二光譜能量的一第二影像資料，該第一影像資料及該第二影像資料分別相關於該第一光圈及該第二光圈，位於該初 始位置之該鏡頭模組與該影像感測器之間的距離被定義為一初始像距，其中，該處理模組接收來自該影像感測器的該第一影像資料及該第二影像資料，並根據該第一影像資料及該第二影像資料，獲得相關於該物件且分別對應該第一影像資料與該第二影像資料的一第一模糊圈直徑與一第二模糊圈直徑，並計算出該第一模糊圈直徑與該第二模糊圈直徑的一差值，及其中，該處理模組至少根據該初始像距、該差值、及儲存於該儲存模組的該查找表，產生一相關於一目標像距的控制信號，並將該控制信號輸出至該對焦驅動器，以使得該對焦驅動器根據來自該處理模組的該控制信號驅動該鏡頭模組移動，以便將該初始像距改變為該目標像距。
8. 如請求項7所述的影像擷取裝置，其中，該鏡頭模組的該第一光圈的孔徑大於該第二光圈的孔徑，該第一光譜能量對應於一可見光譜能量，該第二光譜能量對應於一紅外光譜能量。
9. 如請求項8所述的影像擷取裝置，其中，該儲存模組的該查找表包含N個不同的參考像距值、N個分別對應該N個參考像距值的模糊圈差值臨界值、及N個分別對應該N個參考像距值的調整像距值，N為正整數，該查找表中的每一模糊圈差值臨界值是在該鏡頭模組與該影像感測器之間的距離為該對應的參考像距 值且該物件與該鏡頭模組之間的距離為一預定物距的情況下所獲得。
10. 如請求項9所述的影像擷取裝置，其中，該預定物距遠大於一準焦物距，當該物件與該鏡頭模組之間的距離為該準焦物距，且該鏡頭模組與該影像感測器之間的距離為該對應的參考像距值時，該對應的模糊圈差值為零。
11. 如請求項10所述的影像擷取裝置，其中，該預定物距不小於該鏡頭模組之準焦物距的22倍。
12. 如請求項9所述的影像擷取裝置，其中，該處理模組在該查找表中之該N個參考像距值中選取一個相同於該初始像距的參考像距值，並判斷該差值是否大於對應該個參考像距值的該模糊圈差值臨界值，當判斷結果為是時，該處理模組選擇對應該個參考像距值的該調整像距值作為該目標像距，並根據該目標像距產生該控制信號，當判斷結果為否時，該處理模組獲得該第一影像資料的對比度，且根據該對比度決定該目標像距，並根據該目標像距產生該控制信號。