紅外能量法二點式自動對焦系統(tǒng)

1、紅外能量法二點式自動對焦系統(tǒng)摘要：本文討論了 對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和電路作7分析 導(dǎo)出7對焦系統(tǒng)6設(shè)計計算公式。對能量綏自動對焦系統(tǒng)所特有6誤差 被攝物漫反射率變化；i入的誤差作了較詳細的分析，并提出j處理這個誤差的重疊設(shè)計法l-引言目前，能量法二點式自動對焦系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在普及型照相機中，從理論上講，用幾個特定的對焦點只能使幾個特定的攝影距離獲得精晰的照片。在其它距離上的拍攝均將在底片上產(chǎn)生彌散園。因而， 自動對焦必須是連續(xù)式的。但由于人限的分辨率有限只要這個彌散園在一定范圍內(nèi)， 人們還是可以接受的。由于一般攝影者只將照片擴印到5|，而很少再放大同時由于普及型照相機焦距較短，光圈數(shù)值較大，使得自動對

2、焦的對焦點數(shù)減少到二點，仍能滿足一般攝影要求，因而本文試就紅外能量德二點式自動對焦系統(tǒng)作一討論，包括結(jié)構(gòu)和電路原理，對焦系統(tǒng)的設(shè)計計算，井分析漫反射率變化將給對焦帶入的誤差，最后提出處理該誤差的方法2結(jié)構(gòu)l原理的各組成部分及其相互關(guān)系如圖l所示 紅外發(fā)射元件可選用輻射功率較大的紅外發(fā)光二極管接收光電器件用紅外光敏三極管。這兩種器件通?？稍谑袌錾吓鋵犢I。發(fā)射元件發(fā)射的紅外脈沖經(jīng)發(fā)射透鏡會聚在被攝物上，被披攝物漫反射后經(jīng)接收透鏡，由接收元件接收到。當被攝物較近時，接收元件接收到的光信號較強，最后控利電路輸出狀態(tài) ，使電磁鐵吸臺攝影鏡頭在手按快門按鈕時由于被電磁鐵吸住而不髓轉(zhuǎn)動，鏡頭對焦在近距離。

3、反之， 當被攝物較遠時，接收到的信號較弱控制電路輸出狀態(tài)0電磁鐵不吸合，攝影鏡頭在手按快門按鈕時在彈簧力作用下跟著轉(zhuǎn)動，鏡頭便向底片面收縮，對焦在這距離。這兩種狀態(tài)分別保證了兩段攝影范圍獲得清晰照片，實現(xiàn)自動對焦3 控制電路分析自動對焦控制電路如圖2所示。k 、k ，c 和紅外led組成了紅外發(fā)射電路。k 和k 為聯(lián)動開關(guān)，在準備狀態(tài)時k 閉合，k 斷開，電原e對主電容c 充電。當按下照相機快門按鈕時，k 斷開、k 閉合、電容c 快速向紅外發(fā)光二極管led放電，led即發(fā)射出紅外脈沖。紅外脈沖經(jīng)發(fā)射透鏡照射到被攝物上經(jīng)技攝物漫反射后，被裝在接收透鏡后的紅外光敏三極管接收，產(chǎn)生光電流。當披攝物離

4、相機較近時，紅外光敏三極管產(chǎn)生白爭光電流較大，rt上壓降v 的交流成份較1大，經(jīng)隔直、放大后的v：值將超過悶值電平vt。比較器a 輸出低電平。晶體管bg 導(dǎo)遙電磁鐵mg吸合使快門按鈕按下時攝影物鏡不能轉(zhuǎn)動。定焦在近對焦點 圖中反饋二k總極管d在這里起了保持作用，以保證在信號結(jié)柬后仍能使v 保持高電平確保電磁鐵吸合田1 自動對蔫系繾組成部分田2 控塒電路原理田當被撮物離相機較遠時，光敏三極管接收到的光信號較小，經(jīng)光電轉(zhuǎn)挽、隔直放大后的vt值很小比較器az繼續(xù)輸出高電平tb0 截止，電磁鐵mi；不吸合在快門按鈕按下時攝影鏡頭轉(zhuǎn)動，定焦在遠對焦點在完成一次攝影操作，或需重新對焦時，放開快門按鈕、k

5、重新合上、k 斷開、紅外發(fā)射主電容c-再次充電，為下次發(fā)射貯備能量接收電路中由于晶體管bg-發(fā)射極斷電而無榘電極電流，電磁鐵復(fù)位。 圈3為控制電路各主要工作點在被攝物2遠和近兩種狀態(tài)下的典型波形。4對焦系統(tǒng)設(shè)計計算41 選定反轉(zhuǎn)點位置時的對焦點和清晰范圍如圖4所示鏡頭焦距為f，光圈值為f在反轉(zhuǎn)點時彌散園。即最大允許彌赦園為6o，反轉(zhuǎn)點lln已確定 由高斯公式l粵仲一 j (1)并由幾何關(guān)系得遠對焦點a與反轉(zhuǎn)點t口的像方距離霉皋。一籌oa一 (2)由于攝影鐋距總是遠大于鏡頭焦距，即1 f，則“ 一f 一 。代入(2)式得at 。一魯，一如再由幾何關(guān)系“ fm ar = fj 一 f由高斯公式可得

6、遠對焦點位置：l ：= ： (。)t 一 f l式中1 可由式(1)求得狀態(tài) 被攝物較近時 被 攝物較遠時v】 i八 f 。v 0i = 一：= 一 tv，v if ，k kul f t鏡頭對焦 近 遠田3 拉腳電路備主薹工作點典型波形田4 物像關(guān)幕示意田同樣可得遠清晰點物距n。近對焦點m和近清晰點物距123 一 r j ( + 如f)“ =了(4) 關(guān)鍵點也以f一4，f 蝎 和 o0為倒 ，衰2 不商遠清晰距鼻時的對焦點(5) 反轉(zhuǎn)點和近清晰點(單位 m)： 等 呵 表1列出了應(yīng)用公式(1)和(3)一(6)的例子，設(shè)f一4，ff一35ram 一008ram 。42 選定遠清晰距離時的對焦點，

7、反轉(zhuǎn)點4和近清晰距離當遠清晰距離1 選定后，可以從下列公式衰1 不同反轉(zhuǎn)點時的對焦點和清晰范圍 (單位：m)0 fi h l k3 132 l_7l 1202 tol 133 10015 24l 109 628 086求得反轉(zhuǎn)點 ，對焦點“和fh近清晰點物距 (推導(dǎo)與上面相類似從略。)= 【7)“ =：。：(8)f 口 f|386 l_95 131 09920 25 178 123 0951o 28o 164 117 0913 選定近清晰距離時的對焦點、反轉(zhuǎn)點和遠情晰距離同樣很容易得出選定近清晰距離f2后的各關(guān)鍵點f!、上，f_和 的計算公式(12)一式(16)。其示例列于表3中。(12)b

8、一0d 一r一一 j一(13)(15)忙 衰3 不同近清晰矩離時的對焦點、反轉(zhuǎn)點和遠清晰點 (單位：m)(9) 表中設(shè)f=4 f=35ram bo=008ram(10)如= 同樣，表2所列的選定遠清晰點后的各fz f| d f “08o 099 13l 195 385090 115 16l 272 9_03100 133 198 399顯然。設(shè)計者也可以先礴定近對焦點或遠對焦點，其它各點也可有相應(yīng)的公式求得，這里不再羅列?？傊?，在鏡頭參數(shù)， 即鏡頭焦甩和相對孔徑以及允許彌散園已知時，在清 花圈、對焦點和反轉(zhuǎn)點五個關(guān)鍵點中，只要有一個確定，其它各個也髓之確定。設(shè)計時可按不同用途 不同條件選一種方

9、法來設(shè)計各關(guān)鍵點，必要時可反復(fù)計算，適當修改，以使各個數(shù)據(jù)都較合理。量重疊設(shè)計法量t 被攝物漫反射率變化引入的誤差在艟量法二點式自動對焦系統(tǒng)中被攝物攫反射草變化 電源電壓變化、被攝靜偏離中心鏡頭定位不準等均將使對焦引起誤差。為筒單起見，本文僅就最大的一頂即第一習f作一次討論 其它各項從略。在竣系統(tǒng)中，控錯屯路是根據(jù)所接收到盼紅外輻舯衡量大小來決定被攝物的遠近的。顯然，當被攝物漫反射率e不同于設(shè)計定標甩的定幅板反射率e。時，測距將帶入誤差t郎反轉(zhuǎn)點發(fā)生飄移從而使反轉(zhuǎn)點附近攝影時像的彌戴屠增大，分辨率卞降。從光學原理可知，若梭攝物體足夠大對焦系統(tǒng)發(fā)射出的紅外輻射能全部落在被攝物上，即射到被攝物上的

10、紅外輻射能e 與攝影距離無關(guān)，或etocl。e。，式中eo為發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射能量，而對焦接收系統(tǒng)接牧到的被攝物漫反射后的能量與攝影距離平方成反出，與被攝物漫反射率成正比。即有 。cl p l- eb即= kel一式中k為常數(shù)，而控制電路的反轉(zhuǎn)闞值能量er在定標時已固定令e er，則得反轉(zhuǎn)點1t所滿足的關(guān)系式：ei = er = 常數(shù) (17)當被攝物體比對焦紅外光斑小時，則由光度學知，射到被攝物上的紅外輻射能按l衰減即e 。cl e。、e ke1 ，反轉(zhuǎn)點i 所j菏足的關(guān)系式變成 1 一常數(shù) (18)我 取上述二種情況的中間值。即反轉(zhuǎn)點lt 2菏足(19)式為我們計算的依據(jù)：ei = 常數(shù) (1

11、9)它適合于被攝物大小適中，或長方形時的情形 反映極大多數(shù)攝影場合。顯然，裝攝物淹反射率e的變化將使電路決定的反轉(zhuǎn)距離發(fā)生變化：= ( (2o)式中 為設(shè)計的反轉(zhuǎn)點 為定標時用的被攝物攫反射率。參看圖5，實際反轉(zhuǎn)點像距為措一 篙田5 反轉(zhuǎn)點飄移光學原理圖5而該像點離遠對焦點像點的距離為= 一 + o (22)式中 為設(shè)計的反轉(zhuǎn)點像距可由高斯公式求出。 ，函 了= = +(而a t 即為 f，將它們代入(22)式得= 一 +所以，以遞對焦點對焦時，1t點的彌散團為(如o)“0fmr (eeo)“ 一， 一 (23)同樣 以近對焦點對焦時， 點的彌散園可由下式表示：(推導(dǎo)從略)=南+ 一 ，因此漫

12、反射率為e時的反轉(zhuǎn)點可能存 的最大彌散團為= 酬郇 如+】黟一 憊哥最小分辨率為 一 1 ( )以設(shè)計反轉(zhuǎn)點 =2來為倒-各種漫反射率時反轉(zhuǎn)點附近可能存在的最大彌散團和最小分辨率q列于表4中設(shè)6。一0o8mm、f=4、f 35mm、定標板漫反射率eo一24表4 不同漫反射率時的最大彌散園和最小分辨率e(螄 72 48 36 24 18 12 8 。6 (mm) 013 011 009 008 010 012 15(=蕞lfnm) 78 89 106 104 104 82 66由表4示例可見 這種設(shè)計方法由于被攝物體漫反射率e的變化會帶入較大的對焦彌散團，有時彌散固會超出人們可接受的范圍，因此我

13、們引入下面的重疊設(shè)計法。52 重疊設(shè)計法重疊設(shè)計法以常用的漫反射率為基礎(chǔ)在反轉(zhuǎn)點上有重疊區(qū)域在比原先縮小的整個區(qū)域內(nèi)滿足反射率變化的需要，使對焦彌散園保持在預(yù)定的范圍內(nèi)設(shè)被攝物體平均漫反射率為eo，而e 一6e。為通常的坡攝物漫反射率范圍，且e。eoe 由式(20)推導(dǎo)出被攝物漫反射率為et時的反轉(zhuǎn)點物距和像距為：f，j (el ) ， f一(eteo) ，面 面 (27)因eto所以eren 1tt即為反轉(zhuǎn)點飄移范圍最近點。為使該反轉(zhuǎn)點攝影時彌散固不超過允許值，系繞的遠對焦點必須前移。遠對焦點像距應(yīng)為：=1 6對應(yīng)的物距t“ = = 可 28 )遠清晰點像距和物距為：fi 一 一2 f一 = 麗 = ( 0，)同理反轉(zhuǎn)點飄移范圍最遠點 即為漣反射率為ez時的反轉(zhuǎn)點 一(罟)in= (e eo)麗litf, (3o)系統(tǒng)的近對焦點和最近攝影距離亦可求得：= + f= -f 260f(31)f!i ： 曹千瓦可(3 2)式(27)一式(32)為重疊設(shè)計法在反轉(zhuǎn)點優(yōu)先確定時各關(guān)鍵點的計算公式當然也可以先確定對焦點或者最遠攝影距離或最近攝影距離，然后確定其它工作點。計算公式也可類似推導(dǎo)出。這里不再累述最后我們給出應(yīng)用式(27)一式(32)計算的重疊設(shè)計法實例