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红外能量法二点式自动对焦系统

11月08日 编辑 fanwen51.com

摘要:本文讨论了红外能量法二点式自动对焦系统. 对系统的结构和电路作7分析. 导

出7对焦系统6々设计计算公式。对能量绥自动对焦系统所特有6々误差—— 被摄物漫反射率变

化;i入的误差作了较详细的分析,并提出j处理这个误差的重叠设计法

l-引言

目前,能量法二点式自动对焦系统已广

泛应用在普及型照相机

中,从理论上讲,用

几个特定的对焦点只能使几个特定的摄影距

离获得精晰的照片。在其它距离上的拍摄均

将在底片上产生弥散园。因而, 自动对焦必

须是连续式的。但由于人限的分辨率有限.只

要这个弥散园在一定范围内, 人们还是可以

接受的。由于一般摄影者只将照片扩印到5

而很少再放大.同时由于普及型照相机焦距

较短,光圈数值较大,使得自动对焦的对焦

点数减少到二点,仍能满足一般摄影要求,因

而本文试就红外能量德二点式自动对焦系统

作一讨论,包括结构和电路原理,对焦系统

的设计计算,井分析漫反射率变化将给对焦

带入的误差,最后提出处理该误差的方法

2.结构l原理

红外能量法二点式自动对焦系统的各组

成部分及其相互关系如图l所示 红外发射

元件可选用辐射功率较大的红外发光二极

管.接收光电器件用红外光敏三极管。这两

种器件通常可在市场上配对赡买。发射元件

发射的红外脉冲经发射透镜会聚在被摄物

上,被披摄物漫反射后经接收透镜,由接收

元件接收到。当被摄物较近时,接收元件接

收到的光信号较强,最后控利电路输出状态

&&emsp123; ,使电磁铁吸台.摄影镜头在手按快门按

钮时由于被电磁铁吸住而不髓转动,镜头对

焦在近距离。反之, 当被摄物较远时,接收

到的信号较弱.控制电路输出状态&&emsp8943;0.电

磁铁不吸合,摄影镜头在手按快门按钮时在

弹簧力作用下跟着转动,镜头便向底片面收

缩,对焦在这距离。这两种状态分别保证了

两段摄影范围获得清晰照片,实现自动对焦

3. 控制电路分析

自动对焦控制电路如图2所示。k 、k ,

c 和红外led组成了红外发射电路。k 和

k 为联动开关,在准备状态时k 闭合,k 断

开,电原e对主电容c 充电。当按下照相机

快门按钮时,k 断开、k 闭合、电容c 快速

向红外发光二极管led放电,led即发射出

红外脉冲。红外脉冲经发射透镜照射到被摄

物上·经技摄物漫反射后,被装在接收透镜

后的红外光敏三极管接收,产生光电流。当

披摄物离相机较近时,红外光敏三极管产生

白争光电流较大,rt上压降v 的交流成份较

1

大,经隔直、放大后的v:值将超过闷值电平

vt。比较器a 输出低电平。晶体管bg 导遥·

电磁铁mg吸合.使快门按钮按下时摄影物

镜不能转动。定焦在近对焦点. 图中反馈二

k总

极管d在这里起了保持作用,以保证在信号

结柬后仍能使v 保持高电平.确保电磁铁吸

合.

田1 自动对蔫系缱组成部分

田2 控埘电路原理田

当被撮物离相机较远时,光敏三极管接

收到的光信号较小,经光电转挽、隔直放大

后的vt值很小.比较器az继续输出高电平t

b0 截止,电磁铁mi;不吸合.在快门按钮按

下时摄影镜头转动,定焦在远对焦点.

在完成一次摄影操作,或需重新对焦时,

放开快门按钮、k 重新合上、k 断开、红外

发射主电容c-再次充电,为下次发射贮备能

量.接收电路中由于晶体管bg-发射极断电

而无榘电极电流,电磁铁复位。 .

圈3为控制电路各主要工作点在被摄物

2

远和近两种状态下的典型波形。

4.对焦系统设计计算

4.1 选定反转点位置时的对焦点和清晰范

如图4所示.镜头焦距为f,光圈值为f

在反转点时弥散园。即最大允许弥赦园为6o,

反转点lln已确定. 由高斯公式

l粤仲一 j (1)

并由几何关系.得远对焦点a与反转点t口

的像方距离

霉皋

。一筹·oa'一 (2)

由于摄影铴距总是远大于镜头焦距,即1 》

f,则

“ 一f 一 。

代入(2)式得

a't 。一鲁·,一如·

再由几何关系

“ fm — ar = fj 一 f

由高斯公式可得远对焦点位置

l := :£: (。)

t" 一 f— l

式中1 可由式(1)求得.

状态 被摄物较近时 被12全文查看摄物较远时

v】 i八 f~ 。

v 0i &&emsp125;== 一:== 一 ‘ t

v,

v i

f ,

k kul f

. t

镜头对焦 近 远

田3 拉脚电路备主薹工作点典型波形

田4 物像关幕示意田

同样可得远清晰点物距n。近对焦点m和近清晰点物距12

3

一‘ r j

. ( + 如f)·

“ =了

(4) 关键点也以f一4,f 蝎 和 o·0

为倒. ,

衰2 不商远清晰距鼻时的对焦点

(5) 反转点和近清晰点(单位 m)

:— 等 呵 ㈣

表1列出了应用公式(1)和(3)一

(6)的例子,设f一4,ff一35ram 一

0.08ram 。

4.2 选定远清晰距离时的对焦点,反转点4

和近清晰距离

当远清晰距离1 选定后,可以从下列公

衰1 不同反转点时的对焦点

和清晰范围 (单位:m)

0 fi h l k

3 13.2 l_7l 1.20

2 t.ol 1.33 1.00

1.5 2.4l 1.09 6.28 0.86

求得反转点 ,对焦点“和fh.近清晰点物

距 .(推导与上面相类似.从略。)

= 【7)

“ =

。:

(8)

f

口 f

3.86 l_95 1.31 0.99

20 25 1.78 1.23 0.95

1o 2.8o 1.64 1.17 0.91

3 选定近清晰距离时的对焦点、反转点

和远情晰距离

同样很容易得出选定近清晰距离f2后

的各关键点f!、上

,f_和 的计算公式

(12)一式(16)。其示例列于表3中。

(12)

b 一0d 一r

一 j

(13)

(15)

忙 ㈣

衰3 不同近清晰矩离时的对焦点、反

转点和远清晰点 (单位:m)

(9) 表中设f=4 f=35ram bo=0.08ram

(10)

如= &&emsp8943;

同样,表2所列的选定远清晰点后的各

fz f

d f

0.8o 0.99 1.3l 1.95 3.85

0.90 1.15 1.6l 2.72 9_03

1.00 1.33 1.98 3.99

显然。设计者也可以先礴定近对焦点或

远对焦点,其它各点也可有相应的公式求得,

这里不再罗列。总之,在镜头参数, 即镜头

焦甩和相对孔径以及允许弥散园已知时,在

清 花圈、对焦点和反转点五个关键点中,只

要有一个确定,其它各个也髓之确定。设计

时.可按不同用途 不同条件选一种方法来

设计各关键点,必要时可反复计算,适当修

改,以使各个数据都较合理。

量重叠设计法

量t 被摄物漫反射率变化引入的误差

在艟量法二点式自动对焦系统中被摄物

攫反射草变化 电源电压变化、被摄静偏离

中心镜头定位不准等均将使对焦引起误差。

为筒单起见,本文仅就最大的一顶.即第一

习f作一次讨论 其它各项从略。

在竣系统中,控错屯路是根据所接收到

盼红外辐舯衡量大小来决定被摄物的远近

的。显然,当被摄物漫反射率e不同于设计定

标甩的定幅板反射率e。时,测距将带入误

差t郎反转点发生飘移.从而使反转点附近

摄影时像的弥戴屠增大,分辨率卞降。

从光学原理可知,若梭摄物体足够大.对

焦系统发射出的红外辐射能全部落在被摄物

上,即射到被摄物上的红外辐射能e 与摄影

距离无关,或etocl。e。,式中eo为发射系统

的发射能量,而对焦接收系统接牧到的被摄

物漫反射后的能量与摄影距离平方成反出,

与被摄物漫反射率成正比。即有 。cl p

∞ l- eb.即

= kel一

式中k为常数,而控制电路的反转阚值能量

er在定标时已固定.令e —er,则得反转点

1t所满足的关系式:

ei = er = 常数 (17)

当被摄物体比对焦红外光斑小时,则由

光度学知,射到被摄物上的红外辐射能按l

衰减即e 。cl e。、e —k·e1~ ,反转点i 所

j菏足的关系式变成

· 1 一常数 (18)

我 取上述二种情况的中间值。即反转

点lt 2菏足(19)式为我们计算的依据:

e·i = 常数 (19)

它适合于被摄物大小适中,或长方形时的情

形 反映极大多数摄影场合。

显然,装摄物淹反射率e的变化将使电

路决定的反转距离发生变化:

= ( ’ (2o)

式中 为设计的反转点.% 为定标时用的被

摄物攫反射率。

参看图5,实际反转点像距为

措一 篙

田5 反转点飘移光学原理图

5

而该像点离远对焦点像点的距离为

= 一 + o (22)

式中 为设计的反转点像距.可由高斯公式

求出

· ,

函 了

= = +(

而a t 即为 ·f,将它们代入(22)式得

= 一 +

所以,以递对焦点对焦时,1t点的弥散团为

(如o)“0fmr (e/eo)“ 一, 一 ] (23)

同样. 以近对焦点对焦时, 点的弥散园可由下式表示:(推导从略)

=南+[ 一 ] ,

因此.漫反射率为e时的反转点可能存 的最大弥散团为

= 酬郇 如+】黟一 惫哥

最小分辨率为 一 1 ( )

以设计反转点 =2来为倒-各种漫反

射率时反转点附近可能存在的最大弥散团

和最小分辨率q列.于表4中.设6。一

0’o8mm、f=

4、f

35mm、定标板漫反射率

eo一24%

表4 不同漫反射率时的最大弥散园和最小分辨率

e(蛳 72 48 36 24 18 12 8 。

6 (mm) 0.13 0.11 0.09 0.08 0.10 0.12 15

(=蕞lfnm) 7.8 89 10.6 10.4 10.4 8.2 6.6

由表4示例可见 这种设计方法由于被

摄物体漫反射率e的变化会带入较大的对焦

弥散团,有时弥散固会超出人们可接受的范

围,因此我们引入下面的重叠设计法。

5.2 重叠设计法

重叠设计法以常用的漫反射率为基础.

在反转点上有重叠区域.在比原先缩小的整

个区域内满足反射率变化的需要,使对焦弥

散园保持在预定的范围内

设被摄物体平均漫反射率为eo,而e 一

6

e。为通常的坡摄物漫反射率范围,且e。

时的反转点物距和像距为:

f,j (el ) , f

一(eteo) ·,

面 面 (27)

因et

o.所以er·

围最近点。为使该反转点摄影时弥散固不超

过允许值,系绕的远对焦点必须前移。远对

焦点像距应为:

=

1— 6

对应的物距t

“ = = 可 ‘㈣28 )

远清晰点像距和物距为:

fi 一 一2 f

一 = 丽 = (㈣ 0,)

同理.反转点飘移范围最远点 即为涟反射

率为ez时的反转点 .

一(罟)

in"= (e/ eo)丽'/lit

f, (3o)

系统的近对焦点和最近摄影距离亦可求得:

= + f

= -f 260f

(31)

f!i : 曹千瓦可(3 2)

式(27)一式(32)为重叠设计法在反转点

优先确定时各关键点的计算公式.当然.也

可以先确定对焦点或者最远摄影距离或最近

摄影距离,然后确定其它工作点。计算公式

也可类似推导出。这里不再累述.最后我们

给出应用式(27)一式(32)计算的重叠设

计法实例。以1to=2.00m.6。=0.08ram.f=

&&emsp123;,fj一35ram,e。一24 计算.结果列于表5

中.最后一栏还给出了使用f

光圈时实际能

保证摄影清晰范围.以结果可见.无论依据

e一18—32另计算。还是按12一‘8 计算.其

结果均是比较合理拍.景探范围仍然较大.

衰5 t叠设计法计算实例

f8时

i b fl fi

18— 32 1.82 2.20 3-37 1.42 25.9 1.05 co- 0.84

12— 48 1.59 2.52 2.65 1.54 8.25 1.12 ∞ 一0.8812全文查看摘要:本文讨论了红外能量法二点式自动对焦系统. 对系统的结构和电路作7分析. 导

出7对焦系统6々设计计算公式。

对能量绥自动对焦系统所特有6々误差—— 被摄物漫反射率变

化;i入的误差作了较详细的分析,并提出j处理这个误差的重叠设计法

l-引言

目前,能量法二点式自动对焦系统已广

泛应用在普及型照相机

中,从理论上讲,用

几个特定的对焦点只能使几个特定的摄影距

离获得精晰的照片。在其它距离上的拍摄均

将在底片上产生弥散园。因而, 自动对焦必

须是连续式的。但由于人限的分辨率有限.只

要这个弥散园在一定范围内, 人们还是可以

接受的。由于一般摄影者只将照片扩印到5

而很少再放大.同时由于普及型照相机焦距

较短,光圈数值较大,使得自动对焦的对焦

点数减少到二点,仍能满足一般摄影要求,因

而本文试就红外能量德二点式自动对焦系统

作一讨论,包括结构和电路原理,对焦系统

的设计计算,井分析漫反射率变化将给对焦

带入的误差,最后提出处理该误差的方法

2.结构l原理

红外能量法二点式自动对焦系统的各组

成部分及其相互关系如图l所示 红外发射

元件可选用辐射功率较大的红外发光二极

管.接收光电器件用红外光敏三极管。这两

种器件通常可在市场上配对赡买。发射元件

发射的红外脉冲经发射透镜会聚在被摄物

上,被披摄物漫反射后经接收透镜,由接收

元件接收到。当被摄物较近时,接收元件接

收到的光信号较强,最后控利电路输出状态

&&emsp123; ,使电磁铁吸台.摄影镜头在手按快门按

钮时由于被电磁铁吸住而不髓转动,镜头对

焦在近距离。反之, 当被摄物较远时,接收

到的信号较弱.控制电路输出状态&&emsp8943;0.电

磁铁不吸合,摄影镜头在手按快门按钮时在

弹簧力作用下跟着转动,镜头便向底片面收

缩,对焦在这距离。这两种状态分别保证了

两段摄影范围获得清晰照片,实现自动对焦

3. 控制电路分析

自动对焦控制电路如图2所示。k 、k ,

c 和红外ld组成了红外发射电路。k 和

k 为联动开关,在准备状态时k 闭合,k 断

开,电原对主电容c 充电。当按下照相机

快门按钮时,k 断开、k 闭合、电容c 快速

向红外发光二极管ld放电,ld即发射出

红外脉冲。红外脉冲经发射透镜照射到被摄

物上·经技摄物漫反射后,被装在接收透镜

后的红外光敏三极管接收,产生光电流。当

披摄物离相机较近时,红外光敏三极管产生

白争光电流较大,r上压降v 的交流成份较

1

大,经隔直、放大后的v:值将超过闷值电平

v。比较器 输出低电平。晶体管b 导遥·

电磁铁m吸合.使快门按钮按下时摄影物

镜不能转动。定焦在近对焦点. 图中反馈二

k总

极管d在这里起了保持作用,以保证在信号

结柬后仍能使v 保持高电平.确保电磁铁吸

合.

田1 自动对蔫系缱组成部分

田2 控埘电路原理田

当被撮物离相机较远时,光敏三极管接

收到的光信号较小,经光电转挽、隔直放大

后的v值很小.比较器z继续输出高电平

b0 截止,电磁铁mi;不吸合.在快门按钮按

下时摄影镜头转动,定焦在远对焦点.

在完成一次摄影操作,或需重新对焦时,

放开快门按钮、k 重新合上、k 断开、红外

发射主电容c-再次充电,为下次发射贮备能

量.接收电路中由于晶体管b-发射极断电

而无榘电极电流,电磁铁复位。 .

圈3为控制电路各主要工作点在被摄物

2

远和近两种状态下的典型波形。

4.对焦系统设计计算

4.1 选定反转点位置时的对焦点和清晰范

如图4所示.镜头焦距为f,光圈值为f

在反转点时弥散园。即最大允许弥赦园为6o,

反转点lln已确定. 由高斯公式

l粤仲一 j (1)

并由几何关系.得远对焦点与反转点口

的像方距离

霉皋

。一筹·o'一 (2)

由于摄影铴距总是远大于镜头焦距,即1 》

f,则

“ 一f 一 。

代入(2)式得

' 。一鲁·,一如·

再由几何关系

“ fm — r = fj 一 f

由高斯公式可得远对焦点位置

l := :£: (。)

" 一 f— l

式中1 可由式(1)求得.

状态 被摄物较近时 被[]摄物较远时

v】 i八 f~ 。

v 0i &&emsp125;== 一:== 一 ‘

v,

v i

f ,

k kul f

镜头对焦 近 远

田3 拉脚电路备主薹工作点典型波形

田4 物像关幕示意田

同样可得远清晰点物距n。近对焦点m和近清晰点物距12

3

一‘ r j

. ( + 如f)·

“ =了

(4) 关键点也以f一4,f 蝎 和 o·0

为倒. ,

衰2 不商远清晰距鼻时的对焦点

(5) 反转点和近清晰点(单位 m)

:— 等 呵 ㈣

表1列出了应用公式(1)和(3)一

(6)的例子,设f一4,ff一35rm 一

0.08rm 。

4.2 选定远清晰距离时的对焦点,反转点4

和近清晰距离

当远清晰距离1 选定后,可以从下列公

衰1 不同反转点时的对焦点

和清晰范围 (单位:m)

0 fi h l k

3 13.2 l_7l 1.20

2 .ol 1.33 1.00

1.5 2.4l 1.09 6.28 0.86

求得反转点 ,对焦点“和fh.近清晰点物

距 .(推导与上面相类似.从略。)

= 【7)

“ =

。:

(8)

f

口 f

3.86 l_95 1.31 0.99

20 25 1.78 1.23 0.95

1o 2.8o 1.64 1.17 0.91

3 选定近清晰距离时的对焦点、反转点

和远情晰距离

同样很容易得出选定近清晰距离f2后

的各关键点f!、上

,f_和 的计算公式

(12)一式(16)。其示例列于表3中。

(12)

b 一0d 一r

一 j

(13)

(15)

忙 ㈣

衰3 不同近清晰矩离时的对焦点、反

转点和远清晰点 (单位:m)

(9) 表中设f=4 f=35rm bo=0.08rm

(10)

如= &&emsp8943;

同样,表2所列的选定远清晰点后的各

fz f

d f

0.8o 0.99 1.3l 1.95 3.85

0.90 1.15 1.6l 2.72 9_03

1.00 1.33 1.98 3.99

显然。设计者也可以先礴定近对焦点或

远对焦点,其它各点也可有相应的公式求得,

这里不再罗列。总之,在镜头参数, 即镜头

焦甩和相对孔径以及允许弥散园已知时,在

清 花圈、对焦点和反转点五个关键点中,只

要有一个确定,其它各个也髓之确定。设计

时.可按不同用途 不同条件选一种方法来

设计各关键点,必要时可反复计算,适当修

改,以使各个数据都较合理。

量重叠设计法

量 被摄物漫反射率变化引入的误差

在艟量法二点式自动对焦系统中被摄物

攫反射草变化 电源电压变化、被摄静偏离

中心镜头定位不准等均将使对焦引起误差。

为筒单起见,本文仅就最大的一顶.即第一

习f作一次讨论 其它各项从略。

在竣系统中,控错屯路是根据所接收到

盼红外辐舯衡量大小来决定被摄物的远近

的。显然,当被摄物漫反射率不同于设计定

标甩的定幅板反射率。时,测距将带入误

差郎反转点发生飘移.从而使反转点附近

摄影时像的弥戴屠增大,分辨率卞降。

从光学原理可知,若梭摄物体足够大.对

焦系统发射出的红外辐射能全部落在被摄物

上,即射到被摄物上的红外辐射能 与摄影

距离无关,或ocl。。,式中o为发射系统

的发射能量,而对焦接收系统接牧到的被摄

物漫反射后的能量与摄影距离平方成反出,

与被摄物漫反射率成正比。即有 。cl p

∞ l- b.即

= kl一

式中k为常数,而控制电路的反转阚值能量

r在定标时已固定.令 —r,则得反转点

1所满足的关系式:

i = r = 常数 (17)

当被摄物体比对焦红外光斑小时,则由

光度学知,射到被摄物上的红外辐射能按l

衰减即 。cl 。、 —k·1~ ,反转点i 所

j菏足的关系式变成

· 1 一常数 (18)

我 取上述二种情况的中间值。即反转

点l 2菏足(19)式为我们计算的依据:

·i = 常数 (19)

它适合于被摄物大小适中,或长方形时的情

形 反映极大多数摄影场合。

显然,装摄物淹反射率的变化将使电

路决定的反转距离发生变化:

= ( ’ (2o)

式中 为设计的反转点.% 为定标时用的被

摄物攫反射率。

参看图5,实际反转点像距为

措一 篙

田5 反转点飘移光学原理图

5

而该像点离远对焦点像点的距离为

= 一 + o (22)

式中 为设计的反转点像距.可由高斯公式

求出

· ,

函 了

= = +(

而 即为 ·f,将它们代入(22)式得

= 一 +

所以,以递对焦点对焦时,1点的弥散团为

(如o)“0fmr (/o)“ 一, 一 ] (23)

同样. 以近对焦点对焦时, 点的弥散园可由下式表示:(推导从略)

=南+[ 一 ] ,

因此.漫反射率为时的反转点可能存 的最大弥散团为

= 酬郇 如+】黟一 惫哥

最小分辨率为 一 1 ( )

以设计反转点 =2来为倒-各种漫反

射率时反转点附近可能存在的最大弥散团

和最小分辨率q列.于表4中.设6。一

0’o8mm、f=

4、f

35mm、定标板漫反射率

o一24%

表4 不同漫反射率时的最大弥散园和最小分辨率

(蛳 72 48 36 24 18 12 8 。

6 (mm) 0.13 0.11 0.09 0.08 0.10 0.12 15

(=蕞lfnm) 7.8 89 10.6 10.4 10.4 8.2 6.6

由表4示例可见 这种设计方法由于被

摄物体漫反射率的变化会带入较大的对焦

弥散团,有时弥散固会超出人们可接受的范

围,因此我们引入下面的重叠设计法。

5.2 重叠设计法

重叠设计法以常用的漫反射率为基础.

在反转点上有重叠区域.在比原先缩小的整

个区域内满足反射率变化的需要,使对焦弥

散园保持在预定的范围内

设被摄物体平均漫反射率为o,而 一

6

。为通常的坡摄物漫反射率范围,且。&l;o

&l; .由式(20)推导出被摄物漫反射率为

时的反转点物距和像距为:

f,j (l ) , f

一(o) ·,

面 面 (27)

o.所以r·&l;n 1即为反转点飘移范

围最近点。为使该反转点摄影时弥散固不超

过允许值,系绕的远对焦点必须前移。远对

焦点像距应为:

=

1— 6

对应的物距

“ = = 可 ‘㈣28 )

远清晰点像距和物距为:

fi 一 一2 f

一 = 丽 = (㈣ 0,)

同理.反转点飘移范围最远点 即为涟反射

率为z时的反转点 .

一(罟)

in"= (/ o)丽'/li

f, (3o)

系统的近对焦点和最近摄影距离亦可求得:

= + f

= -f 260f

(31)

f!i : 曹千瓦可(3 2)

式(27)一式(32)为重叠设计法在反转点

优先确定时各关键点的计算公式.当然.也

可以先确定对焦点或者最远摄影距离或最近

摄影距离,然后确定其它工作点。计算公式

也可类似推导出。这里不再累述.最后我们

给出应用式(27)一式(32)计算的重叠设

计法实例。以1o=2.00m.6。=0.08rm.f=

&&emsp123;,fj一35rm,。一24 计算.结果列于表5

中.最后一栏还给出了使用f

光圈时实际能

保证摄影清晰范围.以结果可见.无论依据

一18—32另计算。还是按12一‘8 计算.其

结果均是比较合理拍.景探范围仍然较大.

衰5 叠设计法计算实例

f8时

i b fl fi

18— 32 1.82 2.20 3-37 1.42 25.9 1.05 co- 0.84

12— 48 1.59 2.52 2.65 1.54 8.25 1.12 ∞ 一0.88

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