CN101317118A - 用于图像稳定的方法和*** - Google Patents

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CN101317118A CNA2006800447324A CN200680044732A CN101317118A CN 101317118 A CN101317118 A CN 101317118A CN A2006800447324 A CNA2006800447324 A CN A2006800447324A CN 200680044732 A CN200680044732 A CN 200680044732A CN 101317118 A CN101317118 A CN 101317118A
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Abstract

一种在照相机中使用的光学图像稳定器，用于补偿照相机的不期望的运动，其中使用两个弯曲致动器在平面上以不同的方向移动透镜元件或图像传感器，以便响应于不期望的照相机运动而移动图像传感器上的投射图像。该平面基本上垂直于照相机的光轴，并且每个弯曲致动器的纵轴基本上平行于光轴。致动器可以一端固定安装，以允许其另一端弯曲。致动器可以两端固定安装，以便允许中间部分弯曲。可选地，中间部分固定安装并且两端可用于移动成像组件。

Description

用于图像稳定的方法和***
技术领域
本发明一般涉及照相机，并且更特别地涉及在照相机的曝光时间期间的图像稳定。
背景技术
图像稳定的问题可以追溯到摄影术的开始，并且该问题涉及这样的事实，即图像传感器需要足够的曝光时间来形成相当好的图像。在曝光时间期间内的任何照相机的运动都将引起投射在图像传感器上的图像的移动，导致形成的图像的品质下降。运动相关的品质下降称为运动模糊。在照相时用一只或两只手握住照相机，几乎不可能避免在相当长的曝光时间期间的不期望的照相机运动。当照相机设置为高变焦比时，甚至小的运动就可显著地降低所获得的图像的质量，这时特别容易发生运动模糊。
光学图像稳定通常涉及侧向移动投射在图像传感器上的图像以补偿照相机的运动。图像移动可以通过下列四个通用技术之一来完成：
透镜移动-该光学图像稳定方法涉及在与光学***的光轴基本上垂直的方向上移动该光学***的一个或多个透镜元件；
图像传感器移动-该光学图像稳定方法涉及在与光学***的光轴基本上垂直的方向上移动图像传感器；
液体棱镜-该方法涉及将密封在两个平行板之间的液体的层改变为楔形以通过折射来改变***的光轴。
照相机模块倾斜-该方法保持光学***中的所有组件不改变，同时倾斜整个模块以便相对于景物移动光轴。
在上述图像稳定技术的任意一种中，需要致动器机构来实现光轴的改变或图像传感器的移动。致动器机构通常是复杂的，这意味着它们价格昂贵且尺寸大。
本发明提供了用于在XY平面中移动一个或多个透镜元件或图像传感器的新的方法和设备，其中致动器被配置得与上述方法不同。
发明内容
本发明使用光学图像稳定器来补偿例如照相机的成像***的不期望运动。使用两个分离的弯曲致动器在平面上以不同的方向移动透镜元件或图像传感器，以便基于成像***的运动来移动在图像传感器上的投射的图像。该平面基本上垂直于成像***的光轴，并且每个弯曲致动器的纵轴基本上平行于该平面。在本发明的一个实施例中，每个弯曲致动器的一端固定设置在图像***上，并且另一端用来移动透镜元件或图像传感器。在本发明的另一个实施例中，每个弯曲致动器的两端都固定，同时允许中间部分运动，用以移动透镜元件或图像传感器。
因此，本发明提供了一种用于成像***中的光学图像稳定的方法和***，该成像***包括与光轴相关联地设置的多个成像组件，该成像组件包括图像传感器和用于将图像投射到图像传感器上的至少一个透镜元件，其中投射的图像可以相对于图像传感器在与光轴基本上平行的方向上移动。该成像***包括：
第一弯曲致动器，可操作地连接到至少一个成像组件，用于在第一方向上移动该成像组件，该第一弯曲致动器具有限定第一致动器轴的长度；
第二弯曲致动器，可操作地连接所述至少一个成像组件，用于在第二方向上移动该成像组件，该第二弯曲致动器具有限定第二致动器轴的长度，其中该图像平面和第一和第二致动器轴中的每个形成小于45度的角度；
驱动***，用于响应于成像***的运动，引起第一致动器的至少一部分在不同于第一致动器轴的方向上运动，以便在基本上垂直于光轴的平面中移动所述至少一个成像组件，以及引起第二致动器的至少一部分在不同于第二致动器轴的方向上运动，以便在基本上垂直于光轴的平面中移动所述至少一个成像组件。成像组件可以是透镜组件或图像传感器。
每个弯曲致动器可以以多种方式安装在成像***上。致动器可以在其一端上固定安装，以便允许另一端弯曲。致动器可以在两端上固定安装，以便允许中间部分运动。可选地，致动器可以在中间部分上固定安装，以便可以使用一端或两端来移动成像组件。
在结合附图3到16阅读了本说明书之后，将使本发明变得明显。
附图说明
图1示出了成像***的光轴与XY-平面之间的关系；
图2示出了平行于Y轴设置的轴上致动器；
图3示出了弯曲或离轴致动器；
图4a示出了根据本发明的用于沿X轴移动载体的弯曲致动器；
图4b示出了根据本发明的用于沿Y轴移动载体的弯曲致动器；
图5根据本发明一个实施例的成像***的示意性表示；
图6示出了具有用于在成像***中移动透镜元件的两个弯曲致动器的载体；
图7a到图7c示出了被向左上、中间和右下方位置移动的载体；
图8示出了根据本发明另一实施例的成像***的示意性表示；
图9示出了具有用于安装图像传感器的另一载体；
图10a和10b示出了具有不同安装布置的载体；
图11示出了不同的弯曲致动器；
图12示出了根据本发明的不同实施例的具有两个弯曲致动器的透镜载体；
图13示出了根据本发明的不同透镜载体设计；
图14示出了用于驱动弯曲致动器的典型的驱动***；
图15示出了关于成像***的光轴的弯曲制动器放置的变型；
图16示出了典型的图像稳定器***。
具体实施方式
在具有图像传感器和将图像投射到图像传感器上的透镜的成像***中，本发明使用一个或多个弯曲致动器为图像稳定的目的而移动投射在图像传感器上的图像。致动器可以用于在一个或多个基本上平行于图像平面的方向上移动透镜或图像传感器或其两者。致动器与承载待移动的成像组件的载体机械地啮合。
当轴上致动器激活时，致动器在缩短或延长致动器的厚度或长度的方向上收缩或延伸。例如，如果致动器为沿其长度具有纵轴的压电材料的长条，则当激活时，致动器的位移是沿纵轴的，如图2所示。如图3所示在弯曲致动器中，致动器的位移不是沿其长度或纵轴的。相反，该位移为离轴的并且约等于长度乘以弯曲角度。
当使用弯曲致动器在照相机中移动透镜元件或图像传感器时，弯曲致动器可以设置为使得致动器的纵轴垂直于成像***中成像组件的移动方向，但基本并行于成像组件移动所在的平面。图4a和图4b示出了使用弯曲致动器在X方向和Y方向上移动载体的原理，其中光轴平行于Z轴。
根据本发明的一个实施例，透镜固定安装在将由一对弯曲致动器移动的载体上，如图5和图6所示。如图所示，根据本发明的成像***1包括设备主体10，用于沿成像***的光轴安装图像传感器80以及用于将图像投射到该图像传感器上的透镜60。透镜60固定安装在载体30上。该载体可以由第一弯曲致动器42在X方向上移动并且由第二弯曲致动器52在Y方向上移动。第一弯曲致动器42安装在透镜板20的外部支撑框架40上，以及第二弯曲致动器52安装在内部支撑框架50上。如图6所示，内部支撑框架50具有一对支架46，以及每对支架安装在导销44上，以便允许内部支撑框架通过滑动而沿着X方向移动。类似地，载体30具有两对支架56，以及每对支架安装在导销54上，以便允许载体30通过滑动而沿着Y方向移动。如图所示，第一弯曲致动器42的一端固定安装在外部支撑框架40上，以及在激活时，允许另一端侧向移动。第一弯曲致动器42的可移动端由弹簧48来促动，以便向内移动。当第一弯曲致动器42侧向移动时，其在X方向上推动内部支撑框架50。同样，第二弯曲致动器52的一端固定安装在内部支撑框架50上，以及在激活时，允许另一端侧向移动。第二弯曲致动器52的可移动端由弹簧58来促动，以便向内移动。当第二弯曲致动器52侧向移动时，其在Y方向上推动载体30。
在图7a到图7c中描述了透镜60在各个方向上的移动。图7a示出了被移动至透镜板20的左上角的透镜60。图7b示出了位于中间位置的透镜60，以及图7C示出了被移动至透镜板20的右下角的透镜60。
在图6中示出的致动器的布置还可以用于移动图像传感器80。如图8和图9所示，根据本发明的另一实施例，成像***1包括用于安装图像传感器80的传感器板22。图像传感器80及其电路板82固定安装在载体32上。载体32可以通过第一弯曲致动器42在X方向上移动，以及通过第二弯曲致动器52在Y方向上移动。传感器22的机械结构基本与透镜板20的机械结构相同。因此当第一弯曲致动器42侧向移动时，其在X方向上推动内部支撑框架50连同图像传感器80。当第二弯曲致动器52侧向移动时，其在Y方向上推动载体32连同图像传感器80。
可以将透镜板和载体板构造得不同。如图10a和图10b所示，透镜板28被构造成具有例如在外部框架72内堆叠的两层。图10a示出了框架72的一侧。如图所示，第一弯曲致动器42和弹簧48安装在外部框架72上，而第二弯曲致动器52和弹簧58安装在内部框架74上。透镜60固定安装在透镜载体30上。图10b示出了外部框架72的另一侧。如图所示，外部框架72具有第一导销44和第二导销45，用于经由一对支架46和单个支架47来可移动地安装内部框架74。类似地，内部框架74具有第一导销54和第二导销55，用于移动地安装透镜载体30。这样的构造可以降低成像***的覆盖区(footprint)。
此外，弯曲致动器可以在不同的设置中使用。如图11所示，致动器的两端都固定安装到成像***的静止部分。当致动器激活时，致动器的中间部分经历弯曲运动以移动载体。例如，致动器33的两端固定安装到外部框架40，并且另一个致动器36的两个端固定安装到内部框架50，如图12所示。当致动器33激活时，其能够在X方向上移动内部框架50连同透镜60。同样，当致动器36激活时，其能够为图像稳定的目的而在Y方向上移动透镜载体30连同透镜60。在如图12所示的透镜板20上，使用弹簧34来促动致动器33沿着X方向向内运动，以及使用弹簧37来促动致动器36沿着Y方向向内运动。在不同的实施例中，固定安装在各端之间的一个或多个部分，以便允许两端都弯曲并使用一端或者两端来移动透镜板或者载体。
另外，可以如图13所示将该透镜载体设计得不同。如图13所示，透镜载体150包括校正框架158，用于经由支架153安装用于X方向运动的致动器152，以及用于经由支架156安装用于Y方向运动的另一致动器155。U型钩157固定地连接到支架156，并且另一个U型钩154固定地连接到支架153，以便移动透镜元件51。透镜元件51的位置基本上由每个钩154、157的平行部分来确定。例如，当致动器155响应于激活在Y方向上运动时，透镜元件由U型钩157引导以沿Y方向运动。
应当注意，根据本发明的弯曲致动器可以是压电单晶致动器、压电双晶致动器、压电多层致动器、离子传导聚合物致动器等。此外，在本领域中已知致动器需要用于激活致动器的驱动***。图14是典型的驱动***。如图所示，致动器的一端可操作地连接到驱动电子模块，该驱动电子模块连接到照相机运动传感器/信号处理器，使得致动器响应于照相机的运动而移动成像组件。优选地，当弯曲致动器仅仅一端固定安装在载体或者框架上时，如图6、图10a和图10b所示，该固定端可操作地连接到该驱动电子模块。但是，当弯曲致动器的两端都固定安装到载体或者框架上时，如图12所示，弯曲致动器的任一端都可以连接到该驱动电子模块。
此外，当为图像稳定的目的而移动一个或多个成像组件时，还需要其他组件。例如，用于成像***的图像稳定器还包括：运动检测器，以确定待补偿的运动；至少一个位置传感器，以确定成像组件的当前位置；信号处理器，以基于组件的位置和照相机运动来计算用于补偿照相机的运动的不同方向上的移动量；以及致动器控制，以激活致动器以便将图像组件移动一期望的量。图16示出了这样的图像稳定器的框图。运动检测器可以包括例如陀螺仪、加速度计或其他已知的运动检测器。
成像***的透镜可以包括两个或者更多透镜元件，并且致动器可以用于移动一个或多个透镜元件。
应当注意，在图6、图9和图10b，弯曲致动器被描述为放置在与XY平面基本上平行的载体中。但是，也可以不同地放置弯曲致动器。如图15所示，弯曲致动器42偏离XY平面放置，固定端与载体间隔开。在实践中，致动器42和XY平面之间的偏离平面角度不应当大于45度。
本领域技术人员应当理解，图6中描述的透镜板20、图9中描述的载体板22以及图10a中描述的透镜板28仅用于说明的目的。在其中使用两个弯曲致动器来移动例如透镜元件和图像传感器的成像组件的本发明还可以利用不同的板设计或配置来实现。此外，透镜板20、28以及载体板22中任一个均可以为光学图像稳定的目的而用于移动其他成像组件。例如，可以使用这些板其中之一在X方向和Y方向上分别移动两个光学楔形或薄棱镜。
因此，尽管已经针对本发明的一个或者多个实施例对其进行了描述，但是本领域技术人员应当知道前述和其在形式以及细节上的各种其它变化、省略以及偏移均可在不脱离本发明范围的情况下做出。

Claims (31)

1.一种成像***，包括与光轴相关联地设置的成像组件，该成像组件包括设置在图像平面中的图像传感器和用于将图像投射到该图像传感器上的至少一个透镜元件，其中该投射的图像响应于该成像***的运动相对于图像平面在与该光轴基本上垂直的方向上可移动，所述成像***的特征在于：
弯曲致动器，可操作地连接到至少一个该成像组件，该弯曲致动器具有限定致动器轴的长度；以及
驱动***，用于响应于该成像***的运动，引起致动器的至少一部分在不同于致动器轴的方向上运动，以便在基本上垂直于光轴的平面中移动所述至少一个成像组件。
2.根据权利要求1所述的成像***，其特征在于，所述至少一个成像组件的移动是在该平面中的第一方向上，所述成像***进一步的特征在于：
另外的弯曲致动器，可操作地连接到所述至少一个成像组件，该另外的弯曲致动器具有限定另外的致动器轴的长度，其中该另外的弯曲致动器可操作地连接到该驱动***，以引起该另外的致动器可以在不同于该另外的致动器轴的另外的方向上运动，以便在该平面中在不同于该第一方向的第二方向上移动所述至少一个成像组件。
3.根据权利要求1所述的成像***，其特征在于，所述一个成像组件包括透镜。
4.根据权利要求1所述的成像***，其特征在于，所述一个成像组件包括图像传感器。
5.根据权利要求1所述的成像***，其特征在于，所述致动器具有限定长度的第一端和相对的第二端，并且该第一端相对于光轴固定安装在该成像***上以及该第二端可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该致动器的第二端在不同于致动器轴的方向上可运动。
6.根据权利要求5所述的成像***，其特征在于，该致动器的第二端与该平面间隔开。
7.根据权利要求1所述的成像***，其特征在于，该致动器轴基本上垂直于该光轴。
8.根据权利要求2所述的成像***，其特征在于，该另外的致动器轴基本上垂直于该光轴。
9.根据权利要求1所述的成像***，其特征在于，所述致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，并且该第一和第二端两者都相对于光轴固定安装在该成像***上以及该中间部分可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该致动器的中间部分在不同于致动器轴的方向上可运动。
10.根据权利要求9所述的成像***，其特征在于，所述至少一个成像组件包括透镜。
11.根据权利要求1所述的成像***，其特征在于，所述致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，并且该中间部分相对于光轴固定安装在该成像***上以及该第一和第二端两者可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该致动器的第一和第二端两者在不同于致动器轴的方向上可运动。
12.根据权利要求2的成像***，其特征还在于，
运动传感模块，用于检测该成像***的运动。
13.根据权利要求12所述的成像***，其特征在于，该运动传感模块包括一个或多个陀螺仪传感器。
14.根据权利要求12所述的成像***，其特征在于，该运动传感模块包括一个或多个加速度计。
15.根据权利要求12的成像***，其特征还在于，
至少一个位置传感模块，用于确定待由该弯曲致动器移动的成像组件的当前位置。
16.根据权利要求15的成像***，其特征还在于，
处理器，可操作地连接到该运动传感模块和该位置传感模块，用于确定投射图像的移动量，以便补偿该成像***的运动，所述处理器还连接到该驱动***以引起致动器和另外的致动器运动。
17.根据权利要求1所述的成像***，其特征在于，该致动器轴和图像平面形成小于45度的角度。
18.一种在成像***中使用的移动方法，该成像***包括与光轴相关联地设置的成像组件，该成像组件包括至少一个图像传感器和用于将图像投射到该图像传感器上的透镜元件，其中该投射的图像在与该光轴基本上垂直的方向上在图像平面中可移动，所述方法的特征在于，
将至少一个成像组件可操作地连接到弯曲致动器，该弯曲致动器具有限定致动器轴的长度；以及
使得致动器的至少一部分在不同于致动器轴的方向上运动，以便在基本上垂直于光轴的平面中移动所述至少一个成像组件。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个成像组件的移动是在该平面中的第一方向上，所述方法进一步的特征在于，
将所述至少一个成像组件可操作地连接到另外的弯曲致动器，该另外的弯曲致动器具有限定另外的致动器轴的长度；以及
使得该另外的致动器的至少一部分在不同于该另外的致动器轴的另外的方向上运动，以便在基本上在该平面中在不同于该第一方向的第二方向上移动所述至少一个成像组件。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述一个成像组件包括透镜。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述一个成像组件包括图像传感器。
22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述致动器具有限定长度的第一端和相对的第二端，所述方法的进一步特征在于，
将该第一端相对于光轴固定安装在该成像***上以及将该第二端可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该致动器的第二端在不同于该致动器轴的方向上可运动。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，所述方法的进一步特征在于，
将该第一和第二端两者相对于光轴固定安装在该成像***上以及将该中间部分可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该致动器的中间部分在不同于该致动器轴的方向上可运动。
24.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，所述方法的进一步特征在于，
将该中间部分相对于光轴固定安装在该成像***上以及将该第一和第二端两者可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该致动器的第一和第二端两者在不同于该致动器轴的方向上可运动。
25.一种用于成像***的图像稳定器模块，该成像***包括与光轴相关联地设置的多个成像组件，该成像组件包括图像传感器和用于将图像投射到该图像传感器上的至少一个透镜元件，其中该投射的图像响应于该成像***的运动相对于图像传感器在与该光轴基本上垂直的方向上可移动，所述图像稳定器模块的特征在于，
第一弯曲致动器，可操作地连接到至少一个成像组件，该第一弯曲致动器具有限定第一致动器轴的长度，其中该第一致动器的至少一部分的尺寸被确定以在不同于该第一致动器轴的方向上运动，以便基于成像***的运动，在该平面中的第一方向上移动所述至少一个成像组件，以及
第二弯曲致动器，可操作地连接到所述至少一个成像组件，该第二弯曲致动器具有限定第二致动器轴的长度，其中该第二致动器的至少一部的尺寸被确定以在不同于该第二致动器轴的方向上运动，以便基于成像***的运动，在该平面中的第二方向上移动所述至少一个成像组件。
26.根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征在于，所述一个成像组件包括透镜。
27.根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征在于，所述一个成像组件包括图像传感器。
28.根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征还在于，
所述第一致动器具有限定所述第一致动器的长度的第一端和相对的第二端，其中该第一端相对于光轴固定安装在该成像***上以及该第二端可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该第一致动器的第二端在不同于该第一致动器轴的方向上可运动，以及
所述第二致动器具有限定所述第二致动器的长度的第一端和相对的第二端，其中该第一端相对于光轴固定安装在该成像***上以及该第二端可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该第二致动器的第二端在不同于该第二致动器轴的方向上可运动。
29.根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征在于，该第一致动器轴基本上垂直于该光轴，以及该第二致动器轴基本上垂直于该光轴。
30.根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征还在于，
所述第一致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，其中该第一和第二端两者相对于光轴固定安装在该成像***上以及该中间部分可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该第一致动器的中间部分在不同于该第一致动器轴的方向上可运动，以及
所述第二致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，其中该第一和第二端两者相对于光轴固定安装在该成像***上以及该中间部分可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该第二致动器的中间部分在不同于该第二致动器轴的方向上可运动。
31.根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征还在于，
所述第一致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，其中该中间部分相对于光轴固定安装在该成像***上以及该第一和第二端两者可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该第一致动器的第一和第二端两者在不同于该第一致动器轴的方向上可运动，以及
所述第二致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，其中该中间部分相对于光轴固定安装在该成像***上以及该第一和第二端两者可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该第二致动器的第一和第二端两者在不同于该第二致动器轴的方向上可运动。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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