CN101401023A - 使用装有万向节的棱镜的光学图像稳定器 - Google Patents

使用装有万向节的棱镜的光学图像稳定器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于补偿诸如相机的成像***的不期望运动的光学图像稳定器。所述相机具有使用三棱镜来折叠光轴的折叠光学***。两个致动器用来围绕两个轴旋转所述棱镜，以便补偿所述相机的侧转运动和俯仰运动。所述棱镜可以安装在装有万向节的***或万向节上，并且两个致动器可操作地连接到所述装有万向节的***，以便旋转所述棱镜。可选择地，所述折叠光学***使用反射镜来折叠所述光轴，并且使用两个电动机旋转所述棱镜。

Description

使用装有万向节的棱镜的光学图像稳定器
技术领域
本发明通常涉及一种成像***，更具体地涉及一种用在成像***中的光学图像稳定器。
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。在曝光时间期间内照相机的任何运动都将引起投影在图像传感器上的图像的移位，导致形成的图像的品质下降。与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，特别容易发生运动模糊，这时只要有小的运动就可显著地降低所获得的图像的质量。
光学图像稳定通常涉及侧向移位投影在图像传感器上的图像以补偿照相机的运动。图像移位可以通过下列四个通用技术之一来完成：
透镜移位-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***的一个或多个透镜元件；
图像传感器移位-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；以及
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。
在上述任意一种图像稳定技术中，需要致动器机制来实现光轴的改变或图像传感器的移位。致动器机制通常是复杂的，这意味着它们价格昂贵且尺寸大。
因此，希望提供一种用于光学图像稳定的经济有效的方法和***，其中该稳定器可以是小尺寸的。
发明内容
本发明使用光学图像稳定器来补偿诸如相机的成像***的不期望运动。根据本发明，该相机具有使用三棱镜来折叠光轴的折叠光学***。两个致动器用来围绕两个轴旋转棱镜，以便补偿相机的侧转(yaw)运动和俯仰(pitch)运动。该棱镜可以安装在装有万向节的(gimballed)***或万向节上，而两个致动器可操作地连接到该装有万向节的***以便旋转该棱镜。
因此，本发明第一方面是一种成像***。该成像***包括：
成像媒介，位于图像平面上；
透镜模块，用于将图像投影到该成像媒介上，该透镜模块限定光轴；
光路折叠装置，相对于该透镜模块设置，用于折叠光轴；以及
运动机构，可操作地连接至光路折叠装置，用于移动该光路折叠装置，以便响应于该成像***的不期望运动来移位成像媒介上的图像。
成像媒介包括基本位于成像***的图像平面上的图像传感器。该光路折叠装置可以是棱镜或者诸如反射镜的反射面。该光路折叠装置可通过致动器或电动机而围绕基本垂直于图像平面的第一旋转轴以及围绕基本平行于图像平面和光路折叠装置的反射面的第二旋转轴来旋转。
本发明的第二方面是用在成像***中的光学图像稳定器模块，该成像***具有：位于图像平面内的图像传感器；用以将图像投影到该图像传感器上的至少一个透镜元件，该透镜元件限定了光轴；以及相对于该透镜元件而设置的反射面，其用于折叠该光轴。该图像稳定器模块包括：
运动机构，其可操作地连接到反射面，用于移动反射面以便响应于成像***的不期望运动来移位图像传感器上的图像。该运动机构可以包括由驱动***激励的两个致动器。该运动机构可以代替地包括两个电动机。
光学图像稳定器可以进一步包括：
驱动***，用于响应于成像***的不期望运动来激励所述运动装置；
位置感测装置，用于感测棱镜的当前位置；以及
处理模块，可操作地连接到位置感测装置和运动探测器，用于基于成像***的不期望运动和棱镜的当前位置来确定棱镜的移动量，以便为了补偿成像***的不期望运动而允许运动装置移动棱镜。
本发明的第三个方面是一种图像移位方法，其用于成像***中，以便补偿成像***的不期望运动。该成像***具有相对于透镜元件设置用于折叠光轴的反射面。该方法包括步骤：
围绕第一旋转轴旋转该反射面，该第一旋转轴基本垂直于图像平面，以及
围绕第二旋转轴旋转该反射面，该第二旋转轴基本平行于图像平面和反射面，以便移位图像传感器上的投影图像。
在阅读了结合图1至图11所进行的描述后，本发明将变得清晰。
附图说明
图1为一种具有折叠光学器件的照相电话的示意性表示；
图2为一种成像***的示意性表示，该成像***具有多个透镜元件、图像传感器和用于折叠成像***的光轴的棱镜；
图3示出了具有涉及成像***侧转和俯仰的两个旋转轴的棱镜；
图4a至图4c示出了如何旋转该棱镜以校正因成像***的俯仰运动导致的运动模糊；
图5a示出了一种使用弯曲致动器的方式，以围绕Y轴旋转该棱镜；
图5b示出了另一种使用弯曲致动器的方式，以围绕Y轴旋转该棱镜；
图5c示出了一种使用轴上致动器的方式，以围绕Y轴旋转该棱镜；
图5d示出了一种用于围绕Y轴旋转该棱镜的运动机构；
图6a示出了该棱镜的俯视图；
图6b示出了一种使用弯曲致动器的方式，以围绕Z轴旋转该棱镜；
图6c示出了另一种使用弯曲致动器的方式，以围绕Z轴旋转该棱镜；
图6d示出了一种使用轴上致动器的方式，以围绕Z轴旋转该棱镜；
图6e示出了一种用于围绕Z轴旋转该棱镜的运动机构；
图7a示出了一种根据本发明用于光学图像稳定器的具有装有万向节的棱镜的折叠光学器件的侧视图；
图7b示出了该装有万向节的棱镜的细节；
图7c示出了具有用于固定安装弯曲致动器的长槽的成像***的局部；
图8示出了万向节和棱镜的正视图；
图9a示出了万向节的示范性实施例，该万向节具有用于使其围绕两个轴旋转的两个弯曲致动器；
图9b示出了该万向节的另一视图；
图10示出了用于驱动致动器的典型驱动***；
图11示出了典型的光学图像稳定***。
具体实施方式
在具有图像传感器以及用以沿光轴将图像投影到该图像传感器的透镜的成像***中，本发明使用三棱镜来折叠光轴。在诸如移动电话的薄型电子装置中，实现具有折叠光学器件的成像***是特别有用的。图1为具有折叠光学器件的照相电话的示意性表示。
如图1所示，该移动电话1具有相机或成像***10，以便允许使用者使用该成像***拍照。如图1和图2所示，折叠该成像***10的基本平行于Z轴的光轴，以使所折叠的光轴基本平行于X轴。如图2所示，该成像***10包括位于图像平面上的图像传感器50、前透镜或窗口20、三棱镜30以及可能的多个其它透镜元件40。当使用者使用诸如移动电话1的照相电话拍照时，该使用者的手可能不自觉地抖动，引起该移动电话以俯仰运动围绕Y轴旋转，并且以侧转运动围绕Z轴旋转。这些运动会向图像传感器50上曝光的图像引入运动模糊。
为了补偿在曝光时间期间的俯仰运动和侧转运动，使用了光学图像稳定器。根据本发明，该光学图像稳定器包括用于引起棱镜围绕两个轴旋转的两个致动器。棱镜的旋转轴如图3所示。如图3所示，棱镜30具有基本平行于Z-X平面的两个三角形表面38、39，基本平行于X-Y平面的底部36，基本平行于Y-Z平面的前表面32以及与底部36呈45度角的后表面34。为了减少运动模糊，可以使棱镜围绕Z轴和Y轴旋转。
已知在本领域中，当光以平行于X轴的方向从棱镜的前表面32进入棱镜时，光束在后表面34处因全内反射(TIR)而被反射。图4a示出了棱镜30处于其正常位置。当光束以45度的入射角碰到后表面34时，其基本沿着Z轴或成像***的光轴的方向朝着图像传感器反射。如图4b所示，当在逆时针方向围绕Y轴有效地旋转棱镜30时，使得反射光束旋转了正角β。如图4c所示，当在顺时针方向使棱镜30围绕Y轴旋转时，使反射光束有效地旋转了负角-β。因此，棱镜围绕Y轴倾斜能够用来补偿成像***上的不期望的俯仰运动。
通过使用可操作地连接到驱动电子模块上的致动器，可以实现棱镜的倾斜，该驱动电子模块从运动感测装置接收到信号后激励致动器(见图10)。图5a至图5c示出了如何使用致动器来围绕Y轴旋转棱镜以用于俯仰运动补偿的几个实例。图5a示出了用来围绕Y轴旋转棱镜30的弯曲致动器70。如图所示，弯曲致动器70的一端72固定地安装在成像***上，而另一端74可操作地连接到棱镜30。一旦激励，端74的弯曲运动使棱镜30倾斜。图5b示出了用来围绕Y轴旋转棱镜30的弯曲致动器80。如图所示，弯曲致动器80的两个端82、84固定地安装在成像***上，而弯曲致动器80的中间部86可操作地连接到棱镜30。一旦激励，中间部86的弯曲运动使棱镜30倾斜。应该注意的是，也可以固定地安装弯曲致动器80的中间部而将弯曲致动器80的一端或两端可操作地连接到棱镜，以使棱镜30倾斜。
图5c示出了用来围绕Y轴旋转棱镜的轴上致动器90。如图所示，致动器90的一端92固定地安装在成像***上，而另一端94可操作地连接到棱镜30。一旦激励，致动器90的收缩或扩展使棱镜30倾斜。
图5d示出了用来使棱镜30围绕Y轴旋转棱镜的运动装置95，诸如电磁步进电动机、超声压电电动机等。
棱镜30为侧转运动补偿而围绕Z轴的旋转也可以通过致动器来实现。图6a是棱镜30的俯视图，示出了涉及棱镜30的各个表面的旋转轴。图6b至图6d示出了如何使用致动器来围绕Z轴旋转棱镜以用于侧转运动补偿的几个实例。图6b示出了用来围绕Z轴旋转棱镜30的弯曲致动器170。如图所示，弯曲致动器170的一端172固定地安装在成像***上，而另一端174可操作地连接到棱镜30。一旦触发，端174的弯曲运动使棱镜30转动。图6c示出了用来围绕Z轴旋转棱镜30的弯曲致动器180。如图所示，弯曲致动器180的两端182、184固定地安装在成像***上，而弯曲致动器180的中间部186可操作地连接到棱镜30。一旦激励，中间部186的弯曲运动使棱镜30转动。应该注意的是，也可以固定地安装弯曲致动器180的中间部而将弯曲致动器180的一端或两端可操作地连接到棱镜，以使棱镜30倾斜。
图6d示出了用来围绕旋转轴旋转棱镜的轴上致动器190。如图所示，致动器190的一端192固定地安装在成像***上，而另一端194可操作地连接到棱镜30。一旦激励，致动器190的收缩或扩展使棱镜30转动。
图6e示出了用来使棱镜30围绕Z轴旋转棱镜的运动装置195，诸如电磁步进电动机、超声压电电动机等。
成像***中的棱镜30的转动和倾斜可以通过使用在例如图7a至图7c所示的装有万向节的***中或者在如图8至图9b所示的万向节中的两个弯曲致动器来实现。
图7a至图7c图示了如何使用两个弯曲致动器围绕成像***10中的Z轴和Y轴旋转棱镜。图7a示出了根据本发明的具有用于光学图像稳定的装有万向节的棱镜***200的折叠光学器件的侧视图。棱镜30藏在装有万向节的***200内部。图7b示出了装有万向节的棱镜***200的细节。如图7b所示，装有万向节的棱镜***200以用于Y轴旋转的第一枢轴202和用于Z轴旋转的第二枢轴204而安装在成像***上。装有万向节的棱镜***200具有用于围绕Y轴倾斜棱镜(未示出)的第一弯曲致动器210和用于围绕Z轴转动棱镜的第二弯曲致动器230。如图所示，支架222用来安装弯曲致动器210的固定端212。另一个支架224可操作地连接到弯曲致动器210的另一端214。支架224联接(link)到棱镜***200，以便致动器端214上的弯曲运动通过支架224使棱镜围绕枢轴202旋转。如图7c所示，成像***10的外壳的部分具有用于固定地安装弯曲致动器230的固定端232的狭槽252。弯曲致动器的可动端234可操作地连接到支架244，该支架244联接到棱镜***200，以便致动器端234上的弯曲运动使棱镜围绕枢轴204旋转。
图8示出了万向节300的机构。万向节也被公知为万向悬架。如图8所示，万向节300具有外环和内环以及位于两个交叉轴上的两对接头。当棱镜30固定地安装在内环上时，能够使其在不同方向移动以用于侧转和俯仰补偿。
图9a和图9b示出了具有用于使万向节围绕两个轴旋转的两个弯曲致动器的万向节的示范实施例。如图9a和图9b所示，万向悬架以枢轴302可动地安装在支架390上，以便能使万向节300的外环360围绕Z轴旋转。用于固定地安装棱镜30的内环350以枢轴304可动地安装在外环360上，以便能使内圈350围绕Y轴旋转。第一弯曲致动器310具有固定端312和可动端314。固定端312通过支架322固定地安装在成像***(未示出)上。弯曲致动器310的可动端314可操作地连接到支架324，该支架324联接到外环360。这样，致动器端314处的弯曲运动能够使外环360围绕枢轴302旋转，以用于侧转运动补偿。类似地，第二弯曲致动器330具有固定端332和可动端334。固定端332通过支架342固定地安装在成像***上。弯曲致动器330的可动端334可操作地连接到支架344，该支架344联接到内环350。这样，致动器端334处的弯曲运动能够使内环350围绕枢轴304旋转以用于俯仰运动补偿。
应该注意的是，根据本发明，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、离子导电聚合物致动器等。此外，在本领域中已知的是，致动器需要用于激励致动器的驱动***。图10是典型的驱动***。如图所示，致动器可操作地连接到驱动电子模块，该驱动电子模块连接到相机运动传感器/信号处理器，，以便致动器响应于相机运动而移动成像部件。驱动***不是本发明的部分。而且，成像***的透镜可以包括两个或更多透镜元件，并且致动器可以用于移动一个或多个透镜元件。
另外，当为了图像稳定的目的而沿一个或两个轴旋转棱镜30时，还需要其它部件。例如，用于成像***的图像稳定器还具有运动探测器，其确定有待补偿的运动；至少一个位置传感器，其确定棱镜相对于两个旋转轴的当前位置；信号处理器，其基于棱镜的位置与相机的运动来计算用于补偿相机运动的不同方向旋转量；以及控制模块，其用来激励运动机构，以便使棱镜以期望的量旋转。图11中示出了说明这种图像稳定器的方块图。运动探测器可以包括例如回转仪或加速计。
成像***的透镜可以包括两个或更多的透镜元件，而致动器可以用于移动一个或多个的透镜元件。
本领域技术人员应该理解的是，用来折叠光轴(或光路)的棱镜可以与图2至图4所示的棱镜30不同。例如，棱镜的前表面32(见图3)不一定垂直于底部36并且后表面34与底部36之间的角度不一定为45度。此外，具有一个或多个反射面的不同的光学部件也可以用作折叠成像***的光轴或光路的光学折叠装置。如图7a至图9b所示，装有万向节的棱镜和万向节只是为了说明的目的。使用两个致动器来旋转诸如棱镜的光学折叠装置的本发明，还可利用不同的万向节设计或布置来实现。
因此，尽管已经结合本发明的一个或多个实施例描述了本发明，但本领域技术人员应该理解的是，在不脱离本发明范围的前提下，可以对本发明的形式和细节作出前述的和各种其它改变、省略以及变化。

Claims (16)

1、一种成像***，其特征在于：
成像媒介，其位于图像平面上；
透镜模块，其用于将图像投影到所述成像媒介上，所述透镜模块限定光轴；
光路折叠装置，其相对于所述透镜模块设置，用于折叠所述光轴；以及
运动机构，其可操作地连接到所述光路折叠装置以用于移动所述光路折叠装置，以便响应于成像***的不期望运动来移位所述成像媒介上的图像。
2、如权利要求1所述的成像***，其特征在于，所述成像媒介包括基本位于所述成像***的图像平面上的图像传感器。
3、如权利要求2所述的成像***，其特征在于，所述光路折叠装置包括棱镜，该棱镜具有前表面、底表面以及与所述前表面和底表面接合的后表面，并且所述前表面基本垂直于所述图像平面，所述底表面基本平行于所述图像平面，而所述后表面用于通过反射来折叠光轴。
4、如权利要求3所述的成像***，其特征在于，所述棱镜围绕基本垂直于所述图像平面的第一旋转轴以及围绕基本平行于所述图像平面和所述棱镜的后表面的第二旋转轴可旋转。
5、如权利要求4所述的成像***，其特征在于，所述运动机构包括用于围绕所述第一旋转轴旋转所述棱镜的第一运动装置和用于围绕所述第二旋转轴旋转所述棱镜的第二运动装置。
6、如权利要求5所述的成像***，其特征在于，所述第一和第二运动装置中的一个或二者包括致动器。
7、如权利要求5所述的成像***，其特征在于，所述第一和第二运动装置中的一个或二者包括电动机。
8、一种用在成像***中的光学图像稳定器模块，所述成像***具有：位于图像平面上的图像传感器；将图像投影在所述图像传感器上的至少一个透镜元件，该透镜元件限定光轴；以及相对于所述透镜元件设置以用于折叠光轴的反射面，所述图像稳定器模块其特征在于：
运动机构，其可操作地连接到所述反射面，用于移动所述反射面，以便响应于成像***的不期望运动来移位所述图像传感器上的图像。
9、如权利要求8所述的光学图像稳定器模块，其特征在于，所述反射面是棱镜的部分，所述棱镜具有前表面、底表面以及接合所述前表面和底表面的后表面，并且所述前表面基本垂直于所述图像平面，所述底表面基本平行于所述图像平面，而所述后表面用于折叠所述光轴，并且其中所述运动机构包括：
第一运动装置，其可操作地连接到所述棱镜，用于围绕第一旋转轴旋转所述棱镜，所述第一旋转轴基本垂直于所述图像平面，以及
第二运动装置，其可操作地连接到所述棱镜，用于围绕第二旋转轴旋转所述棱镜，所述第二旋转轴基本平行于所述图像平面和所述棱镜的后表面。
10、如权利要求9所述的光学图像稳定器模块，其特征在于，所述第一运动装置包括第一致动器，以及所述第二运动装置包括第二致动器，所述光学图像稳定器模块其特征进一步在于：
驱动***，用于基于所述成像***的不期望运动来激励所述第一和第二致动器。
11、如权利要求10所述的光学图像稳定器模块，其特征在于，所述第一和第二致动器中的至少一个包括弯曲致动器。
12、如权利要求10所述的光学图像稳定器模块，其特征在于，所述第一和第二致动器中的至少一个包括轴上致动器。
13、如权利要求9所述的光学图像稳定器模块，其特征在于，所述第一运动装置包括电动机，并且所述第二运动装置包括电动机，所述光学图像稳定器模块其特征进一步在于：
驱动***，其用于响应于成像***的不期望运动而激励所述电动机。
14、如权利要求8所述的光学图像稳定器模块，其特征进一步在于：
驱动***，用于响应于成像***的不期望运动而激励所述运动装置；
位置感测装置，用于感测所述棱镜的当前位置；以及
处理模块，可操作地连接到所述位置感测装置和运动探测器，用于基于所述成像***的不期望运动和所述棱镜的当前位置来确定所述棱镜的移动量，以便为补偿所述成像***的不期望运动而允许所述运动装置移动所述棱镜。
15、一种图像移位方法，其用在成像***中，以便补偿成像***的不期望运动，所述成像***具有：
图像传感器，其位于所述成像***的图像平面上；
至少一个透镜元件，用于将图像投影到所述图像传感器上，所述透镜元件限定光轴；以及
棱镜，其相对于透镜元件而设置，用于折叠所述光轴，其中所述棱镜具有前表面、底表面以及与所述前表面和底表面接合的后表面，并且其中所述前表面基本垂直于所述图像平面，所述底表面基本平行于所述图像平面，而所述后表面用于通过反射来折叠所述光轴，所述方法其特征在于：
围绕第一旋转轴旋转所述棱镜，所述第一旋转轴基本垂直于所述图像平面，以及
围绕第二旋转轴旋转所述棱镜，所述第二旋转轴基本平行于所述图像平面和所述棱镜的后表面，以便移位所述图像传感器上的投影的图像。
16、如权利要求15所述的移位方法，其特征进一步在于：
可操作地将第一运动装置连接到所述棱镜；
可操作地将第二运动装置连接到所述棱镜；
激励所述第一运动装置，以便实现所述棱镜围绕所述第一轴的旋转；以及
激励所述第二运动装置，以便实现所述棱镜围绕所述第二轴的旋转，其中所述激励是对所述成像***的不期望运动的响应。
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