CN218728502U - 一种内置微动机构的工业相机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种内置微动机构的工业相机，包括图像传感器、相机机身、微动机构，微动机构包括固定座、第一移动部和第二移动部，第一移动部设置在第二移动部上；微动机构固定安装在相机机身内部，图像传感器与第一移动部固定连接。通过第一移动部的移动带动图像传感器的运动，实现相机的像素位移功能。本实用新型设置的微驱动器安装方便，两个运动方向相互独立，不会出现耦合误差，采用平行四边形放大原理，使用较小的微驱动器即可产生很大的形变量，通过位移传感器实时反馈位移，精度高且不需要单独标定每个微驱动器。

Description

一种内置微动机构的工业相机

技术领域

本实用新型涉及像素位移相机技术领域，具体涉及一种内置微动机构的工业相机。

背景技术

在图像处理中，为了增强图像清晰度，常用的方法是像素位移方法，大致过程是：拍一张物体a的图片A，将物体a参照原始位置进行水平方向移动0.5 个像素，拍一张图片A0；将物体a参照原始位置进行垂直方向移动0.5个像素，拍一张图片A1；将物体a参照原始位置进行水平方向和垂直方向都移动0.5 个像素，拍一张图片A2。此时，得到了物体a的四张图片A/A0/A1/A2，再将此四张图片进行算法叠加，可得到四倍像素值的a的图片。

但在实际操作中，难点是如何精确的获取这四张图片，需实现纳米级控制，现有技术是通过在相机和镜头之间增设微运动平台，镜头可随微运动平台移动进行微小移动，实现相机拍摄特定位置的多张图像，具体结构详见授权公告号为CN212322037 U的中国实用新型专利《一种像素位移***》，其包括相机机身，微运动平台和转接结构，结构复杂庞大，且微运动平台暴露在外，容易受环境影响；微运动平台的结构中，X和Y方向运动容易相互影响，会产生耦合误差，对微驱动器施加切向力，产生运动耦合误差影响位移控制精度，微驱动器受到剪切力有损坏的风险。

实用新型内容

本实用新型提出的一种内置微动机构的工业相机，可解决上述技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种内置微动机构的工业相机，包括图像传感器、相机机身和微动机构，相机机身可以由前盖和后盖组成，前盖和后盖固定连接后形成一个密闭的腔体。图像传感器安装在所述第一移动部上。

微动机构固定安装在相机内部；微动机构上设置有两个不同移动方向的第一移动部、第二移动部，且所述第一移动部设置在所述第二移动部上。第二移动部可以相对固定座移动，第一移动部可以相对于第二移动部移动；第一移动部、第二移动部的移动方向均平行于所述图像传感器的感光面。

微动机构还包括固定座，固定座与第二移动部之间通过柔性铰链连接并设置有微驱动装置，微驱动装置可设置在固定座上；第一移动部与第二移动部之间通过柔性铰链连接并设置有微驱动装置，微驱动装置可设置在第二移动部上。

进一步的，第二移动部与固定座之间设置有位移传感器，第一移动部与第二移动部之间设置有位移传感器。

进一步的，第一移动部为X方向移动部，所述第二移动部为Y方向移动部， X方向和Y方向相互垂直。

进一步的，微驱动装置包括微驱动器固定结构和微驱动器，微驱动器固定结构为八边形薄板结构；微驱动器安装在微驱动器固定结构内，两端分别和八边形薄板结构的一对对边连接，其中沿着微驱动器的推动方向为长轴方向，垂直于微驱动器的推动方向为短轴方向；为满足位移放大的条件，八边形薄板结构长轴方向的距离大于短轴方向的距离。

进一步的，微驱动器为压电致动器、电磁式致动器、微动电机中的一种。

进一步的，柔性铰链为圆弧切口结构，垂直于对应的可移动部分位移方向对称分布。固定座与Y方向移动部之间的柔性铰链一端与固定座相连，另一端与Y方向移动部相连，且柔性铰链垂直于Y方向分布，使得Y方向移动部可以沿Y方向移动。Y方向移动部和X方向移动部之间的柔性铰链一端与Y方向移动部相连，一端与X方向移动部相连，且柔性铰链垂直于X方向分布，使得X 方向移动部可以沿X方向移动。

由上述技术方案可知，本实用新型的内置微动机构的相机与现有技术相比，优点如下：

1.现有技术通过移动镜头实现像素位移功能，微动机构及其控制器暴露在外，容易受到环境温湿度的影响，导致运动精度下降，微动平台与转接结构较臃肿，一体化程度低，本实用新型通过移动相机内部的图像传感器实现像素位移，将结构集成在相机内部，不易受环境影响且更美观，一体化程度高；

2.现有技术使用的微运动平台由微驱动器和柔性铰链组成，两个微驱动器分别控制X和Y方向的运动，该结构会产生运动耦合误差影响位移控制精度，且微驱动器受到剪切力有损坏的风险，本实用新型通过设计微动机构，将X和 Y方向运动解耦，不会产生耦合误差，不会对微驱动器施加切向力；

3.现有技术需要使用螺丝固定微驱动器，螺丝变形会导致位移损失且容易松，影响微驱动器位移控制精度，本实用新型通过直接使用微驱动器固定结构将微驱动器夹紧，无机械间隙，避免位移损失，保证位移控制精度；

4.本实用新型在柔性铰链上将微驱动器的固定结构设计为位移放大结构，采用平行四边形放大原理，使用较小的微驱动器即可产生很大的形变量；

5.现有技术无精确的位移反馈，只能通过标定确定电压与位移的关系，而不同微驱动器，不同安装角度都会对位移控制产生影响，需要对所有个体单独标定，时间长，效率低，本实用新型通过结构设计，在柔性铰链上设计两个位移传感器进行反馈，实现精确位移控制。

总的来说，本实用新型的相机通过移动图像传感器实现像素位移功能；相比目前移动镜头的方案，结构紧凑，一体化程度高；微动模块结构简单，功能可靠，位移精度高，微驱动器安装方便，两个运动方向相互独立，不会出现耦合误差，采用平行四边形放大原理，使用较小的微驱动器即可产生很大的形变量，通过位移传感器实时反馈位移，精度较高且不需要单独标定每个微驱动器。

附图说明

图1是本相机的***图；

图2是微动机构示意图；

图3是图2的A处放大图。

附图标记：

100、图像传感器；200、微动机构；300、前盖；400、后盖；210、位移传感器；220、X方向移动部；230、Y方向移动部；240、Y向柔性铰链；250、X向柔性铰链；260、微动机构固定座；A、微驱动装置；201、八边形薄板结构； 202、微驱动器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

一种内置微动机构的工业相机，包括图像传感器100、相机机身和微动机构200，相机机身可以由前盖300和后盖400组成，前盖300和后盖400固定连接后形成一个密闭的腔体。

微动机构200固定安装在相机内部；微动机构上设置有两个不同移动方向的第一移动部、第二移动部，且所述第一移动部设置在所述第二移动部上。第二移动部可以相对固定座移动，第一移动部可以相对于第二移动部移动；第一移动部、第二移动部的移动方向均平行于图像传感器的感光面。图像传感器100 安装在第一移动部上。

图像传感器在第一移动部的带动下在感光面平面上移动，即在像素排列的平面上移动，第一移动部、第二移动部联合作用以使，第一移动部沿像素排列的水平、竖直方向移动，从而实现像素位移功能。

实施例2：

本实施例所述的内置微动机构的相机，包括由前盖300和后盖400组成的相机机身、图像传感器100、微动机构200。

其中，微动机构200包括：位移传感器210、X方向移动部220、Y方向移动部230、Y向柔性铰链240、X向柔性铰链250、微动机构固定座260、微驱动装置A；其中微驱动装置A包括八边形薄板结构201、微驱动器202。

其中，微动机构200的X方向移动部220和Y方向移动部230相互嵌套，微动机构200是一个加工而成的金属结构件，即图2。柔性铰链是一种圆弧切口结构，其受力弯曲变形会产生有限角位移，由于材料本身有弹性且运动过程无摩擦等影响，通过控制变形能获得超高的位移分辨率。本实施例中，通过加工，在微动机构200上需位移的区域周围形成小的柔性铰链，这些柔性铰链垂直于位移方向对称分布，当微驱动装置A变形时，柔性铰链变形带动微位移区域产生位移。

上述柔性铰链起到柔性连接的作用，微驱动装置A通过自身的微运动驱动相应的可移动部分产生位移。Y方向移动部230和X方向移动部220之间通过柔性铰链连接，使得微动机构200的X方向运动和Y方向运动分别独立进行，不会互相影响，消除了耦合误差，也不会使微驱动器202受到剪切力有损坏的风险。

图3为微动机构200上，微驱动装置A的放大图，微驱动器固定结构为八边形薄板结构201，通过割槽与周围结构分离，八边形薄板结构201的对边平行且长度相等，微驱动器202安装在八边形薄板结构201内，两端分别和八边形薄板结构201的一对对边连接，其中沿着微驱动器202推动的方向为长轴方向，垂直于微驱动器202推动的方向为短轴方向；为满足位移放大的条件，八边形薄板结构201长轴方向的距离大于短轴方向的距离。

该八边形薄板结构201短轴方向的一边与固定部分相连，另一边与微动部分相连，长轴方向的两边相对较厚，用来固定微驱动器202，四个斜边相对较薄，形成柔性铰链，对微驱动器202的变形量进行机械放大，输出给微动部分。微驱动器202安装方向沿着长轴方向，通过八边形薄板结构的左右两边抵住微驱动器202的变形方向将其固定并提供一定预紧力，当微驱动器202伸长时，通过四条斜边形成的柔性铰链变形，带着八边形薄板结构201的左右两边伸长，同时上下两边距离会相应缩短，会带着相应移动部运动，实现像素位移功能。

由于采用了平行四边形放大原理，八边形薄板结构201会将微驱动器202 的伸长量放大，即八边形薄板结构201短轴两边距离的缩短量会大于微驱动器 202的伸长量，使用较小的微驱动器202即可产生很大的形变量。具体的放大系数为微位移区域的位移与微驱动器202的形变量之比，k＝l₂/l₁，l₂为微位移区域位移，l₁为微驱动器202的形变量，k可通过仿真或标定得到。

微动机构固定座260与Y方向移动部230之间设置有位移传感器210，Y 方向移动部230与X方向移动部220之间也设置有位移传感器210。位移传感器210能够实时反馈相应可移动部分的位移，实现精准位移控制。

具体的说：微动机构固定座260为固定区域，可以通过螺钉固定在相机内部，微动机构固定座260与Y方向移动部230之间通过X向柔性铰链250及Y向的微驱动装置A相连，Y向的微驱动装置A中的微驱动器202伸长缩短时，Y方向移动部230 整体随之进行Y向运动；同时设置在微动机构固定座260与Y方向移动部230之间的位移传感器210能及时检测Y方向移动部230的位移变化情况。Y方向移动部230 与X方向移动部220之间通过Y向柔性铰链240及X向的微驱动装置A相连，X向的微驱动装置A中的微驱动器202伸长缩短时，X方向移动部220整体随之进行X向运动；同时设置在Y方向移动部230与X方向移动部220之间的位移传感器210能及时检测X方向移动部220的位移变化情况。

图像传感器100为相机的图像采集部件，可通过螺钉固定在微动机构200上的微位移区域，即图像传感器100固定在微动机构200上的X方向移动部220。在安装时，使得X方向移动部220和Y方向移动部230的移动方向均平行于图像传感器100的感光面，即图像传感器100的像素排列平面上，进一步的，可以使X方向和Y方向分别为图像传感器100像素排列的水平或竖直方向。微动机构200可通过螺钉固定在前盖300内侧上，通过控制微驱动器202的伸长缩短，可实现对微位移区域的纳米级位移控制，从而带动图像传感器100进行纳米级位移，实现图像传感器100在其像素排列的水平或竖直方向移动，实现相机的像素位移功能。

通过设计电路，微驱动器202可实现亚纳米级的分辨率，微驱动器202工作需要一定的预紧力，通过结构设计，可将微驱动器202直接固定在微驱动装置A 中，通过结构将其卡紧，提供预紧力，同时使两个方向的运动相互独立，避免产生耦合误差或产生切向力损伤微驱动装置A。部分微驱动器202自带反馈，可显示其自身的伸长量，但考虑到装配误差，与实际图像传感器100的位移差异较大，为了保证位移精度及稳定性，在结构上设计两个位移传感器210来检测对应两个可移动部分的位移，位移传感器210固定在微动机构200上与微驱动装置A对称的方向，紧挨微位移区域，微驱动器202工作时，带动微位移区域产生位移，位移传感器210通过检测微位移区域距自身的距离变化来检测位移，位移传感器 210可使用电容传感器(分辨率可达纳米级)，实时反馈位移，实现精确位移控制，相比目前方案，不需要对每个微驱动器202单独标定，节省了时间，且更可靠。

本实施例中微驱动器202为压电致动器、电磁式致动器、微动电机中的一种。

在相机正常工作时，可通过控制施加给微驱动器202的电压来控制微驱动器 202沿长度方向伸长或缩短，微驱动器202固定在图2所示的微驱动装置A上，其伸长时，微驱动器202的固定结构会沿微驱动器202宽度方向缩短。图2所示的固定结构中，左右两侧为开槽，上侧与微动机构200的固定部分相连，下侧为微位移区域，微位移区域两侧通过对称分布的柔性铰链与微动机构200的固定部分相连，当微驱动器202的固定结构沿微驱动器202的宽度方向缩短时，使微位移区域向上侧移动，此时微位移区域与该方向上位移传感器210的距离变大，位移传感器210会反馈该位移变化。当微驱动器202缩短时，使微位移区域向下侧移动。即通过控制两个微驱动器202上的电压，可实现微位移区域在平面上的移动，通过位移传感器210可确认具***移量。通过设计电路，可使每次的位移都精确为半个像素的尺寸，图像传感器100随着微位移区域一起运动，从而实现像素位移功能。

综上所述，本实用新型实施例的优点如下：

相机通过移动图像传感器100实现像素位移功能；相比目前移动镜头的方案，结构紧凑，一体化程度高；微动模块结构简单，功能可靠，位移精度高：微驱动器202安装方便，两个运动方向相互独立，不会出现耦合误差，采用平行四边形放大原理，使用较小的微驱动器202即可产生很大的形变量，通过位移传感器210实时反馈位移，精度较高且不需要单独标定每个微驱动器202。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种内置微动机构的工业相机，包括图像传感器和相机机身，其特征在于：

还包括微动机构，固定安装在相机内部；

所述微动机构上设置有两个不同移动方向的第一移动部、第二移动部，且所述第一移动部设置在所述第二移动部上；所述第一移动部、所述第二移动部的移动方向均平行于所述图像传感器的感光面；

所述第一移动部上安装有所述图像传感器。

2.根据权利要求1所述的内置微动机构的工业相机，其特征在于：

所述微动机构还包括固定座，所述固定座与所述第二移动部之间通过柔性铰链连接；所述固定座上设置有微驱动装置。

3.根据权利要求2所述的内置微动机构的工业相机，其特征在于：

所述第一移动部与所述第二移动部之间通过柔性铰链连接，所述第二移动部上设置有微驱动装置。

4.根据权利要求3所述的内置微动机构的工业相机，其特征在于：所述第二移动部与所述固定座之间设置有位移传感器，所述第一移动部与所述第二移动部之间设置有位移传感器。

5.根据权利要求1所述的内置微动机构的工业相机，其特征在于：所述第一移动部为X方向移动部，所述第二移动部为Y方向移动部。

6.根据权利要求2、3任一所述的内置微动机构的工业相机，其特征在于：所述微驱动装置包括微驱动器固定结构和微驱动器，所述微驱动器固定结构为八边形薄板结构。

7.根据权利要求6所述的内置微动机构的工业相机，其特征在于：所述微驱动器安装在所述八边形薄板结构内，两端分别和八边形薄板结构的一对对边连接；其中，微驱动器推动方向与微驱动器固定结构的长轴方向一致，与对应移动部的位移方向垂直；

所述八边形薄板结构长轴方向的距离大于短轴方向的距离。

8.根据权利要求7所述的内置微动机构的工业相机，其特征在于：所述微驱动器为压电致动器、电磁式致动器、微动电机中的一种。

9.根据权利要求2、3任一所述的内置微动机构的工业相机，其特征在于：所述柔性铰链为圆弧切口结构，垂直于对应的移动部的位移方向对称分布。

10.根据权利要求1所述的内置微动机构的工业相机，其特征在于：相机机身包括前盖和后盖。

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