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Die Erfindung betrifft einen optischen Bildstabilisator zur Anwendung bei mobil mitführbaren Geräten, insbesondere einem mobilen Endgerät oder einem bildaufnehmenden Gerät, beispielsweise eine Kamera, wobei das Gerät mit zumindest einer Kameraobjektivanordnung und einem an einem Träger angeordneten Bildsensor ausgestattet ist, und der Träger gegenüber einem Haltemittel in einem Gehäuse des mobilen Geräts im Gebrauch mittels elastischer und/oder flexibler Haltestrukturen beweglich angeordnet und durch Leiterbahnen elektrisch verbunden ist, sodass zum Ausgleich von störenden Bewegungen des Geräts der Bildsensor an dem Träger durch Aktoren relativ zu dem Haltemittel beweglich angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein mit einem solchen optischen Bildstabilisator ausgestattetes mobil mitführbares Gerät.
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Es ist bekannt, Kamerafunktionen in ein Mobilkommunikations-Endgerät zu integrieren. Solche Mobilkommunikations-Endgeräte mit einer Kameraobjektivanordnung sind inzwischen weit verbreitet. Dabei dient der optische Bildstabilisator der Korrektur von Verwackelungen bei der Bildaufnahme, während das Gerät in Bewegung ist, beispielsweise weil es von dem Benutzer unruhig gehalten wird.
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Bei den bekannten Verfahren der optischen Bildstabilisierung (OIS) wird die Bewegung des Geräts detektiert und die Position eines optischen Objektivs oder einer Kameraobjektivanordnung mittels Aktoren verändert, um so die Bildposition eines Objekts auf dem Bildsensor zu ändern und die Bewegung des Geräts zu kompensieren.
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Besonders nützlich ist eine optische Bildstabilisierung bei schwachem Licht beziehungsweise Dunkelheit. Denn in solch einer Situation muss die Kameralinse länger geöffnet bleiben, um ausreichend Licht einzufangen. Handbewegungen machen sich dann noch stärker auf Fotos und Videos bemerkbar. Sehr anfällig sind außerdem Teleobjektive. Hier verstärkt sich der Effekt von Bewegungen durch das engere Sichtfeld.
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Weiterhin werden gegenwärtig noch Verfahren der elektronischen Bildstabilisierung (Electronic Image Stabilization EIS) beziehungsweise der digitalen Bildstabilisierung (Digital Image Stabilization DIS) eingesetzt.
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Bei elektronischen Bildstabilisierungsverfahren wird die Handbewegung anhand der gespeicherten Bilddaten detektiert und anschließend durch Bildbearbeitungsprogramme korrigiert. Prinzipbedingt ist dadurch nicht mehr die komplette Aufnahme sichtbar, da die Ränder als Puffer dienen und der Bildoptimierung geopfert werden.
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Bei einer auch als „Sensor-Shift Stabilisierung“ bezeichneten und durch offenkundige Vorbenutzung bekannten Vorrichtung werden die Bewegungen des Geräts durch Aktoren und Sensoren ausgeglichen, wobei lediglich der Bildsensor in verschiedene Richtungen bewegt wird. Demnach werden also nicht die gesamte Kameraobjektivanordnung, beispielsweise die Linsen der Kamera-Optik oder das gesamte Kamera-Modul in seinem Träger, bewegt, sondern lediglich der eigentliche Bildsensor in seiner Position verschoben, um so unerwünschte Gerätebewegungen oder Vibrationen auszugleichen.
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Der Hauptvorteil dabei ist, dass der Bildsensor viel leichter ist als der Objektivtubus, sodass die Verschiebung des Bildsensors zu einer reaktionsfähigeren und präziseren Stabilisierung führt.
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Hierzu ist eine Lösung bekannt geworden, bei welcher der Bildsensor auf einem flexiblen gedruckten Schaltungsträger (FPC) angeordnet ist und dadurch eine eingeschränkte Beweglichkeit erhält. Der flexible Schaltungsträger ist durch mehrere Arme mit zwei Ankerpunkten einer starren Leiterplatte verbunden. Durch die flexiblen Arme kann der Bildsensor in der Ebene bewegt werden. Dabei erfüllt also der flexible, gedruckte Schaltungsträger sowohl die Aufgabe der elektrischen Kontaktierung als auch die der mechanischen und beweglichen Halterung des Trägers durch elastische bzw. flexible stegförmige Haltestrukturen.
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Die
WO 2014 / 083 318 A1 und die
WO 2013 / 175 197 A1 offenbaren jeweils ein optisches Bildstabilisierungssystem für eine bewegliche Anordnung einer Kameralinse, die von einem Biegeelement oder einer Federplatte auf einer stationären Stützanordnung getragen wird, die als Federn wirken, um die Bewegung relativ zu der stationären Stützanordnung zu ermöglichen. Hierzu dienen Drähte aus Formgedächtnislegierung, wobei die Federung durch Anlegen elektrischer Antriebssignale an die Drähte betätigt wird.
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Ferner offenbart auch die
WO 2016 / 089 956 A1 ein optisches Bildstabilisierungssystem für eine Kameralinse, beispielsweise in Mobiltelefonen.
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Aus der
US 2020 / 0 124 839 A1 ist ein optischer Bildstabilisator (OIS) zur Anwendung bei mobil mitführbaren Geräten bekannt. Das Gerät ist mit zumindest einer Kameraobjektivanordnung und der Bildstabilisator mit einem Bildsensor ausgestattet. Flexible Haltestrukturen dienen dem Ausgleich der Bewegung eines mit einer Linse verbundenen optischen Elements.
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Ferner zeigt die
US 2017 / 0 261 762 A1 einen Bildstabilisierungsmechanismus mit einem beweglichen Element, das eine optische Linse hält, wobei das bewegliche Element mittels Zugfedern gegen ein feststehendes Element gedrückt wird.
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Aus der
CN 1 12 399 043 A ist ein optischer Bildstabilisator mit einem eine Lagerung aufweisenden Betätigungselement und einem Bildsensor bekannt. Bei einem Aufprall wird die Lagerung durch eine elektrostatische Anziehungskraft angezogen, sodass der Bildstabilisator frei von einer Aufhängungsstruktur ist und der Bildsensor sich in einem nicht gefederten Zustand befindet, wodurch der optische Bildstabilisator stabilisiert wird.
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Als problematisch hat sich dabei die elektrische Kontaktierung vor allem im Übergangsbereich zwischen dem Träger des Bildsensors und dem Haltemittel in dem Gehäuse des mobilen Geräts des gegenüber dem Träger und somit dem stationären mobilen Gerät beweglichen Bildsensors erwiesen. Insbesondere besteht beim Stand der Technik ein Zusammenhang zwischen der erwünschten einfachen und widerstandslosen Bewegung des Bildsensors einerseits und der Belastbarkeit und Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen zu dem Bildsensor andererseits.
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Außerdem ist in der Praxis für eine optimale Funktion des Bildstabilisators eine ebene Bewegung der Trägerplatte des Bildsensors bei der mechanischen Auslenkung mittels der Aktoren erforderlich, da es anderenfalls zu Abbildungsfehlern kommt. Beim Stand der Technik wirkt sich die weitgehend richtungsunabhängige Verformbarkeit der gedruckten Schaltungsträger nachteilig aus, sodass es zu einer unerwünschten „out-of plane“ Bewegung des Trägers, also einer Auslenkung der Trägerplatte aus der Ebene, kommt.
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Es sind bereits Überlegungen dahingehend angestellt worden, durch zusätzliche Führungen, beispielsweise Schiebeführungen, die Beweglichkeit auf die gewünschte ebene Bewegung zu beschränken. Obwohl sich solche Führungen bereits als grundsätzlich realisierbar erwiesen haben, kommt es dadurch zugleich zu einer Erhöhung der Reibungswiderstände und somit zu einer Verzögerung der Reaktionsgeschwindigkeit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Bildstabilisator zu schaffen, mit dem die Bilderfassung mittels des Bildsensors wesentlich verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem optischen Bildstabilisator gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist also ein optischer Bildstabilisator vorgesehen, bei dem der Träger hergestellt ist als ein Substrat aus Glas, in den linien- und/oder nutenförmige Ausnehmungen eingebracht sind, und die Haltestrukturen elastisch verformbar ausgeführt sind und zumindest abschnittsweise aus Glas bestehen, wobei zumindest einzelne der insbesondere stegförmigen Haltestrukturen eine Breite in Richtung einer Bewegungsebene des Bildsensors an dem Träger aufweisen, die geringer ist als die Materialstärke quer bzw. orthogonal zu der Bewegungsebene. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, eine als ein mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgeführte Haltestruktur aus Glas zu realisieren, bei der die Erstreckungen der stegförmigen Haltestrukturen in den verschiedenen Richtungen ihrer Querschnittsebene erheblich voneinander abweichen. Um die gewünschte Beweglichkeit zu erreichen, weist die Haltestruktur in der mit der Bewegungsebene übereinstimmenden Haupterstreckungsebene des Bildsensors an seinem Träger eine hohe Flexibilität bzw. Elastizität und in einer Querrichtung zu der Ebene eine hohe Eigensteifigkeit auf. Hierzu weisen die stegförmigen Haltestrukturen in Richtung der Ebene eine geringere Breite auf als in der Querrichtung zu der Ebene. Im Ergebnis lassen sich so elastische oder flexible Eigenschaften der stegförmigen Haltestrukturen realisieren, die stark richtungsabhängig und optimalerweise auf die Ebene des Bildsensors beschränkt sind, sodass im gewöhnlichen Betrieb des optischen Bildstabilisators eine unerwünschte „out-of-plane“ Bewegung aus der vorbestimmten Bewegungsebene heraus zumindest nahezu vermieden werden kann.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht nicht nur in der deutlich geringeren Breite im Verhältnis zu der auch als Höhe bzw. Tiefe bezeichneten Materialstärke der stegförmigen Strukturen, sondern vor allem auch in der erfindungsgemäßen Möglichkeit, eine definierte, für den Anwendungszweck optimierte Querschnittsform zu erzeugen, die zudem im Verlauf der Haupterstreckung der stegförmigen Struktur bedarfsweise und/oder abschnittsweise variieren kann. Hierzu können nahezu beliebige, beispielsweise auch konvexe Querschnittformen der stegförmigen Strukturen, realisiert werden. Die Bewegungsfreiheitsgrade sind daher hinsichtlich der translatorischen Bewegung in x- und y-Richtung quer zu der optischen Achse und gegebenenfalls auf eine Drehbewegung um die optische Achse optimiert.
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Die Querschnittsform der Haltestrukturen ist bevorzugt polygonal, insbesondere rechteckig, wobei gewölbte konkave oder konvexe Umfangsbereiche erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen sind.
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Obwohl benachbarte stegförmige Haltestrukturen entlang ihrer Erstreckung mit einem Abstand bevorzugt voneinander räumlich getrennt sind, also keine direkte Querverbindung aufweisen, schließt der erfinderische Gedanke auch solche Haltestrukturen ein, bei denen die stegförmigen Bereiche abschnittsweise durch Querverbindungen verbunden oder lediglich durch nutenförmige Aussparungen voneinander getrennt sind.
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Neben der geringen Empfindlichkeit gegenüber einer „out-of-plane“ Bewegung erweist sich bei dem erfindungsgemäßen Bildstabilisator vor allem auch die hohe Geschwindigkeit der möglichen Bewegung sowie die mechanische Güte als herausragend, wodurch eine wesentliche Verbesserung der Bildqualität bei der Bildaufzeichnung solcher Geräte erreicht wird.
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Hervorzuheben ist, dass eine Auslenkung des Bildsensors in Form einer Kippbewegung aus der Haupterstreckungsebene, also eine Schwenkbewegung um eine Achse in der Ebene des Bildsensors, erfindungsgemäß keineswegs ausgeschlossen ist. Vielmehr ist zu erwarten, dass zukünftige Entwicklungen der optischen Bildstabilisatoren weitere Freiheitsgrade erfordern. Auch für solche Anwendungszwecke ist der erfindungsgemäße optische Bildstabilisator bereits besonders geeignet, indem die erhöhte Eigensteifigkeit der Haltestrukturen eine Auslenkung als eine Verlagerung aus der Ebene des Bildsensors grundsätzlich verhindert bzw. erschwert. Der durch das Aspektverhältnis erreichte Widerstand gegenüber einer solchen oftmals unerwünschten Auslenkung könnte allerdings durch entsprechend stärkere Aktoren überwunden werden, sodass diese Art der Auslenkung nicht infolge einer Beschleunigung des Geräts, sondern ausschließlich aufgrund entsprechender Steuersignale erfolgt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Haltestrukturen eine Querschnittsform mit einem Verhältnis der Breite zu der Höhe des Querschnitts zwischen 1:2 und 1:10 als Aspektverhältnis aufweisen, sodass also die Stärke bzw. Tiefe oder Höhe der stegförmigen Haltestrukturen ein Vielfaches der Breite beträgt.
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Selbstverständlich kann das Verhältnis im Verlauf der Längserstreckung der stegförmigen Haltestrukturen variieren.
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Die Haltestrukturen könnten mit Federelementen gekoppelt sein, die ebenfalls aus Glas bestehen und beispielsweise gemeinsam als integrale, insbesondere einteilige oder in einem einheitlichen Herstellungsverfahren hergestellte Funktionselemente zusammen mit den stegartigen Haltestrukturen durch eine MEMS-Struktur realisiert werden. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die stegförmigen Haltestrukturen als Federelemente ausgeführt sind, indem das Glasmaterial aufgrund der Querschnittsgeometrie der stegförmigen Haltestrukturen elastische Eigenschaften aufweist und entgegen seiner in verschiedenen Richtungen unterschiedlichen Rückstellkraft mittels eines Aktors auslenkbar ist.
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Eine andere besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform der Erfindung wird dadurch erreicht, dass der Bildsensor an einer der Kameraobjektivanordnung abgewandten Seite des Trägers angeordnet ist, sodass der zumindest in dem relevanten Bereich transparente oder transmissive Träger in dem Strahlengang der auf den Bildsensor treffenden Belichtung angeordnet ist. Der Träger dient somit nicht lediglich der mechanischen Halterung des Bildsensors, sondern ermöglicht auch die Optimierung der zugeführten Belichtung bzw. Strahlung bei der Transmission des Trägers. So kann beispielsweise ein Polarisationsfilter oder eine Linse integraler Bestandteil des Trägers sein, wobei der Bildsensor zugleich gegenüber Umwelteinflüssen und mechanischen Krafteinwirkungen optimal geschützt ist.
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So hat es sich beispielsweise auch als vorteilhaft erwiesen, wenn der Träger und/oder die Haltestrukturen zumindest abschnittsweise mit einer Beschichtung versehen sind, sodass lediglich bestimmte Wellenlängenbereiche der einfallenden Strahlung der Belichtung transmittiert bzw. reflektiert werden, um somit beispielsweise störende Streustrahlung zu filtern oder den Bildsensor vor unerwünschter Strahlung zu schützen. Gegebenenfalls kann der Träger auch die Funktion eines optischen Elements übernehmen.
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Eine andere, ebenfalls besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass zumindest einzelne der stegförmigen Haltestrukturen eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen, insbesondere also eine Leiterbahn bilden, sodass in die stegförmigen Haltestrukturen zugleich die Funktion der Signalübermittlung und der Energieversorgung integriert ist. Die Leiterbahnen können beispielsweise auch in einer nutenförmigen Vertiefung angeordnet und/oder durch eine Isolierschicht abgedeckt sein, um so einen optimalen Schutz gegenüber Beschädigungen und Fehlfunktionen zu erreichen.
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Besonders bevorzugt ist der Bildsensor an dem Träger mit zumindest zwei, vorzugsweise drei Freiheitsgraden translatorisch und/oder rotatorisch in der Haupterstreckungsebene beweglich angeordnet, wobei weitere Freiheitsgrade in die Haltestrukturen integriert oder durch ergänzende weitere Haltestrukturen erreicht werden können, die eine Kippbewegung des Bildsensors aus der Ebene heraus ermöglichen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin noch mit einem mobil mitführbaren, mit einem optischen Bildstabilisator ausgestatteten Gerät, dadurch gelöst, dass die Haltestrukturen für den Träger des Bildsensors elastisch verformbar ausgeführt sind und zumindest abschnittsweise aus Glas bestehen, wobei zumindest einzelne der insbesondere stegförmigen Haltestrukturen eine Breite in Richtung einer Bewegungsebene des Bildsensors aufweisen, die geringer ist als die Materialstärke in einer Querrichtung zu der Bewegungsebene. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass nach dem Prinzip einer Trägerplatte aus Glas als MEMS-Struktur eine Querschnittsform der stegförmigen Haltestrukturen realisiert wird, die in der Plattenebene eine hohe Flexibilität bzw. Elastizität aufweist und in einer Querrichtung zu der Ebene eine hohe Eigensteifigkeit aufweist. Insbesondere weisen die stegförmigen Strukturen in Richtung der Ebene eine deutlich geringere Breite auf als in der Querrichtung zu der Ebene. Zudem können nahezu beliebige, insbesondere auch konvexe Querschnittformen der stegförmigen Strukturen realisiert werden. Zugleich kann die elektrische Kontaktierung mit an sich bekannten Verfahren in die stegförmigen Strukturen integriert werden, ohne die mechanischen Eigenschaften zu verändern.
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Indem als Material Glas verwendet wird, kann der optische Sensor auch auf der Rückseite der Trägerplatte angeordnet werden, sodass also das Glas im Strahlengang des in den Sensor einfallenden Lichts liegen kann, wodurch der Sensor zusätzlich geschützt ist bzw. auf ein gesondertes Schutzglas verzichtet werden kann.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, ein Verfahren zur Herstellung elastischer und/oder flexibler Haltestrukturen für einen optischen Bildstabilisator, bei dem in ein als Träger für einen Bildsensor dienendes Substrat aus Glas mittels Laser induced deep etching (LIDE) linien- oder nutenförmige Ausnehmungen eingebracht und elastisch verformbare stegförmige Haltestrukturen mit einer Querschnittsform erzeugt werden, deren Breite in der Ebene der Haupterstreckungsebene des optischen Sensors wesentlich geringer ist als die Materialstärke in einer Querrichtung zu der Haupterstreckungsebene. Hierdurch wird bei der Auslenkung eine weitgehend ebene Bewegung des Bildsensors auf dem Träger gegenüber dem stationären Haltemittel des mobilen Geräts erreicht. Dabei haben sich bereits Varianten des LIDE-Verfahrens als besonders zweckmäßig erwiesen, bei denen durch eine Änderung der Modifikationen entlang der optischen Achse bei dem nachfolgenden Ätzverfahren die stegförmigen Haltestrukturen nicht nur mit einer rechteckigen Querschnittsform mit abgerundeten Kanten, sondern beispielsweise mit konvexen Einschnürungen erzeugt werden.
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In einer Ausführungsform ist der Bildstabilisator mit einer Sensorik ausgestattet, durch die eine relative Auslenkung des beweglichen Teils gegenüber dem Träger erfassbar ist. Dazu werden beispielsweise Permanentmagnete auf oder im Träger oder in der Nähe des beweglichen Bereichs oder im beweglichen Bereich realisiert. Die Erfassung der relativen Auslenkung geschieht über Magnetfeldsensoren im beweglichen Teil oder im Träger, beispielsweise Hall-Sensoren. Die Sensoren sind über Leiterbahnen, die bevorzugt auf den Haltestrukturen oder Federstrukturen verlaufen, elektrisch mit dem Träger verbunden.
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Bevorzugt weist der Bildstabilisator zum Ausgleich von Bewegungen eine integrierte Aktorik auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Bildstabilisator mit einer integrierten Aktorik ausgestattet, die eine geregelte Auslenkung des Bildsensors gegenüber dem Träger mit zumindest drei Freiheitsgraden und/oder einem Auslenkungsbereich von +/-75 µm ermöglicht. Die Aktorik reagiert auf das Messsignal eines Sensors, der die relative Auslenkung misst. Eine Form von Aktorik ist ein Elektromagnet, der bei angelegter Spannung im Magnetfeld eines Permanentmagneten eine Kraft erzeugt. Elektromagnet und Permanentmagnet befinden sich dabei jeweils auf dem Träger bzw. auf dem beweglichen Teil.
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Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
- 1 eine Draufsicht auf einen optischer Bildstabilisator mit Haltestrukturen;
- 2 eine entlang der Linie II-II geschnittene und vergrößerte Darstellung der Haltestrukturen des in 1 gezeigten Bildstabilisators.
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In 1 ist ein optischer Bildstabilisator 1 sowie ein Haltemittel 4 eines nicht weiter dargestellten mobilen Endgeräts in einer Draufsicht zu erkennen. Im Gegensatz zu einer dem Endgerät zugeordneten Kameraobjektivanordnung ist ein Bildsensor 2 an einem Träger 3 des Bildstabilisators 1 angeordnet. Der Träger 3 ist gegenüber dem Haltemittel 4 des mobilen Endgeräts mittels flexibler Haltestrukturen 5 beweglich angeordnet und durch nicht dargestellte Leiterbahnen an den Haltestrukturen 5 elektrisch verbunden.
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Störende Bewegungen des Endgeräts werden durch Sensoren erfasst und mittels nicht gezeigter Aktoren ausgeglichen, indem der Bildsensor 2 mit dem Träger 3 durch die Aktoren relativ zu dem Haltemittel 4 bewegt wird.
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Wie insbesondere in 2 dargestellt, sind die aus Glas bestehenden Haltestrukturen 5 hierzu elastisch verformbar und bilden somit Federelemente, wobei die stegförmigen Haltestrukturen 5 eine Breite b in Richtung einer Bewegungsebene xy des Bildsensors 2 aufweisen, die geringer ist als die Materialstärke s in einer Querrichtung zu der Bewegungsebene xy. In dem hier nicht maßstabsgerecht dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis der Breite b zu der Materialstärke s ca. 1:50.
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Hierdurch wird eine optimale Beweglichkeit durch eine hohe Flexibilität sowie Elastizität in der mit der Bewegungsebene xy übereinstimmenden Haupterstreckungsebene des Bildsensors 2 an seinem Träger 3 gegenüber dem Haltemittel 4 und orthogonal zu der Bewegungsebene xy eine hohe Eigensteifigkeit erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bildstabilisator
- 2
- Bildsensor
- 3
- Träger
- 4
- Haltemittel
- 5
- Haltestruktur
- s
- Materialstärke
- b
- Breite
- xy
- Bewegungsebene
