CN101124512A - 光电位置确定系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于精确地确定透镜系统定位的系统和方法。该透镜系统包括透镜和单色光反射表面。位置传感器包括光源和光检测器。从光源向单色光反射表面发送初始信号。该光反射表面将该初始信号反射至反射区域的光检测器。反射的信号的强度有赖于反射区域和位置传感器之间可变的距离。基于来自光源的反射的信号生成电输出信号，其中该电输出信号提供针对透镜系统的定位信息。

Description

光电位置确定系统
技术领域
本发明一般地涉及光电位置传感器领域。更具体地，本发明涉及用于微型变焦和自动对焦系统的光电位置传感器。
背景技术
电子相机的组件要求功耗低、重量轻以及成本效益。这些设计标准受到对提供自动对焦、变焦光学器件或二者的光学可调相机的需求的挑战。这些特征要求光学元件的相对移动以提供调节。所要求的运动通常是线性的，但可以使用结合有运动转换机构(例如导向螺杆)的旋转电机。该运动范围经常处于毫米数量级。
当相机具有可移动透镜和透镜组以进行对焦或变焦时，需要确定透镜的确切位置以便正确调节移动该透镜的致动器。这对于例如实现自动对焦而言是必需的。位置测量方面的问题涉及所要求的极高精确性和测量的线性。由于工作周期(＞100,000)相对于产品寿命的量，对机械强度和稳定性的要求也很高。通常，当谈到光学器件的时候，精确性要求是非常高的。容限通常是若干微米。除了需要精确之外，位置确定也必须非常快。目标是在用户意识到散焦图像之前纠正该散焦图像。这意味着透镜位置确定和随后的纠正透镜移动必须典型地发生在几百分之一秒中。此外，电流消耗也需要被最小化。理想情况下，位置确定传感器在尺寸上也应当小型化和紧凑化，并且在制造方面比较经济。
二者均转让给Nokia公司的美国专利No.6,710,950和美国专利申请No.10/315,885在此通过参考引入，此二者均针对结合了可调相机光学器件使用的数码相机系统。例如图1示意性所示的模块的变焦模块正在被开发得越来越紧凑。图1所示的模块(通常示出为100)包括支持管102以及第一和第二透镜管104、106。在变焦模块中，如图1所示，有一对透镜组，其设置为相对于彼此并相对于支持管102移动。在图1中，对焦透镜(或透镜组)设置在第一透镜管104的左端。变焦透镜(或透镜组)设置在第二透镜管106的内部。第一和第二透镜管104、106均具有其自身的致动器(未示出)。在图1中，例如第二透镜管106被设置为通过悬臂108来致动，该悬臂108突出通过在支持管102中提供的开口110，并进一步连接至支持管102外部的致动器。相比之下，在自动对焦系统中，可能仅需要单个致动器和透镜管或相应结构。需要注意的是，图1仅示出了用于微型变焦光学器件的一个可能的设置。其他距离测量技术基于电阻、电容和电感。
用于移动和调节透镜管104和106的电机/致动器需要精确的定位系统，这将面对同样的严格的空间限制问题。这些空间限制在数码相机中，特别是结合在诸如移动电话之类设备中的数码相机尤其显著。在传统相机中，透镜通常通过使用电磁步进电机来进行移动，并且通过对馈送到电机线圈的驱动信号的数量进行计数来接收针对透镜的位置信息。然而，这样的系统，特别是包括步进电机的系统不具有足够的精确性水平以在数码相机中使用。
在图1中，利用标号112和114分别示意性示出用于第一透镜管104和第二透镜管106的分离位置传感器。从上面可以很清楚地看出，在这些类型的应用中，对小尺寸和高精度位置传感器确实有需求。在大规模生产的产品中，对于位置传感器来说，价格也是一个关键点，并且同时，系统应当满足相机光学器件设定的高精度要求。当相机结合到越来越小的设备中(例如便携式电话中)时，这变得尤其重要。
基于磁阻传感器的现有技术透镜位置传感器在美国专利NO.5,859,733和5,587,846中得以公开。此外，已知霍尔效应元件用于类似目的。在美国专利No.5,587,846中对这种设备进行了公开。美国专利No.5,391,866公开了一种光学透镜位置传感器，其基于使用设置在狭缝后方并设置为进一步照亮位置敏感光电探测器的光电发射器。然而，仍明显需要具有高精度的小尺寸和经济的位置传感器。特别地，非接触类型的光学传感器尚未广泛和有效地应用于这些类型的应用。
发明内容
本发明涉及一种定位系统，其基于光源和光传感器，二者一起具有包括可变反射水平的定标(scale)，例如光反射灰度定标、条形码定标或楔形黑白图案。在所有的情况中，位置确定基于改变的反射，这是通过光检测器(例如光电晶体管或光电二极管)来测量的。本发明还包括通过非连续性地操作光源(例如发光二极管(LED))来管理位置传感器的热生成并由此提高精度并最小化系统的启动时间。传感器操作分成两个部分，一部分包括通过开启光源进行的测量，另一部分包括切断光源的冷却时段。由于后者的操作模式，馈送到组件的功率被压缩到最小，由此避免不必要的发热。
此外，热敏电阻或其他温度传感器测量环境温度并将该信息传送至位置感测软件。该信息用于纠正当外部温度改变时在传感器输出信号中发生的偏移，以有效地补偿环境温度的变化。
本发明还涉及通过一起使用校准传感器和实际位置传感器来确定针对每个单独传感器的“传感器信号相对于位置”的曲线。该校准传感器读取条形码定标，这提供了该类型曲线确定所需的信息。这使得能够进行大规模的相机模块生产。而且，由于长时间暴露于极端温度下或由于老化而引起的传感器输出曲线的可能变化的自校准被纳入考虑中。低成本光源和光检测器模块(例如开关型光斩波器)的大幅质量变化因此可以通过在定位系统中使用两个传感器而得以有效地管理。
在本发明的附加实施方式中，使用包括发光二极管和光敏晶体管的光斩波器，以及倾斜的单色反射表面的位置传感器用于进行比常规系统更精确的位置感测。使用这种系统所实现的准确性相对于常规系统和结合有灰度定标反射器的系统得到了显著提升。
从下面结合附图的详细描述中，本发明的这些以及其他目标、有益效果和特征，以及其操作的组织和方式将变得清楚明了，其中相同的元件在下述的整个附图中具有相同的数字。
附图说明
图1是常规变焦模块的透视图；
图2是示出了针对开关型光斩波器的传感器输出电压相对于时间的曲线；
图3是针对若干不同的单独传感器来比较传感器输出相对于位置的曲线；
图4(a)是示出了根据本发明的原理进行构造的定位系统的传感器芯片的操作原理的示意图；以及图4(b)是示出了透镜位置确定的结构设置的示图；
图5是根据本发明一个实施方式构造的基于来自条形码定标的光反射的定位系统的透视图；
图6是示出了根据本发明原理的光斩波器的脉冲操作原理的示图；
图7(a)是包括根据本发明原理的自校准机制的定位系统的透视图；以及图7(b)是演示根据本发明的自校准原理的示图；
图8是根据本发明可选实施方式的可以替代灰度定标来使用的楔形黑白图案的顶视图；
图9是根据本发明另一实施方式构造的基于来自倾斜式单色反射器的光反射的定位系统的透视图；
图10是示出图9系统中传感器和倾斜式单色反射器之间交互的示图；
图11是示出了作为图9系统中反射器和倾斜式单色反射器之间距离的函数的输出信号的曲线；以及
图12是示出了类似于图9系统的相机系统中作为传感器和灰度定标反射器之间距离的函数的输出信号的曲线。
具体实施方式
对于大量产品而言，位置传感器的一个重要方面是传感器组件自身的成本。本发明使用光源-光检测器组合来确定从具有局部可变光反射特性的反射器目标反射的光量。对于此光源-光检测器组件而言，成本效益的解决方案是使用“光斩波器组件”。这些组件传统上用于例如低精确度的近程传感器。然而，当这些组件被应用到超出其正常使用目的的时候，它们的经济性价格还产生了大量缺点。对于所有由半导体材料制成的设备情况均是如此，并且光斩波器对于温度也是高度敏感的。除了改变环境温度之外，组件自身的发热使输出信号产生失真。当温度改变时该传感器读取开始漂移，并且在此类型应用中接收到的位置信息发生错误。这种现象在图2中进行了描述。传感器稳定所需的预热时段经常在几分钟大小，从用户角度来看，这在本类型的应用中是非常不希望的。理想情况下，透镜定位系统应当随时准备就绪以消除漂移现象。
此外，由于光斩波器组件是传统上在近程传感器等中使用的低端产品，其中与当前应用相比精确度要求要宽松得多，因此在不同传感器个体之间的性能方面有不可接受的大幅变化。这导致了高度的不精确度，因为实际传感器输出并不对应于软件所预期的预定图案。这在图3中清楚地示出，其中图3示出了不同传感器个体之间的质量差别可以在被用于本透镜位置应用时导致高达近乎半毫米的偏离。优选地，输出曲线应当总是一致的。而且，公知的事实是，老化，即发射功率降低，是LED的一种典型现象。这也可以影响输出曲线的形状，进而产生降低的精确度。
本发明针对一种如图4-10详细示出和描述的定位系统。如图4(b)所示，根据本发明一个实施方式构造的透镜管系统10包括IR光斩波器12(或其他适当的光源-光检测器模块)，其包括光源14和光检测器16。优选地，光斩波器操作在红外范围中，但其他波长范围也可以使用，这包括可见光范围。应当注意的是，各种光源-光检测器模块，包括但不限于使用半导体组件例如LED或激光二极管作为发射器以及光电二极管或光电晶体管作为检测器的那些模块，也可以替代光斩波器组件来使用。在本发明的优选实施方式中，将基于低成本半导体的光斩波器模块修改为在沿6mm长的运动范围内具有10μm精确度的位置传感器。该透镜管系统10可操作地连接至用于较大设备的机壳，优选为便携式电子设备(例如数码相机或具有内置相机的便携式电话)。
根据本发明的一个实施方式，位置确定是建立在对从光源1 4行进至灰度定标18然后反射回光检测器16的光束的强度进行测量的基础之上。位置传感器12的输出信号取决于反射，其根据沿灰度定标18的位置而变化，如图4(a)和图4(b)所示。当透镜管或其他透镜框20轴向移动时，灰度定标18相对于位置传感器12移动，并且反射光的强度相应地变化。透镜框20可以通过现有技术中已知的若干机制中的一种来移动，例如二者均转让给Nokia公司的在美国专利No.6,710,950和美国专利申请序列号No.10/315855中所述的那些系统。然而，需要注意的是，本发明不对移动各种组件的致动器的选择施加任何方式的限制。任何适当的致动器或任何适当的透镜管或透镜框配置都可以应用。当光束到达光检测器16时，感应或生成相应的电输出信号，其中所生成的输出信号受到灰度定标18(反射区域)上对光束进行反射的位置的影响。该处理可以涉及使用信号放大和AD转换(即将模拟信号转换为数字信号)二者。AD转换可以通过现有技术中已知的各种系统和方法来实现。然后将数字信号馈送到控制驱动电子仪器的处理器(未示出)。
如图5所示，条形码定标22还可代替灰度定标18用于位置确定的目的。位置确定是通过对变化的光强度所产生的位置传感器信号峰进行计数而进行的。条形码定标22上相邻线条24的间距确定位置系统的总体分辨率。此外，楔形黑白图案，例如图8中顶视图所示的图案，也可以替代灰度定标来使用。在本发明的该具体实施方式中，黑白区域的比率沿该楔子的长度发生变化。而且，来自反射目标的反射不需要作为目标位置的函数进行线性变化，因此也可以使用非线性灰度定标、灰影或黑白图案。黑白图案可以是任何种类的图案，其中黑白区域的比率在沿着反射器移动的时候发生改变。此图案例如可以包括不同尺寸的点、矩形或其他类型的对象，它们的数量、形状或区域作为反射器中关注区域的函数进行改变。
在调节处理期间，理论上有两个不同的热源可以导致不精确性—位置传感器12自身以及周围环境。在位置传感器12自身生成的发热情况下，所导致的信号漂移可以基本上被消除或降低到不太显著的水平，这是通过最小化提供给位置传感器12的LED侧的能量而实现的。根据本发明，这是通过以脉冲方式操作LED 14来实现的。虽然本发明的该特定实施方式涉及LED 14，但事实上可以使用任何类型的光源或发射器。根据本发明的一个实施方式，位置传感器12的操作周期的第一部分涉及实际测量。在该阶段期间，LED 14发射光，并且光电晶体管16测量反射光强度。在一个优选实施方式中，光电晶体管16通过以快速突发的方式接受大约12个样本来收集数据，计算统计均值。操作周期的第二部分涉及冷却位置传感器12。在该阶段期间，LED 14被关断。通过连续重复该周期，相机模块的驱动电子仪器接收必要数量的位置信息。使用光斩波器12的脉冲操作的原理在图6中示出。
改变环境温度的效果可以通过利用温度传感器(例如热敏电阻，如图4(b)中26所示)来测量周围环境的温度并将该信息馈送至处理器而被纳入考虑。基于所收集的环境温度信息来进行校正性补偿。该热敏电阻26优选地位于紧靠位置传感器12处。
本发明可以结合到多种设备中，特别是结合到便携式电子设备例如数码相机和便携式电话或成像电话中。在便携式通信设备的情况下，本发明的系统由于在该尺寸的产品中存在严格的空间限制而尤其有用。
除了温度问题以外，变化的组件质量也会引起不精确性。当位置传感器12基本上是用于其原始目的之外的不同目的的传统近程传感器组件时，这尤其重要。在变化的组件质量的情况下，可以通过对该系统进行自校准而纠正或至少基本上降低该不精确性。如图7(a)所示，这要求校准光斩波器或传感器28，其读取由相同和等间距线条32所构成的校准条形码定标30。该校准条形码定标30象图4(b)中的灰度定标18一样以相同的方式对准，但位于透镜框20的另一分叉上。根据本发明的一个实施方式，各个线条32之间的间距是0.5mm，但其他间距也是可以的。
当透镜管系统10要求初始化时，特别是在启动期间，校准传感器28通读该条形码定标30。该校准传感器28将各个线条32识别为信号峰。当校准传感器28读取每个线条28时(根据本发明一个实施方式为每个0.5mm间隔)，灰度定标位置传感器12同时测量由从灰度定标18反射的光所感应的传感器信号。在图7(b)中给出了如何实现自校准的原理。此外，该自校准还可以防止LED老化以及长时间暴露于极端温度所引起的不精确性。
图9-图10示出了本发明的附加实施方式。如同这里所描述的其他实施方式一样，图9的透镜管系统10包括位置传感器12。图9的位置传感器12在本发明的一个实施方式中包括LED和光电晶体管。代替灰度定标、条形码定标或任何其他空间变化的黑白图案，图9和图10的系统包括倾斜式单色反射器80。在图10中可以看到，该倾斜式单色反射器80在距离位置传感器12的最小距离d1和距离位置传感器12的最大距离d2之间变化。如图所示，传感器12以及单色反射器80的设置类似于图4(a)中所示的设置。
图9-图10中所述透镜管系统10的操作通常如下。位置确定基于如下：测量从位置传感器12上的LED单元行进到倾斜式单色反射器80并反射回光电晶体管或其他形式光检测器的光束的强度。位置传感器12的输出信号有赖于反射的水平，该水平取决于位置传感器12和倾斜式单色反射器80之间的距离。
图11和图12示出了基于使用倾斜式单色反射器80和灰度定标反射器的输出信号的一致性的对比。图11示出了当使用倾斜式单色反射器80时用于位置传感器12的输出电压。可以清楚地看到，基于位置传感器12和倾斜式单色反射器80之间的分离距离，该输出电压基本上是线性的。相比之下，当使用灰度定标反射器时电压输出要不确定得多，如图12所示。线性之间的差别示出了使用倾斜式单色反射器80相对于传统系统和灰度定标反射器而言提供增加的精确性水平。
使用根据本发明原理的光电晶体管以及灰度定标、条形码定标、黑白图案或倾斜式单色反射器提供一种模块化、紧凑并且成本低廉的解决方案以进行微米级定位。脉冲位置传感器操作还降低了传感器组件中使用的能量，这因此降低了发热。结果，实现了最小传感器信号漂移和改进的精确度。此外，通过温度感测元件例如热敏电阻而进行的环境温度补偿在所有环境温度中提供一致的传感器性能。此外，由于不要求进行手工调整的事实，自校准使得能够进行相机模块的大规模制造。最后，尽管老化和暴露于极端温度的影响可能趋向于使传感器输出曲线失真，但根据本发明的两个传感器系统观察到这些改变并使位置系统适应变化的情况。
尽管已经示出和描述了若干优选实施方式，但需要理解的是，在不偏离本发明更宽泛方面的情况下，可以对本发明进行各种变化和修改。例如，除了热敏电阻之外，本领域中公知的项目也可用于测量环境温度，并且发光源以及光源和光检测器并不必然作为同一传感器的一部分，而是可以在物理上分离。此外，还可能的是，灰度定标(或上述的任何其他类型的反射器型表面)以及校准条形码可以结合到单个反射目标中，以供一个或两个分离的传感器使用。进一步而言，还应当注意的是，本发明可用于变焦模块(其中使用两个透镜组，如图1所示)以及自动对焦系统(其可以仅要求单个透镜组，如图4(b)所示)。因此，很明显的是，可选实施方式对于相关技术领域的技术人员来说也是可用的。

Claims (20)

1.一种用于确定透镜系统位置的方法，包括下列步骤：
提供包括至少一个透镜和光反射表面的透镜系统，所述光反射表面包括不等的高度；
提供包括至少一个光源和光检测器的位置传感器；
将初始信号从所述光源发送到所述光反射表面，所述光反射表面在所述反射区域将所述初始信号反射到光检测器；以及
基于来自所述光源的反射信号来生成电输出信号，所述电输出信号提供针对所述透镜系统的位置信息，
其中，当所述透镜相对于所述位置传感器移动的时候，基于当所述反射区域相对于所述位置传感器移动时的所述反射区域的位置来改变所述电输出信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述可变光反射表面包括单个颜色，并且其中所述反射信号的强度在所述反射区域远离所述位置传感器移动时被弱化。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述光源包括发光半导体组件。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括下列步骤：
在所述位置传感器的邻近处测量环境温度；以及
使用所述环境温度的有关信息来帮助确定所述透镜系统的位置。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括下列步骤：
使用校准传感器来测量所述透镜系统相对于校准定标的相对位置；以及
使用从所述校准传感器中生成的信息来校准所述透镜系统的位置。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述校准定标包括可操作地连接到所述透镜的条形码定标。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述定位信息与相对于框的所述透镜系统的位置相关。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述定位信息与相对于第二透镜系统的所述透镜系统的位置相关。
9.一种光学透镜系统，包括：
透镜框；
透镜，可操作地耦合至所述透镜框；
单色光反射表面，可操作地耦合至所述透镜框；以及
位置传感器，相对于所述单色光反射表面定位，从而使得能够在其间进行信号传输，
其中，所述位置传感器生成将要传送至反射区域的可变光反射表面并传送回所述位置传感器的信号，并且其中由所述位置传感器基于所述反射信号收集的信息有赖于所述反射区域和所述位置传感器之间的距离。
10.根据权利要求9所述的光学透镜系统，其中，所述位置传感器包括：
光源；以及
光检测器。
11.根据权利要求10所述的光学透镜系统，其中所述光源包括发光半导体组件。
12.根据权利要求9所述的光学透镜系统，其中所述发光半导体组件被交替激活和去激活，从而最小化由所述位置传感器所生成的热量。
13.根据权利要求9所述的光学透镜系统，其中由所述位置传感器所收集的信息与相对于系统框的所述透镜的位置相关。
14.根据权利要求9所述的光学透镜系统，其中由所述位置传感器所收集的信息与相对于第二透镜的所述透镜的位置相关。
15.根据权利要求9所述的光学透镜系统，进一步包括：
校准定标，可操作地连接至所述透镜框；以及
校准传感器，相对于所述校准定标进行定位从而使得能够在其间进行信号传输，
其中，所述校准传感器发送信号至所述校准定标，该信号被反射回所述校准传感器，并且其中关于所述反射的信号的信息用于校准所述透镜的所述相对位置。
16.根据权利要求9所述的光学透镜系统，进一步包括热敏电阻，其位于所述位置传感器的邻近处，所述热敏电阻提供关于所述环境温度的有关信息以帮助确定所述透镜的所述相对位置。
17.一种便携式电子设备，包括：
机壳；以及
光学透镜系统，可操作地连接至所述机壳，所述光学透镜系统包括：
透镜框；
透镜，可操作地耦合至所述透镜框；
单色光反射表面，可操作地耦合至所述透镜框；以及
位置传感器，相对于所述单色光反射表面定位，从而使得能够在其间进行信号传输，
其中，所述位置传感器生成将要传送至反射区域的单色光反射表面并发送回所述位置传感器的信号，并且其中生成的信号有赖于所述反射区域和所述位置传感器之间的距离。
18.根据权利要求17所述的便携式电子设备，其中所述位置传感器包括：
光源；以及
光检测器。
19.一种用于确定对象的位置的传感器模块，该传感器模块包括：
单色光反射表面，可操作地耦合至透镜框；以及
位置传感器，相对于所述单色光反射表面定位，从而使得能够在其间进行信号传输，并且包括：
光源；以及
光检测器，
其中，所述光源生成将要传送至反射区域的单色光反射表面并反射至所述光检测器的信号，并且其中作为所述反射的信号的结果，所述反射区域相对于所述位置传感器的高度影响由所述位置传感器所生成的信息。
20.一种便携式电子设备，包括：
机壳；以及
传感器模块，用于确定对象的位置，包括：
单色光反射表面，可操作地耦合至透镜框，所述单色光反射表面具有不等的高度；以及
位置传感器，相对于所述单色光反射表面定位，从而使得能够在其间进行信号传输，并且包括光源和光检测器，
其中所述光源生成将要传送至反射区域的所述单色光反射表面并反射至所述光检测器的信号，并且其中所生成的信号有赖于所述反射区域的位置。
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