CN101410751A - 用于小型摄像机的快门 - Google Patents

Abstract

用于在用于小型摄像机的快门系统中使用一个或多个虚拟枢轴的系统和技术。虚拟枢轴系统可以包括一个或多个挠曲件，这样使得快门装置可以绕旋转中心旋转，而不需要在旋转中心处的物理旋转构件。所述虚拟枢轴系统可以提供若干益处，其包括减少或消除粘附。

Description

用于小型摄像机的快门

本申请要求于2005年2月28日申请的申请号为60/657261、标题为“Autofocus Camera(自动对焦摄像机)”的美国临时专利申请的优先权，此处依据授权范围结合该申请。

另外，本申请是于2006年2月24日申请的申请号为11/361608(代理卷宗编号M-15826US)、标题为“Autofocus Camera(自动对焦摄像机)”的美国专利申请的部分继续申请案，此处依据授权范围结合该申请。

技术领域

本发明总的涉及小型摄像机并且更特别地涉及用于小型摄像机的快门。

背景技术

小型摄像机目前可用于许多电子装置，例如蜂窝电话、膝上型计算机、个人数字助理(PDA)等。小型摄像机也可用作独立装置，用于例如安保与监视。

小型摄像机的市场在快速扩张。例如，配备摄像机的蜂窝电话在数年前还未听说过；现在，它们已经占据了相当大部分的蜂窝电话市场。但是，可用的小型摄像机对某些应用并不理想。

摄像机的快门被开发以控制光通过摄像机的光学系统到达胶片材料的传递。在胶片(非数字)摄像机中，在胶片曝光之前快门定位在摄像机光学系统前面。用户按下按钮以开始取景过程。作为响应，快门移动到允许光到达摄像机光学系统的位置，并开始曝光胶片。在经过预定的曝光时间之后，快门返回到定位于摄像机光学系统之前的初始位置。胶片前进机构移动已曝光的胶片离开曝光位置，同时未曝光胶片被移动到曝光位置以在随后的时间曝光。

与胶片摄像机不同，数字摄像机不需要机械快门。取而代之，快门动作可以电子地进行。但是，一些数字摄像机系统除电子快门之外还使用机械快门。图1示出了依据现有技术的使用机械快门系统的实例。

快门系统100包括带有轴销135和致动器140的机械快门130。系统100被包括作为数字摄像机110的一部分，其带有光圈120，配置成接收用于曝光的光以经过处理产生图像信息。注意，以数字摄影的角度而言，术语“曝光”指接收光以形成特定数字图像的持续时间，而不是指胶片被曝光的持续时间。

数字摄像机110包括控制器(未示出)和数字成像系统(未示出)，例如CMOS(互补金属氧化物半导体)系统或CCD(电荷耦合装置)成像系统。所接收的对应于图像像素阵列的光被处理以产生数字图像。

对比于上述的胶片摄像机，快门130的初始定位可以远离光圈120。用户可以按压按钮125以开始曝光。响应于此，控制器可以清零数字成像系统的像素以开始数字图像数据采集。在曝光时间的结尾，快门130可以移动到光圈120前面以表示成像的结束。为移动快门130，可通过使用致动器140绕由轴销135产生的轴点旋转快门130来施加力。短时间后，可以移除力，这样使得快门130返回其远离光圈120的初始位置。

发明内容

这里所提供的系统和技术通过结合虚拟枢轴系统可以允许小型摄像机中的快门动作提高。虚拟枢轴系统可以结合一个或多个挠曲件，并可以传递来自致动器的力至快门装置。由此，快门系统不需要在旋转中心处结合物理旋转构件。从而可以减少或消除关联摄像机零件的粘附和磨损。

总体上，在一个方面中，用于摄像机的MEMS快门系统包括快门和与快门联接的虚拟枢轴系统。虚拟枢轴系统可以包括构造用于定位快门的一个或多个挠曲件。

快门系统可以包括：构造成遮盖摄像机的接收光的光圈的第一部分；和构造成响应所施加的力而移动快门构件的第二部分，其中第二部分不绕与快门分离的枢轴机构旋转。

虚拟枢轴系统可以机械联接于快门的第二部分，并且虚拟枢轴系统可以构造成交替地定位第一部分以遮盖摄像机的接收光的光圈及定位第一部分离开摄像机的接收光的光圈。

虚拟枢轴系统可以包括在第一位置处附接到快门的第一挠曲件，其中虚拟枢轴系统构造成绕旋转中心旋转快门，并且第一位置不同于快门的旋转中心。虚拟枢轴系统还可以包括在不同于第一位置的第二位置处附接到快门的第二挠曲件，并且其中第二位置不同于快门的旋转中心。快门、第一挠曲件、和第二挠曲件可以由单个材料件制成。快门和至少部分虚拟枢轴系统可以由单个材料件制成。材料可以包括硅。

系统可以包括摄像机，并且快门可以定位以交替地阻隔通过摄像机的光圈的光及允许光进入摄像机的接收光的光圈。虚拟枢轴系统可以构造成绕旋转中心旋转快门，并且虚拟枢轴系统可以包括在第一位置处附接到快门的第一挠曲件，其中第一位置位于快门构件的旋转中心处。

快门可以包括第一快门构件和第二快门构件，并且虚拟枢轴系统可以包括构造成传递力至快门构件的第一部分和构造成传递力至第二快门构件的第二部分。快门可以包括一个或多个构造成减小快门在操作中的转动惯量的孔。虚拟枢轴系统可以包括缓冲器。

总体上，在另一个方面，小型摄像机可以包括构造成接收通过光圈的光的光检测系统和MEMS快门系统。快门系统可以包括快门构件，快门构件包括光圈阻隔部分和力接收部分，快门构件构造成绕旋转中心旋转，快门构件不包括在旋转中心处的与快门构件分离的枢轴机构。摄像机还可以包括构造成控制快门构件和光检测系统的控制器。光检测系统可以包括至少一个电荷耦合装置光检测系统和互补金属氧化物半导体光检测系统。

总体上，在另一个方面中，用于摄像机的MEMS快门系统可以包括用于交替地阻隔和解除阻隔摄像机的光接收装置的装置，及用于使联接于用于交替地阻隔和解除阻隔光接收装置的装置的快门枢转的虚拟枢轴装置。

本发明的这些和另外的特性及优点依据下面结合附图对示例性实施例的详细描述将更容易清楚明了。

附图说明

图1是依据当前技术的快门系统的示意图；

图2是依据某些实施例的快门系统的正视图；和

图3是依据某些实施例的不同快门系统的正视图；

图4是结合例如在图3和4中示出的快门系统这样的快门系统的小型摄像机的示意图。

图5是依据另外的实施例的快门系统的正视图。

在各个附图中的类似的参考序号指示类似的构件。

具体实施方式

这里描述的系统和技术结合一个或多个虚拟枢轴，为小型摄像机系统提供快速并可靠的机械快门动作。

如上所提到的，结合轴销的机械快门应用于现有的一些包括小型摄像机系统的数字摄像机系统中。但是，现在的构造还不可以理想地应用于某些情况。

例如，例如在图1中示出的及上面描述的转轴系统可以不能为某些小型摄像机应用提供快速和可靠的快门运动。为启动快门130的运动，致动器140必须提供足够大的力以克服轴销135的与快门130的接触表面处的静摩擦(粘附)。为快速移动快门130，可以使用大的初始力。但是，在快门130开始移动后，大的力可以导致快门130超过其预定的在光圈120之前的位置。

替代地，力可以缓慢增加直到快门130开始移动，然后减小使得快门130的移动得以更多的控制。但是，这样会显著减缓快门动作过程。另外，在现在系统中，在快门被指令移动的时刻和快门真实移动的时刻之间存在未知的延迟。接触表面也会磨损，并可能卡住。

图2示出了结合虚拟枢轴系统的快门系统200的实施例，用于更快和更可靠的机械快门动作。通过使用虚拟枢轴而不是位于旋转中心处的物理轴销，可以避免粘附影响。快门系统200可以结合如上所述地获取图像数据并生成图像的小型数字摄像机(未示出)中。

系统200包括快门230。在曝光之前，快门230远离光圈220定位。当用户开始曝光时，摄像机初始化图像像素以清零并开始采集用于图像的图像数据。在曝光时间结束时，使用虚拟枢轴系统250移动快门230，使其到达阻隔来自光圈220的光的位置，虚拟枢轴系统250构造成使快门230绕旋转中心252旋转，而不使用在旋转中心252处的物理枢轴机构。

在图2中，虚拟枢轴系统250包括在第一位置255处附接到快门230的第一挠曲件254，和在第二位置257处附接到快门230的第二挠曲件256。系统200还包括在第三位置259处附接到快门230的挠曲件258，其被用于虚拟枢轴系统250的致动。第二挠曲件254也可以附接到缓冲器260或其它结构构件。虚拟枢轴系统250还包括用以传递来自致动器240的力以使用挠曲件258传递该力的组件，该组件包括一端处附接到摄像机的结构构件的部分256，还包括挠性构件。第二部分267机械联接于致动器240，并经由挠曲件258传递力。注意尽管图2示出了通过挠曲件258传递力到快门，也可以使用其它装置。例如，梁、臂、或其它构件也可用以传递来自致动器的力至快门。

可使用若干不同的致动类型实现致动。例如，可以使用例如音圈致动器这样的电磁致动器。其它可使用的致动器类型包括静电、压电、热、记忆合金、或其它致动器。

例如第一挠曲件254和第二挠曲件256这样的挠曲件允许沿特定方向的运动，但大体阻止沿其它方向的运动。响应于施加到第三部分259处的力，第一挠曲件254和第二挠曲件256沿不同方向施加力到快门230，致使其绕旋转中心252旋转。由此，快门230被移动到或离开其在光圈220之前的位置。第一挠曲件254和第二挠曲件256相对于彼此的角度为θ。在图2中，θ等于大约90°，用于最优的效率。但是，也可以使用其它角度。

虚拟枢轴系统250也可以包括一个或多个特征构件以限制快门230的旋转。例如在快门230移动进入光圈220之前的位置时，快门230的旋转可以由缓冲器260的第一特征构件261和第一挠曲件254的末端特征构件263限定。在快门230移动离开光圈220时，快门230的旋转可以由缓冲器260的第二特征构件262进行限定。

系统200可以提供在现有机械快门系统中未发现的若干优点。第一，由于在旋转中心252处无轴销，不会遇到由轴销所产生的粘附问题。相反，快门230可以快速和精确地相对于光圈220定位。第二，缓冲器260和特征构件261、262和263可以保护系统200的构件免受冲击。

图2也说明了快门230绕旋转中心252的转动惯量通过在快门230中的不用于阻隔光到达光圈220的部分中形成一个或多个孔而减小的实施例。通过减小转动惯量，快门230可以更快地移入或移出在光圈220之前的位置。

而且，在一些实施例中，一些构件可以制成为单件。例如，至少快门230、缓冲器260、第一挠曲件254、和第二挠曲件256可以由例如硅的材料制成单件。如此，快门构件的生产变化可以减小，并且也简化摄像机的装配。作为单个单元制造系统200的至少某些部分也可以使得能够设计更小的小型摄像机。例如，在一些实施例中，快门可以是大约4mm到大约12mm长，并且可以遮盖大约1mm到3mm的光圈。

图2说明了快门230是单个单元的实施例。但是，在一些实施例中，可以使用多个单元。图3说明了包括第一快门单元330A和第二快门单元330B的快门系统300。

为了移动第一快门单元330A和第二快门单元330B进入或离开其在光圈320前面的位置，致动器340传递力至力传动构件370。响应于此，挠曲件371A和371B分别传递力至第一和第二快门单元330A和330B。第一快门单元330A绕旋转中心352A旋转以响应于由第一挠曲件354A和第二挠曲件356A施加的力。类似地，第二快门单元330B绕旋转中心352B旋转以响应于由第一挠曲件354B和第二挠曲件356B施加的力。尽管在图3中未示出，第一挠曲件354A和354B固定到摄像机的结构构件(例如，封装体)，以实现第一和第二快门单元330A和330B的运动。在图3中，接触区域标识为“枢轴”并且可以制造得较大并采用任何所需要的形状。

在图3中所示的实施例中，旋转中心352A和352B位于关联的第一和第二挠曲件被附接到第一和第二快门单元330A和330B的位置处。参考图2中所示的实施例，在旋转中心352A和352B处的旋转未关联粘附，因为没有使用物理轴销(及相关联的在轴销平面和快门孔平面之间的接触面处的摩擦力)。

参考图2的实施例，至少一些系统300可以制成为单件(例如，制成硅的单件)。例如，第一和第二快门构件330A和330B、力传动构件370、和挠曲件371A、371B、354A、354B、356A、及356B可以由单件制成。

如上所提到的，例如图2和3中示出的和如上描述的快门系统可以特别地有益于小型摄像机。图4示出了可以结合例如图2的系统200或图3的系统300等快门系统400的小型摄像机410。如上所提到的，小型摄像机410可以是独立装置，或者可以被包括进另一装置402(例如蜂窝电话、PDA、膝上型计算机、或其它装置)内。

小型摄像机410包括光圈420，其构造成接收用于预定的图像的光。快门构件430包括构造成遮盖接收光的光圈420的第一部分435和构造成响应于所施加的力移动快门构件430的第二部分436。替代绕与快门构件430分离的枢轴机构(例如轴销)的旋转(因此产生摩擦力)，第二部分436响应于经由虚拟枢轴系统施加的力而旋转。在系统400中，虚拟枢轴系统包括第一挠曲件454、和第二挠曲件456。虚拟枢轴系统也可以包括缓冲器或其它结构构件、力传动臂458、和致动器440。

小型摄像机410还包括控制器490和数字成像系统480，例如CMOS(互补金属氧化物半导体)系统或CCD(电荷耦合装置)成像系统。所接收的对应于图像像素阵列的光被处理以产生数字图像。

在一些实施例中，快门构件430可以初始定位远离光圈420。用户可以按压摄像机410的按钮425或其它装置402以开始数字图像数据采集。在曝光时间结束时，快门构件430可以移动到光圈420前面以表示图像的结束。为移动快门430，可以使用致动器440施加力以绕快门的旋转中心旋转快门430。

图5示出了可以使用的快门系统500的另一个实施例。快门530可以响应于由使用力传动器541(其可以是单个单元，或可以包括多于一个的组件)的致动器所施加的力而移动。旋转挠曲件系统551包括一个或多个挠曲件，并施加力以致使快门530旋转。旋转挠曲件系统551可以附接到摄像机的一个或多个结构部分；例如，附接到接触部分553。可以使用多个接触部分(如在图5中所示)，并且可以定制形状以及大小以提供预定的结果。

可以使用MEMS技术制成这些这里描述的这样的快门系统。例如，可以首先使用光刻法在基底上形成图案，并且然后依据图案蚀刻基底。深反应离子蚀刻(DRIE)可以用以蚀刻在基底上的结构。其它可以使用的方法包括激光切割、水切割、或其它具有足够精度的系统。在一些实施例中，例如在于2006年2月28号申请的申请序列号为11/365047、标题为“ENHANCED ETCHSYSTEMS”、代理卷宗编号为M-16271US的共同未决的美国专利申请中的这样的增强蚀刻系统的公开内容被全文结合引入。

在实现中，上述的技术及它们的变化可以至少部分地以计算机软件指令的方式实现。这样的指令可以存储在一个或多个可机读存储介质或装置中并由例如一个或多个计算机处理器执行，以使机器执行所述的功能和操作。

已经描述了数个实例。尽管在上面详细公开的只有少数实例，但可以进行其它修改，并且本公开意图涵盖全部这样的修改，最特别地，任何对于本领域普通技术人员可预见的修改。

例如，尽管虚拟枢轴系统(其执行枢转快门的功能，而不采用与快门分离的在旋转中心处的枢轴机构)被描述为使用挠曲件而实现，可以使用其它构件来传递力以移动快门朝向和/或离开摄像机的光圈。例如，快门可以使用如下构件实现：其它的本领域已知的机械地施加力的结构构件、其它的本领域已知的电磁地施加力的结构构件、或其它的本领域已知的施加力以转动快门的结构构件。

附带地，虽然摄像机可以结合光圈以执行接收光的功能，其它结构是可以的。例如，例如光纤、光导、或其它本领域已知的结构可以使用。尽管示出了单构件和两构件快门，其它结构也可以用以交替地阻隔光和传递光至摄像机。例如，更多的快门构件可以使用，或本领域已知的其它结构。

附带地，尽管一个或多个快门构件可以在曝光开始时定位远离光圈并且曝光结束时移动进入光圈前面的位置。例如，快门构件可以初始地定位在光圈前面，并为了曝光而移动离开。

另外，仅那些使用词“装置(means)”的权利要求意图按照35 USC 112中第6段解释。此外，说明书中的限制不意图被写入任何的权利要求，除非这些限制清楚地包括在权利要求中之外。因此，其它实施例在所附权利要求的范围内。

Claims (28)

1、一种用于摄像机的MEMS快门系统，其包括：快门；联接于快门的虚拟枢轴系统，所述虚拟枢轴系统包括一个或多个构造成定位快门的挠曲件。

2、如权利要求1所述的快门系统，其中所述快门包括构造成遮盖摄像机的接收光的光圈的第一部分；和构造成响应所施加的力而移动快门构件的第二部分，其中第二部分不绕与所述快门分离的枢轴机构旋转。

3、如权利要求2所述的快门系统，其中所述虚拟枢轴系统机械联接于所述快门的第二部分，并且其中所述虚拟枢轴系统构造成交替地定位所述第一部分以遮盖摄像机的接收光的光圈以及定位所述第一部分离开摄像机的接收光的光圈。

4、如权利要求1所述的快门系统，其中所述虚拟枢轴系统包括在第一位置处附接到所述快门的第一挠曲件，其中所述虚拟枢轴系统构造成绕旋转中心旋转快门，并且其中所述第一位置不同于快门的旋转中心。

5、如权利要求4所述的快门系统，其中所述虚拟枢轴系统还包括在不同于第一位置的第二位置处附接到快门的第二挠曲件，并且其中所述第二位置不同于所述快门的旋转中心。

6、如权利要求5所述的快门系统，其中所述快门、所述第一挠曲件、及所述第二挠曲件由单个材料件制成。

7、如权利要求1所述的快门系统，其中所述快门和至少部分虚拟枢轴系统由单个材料件制成。

8、如权利要求7所述的快门系统，其中所述材料包括硅。

9、如权利要求1所述的快门系统，其中还包括所述摄像机，并且其中所述快门被定位以交替地阻隔光通过所述摄像机的接收光的光圈、及允许光进入所述摄像机的接收光的光圈。

10、如权利要求1所述的快门系统，其中所述虚拟枢轴系统构造成绕旋转中心旋转快门，并且其中所述虚拟枢轴系统包括在第一位置处附接到快门的第一挠曲件，其中所述第一位置位于所述快门构件的旋转中心处。

11、如权利要求1所述的快门系统，其中所述快门包括第一快门构件和第二快门构件，并且其中所述虚拟枢轴系统包括构造成传递力至所述第一快门构件的第一部分和构造成传递力至所述快门构件的第二部分。

12、如权利要求1所述的快门系统，其中所述快门包括一个或多个构造成减小所述快门在操作中的转动惯量的孔。

13、如权利要求1所述的快门系统，其中所述虚拟枢轴系统还包括缓冲器。

14、一种小型摄像机，其包括：

构造成接收通过光圈的光的光检测系统；

MEMS快门系统，包括：

快门构件，其包括光圈阻隔部分和力接收部分，所述快门构件构造成绕旋转中心旋转，所述快门构件不包括在旋转中心处的与快门构件分离的枢轴机构；

及控制器，所述控制器构造成控制所述快门构件和光检测系统。

15、如权利要求14所述的摄像机，其中所述光检测系统包括电荷耦合装置光检测系统和互补金属氧化物半导体光检测系统中的至少一个。

16、如权利要求14所述的摄像机，其中所述快门构件构造成绕旋转中心旋转而响应于从致动器传递至快门构件的力。

17、如权利要求16所述的摄像机，其中所述快门构件构造成响应于由在第一位置处附接到所述接收光部分的第一挠曲件所传递的力而绕旋转中心旋转，并还构造成响应于由在第二位置处附接到所述接收光部分的第二挠曲件所传递的力而绕旋转中心旋转。

18、如权利要求17所述的摄像机，其中所述第一挠曲件大体上沿第一方向延伸并且所述第二挠曲件大体上沿第二方向延伸，并且其中所述第一方向大约垂直于所述第二方向。

19、如权利要求17所述的摄像机，其中所述快门构件还被构造成响应于由机械联接于致动器的力传动构件传递的力而绕旋转中心旋转。

20、如权利要求17所述的摄像机，其中所述力传动构件在不同于所述第一位置和所述第二位置的第三位置处附接于所述力接收部分。

21、如权利要求17所述的摄像机，其中所述快门构件、所述第一挠曲件、和所述第二挠曲件由单个材料件制成。

22、如权利要求21所述的摄像机，其中所述小型摄像机包括在蜂窝电话、计算机和个人数字助理中的至少一个中。

23、一种用于摄像机的MEMS快门系统，包括：

用于交替地阻隔和解除阻隔所述摄像机的光接收装置的装置；和

用于使联接于用于交替地阻隔和解除阻隔所述光接收装置的装置的快门枢转的虚拟枢轴装置。

24、如权利要求23所述的快门系统，其中所述虚拟枢轴装置构造成旋转用于交替地阻隔和解除阻隔所述摄像机的光接收装置的装置，其中所述虚拟枢轴装置并不绕与用于交替地阻隔和解除阻隔所述光接收装置的装置分离的枢轴机构旋转用于交替地阻隔和解除阻隔所述摄像机的光接收装置的装置

25、如权利要求23所述的快门系统，其中所述虚拟枢轴装置包括在第一位置处附接到用于阻隔和解除阻隔所述光接收装置的装置的第一力传动装置，其中所述虚拟枢轴装置构造成绕旋转中心旋转用于交替地阻隔和解除阻隔所述摄像机的光接收装置的装置，并且所述第一位置不同于所述旋转中心。

26、如权利要求25所述的快门系统，其中所述虚拟枢轴装置还包括在不同于所述第一位置处的第二位置处附接到用于交替地阻隔和解除阻隔所述摄像机的光接收装置的装置的第二力传动装置，并且所述第二位置不同于所述旋转中心。

27、如权利要求23所述的快门系统，其中所述用于交替地阻隔和解除阻隔所述摄像机的光接收装置的装置及至少所述虚拟枢轴装置的部分由单个材料件制成。

28、如权利要求23所述的快门系统，其中还包括所述摄像机。

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