CN101644815B - 变焦透镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种变焦透镜系统，包括依次安装在同一光轴上的变焦单元、补偿单元和成像单元以及驱动传动机构和微处理控制单元。其中驱动传动机构包括变焦步进电机和补偿步进电机。变焦单元通过传动件安装在变焦步进电机的输出轴上，补偿单元通过传动件安装在补偿步进电机的输出轴上，微处理控制单元根据由变焦步进电机驱动的变焦单元和成像单元之间的距离变化调节由补偿步进电机驱动的补偿单元和成像单元之间的距离。本发明结构紧凑，体积小，制造简单、成本低、经济，方便携带。

Description

变焦透镜系统

技术领域

本发明涉及一种变焦透镜系统，特别是一种用于带有变焦功能的移动电话、数码相机或摄像机的变焦透镜系统。

背景技术

变焦透镜系统是具有变焦功能系统的重要组成部分之一。现有的变焦透镜系统的结构一般包括变焦单元、变焦驱动装置、补偿单元和补偿驱动装置等。其中变焦单元包括从物侧至像侧依次排列在同一光轴上的具有正折射的第一透镜组、具有负折射的第二透镜组和具有正折射的第三透镜组，在某些透镜系统中也可以不设置第三透镜组；补偿单元为布置在第三透镜组与像侧之间的具有正折射的第四透镜组。当放大率从具有最短焦距的广角状态向具有最长焦距的远焦端状态改变时，第一透镜组和第三透镜组相对于光轴位置固定，第二透镜组，即变焦单元在变焦驱动装置作用下由物侧向像侧沿着光轴移动；第四透镜组，即补偿单元在补偿驱动装置作用下沿光轴移动以补偿在变焦单元移动之后产生的像面位置变动。由于补偿单元的移动与变焦单元的移动必须保持某种特定关系，才能保证像正好成在成像元件所在位置，所以这种传统的变焦透镜系统中，变焦驱动装置和补偿驱动装置的结构是很重要的。公开号为CN101065700A的变焦透镜装置中公开了一种变焦透镜系统的驱动装置结构。如图1所示，驱动装置结构包括马达1、与透镜系统的光轴平行布置的进给丝杠20和原动轴25、从动轴27。马达1的输出轴上安装有第一齿轮5。进给丝杠20一端部安装有与第一齿轮5啮合的第二齿轮7，进给丝杠20上设有与其配合的移动体21。原动轴25的一端部安装有与第二齿轮7啮合的第三齿轮6，另一端安装有可以间歇带动从动轴27的间歇传动机构D。从动轴27上形成有螺旋状的变焦用凸轮面36。第二保持框14上设有可以与凸轮面36配合工作的从动部17，相当于变焦单元的变焦透镜12安装在第二保持框14上。第三保持框15上设有可以与移动体21配合工作的从动部19，相当于补偿单元的聚焦透镜13安装在第三保持框15上。马达1启动，带动第一齿轮5转动，进一步带动第二齿轮7、第三齿轮6随之转动；第二齿轮7过带动进给丝杠20转动，与进给丝杠20配合的移动体21沿着丝杠20轴向移动，进一步带动从动部19移动，最终实现聚焦透镜13沿轴向移动；同时，第三齿轮6带动原动轴25转动，通过间歇传动机构D的作用，从动轴27带动凸轮面36间歇性转动，于是从动部17沿着凸轮面36相应移动，最终实现变焦透镜12间歇性沿着光轴方向移动。在凸轮面36的特定形状及间歇传动机构D的作用下，变焦透镜12沿着光轴移动产生的像面移动，恰好由聚焦透镜13的移动弥补。

由上述的驱动装置结构可知，目前的变焦透镜系统中的机械驱动装置是非常复杂的，其由一个动力源通过两套传动机构分别驱动变焦驱动装置和补偿驱动装置。其结构包括齿轮、间歇传动机构、丝杠等多个相互配合的传动部件，这不但制造成本高，而且占据很大空间，不利于减小变焦透镜系统的体积，同时要求各个传动部件之间要保证很高的传动精度，否则会极大地影响成像质量。另外，如果变焦系统的光学参数发生变化，则原有的机械驱动装置无法继续使用，需要重新设计相适应的机械驱动装置，不但设计、制造麻烦，而且进一步增加了成本。

发明内容

本发明的实施例旨在克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、体积小，且控制精确、灵活的变焦透镜系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种变焦透镜系统，包括壳体、依次安装在同一光轴上的变焦单元、补偿单元和成像单元，以及驱动传动机构，其中在所述壳体的两相对侧板上固定有两根互相平行的安装轴，所述变焦单元包括滑动安装在所述两根安装轴上的变焦透镜保持框和安装在所述变焦透镜保持框内的变焦透镜组。所述补偿单元包括滑动安装在所述两根安装轴上的补偿透镜保持框和安装在所述补偿透镜保持框内的补偿透镜组。所述驱动传动机构包括变焦驱动传动机构和补偿驱动传动机构，所述变焦驱动传动机构包括安装在所述壳体的其中一块侧板上的变焦步进电机、固定安装在所述变焦步进电机输出轴上的变焦丝杠以及与所述变丝杠配合工作的变焦螺母，其中所述变焦螺母与所述变焦透镜保持框固定连接在一起。所述补偿驱动传动机构包括安装在所述壳体的其中一块侧板上的补偿步进电机、固定安装在所述补偿步进电机输出轴上的补偿丝杠，与所述补偿丝杠配合工作的补偿螺母，其中所述补偿螺母与补偿透镜保持框固定连接在一起。所述变焦单元到成像单元之间的距离数据与补偿单元到成像单元之间的距离数据是一一对应的，所述微处理控制单元根据由变焦步进电机驱动的变焦单元和成像单元之间的距离变化调节由补偿步进电机驱动的补偿单元和成像单元之间的距离以使曝光时成像位置在成像单元上，其中所述变焦单元到成像单元之间的距离数据是根据光学设计得到的变焦曲线数据，根据使用者实际的变焦操作来得出变焦单元到成像单元之间的距离。

其中所述微处理控制单元包括数据采集单元、补偿数据处理单元和步进电机驱动控制单元；其中

所述数据采集单元用于采集变焦单元到成像单元之间的距离数据；

所述补偿数据处理单元根据数据采集单元采集到的距离数据得出补偿单元到成像单元之间的距离数据；

所述步进电机驱动控制单元向补偿步进电机发出指示，使其带动补偿单元移动相应的距离。

所述微处理控制单元还包括数据存储单元，用于存储变焦单元到成像单元之间的距离数据和与该距离数据一一对应的补偿单元到成像单元之间的距离数据的对应表，所述补偿数据处理单元通过在数据存储单元中查找的方式得出补偿单元到成像单元之间的距离数据。

其中还包括变焦控制单元，其用于得出变焦单元到成像单元之间的距离数据，并输入到所述步进电机驱动控制单元，步进电机驱动控制单元接收变焦控制单元输入的距离数据，指令所述变焦步进电机带动变焦单元移动相应的距离。

所述传动件是螺纹结构。

所述螺纹结构包括设置在电机输出轴上的外螺纹和设置在螺母上与外螺纹配合的内螺纹。

所述步进电机输出轴上固定有丝杠，所述螺纹结构包括设置在丝杠上的外螺纹和设置在螺母上与外螺纹配合的内螺纹。

所述变焦单元到成像单元之间的距离数据和补偿单元到成像单元之间的距离数据分别由变焦螺母和补偿螺母的螺距表示。

所述变焦螺母的螺纹螺距和补偿螺母的螺纹螺距相等。

由上述技术方案可知，本发明中，驱动传动机构包括用于驱动变焦单元的变焦步进电机和用于驱动补偿单元的补偿步进电机，由于设有两个步进电机，使其驱动传动机构大为简化，只由较少的零件组成，结构紧凑，而且变焦单元和补偿单元的移动是互不干涉，各自独立的，易于实现精确控制。本发明中两个步进电机由微处理控制单元控制，能根据变焦单元和成像单元之间的距离变化来调节补偿单元和成像单元之间的距离，使二者对应输出。当变焦透镜系统中的光路系统结构变化而导致光学参数变化时，变焦单元或补偿单元中透镜的尺寸将同时改变。对本发明的系统来说，只需简单地将变化后的变焦数据和补偿数据输入微处理控制单元即可实现补偿曲线与变焦曲线的对应输出，而不需要重新设传动机构的机械结构，所以本发明的变焦透镜系统制造简单、成本低、经济。另外，本发明中的程序可写入诸如CPLD，FPGA，DSPT，ARM的微处理器或其他微处理器，以实现控制单元的微型化，从而使本发明的系统体积进一步减小、重量进一步减轻，携带更加方便。

通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1是现有的变焦透镜系统的结构示意图；

图2是本发明的变焦透镜系统的机械装配结构示意图；

图3是本发明的变焦透镜系统的机械结构分解示意图；

图4是本发明的变焦透镜系统中的光学成像结构示意图；

图5表示本发明中的变焦单元和补偿单元之间位移关系的原理示意图；

图6表示本发明的变焦透镜系统的各部分动作过程示意图；

图7是本发明中的微处理控制单元的控制流程图；

图8表示本发明中，变焦数据、补偿数据随着步进电机转动步数变化的示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。

如图2、图3和图4所示，本发明的变焦透镜系统的结构包括安装在壳体50内的变焦单元、成像元件56(见图4)用于补偿像差的补偿单元64以及驱动传动机构。在壳体50的两相对侧板上固定有两根互相平行的安装轴。所述的变焦单元包括滑动安装在两根安装轴上的变焦透镜保持框61和安装在保持框61内的变焦透镜组62。所述补偿单元包括滑动安装在两根安装轴上的补偿透镜保持框63和安装在保持框63内的补偿透镜组64。其中变焦透镜组62与补偿透镜组64安装在同一光轴上。在该光轴上还可以安装滤光透镜55(见图4)。

驱动传动机构包括变焦驱动传动机构和补偿驱动传动机构。其中变焦驱动传动机构包括安装在壳体50的其中一块侧板上的变焦步进电机51、固定安装在变焦步进电机51输出轴上的丝杠(图中未示出)，与丝杠配合工作的变焦螺母52。其中变焦螺母52与变焦透镜保持框61固定连接在一起。

补偿驱动传动机构包括安装在壳体50的其中一块侧板上的补偿步进电机53、固定安装在补偿步进电机53输出轴上的丝杠(图中未示出)，与丝杠配合工作的补偿螺母54。其中补偿螺母54与补偿透镜保持框63固定连接在一起。

本实施例的驱动传动机构和补偿驱动传动机构中，如果选用输出轴上设有螺纹的步进电机，可以省略丝杠，而将螺母直接配合在电机输出轴上。另外，在电机输出轴与螺母之间也可以设置其他的螺纹结构，只要当步进电机转动时通过螺纹结构能够驱动螺母移动即可。

参见图4、图5和图6。其中图5中的AA是光轴，L1、L2是共轭距。假设变焦透镜组62在初始位置时，物体成像位置恰好在成像元件56，当变焦透镜组62向目标物体移动过程中，变焦透镜组62与成像元件56之间的距离也不断变化，即物距不断变化。像距随物距的变化而发生变化，于是变焦透镜组62移动后物体成像位置偏离了成像元件56。如果要纠正该偏移量，使成像位置仍位于成像元件56上，则需要移动补偿透镜组64，补偿透镜组64移动的距离要恰好能够补偿因变焦透镜组62的移动而产生的偏移量。启动变焦步进电机51，丝杠随其输出轴转动，驱动变焦螺母52移动，从而带动与变焦螺母52固定连接的变焦透镜组62移动了位移X1，变焦透镜组62与成像元件之间的距离发生了变化，物体的成像位置就偏离了成像元件56。为了补偿这个偏移量，启动补偿步进电机53，丝杠随其输出轴转动，驱动补偿螺母54移动，从而带动与补偿螺母54固定连接的补偿透镜组64向相反方向移动位移X2，即当变焦透镜组62移动距离X1时，补偿透镜组64向相反方向移动距离X2，成像位置才能正好在成像元件56上。也就是说变焦透镜组62和成像元件56之间的距离与补偿透镜组64和成像元件56之间的距离存在着一一对应的关系。只有保证该两种距离的准确对应关系，才能保证正确的成像位置。这种对应关系的控制将通过下面阐述的微处理控制单元实现。

如图7所示，本发明中的微处理控制单元为一微处理器，用于根据变焦单元和成像单元之间的距离变化调节补偿单元和成像单元之间的距离来满足在变焦的同时来完成成像补偿的功能，该系统能够满足一定焦距内的同类型变焦系统的需求，而仅需对程序进行相应的改动就可以，这样就可以以一种结构来满足多种变焦系统的需求。微处理器包括数据采集单元、数据存储单元、补偿数据处理单元和步进电机驱动控制单元，其中

所述数据采集单元用于采集变焦单元到成像单元之间的距离数据；

所述补偿数据处理单元根据数据采集单元采集到的距离数据得出变焦单元到成像单元之间的距离数据；

所述步进电机驱动控制单元向补偿步进电机发出指示，使其带动补偿单元移动相应的距离。

所述数据存储单元用于存储变焦单元到成像单元之间的距离数据、与该距离数据相对应的补偿单元到成像单元之间的距离数据的对应表，其中的变焦单元到成像单元之间的距离数据、补偿单元到成像单元之间的距离数据均可以采用常规的光学设计方法或者利用现有的专业光学设计软件，如CodeV、Zemax、Oslo取得。另外，本发明中也可以不设置用于存储距离对应表的数据存储单元，而是在微处理器中设置一个补偿数据计算单元，由该补偿数据计算单元根据变焦单元到成像单元之间的距离数据用变焦微分方程计算出补偿单元到成像单元之间的距离数据。

本发明的变焦透镜系统中还包括变焦控制单元，其用于得出变焦单元到成像单元之间的距离数据，并输入到所述步进电机驱动控制单元，步进电机驱动控制单元接收变焦控制单元输入的距离数据，指令所述变焦步进电机带动变焦单元移动相应的距离。变焦单元的移动也可以由另一个独立的控制模块控制。变焦单元到成像单元之间的距离数据是根据前述光学设计的结果得到的变焦曲线数据，然后根据使用者实际的变焦操作来得出变焦单元到成像单元的距离，比如在1.5x变焦处，有个数值，比如13mm。驱动该变焦单元到达指定的位置，从该点来看，本发明的系统可以适应多种同样结构的光学变焦设计。

所述变焦微处理控制单元根据变焦单元到成像单元之间初离数据、变焦单元到成像单元之间初始距离数据、放大率、成像元件即探测器的面积计算出变焦单元需要移动的距离和方向，并根据该移动的距离、变焦螺母的螺距数据计算出变焦步进电机转动的步数和方向。所述的补偿数据处理单元根据变焦单元移动后变焦单元到成像单元之间的距离数据查找与该距离数据对应的补偿单元到成像单元之间的距离数据，再根据补偿单元到成像单元之间初始距离数据计算出补偿单元需要移动的距离和方向，并进一步结合补偿螺母的螺距数据计算出补偿步进电机转动的步数和方向；

通过下列公式(1)能够表示出本发明的系统中的变焦单元或补偿单元的移动分辨率。

其中，StepAngle表示步进电机的步进角，Pscrew是螺母的螺距，Rscrew是减速比。本发明的系统中，Pscrew为0.25mm，步进角为18°。那意味着步进电机每向前移动一步将使螺母向前或向后移动Dresolution＝18°/360°*0.25mm＝0.0125mm＝12.5um(微米)。如果在本发明的系统中使用减速机，则能够取得更小的位移。例如，如果减速比是1∶10，那么螺母的位移是Dresolution＝18°/360°*0.25mm*0.1＝1.25um(微米)。

则，变焦单元或补偿单元的移动的距离可表示为：

Distance＝Nstep·Dresolution    (2)

其中，Distance是变焦单元或补偿单元需要移动的距离，Nstep是步进电机的步数。

通过下列公式(3)能算出步进电机转动的步数：

$\mathrm{Nstep}=\frac{\mathrm{Dis}\tan \mathrm{ce}}{\mathrm{Dresolution}}---\left(3\right)$

按照这个简单的公式可以计算出变焦步进电机和补偿步进电机转动的步数。

见图8，图中纵坐标表示变焦透镜组或补偿透镜组到成像元件如CCD或者CMOS的距离，单位为mm；横坐标表示变焦步进电机或补偿步进电机转动的步数，单位是步。

图示中曲线a为变焦曲线，曲线b为补偿曲线。当变焦透镜组运动到x[n]坐标处，对应着曲线a上Sa[n]，此时补偿透镜组也对应移动到曲线b上与Sa[n]对应的Sb[n]点，这样就能满足我们所说的补偿透镜组对变焦透镜组的补偿作用，从而可以保证变焦的时候系统成像不会偏离成像面。例如，当变焦透镜组运动到x[1]时，对应着曲线a上的17.8mm这个点值位置，此时，补偿透镜组运动到对应曲线b的5.7mm这个点值位置。当变焦透镜组由x[1]运动到x[2]时，对应着曲线a上的17.2mm这个点值位置，此时，补偿透镜组运动到对应曲线b的7.5mm这个点值位置。在此过程中，变焦单元中的变焦步进电机需要移动的距离为17.8mm-17.2mm＝0.6mm，则对应的转动步数为0.6mm/1.25um＝480步，方向为靠近成像单元。补偿单元中的补偿步进电机需要移动的距离为7.5mm-5.7mm＝1.8mm，则转动步数为1.8mm/1.25um＝1440步，方向为远离成像单元。

在步进电机转动方向和步数计算单元中，向靠近成像单元移动的方向定义为正方向，步进电机转动方向标记为J，向远离成像单元移动的方向定义为反方向，步进电机转动方向标记为Y。经计算，本发明中，变焦步进电机和补偿步进电机转动的对应数据见图8中横坐标。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种变焦透镜系统，包括壳体(50)、依次安装在同一光轴上的变焦单元、补偿单元和成像单元，以及驱动传动机构，其特征在于所述变焦透镜系统还包括微处理控制单元，其中在所述壳体(50)的两相对侧板上固定有两根互相平行的安装轴，所述变焦单元包括滑动安装在所述两根安装轴上的变焦透镜保持框(61)和安装在所述变焦透镜保持框(61)内的变焦透镜组(62)；所述补偿单元包括滑动安装在所述两根安装轴上的补偿透镜保持框(63)和安装在所述补偿透镜保持框(63)内的补偿透镜组(64)；所述驱动传动机构包括变焦驱动传动机构和补偿驱动传动机构，所述变焦驱动传动机构包括安装在所述壳体(50)的其中一块侧板上的变焦步进电机(51)、固定安装在所述变焦步进电机(51)输出轴上的变焦丝杠以及与所述变焦丝杠配合工作的变焦螺母(52)，其中所述变焦螺母(52)与所述变焦透镜保持框(61)固定连接在一起；所述补偿驱动传动机构包括安装在所述壳体(50)的其中一块侧板上的补偿步进电机(53)、固定安装在所述补偿步进电机(53)输出轴上的补偿丝杠，与所述补偿丝杠配合工作的补偿螺母(54)，其中所述补偿螺母(54)与补偿透镜保持框(63)固定连接在一起；所述变焦单元到成像单元之间的距离数据与补偿单元到成像单元之间的距离数据是一一对应的，所述微处理控制单元根据由变焦步进电机(51)驱动的变焦单元和成像单元之间的距离变化调节由补偿步进电机(53)驱动的补偿单元和成像单元之间的距离以使曝光时成像位置在成像单元上，其中所述变焦单元到成像单元之间的距离数据是根据光学设计得到的变焦曲线数据，根据使用者实际的变焦操作来得出变焦单元到成像单元之间的距离。

2.如权利要求1所述的变焦透镜系统，其特征在于所述微处理控制单元包括数据采集单元、补偿数据处理单元和步进电机驱动控制单元；其中 

所述数据采集单元用于采集变焦单元到成像单元之间的距离数据；

所述补偿数据处理单元根据数据采集单元采集到的距离数据得出补偿单元到成像单元之间的距离数据；

所述步进电机驱动控制单元向补偿步进电机发出指示，使其带动补偿单元移动相应的距离。

3.如权利要求2所述的变焦透镜系统，其特征在于所述微处理控制单元还包括数据存储单元，用于存储变焦单元到成像单元之间的距离数据和与该距离数据一一对应的补偿单元到成像单元之间的距离数据的对应表，所述补偿数据处理单元通过在数据存储单元中查找的方式得出补偿单元到成像单元之间的距离数据。

4.如权利要求2所述的变焦透镜系统，其特征在于还包括变焦控制单元，其用于得出变焦单元到成像单元之间的距离数据，并输入到所述步进电机驱动控制单元，步进电机驱动控制单元接收变焦控制单元输入的距离数据，指令所述变焦步进电机带动变焦单元移动相应的距离。

5.如权利要求2所述的变焦透镜系统，其特征在于所述变焦单元到成像单元之间的距离数据和补偿单元到成像单元之间的距离数据分别由变焦螺母(52)和补偿螺母(54)的螺距表示。

6.如权利要求5所述的变焦透镜系统，其特征在于所述变焦螺母(52)的螺纹螺距和补偿螺母(54)的螺纹螺距相等。 

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