CN101688976A - 用于在手持照相机中提供稳定图像的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明通过激活附着到柔性透镜体的致动器来改变通过柔性透镜的光轴方向从而提供图像稳定，其中施加到致动器上的电压量与分别感测横摇和俯仰移动的运动传感器提供的信号成比例。

Description

用于在手持照相机中提供稳定图像的装置
技术领域
本发明涉及手持数字照相机的图像稳定，且尤其涉及通过对附着到柔性透镜体的致动器施加控制信号来提供图像稳定性的装置，其中根据用于抵消手持照相机的不期望移动或振动的影响的控制信号，致动器对柔性透镜体的挤压提供在通过透镜体的光轴方向上的移位。
背景技术
手发抖、房屋地面或地板震动，或者来自或通过保持照相机(诸如静止摄影照相机或视频照相机)的人或照相机支架的其它类似的快速小移动通常都是会导致图片模糊的不期望移动，这是因为快门速度有限且图像场景由于照相机的不期望移动而在图像传感器上被掠过。为了补偿这样的不期望移动会使用非常高的快门速度。然而，由于更高的快门速度导致捕获了更少的光，这会影响照相机的低亮度阈值。关于快门可移动多快也有物理限制。数字照相机也具有会影响照相机的最大可能快门速度的关于背景噪声水平和读出速度的问题。在现有技术中有若干已知的通过使用硬件系统或用于对捕获和存储的数字图像进行后处理的软件程序或者作为硬件和实时软件的组合提供图像稳定的解决方案，从而提供对捕获的图像中的不期望移动的消除或补偿。
当前已知的用于数字照相机(静止图片和视频照相机)的图像稳定的方法一般使用插入光路中的光学透镜元件，所述光学透镜元件通过由外部发动机(例如压电致动器、音圈或步进发动机)驱动的机械机构横向移动且特征在于具有许多部件的复杂布置。例如，回转仪可提供如下信号，该信号提供控制信号，该控制信号通过在与不期望移动相反的方向上移动光学透镜元件来抵消不期望移动。其他现有技术方法在图像捕获后使用软件算法并减小图像模糊，但是该方案不提供捕获的图像帧的改进的光学质量，反而引入进一步降低图片质量的其他图像伪影。
提供机械地驱动的机构的现有技术解决方案使得照相机系统更大且构造起来更复杂。大量部件还带来了可靠性的风险。提供对所捕获且存储的数字图像的图像分析和滤波的软件解决方案趋向于剪辑图像，且然后通常在图像的边缘处外插丢失的图像部分以隐藏不期望的移动。在天文学中通常使用正交转移CCD芯片，正交转移CCD芯片实际上在CCD芯片自身内移位图像，而图像是基于对被观察的天空物体的明显运动的在线分析而被捕获的。诸如Sony、Nikon、Konica Minolta等的照相机制造商所提供的解决方案机械地移动图像传感器或具有根据回转仪传感器提供的控制信号而进行移动的浮动透镜元件，从而感测快速的不期望的小移动的事件和方向，其中不期望运动的特征在于提供在与移动的速度、方向和强度(加速度和持续时间)有关的预设阈值水平之上的传感器信号。
发明内容
柔性透镜体的近来发展提供了具有自动聚焦能力的紧凑型透镜组件。例如，挪威专利申请No.20070803和No.20065238提供了这样的装置的例子。本发明人已经认识到这些类型的柔性透镜组件可被修改且可用来提供用于图像稳定的系统的简单、紧凑和容易的可制造性。根据本发明的光学图像稳定器通过提供与柔性透镜体接触的致动器(其提供在通过透镜体的光轴方向上的移位，且从而提供光轴和图像传感器的表面之间的交叉点的位置的移位，从而抵消不期望的快速移动的移动)克服了现有技术解决方案的复杂性。光轴方向的移位是通过根据由例如现有技术中已知的回转仪传感器系统的运动传感器所提供的控制信号来激活致动器从而“挤压”柔性透镜体来获得的。
根据本发明的一方面，柔性透镜组件提供的图像稳定器适于晶片级制造，这使得新型的全自动集成照相机解决方案成为可能。
根据本发明的装置的实施例的例子，该实施例的例子使得紧凑型照相机(例如用于移动电话的照相机)能够在不增加由于不期望的快速小移动而导致的模糊的情况下增加曝光时间，这是因为该装置补偿该移动。增加例如CMOS数字照相机的曝光时间意味着更大幅度地增大的信噪比水平、对于在暗环境下拍摄的图片的更小的背景噪声，并减小了用于所需的亮度的阈值。这还意味着可针对更高F数设计照相机，而与更低的F数解决方案相比同时仍捕获同样量的光(在更长的时间段上)，这将使得与现有技术的镜头相比能够减小照相机镜头的尺寸、复杂性和成本。
根据本发明的实施例的例子，用于提供手持照相机中的稳定图像的装置包括布置在当施加的电压激活至少一个致动器时提供对柔性透镜体的挤压的至少一个致动器之间的柔性透镜体，其中激活电压与分别感测照相机的横摇和俯仰移动的运动传感器提供的信号成比例地改变通过透镜体的光的方向。
根据本发明实施例的例子，装置包括在透明支持物的上面的限定填充有透明聚合物的腔的侧壁，其中在侧壁和聚合物的上方布置有可弯曲的透明罩，其包括位于在透明罩的上方被布置的压电致动器之间的中心附着的透明棱镜。
根据本发明实施例的例子，装置包括被形成为柱面透镜的中心附着的透镜，其中两个分离的压电致动器，其中每个压电致动器在柱面透镜的一侧上，提供通过装置的光的一维位移。
根据本发明的实施例的例子，其中中心附着的棱镜是球面透镜，其中四个分离的压电元件在球面透镜周围以方形模式布置，从而提供通过装置的光的二维位移。
根据本发明的实施例的例子，装置包括运动检测器，该运动检测器是回转仪传感器。
根据本发明的实施例的例子，装置包括运动检测器，该运动检测器仅当信号水平高于预设阈值水平时提供信号。
根据本发明的实施例的例子，使来自运动检测器的信号与来自跟踪装置的信号相结合，从而在装置移动以跟随通过装置观看的快速移动物体的移动时，提供物体到图像传感器表面上的基本上相同位置上的投影。
根据本发明实施例的例子，用于提供手持照相机中的稳定图像的装置包括布置在至少一个致动器之间的在朝外的表面上具有光反射涂层的柔性体，当施加的电压激活所述至少一个致动器时该致动器提供对柔性体的挤压，其中激活电压与运动传感器提供的信号成比例地改变被所述体反射的入射光的方向，所述运动传感器分别感测照相机的横摇和俯仰移动。
根据本发明的实施例的例子，装置包括支持物上方的限定填充有聚合物的腔的侧壁，其中在侧壁和聚合物的上方布置有可弯曲的罩，其包括位于布置在罩的上方的压电致动器之间的中心附着体，在所述体的朝外的侧上具有反射涂层。
根据本发明实施例的例子，两个分离的压电致动器，其中每个压电致动器布置在中心附着体的一侧上，提供从装置反射的入射光的一维位移。
根据本发明的实施例的例子，在中心附着体周围以方形模式布置有四个分离的压电致动器，从而提供从装置反射的入射光的二维位移。
附图说明
图1描绘了照相机中的现有技术图像稳定布置的例子。
图2描绘了照相机中的现有技术图像稳定布置的另一例子。
图3a和3b描绘了本发明的实施例的例子。
图4描绘了本发明的实施例的另一例子。
图5描绘了包括自动聚焦能力的本发明的实施例的另一例子。
图6描绘了本发明的实施例的另一例子。
图7描绘了本发明的实施例的另一例子。
具体实施方式
图1示出了现有技术中已知的根据来自运动传感器元件的信号来移动透镜元件的图像稳定器的原理布置。如图1所示，照相机壳10可绕指示横摇的Y轴不期望地水平移动，和/或绕X轴移动(其是指示俯仰的移动)。沿Y轴方向布置的角速度传感器1感测横摇，而沿X轴布置的另一速度传感器2感测俯仰。根据来自这些传感器的信号幅度，各个致动器11和12分别使VR透镜元件在X和Y方向上移位，从而补偿由角速度检测器1和2所检测到的不期望运动。
图2示出根据回转仪信号处理移动CCD图像传感器芯片的图像稳定系统的原理。
本领域普通技术人员应理解，如图1和图2所示的这样的布置尽管提供了针对图像稳定问题的功能性解决方案，但是实际上是难以制造的复杂解决方案。提供图像稳定的关键问题是在相对于检测到的不期望运动的抵消运动中布置光轴上的光和图像传感器的表面之间的交叉点的移动，而不是检测不期望运动本身。例如，现代半导体技术和微电子机械系统(MEMS)等提供了供应微型化回转仪传感器的能力，该微型化回转仪传感器可被容易地集成到例如本领域技术人员已知的数字照相机中。
图3a和3b示出了本发明的实施例的例子。根据本发明，校正通过透镜组件的光轴的移动可通过如图3a所示的布置来完成。透明的柔性聚合物布置在腔21中，腔21由壁22、透明支持物23和可弯曲的薄的透明罩26(例如薄玻璃板)限定，所述透明罩26布置有在至少两个压电致动器24之间的中心定位的透明棱镜25。当例如负电压被施加到两个压电致动器中的一个且正电压被施加到另一个压电致动器时，透明棱镜25如图3b所示那样倾斜。如本领域技术人员容易理解的那样，通过调整施加到压电致动器的电压，可根据运动传感器控制倾斜的量，且从而控制通过组件的光轴的位移，运动传感器提供根据检测到的不期望移动的信号，从而提供用于通过使光轴和图像传感器表面之间的交叉点的位置移位来抵消这样的不期望移动的装置。所需的移位量与图1所绘的装置和图像传感器(未示出)的表面之间的距离成比例。在这些原理的实际实施例中，施加到压电致动器的电压的量可如本领域技术人员所知的那样由可设计电压源、可设计或固定衰减器等来规定。
图4示出本发明的实施例的另一例子，其中图3a和3b中的棱镜25被替换为在体30的朝外的表面上涂有光反射材料的体30(可以是如图3a和3b所示的棱镜)。当压电致动器24倾斜体30时，入射到体30的反射表面上的入射光改变其反射方向。如本领域普通技术人员可容易理解的那样，该布置可用来调整从体30反射的光和图像传感器表面之间的交叉点以例如抵消图像传感器所检测到的不期望移动的影响。施加到压电致动器的电压的量与移动交叉点从而抵消不期望移动所需的位移的量成比例。
图5示出了如何布置电路以将电压提供到压电致动器24上的例子。实际电路或电路的配置可取决于用来检测不期望移动的传感器的类型。然而，在本发明的范围内可使用任何类型的传感器和电路，包括数字信号处理器、微控制器和微处理器以及离散部件、模拟以及数字部件，只要该电路以如下方式将电压施加到致动器上，即该方式提供了抵消所检测到的不期望移动的影响的棱镜25或体30的倾斜。
图6示出包括图3所示的图像稳定布置以及提供自动聚焦能力的透镜组件的实施例的另一例子。电路被布置成提供图像稳定信号以及提供聚焦点的移位。提供自动聚焦能力的透镜布置公开在例如挪威专利申请No.20070803中。
图7示出在分别提供棱镜25或体30的一维倾斜或二维倾斜的不同几何形状的致动器24之间布置棱镜25(或涂有光反射材料的体30)的不同例子。图7a示出一维倾斜能力，而图7b和7c示出二维倾斜能力。如果图7a所绘的布置要用来抵消横摇和俯仰，则可提供图7a所示的两个实施例的堆叠，例如其中一个实施例控制横摇而另一个实施例控制俯仰。
以上公开的本发明的实施例的不同例子提供了在照相机或视频记录机中对穿过透镜体的光(或反射光的方向)和图像传感器的表面之间的交叉点的控制。根据本发明的另一方面，期望的其它移动可导致不期望移动会在图像中提供的相同类型的模糊。这样的期望的快速移动可能源于被拍摄或视频记录的快速移动物体，例如快速跑动的1级方程式赛车。根据本发明的实施例的另一例子，可使用跟踪装置来将调节电压施加到根据本发明的压电致动器。当拍摄或通过视频照相机摄影快速移动物体时，保持照相机的人必须通过在物体移动的方向上转动照相机来在物体移动时跟随物体。由于快速移动物体的高速，这会导致照相机的颠簸移动。该颠簸将在图像或视频流中表现为图像中的模糊。
根据本发明实施例的例子，与例如如图3a或4a所绘的本发明的实施例一起使用跟踪装置，这将消除与拍摄或摄影快速移动物体有关的问题。如本领域技术人员已知的那样，跟踪装置允许包括照相机或视频记录机的系统的操作员将标记(光标)锁定到通过照相机或视频记录机观看的物体上，从而使系统能够通过随着标记的物体在场景中移动而转动照相机或视频记录器来进行“跟随”。照相机或视频记录机的转动是通过附着到照相机的照相机平台提供的，该照相机平台包括由与锁定标记在照相机后部中的图像传感器的表面上的所检测到的移动(以及从而被锁定物体的移动)有关的信号控制的发动机。如本领域技术人员已知的，该锁定可通过软件检测标记指向的物体的轮廓且然后通过检测被锁定物体的边缘区域中的像素的移位值来检测轮廓在任何方向上的移动来获得。当被锁定物体移动到图像传感器表面的边界外时，生成移动照相机或视频记录机平台的信号，以使得物体仍然在图像传感器的表面内。
本发明的发明人已认识到，可与本发明的实施例一起利用将标记锁定到物体上的这些原理，以消除拍摄或摄影快速移动物体的问题。根据本发明的跟踪装置包括本领域中已知的物体的选择和锁定机构。例如，可使用光标来选择物体以通过数字照相机的取景器来锁定。然而，本发明实施例的该例子不包括机动化的照相机平台。当快速移动物体开始跨照相机的图像传感器表面而移动时，在跟踪装置中产生如下信号，该信号提供被锁定物体的移动的信息，如被锁定物体的速度、方向和强度(加速度)。通过将该信息转换成施加到根据本发明的压电致动器上的电压，快速移动物体的移动被抵消，使得被成像物体自身总是被投影到图像传感器的表面的相同区域。当物体开始移动或移动到照相机的取景器之外时，持有照相机的人将通过移动照相机来跟随物体。然而，由于实施例的该例子将物体锁定到图像传感器的表面上的相同区域，因此通常带来图像中的颠簸感觉的由手动进行的该跟随移动被消除。
根据本发明的另一方面，可通过晶片级制造来提供本发明的实施例。根据本发明的制造例子，可通过在透明支持物23的上面提供例如矩阵模式的多个侧壁22来限定根据本发明的多个装置。然后可将聚合物填充到由矩阵模式所限定的多个腔中。然后，可将玻璃罩26组装到聚合物和侧壁矩阵的上面。玻璃棱镜25可以是玻璃罩26的整体的一部分，或者可在玻璃罩被布置在侧壁矩阵和聚合物的上面之前被组装到玻璃罩26上。多个玻璃棱镜25可在与以矩阵模式提供的侧壁26所限定的腔一致的位置处以相似的矩阵模式布置在玻璃罩26上。如本领域技术人员已知的那样，压电致动器24同样地可在玻璃罩被组装到侧壁26的上面之前或之后被布置到玻璃罩26上。在组装处理完成之后，通过在以矩阵模式提供的围绕每个装置的侧壁22的每个相应部分的中央沿矩阵方向进行切割来使矩阵模式的每个装置个别化。

Claims (13)

1.一种用于提供手持照相机中的稳定图像的装置，包括布置在至少一个致动器之间的透镜体，所述至少一个致动器在施加的电压激活所述至少一个致动器时提供对所述柔性透镜体的挤压，其中激活电压与分别感测照相机的横摇和俯仰移动的运动传感器所提供的信号成比例地改变通过透镜体的光的方向。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置包括在透明支持物的上面的限定填充有透明聚合物的腔的侧壁，其中在所述侧壁和所述聚合物的上面布置有可弯曲的透明罩，所述透明罩包括位于压电致动器之间的中心附着的透明棱镜，所述压电致动器位于所述透明罩的上面。
3.根据权利要求2所述的装置，其中中心附着的棱镜是柱面透镜，其中在所述柱面透镜的每侧上一个的两个分离的压电致动器提供通过所述装置的光的一维位移。
4.根据权利要求2所述的装置，其中中心附着的棱镜是球面透镜，其中在所述球面透镜周围以方形模式布置四个分离的压电元件，从而提供通过所述装置的光的二维位移。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述运动检测器是回转仪传感器。
6.根据权利要求1所述的装置，其中运动检测器仅当信号水平高于预设的阈值水平时才提供信号。
7.根据权利要求1所述的装置，其中来自所述运动检测器的信号与来自跟踪装置的信号相结合，从而在所述装置移动以跟随通过所述装置观看的快速移动物体的移动时，提供物体到图像传感器表面上基本上相同位置的投影。
8.一种用于提供手持照相机中的稳定图像的装置，包括在朝外的表面上具有光反射涂层的柔性体，所述柔性体布置在至少一个致动器之间，所述至少一个致动器在施加的电压激活所述至少一个致动器时提供对所述柔性体的挤压，其中所述激活电压与分别感测照相机的横摇和俯仰移动的运动传感器所提供的信号成比例地改变被所述体反射的入射光的方向。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述装置包括在支持物上面的限定填充有聚合物的腔的侧壁，其中在所述侧壁和所述聚合物的上面布置有可弯曲的罩，所述罩包括位于压电致动器之间的中心附着体，其中在所述体的朝外的侧上具有反射涂层，所述压电致动器位于所述罩的上面。
10.根据权利要求9所述的装置，其中在所述中心附着体的每侧上一个的两个分离的压电致动器提供从所述装置反射的入射光的一维位移。
11.根据权利要求10所述的装置，其中在所述中心附着体周围以方形模式布置有四个分离的压电致动器，从而提供从所述装置反射的入射光的二维位移。
12.根据权利要求8所述的装置，其中所述运动检测器是回转仪传感器。
13.根据权利要求8所述的装置，其中运动检测器仅当信号水平高于预设的阈值水平时才提供信号。
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