CN109901342B - 紧凑型折叠式相机中带有滚动补偿的自动对焦和光学图像稳定 - Google Patents

紧凑型折叠式相机中带有滚动补偿的自动对焦和光学图像稳定 Download PDF

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Abstract

折叠式数码相机模块，其包括：光路折叠元件(OPFE)，其用于将来自具有第一光轴的第一光路的光折叠到具有垂直于第一光轴的第二光轴的第二光路；图像传感器；以及镜头模块，其携带具有平行于第二光轴的对称轴的镜头。相机模块适于执行光学图像稳定(OIS)，其涉及围绕轴的OPFE倾斜的至少一个倾斜运动，使得OPFE倾斜产生图像滚动移动和移位移动，OPFE倾斜产生的图像滚动移动补偿可由镜头模块的移动消除的折叠式相机模块滚动引起的滚动移动。

Description

紧凑型折叠式相机中带有滚动补偿的自动对焦和光学图像 稳定
分案申请
本申请系申请号为201680022676.8、申请日为2016年09月05日、发明名称为“紧凑型折叠式相机中带有滚动补偿的自动对焦和光学图像”的母案中国专利申请的分案申请。该母案申请系PCT/IB2016/055308国际专利申请的中国国家阶段申请。
相关技术的交叉引用
本申请要求于2015年9月6日提交的并且具有相同的标题的美国临时专利申请号62/215,007的优先权，其全部内容明确地通过引用并入本文。
技术领域
一般而言，本文中所公开的实施例涉及数码相机，具体地涉及具有变焦和/或自动对焦和/或光学图像稳定机构的薄型折叠式镜头双光圈(“双光学模块”)数码相机。
背景技术
近年来，诸如手机(特别是智能手机)、平板电脑和笔记本电脑之类的移动设备变得无所不在。许多这些设备包括一个或两个紧凑型相机，该紧凑型相机包括例如后置主相机(即，在设备后侧的相机，其远离用户并且经常用于休闲摄影)和前置辅相机(即，位于设备前侧并且经常用于视频会议的相机)。
尽管在本质上相对紧凑，但这些相机中的大多数相机的设计非常类似于传统结构的数字静物相机，即，其包括放置在图像传感器顶部上的光学部件 (或者一连串几个光学元件和主光圈)。光学部件(还被称为“光学器件”) 折射入射光线并且将其弯曲以在传感器上创建对象或场景图像。这些相机的尺寸在很大程度上取决于传感器的大小和光学器件的高度。这些通常通过镜头的焦距(“f”)及其视场(FOV)结合在一起，其中，必须在一定尺寸传感器上对一定的FOV进行成像的镜头具有特定的焦距。为了保持FOV恒定，传感器尺寸越大(例如，在X-Y平面中)，焦距和光学器件高度就越大。
随着移动设备的尺寸(特别是诸如智能手机之类的设备的厚度)的缩小，紧凑型相机尺寸越来越成为移动设备厚度的限制因素。为了减轻这种约束，已经提出了几种途径来减少紧凑型相机厚度。一种这样的途径使用包括“折叠式镜头”的所谓的“折叠式”相机模块。在折叠式相机模块结构中，光路折叠元件(以下称为“OPFE”)，例如，棱镜或反射镜，被添加以将光传播方向从垂直于电话背面的方向倾斜到平行于电话背面的方向。如果折叠式相机模块是双光圈相机的一部分，则它提供通过一个镜头模块(通常为“长焦”镜头模块)的折叠光路。这种相机在本文中被称为折叠式镜头双光圈相机或具有折叠式镜头的双光圈相机。例如，在申请人的美国专利申请号20160044250 中公开了具有折叠式镜头的变焦双光圈相机和多光圈相机。本文中还示出了并入便携式电子设备(例如，智能电话机)中的具有折叠式镜头的变焦双光圈相机。
除了光学器件和传感器之外，现代相机通常进一步包括机械运动(致动) 机构，主要用于以下两个目的：传感器上的图像对焦以及光学图像稳定 (OIS)。对于对焦，在更高级的相机中，可以借助致动器改变镜头模块(或者镜头模块中的至少一个镜头元件)的位置，并且可以根据所捕获的对象或场景改变对焦距离。在这些相机中，可以捕获从非常短的距离(例如，10cm) 到无限远的对象。数字静物相机的趋势是提高变焦能力(例如，提高至5x、10x或更多)，而在手机(特别是智能手机)相机中，则是减少像素大小并且提高像素计数。这些趋势导致更强的手抖灵敏度或更长的曝光时间。需要采用OIS机制来满足这些趋势中的需求。有关自动对焦和OIS的紧凑型折叠式相机的更多信息可以在于2016年4月14日提交的申请人的国际专利申请 PCT/IB2016/052143、于2016年4月15日提交的PCT/IB2016/052179以及于 2016年6月7日提交的PCT/IB 2016/053335中找到。
在支持OIS的相机中，可以快速改变镜头或相机模块的横向位置或倾斜角度，以在图像捕获期间抵消手抖。手抖会将相机模块移动6个自由度，即，三个正交方向的线性移动(X，Y和Z)，滚动(围绕X轴倾斜)，偏摆(围绕Z轴倾斜)和俯仰(围绕Y轴倾斜)。为了简单起见，术语“围绕X轴”、“围绕Y轴”和“围绕Z轴”分别被替换为“围绕X”、“围绕Y”和“围绕Z”。在本说明书中使用的滚动、偏摆和俯仰的定义参照图1示出，其以前透视图和后透视图示出了示例性智能手机100，后视图示出了两个后相机102和104。在下文中，由手抖或其他不想要的移动引起的相机模块的不期望的滚动运动还可以被称为(除了简称“滚动”之外)“相机模块引起的滚动移动”或“相机模块引起的滚动”。“滚动”还涉及提供所显示的图像的相机模块的光轴周围的倾斜。滚动导致围绕图像中心的图像的旋转(并且因此可以被称为“图像滚动”)。X-Y-Z中的线性运动对图像质量影响不大，不必进行补偿。
图2示出了在申请人的国际专利申请PCT/IB2016/053335中公开的具有 AF和OIS机构的折叠式相机模块200的实施例。相机模块200包括携带镜头的镜头模块202、OPFE(这里是反射镜)204和图像传感器206。镜头可以具有例如4mm至20mm的有效焦距(EFL)，用作“长焦”镜头，并且其可以与带有例如具有3mm至5mm的EFL(“广角镜头”)的镜头和第二图像传感器的第二相机模块一起包括在双光圈相机中。
镜头模块和反射镜彼此独立地移动，即，箭头所示的移动。也就是说，镜头模块202可以执行两个移动，沿着Z轴的AF的移动和沿着Y轴的OIS 的移动。OIS的另一移动通过反射镜204'围绕Y的倾斜来实现。OIS的两个移动补偿了俯仰和偏摆，但没有补偿滚动。
因此，需要具有补偿除了俯仰和偏摆之外的图像滚动的设备、系统和方法，并且具有补偿除了俯仰和偏摆之外的图像滚动的设备、系统和方法可能非常有利，具体地在包括折叠式相机模块的双光圈或多光圈相机中以及在包括这种相机的主机设备(诸如智能手机)中特别有利。
发明内容
本文中所公开的实施例教导了折叠式相机模块和折叠式镜头双光圈相机，其中OIS功能性在两个光学元件(折叠式)镜头模块和OPFE之间分开。本文中所公开的实施例进一步教导诸如包括这种折叠式相机模块和折叠式镜头双光圈相机的智能电话之类的主机电子设备。虽然该描述集中于具有一个折叠式相机模块的双光圈相机，但是应当理解，本文中所公开的同样适用于多光圈相机(例如，具有三个或更多个相机模块)，其中至少一个相机模块是折叠式相机模块。这种多光圈相机例如在共同发明和共同拥有的美国专利申请号20060044250中得以公开。
在下文的描述中(还参见图3至图5)，示例性地选择了以下XYZ坐标系，并且仅用于解释：Z轴平行于折叠式相机模块的镜头模块(和镜头)的光轴(以下被称为“第二光轴”)；当倾斜OPFE处于零致动点时，Y轴垂直于镜头的光轴并且还平行于倾斜OPFE(例如，棱镜或反射镜)的表面。当 OPFE处于零致动点时，X轴垂直于镜头的光轴并且在OPFE的平面的45度处。X轴还平行于与第二光轴正交的“第一光轴”。
在示例性实施例中，提供折叠式相机模块，包括：OPFE，用于将光从具有第一光轴的第一光路折叠到具有垂直于第一光轴的第二光轴的第二光路，OPFE被设计成围绕轴倾斜，使得OPFE倾斜产生图像滚动移动和移位移动，OPFE倾斜产生的图像滚动移动补偿折叠式相机模块引起的滚动移动；以及镜头模块，其携带具有平行于第二光轴的对称轴的镜头，镜头模块被设计成移动以补偿OPFE倾斜产生的移位移动，由此OPFE的倾斜和镜头模块的移动提供包括图像滚动补偿的OIS。
在示例性实施例中，OPFE围绕轴倾斜的设计包括围绕包括在由第一和第二光轴形成的平面中的第一轴倾斜的设计。
在示例性实施例中，镜头模块的移动设计包括在与第一和第二光轴正交的第一方向上移动的设计。
在示例性实施例中，镜头模块的移动设计进一步包括在平行于第一光轴的第二方向上移动的设计。
在示例性实施例中，OPFE被进一步设计成围绕与第一和第二光轴正交的第二倾斜轴倾斜。
在示例性实施例中，镜头模块被进一步设计成在平行于第二光轴的方向上移动用于自动对焦。
在示例性实施例中，镜头模块被进一步设计成在平行于第二光轴的方向上移动用于自动对焦。
在示例性实施例中，镜头模块被进一步设计成在平行于第二光轴的方向上移动用于自动对焦。
在示例性实施例中，提供了双光圈或多光圈数码相机，其包括至少一个折叠式相机模块，其被设计成如上文所描述的执行带有滚动补偿的OIS以及自动对焦。
在示例性实施例中，提供了一种方法，其包括：提供折叠式相机模块，其包括用于将光从具有第一光轴的第一光路折叠到具有垂直于第一光轴的第二光轴的第二光路的OPFE以及携带具有平行于第二光轴的对称轴的镜头的镜头模块；使OPFE围绕轴倾斜，使得OPFE倾斜产生图像滚动移动和移位移动，OPFE倾斜产生的图像滚动移动补偿折叠式相机模块引起的滚动移动；以及移动镜头模块以补偿OPFE倾斜产生的移位移动，由此OPFE的倾斜和镜头模块的移动提供包括图像滚动补偿的OIS。
在示例性实施例中，所述使OPFE围绕轴倾斜包括：使OPFE围绕包括在由第一和第二光轴形成的平面中的第一轴倾斜。
在示例性实施例中，所述移动镜头模块包括：在与第一和第二光轴正交的第一方向上移动镜头模块。
在示例性实施例中，移动镜头模块包括在平行于第一光轴的第二方向上移动镜头模块。
在示例性实施例中，一种方法还包括：使OPFE围绕与第一和第二光轴正交的第二倾斜轴倾斜。
在示例性实施例中，一种方法还包括：在平行于第二光轴的方向上移动镜头模块用于自动对焦。
附图说明
下文参照附图对该段落之后所列出的本文中所公开的实施例的非限制性示例进行描述。附图和描述意在阐明和澄清本文中所公开的实施例，并且不应被视为以任何方式限制。不同附图中的相同元件可以用相同数字指示。
图1示出了具有后置双光圈相机的智能电话机中的滚动、俯仰和偏摆移动的定义；
图2示意性地示出了具有镜头模块的AF和OIS移动以及OPFE围绕Y 的OIS倾斜运动的已知折叠式相机模块的实施例；
图3以(a)等距视图，以(b)侧视图示出了被配置成执行围绕X和Y 的两个OIS倾斜移动的OPFE，以及以(c)分解视图示出了OPFE致动子组件；
图4示意性地示出了具有镜头模块的AF和一个OIS移动以及具有OPFE 的两个倾斜移动的本文中所公开的折叠式相机模块；以及
图5示意性地示出了具有镜头模块的AF和两个OIS移动以及OPFE的一个倾斜移动的本文中所公开的折叠式相机模块。
具体实施方式
本发明人已经确定，OPFE围绕任何轴的倾斜运动(或“旋转”)可以有利地与折叠式镜头模块移动一起用于完整的OIS，包括滚动、俯仰和偏摆补偿，这种倾斜导致图像滚动和移位。OPFE倾斜导致的移位通过镜头模块的适当的相反移位移动来补偿，而OPFE倾斜导致的滚动用于OIS，补偿图像滚动。滚动补偿基于以下事实：OPPE围绕Y的旋转导致X方向上的图像移位，而OPFE围绕诸如X或Z之类的另一轴的旋转导致Y方向上的图像移位和围绕Z的图像旋转。例如，OPFE围绕XZ平面内的轴的任何倾斜将导致Y方向上的滚动+图像移位。为了简单起见并且示例性地，在以下描述中， OPFE被称为“棱镜”。可以使用在于2016年4月14日提交的申请人的国际专利申请PCT/IB2016/052143中详细描述的致动器来执行镜头模块的移动。
在示例性实施例中，OPFE倾斜运动围绕XZ平面中的轴。特定地，图 3a至图3c所示的棱镜组件300除了围绕Y轴可控地旋转之外还可以围绕X 轴可控地旋转，后者如图2所示和在PCT/IB2016/052143中描述的一样。旋转可以例如在零致动点附近高达±1度。棱镜组件300包括安装在棱镜承载体 302'上的棱镜302和具有图3c中分解视图所示的两个致动器304和306的棱镜致动子组件303。每个致动器包括线圈-磁铁对。致动器304包括线圈304a和磁铁304b，而致动器306包括线圈306a和磁铁306b。两个线圈被定位(例如，刚性组装/安装/胶合)在板310上。磁铁304b 和306 b被定位(例如，刚性地组装/安装/胶合)在棱镜承载体302'上。当组装棱镜致动子组件303 时，磁铁304b和306b分别位于线圈304a和306a的旁边。诸如致动器304和306之类的电磁致动器的操作是众所周知的，并且例如在 PCT/IB2016/052143中进行了描述。施加在线圈上的洛伦兹力沿着X和Y轴对磁铁施加力，因此围绕这些轴旋转棱镜。更特定地，关于棱镜旋转，致动器304围绕Y(轴310)旋转棱镜302，并且致动器306围绕X(轴308)旋转棱镜。棱镜围绕X的旋转移动对图像造成影响，其与相机模块围绕Z的倾斜和相机模块围绕X的倾斜相同。镜头沿着Y方向的线性移动对良好近似造成与相机模块围绕Z的倾斜相同的影响。沿着Y的镜头移动和棱镜围绕X的旋转的组合可以造成与相机模块围绕X的运动以及围绕Z的倾斜的组合相同的影响。棱镜围绕Y的旋转造成与相机模块围绕Y的倾斜相同的影响。棱镜致动子组件303在X和Y方向上的运动可以通过位置传感器(例如，耦合到分别由磁铁304b 和306 b产生的磁场的霍尔杆传感器(或者仅仅是“霍尔杆”)312a和312b)来测量。
总而言之，通过组合棱镜围绕两个轴(Y和X)的旋转并且通过在Y方向上移位镜头，可以实现X方向模糊、Y方向模糊和切向模糊(滚动)的 OIS补偿。
在实现方式示例中，假设从诸如加速度计或陀螺仪之类的惯性设备接收到的信息的分析知道，图像沿着X方向移位Xμm，沿着Y方向移位Yμm，并且围绕Z轴旋转A度(A0)(滚动)。我们想通过在与沿着上述X和Y的移位以及滚动相反的方向上引入移位和旋转来纠正这些移动。使用棱镜组件 300，棱镜将围绕Y旋转，直到图像移位-Xμm为止，并且围绕X(或Z)旋转，直到图像围绕Z旋转-A0为止。作为X旋转的结果，图像也将在Y方向上移位。以微米为单位的移位幅度或“残余转变”(RT)取决于旋转度数、镜头焦距等，以便在Y方向上实现所需的移位-Yμm。例如，RT＝EFL×Tan (A)，其中，EFL是镜头有效焦距，A是旋转角度。EFL可以是3mm到 20mm，A可以是0度至5度。镜头将被移位-(Yμm+RTμm)以补偿图像移位。
相比之下，在诸如相机模块200之类的已知相机模块中，OPFE将围绕 Y旋转，直到图像移位-Xμm为止，并且镜头被移位-Yμm。幅度为A0的滚动将不会得到补偿。
图4示意性地示出了本文中所公开的折叠式相机模块的编号400'的实施例。相机模块400'被设计成执行校正偏摆、俯仰和滚动运动的OIS。另外，相机模块400'还被设计成执行自动对焦(AF)，例如，如PCT/IB2016/052143 中所描述的。在相机模块400'中，通过镜头模块的一个移动(在Y方向上) 和OPFE(围绕Y和X)的两个倾斜移动来执行OIS，后者移动如参考图3(a) 中的OPFE 300所描述的一样。示例性地，折叠式相机模块400'与直立(非折叠式)相机模块400"一起示出，两个相机模块形成双光圈相机400。类似于折叠式相机模块100和200，折叠式相机模块400'包括具有光轴402'的镜头模块402、OPFE(这里是棱镜)404和图像传感器406。直立相机模块400" 包括具有光轴410'的镜头模块410以及图像传感器(未示出)。棱镜404可操作以将光从平行于光轴410'的光路408折叠到平行于光轴402'的光路。光轴402'垂直于光轴410'。
图5示意性地示出了本文中所公开的折叠式相机模块的编号为500'的实施例。相机模块500'被设计成执行校正偏摆、俯仰和滚动运动的OIS。另外，相机模块500'还被设计成执行自动对焦(AF)。在相机模块500'中，通过镜头模块(沿着X和Y方向)的两个移动以及OPFE围绕X的一个倾斜移动来执行OIS，后者移动如参考图1中的OPFE 300所描述的一样。示例性地，折叠式相机模块500'与直立(非折叠式)相机模块500"一起示出，两个相机模块形成双光圈相机500。类似于折叠式相机模块100和200，折叠式相机模块400'包括具有光轴502'的镜头模块502、OPFE(这里是棱镜)504和图像传感器506。直立相机模块500"包括具有光轴510'的镜头模块510以及图像传感器(未示出)。棱镜504可操作以将光从平行于光轴510'的光路508 折叠到平行于光轴502'的光路。光轴502'垂直于光轴510'。
虽然已经根据某些实施例和通常相关联的方法对本公开进行了描述，但是对于本领域技术人员而言，实施例和方法的变更和置换将是显而易见的。例如，虽然对在双光圈相机中并入本文中所描述的折叠式相机模块进行了较为详细地描述，但是折叠式相机模块可以并入具有两个以上的相机模块的多光圈相机中。本公开要被理解为不受本文中所描述的具体实施例的限制，而仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.一种折叠式相机模块，包括：
(a)光路折叠元件(OPFE)，其用于将光从具有第一光轴的第一光路折叠到具有垂直于所述第一光轴的第二光轴的第二光路；以及
(b)镜头模块，其携带具有平行于所述第二光轴的对称轴的镜头，所述OPPE和所述镜头模块被配置成提供补偿所述折叠式相机模块的滚动、俯仰和偏摆运动的光学图像稳定(OIS)，
其中，所述OPFE被设计成在由所述第一光轴和所述第二光轴形成的平面中围绕第一倾斜轴倾斜，从而生成滚动运动，所述滚动运动补偿所述折叠式相机模块的滚动运动以及图像的不希望的移位运动，其中所述镜头模块被设计成移动使得其运动补偿所述折叠式相机模块的偏摆运动和所述图像的所述移位运动，并且其中所述OPFE被设计成围绕与所述第一光轴和所述第二光轴正交的第二倾斜轴倾斜以补偿所述折叠式相机模块的俯仰运动。
2.根据权利要求1所述的折叠式相机模块，其中，所述镜头模块的移动设计包括在与所述第一和第二光轴两者正交的第一方向上移动的设计。
3.根据权利要求2所述的折叠式相机模块，其中，所述镜头模块的移动设计还包括在与所述第一光轴平行的第二方向上移动的设计。
4.根据权利要求3所述的折叠式相机模块，其中，所述镜头模块还被设计成在与所述第二光轴平行的方向上移动用于自动对焦。
5.根据权利要求1所述的折叠式相机模块，其中，所述OPFE选自由棱镜、反射镜和覆盖有金属反射表面的棱镜组成的组。
6.一种多孔径数码相机，包括根据权利要求1所述的折叠式相机模块和至少一个其他相机模块。
7.一种多孔径数码相机，包括根据权利要求2所述的折叠式相机模块和至少一个其他相机模块。
8.一种多孔径数码相机，包括根据权利要求3所述的折叠式相机模块和至少一个其他相机模块。
9.一种多孔径数码相机，包括根据权利要求4所述的折叠式相机模块和至少一个其他相机模块。
10.一种多孔径数码相机，包括根据权利要求5所述的折叠式相机模块和至少一个其他相机模块。
11.一种在折叠式相机模块中提供光学图像稳定的方法，所述折叠式相机模块包括光路折叠元件(OPFE)，其用于将光从具有第一光轴的第一光路折叠到具有垂直于所述第一光轴的第二光轴的第二光路；以及镜头模块，其携带具有平行于所述第二光轴的对称轴的镜头，所述方法包括：
a)在由所述第一光轴和所述第二光轴形成的平面中围绕第一倾斜轴倾斜所述OPFE，从而生成滚动运动，所述滚动运动补偿所述折叠式相机模块的滚动运动和图像的不希望的移位运动；
b)移动所述镜头模块，以便补偿所述折叠式相机模块的偏摆运动和所述图像的不希望的移动运动；以及
c)围绕与所述第一光轴和所述第二光轴两者正交的第二倾斜轴倾斜所述OPFE，从而补偿所述折叠式相机模块的俯仰运动。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，移动镜头所述模块包括：在与所述第一和第二光轴两者正交的第一方向上移动所述镜头模块。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，移动所述镜头模块包括：在平行于所述第一光轴的第二方向上移动所述镜头模块。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：在与所述第二光轴平行的方向上移动所述镜头模块用于自动聚焦。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述OPFE选自由棱镜、反射镜和覆盖有金属反射表面的棱镜组成的组。
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