CN110554474B - 自动聚焦和光学图像稳定化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自动聚焦(AF)和光学图像稳定化(OIS)系统。本发明是一种用于实现自动聚焦(AF)和光学图像稳定化(OIS)的机构，其通过同时倾斜镜头和图像传感器来抵消手抖动，使得不会将渐晕效果引入图像。本发明通过在图像传感器下方结合致动器以使图像传感器倾斜与镜筒倾斜相结合来消除模糊或失真(渐晕效果)，从而实现OIS。对相机中的光学元件(镜筒和图像传感器)的这种同时且协调的倾斜保证了反射图像的平面和图像传感器的平面都是平行的，并且构造了无像差图像。

Description

自动聚焦和光学图像稳定化系统
相关申请
本申请要求2018年6月1日提交的题为“Optical Image Stabilizer System”的美国临时专利申请号62/679,234的优先权，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及自动聚焦(AF)和光学图像稳定化(OIS)系统的领域，其利用微致动器来移动光学和传感元件以补偿手抖动模糊并实现自动聚焦。实现AF和OIS的新颖机构被用于集成在各种电子设备(例如智能手机、iPad、笔记本电脑和其他需要微型相机模块进行成像的电子设备)中的相机。
背景技术
已经开发出用于在相机中实现光学图像稳定化(OIS)的不同机构，以消除对图像或视频的手抖动效果。这些方法包括镜筒移位、图像传感器移位、仅镜筒倾斜或整个相机倾斜。沿垂直于光轴(Z轴)的X-Y平面的镜筒和图像传感器移位容易使图像变形，尤其是使边缘周围变形。专利号US8,866,918 B2中公开的整个相机倾斜机构需要围绕整个相机的大型致动单元，并且该机构由于有效负载大(整个相机)而消耗高功率以实现OIS。
仅镜头倾斜机构也已被用于通过使镜筒围绕X-Y轴倾斜来抵消手抖动失真。这种机构被公开在以下专利和专利申请中：US9602726B2、US9329356、US7725014、US8982464。这些专利中提出的所有设计仅通过倾斜镜头来实现OIS。这种倾斜为图像引入明显的失真，称为渐晕效果(一种效果，其显示图像的一部分聚焦，而其他部分则失焦，尤其是在边缘处失焦)。这是因为以下事实：当镜头倾斜时，反射的图像平面也倾斜并且该平面变得不平行于传感器平面。这种缺点妨碍了镜头倾斜机构在相机中的广泛使用，因为图像的质量受到损害。
发明内容
本发明是一种用于实现OIS的机构，其通过同时倾斜镜头和图像传感器来抵消手抖动，使得不会将渐晕效果引入图像。系统还通过沿光轴移动图像传感器和/或镜筒来实现AF。通过将两个致动器用于AF，可用于AF的可实现的冲程是当这样的冲程不用于OIS补偿时两个致动器中的每一个的冲程的总和。
用于实现这种机构的致动器的示例被公开在发明人在美国专利申请号15/413,213和美国专利号US 9,813,602 B2中提出的现有发明中，这些专利通过引用并入本文。
现有的发明仅公开了相机模块，其利用MEMS静电致动器以通过仅倾斜镜筒实现OIS。然而，使用这种技术不可避免地使图像模糊。本发明通过在图像传感器下方结合致动器以使图像传感器倾斜与镜筒倾斜相结合来消除模糊或失真(渐晕效果)，从而实现OIS。对相机中的光学元件(镜筒和图像传感器)的这种同时且协调的倾斜保证了反射图像的平面和图像传感器的平面都是平行的，并且构造了无像差图像。
在美国专利申请号15/413,213中公开的致动镜筒的MEMS静电致动器具有三个自由度运动(沿光轴Z平移，以及围绕X和Y轴的双轴倾斜)。致动器设计成适配和接收与致动器中心开口一起放置的镜筒。平移用于实现AF，而双轴倾斜用于实现OIS。
在专利号US9,813,602B2中公开的致动图像传感器的MEMS静电致动器具有三个自由度运动(沿光轴Z平移，以及围绕X和Y轴的双轴倾斜)，但它仅用于通过沿Z轴(即光轴)平移图像传感器来实现AF。
本发明利用每个致动器的三个自由度运动来实现最佳AF和OIS系统，所述系统通过镜筒和图像传感器的双重倾斜来校正手抖动模糊，使得没有将渐晕效果引入图像。系统还能够通过沿Z轴平移镜筒和图像传感器来实现AF。
同一发明人的美国专利号9,813,602 B2公开了一种自动聚焦机构，其使用提供三个自由度运动的致动器：沿光轴(即Z轴)的平移和围绕平面内X和Y轴的双轴倾斜。双轴倾斜被用于消除由于镜筒组件中的缺陷引起的任何不期望的镜头倾斜以及在使用相机模块期间发生的任何倾斜。使活塞-管致动器能够满足这种自动聚焦机构(即图像传感器致动)的要求的主要特征包括将MEMS硅芯片与图像传感器结合和封装的能力、基于具有大宽度和大高度的弹簧的致动器的弹簧的高可靠性、弹簧的长度大以及致动器的超薄高度。
附图说明
在下文中将结合附图来描述本文的实施方式，提供附图是为了说明而不是限制权利要求书的范围，其中类似的附图标记表示类似的元件，并且其中：
图1A示出了在使用镜头和图像传感器双倾斜机构进行OIS补偿之后相机的光学系统的示意图。
图1B示出了在引入手抖动倾斜之前相机的光学系统的示意图。
图1C示出了在引入手抖动倾斜之后相机的光学系统的示意图，其中物体的反射图像向下移位。
图1D示出了在引入手抖动倾斜之后相机的光学系统的示意图，并且仅镜筒倾斜以进行OIS补偿，而图像传感器仍未倾斜。
图1E示出了在引入手抖动倾斜之后相机的光学系统的示意图，并且镜筒和图像传感器都倾斜以进行OIS补偿。
图2A示出了OIS和AF相机系统的横截面视图，其中两个微致动器集成在镜筒和图像传感器周围以实现OIS和/或AF特征。
图2B示出了OIS和AF系统的横截面视图，其中两个微致动器沿光学Z轴平移镜筒和图像传感器以找到图像的焦点。
图2C示出了OIS和AF系统的横截面视图，其中镜筒致动器使镜筒围绕X和Y轴倾斜，同时图像传感器未倾斜。
图2D示出了OIS和AF系统的横截面视图，其中两个微致动器使镜筒和图像传感器围绕X和Y轴倾斜。
图3A示出了镜筒致动器的透视图。
图3B示出了镜筒致动器的俯视图和剖视图。
图3C示出了在致动器处于平移和倾斜运动时镜筒致动器的横截面视图。
图4示出了图像传感器致动器的透视图。
具体实施方式
前述内容被认为仅是对本发明原理的说明。此外，由于本领域技术人员将容易想到许多修改和变化，因此不希望将本发明限制于所示和所描述的确切结构和操作，并且相应地，可以采用落入本发明的范围内的所有适当的修改和等同物。
关于以上描述，应认识到，本发明的部件在尺寸、形状、形式、材料、功能以及操作、组装和使用方式方面的最佳关系被认为对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且与附图中所示和说明书中所描述的那些关系等同的所有关系都旨在被本发明所涵盖。
本发明提出了一种用于利用分别倾斜镜筒和图像传感器两者来实现AF和OIS补偿的新方法。这种方法通过使图像传感器的平面和反射图像的平面对准来消除由于倾斜镜筒而引起的任何模糊。
图1A示出了一旦实现补偿后的完整OIS和AF系统。为了解释本发明中的新方法，图1B示出了在引入任何手抖动倾斜之前相机的光学系统的示意图。物体11沿光轴14的反射图像18位于图像传感器13上的初始位置15。
参考图1C，当整个相机向下倾斜时，由于手抖动倾斜19(俯仰或偏转运动)，图像传感器上的物体的反射图像向下位移，因此引入模糊。
为了校正这种模糊，物体的图像17必须返回到图像传感器上的初始位置15。为此，致动器必须使镜筒在手抖动倾斜的方向20上倾斜，以便使物体的反射图像向上位移并恢复其在图像传感器上的初始位置，参见图1D。然后恢复对象图像18，但是当图像的边缘失焦时，将另一模糊引入图像。这是因为以下事实：通过镜筒12的反射图像的平面16未与图像传感器平面21对准。
为了校正这种模糊(即图像边缘失焦的渐晕效果)，放置在图像传感器下方的另一个致动器必须使图像传感器在镜筒致动器倾斜的方向20上倾斜，以便使图像传感器平面21平行于反射图像平面16。图1E示出了在实现手抖动和渐晕模糊的校正之后的图像稳定系统。
应该显而易见的是，这种方法不同于整个相机倾斜机构。整个相机倾斜机构通过使整个相机在与手抖动倾斜相反的方向上倾斜来补偿OIS，然而此处介绍的方法通过在与手抖动倾斜相反的方向上分别倾斜镜筒和图像传感器来补偿OIS，以便恢复图像的焦点并且消除渐晕效果。
图2A示出了使用本发明中提出的方法实现OIS的相机模块结构。相机模块包括壳体140、镜筒110、镜筒致动器200、图像传感器120、图像传感器致动器300、IR滤光器150和柔性/PCB电路130。
参见图3A-3C，移动镜筒的致动器，包括移动部件220和固定部件210这两个部件。移动部件包括开口(管)阵列，所述开口(管)阵列围绕中心通孔(用于镜筒集成)并且通过机械弹簧附接到致动器的外周边。固定部件包括多个活塞阵列，所述活塞阵列垂直地突出并与移动部件中的开口对准。在US9,306,475B1和美国专利申请号15/413,213中详细解释了这种致动器设计。
图像传感器致动器还包括移动部件320和固定部件310这两个部件。它具有与镜筒致动器类似的设计，但在中间没有孔。该致动器能够沿Z轴平移图像传感器以实现AF和/或使其围绕X和Y轴倾斜以实现OIS。
对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的范围不限于活塞-管致动器。但是其可以通过其他致动机构(诸如微静电、热、SMA之类的其他形式的致动机构)或任何其他致动方法来实现。
前述内容被认为仅是对本发明原理的说明。此外，由于本领域技术人员将容易想到许多修改和变化，因此不希望将本发明限制于所示和所描述的确切结构和操作，并且相应地，可以采用落入本发明的范围内的所有适当的修改和等同物。
关于以上描述，应认识到，本发明的部件在尺寸、形状、形式、材料、功能以及操作、组装和使用方式方面的最佳关系被认为对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且与附图中所示和说明书中所描述的那些关系等同的所有关系都旨在被本发明所涵盖。

Claims (5)

1.一种自动聚焦(AF)和光学图像稳定化(OIS)系统，其包括：
a)相机壳体；
b)包括一组光学镜头的镜筒；
c)MEMS镜筒致动器，其具有允许光通过的开口，并且具有致动器定子，所述致动器定子通过一组机械弹簧附接到致动器转子，所述机械弹簧在所述转子移动时变形，所述致动器定子刚性地附接到所述相机壳体，并且所述镜筒附接到所述致动器转子以与其一起移动；
d)图像传感器，以及
e)附接到所述图像传感器的MEMS图像传感器致动器，所述MEMS图像传感器致动器具有通过第二组机械弹簧连接到图像传感器转子的图像传感器定子，并且其中所述图像传感器定子刚性连接到PCB板，并且其中所述PCB板和所述相机壳体彼此连接或连接到外部固定框架，并且其中所述图像传感器致动器提供图像传感器沿着远离所述镜筒的光轴的平移和围绕平面内轴线的倾斜用于偏转和俯仰，
当所述致动器转子朝向所述致动器定子移动并且与所述MEMS镜筒致动器一起移动所述镜筒时，所述MEMS镜筒致动器提供沿着光轴的平移，并且由此所述MEMS镜筒致动器还提供围绕平面内轴的倾斜，从而分别使用所述镜筒和所述图像传感器的倾斜来实现AF和OIS补偿，从而实现用于自动聚焦的光学图像稳定化和/或平移。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述MEMS镜筒致动器和所述MEMS图像传感器致动器是MEMS活塞管致动器。
3.如权利要求1所述的系统，还包括位于所述图像传感器和所述一组光学镜头之间的IR滤光器。
4.如权利要求2所述的系统，其中所述MEMS镜筒致动器包括移动部件和固定部件，并且其中所述移动部件包括开口(管)阵列，所述开口(管)阵列围绕中心通孔，并且通过一组机械弹簧附接到所述MEMS镜筒致动器的外周边，并且其中所述固定部件包括多个活塞阵列，所述活塞阵列垂直地突出并且与所述移动部件中的所述开口阵列对准，并且其中所述镜筒集成在所述中心通孔处。
5.如权利要求2所述的系统，其中所述MEMS图像传感器致动器包括致动器移动部件和致动器固定部件，并且其中所述致动器移动部件包括致动器开口(管)阵列，所述致动器开口(管)阵列通过一组致动器-机械弹簧附接到所述MEMS图像传感器致动器的外周边，并且其中所述致动器固定部件包括多个致动器活塞阵列，这些致动器活塞阵列垂直地突出并且与所述致动器移动部件中的所述致动器开口阵列对准，并且其中所述图像传感器致动器能够沿所述光轴平移所述图像传感器以实现自动聚焦和/或使其围绕所述平面内轴倾斜以实现OIS。
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