CN1395145A - 数字照相机的变焦透镜的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于数字照相机中控制变焦透镜的变焦的系统，该系统使用写入在微型控制器单元中的程序数据而不使用通常用于机械地控制数字照相机的变焦透镜的变焦的凸轮，并且通过从数字照相机的微型控制器单元或电子控制距离测量系统接受电子信号(脉冲)利用用于变焦控制的机构控制变焦透镜的自动聚焦。

Description

数字照相机的变焦透镜的控制系统

技术领域

本发明涉及从微型控制器单元(MCU)接受电子信号(脉冲)来控制数字照相机的透镜变焦的系统，基于透镜设计数据的变焦透镜移动程序写入在MCU中，该系统也从数字照相机的MCU或电子控制距离测量系统接收电子信号(脉冲)利用驱动透镜变焦的该机构控制变焦透镜的自动聚焦。

背景技术

在数字照相机的情况下，变焦透镜通常是使前(最前面)透镜元件或第一组透镜固定在变焦透镜组件的最前面位置不移动。第二和第三组透镜在某一时刻移动以使整个透镜作为变焦透镜工作。第二和第三组透镜的移动直接连续地改变焦距而作为变焦透镜工作。从广角(最短的透镜焦距)到远距照相(最长的透镜焦距)，这两组透镜必须相互对应地移动。从一个焦距位置到另一焦距位置，这两组透镜的移动行程是由透镜的设计决定的。这两组透镜的行程通常是由凸轮机械地控制的，凸轮在大多数情况下是凹槽凸轮(groove cam)。

图1显示了数字照相机的具有2X(2倍)变焦比的变焦透镜的典型设计。如图所示，第一组透镜1固定在前面(最前面)的位置并且不移动。第二组透镜2和第三组透镜3根据焦距的变化来回移动，线4，5表示这两组透镜的移动(轨迹)。直线4表示第二组透镜2的移动(轨迹)，曲线5表示第三组透镜3的移动(轨迹)。每组透镜在某一时刻沿着预定轨迹从一个焦距点到另一焦距点相互对应地移动。在图1中，五个焦距点被显示作为变焦位置的示例。位置#1显示焦距为11.0mm的两组透镜位置(最长的、远距照相位置)，位置#2显示焦距为9.615mm的两组透镜位置，位置#3显示焦距为8.319mm的两组透镜位置，位置#4显示焦距为6.913mm的两组透镜位置，以及位置#5显示焦距为5.505mm的两组透镜位置(最短的、广角位置)。

为了使这两组透镜有效地进行对应移动，通常使用一个带有凹槽凸轮的机构。图2和图2a显示了变焦透镜的常用机械控制系统，它具有六个凹槽凸轮。一组透镜是由具有相同弯曲形状和尺寸的三个凹槽凸轮来控制的，这三个凹槽凸轮作为一组设置在最外面的透镜筒(一个容纳整个透镜组件的管筒)的周边，设置在透镜筒的同一周边上的相同弯曲形状和尺寸的另一组三个凹槽凸轮控制另一组透镜。

设置在最外面的透镜筒7上的第一组凹槽凸轮6控制第二组透镜2，设置在最外面的透镜筒7上的第二组凹槽凸轮8控制第三组透镜3。在最外面的透镜筒7的底部边缘设置有齿轮齿9，齿轮齿9与步进电机11的驱动齿轮10啮合。当接通变焦开关时，步进电机11开始旋转，最外面的透镜筒7然后开始旋转。当最外面的透镜筒7旋转时，凹槽凸轮6，8也旋转，两组透镜2，3也通过销12的移动而来回(上下)移动，销12固定在每个透镜组的透镜筒上并且插入在凹槽凸轮的狭缝中，销12沿着凹槽凸轮的曲线移动。凹槽凸轮6，8的曲线根据变焦透镜的设计数据，即根据象示于图1中的轨迹4，5一样的轨迹被精确地设计。透镜的移动方向(来回)是由步进电机旋转方向决定的。

在变焦的这种机械控制中，对凹槽凸轮的精确性要求较高，难于制造带有这种精确凹槽凸轮的透镜筒，因而，这种精确部件和元件的成本较高。组装和调节带有这种控制机构的透镜也十分困难。

此外，为了自动地使透镜聚焦，即，所谓的自动聚焦，常常需要调节透镜组之一的位置而不管透镜变焦机构如何。从数字照相机的MCU的自动聚焦系统或电子距离测量系统接收信号，透镜组之一必须稍微来回移动。但是，在上述机械凸轮型变焦系统的情况下，它实际上是不可能的，因为所有移动透镜组都连接到变焦凸轮机构上。如果透镜组之一开始移动，另一透镜组也开始移动，对于透镜组之一单独而言是不可能独立于变焦系统移动的。因此，在数字照相机的机械凸轮变焦系统的情况下，通常是诸如CCD或C-MOS的图像传感器移动以调节透镜聚焦，而不是驱动任一透镜组或透镜元件。

但是，移动整个图像传感器也是十分困难的，图像传感器与印刷电路板(PCB)连接着，这意味着图像传感器必须与一部分PCB或连接导线一起被移动。

数字照相机的透镜聚焦必须以百分之一毫米的非常小的标度单位进行调节，如果是通过移动图像传感器来聚焦，图像传感器相对于透镜的水平度也必须十分高，而且图像传感器必须保持与透镜十分地齐平。与移动容纳在透镜筒(管筒)中并能平滑和容易地来回(上下)移动的透镜元件或透镜组之一的方法相比，这种透镜焦距方法也是十分难实现。图3显示了通过移动图像传感器的聚焦机构。图像传感器13就设置在最后面的透镜后面，图像传感器固定在基部14上。带螺纹的支承15形成为图像传感器基部14的一部分。设置步进电机16驱动自动聚焦机构，步进电机具有螺杆17，它作为电机轴的延伸部分。螺杆与设置在带螺纹的支承15的内壁上的阴螺纹啮合。

当接通自动聚焦系统开关时，步进电机16以及螺杆17旋转，因而，带螺纹的支承15来回(上下)移动。因此，图像传感器13来回(上下)移动而不管透镜变焦移动如何。

这种精巧方法对图像传感器的这种移动和透镜焦距的调节所要求的精确性是十分的高，即使它是可能的，其成本也必定十分高。

因此，为了消除通过凸轮机械地控制透镜变焦以及通过移动图像传感器调节透镜焦距的上述困难，优选地使用一种部件和元件成本更低、组装更容易、结构更简单的系统。

发明内容

在本发明中，消除了在现有变焦控制机构中使用的凹槽凸轮，代替凸轮的是，两个透镜组由两个步进电机控制，一个步进电机驱动第一组透镜，而另一步进电机驱动第二组透镜。带螺纹支承在透镜筒侧部形成为每一移动透镜组的透镜筒的一部分。步进电机具有作为电机轴延伸部分的螺杆，螺杆与设置在带螺纹支承的内壁上的阴螺纹啮合。螺杆与某类位置稳定装置一起支撑透镜筒，以阻止透镜筒自身旋转。

当步进电机同时开始旋转时，两个螺杆开始旋转，通过螺杆的旋转，带螺纹支承在螺杆的阴螺纹上被驱动，当带螺纹支承来回(上下)移动时，两个透镜组根据电机旋转方向开始来回(上下)移动。

在本发明的情况下，替代机械地控制透镜变焦的凹槽凸轮，控制每一焦距位置的每组透镜的透镜移动数据，即，类似于图1所示轨迹4，5的透镜组移动轨迹数据必须被编制成电子位置信号数据并写入在数字照相机的MCU(微型控制器单元)中。一旦打开远距照相或广角的变焦电源开关，根据设计的透镜移动轨迹从MCU接受信号，步进电机就同时开始运动，透镜组开始移动以沿着远距照相方向或广角方向控制整个镜头的变焦。

当远距照相开关或广角开关被打开时，MCU保持向每一步进电机发送信号，以从一点到另一点地移动透镜组，而关掉开关时，透镜的移动立刻停止在那里。透镜停止的位置被MCU所记忆，当远距照相开关或广角开关下次被打开时，透镜变焦从透镜上次停止的焦距位置开始。

同时，由于没有凸轮，不能使透镜聚焦独立于透镜变焦机构。但是，替代一部分变焦机构，即，步进电机之一可以用于驱动移动的透镜组之一。通过移动任一移动透镜组，第二透镜组或第三透镜组，可以调节透镜聚焦。在变焦被控制之后或之前，MCU将发出一个信号，两个中的任一个透镜组将被设置以调节聚焦，步进电机开始运动并移动该透镜组到合适的位置。

因此，通过使用两个步进电机消除了要求十分高的制造精度的机械凹槽凸轮，变焦可以仅通过预先编制并写入在照相机MCU中的电子信号十分容易地控制，而且，通过两个步进电机之一移动透镜组之一可以调节自动聚焦，并且消除了移动图像传感器的透镜聚焦的十分困难的方法。

附图说明

图1是数字照相机的变焦透镜的典型设计图，显示了第二和第三透镜组的移动轨迹。

图2是使用凸轮的现有变焦控制系统的立体图。

图2a是组装在每一透镜筒中的两个透镜组的立体图，透镜组如图2所示地放置在带有凸轮的现有变焦控制系统中。

图3是带有凸轮的现有变焦控制系统和移动图像传感器以进行聚焦调节的自动聚焦机构的立体图。

图4是本发明的数字照相机变焦透镜的控制系统的一个示例的立体图。

图5是本发明的数字照相机变焦透镜的控制系统的一个示例的横断面图。

附图标号说明

图1中：

1  第一组透镜

2  第二组透镜

3  第三组透镜

4  显示第二组透镜移动轨迹的直线

5  显示第三组透镜移动轨迹的曲线

图2中：

1  第一组透镜

2  第二组透镜

3  第三组透镜

6  第一组凹槽凸轮

7  最外面的透镜筒

8  第二组凹槽凸轮

9  齿轮齿

10 步进驱动齿轮

11 步进电机

图2a中：

1  第二组透镜

2  第三组透镜

12 销图3中：1  第一组透镜2  第二组透镜3  第三组透镜6  第一组凹槽凸轮7  最外面的透镜筒8  第二组凹槽凸轮9  齿轮齿10 步进驱动齿11 步进电机12 销13 图像传感器14 基部15 带螺纹支承16 步进电机17 螺杆图4中：1  前(第一)组透镜2  第二组透镜3  第一带螺纹支承4  第二透镜筒5  第一位置稳定叉架(第一位置稳定装置)6  第一步进电机7  第一螺杆8  第三组透镜9  第二带螺纹支承10 第三透镜筒11 第二位置稳定叉架(第二位置稳定装置)12 第二步进电机13 第二螺杆14 组装基部15 图像传感器图5中：1  前(第一)组透镜2  第二组透镜3  第一带螺纹支承4  第二透镜筒5  第一位置稳定叉架(第一位置稳定装置)6  第一步进电机7  第一螺杆8  第三组透镜9  第二带螺纹支承10 第三透镜筒11 第二位置稳定叉架(第二位置稳定装置)12 第二步进电机13 第二螺杆14 组装基部15 图像传感器

具体实施方式

图4和图5显示了本发明的一个示例，即，数字照相机的变焦透镜的控制系统，它包括：固定在变焦透镜组件最前面位置的前(第一)组透镜(或第一元件)1；紧接着第一组透镜1设置的一组透镜2(以下称作第二组透镜)；形成为第二组透镜2的透镜筒4(以下称作第二透镜筒)的一部分的带螺纹支承3(以下称作第一带螺纹支承)；与第一带螺纹支承3相对地形成在第二组透镜2的第二透镜筒4的相对侧上的位置稳定叉架5(以下称作第一位置稳定叉架)；带有设置成电机轴的延伸部分的螺杆7(以下称作第一螺杆)的步进电机6(以下称作第一步进电机)，螺杆7拧入第二组透镜2的第一带螺纹支承3的支承孔中并且与设置在第一带螺纹支承3的支承孔内壁上的螺纹啮合；紧接着第二组透镜2设置的一组透镜8(以下称作第三组透镜)；形成为第三组透镜8的透镜筒10(以下称作第三透镜筒)的一部分的带螺纹支承9(以下称作第二带螺纹支承)；与第二带螺纹支承9相对地形成在第三组透镜8的第三透镜筒10的相对侧上的位置稳定叉架11(以下称作第二位置稳定叉架)；以及带有设置成电机轴的延伸部分的螺杆13(以下称作第二螺杆)的步进电机12(以下称作第二步进电机)，螺杆13拧入第三组透镜8的第二带螺纹支承9的支承孔中并且与设置在第二带螺纹支承9的支承孔内壁上的螺纹啮合。所有这些组成部件被组装在一个组装基部14上，诸如CCD或C-MOS的图像传感器在透镜组件的最后面元件的正下方设置在组装基部14。

第二组透镜2组装在第二透镜筒4中，第二透镜筒4由从第一步进电机6的轴延伸的第一螺杆7支撑，第一螺杆7拧入形成为第二透镜筒4的一部分的第一带螺纹支承3的孔中并且与第一带螺纹支承3的内螺纹啮合。第二透镜筒4也由第一位置稳定叉架5支撑，第一位置稳定叉架5设置作为第二透镜筒4的位置稳定装置，形成在第二透镜筒4上与第一带螺纹支承3的相对侧，并且放置在从第二步进电机12的轴延伸的第二螺杆13上，使第二螺杆13保持在第一位置稳定叉架5的两个端部(狭槽)之间，从而使第二透镜筒不能旋转。

第二透镜筒能够沿着旋转的第一螺杆7和第二螺杆13来回(上下)移动。

第三组透镜8组装在第三透镜筒10中，第三透镜筒10由从第二步进电机12的轴延伸的第二螺杆13支撑，第二螺杆13拧入形成为第三透镜筒10的一部分的第二带螺纹支承9的孔中并且与第二带螺纹支承9的内螺纹啮合。第三透镜筒10也由第二位置稳定叉架11支撑，第二位置稳定叉架11设置作为第三透镜筒10的位置稳定装置，形成在第三透镜筒10上与第二带螺纹支承9的相对侧，并且放置在从第一步进电机6的轴延伸的第一螺杆7上，使第一螺杆7保持在第二位置稳定叉架11的两个端部(狭槽)之间，从而使第三透镜筒不能旋转。

第三透镜筒能够沿着旋转的第二螺杆13和第一螺杆7来回(上下)移动。

一旦打开远距照相或广角的变焦电源开关，接收变焦透镜的变焦位置信号，步进电机6，12就同时开始运动，透镜组2，8开始移动以沿着远距照相方向或广角方向控制整个镜头的变焦，变焦透镜的变焦位置信号被预先地编制程序并写入数字照相机的MCU中，作为控制每一焦距位置的每组透镜的透镜移动数据，即，类似图1所示轨迹4，5的透镜组移动轨迹的数据。

当远距照相开关或广角开关被打开时，MCU保持向每一步进电机6，12发送信号，以从一点到另一点地移动透镜组，而关掉开关时，两透镜组的移动立刻停止在那里。两透镜组2，8停止的位置被MCU所记忆，当远距照相开关或广角开关下次被打开时，透镜变焦从透镜组上次停止的焦距位置开始。

如图4和图5所示，整个组件组装在组装基部14上，图像传感器15就设置和固定在变焦透镜的最后面元件的正后方(下方)，并且在本发明中，根本不需要为了聚焦而移动图像传感器15。通过单独地使两个步进电机6，12之一旋转，两个透镜组2，8之一可以灵敏地来回移动，并且通过单独地移动两个透镜组2，8之一，整个变焦透镜可以合适地聚焦在图像传感器15上。因此，当自动聚焦信号被从数字照相机的MCU发出以便采用分光镜式(through-the-lens)自动聚焦系统使透镜合适地聚焦时，透镜筒4，10之一单独地移动并且当在图像传感器15上获得的图像达到清晰地聚焦时停止。因此，在本发明中，不使用任何取决于图像传感器移动的控制机构，用于变焦控制的步进电机6，12之一可以从照相机CMU接收自动聚焦信号来移动透镜组2，8之一以使整个变焦透镜自动聚焦，而与变焦控制机构无关。

如上所述，在本发明中不使用要求高精确性制造的用于变焦控制的凹槽凸轮，也不使用透镜聚焦的图像传感器移动十分困难的机构。相反，在本发明中，仅仅两个步进电机6，12控制变焦，而且两个步进电机6，12之一可用于自动聚焦。因此，本发明的整个系统和机构更加简单、成本低而且易于组装。

Claims (8)

1、一种数字照相机的变焦透镜的控制系统，该控制系统利用写入在数字照相机的微型控制器单元中的程序数据控制变焦透镜的变焦，同时通过从数字照相机的微型控制器单元或电子控制距离测量系统接受电子信号(脉冲)利用用于变焦控制的机构控制变焦透镜的自动聚焦，该控制系统包括：

(a)所述数字照相机的变焦透镜的控制系统组装在其上的组装基部；

(b)前(第一)组透镜，它组装在一透镜筒中并设置在所述变焦透镜组件最前面的位置；

(c)作为第二组透镜的一组透镜，它组装在一作为第二透镜筒的透镜筒中并紧接着所述第一组透镜设置；

(d)作为第一带螺纹支承的一带螺纹支承，它形成为所述第二组透镜的所述第二透镜筒的一部分；

(e)作为第一位置稳定装置的一位置稳定装置，用于使所述第二透镜筒不旋转；

(f)作为第一步进电机的一步进电机，用于驱动所述第二透镜筒；

(g)作为第一螺杆的一螺杆，它设置在所述第一步进电机的轴上并与所述第一步进电机的轴连接作为电机轴的延伸部分，该螺杆拧入所述第二组透镜的所述第二透镜筒的所述第一带螺纹支承的支承孔中并且与设置在所述第二组透镜的所述第二透镜筒的所述第一带螺纹支承的内壁上的螺纹啮合；

(h)作为第三组透镜的一组透镜，它组装在一作为第三透镜筒的透镜筒中并紧接着所述第二组透镜设置；

(i)作为第二带螺纹支承的一带螺纹支承，它形成为所述第三组透镜的所述第三透镜筒的一部分；

(j)作为第二位置稳定装置的一位置稳定装置，用于使所述第三透镜筒不旋转；

(k)作为第二步进电机的一步进电机，用于驱动所述第三透镜筒；

(l)作为第二螺杆的一螺杆，它设置在所述第二步进电机的轴上并与所述第二步进电机的轴连接作为电机轴的延伸部分，该螺杆拧入所述第三组透镜的所述第三透镜筒的所述第二带螺纹支承的支承孔中并且与设置在所述第三组透镜的所述第三透镜筒的所述第二带螺纹支承的内壁上的螺纹啮合。

2、如权利要求1所述的数字照相机的变焦透镜的控制系统，其特征在于，当所述第二透镜筒来回移动时，所述第二透镜筒由与所述第一带螺纹支承啮合的所述第一螺杆和用于使所述第二透镜筒不旋转的所述第一位置稳定装置支撑和稳定，以使所述第二透镜筒平滑地移动而不会有任何有害的旋转。

3、如权利要求1所述的数字照相机的变焦透镜的控制系统，其特征在于，当所述第三透镜筒来回移动时，所述第三透镜筒由与所述第二带螺纹支承啮合的所述第二螺杆和用于使所述第三透镜筒不旋转的所述第二位置稳定装置支撑和稳定，以使所述第三透镜筒平滑地移动而不会有任何有害的旋转。

4、如权利要求1所述的数字照相机的变焦透镜的控制系统，其特征在于，所述第二组透镜组装在其中的所述第二透镜筒通过所述第一带螺纹支承连接到所述第一步进电机的所述第一螺杆上，从而在所述第一步进电机接收变焦透镜的变焦数字信号旋转时所述第二透镜筒来回(上下)移动，变焦透镜的变焦数字信号被预先编制程序并写入在数字照相机的微型控制器单元中。

5、如权利要求1所述的数字照相机的变焦透镜的控制系统，其特征在于，所述第三组透镜组装在其中的所述第三透镜筒通过所述第二带螺纹支承连接到所述第二步进电机的所述第二螺杆上，从而在所述第二步进电机接收变焦透镜的变焦数字信号旋转时所述第三透镜筒来回(上下)移动，变焦透镜的变焦数字信号被预先编制程序并写入在数字照相机的微型控制器单元中。

6、如权利要求1所述的数字照相机的变焦透镜的控制系统，其特征在于，当所述第一和第二步进电机之一开始旋转时，另一步进电机确切地在同时或严格地同时开始旋转，使得所述第二和第三透镜组根据从数字照相机的微型控制器单元接收的变焦透镜移动数据同时开始移动，以使所述所有透镜组整体地作为一个完整的变焦透镜工作。

7、如权利要求1所述的数字照相机的变焦透镜的控制系统，其特征在于，当所述第一步进电机从数字照相机的微型控制器单元接收自动聚焦信号时，所述第一步进电机单独地开始运动，所述第一步进电机的旋转来回地移动所述第二透镜筒直到整个变焦透镜合适地聚焦，并且当所述第一步进电机从微型控制器单元接收到一个停止信号时停止。

8、如权利要求1所述的数字照相机的变焦透镜的控制系统，其特征在于，当所述第二步进电机从数字照相机的微型控制器单元接收自动聚焦信号时，所述第二步进电机单独地开始运动，所述第二步进电机的旋转使所述第三透镜筒来回地移动直到整个变焦透镜合适地聚焦，并且当所述第二步进电机从微型控制器单元接收到一个停止信号时停止。