JP2009526256A

JP2009526256A - 結像システムにおける光学要素の位置検出のための方法及び装置

Info

Publication number: JP2009526256A
Application number: JP2008553836A
Authority: JP
Inventors: カウハネン，ペッテリ
Original assignee: Nokia Oyj
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2009-07-16
Also published as: EP1984780A1; WO2007091111A1; CN101336391A; US20090219434A1; EP1984780A4; CN101336391B

Abstract

自動焦点又はズームを目的として、レンズがイメージセンサーに対し光軸に沿って移動可能であるカメラにおいて、レンズはカメラの固定された本体部分に隣接したキャリア部分を有するキャリアにより移動する。反射面は、キャリア部分又は本体部分のいずれか一方の上に設けられる。反射面を照射するため及びそこからの反射光を検出するため、光放射器及びセンサーの対はその他の部分上に置かれる。反射面は、光放射器により放射された光錐が反射面に部分的に当たり、縁を超えて部分的に落ちるよう、面の縁の近傍に設けられる。レンズが本体部分に対して移動するとき、光放射器により照射される反射面上の領域は、検出される光の量の変化に起因して変化する。

Description

本発明は、一般的には、結像システム（imaging system）における光学位置検出（optical position sensing）に関連し、詳細には、結像システムにおける自動焦点光学及び／又は光学ズームモジュールのための位置検出に関連する。

自動焦点光学システムは、位置検出における高い精度を必要とする。一般的に、必要となる精密度は、数ミクロンのオーダーである。外部変動に対するセンサー出力の線形性及び耐性は重要である。更に、位置検出における動作モードは、機械的摩擦を避けるために、非接触動作も必要とする。携帯電話など小型電子デバイスに用いる光学を考慮すると、光学検出要素のサイズ及びコスト、並びに大量生産への適合性は、重要な問題となる。

通常、市販の自動焦点モジュールにおける位置決定は、ステッピングモーターのステップ数を数えることにより行われる。このためには、モーターは内蔵の位置エンコーダーを持つ。光学モジュールのサイズを縮小するため、小型圧電モーター又はアクチュエーターが一般的に使用される。これらモーター及びアクチュエーターは、分離した位置センサーを必要とする。

数ミクロンのオーダーの動きを伴う自動焦点光学システム又は光学ズームシステムに対する必要性を満たすために、本発明は、位置検出のための簡単な方法及び装置を提供する。

本発明は、光を反射するための反射面、並びに反射面に光を当てるため、及び反射面からの反射光を検出するための光放射器と光センサーの対を使用する。具体的には、反射面は第1の取り付け部材の縁付近に設けられ、光放射器／センサー対は第２の取り付け部材上に置かれる。自動焦点システム又は光学ズームシステムにおいて、第1の取り付け部材がレンズ素子を移動するために使用されるとき、第1及び第２の取り付け部材は互いに関連して移動する。光放射器により放射された光錐（light cone）が、反射面に部分的にのみ達する様に、光放射器／センサー対は反射面からある距離を置いて配置される。光錐の一部は、縁を超えて落ちるため、反射面を外れる。光放射器／センサー対及び反射面は互いに関連して移動するため、光放射器により照らされる反射面上の領域は変化する。その結果、光センサーにより検出される光の量も変化する。反射光の量の変化は、反射面の特定の移動範囲において、ほぼ線形性の出力信号応答をもたらす。望ましくは、照射された領域内において反射面の反射性が実質的に均一であり、光放射器／センサー対と反射面の距離が実質的に固定である。このように、出力信号応答は固定半径の円形領域の一部分に実質的に比例し、その一部分は光放射器／センサー対及び反射面が互いに関連して移動するときの移動距離の関数として減少又は増加する。

本発明の実施例の１つにおいて、照射領域の直径は反射面の幅よりも小さい。

発明のその他の実施例において、照射領域の直径は反射面の幅と比べ、等しい又は大きい。

発明の更にその他の実施例において、反射面はくさび形状を持つ。

発明の異なる実施例において、２つの光放射器／センサー対が、異なる方向における相対的な移動を検出するために、２つの反射面に対し配置される。

本発明は、図２ａから９と共に明細書を読むことにより、明らかとなる。

自動焦点レンズシステム及び光学ズームシステムなどの結像アプリケーションは、位置検出における高精度を必要とする。そのようなアプリケーションにおいて、レンズの焦点面又はイメージセンサー上に形成されるイメージの倍率を変えるために、少なくとも１つのレンズ素子は結像システムの光軸に沿って移動する。図１に示されるように、レンズ素子の移動は、実質的に、Ｚ軸と平衡となる光軸に沿う。イメージセンサーは、実質的にＸＹ面と平行となるイメージ面内に位置する。結像システムは、点線で示されるように１又はそれ以上の固定のレンズ素子を持つことができる。

自動焦点又は光学ズームアプリケーションにおいて、参照ポイント又は定位置に対するレンズ素子の位置を決定することが求められる。本発明によれば、光放射器／センサー対は、Ｚ軸に沿ったレンズ素子の変位を検出するために使用される。図２ａに示されるように、反射面７０は取り付け部材又は取り付け棒材（mounting beam）３０の上に設けられ、光放射器／センサー対６０は取り付け部材又は取り付け棒材２０の上に配置される。光放射器／センサー対６０は、反射面７０の一部分を照射するために、ＬＥＤ６２などの光放射素子を持つ。放射器／センサー対６０は、反射面７０により反射された光の量を検出するための光センサー６４も持つ。望ましくは、照射される領域内において反射面の反射性が実質的に均一であり、光放射器／センサー対６０と反射面７０の間の距離ｄもまた固定である。

図２ｂに示されるように、反射面７０は、取り付け棒材３０の縁に隣接して設けられる。放射器／センサー対６０と反射面７０の間の距離及び位置は、光放射素子６２により放射される光錐１６２が反射面７０に部分的にのみ当たるよう選択される。光錐１６２の一部は、反射面７０を外れ、取り付け棒材３０の縁３２を超えて落ちる。このように、光センサー６４からの出力信号応答は、固定半径の円形領域の一部分に実質的に比例し、該部分は、光放射器／センサー対及び反射面が互いに関連して移動する際の移動距離の関数として減少又は増加する。

図２a及び２ｂに示されるように、取り付け棒材の縁は取り付け棒材の端部において、必ずしも形成されるものではないことに注意すべきである。縁は、例えば、棒材上の溝（slot）により作ることができる。図２ｃに示されるように、棒材３０は縁３６を伴う溝３４を持つ。光放射器／センサー対６０は、光放射器６２により放射される光錐が反射面７０の一部にのみ当たるように、その取り付け棒材の上部、溝３４近傍に設置される。

図３ａは本発明の１つの実施例を示し、取り付け棒材３０はレンズキャリア（carrier）１１０上に固定的に取り付けられる、又はレンズキャリアの構成部分となる。レンズキャリア１１０は、自動焦点又は光学ズームを目的として、光軸に沿ってレンズ素子１００を移動するために使用される。図３ｂは本発明のその他の実施例を示し、取り付け棒材２０はレンズキャリア１１０上に固定的に取り付けられる。

図４ａは、本発明の結像システム又はカメラ１０の配置図である。結像システム１０は、光放射器／センサー対６０を固定的に取り付けるための静止本体１４を持つ。イメージセンサー１２０上の焦点面にイメージを形成するために、レンズ素子１００は光軸に沿ってレンズキャリア１１０と共に移動可能である。示されるように、取り付け棒材３０は、レンズキャリア１１０上に固定的に取り付けられる。注目すべきは、本発明の位置検出システムは、図４ｂに示されるように光軸が反射面１３０により曲げられている結像システム内でも使用することもできることである。

当業者には理解されることではあるが、光放射器／センサー対６０は、光放射器６２及び出力測定デバイスに電力を供給するための電源と動作可能なように接続され、光センサー６４からの出力信号が、光放射器／センサー対６０と反射面７０の間の相対的移動を決定するために測定される。光センサー６４からの測定された出力信号は、移動距離の関数としてコレクター電圧に関して、図５に示される。示されるように、カーブの中間部分において、約1 mmの略線形の範囲が見つけられる。この範囲内において、数ミクロンのオーダーで測定可能な移動が達成できる。

当業者においては当然であるが、図２ａから３ｂに示される縁３２及び３６は反射面に実質的に垂直な棒材面の一部である。しかし、棒材面と反射面の間の角度は必ずしも直角ではない。縁を超え落ちる光放射器６２からの光線の一部が、反射面からの反射光と比較して、相当量の検出可能な光を作り出さない限りは、該角度は９０度より大きく又は小さくすることができる。更に、図２ｂ及び２ｃにおいて、反射面７０の幅は反射面上の光錐１６２の直径より大きい。しかし、図６に示されるように、反射面７０の幅ｗは、反射面上の光錐１６２の直径Ｄと同等又は小さくすることができる。更に、図７に示されるように、反射面７０はくさび形状面とすることもできる。

本発明の異なる実施例において、異なる位置検出システムを構成するために、２つの分離した光学センサーが１つの運動軸上で使用される。図８に示されるように、光放射器／センサー対６０は、反射面７０上に光錐１６２を投射するための光放射器６２、及び反射面７０により反射される光の量を検出するための光センサー６４を有する。分離した光放射器／センサー対６０´は、異なる反射面７０´上に光錐１６２´を投射するための光放射器６２´、及び反射面７０´により反射される光の量を検出するための光センサー６４´を有する。図８に示されるように、反射面７０は取り付け棒材３０の縁３２近傍に設けられ、反射面７０´は取り付け棒材３０のもう一方の縁３２´近傍に設けられる。１つの光放射器対の位置信号が、取り付け部材３０と光放射器対の間の相対的移動のため増加したとき、他方の光放射器対の位置信号が減少するように、光放射器対６０と光放射器対６０´の間の距離は固定である。そのように、最終的な位置信号は、２つの分離した位置信号の差分となる。図８で示される配置により、温度変化などの外部の影響は実質的に排除される。更に、機械的な傾きの影響は低減される。

光放射器／センサー対などの光学センサーは低価格な要素であり、このため、一般的には性能の変動は非常に大きいことに注意すべきである。自動焦点又は光学ズームシステムの起動の間に位置システムを調整することは、有効であり、且つ望ましい。これは、例えば、有効な全ての運動範囲において、レンズ素子１００を駆動することにより行うことができる。この動作の間、センサー出力は運動範囲の両端において測定される。２つの端における出力信号がわかると、中間の出力信号から全ての中間位置が正確に決定できる。

当業者にとって当然のことではあるが、本発明の位置検出システム２００は、レンズキャリア１１０を動かすための圧電アクチュエーター又はモーターなどの運動装置２３０、及び反射面７０からの反射に基づきレンズ素子１００の位置を決定するための光放射器／センサー対６０に動作可能なように接続される信号処理モジュール２１０も有する。位置検出システム２００は、信号処理モジュール２１０により供給される情報に基づき、運動装置２３０を介して、レンズ素子１００の移動量を制御するための制御モジュール２２０も有する。自動焦点を目的として、信号処理モジュール２１０はイメージセンサー１２０上に形成されるイメージの一部に対する焦点を検査するために、イメージセンサー１２０からイメージデータを受信することを要求できる。しかし、信号処理モジュール２１０、制御モジュール２２０、及び運動装置２３０は、当分野では周知であることに注意すべきである。これらは、本発明の一部ではない。本発明は、自動焦点又は光学ズームを目的として、レンズ素子に関連して固定的に配置される反射面の位置を検出するための少なくとも１つの光放射器／センサー対を使用することに関連する。

自動焦点システムにおいて、レンズ素子に対してイメージセンサーを動かすことは可能である。この場合、位置検出システムは、レンズ素子の位置を検出する代わりに、イメージセンサーの位置を検出するために使用される。

このように、本発明は、１つ又はそれ以上の実施例に関して記載されているが、形式及びその詳細における前述した並びに様々なその他の変更、省略、及び偏向は、本発明の目的から逸脱することなくもたらされることは、当業者にとって当然のことである。

結像システムの配置図であり、焦点調整又はズーム目的のために、１つ又はそれ以上のレンズ素子が、光軸に沿ってイメージセンサーに対し移動する。取り付け棒材の縁近傍の反射面に関連して配置される光放射器／センサー対を示す。光放射器／センサー対及び反射面のその他の視点である。本発明のその他の実施例を示す。光放射器／センサー対を取り付けるための取り付け棒材を持つレンズキャリアを示す。反射面を取り付けるための取り付け棒材を持つレンズキャリアを示す。カメラ本体の静止部分上に固定的に取り付けられた光放射器／センサー対を持つカメラの配置図である。光軸を曲げるための反射面を持つカメラの配置図である。光放射器／センサー対と反射面の間の相対位置に対する出力信号のプロットを示す。本発明のその他の実施例を示す。本発明の更にその他の実施例を示す。取り付け棒材の２つの縁近傍の２つの分離した反射面に関連して配置される２つの光放射器対を示す。本発明による位置検出システムを示す。

Claims

結像システムであって、
イメージ面に置かれたイメージ形成媒体、
前記イメージ形成媒体上にイメージを投影するための少なくとも１つのレンズ素子であって、光軸を規定しているレンズ素子、
前記イメージ形成媒体上の前記投影されたイメージに作用するために前記光軸に実質的に平行な方向で前記イメージ形成媒体に対し前記レンズ素子を移動するためのレンズキャリアであって、前記結像システムの本体部分に対し移動可能であり、該本体部分に隣接するキャリア部分を有しているレンズキャリア、
前記本体部分に対する前記レンズキャリアの位置を検出するための位置検出モジュール、
及び
前記電気出力と前記照射領域の間の前記関連に基づき前記電気出力から前記相対的移動の量を計算するためのプロセッサー、によって特徴付けられており、
前記位置検出モジュールは、
前記キャリア部分及び前記本体部分の一方に設けられた反射面であって、部品表面の縁に隣接して配置される反射面、
光線の一部が照射領域を形成する前記反射面に当たり、該光線の一部が前記部品表面の前記縁に落ち込むように、前記反射面を照射するための該光線を生成するために、前記反射面から隔たれ、前記キャリア及び本体部分の他の一方に配置された光放射素子、及び
前記照射領域と関連した電気出力を供給するために前記照射領域から反射された光を検出するための光センサーであって、前記照射領域は、前記レンズキャリアが前記本体部分に相対して移動させられるとき、該相対的な移動に応答して変化する、光センサー、を有する結像システム。
前記レンズキャリアを移動させるために前記レンズキャリアに動作可能なように接続される駆動装置によってさらに特徴付けられる、請求項１に記載の結像システム。
前記イメージ形成媒体がイメージセンサーを有することを特徴とする、請求項１に記載の結像システム。
前記位置検出モジュールは、
前記キャリア及び本体部分の前記一方に設けられた更なる反射面であって、前記部品表面の異なる縁に隣接して配置される更なる反射面、
光線の一部が異なる照射領域を形成する前記更なる反射面に当たり、該光線の一部が前記部品表面の前記異なる縁に落ち込むように、前記更なる反射面を照射するための該光線を生成するために、前記更なる反射面から隔たれ、前記キャリア及び本体部分の前記他の一方に配置された更なる光放射素子、及び
前記プロセッサーが更なる電気出力からも前記相対的移動を決定することが可能となるように、前記異なる照射領域と関連した該更なる電気出力を供給するために前記異なる照射領域から反射された光を検出するための更なる光センサー、
をさらに有することを特徴とする、請求項１に記載の結像システム。
前記電気出力と前記更なる電気出力の間の差分に基づき、前記相対的な移動が決定されることを特徴とする、請求項４に記載の結像システム。
光軸に関連して配置される複数の結像要素を有する結像システムにおける位置検出のための方法であって、
該結像要素は、少なくとも１つのイメージ形成媒体及び該イメージ形成媒体上にイメージを投影するための１つのレンズ素子を有し、該レンズ素子及び該イメージ形成媒体の一方が前記光軸に実質的に平行な方向で他の一方に対して移動可能であり、該結像システムは該イメージ形成媒体に関連して固定的に配置される第１の部品、及び該レンズ素子に関連して固定的に配置される第２の部品を有し、
該方法は、
前記第１及び第２の部品の一方に反射面を設け、該反射面は部品表面の縁に隣接して配置され、
前記第１及び第２の部品の他の一方に光放射素子を配置し、該光放射素子は、光線の一部が照射領域を形成する前記反射面に当たり、該光線の一部が前記部品表面の前記縁に落ち込むように、前記反射面を照射するための該光線を生成するために配置され、
前記照射領域と関連した電気出力を供給するために前記照射領域から反射された光を検出し、前記第１及び第２の部品の間の相対的移動が生じるとき、該相対的移動に応答して前記照射領域が変化し、及び
前記電気出力と前記照射領域の間の前記関連に基づき前記電気出力から前記相対的移動の量を決定することによって特徴付けられる方法。
前記部品表面の更なる縁に隣接する更なる反射面を設け、
前記第１及び第２の部品の前記他の一方に更なる光放射素子を配置し、該更なる光放射素子は、前記光線の一部が更なる照射領域を形成する前記更なる反射面に当たり、前記光線の一部が前記部品表面の前記更なる縁に落ち込むように、前記更なる反射面を照射するための前記光線を生成するために配置され、
前記更なる照射領域と関連した更なる電気出力を供給するために前記更なる照射領域から反射された光を検出し、
差分出力を供給するために前記電気出力と前記更なる電気出力の間の差分を決定し、及び
該差分出力から前記相対的移動の量を決定することによってさらに特徴付けられる、請求項６に記載の方法。
前記第２の部品は移動方向に沿い前記第１の部品に対し移動可能であり、前記反射面は該移動方向に垂直な幅を持ち、前記照射領域が前記反射面の該幅より小さい直径を持つことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記第２の部品は移動方向に沿い前記第１の部品に対し移動可能であり、前記反射面は該移動方向に垂直な幅を持ち、前記照射領域が前記反射面の該幅に等しい直径を持つことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記第２の部品は移動方向に沿い前記第１の部品に対し移動可能であり、前記反射面は該移動方向に垂直な幅を持ち、前記照射領域が前記反射面の該幅より大きい直径を持つことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
前記第２の部品は移動方向に沿い前記第１の部品に対し移動可能であり、前記反射面は該移動方向に平行な軸に沿い変化する幅を持つ、請求項６に記載の方法。
結像システムにおいて使用されるためのレンズ移動モジュールであって、
該結像システムは、イメージ面に置かれたイメージセンサー及び該イメージセンサー上にイメージを投影するための少なくとも１つのレンズ素子を有し、該レンズ素子は光軸を規定し、該レンズ移動モジュールは、
前記イメージセンサー上の前記投影されたイメージに作用するために前記光軸に実質的に平行な方向で前記イメージセンサーに対し前記レンズ素子を移動するためのレンズキャリアであって、前記結像システムの本体部分に対し移動可能であり、該本体部分に隣接するキャリア部分を持つレンズキャリア、
前記本体部分に対する前記レンズキャリアの位置を検出するための位置検出モジュール、
参照ポイントに対し前記レンズ素子の現在位置を決定するため、前記電気出力と前記照射領域の間の前記関連に基づき前記電気出力から前記相対的移動の量を計算するためのプロセッサー、
前記レンズ素子の該現在位置に基づき前記レンズ素子を移動させるための量を決定するための移動制御器、及び
該決定された量に基づき前記レンズキャリアを移動させるための駆動装置、
を特徴とするレンズ移動モジュール、によって特徴付けられており、
前記位置検出モジュールは、
前記キャリア部分及び前記本体部分の一方に設けられた反射面であって、部品表面の縁に隣接して配置される反射面、
光線の一部が照射領域を形成する前記反射面に当たり、該光線の一部が前記部品表面の前記縁に落ち込むように、前記反射面を照射するための該光線を生成するために、前記反射面から隔たれ、前記キャリア及び本体部分の他の一方に配置された光放射素子、及び
前記照射領域と関連した電気出力を供給するために前記照射領域から反射された光を検出するための光センサーであって、前記照射領域は、前記レンズキャリアが前記本体部分に相対して移動させられるとき、該相対的な移動に応答して変化する、光センサーを有する、
レンズ移動モジュール。
前記位置検出モジュールは、
前記キャリア及び本体部分の前記一方に設けられた更なる反射面であって、前記部品表面の異なる縁に隣接して配置される更なる反射面、
光線の一部が異なる照射領域を形成する前記更なる反射面に当たり、該光線の一部が前記部品表面の前記異なる縁に落ち込むように、前記更なる反射面を照射するための該光線を生成するために、前記更なる反射面から隔たれ、前記キャリア及び本体部分の前記他の一方に配置された更なる光放射素子、及び
前記プロセッサーが更なる電気出力からも前記相対的移動を決定することが可能となるように、前記異なる照射領域と関連した該更なる電気出力を供給するために前記異なる照射領域から反射された光を検出するための更なる光センサー、
をさらに有することを特徴とする、請求項１２に記載のレンズ移動モジュール。
前記電気出力と前記更なる電気出力の間の差分に基づき、前記相対的な移動が決定されることを特徴とする、請求項１３に記載のレンズ移動モジュール。
イメージ面に置かれたイメージセンサー及び該イメージセンサー上にイメージを投影するためのレンズ素子を有する結像システムにおいて使用するための位置検出モジュールであって、
該イメージセンサーは光軸を規定し、該レンズ素子及び該イメージセンサーの一方は、該イメージセンサー上の該投影されたイメージに作用するために該光軸に実質的に平行な方向での移動のためにキャリア上に取り付けられ、該キャリアは該結像システムの固定された本体部分に隣接するキャリア部分を持ち、該位置検出モジュールは、
前記キャリア部分及び前記本体部分の一方に設けられた反射面であって、部品表面の縁近傍に配置された反射面、
前記キャリアが前記本体部分に相対して移動させられるとき前記照射領域が変化する場合において、光線の一部が照射領域を形成する前記反射面に当たり、該光線の一部が前記部品表面の前記縁に落ち込むように、前記反射面を照射するための該光線を生成するために、前記反射面から隔たれ、前記キャリア及び本体部分の他の一方に配置された光放射素子、及び
電気出力と前記照射領域の間の関連に基づき該電気出力から前記相対的移動の量を決定するため、前記照射領域と該関連した該電気出力を供給するため前記照射領域から反射される光を検出するための光センサー、
によって特徴付けられる位置検出モジュール。
前記部品表面の更なる縁に隣接した更なる反射面、
光線の一部が更なる照射領域を形成する前記更なる反射面に当たり、該光線の一部が前記部品表面の前記更なる縁に落ち込むように、前記更なる反射面を照射するための該光線を生成するために、前記更なる反射面から隔たれ、前記キャリア及び本体部分の他の一方に配置された更なる光放射素子、及び
更なる電気出力と前記更なる照射領域の間の関連に基づき該更なる電気出力からも前記相対的移動の量を決定するため、前記更なる照射領域と該関連した該更なる電気出力を供給するため前記更なる照射領域から反射される光を検出するための更なる光センサー、
によってさらに特徴付けられる、請求項１５に記載の位置検出モジュール。
前記キャリアは移動方向に沿い前記本体部分に対し移動可能であり、前記反射面は該移動方向に垂直な幅を持ち、前記照射領域が前記反射面の該幅より小さい直径を持つことを特徴とする、請求項１５に記載の位置検出モジュール。
前記キャリアは移動方向に沿い前記本体部分に対し移動可能であり、前記反射面は該移動方向に垂直な幅を持ち、前記照射領域が前記反射面の該幅と等しい直径を持つことを特徴とする、請求項１５に記載の位置検出モジュール。
前記キャリアは移動方向に沿い前記本体部分に対し移動可能であり、前記反射面は該移動方向に垂直な幅を持ち、前記照射領域が前記反射面の該幅より大きい直径を持つことを特徴とする、請求項１５に記載の位置検出モジュール。
前記キャリアは移動方向に沿い前記本体部分に対し移動可能であり、前記反射面は該移動方向に平行な軸に沿い変化する幅を持つことを特徴とする、請求項１５に記載の位置検出モジュール。
前記電気出力に応答し、前記相対的移動の量を決定するため、前記光センサーに動作可能なように接続されるプロセッサーによってさらに特徴付けられる、請求項１５に記載の位置検出モジュール。