具有mems闭环补偿器的自动对焦照相机模块的制作方法
【专利说明】具有MEMS闭环补偿器的自动对焦照相机模块
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年12月31日申请的美国临时专利申请N0.61/748，054以及2013年10月23日申请的美国临时专利申请N0.61/894，911的优先权，将其全部并入这里作为参考。
[0003]本申请是2013年3月7日申请的美国专利申请N0.13/789，594的一部分的延续，将其全部并入这里作为参考。
技术领域
[0004]本发明涉及一种紧凑型照相机模块，尤其是具有自动对焦，以及可选地具有变焦，包括有效而通用的MEMS元件的功能。
【背景技术】
[0005]照相机模块可以形象地或者实际划分为两个主要元件，即传感器元件和光学组件元件。如果光学组件的所有镜头和/或一个或多个组成的镜头的位置相对于图像传感器的位置固定，那么产生的电子照相机被称为定焦的。严格地恰当固定光学系统意味着只有距离照相机一定距离的物体在图像传感器上是对焦的。定焦照相机具有的优势是物理尺寸较小和成本较低，但是性能受到限制。特别地，焦距距离经常设定为1.2m以至于60cm至无穷大的物体呈现为勉强清晰。但是，图像清晰度特别不好，距离照相机近于60cm的物体将总是很模糊。虽然可以将焦距设定在更近的距离，以校正该问题，但是这意味着较远物体的清晰度在补偿方面下降。
[0006]因此，需要一种紧凑型照相机模块，其具有自动对焦，以及可选地具有变焦，包括有效而通用的MEMS元件的功能。
【附图说明】
[0007]图1示意性说明了根据某些实施例，包括一小组可移动镜头和MEMS驱动机构的自动对焦照相机模块的示例的剖视图。
[0008]图2A示意性说明了根据某些实施例，包括一小组不同的一个或多个可移动镜头和MEMS驱动机构的自动对焦照相机模块的另一示例。
[0009]图2B说明了包括两个主要子元件的照相机模块，所述两个子元件包括传感器元件和光学组件元件，其可以耦合和不耦合用以互换位置。
[0010]图3示意性说明了根据某些实施例，包括一小组不同的一个或多个可移动镜头和MEMS驱动机构的自动对焦照相机模块的另一示例。
[0011]图4A示意性说明了根据某些实施例，包括焊线图像传感器结构的自动对焦照相机模块的示例的剖视图。
[0012]图4B示意性说明了根据某些实施例，包括倒装芯片的图像传感器结构的自动对焦照相机模块的示例的剖视图。
[0013]图5A示意性说明了根据某些实施例，具有铜柱互连点的另一照相机模块的截面图。
[0014]图5B示意性说明了图5A的照相机模块的平面图。
[0015]图6A-6C分别示意性说明了根据某些实施例，具有某些外围和/或内部元件的照相机模块的剖面、上方或顶视图和侧视图。
[0016]图7示意性说明了一种照相机模块的剖视图，该照相机模块包括外壳和遮光罩，其中该外壳用作电磁干扰(EMI)屏蔽，或者EMI外壳，以及允许封装的镜筒移动通过调焦光圈，该遮光罩用于限定照相机光圈或者限制或包围照相机模块光圈，或者在传送想要的曝光时，阻挡不想要的杂散光通过第一光圈进入照相机模块或从其出射。
[0017]图8A-8C分别示意性说明了根据某些实施例的照相机模块，具有FPC弯折前的FPC延伸的透视图、FPC弯折期间的顶视图、以及FPC弯折之后旋转的透视图。
[0018]图9A-9B示意性说明了根据某些实施例的，分别在图8A和8C示出的FPC弯折之前和之后的照相机模块，其中FPC构造为电连接至驱动机构触头以及用作或耦合至遮光罩，例如，用作参考图6A和7中描述的实施例的替代。
[0019]图10A-10B示意性分别说明了根据某些实施例的MEMS驱动机构的驱动器和管脚封装的示例。
[0020]图11示意性说明了根据某些实施例的，用于将电压转换为位移的装置，其用于照相机模块的MEMS对焦驱动机构。
[0021]图12示出了根据美国系列号N0.61/698，567所描述的镜头向上、镜头向下和向侧面的MEMS位移和电容关系的曲线图，所述专利作为参考在此并入，具体参考其中的图24-32 ο
[0022]图13说明了根据某些实施例的驱动MEMS驱动机构的方法。
[0023]图14说明了根据某些实施例的驱动MEMS驱动机构的方法的控制回路任务。
[0024]图15说明了根据某些实施例的驱动MEMS驱动机构的方法的I2C任务。
[0025]图16说明了根据某些实施例的驱动MEMS驱动机构的方法的对话/命令任务。
[0026]图17说明了根据某些实施例的驱动MEMS驱动机构的方法的定时过程。
[0027]图18以模块形式示意性说明了根据某些实施例的，尤其用于自动对焦照相机模块的MEMS驱动机构的驱动器的某些元件。
[0028]图19示意性说明了根据某些实施例的，尤其用于自动对焦照相机模块的MEMS驱动机构的驱动器的示例。
[0029]图20A和20B分别示意性说明了根据某些实施例的I2C控制器数据主机访问读取格式和写入格式。
[0030]图21说明了根据某些实施例的MEMS驱动机构的驱动器。
【具体实施方式】
[0031]根据某些实施例，提供了一种包括MEMS元件的用于自动对焦照相机模块的紧凑型光学模块。在某些实施例中，MEMS元件包括闭环补偿器。紧凑型光学模块构造用于耦合至自动对焦数码照相机模块的图像传感器元件。光学组件包括多个镜头，其中包括至少一个可移动镜头。外壳构造为包含光学组件并耦合至图像传感器元件。MEMS驱动机构构造为沿着光学路径移动至少一个可移动镜头，以将物体对焦在图像传感器元件的图像传感器上，其中图像传感器元件放置在光学组件的焦平面上，并耦合至印刷电路以承载电信号，该电信号包括图像传感器捕捉的数字图像。一对镜头驱动机构的控制垫构造为从印刷电路接收镜头驱动机构控制信号。对准补偿元件包含在某些实施例中，以定位并对准至少一个可移动镜头，该对准补偿元件适用于负责特定焦距、以及照相机模块定位和至少一个可移动镜头的非线性位移属性。
[0032]闭环控制元件可包括自适应控制元件。对准补偿元件可包括闭环控制元件。闭环控制元件可包括自适应控制元件。对准补偿元件的定位精度为大约在2%以内。光学模块可包括镜筒，其包含多个镜头中的一个或多个，该多个镜头包含至少一个可移动镜头。
[0033]提供一种紧凑型自动对焦照相机模块，其包括图像传感器和光学组件，该光学组件包括具有至少一个可移动镜头的多个镜头。外壳构造为包含光学组件和图像传感器。MEMS驱动机构构造为沿着光学路径移动至少一个可移动镜头，以将物体对焦在图像传感器上，其中图像传感器放置在光学组件的焦平面上并耦合至印刷电路以承载电信号，该电信号包括图像传感器捕捉的数字图像。一对镜头驱动机构的控制垫构造为从印刷电路接收镜头驱动机构的控制信号。对准补偿元件构造为定位并对准至少一个可移动镜头，并适用于负责特定焦距、以及照相机模块定位和至少一个可移动镜头的非线性位移属性。
[0034]提供了一种能够嵌入紧凑型自动对焦照相机模块的设备，其包括设备处理器和设备显示器、一个或多个通信信号接口、和根据这里描述的任何照相机模块的紧凑型自动对焦照相机模块，其中通信信号接口包括电话和/或有线和/或无线网络发送/接收元件。
[0035]提供了另外一种运行紧凑型MEMS驱动的自动对焦照相机模块的方法，其中利用含有至少一个可移动镜头的多个镜头，将物体成像在图像传感器上。MEMS驱动沿着光学路径移动至少一个可移动镜头，以将物体聚焦在图像传感器。该传感器放置在焦平面并耦接至印刷电路。沿着印刷电路传送电信号，其包含图像传感器捕捉的数字图像数据。从印刷电路接收镜头驱动机构的控制信号。MEMS驱动包括定位和对准至少一个可移动镜头，包括生成(account for)特定焦距以及照相机模块定位和至少一个可移动镜头的非线性位移属性。
[0036]该方法包括自适应控制驱动。定位和对准包括闭环控制。闭环控制包括自适应控制定位和对准。对准的定位精度大约在2 %以内。
[0037]根据某些实施例，提供另一种紧凑型光学模块，用于耦合至自动对焦数字照相机模块的图像传感器元件，该照相机模块包含具有距离测量能力的MEMS元件。光学模块的光学组件包括含有至少一个可移动镜头的多个镜头。外壳构造为包括光学组件，并耦合至图像传感器元件。MEMS驱动机构构造为沿着光学路径移动至少一个可移动镜头，以将物体聚焦在图像传感器元件的图像传感器上，其中图像传感器放置在光学组件的焦平面上并耦合至印刷电路以承载电信号，该电信号包括图像传感器捕捉的数字图像。电容测量元件构造为确定MEMS驱动机构的电容值，作为处理器的输入，该处理器可相应的被编程以确定光学模块或照相机模块、或至少一个可移动镜头、或其组合的运动和位移，以及适应至少一个可移动镜头的位置和对准，以生成特定的焦距。一对镜头驱动机构控制垫构造为耦合至印刷电路，用于接收包含MEMS驱动机构的电容值的镜头驱动机构控制信号。
[0038]电容测量元件包括一个或多个用于检测运行期间的振铃的奈奎斯特(Nyquist)采样时间鉴别器，可编程驱动器均衡元件，其用于基于电容感测的固定时间提供电压驱动，还包括可编程电流源，其构造用于移动超过MEMS驱动机构电容测量的噪声水平的电容测量，和/或包括可编程滑动窗口，其构造用于适应MEMS驱动机构，用于MEMS驱动机构的电容测量。镜筒包括含有至少一个可移动镜头的一个或多个镜头。
[0039]还提供一种紧凑型自动对焦照相机模块，其包括图像传感器和光学组件，该光学组件包括含有至少一个可移动镜头的多个镜头。外壳构造为包含光学组件和图像传感器。MEMS驱动机构构造为沿着光学路径移动至少一个可移动镜头，以将物体聚焦在图像传感器元件的图像传感器上，其中图像传感器放置在光学组件的焦平面上并耦合至印刷电路以承载电信号，该电信号包括图像传感器捕捉的数字图像。一对镜头驱动机构的控制垫构造为从印刷电路接收镜头驱动机构的控制信号。电容测量元件构造为确定MEMS驱动机构的电容值，作为处理器的输入，该处理器被相应编程以确定照相机模块、光学组件的一个或多个镜头、或者至少一个可移动镜头、或其组合的运动和位移，以及适应至少一个可移动镜头的位置和对准，以生成特定的焦距。
[0040]一种能够嵌入紧凑型自动对焦照相机模块的设备包括设备处理器和设备显示器，一个或多个通信信号接口，和根据这里描述的任何紧凑型自动对焦照相机模块，其中通信信号接口包括电话和/或有线和/或无线网络发送/接收元件。
[0041]提供另一种运行紧凑型MEMS驱动的自动对焦照相机模块的方法。利用含有至少一个可移动镜头的多个镜头，将物体成像在图像传感器上。MEMS元件驱动沿着光学路径移动至少一个可移动镜头，以将物体聚焦在图像传感器上，其中图像传感器放置在光学组件的焦平面上，并耦合至印刷电路。沿着印刷电路发送电信号，其中该电信号包括图像传感器捕捉的数字图像数据。从印刷电路接收镜头驱动机构的控制信号。确定MEMS驱动机构的电容值。基于MEMS驱动机构的电容值，确定照相机模块、光学组件的一个或多个光学器件、和/或至少一个可移动镜头的运动和位移，基于确定的运动和位移，适应至少一个可移动镜头的位置和对准，以生成特定焦距。
[0042]确定MEMS驱动机构的电容值包括一个或多个用于检测运行期间的振铃的奈奎斯特采样时间鉴别，基于电容感测的固定时间可编程地均衡电压驱动器，可编程地控制电流源以移动超过MEMS驱动机构电容测量的噪声水平的电容测量，和/或可编程地滑动窗口，其构造用于适应用于MEMS驱动机构的电容测量的MEMS元件的驱动。
[0043]这里以上或以下提出的实施例和/或并入作为参考的任意参考文献中提出的实施例可以组合形成另外的实施例。例如，任何下面的实施例中的一个或多个特征可以与上述实施例中任何一个组合。
[0044]根据某些实施例，提供一种紧凑型照相机模块，其包括图像传感器，其构造用于耦合至柔性印刷电路以为照相机模块供电并发送图像传感器捕获的图像，还包括与图像传感器对准的光学组件，其包括多个镜头。至少一个可移动镜头耦合至驱动机构，例如，MEMS驱动机构，以形成光学系统，该光学系统构造用于沿着光学路径自动调整至少一个可移动镜头的位置，以将放置在照相机模块自动对焦范围内的物体对焦在图像传感器上。紧凑型照相机模块包括EMI外壳，其构造为包含光学组件以及使照相机模块元件屏蔽电磁干扰(EMI)。EMI外壳其中限定了焦距调整的光圈，其大到足够允许光学组件的物体末端至少部分进入到自动对焦范围的一个末端。遮光罩具有限定的遮光光圈，其沿着光学路径与焦距调整的光圈部分重叠。遮光罩包括EMI屏蔽材料，其沿着光学路径的方向与焦距调整的光圈部分重叠，但是位于沿光学路径方向的自动对焦范围的外侧。
[0045]提供另一种自动对焦数码照相机模块，其包括外壳，外壳内的图像传感器和外壳内的光学组件，该光学组件与图像传感器对准，限定了一条光学路径，该光学组件包括含有至少可移动镜头的多个镜头，该可移动镜头親合至镜头驱动机构，该驱动机构构造用于沿着光学路径移动至少一个可移动镜头，以将放置在照相机模块的自动对焦范围内的物体对焦在图像传感器上。柔性印刷电路(FPC)包括耦合至图像传感器的传感器部分，用以为照相机模块供电并承载电信号，该电信号包括图像传感器捕捉的数字图像。FPC也包括与传感器部分隔开的延伸部分，其包括电触头垫，其构造用于电耦合至镜头驱动机构的触头垫，以在FPC围绕照相机模块从传感器末端折叠至物体末端时，承载镜头驱动机构的控制信号。
[0046]提供另一种紧凑型照相机模块，用于自动对焦数码照相机，其中该模块包括构造为包含成像光学器件和数字电子器件以及使电子元件屏蔽电磁干扰(EMI)的外壳，其中成像光学器件和数字电子器件用于捕获和发送图像。光学组件与图像传感器耦合并对准，并构造用于限定光学路径以将物体对焦在图像传感器上，其中图像传感器放置在光学组件的焦平面上。柔性印刷电路耦合至图像传感器以承载电信号，该电信号包括图像传感器捕捉的数字图像。遮光罩耦合至柔性印刷电路并在距离图像传感器预定距离处限定了遮光罩的空腔，使得将FPC折叠到外壳上时，遮光罩放置在光学组件的物体侧，并且遮光罩的空腔与光学路径重叠。
[0047]提供另一种紧凑型照相机模块，用于自动对焦数码照相机，其中该模块包括构造为包含成像光学器件和数字电子器件以及使电子元件屏蔽电磁干扰(EMI)的外壳，其中成像光学器件和数字电子器件用于捕获和发送图像。包含多个镜头的光学组件与图像传感器耦合并对准，并构造用于限定在外壳内的光学路径以将物体对焦在图像传感器上，其中图像传感器放置在光学组件的焦平面上。MEMS驱动机构耦合至光学组件的至少一个可移动镜头，该可移动镜头在由对准图像传感器元件和紧凑型光学模块形成的照相机模块的自动对焦范围内移动。柔性印刷电路耦合至图像传感器以承载电信号，该电信号包括图像传感器捕捉的数字图像。FPC包括延伸部分，其构造使得:一旦将FPC折叠到外壳上，放置在光学组件物体侧的一个或多个电触头垫就电耦合至FPC延伸部分的触头垫，其中MEMS驱动机构的控制信号从所述FPC延伸部分直接从FPC发送至MEMS镜头的驱动机构。
[0048]提供另一种自动对焦数码照相机模块，其包括具有用于封装照相机模块的外表面和内部框架的外壳、外壳内的图像传感器、以及光学组件，该光学组件耦合在外壳的内部框架内，并与图像传感器对准，从而限定了光学路径，该光学组件包括多个镜头。镜头驱动机构，例如，MEMS驱动机构，其构造用于沿着光学路径移动光学组件的至少一个可移动镜头，以将物体的图像对焦在图像传感器的活动平面上，其中该物体放置在照相机模块的自动对焦范围内。印刷电路，例如柔性、刚性、或刚性-柔性印刷电路或印刷电路板，耦合至图像传感器用以为照相机模块供电并承载电信号，该电信号包括图像传感器捕捉的数字图像。印刷电路也电親合至镜头驱动机构以承载镜头驱动机构的控制信号。在外壳的外表面设置电磁干扰(EMI)屏蔽膜。在外壳的内部框架的一个或多个表面上设置导电轨迹，以允许镜头驱动机构的控制信号从印刷电路的电触头垫运送到镜头驱动机构的触头垫。
[0049]提供另一种自动对焦数码照相机模块，其包括EMI屏蔽外壳，该外壳包括在外壳内形成内部框架的支架。包括多个镜头的光学组件与外壳内的图像传感器耦合并对准以限定光学路径。至少一个可移动镜头耦合至镜头驱动机构，例如MEMS驱动机构，其构造为沿着光学路径移动至少一个可移动镜头，以对焦放置在照相机模块的自动对焦范围内的物体的图像。印刷电路耦合至图像传感器，以给照相机模块供电并承载电信号，该电信号包括由图像传感器捕获的数字图像。沿着支架的一个或多个表面形成一个或两个导电轨迹，以将一个或多个印刷电路上的电触头垫，例如印刷电路上的一对电触头垫，电连接至镜头驱动机构的触头垫，用于允许在印刷电路的电触头垫和镜头驱动机构的触头垫之间传送镜头驱动机构的控制信号。
[0050]提供另一种紧凑型光学模块，其构造用于耦合至自动对焦数码照相机模块的图像传感器元件。紧凑型光学模块的光学组件包括含有至少一个可移动镜头的多个镜头，该光学组件还包括镜头驱动机构，其构造为沿着光学路径移动至少一个可移动镜头，以将物体对焦在图像传感器上，该图像传感器放置在光学组件的焦平面上并耦合至印刷电路以承载电信号，该电信号包括图像传感器捕获的数字图像。构造内部外壳作为框架以包含和对准光学组件和图像传感器，而外部外壳包含内部外壳和光学组件，并且构造为使光学组件和图像传感器屏蔽电磁干扰(EMI)和外部物理撞击。一个或多个撞击吸收海绵放置在外部外壳和内部外壳之间，构造为压缩以在三维空间吸收外部物理撞击。在外部外壳和内部外壳之间限定一个或多个具有测定体积的海面压缩空隙以允许在外部外壳朝向内部外壳的光学路径的方向上没有接触的情况下，可以相对移动。
[0051]提供另一紧凑型照相机模块，包括耦合至传感器模块