用于图像稳定的方法和系统的制作方法

专利名称：用于图像稳定的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明 一般涉及照相机，并且更特别地涉及在照相机的曝光时间 期间的图像稳定。
背景技术：
图像稳定的问题可以追溯到摄影术的开始，并且该问题涉及这样 的事实，即图像传感器需要足够的曝光时间来形成相当好的图像。 在曝光时间期间内的任何照相机的运动都将引起投射在图像传感器 上的图像的移动，导致形成的图像的品质下降。运动相关的品质下 降称为运动模糊。在照相时用一只或两只手握住照相机，几乎不可 能避免在相当长的曝光时间期间的不期望的照相机运动。当照相机 设置为高变焦比时，甚至小的运动就可显著地降低所获得的图像的 质量，这时特别容易发生运动模糊。
光学图像稳定通常涉及侧向移动投射在图像传感器上的图像以 补偿照相机的运动。图像移动可以通过下列四个通用技术之一来完
成
透镜移动-该光学图像稳定方法涉及在与光学系统的光轴基本 上垂直的方向上移动该光学系统的 一 个或多个透镜元件；
图像传感器移动-该光学图像稳定方法涉及在与光学系统的光 轴基本上垂直的方向上移动图像传感器；
液体棱镜-该方法涉及将密封在两个平行板之间的液体的层改 变为楔形以通过折射来改变系统的光轴。
照相机模块倾斜-该方法保持光学系统中的所有组件不改变，同 时倾斜整个模块以便相对于景物移动光轴。
在上述图像稳定技术的任意 一种中，需要致动器机构来实现光轴的改变或图像传感器的移动。致动器机构通常是复杂的，这意味着 它们价格昂贵且尺寸大。
本发明提供了用于在XY平面中移动一个或多个透镜元件或图像 传感器的新的方法和设备，其中致动器被配置得与上述方法不同。

发明内容
本发明使用光学图像稳定器来补偿例如照相机的成像系统的不 期望运动。使用两个分离的弯曲致动器在平面上以不同的方向移动 透镜元件或图像传感器，以便基于成像系统的运动来移动在图像传 感器上的投射的图像。该平面基本上垂直于成像系统的光轴，并且 每个弯曲致动器的纵轴基本上平行于该平面。在本发明的 一 个实施 例中，每个弯曲致动器的一端固定设置在图像系统上，并且另一端
用来移动透镜元件或图像传感器。在本发明的另一个实施例中，每 个弯曲致动器的两端都固定，同时允许中间部分运动，用以移动透 镜元件或图像传感器。
因此，本发明提供了 一种用于成像系统中的光学图像稳定的方法 和系统，该成像系统包括与光轴相关联地设置的多个成像组件，该 成像组件包括图像传感器和用于将图像投射到图像传感器上的至少 一个透镜元件，其中投射的图像可以相对于图像传感器在与光轴基
本上平行的方向上移动。该成像系统包括
第一弯曲致动器，可操作地连接到至少一个成像组件，用于在第 一方向上移动该成像组件，该第 一弯曲致动器具有限定第 一致动器 轴的长度；
第二弯曲致动器，可操作地连接所述至少一个成像组件，用于在 第二方向上移动该成像组件，该第二弯曲致动器具有限定第二致动 器轴的长度，其中该图像平面和第 一和第二致动器轴中的每个形成 小于45度的角度；
驱动系统，用于响应于成像系统的运动，引起第一致动器的至少 一部分在不同于第一致动器轴的方向上运动，以便在基本上垂直于光轴的平面中移动所述至少 一个成像组件，以及引起第二致动器的 至少一部分在不同于第二致动器轴的方向上运动，以便在基本上垂 直于光轴的平面中移动所述至少 一个成像组件。成像组件可以是透 镜组件或图像传感器。
每个弯曲致动器可以以多种方式安装在成像系统上。致动器可以 在其一端上固定安装，以便允许另一端弯曲。致动器可以在两端上 固定安装，以便允许中间部分运动。可选地，致动器可以在中间部 分上固定安装，以便可以使用 一端或两端来移动成像组件。
在结合附图3到16阅读了本说明书之后，将使本发明变得明显。


图1示出了成像系统的光轴与XY-平面之间的关系； 图2示出了平行于Y轴设置的轴上致动器； 图3示出了弯曲或离轴致动器；
图4a示出了根据本发明的用于沿X轴移动载体的弯曲致动器； 图4b示出了根据本发明的用于沿Y轴移动载体的弯曲致动器； 图5根据本发明一个实施例的成像系统的示意性表示； 图6示出了具有用于在成像系统中移动透镜元件的两个弯曲致 动器的载体；
图7a到图7c示出了被向左上、中间和右下方位置移动的载体； 图8示出了根据本发明另一实施例的成像系统的示意性表示； 图9示出了具有用于安装图像传感器的另一载体； 图10a和10b示出了具有不同安装布置的载体； 图11示出了不同的弯曲致动器；
图12示出了根据本发明的不同实施例的具有两个弯曲致动器的 透镜载体；
图13示出了根据本发明的不同透镜载体设计；
图14示出了用于驱动弯曲致动器的典型的驱动系统；
图15示出了关于成像系统的光轴的弯曲制动器放置的变型；图16示出了典型的图像稳定器系统。
具体实施例方式
在具有图像传感器和将图像投射到图像传感器上的透镜的成像 系统中，本发明使用一个或多个弯曲致动器为图像稳定的目的而移 动投射在图像传感器上的图像。致动器可以用于在一个或多个基本 上平行于图像平面的方向上移动透镜或图像传感器或其两者。致动 器与承载待移动的成像组件的载体机械地啮合。
当轴上致动器激活时，致动器在缩短或延长致动器的厚度或长度 的方向上收缩或延伸。例如，如果致动器为沿其长度具有纵轴的压 电材料的长条，则当激活时，致动器的位移是沿纵轴的，如图2所 示。如图3所示在弯曲致动器中，致动器的位移不是沿其长度或纵 轴的。相反，该位移为离轴的并且约等于长度乘以弯曲角度。
当使用弯曲致动器在照相机中移动透镜元件或图像传感器时，弯 曲致动器可以设置为使得致动器的纵轴垂直于成像系统中成像组件 的移动方向，但基本并行于成像组件移动所在的平面。图4a和图4b 示出了使用弯曲致动器在X方向和Y方向上移动载体的原理，其中 光轴平行于Z轴。
根据本发明的 一个实施例，透镜固定安装在将由 一对弯曲致动器 移动的载体上，如图5和图6所示。如图所示，根据本发明的成像 系统1包括设备主体10,用于沿成像系统的光轴安装图像传感器80 以及用于将图像投射到该图像传感器上的透镜60。透镜60固定安装 在载体30上。该载体可以由第一弯曲致动器42在X方向上移动并 且由第二弯曲致动器52在Y方向上移动。第一弯曲致动器42安装 在透镜板2 0的外部支撑框架40上，以及第二弯曲致动器52安装在 内部支撑框架50上。如图6所示，内部支撑框架50具有一对支架 46，以及每对支架安装在导销44上，以便允许内部支撑框架通过滑 动而沿着X方向移动。类似地，载体30具有两对支架56,以及每对 支架安装在导销54上，以便允许载体30通过滑动而沿着Y方向移动。如图所示，第一弯曲致动器42的一端固定安装在外部支撑框架
40上，以及在激活时，允许另一端侧向移动。第一弯曲致动器42 的可移动端由弹簧48来促动，以便向内移动。当第一弯曲致动器42 侧向移动时，其在X方向上推动内部支撑框架50。同样，第二弯曲 致动器52的一端固定安装在内部支撑框架50上，以及在激活时， 允许另一端侧向移动。第二弯曲致动器52的可移动端由弹簧58来 促动，以便向内移动。当第二弯曲致动器52侧向移动时，其在Y方 向上推动载体30。
在图7a到图7c中描述了透镜60在各个方向上的移动。图7a 示出了被移动至透镜板20的左上角的透镜60。图7b示出了位于中 间位置的透镜60，以及图7C示出了被移动至透镜板20的右下角的 透镜60。
在图6中示出的致动器的布置还可以用于移动图像传感器80。 如图8和图9所示，根据本发明的另一实施例，成像系统l包括用. 于安装图像传感器80的传感器板22。图像传感器80及其电路板82 固定安装在载体32上。载体32可以通过第一弯曲致动器42在X方 向上移动，以及通过第二弯曲致动器52在Y方向上移动。传感器" 的机械结构基本与透镜板20的机械结构相同。因此当第一弯曲致动 器42侧向移动时，其在X方向上推动内部支撑框架50连同图像传 感器80。当第二弯曲致动器52侧向移动时，其在Y方向上推动载体 32连同图像传感器80。
可以将透镜板和载体板构造得不同。如图10a和图10b所示，透 镜板28被构造成具有例如在外部框架72内堆叠的两层。图10a示 出了框架72的一侧。如图所示，第一弯曲致动器42和弹簧48安装 在外部框架72上，而第二弯曲致动器52和弹簧58安装在内部框架 74上。透镜60固定安装在透镜载体30上。图10b示出了外部框架 72的另一侧。如图所示，外部框架72具有第一导销44和第二导销 45，用于经由一对支架46和单个支架47来可移动地安装内部框架 74。类似地，内部框架74具有第一导销54和第二导销55，用于移动地安装透镜载体30。这样的构造可以降低成像系统的覆盖区
(footprint )。
此外，弯曲致动器可以在不同的设置中使用。如图11所示，致 动器的两端都固定安装到成像系统的静止部分。当致动器激活时， 致动器的中间部分经历弯曲运动以移动载体。例如，致动器33的两 端固定安装到外部框架40,并且另一个致动器36的两个端固定安装 到内部框架50,如图12所示。当致动器33激活时，其能够在X方 向上移动内部框架50连同透镜60。同样，当致动器36激活时，其 能够为图像稳定的目的而在Y方向上移动透镜载体30连同透镜60。 在如图12所示的透镜板20上，使用弹簧34来促动致动器33沿着X 方向向内运动，以及使用弹簧37来促动致动器36沿着Y方向向内 运动。在不同的实施例中，固定安装在各端之间的一个或多个部分， 以便允许两端都弯曲并使用 一端或者两端来移动透镜板或者载体。
另外，可以如图13所示将该透镜载体设计得不同。如图13所示， 透镜载体150包括校正框架158，用于经由支架153安装用于X方向 运动的致动器152,以及用于经由支架156安装用于Y方向运动的另 一致动器155。 U型钩157固定地连接到支架156，并且另一个U型 钩154固定地连接到支架153，以便移动透镜元件51。透镜元件51 的位置基本上由每个钩154、 157的平行部分来确定。例如，当致动 器155响应于激活在Y方向上运动时，透镜元件由U型钩157引导 以沿Y方向运动。
应当注意，根据本发明的弯曲致动器可以是压电单晶致动器、压 电双晶致动器、压电多层致动器、离子传导聚合物致动器等。此外， 在本领域中已知致动器需要用于激活致动器的驱动系统。图14是典 型的驱动系统。如图所示，致动器的一端可操作地连接到驱动电子 模块，该驱动电子模块连接到照相机运动传感器/信号处理器，使得 致动器响应于照相^L的运动而移动成^(象组件。优选地，当弯曲致动 器仅仅一端固定安装在载体或者框架上时，如图6、图10a和图10b 所示，该固定端可操作地连接到该驱动电子模块。但是，当弯曲致
13动器的两端都固定安装到载体或者框架上时，如图12所示，弯曲致 动器的任一端都可以连接到该驱动电子模块。
此外，当为图像稳定的目的而移动一个或多个成像组件时，还需
要其他组件。例如，用于成像系统的图像稳定器还包括运动检测 器，以确定待补偿的运动；至少一个位置传感器，以确定成像组件 的当前位置；信号处理器，以基于组件的位置和照相机运动来计算 用于补偿照相机的运动的不同方向上的移动量；以及致动器控制， 以激活致动器以便将图像组件移动一期望的量。图16示出了这样的 图像稳定器的框图。运动检测器可以包括例如陀螺仪、加速度计或 其他已知的运动检测器。
成像系统的透镜可以包括两个或者更多透镜元件，并且致动器可 以用于移动一个或多个透镜元件。
应当注意，在图6、图9和图10b，弯曲致动器被描述为放置在 与XY平面基本上平行的载体中。但是，也可以不同地放置弯曲致动 器。如图15所示，弯曲致动器42偏离XY平面放置，固定端与载体 间隔开。在实践中，致动器42和XY平面之间的偏离平面角度不应 当大于45度。
本领域技术人员应当理解，图6中描述的透镜板20、图9中描 述的载体板22以及图10a中描述的透镜板28仅用于说明的目的。 在其中使用两个弯曲致动器来移动例如透镜元件和图像传感器的成 像组件的本发明还可以利用不同的板设计或配置来实现。此外，透 镜板20、 28以及载体板22中任一个均可以为光学图像稳定的目的 而用于移动其他成像组件。例如，可以使用这些板其中之一在X方 向和Y方向上分别移动两个光学楔形或薄棱镜。
因此，尽管已经针对本发明的 一 个或者多个实施例对其进行了描 述，但是本领域4支术人员应当知道前述和其在形式以及细节上的各 种其它变化、省略以及偏移均可在不脱离本发明范围的情况下做出。
权利要求
1.一种成像系统，包括与光轴相关联地设置的成像组件，该成像组件包括设置在图像平面中的图像传感器和用于将图像投射到该图像传感器上的至少一个透镜元件，其中该投射的图像响应于该成像系统的运动相对于图像平面在与该光轴基本上垂直的方向上可移动，所述成像系统的特征在于弯曲致动器，可操作地连接到至少一个该成像组件，该弯曲致动器具有限定致动器轴的长度；以及驱动系统，用于响应于该成像系统的运动，引起致动器的至少一部分在不同于致动器轴的方向上运动，以便在基本上垂直于光轴的平面中移动所述至少一个成像组件。
2. 根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述至少一 个成像组件的移动是在该平面中的第一方向上，所述成像系统进一 步的特征在于另外的弯曲致动器，可操作地连接到所述至少一个成像组件，该 另外的弯曲致动器具有限定另外的致动器轴的长度，其中该另外的 弯曲致动器可操作地连接到该驱动系统，以引起该另外的致动器可 以在不同于该另外的致动器轴的另外的方向上运动，以便在该平面. 中在不同于该第一方向的第二方向上移动所述至少一个成像组件。
3. 根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述一个成 像组件包括透镜。
4. 根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述一个成 像组件包括图像传感器。
5. 根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述致动器 具有限定长度的第一端和相对的第二端，并且该第一端相对于光轴 固定安装在该成像系统上以及该第二端可操作地连接到所述至少一 个成像组件，使得该致动器的第二端在不同于致动器轴的方向上可 运动。
6. 根据权利要求5所述的成像系统，其特征在于，该致动器的第二端与该平面间隔开。
7. 根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，该致动器轴 基本上垂直于该光轴。
8. 根据权利要求2所述的成像系统，其特征在于，该另外的致 动器轴基本上垂直于该光轴。
9. 根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述致动器 具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分， 并且该第一和第二端两者都相对于光轴固定安装在该成像系统上以 及该中间部分可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该致动 器的中间部分在不同于致动器轴的方向上可运动。
10. 根据权利要求9所述的成像系统，其特征在于，所述至少一 个成像组件包括透镜。
11. 根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，所述致动器 具有第 一端、相对的第二端和在该第 一和第二端之间的中间部分， 并且该中间部分相对于光轴固定安装在该成像系统上以及该第 一和 第二端两者可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该致动器 的第一和第二端两者在不同于致动器轴的方向上可运动。
12. 根据权利要求2的成像系统，其特征还在于， 运动传感模块，用于检测该成像系统的运动。
13. 根据权利要求12所述的成像系统，其特征在于，该运动传 感模块包括一个或多个陀螺仪传感器。
14. 根据权利要求12所述的成像系统，其特征在于，该运动传 感模块包括一个或多个加速度计。
15. 根据权利要求12的成像系统，其特征还在于， 至少一个位置传感模块，用于确定待由该弯曲致动器移动的成像组件的当前位置。
16. 根据权利要求15的成像系统，其特征还在于，处理器，可操作地连接到该运动传感模块和该位置传感模块，用于确定投射图像的移动量，以便补偿该成像系统的运动，所述处理 器还连接到该驱动系统以引起致动器和另外的致动器运动。
17. 根据权利要求1所述的成像系统，其特征在于，该致动器轴和图像平面形成小于45度的角度。
18. —种在成像系统中使用的移动方法，该成像系统包括与光轴 相关联地设置的成像组件，该成像组件包括至少 一个图像传感器和 用于将图像投射到该图像传感器上的透镜元件，其中该投射的图像 在与该光轴基本上垂直的方向上在图像平面中可移动，所述方法的 特征在于，将至少 一个成像组件可操作地连接到弯曲致动器，该弯曲致动器 具有限定致动器轴的长度；以及使得致动器的至少 一部分在不同于致动器轴的方向上运动，以便 在基本上垂直于光轴的平面中移动所述至少一个成像组件。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一个 成像组件的移动是在该平面中的第一方向上，所述方法进一步的特 征在于，将所述至少 一个成像组件可操作地连接到另外的弯曲致动器，该 另外的弯曲致动器具有限定另外的致动器轴的长度；以及使得该另外的致动器的至少一部分在不同于该另外的致动器轴 的另外的方向上运动，以便在基本上在该平面中在不同于该第一方 向的第二方向上移动所述至少 一个成像组件。
20. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述一个成像 组件包括透镜。
21. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述一个成像 组件包括图像传感器。
22. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述致动器具 有限定长度的第一端和相对的第二端，所述方法的进一步特征在于，将该第一端相对于光轴固定安装在该成像系统上以及将该第二 端可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该致动器的第二端在不同于该致动器轴的方向上可运动。
23. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述致动器具 有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，所 述方法的进一 步特征在于，将该第一和第二端两者相对于光轴固定安装在该成像系统上以 及将该中间部分可操作地连接到所述至少 一 个成像组件，使得该致 动器的中间部分在不同于该致动器轴的方向上可运动。
24. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述致动器具 有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，所 述方法的进一 步特征在于，将该中间部分相对于光轴固定安装在该成像系统上以及将该第 一和第二端两者可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该致动器的第一和第二端两者在不同于该致动器轴的方向上可运动。
25. —种用于成像系统的图像稳定器模块，该成像系统包括与光 轴相关联地设置的多个成像组件，该成像组件包括图像传感器和用 于将图像投射到该图像传感器上的至少一个透镜元件，其中该投射 的图像响应于该成像系统的运动相对于图像传感器在与该光轴基本 上垂直的方向上可移动，所述图像稳定器模块的特征在于，第一弯曲致动器，可操作地连接到至少一个成像组件，该第一弯 曲致动器具有限定第一致动器轴的长度，其中该第一致动器的至少 一部分的尺寸被确定以在不同于该第一致动器轴的方向上运动，以 便基于成像系统的运动，在该平面中的第一方向上移动所述至少一 个成像组件，以及第二弯曲致动器，可操作地连接到所述至少一个成像组件，该第 二弯曲致动器具有限定第二致动器轴的长度，其中该第二致动器的 至少一部的尺寸被确定以在不同于该第二致动器轴的方向上运动， 以便基于成像系统的运动，在该平面中的第二方向上移动所述至少 一个成像组件。
26. 根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征在于，所述一个成像组件包括透镜。
27. 根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征在于，所 述一个成像组件包括图像传感器。
28. 根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征还在于， 所述第一致动器具有限定所述第一致动器的长度的第一端和相对的第二端，其中该第 一端相对于光轴固定安装在该成像系统上以 及该第二端可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该第 一致 动器的第二端在不同于该第一致动器轴的方向上可运动，以及所述第二致动器具有限定所述第二致动器的长度的第一端和相 对的第二端，其中该第一端相对于光轴固定安装在该成像系统上以 及该第二端可操作地连接到所述至少一个成像组件，使得该第二致 动器的第二端在不同于该第二致动器轴的方向上可运动。
29. 根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征在于，该 第一致动器轴基本上垂直于该光轴，以及该第二致动器轴基本上垂 直于该光轴。
30. 根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征还在于， 所述第一致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，其中该第 一 和第二端两者相对于光轴固定安装在该成像系统上以及该中间部分可操作地连接到所述至少 一 个成像组件，使得该第 一致动器的中间部分在不同于该第 一致动器轴的方向上可运动，以及所述第二致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，其中该第 一和第二端两者相对于光轴固定安装在 该成像系统上以及该中间部分可操作地连接到所述至少 一 个成像组 件，使得该第二致动器的中间部分在不同于该第二致动器轴的方向 上可运动。
31. 根据权利要求25所述的图像稳定器模块，其特征还在于， 所述第一致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端之间的中间部分，其中该中间部分相对于光轴固定安装在该成像系统上以及该第 一 和第二端两者可操作地连接到所述至少 一 个成像组 件，使得该第一致动器的第一和第二端两者在不同于该第一致动器 轴的方向上可运动，以及所述第二致动器具有第一端、相对的第二端和在该第一和第二端 之间的中间部分，其中该中间部分相对于光轴固定安装在该成像系 统上以及该第一和第二端两者可操作地连接到所述至少一个成像组 件，使得该第二致动器的第 一和第二端两者在不同于该第二致动器 轴的方向上可运动。
全文摘要
一种在照相机中使用的光学图像稳定器，用于补偿照相机的不期望的运动，其中使用两个弯曲致动器在平面上以不同的方向移动透镜元件或图像传感器，以便响应于不期望的照相机运动而移动图像传感器上的投射图像。该平面基本上垂直于照相机的光轴，并且每个弯曲致动器的纵轴基本上平行于光轴。致动器可以一端固定安装，以允许其另一端弯曲。致动器可以两端固定安装，以便允许中间部分弯曲。可选地，中间部分固定安装并且两端可用于移动成像组件。
文档编号G02B27/64GK101317118SQ200680044732
公开日2008年12月3日 申请日期2006年1月27日 优先权日2005年11月30日
发明者J·鲁维南, P·科阿南 申请人:诺基亚公司