使用具有防锁特征的旋转致动器的缩放模块、均匀力分布以及震动损害预防方法

摘要

一种光学模块，包括第一光学器件组(400)、第二光学器件组(500)以及图像传感器(14)，其中，第一光学器件组和第二光学器件组配置成将具有聚焦和放大倍率的图像提供给图像传感器。在本发明的一些实施例中，第一光学器件组件包括第一光学器件组、第一致动器和第一感应目标；该第一光学器件组联接到第一导螺杆(200，300)的螺纹部分上，使得第一导螺杆的平移导致第一光学器件组沿第一导螺杆的轴线平移；该第一致动器用来使该第一导螺杆旋转；该第一感应目标配置成允许对第一导螺杆的旋转进行检测。在本发明的一些实施例中，第二光学器件组件包括第二光学器件组、第二致动器和第二感应设备；该第二光学器件组联接到第二导螺杆的螺纹部分上，使得第二导螺杆的平移导致第二光学器件组沿第二导螺杆的轴线平移；该第二致动器用来使第二导螺杆旋转；该第二感应设备配置成允许对第二导螺杆的旋转进行检测。

说明书

相关申请

根据美国专利法典第35条第119(e)款，本专利申请要求2006年8月8日提交的申请号为60/836,616、标题为“Miniaturized zoom modulewith rotational piezo actuator with anti-lock feature，even forcedistribution，shock damage prevention and a novel position sensingmethods”的共同未决的美国临时专利申请的优先权，其通过引用结合于本文中。

另外，本专利申请是申请号为11/514,811、申请日为2006年9月1日、标题为“Auto-focus and zoom module”的共同未决的美国专利申请的部分继续申请，根据美国专利法典第35条第119(e)款，该专利申请要求2005年9月8日提交的申请号为60/715,533、题目为“3xzoom mini module”的共同未决的美国临时专利申请的优先权，两个申请通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明涉及照相机光学装置，包括视频光学装置。更特别地，本发明涉及自动聚焦和缩放模块。

背景技术

近来，在数码相机技术中已有许多发展。一个这样的发展是光机部件进一步微型化至毫米和次毫米的尺寸。相机的移动部件的尺寸减少允许现代数字相机和光学技术实施成为更广范围的装置。这些装置也正被设计和构造成越来越小的形状因子的实施例。例如，包括小型数字相机的典型的个人电子装置(例如便携式电话、个人数字助理(PDAs)以及手表和/或怀表)在商业上是可得到的。而且，更大形状因子的装置也装有附加部件。例如，典型的视频便携式摄像机通常将用于“静态”照片的全数字相机随同用于运动视频录制的机构和电路一起作为便携式摄像机装置的组成部分。

然而，现代相机典型地受到多种约束。这些约束中的一些约束包括成本、大小、特征以及复杂性。例如大小的减少典型地导致成本增加、特征减少和/或复杂度增加。

发明内容

光学模块包括第一光学器件组、第二光学器件组以及图像传感器。第一光学器件组和第二光学器件组配置成将具有聚焦和放大倍率的图像提供给图像传感器。

在本发明的某些实施例中，光学模块包括第一光学器件组，该第一光学器件组联接到第一导螺杆的螺纹部分。第一导螺杆的平移导致第一光学器件组沿第一导螺杆的轴线平移。第一致动器使第一导螺杆旋转。第一感应目标配置成允许对第一导螺杆的旋转进行检测。光学模块还包括第二光学器件组，该第二光学器件组联接到第二导螺杆的螺纹部分。第二导螺杆的平移导致第二光学器件组沿第二导螺杆的轴线平移。第二致动器使第二导螺杆旋转。第二感应装置配置成检测第二导螺杆的运动。

在某些实施例中包含外壳以容纳第一光学器件组件、第二光学器件组件和图像传感器。第一光学器件组和第二光学器件组配置成将具有聚焦和放大倍率的图像提供给图像传感器。在一些实施例中，第一致动器和/或第二致动器配置在致动器模块内。优选地，大体上平行于第一导螺杆和第二导螺杆的轴线平行于第一导向销。

优选地，致动器模块包括振动致动器，该振动致动器为以驻波图案振荡以驱动置于其内的螺纹轴旋转从而平移该螺纹轴的类型。该致动器具有优选的驻波图案。该模块还包括致动器外壳和柔性联接结构，在该外壳内具有致动器保留区域。该柔性联接结构在优选的驻波图案的节点处联接到振动致动器上，并且还联接到致动器外壳上。该模块与导螺杆联接，该导螺杆包括螺纹部分、第一末端和第二末端。具体地，螺纹部分联接到振动致动器上。

在一些实施例中，致动器保留区域为五面的腔室，且在一面上具有开口。该开口大小设置成适合容纳振动致动器的平行六面体，使得振动致动器的表面与开口平行。

优选地，第一感应目标配置成允许对第一光学器件组沿第一导螺杆的平移进行测量，并且第二感应目标配置成允许对第二光学器件组沿第二导螺杆的平移进行测量。最优选地，第一感应目标允许在至少10mm的范围上以70微米或更小的分辨率进行测量，而第二感应目标允许在至少2mm的范围上以小于10微米的分辨率进行测量。

第一光学器件组件可包括第一导螺杆，该第一导螺杆包括具有第一外螺纹直径的螺纹部分、第一末端和第二末端。第一光学器件组联接到第一导螺杆的第一末端上，使得第一导螺杆的平移导致第一光学器件组沿第一导螺杆的轴线平移。第一振动致动器使第一导螺杆平移，该第一导螺杆通过到外壳的柔性联结器约束在节点处。第一感应装置配置成检测第一导螺杆的旋转。

第二光学器件组件可包括第二导螺杆，该第二导螺杆具有螺纹部分、第一末端和第二末端。第二光学器件组联接到第二导螺杆上，使得第二导螺杆的平移导致第二光学器件组沿第二导螺杆的轴线平移。第二振动致动器使第二导螺杆平移，该第二导螺杆通过到外壳的柔性联结器约束在节点处。第二感应装置配置成检测第二导螺杆的旋转。

本发明的一些实施例涉及自动聚焦和缩放模块，该模块包括振动致动器，该振动致动器为以驻波图案振荡以驱动置于其内的螺纹轴旋转从而平移该螺纹轴的类型。该振动致动器联接到导螺杆的螺纹部分上，并通过与外壳的柔性联结器约束在其优选驻波图案的节点处。该振动致动器和导螺杆配置成光学器件组件的一部分，该光学器件组件也包括联接到导螺杆上的光学器件组。导螺杆和光学器件组之间的联接意味着导螺杆的平移导致光学器件组的平移。该组件还包括配置成检测导螺杆的旋转的感应装置。另外，该模块包括图像传感器。该光学器件组配置成将具有聚焦和放大倍率的图像提供给图像传感器。组件的导螺杆除螺纹部分外还具有第一末端和第二末端。

在本发明的一些实施例中，自动聚焦和缩放模块包括第一导向销、第二导向销、第一光学器件组件、第二光学器件组件以及图像传感器，其中，第一光学器件组和第二光学器件组配置成将具有聚焦和放大倍率的图像提供给图像传感器。

在另一个方面，在沿轴线通过正交于轴线的螺纹驱动的主体上实现硬挡块。该方法包括：将特征联接到主体上以形成具有相对于轴线非对称区域的组件。使用致动器由螺纹驱动该主体。可移动元件联接到相对于致动器固定的点上。可移动元件具有构造成与非对称区域紧密配合的闭锁特征。可移动元件置于适当位置，使得闭锁特征与非对称区域紧密配合并防止主体旋转。

在一些实施例中，通过驱动抵靠可移动元件的主体而移动可移动元件部分地执行布置可移动部件的步骤。在一些实施例中，联接到主体的特征为凸轮。

附图说明

本发明的新颖特征在所附权利要求中得到阐明。然而，为了说明的目的，本发明的几个实施例在下列图形中得到阐明。

图1是根据本发明一些实施例的自动聚焦和缩放模块的等距视图；

图2是根据本发明一些实施例的自动聚焦和缩放模块的等距视图；

图3是根据本发明一些实施例的自动聚焦和缩放模块的内部零件处于末端停止位置的等距视图；

图4是根据本发明一些实施例的自动聚焦和缩放模块的内部零件处于末端停止位置的备选等距视图；

图5A是根据本发明一些实施例的自动聚焦和缩放模块的内部零件处于中间位置的等距视图；

图5B是根据本发明一些实施例的自动聚焦和缩放模块的内部弹簧元件处于中间位置的俯视图；

图6A是根据本发明一些实施例的自动聚焦和缩放模块的内部弹簧元件处于中间位置的备选俯视图；

图6B是根据本发明一些实施例的自动聚焦和缩放模块的内部弹簧元件处于中间位置的等距视图；

图7A是根据本发明一些实施例的自动聚焦和缩放模块的内部弹簧元件处于远距位置的俯视图；

图7B是根据本发明一些实施例的自动聚焦和缩放模块的内部弹簧元件处于远距位置的等距视图；

图8A图示了根据本发明一些实施例的处于末端停止位置的自动聚焦和缩放模块；

图8B图示了根据本发明一些实施例的处于中间位置的自动聚焦和缩放模块；

图8C图示了根据本发明一些实施例的处于远距位置的自动聚焦和缩放模块；

图9是根据本发明一些实施例的沿自动聚焦和缩放模块的光学轴线的俯视图；

图10A是根据本发明一些实施例的致动器组件的俯视图；

图10B是根据本发明一些实施例的致动器组件的等距视图；

图10C是根据本发明一些实施例的致动器组件的等距视图；

图11A是根据本发明一些实施例的旋转传感器的图示；

图11B是根据本发明一些实施例的在检测期间发生的光束传播的图示；

图11C是根据本发明一些实施例的在检测期间发生的光束传播的图示；

图12A是根据本发明一些实施例的用于将来自辐射发射器的辐射反射至检测器的直接成像方案的示意图；

图12B是根据本发明一些实施例的用于校准来自检测器的辐射的基于透镜的成像方案的示意图；

图12C是根据本发明一些实施例的用于防止“溢波(bleed over)”基于小孔的成像方案的示意图；

图13A是根据本发明一些实施例的用于位置感应的组件的分解等距视图；

图13B是根据本发明一些实施例的用于位置感应的组件的分解等距视图；

图14A是根据本发明一些实施例的光学模块的位置感应部分的详图；

图14B是根据本发明一些实施例的光学模块的位置感应部分的详图；

图15是符合本发明一些实施例的感应目标和传感器之间的界面的活动面积的详细示意图；

图16是符合本发明一些实施例的感应目标所产生的信号图示；

图17是图示检测位置的方法的流程图，该方法符合本发明的一些实施例。

具体实施方式

在下列描述中，出于说明的目的，阐述了许多细节和备选方案。然而，本领域技术人员将意识到，本发明可在不使用这些具体细节的情况下实施。在其它实施例中，以简图的形式示出众所周知的结构和装置，以便不用不必要的细节而使本发明的描述变得模糊不清。

图1和图2图示了根据本发明的一些实施例的自动聚焦和缩放模块1000。该模块1000示出为去除了外部电磁干扰(EMI)护罩。

如图所示，模块建立在图像传感器板10之上。该模块1000包括置于图像传感器板10的第一侧上的加强肋1，和置于加强肋1对面的主结构20。优选地，加强肋1和主结构20彼此联接且与图像传感器板10联接。

主结构20包括底部导向部分22。该底部引导部分22包括构造成保持导向销601和导向销602的特征。末端导向板2布置在底部引导部分22的对面。孔2a和孔2b分别接触并保持导向销601和导向销602。底部引导部分22还包括构造成允许放射(例如可见光)经由模块的透镜结构(在下面讨论)通过到达图像传感器板10的图像传感器(在下面讨论)的空隙区域(未示出)。另外，底部引导部分22包括通道(pass-thru)25，该通道25构造成允许图像传感器板的延伸部11从中通过。

置于底部引导部分22和末端导向板2之间的是模块1000的主体20的其余部分和其它部件。主体20还包括上结构24和下结构26。下结构26和上结构24都包括构造成与模块1000的工作部件紧密配合或允许其通过的专门特征。因而，主体20为模块1000的运转提供了结构框架和功能支持。

例如，下结构26包括枢轴轮毂32，该枢轴轮毂32构造成充当低变化预载杠杆组件(在下面讨论)的支点。另外，下结构26包括通道27，该通道构造成允许杠杆组件的运动通过预期的范围。同样地，上结构24包括构造成允许将在下文讨论的在主PCB和传感器901之间的联接的通道。

模块1000的各种部件联接到主体20上。这些部件中的一些相对于主体20是固定的。除了导向销601和导向销602之外，致动器外壳1020和1030在非移动位置处联接到主体20上。因此，致动器外壳1020和1030相对于导向销601和导向销602处于固定位置。

图3和图4示出了模块1000的内部部件。主体20(在图1和图2中示出)未示出。如这些图形所示，模块1000包括前光学器件组400、后光学器件组500和图像传感器14。前光学器件组400和后光学器件组500典型地包括一个或多个光学元件例如透镜组。本领域技术人员将意识到用于光学器件组400和500的复杂的和简单的镜头装置。

棱镜40可选择地附连到主体20和末端导向板2上(在图2中示出)。模块1000优选地还包括壳和盖机构，以及如上所述的电磁干扰(EMI)罩。盖机构优选地防止漏光和灰尘污染影响模块的内部部件，尤其是透镜组400和500和图像传感器14。在一些实施例中，单一的外壳起EMI罩和盖机构两者的作用。红外线(IR)过滤器和/或低通滤波器可选地附连到图像传感器板10上。

图3和图4图示了模块1000的进一步细节。如上所述，致动器外壳1020和1030联接到主体20上。此联接，连同主体20和末端导向板2之间的联接以及导向销601和602一起使部件相对于彼此定位并固定，并且相对于图像传感器14的目标区域12定位并固定，从而为自动调焦和伸缩模块提供底盘，该自动调焦和伸缩模块能为目标区域12提供具有放大和缩放的图像。

图像传感器

如图所示，图像传感器14大体上是平的。图像传感器的平面优选地垂直于导向销601和导向销701的轴线。典型地，模块1000配置成沿平行于这些轴线的图像矢量给图像传感器14提供图像。

导向销

图3和图4图示了根据本发明的用于自动聚焦和缩放模块的导向销装置。一些实施例包括一对导向销，而其它实施例使用不同数量的导向销。不管它们的数量如何，导向销601和602典型地沿模块1000的线性轴线安装以允许后圆筒530和前圆筒430相对于图像传感器14移动。在模块1000中，主导向销601和次导向销602对齐，使得它们的轴线大体上彼此平行。此外，导螺杆组件200和300也排列成以便它们的轴线大体上彼此平行，并平行于导向销601和602。

典型地，导向销601和602联接到以上概要描述的主体20和末端导向板2上。优选地，导向销联接在图像传感器14的图像矢量的相对侧上。然而，本领域技术人员应当意识到其它配置是可能的。导螺杆装置200和300典型地彼此平行布置，沿图像传感器14的边缘且与它的光轴线平行。

在一些实施例中，由导向销601和602提供给后圆筒530的运动范围大约是7毫米。在一些实施例中，导向销601和602提供给前圆筒430的运动范围大约是2毫米。然而，由于该运动范围，一些实施例的导向销601和602常常影响模块1000的形状因子。因此，一些实施例还包括用于修改和/或隐藏模块1000的形状因子的装置。

棱镜部件

例如，一些实施例还包括棱镜部件，例如图2的40。该特征允许自动聚焦和缩放模块沿多个定向放置和/或安装。例如，沿图像矢量的初始方向可供特定实施方式使用的尺寸常常受到限制，使得模块优选地在外壳的垂直平面内纵向放置。该定向允许前圆筒和后圆筒沿如上所述的导向销的运动范围在具有小宽度和/或深度形状因子的装置中实现。例如，在移动电话实施方式中，此处用户想以显示器作为取景器，将照相机瞄准期望的图像，出于可用性目的，图像矢量有利地于垂直于显示器。然而，垂直于显示器的装置尺寸常常是移动电话的最薄尺寸。

参考图2和3，一些实施例的棱镜部件40安装在前圆筒430附近。棱镜40以相对于前圆筒430的角度使来自图像的光线改变方向。如上所述，前圆筒430典型地容纳有前透镜组。前透镜组包含一个或多个前光学元件。因此，棱镜100允许模块1000沿装置内的不同定向放置，该模块典型地相对于被浏览和/或拍照的对象成一定角度保持。

透镜系统

如图3、图4和图5A所示，后光学器件组500和前光学器件组400具有优选的结构。后光学器件组500还包括后圆筒530、后导向轴套510和后导向槽520。后圆筒530典型地容纳一个或多个透镜或其它光学元件。如图所示，后圆筒530容纳后透镜540。后圆筒530优选地为具有中心轴线的大体上圆柱体。后透镜540配置成沿后圆筒530的中心轴线引导光线。后导向轴套510为联接到后圆筒530上的细长的、大体上圆柱体，使得后圆筒530的中心轴线和后导向轴套510的轴线大体上平行。后导向槽520为配置成与圆柱体接合的槽沟部件。

前光学器件组400还包括前圆筒430、前导向轴套410和前导向槽420。前圆筒典型地容纳前透镜组440。前圆筒430是具有中心轴线的大体上圆柱体。前透镜组440可配置成沿前圆筒430的中心轴线引导光线。前导向轴套410(图6B)是联接到前圆筒430上的细长的、大体上圆柱体，使得前圆筒430的中心轴线与前导向轴套410的轴线平行。前导向槽420为配置成与圆柱体接合的槽沟部件。

透镜-导向销接口

现在参考图6B，前光学器件组400包括前导向轴套410，该前导向轴套410与主导向销601联接。如图所示，前导向轴套410相对于前圆筒430实质上是伸长的。此外，前导向轴套410刚性地联接到前圆筒430上。这种构造防止前光学器件组400绕垂直于主导向销601轴线的轴线旋转，但允许绕主导向销601的轴线旋转。后光学器件组500包括后导向轴套510，该后导向轴套510也与主导向销601联接。如图所示，后导向轴套510相对于后圆筒530实质上是伸长的。此外，后导向轴套510优选地刚性地联接到后圆筒530上。这种构造防止后光学器件组500绕垂直于主导向销601的轴线旋转，但允许绕导向销的轴线旋转。

现在参考图4，前光学器件组400也包括前导向槽420，该导向槽420配置成与次导向销602联接。导向槽420和次导向销602之间的联接防止前光学器件组400绕主导向销601的轴线旋转。前光学器件组400和导向销601、602之间的联接允许前光学器件组400沿大体上平行于两个导向销的轴线平移。

后光学器件组500也包括后导向槽520，该后导向槽构造成与次导向销602联接。导向槽520和次导向销602之间的联接防止后光学器件组500绕主导向销601的轴线旋转。后光学器件组500和导向销601、602之间的联接允许后光学器件组500沿大体上平行于两个导向销的轴线平移。

致动器模块

优选地，在本发明的实施例中所使用的致动器是振动致动器。最优选地，这些振动致动器为以驻波图案振荡来驱动置于其内的螺纹轴旋转，从而使螺纹轴平移的驱动器类型。本发明的实施例包括某些优选的驻波图案以驱动振动致动器。然而，可考虑各种驻波图案。

本发明考虑了各种致动器结构。这些结构包括如1999年10月12日发行的第5,966,248号美国专利和2005年9月6日发行的第6,940,209号美国专利所公开的振动致动器。这些结构也包括如图10A至图10C所示的致动器。致动器700’包括被多个压电带701、702和704包围的弹性体。未示出的第四带与带701相对放置。这些带对称地布置在弹性体周围，该弹性体具有多个置于其内的螺纹接口部件。螺纹接口部件配置成与导螺杆360’的螺纹紧密配合。在运行期间，压电带在弹性体内驱动摇摆运动。这种类型的致动器典型地需要操作预载。优选地，这种预载通过本文档别处所公开的技术施加到导螺杆上。

为了通过使用优选的振动致动器有效地驱动螺纹轴，本发明的一些实施例包括专门的致动器外壳，该致动器外壳设计成仅将致动器限制到必要的程度，并为致动器提供振动保护。另外，致动器外壳允许致动器相对于导向销和光学器件组的紧密定位。典型地，实施例中的各致动器与致动器外壳结合形成致动器模块。

本发明的一些实施例包括致动器模块，例如图10A至图10C所图示的那些。如图所示，典型的致动器模块包括致动器700′、致动器外壳1030′和柔性联结器710。

柔性联结器710将致动器700′的一部分约束在相对于致动器外壳1030′大体上固定的位置。这允许致动器驱动导螺杆相对于致动器外壳1030′平移。例如，接触垫710防止致动器700′相对于外壳旋转。

然而，通过仅限制致动器700′的一部分，实施例允许致动器700′相对自由的振动，以将运动传递给导螺杆(例如360′)。此外，由于柔性联结器710优选地将致动器700′约束在致动器700′的优选驻波图案的节点处，所以约束对致动器效率的影响降低了。优选地，将固定位置选成各种驻波图案的节点，从而允许在各种条件下对致动器进行有效的操作。

如图所示，致动器外壳1030′包括接纳导螺杆360′的开口1034和1036。另外，外壳包括配置成容许电连接进入主PCB板(未示出)的开口1032和1038。另外，致动器外壳1030′专门用来防止对致动器700′的振动损害。致动器外壳1030′优选地为在其中形成平行六面体的五面腔室。这个称为致动器保留区域的平行六面体在体积上比致动器700′大。此外，该致动器保留区域沿各尺寸比致动器700′的相应尺寸都要大。另外，当致动器700′通过柔性联结器710约束在致动器保留区域内时，优选地致动器700′的表面与不包括致动器外壳的一部分的平行六面体的表面平行。此外，致动器700′的末端优选地各自与开口1034和1036大约等距。因而，致动器700′悬在保留区域内，在它和致动器外壳1030′的各相邻表面之间具有缓冲距离。

此外，平行六面体致动器的保留区域的大小和致动器700’彼此匹配，且与用来保持致动器的柔性联结器710的类型匹配。优选地，致动器700’和邻近开口1034和1036的外壳1030’的内表面之间的缓冲距离相对于失效之前许可的最大位移而被柔性联结器710选择。因而，在机械振动期间，致动器700’在使柔性联结器710伸展至失效以前，将碰到外壳1030’的内表面。另外，通过导螺杆360’和致动器700’之间的联接防止沿垂直于导螺杆360’的轴线的相似伸展。

致动器外壳1030和1020允许致动器700和500相对于主导向销601紧密定位。如图9所示，该紧密定位得到允许，原因是致动器外壳1020和1030的开口端允许致动器500和700置于致动器模块的表面。因而，致动器500和700置于靠近主导向销601的地方，从而为导向轴套410和510留下间隙。

当致动器200和300各自驱动光学模块400和500时，通过最小化扭矩影响以提高紧密定位的精度。光学模块400和500的质心位于导向销601和602之间。导螺杆联接表面480并稍微离开中心。因而，通过联接表面480和570驱动光学模块400和500倾向于引入扭矩。包括主导向销601的导向销抵消扭矩影响。然而，对模块进行配置，使得致动器500、700和联接表面几乎与导向销601对齐，从而减少作用在导向销上的力矩量。

导螺杆组件

现在参考图10A至图10C，示例性导螺杆装置300’示出为与致动器外壳1030’联接。导螺杆装置300’被构造在导螺杆360’周围。该组件包括凸轮320’和基准盖340。导螺杆360’包括螺纹区域5、第一末端和第二末端。导螺杆360’的第一末端和基准盖340整体地构成。

导螺杆-光学器件组接口

现在参考图8A，前光学器件组400和后光学器件组500各自通过导螺杆联接界面480和570联接到导螺杆上。主导向轴套410和510都与主导向销601联接。

在优选配置中，导螺杆的移动通过其对应的导螺杆联接表面传递力。由于各联接表面都是光学器件组的刚性联接部件，因而联接表面的平移导致其相应的光学器件组平移。然而，联接表面和导螺杆之间的简单刚性连接可完成此功能。图示配置通过使光学器件组与导螺杆的非平动运动隔离来提供额外的好处。优选地，联接到导螺杆的第一末端的基准盖与联接表面接触，例如参见图10C的基准盖340。

基准盖与联接表面之间的小接触面积用于使摩擦最小化，允许联接表面相对于基准盖和导螺杆在正交于导螺杆轴线的轴线方向上移动。该配置使导螺杆的大部分机械振动或扰动与光学器件组隔离。此外，隔离意味着仅需要控制导螺杆的移动自由度，以获得用于光学器件组的定位所需的精密度。虽然导螺杆的非平移运动在优选实施例中不存在，但是当存在时，这些特征允许本发明的实施例处理这种类型的摆动。

为了保持联接表面和导螺杆之间的联接，本发明的一些实施例依赖在其它方面为致动器的精确操作所需的预压弹簧。

预压弹簧

除上面所提及的特征外，本发明的实施例中所使用的致动器典型地使用低变化的预压力。这种预压由具有低力常数的弹簧提供。在小位移实施方式中，这种方法通常工作得很好。

本发明的一些实施例依赖弹簧力，该弹簧力作用于光学器件组以为用于驱动组的导螺杆提供预压。因而，在一定程度上，光学器件组的所需位移确定所需传动机构的弹簧力类型。

例如，在本发明的一些实施例中，前光学器件组400用于调焦和缩放操作且仅需移动1毫米或2毫米。因为前光学器件组400的优选运动范围小于2毫米，为弹簧选择低力常数弹簧且联接它以直接在光学器件组上施加弹簧力，这导致相对较低的变化预压。

如图8B所示，联接表面480的前端导螺杆邻近导螺杆260的第一末端。为了使表面与导螺杆联接并提供预压，预压弹簧使表面紧压导螺杆。由于聚焦中涉及的微小运动，在这种情况下直接提供弹簧力是允许的。因而，前端预压弹簧180经预压接口部件470(图6B)联接到前光学器件组400上，并配置成直接将力施加在光学器件组400上。

在另一个示例中，后光学器件组500用于缩放操作，并需要移动几毫米或更多。由于前光学器件组500的优选运动范围大于4毫米，为弹簧选择低力常数弹簧且联接它以直接在光学器件组上施加弹簧力，这导致高的预压变化。

如图6A和6B所示，后方导螺杆联接表面570邻近导螺杆360。使表面与导螺杆联接并提供预压，从而预压弹簧使表面紧压导螺杆。然而，在这种情况下，直接提供预压是不希望的。

因而，预压弹簧110配置成在预压杠杆100的相对端上。该缩放预压杠杆100包括枢转孔140，该枢转孔140配置成与主体20的枢转凸起32紧密结合。另外，预压杠杆100包括预压弹簧钩130和预压力传送点120。

枢转孔140向预压弹簧钩130歪斜，使得在预压杠杆100的钩末端的运动在力传送点末端被放大。通过同样的机构，缩放杠杆100的力传送点120末端处的大的运动转化为弹簧钩130末端处的相对较小的运动。优选地，选择枢转孔140的位置以减少力传送末端到弹簧钩末端的移动，在这个示例中减小的系数为五。其它的实施例使用不同的系数。

弹簧钩130与预压弹簧110联接，且力传送点120与后导螺杆联接表面570的一个面联接。联接表面570也邻近导螺杆360。为了使表面与导螺杆联接并提供预压，预压弹簧必需使表面紧压在导螺杆上。通过杠杆100间接地从后预压弹簧110提供弹簧力意味着后光学器件组500的移动间接地转换成预压弹簧100的伸展。组移动相对于弹簧伸展的具体比例依赖于杠杆枢转相对于力传送点和弹簧钩的定位。如上面所描述的，优选比率为1比5。

在间接或直接预压弹簧力应用的任何一种情况下，预压弹簧的相对端优选地联接到主体20上。

感应目标

本发明的一些实施例包括为定位提供反馈的感应目标。在一些实施例中，感应目标置于导螺杆上。在一些实施例中，感应目标置于光学器件组上。线性和旋转目标都可用于本发明中。

根据本发明一些实施例的导螺杆装置包括感应目标。一些导螺杆组件(例如图10A至10C的组件300’)不包括感应目标。然而，如图8C所示的示例，导螺杆组件200包括邻近凸轮220定位的感应目标290。在图示的实施例中，目标290为旋转目标。在需要非常精确的定位中优选地使用旋转目标。

典型地，适于联接到导螺杆上的感应目标包括与导螺杆的对准部件连接的部件。在一些实施例中，感应目标与导螺杆的螺纹连接。位置感应目标290配置成与位置传感器902接合。

在一些实施例中，感应目标包括为光学器件组的一部分。例如，在图8A至图8C中，感应目标590配置成后光学器件组500的一部分。这里，目标590构造成作为光学器件组500的整体部分。然而，在一些实施例中，感应目标是模块化的，或仅与光学器件组联接。

另外，感应目标590是线性感应目标。线性感应目标在相对低精确度的定位应用中是可接受的。此外，线性目标在目标在相对较大范围内移动的应用中是优选的。这里，线性目标在后光学器件组500中使用，因为该组用作缩放目的。

在图8A中，模块处于末端停止位置。在一些实施例中，定位传感器901和902在末端停止期间分别与感应目标590和290分离。在此位置，也如图3和图4所示，导螺杆位置通过本文别处所讨论的装置对准在机械硬挡块上。因而，由于这些实施例中的导螺杆位置与光学器件组的位置相关，导螺杆的对准也限定了光学器件组的位置。

在图8B和8C中，模块分别处于中间位置和远距位置。优选地，感应目标590和290分别在中间位置和远距位置与位置传感器901和902接合。优选地，位置传感器和感应目标在整个缩放定位期间接合。

机械硬挡块闩

优选地，本发明的实施例包括配置成经机械硬挡块允许光学器件组的定位的部件。

现在参考图3和图4，这些实施例包括硬挡块闩弹簧310和硬挡块闩弹簧410。硬挡块闩弹簧310安装在弹簧突起21上的主体20。如图3和图4所示，硬挡块闩弹簧310包括大体上刚性的主体和主动弹簧312。该刚性主体包括透镜组接口表面314、枢转孔318和闩316。各透镜组接口表面314和闩316布置分离臂上，分离臂位于离枢转孔318周围大约90度的位置，且从那里向外延伸。闩316的臂实质上比组接口表面314的臂长。静止时主动弹簧312与闩316的臂对齐。

枢转孔318与弹簧突起21紧密配合且配置成绕突起21枢转。组接口表面314配置成与后透镜组500的弹簧驱动器580紧密配合。静止时，闩316与致动器外壳1030不在一条线上，例如图5A。当弹簧驱动器580促使组接口表面314朝向图像传感器时，硬挡块闩弹簧310在孔318周围枢转，而使主动弹簧312弯曲。当枢转时，闩316移入适当位置以与凸轮320的凸轮部件322接触。这为导螺杆360提供了机械硬挡块。

硬挡块闩弹簧210在弹簧突起1028上安装到致动器外壳1020上，如图5B所示。硬挡块闩弹簧210包括大体上刚性的主体和主动弹簧212。刚性主体包括透镜组接口界面214、枢转孔218和闩216，例如图4。各透镜组接口表面214和闩216布置在分离臂上，分离臂位于离枢转孔218周围大约90度的位置，并从枢转孔向外延伸。闩216的臂实质上比组接口表面214的臂长。静止时主动弹簧212与闩216的臂对齐。

枢转孔218与弹簧突起1028紧密配合且配置成绕突起1028枢转。组接口表面214配置成与前透镜组400的弹簧驱动器480紧密配合。在静止时，闩216与致动器外壳1020不在一条线上，例如图5A。当弹簧驱动器480将组接口表面214推向图像传感器时，硬挡块闩弹簧210绕突起1028枢转，从而使主动弹簧312弯曲。当枢转时，闩316移入适当位置以与凸轮220的凸轮部件222接触。这为导螺杆260提供了机械硬挡块，例如图8A所示。

位置感应

本发明的实施例包括位置感应元件，该位置感应元件配置成将反馈提供给致动器控制系统。这些元件允许模块通过使用非线性致动马达精确地定位功能组，例如光学器件组。

本发明的优选实施例使用和模块功能组一致移动的感应目标，以及配置成检测和编码描述感应目标运动的数据的传感器。例如，一些实施例使用包括不同反射系数区域的移动感应目标的反射编码。示例性位置感应系统包括图1中的模块1000的位置传感器1030和位置感应目标250、350。

反射编码

在示例性反射编码系统中，传感器包括发出辐射的元件和检测辐射的元件。例如，目标包括暗带和亮带。暗带倾向于比亮带吸收更大比例的发出辐射。被带反射的辐射被传感器检测。当目标相对于传感器移动时，与传感器成一直线的感应目标的吸收和反射变化。传感器编码这种变化。许多编码算法和处理与本发明一致。例如，传感器能简单地检测到暗带和亮带之间的每次转换。

系统分辨率

反射编码系统的分辨率由几个因素决定。发射器/检测器和目标之间的距离、使用的辐射的光束范围以及固有目标分辨率都在确定系统的分辨率中起重要作用。这三个因素不独立地起作用，相反地它们相互影响，且每个因素必须相对于其它因素进行调准。

固有目标分辨率实质上是部件尺寸的函数。目标部件的临界尺寸(平行于传感器移动的尺寸)越小，固有目标分辨率越大。例如，图1的目标250使用条纹对作为特征。检测系统配置成使带沿它们的窄尺寸移动穿过传感器的视角。从而，在图示结构中条纹对的临界尺寸是其沿窄尺寸的宽度。

然而，位置感应系统并不简单地通过使用高固有目标分辨率保证高分辨率。适当组合低光束范围辐射和严格的发射器-需要目标公差达到给定部件大小所允许的最大分辨率。光束范围和公差规格是互补的：光束范围的下降与公差的适度增加能维持给定的分辨率，反之亦然。

对于给定的部件尺寸，有最大的辐射光束范围，高于该最大辐射光束范围，特征经反射编码是不可分辨的。图11B图示了用于一系列光源(左手侧的白正方形)的最大光束范围，该一系列光源向一系列吸收带和反射带(右手边)发射光。图11C中所示的细节图示了与具有类似尺寸特征的目标配对的20微米宽的光源。在这种情况下，最大公差范围是10微米。

在规定的扩散条件下，最大公差范围和理想的分辨率决定辐射源和目标之间的最大间距。该间距(图11C中为间距d)与期望分辨率成比例，并与代表辐射扩散的角度的正切成反比例。例如，假定30度的典型LED扩散角，为了获得10微米的分辨率，间距d应该小于56.7微米。因而，为获得固有目标分辨率，应当使用光束范围辐射和间距的适当组合。

固有目标分辨率

本发明的一些实施例使用具有优化的光束范围和公差的位置感应系统以在固有目标分辨率下运行。在反射编码中，可使用多种方法、策略和装置来达成此目标。

图12A图示了直接成像方法，其中，辐射发射器(白色长方形)，例如LED，产生未经额外处理供应到目标的辐射。从目标反射的一部分辐射由检测器(阴影线的长方形)检测。在这种类型的方法中，发射器必须产生具有足够低的光束范围的辐射以分辨目标特征。

公差

获得固有目标分辨率的一个方法是紧密地间隔发射器/检测器和扫描目标。然而，严格的公差总体上提高了制造目标和装置所必需的精度。例如，圆柱形目标的横截面圆度随着间距的减少变得更加重要。由于这些和其它原因，本发明的实施例优选地以批量制造的典型公差内可获得的距离隔开发射器/检测器和扫描目标。

活动面积-发射器/检测器修正

特征和方法若干结合可用来减少间隙要求公差或减少辐射扩散所引起的问题。在反射编码中，感应目标的一部分被辐射激励，并且检测器接收来自感应目标的信号。所接收的信号表示感应目标活动面积的特征。优选地，活动面积的尺寸设置成并定位成匹配感应目标的临界特征尺寸。例如，图15图示了感应目标的活动面积。

活动面积的大小和位置由发射器和检测器两者的特征确定。在某些情况下，辐射被调节以限制辐射所激励的感应目标的部分。在某些情况下，检测器的视场被剪裁。

一些技术涉及辐射处理测量，其允许在可制造的间距上使用更高分辨率的目标，该分辨率比使用更发散性的辐射可能获得分辨率高。图12B图示了一种系统，在该系统中，透镜用来校准来自检测器的辐射。校准辐射允许目标-传感器间距相对于直接成像增加，且同时保持分辨设定特征大小的能力。最大间距和可分辨特征大小由校准后的辐射扩散来确定。

一些技术涉及元件，该元件配置成将传感器的视场限制成其固有视场的一部分。图12C图示了一种系统，在该系统中，小孔用来防止来自邻近区域的“扩散”防止检测转变。在这种情况下，反射辐射在到达检测器之前必须通过目标表面附近的中心孔。这个系统需要更高强度的发射器，因为通过小孔可提供的辐射相对较小。

虽然本发明的某些实施例确实使用了活动面积剪裁策略，例如辐射调节，但是实现这些策略所需的额外装置或特征增加了制造模块的成本和复杂性。优选地，本发明的实施例使用其他装置以获得所需的分辨率。

超出固有目标分辨率

在某些阈值上，尽管使用高固有目标分辨率获得高系统分辨率起初必须需要辐射调节或压缩间距。如上面所概括的，这些元件增加了模块的复杂性和制造中所需的精度。因此，对于超出这些阈值的分辨率，本发明的实施例优选地使用较低的固有目标分辨率，结合使用用于获得比固有目标分辨率更高的系统分辨率的众多策略中的至少一种策略。

活动面积-目标修正

参考上文限定活动面积的方法涉及调节来自发射器的辐射、选择具有合适视场的检测器、或使用外部装置修改视场。然而，备选方法涉及配置感应目标以限制其在任何一次由辐射所激励的部分，并从而剪裁活动面积。

例如，图11A的横截面视图图示了一种配置，在该配置中，特征大小与圆柱形感应目标的弧线配对，以限制检测器的视场。发射器/检测器3030的视场对向目标3350的区域，该区域包括两个转换的最大值。

优选地，感应目标和检测器配置成使得单特征主导视场。例如，如图15所示，活动面积的大小设置成与带对的宽度匹配。典型地，目标的特征尺寸基于视场进行选择。然而，所需的分辨率也可为确定特征尺寸的因素。

数据处理

优选地，本发明的实施例处理来自传感器的数据以获得比固有目标分辨率更高的分辨率。在本发明的不同实施例中使用了多种处理技术、方法和元件，包括基于阈值的信号转换和插值。

优选地，本发明的实施例将活动面积内的感应目标的一部分编码成电压。在编码时，该电压根据活动面积内的感应目标的部分的特征而变化。

为了产生平滑的变化信号，本发明的实施例优选地将活动面积的尺寸与感应目标特征的临界尺寸匹配。图15图示了活动面积和感应目标特征尺寸之间的优选关系。活动面积沿临界尺寸的方向足够大，以致它将不会连续地碰到具有相同亮/暗特征的区域。在图示的实施例中，沿临界尺寸该活动面积大于一个特征的宽度但小于该宽度的两倍。这种类型的配置实质上防止在所产生的模拟信号内出现“平”点。

随着时间的流逝，当感应目标移动通过活动面积时，系统形成信号，该信号代表已经通过活动面积的检测区域部分。如图16中所示，感应目标零件1和变化信号零件2沿时间轴线t是相互关联的。零件2内的信号在给定时间点的强度由当时活动面积内的特征决定，例如亮带和暗带的比例。如图所示，零件2内的信号的最小值在时间上对应于暗带的中心轴线。类似地，零件2内的信号的最大值在时间上对应于亮带的中心轴线。

在一些实施例中，信号是电压的连续编码，在其它实施例中，信号为在特定频率下所取的一系列离散样本。在任一情况下，当感应目标移动通过感应器的视场时，信号优选地包括涉及感应目标的各个特征的多个样本。

编码过程产生表示感应目标的移动的可变信号。信号的最小值和最大值表示感应目标在其固有目标分辨率下的运动。优选地，该可变信号为模拟电压。在一些实施例中，插值用来在可变信号的最大值和最小值之间构造更高分辨率的数据。优选地，插值误差仅在固有目标分辨率的给定期间发生，并且随信号的最小值或最大值而重置。这将插值所引入的误差限制在固有分辨率的实质上固定的百分比上。

处理系统接收来自传感器的可变信号，并以高于固有目标分辨率的分辨率产生校正运动数据。例如，在一些实施例中，模拟电压信号供应至模数转化器(ADC)。以取样率(导致每特征多个样本)所产生的模拟信号包括足够的信息，以支持数字信号以高于固有目标分辨率的分辨率进行ADC产生。在一些实施例中，使用多个阀值的ADC处理用来将模拟信号编码成高分辨率的数字信号。

校正运动数据然后被转换成表示联接到感应目标上的功能组的位置的位置数据。例如，在一些实施例中，来自ADC的数字数据被供应至控制器，在控制器中，数字信号被分析并被转换成位置数据。

图17中图示了根据本发明的一种方法。该方法试图检测联接到感应目标上的功能组的位置，该感应目标配置成以第一分辨率描述功能组的运动。它包括步骤5010，该步骤使用感应目标从而在第一分辨率下检测功能组的运动。该方法还包括步骤5020，该步骤对表示检测到的运动的原始运动数据进行编码。在另一个步骤5030中，该方法包括将原始运动数据加工成具有第二分辨率的校正运动数据，其中，该第二分辨率大于第一分辨率。此外，该方法包括步骤5040，该步骤将校正运动数据转换成表示功能组的位置的位置数据。

优选地，实施例包括处理电路的附加校准。在优选的实施例中，初始校准在开机期间自动完成。例如，在基于ADC的系统中，在开机期间的自动校准优选地确定数据所需的输入范围。使用自动校准的实施例在它们的整个使用期间在制造或储存固定校准参数期间不需要初始校准。另外，校准优选地定义各功能组的初始位置。在一些实施例中，这些初始位置由别处更详细讨论的硬挡块确定。在一些实施例中，位置通过嵌入到感应目标中的信息确定。在一些实施例中，位置通过传感器和感应目标之间的相互作用缺失而被定位。

具体地，参考图14A，当后圆筒530、感应目标590和导向轴套510沿导向销601移动时，感应目标590和传感器901最后分离。在这一点上传感器901读取的信号改变，允许系统定位感应目标590、后圆筒530或后透镜(未示出)的位置。另外，在同一运动期间，弹簧驱动器580接触硬挡块闩弹簧310的透镜组接口表面314，最后到达机械硬挡块，这也可用作上文所描述的基准。

现在参考图14B，类似过程可用于前透镜位置传感器。前感应目标290和传感器902最后在前导螺杆260移动期间分开。在这一点上传感器902读取的信号改变，允许系统定位前感应目标290或前透镜(未示出)的位置。另外，在同一运动期间，凸轮220的凸轮特征222接触硬挡块闩弹簧210的透镜组接口表面216，最后到达机械硬挡块，这也可用作上文所描述的基准。

然而，一些实施例在检测期间也包括连续校准以处理具有时变噪声的信号。多种配置产生具有随时间轻度不稳定性的信号。例如在图16中，零件3图示了具有平均幅度的“抖动”的信号。多种设计和制造决策可导致此类信号，例如偏离中心地安装圆柱形感应目标。在一些实施例中，与不稳定性相关的校准常数用来平衡并动态地纠正处理输出。例如，在后沿时间或频率周期期间的平均幅度。

在一些实施例中，非易失性存储器元件包括在控制或处理电路中，并用来提供附加的制造数据和校准数据。优选地，该附加数据用来调节部件变动和制造公差。

采用插值的一些实施例使用附加的硬件和/或固件(例如用于定时和分析的时钟)。如果致动器是极端非线性的，插值可引入定位误差。优选地，本发明的实施例使用ADC技术。

构造

本发明的实施例包括使用各种不同的传感器和感应目标构造的位置感应系统。一些实施例包括圆柱形感应目标、构造成与导螺杆或其它旋转驱动机构一起旋转的封闭表面。由于功能组与具有已知螺距的导螺杆联接，导螺杆旋转与功能组沿导螺杆轴线的移动成比例。另外，一些实施例包括线性感应目标，该感应目标联接到功能组上且构造成随功能组移动。在下面示例中讨论的检测系统图示为具有圆柱形感应目标。然而，所描述的方法、策略和装备也考虑在本发明的一些实施例中与线性目标一起使用。

例如，在图11A中示出了使用旋转感应目标的系统。如横截面视图所示，位置感应系统包括定位成离发射器/检测器3030距离d的圆柱形目标3350。发射器/检测器3030的视场对向目标3350的区域，该目标3350包括两个转换中的最大值。在一些实施例中，发射器/检测器是光反射器。

在图13B中所示的另一示例中，发射器/检测器4030包括传感器4034和发射器4032。该发射器/检测器还包括遮罩结构4030’，该遮罩结构4030’包括发射窗4032′和两个传感器窗4034′和4034″。在一些实施例中，发射器是LED。

感应目标4350的暗带吸收发射器所发出的辐射，而感应目标的亮带反射发射器所发出的辐射。当带相对于传感器窗移动时，传感器检测吸收和反射的转换。优选地，传感器4034分别地检测传感器窗4034’和4034″两者中的转换。在一些实施例中，发射器/检测器4030是光反射器。

在图13A中所示的又一个示例中，使用了双检测器模块。发射器/检测器3030包括第一传感器3034A、第二传感器3034B和发射器3032。遮罩结构3030′包括发射窗3032′和四个传感器窗3034A′、3034A″、3034B′和3034B″。在一些实施例中，发射器/检测器3030是光反射器。在一些实施例中，发射器是LED。

来自发射器3032的辐射大体上被感应目标3350的暗带吸收，且大体上被感应目标3350的亮带反射。当带相对于传感器窗移动时，传感器3034A和3034B检测吸收和反射的转换。第一传感器3034A和第二传感器3034B两者都检测转换。

在一些实施例中，检测器在不同的时间点编码给定转换。另外，在一些实施例中，检测器包括以两个数据的形式对转换进行编码的装置，其中，两个数据相差一个常量，例如相位。在一些实施例中，例如图13A，两个分离的传感器编码彼此异相的转换。在其它实施例中，单一传感器观察空间上的两个不同点的转换，例如图13B中的两个窗3034′和3034″。优选地，在这些实施例中，控制系统结合异相数据，允许其检测移动的方向以及移动量。

在上述构造内的圆柱形感应目标中，各特征优选地覆盖周长的60度。因而，在一个实施例中，具有12mm周长的圆柱形目标包括6个成交替的反射/吸收图案的2mm条纹带。另外，优选地使用如上文所概述的处理步骤以将分辨率提高至由这种类型的目标固有地提供的分辨率之上。

位置感应系统在其整个运行范围内为透镜组提供位置数据。在本发明的一些实施例中，位置感应系统在整个10mm范围内跟踪光学器件组在70微米之内的相对位置。

操作

优选的系统使用位置传感器数据来控制致动器。在一些实施例中，数据用来预测致动器各周期的运动。在一些实施例中，数据用来预测致动器在使用和开机时的每单位时间的移动。在一些实施例中，数据以校正周期实时使用以增加精度。优选地，所使用的特定实施根据所使用的特定致动器决定。

本发明的一些实施例在缩放和自动调焦操作中使用位置数据以准确地定位和跟踪光学器件组。优选地，在缩放操作期间，多个透镜组被移动和跟踪。致动器控制电路优选地正确解释位置数据以完成跟踪和移动。在一些实施例中，控制电路使用储存在表中的跟踪解释数据。在一些实施例中，控制电路使用储存为数学函数的跟踪解释数据。有时，此数据限定在校准周期内。优选地，这个校准周期在制造期间发生。

另外，致动器控制电路优选地在特定的时间框架内完成缩放操作。优选地，在涉及视频光学的实施例中，缩放操作以不干扰视频录制的方式完成。在一些实施例中，缩放范围和帧频用来决定最佳步长。例如，整个缩放范围除以理想寻道时间内的帧数得到步长。因而，每个步能在帧内发生。优选地，当缩放操作发生时，步与帧频同步。另外，多个组在缩放操作期间的运动优选地相互交替。因而，当每个组移动时，其余的组是静止的。交替减少了驱动器和即时的电力需求。

另外，在自动调焦操作期间，典型地移动单一的组。优选地，组以小的增量移动通过聚焦范围。优选地，使用精确的位置传感器和致动器控制电路以允许以低于20微米的增量下进行s定位。另外，尽管多种电路和硬件可用于实现自动调焦算法，优选的实施方式允许组可靠地返回到示出最佳焦点的位置。

如上所述，一些实施例的光学元件分成两组，一组容纳在前圆筒内，另一组容纳在后圆筒内。典型地，通过使用上文所描述的机构，可获得这些光学器件组在有限空间内的精确运动。

一些实施例的自动调焦和缩放模块的形状因子在无棱镜的情况下约为9×14×30mm，或在包括棱镜的情况下约为9×14×22mm。

虽然本发明已参考诸多具体细节进行了描述，但本领域技术人员将会意识到，在不脱离本发明精神的情况下，本发明可以其它具体的形式实施。因此，本领域技术人员将会理解，本发明不由前文的说明性细节限定，而是由所附权利要求限定。