使用光束照明透镜元件上的点，该透镜元件沿着成像系统的光轴移位，从而实现自动聚焦或者光学变焦。该光束布置为使得来自透镜元件的反射光束与图像传感器上的点相遇。图像传感器上的该点位置由信号处理器确定。随着透镜元件沿着光轴移位，该点位置相应地改变。基于该点的移动距离，信号处理器确定透镜元件的移位距离及由此确定透镜元件的位置。基于透镜元件的移位距离，使用控制模块沿着光轴调整透镜位置以实现期望的聚焦或变焦效果。
至少一个透镜元件，用于将图像投影在所述图像传感器上，所述透镜元件定义光轴；
驱动机构，可操作地连接到所述透镜元件，用于在基本上平行于所述光轴的方向上相对于所述图像传感器移位所述透镜元件；
光源，用于提供光束以照明所述透镜元件的表面上的点，从而产生自所述表面上所述点反射的光束，其中所述光源定位为使得所述反射的光束布置为在所述图像传感器上的位置处与所述图像传感器相遇；以及处理器，可操作地连接到所述图像传感器，用于确定所述相遇位置，其中当所述透镜元件移位了移位距离时，所述相遇位置在所述图像传感器内移动了移动距离，所述处理器被配置用于基于所述相遇位置的移动距离计算所述透镜元件的所述移位距离。
2.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述光源包括激光器。
3.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述光源包括光发射元件。
4.根据权利要求1所述的成像系统，其中该处理器配置用于从所述图像传感器捕获图像帧并且在图像帧之间基于自所述图像传感器传送的数据确定所述相遇位置，并且所述光源包括与所述帧捕获同步的脉冲光源，从而所述反射的光束布置为也在图像帧之间在所述图像传感器上的位置处与所述图像传感器相遇。
5.根据权利要求4所述的成像系统，其中用于确定所述相遇位置传送的数据量小于用于帧捕获传送的数据量。
6.根据权利要求1所述的成像系统，其进一步包括控制模块，可操作地连接到所述驱动机构，用于基于所述计算的移位距离调整所述透镜元件。
7.根据权利要求6所述的成像系统，其进一步包括用于存储用于所述调整的校准数据的存储器模块。
在成像系统中提供与透镜元件关联的光束以照明所述透镜元件的表面上的点，从而自所述表面上所述点产生反射光束，其中所述成像系统包括图像传感器并且所述透镜元件布置为沿着光轴在所述图像传感器上投影图像，并且所述透镜元件在基本上平行所述光轴的方向上相对于所述图像传感器可移位，并且其中所述光束定位为使得所述反射光束在所述图像传感器上的位置处与所述图像传感器相遇，并且其中当所述透镜元件移位了移位距离时，所述相遇位置在所述图像传感器内移动了移动距离；以及确定所述相遇位置的移动距离，用于基于所述相遇位置的移动距离计算所述透镜元件的所述移位距离。
光源，用于提供光束以照明所述成像系统的透镜元件的表面上的点，从而自所述表面上所述点产生反射光束，其中所述成像系统包括在图像平面处的图像传感器并且所述透镜元件布置为沿着光轴在所述图像传感器上投影图像，并且所述透镜元件在基本上平行所述光轴的方向上相对于所述图像传感器可移位，并且其中所述光源定位为使得所述反射光束布置用于在所述图像传感器上的位置处与所述图像传感器相遇；以及处理器，可操作地连接到所述图像传感器，用于确定所述相遇位置，其中当所述透镜元件移位了移位距离时，所述相遇位置在所述图像传感器内移动了移动距离，所述处理器配置用于基于所述相遇位置的移动距离计算所述透镜元件的所述移位距离。
12.根据权利要求11所述的位置传感模块，其进一步包括存储器模块，用于存储校准数据从而基于所述校准数据调整所述计算的移位距离。
用于沿着光轴投影图像的投影装置，所述投影装置包括具有透镜表面的透镜元件；
用于在基本上平行所述光轴的方向上相对于所述图像传感装置移位所述透镜元件的移位装置；
用于照明所述透镜表面上的点以自所述表面上的所述点产生反射光束使得所述反射光束在所述图像传感装置上的位置处与所述图像传感装置相遇的照明装置；以及确定装置，配置用于从所述图像传感装置读出信息，用于确定所述相遇位置，其中当所述透镜元件移位了移位距离时，所述相遇位置在所述图像传感装置内移动了移动距离，所述确定装置配置用于基于所述相遇位置的移动距离计算所述透镜元件的所述移位距离。
14.根据权利要求13所述的成像系统，其进一步包括：
用于基于所述计算的移位距离调整所述透镜元件的位置的装置。
15.根据权利要求14所述的成像系统，其进一步包括：
用于存储校准数据的装置，其中所述位置调整基于所述校准数据。
用于在成像系统中光学元件的位置传感的方法和设备
技术领域
[0001] 本发明一般涉及成像系统中的光学位置传感，以及更具体地涉及用于成像系统中自动聚焦光学器件和/或光学变焦模块的位置传感。
背景技术
[0002] 自动聚焦光学系统需要高精确度的位置传感。通常，需要的准确度为数微米量级。传感器输出线性和对外部干扰的抗扰度很重要。而且，用于位置传感的操作模式还需要非接触式操作以避免机械磨损。当考虑在诸如移动电话的小型电子设备中使用光学器件时，光学传感元件的尺寸和成本以及大规模生产的适宜性是重要的问题。
[0003] 典型地，通过计算步进电机的步幅，执行商业自动聚焦模块中的位置确定。为此目的，该电机可以具有嵌入的位置编码器。为了减少光学模块的尺寸，通常使用微型压电电机或致动器。这些电机和致动器需要独立的位置传感器。
[0004] 为了满足针对自动聚焦光学系统或光学变焦系统以数微米量级运动的需求，本发明提供了用于位置传感的简单方法和设备。
发明内容
[0005] 本发明使用光束照明透镜元件上的点，该透镜元件沿着成像系统的光轴移位，从而实现自动聚焦或者光学变焦。该光束布置为使得来自透镜元件的反射光束与图像传感器上的点相遇。图像传感器上的该点在信号处理器中读取。随着透镜元件沿着光轴移位，图像传感器上的该点相应地移动。基于图像传感器上该点的移动距离，信号处理器确定透镜元件的移位距离，以及由此确定透镜元件的位置。基于透镜元件的移位距离，使用控制模块沿着光轴调整透镜位置以实现期望的聚焦或变焦效果。控制模块还控制光束的驱动，使得光束为了透镜位置传感仅在图像帧之间开启。
[0006] 图像传感器上的光点由于反射而可能失真，并且图像传感器上的光点形状由于透镜移位而可能显著地变化。可能期望执行校准过程，从而将实际透镜移位距离与由信号处理器基于光点的移位所确定的透镜移位距离进行比较。而且，光点可以利用与帧捕获同步的脉冲光源来提供，使得可以在帧之间获取关于透镜位置的信息。而且，当传送来自图像传感器的数据以确定透镜移位时，可以传送仅仅来自图像传感器中光点预期所在的那一部分的图像数据。
[0007] 结合图2到图6阅读描述后，本发明将变得明显。
附图说明
[0008] 图1为成像系统的示意性表示，其中一个或多个透镜元件沿着光轴相对于图像传感器移动，以实现聚焦或变焦目的。
[0009] 图2为根据本发明一种实施方式的光学位置传感布置的示意性表示。
[0010] 图3示出了由于透镜元件移位而引起的图像传感器的反射光点移动。
[0011] 图4示出了透镜元件的移位距离和图像传感器上该点的移动距离之间的近似关系。
[0012] 图5示出了根据本发明一种实施方式的不同光学传感布置。
[0013] 图6为根据本发明实施方式示出确定图像传感器中透镜元件的位置的方法的流程图。
具体实施方式
[0014] 诸如自动聚焦透镜系统和光学变焦系统的成像应用需要高精确度的位置传感。在这些应用中，至少一个透镜元件沿着成像系统的光轴移动，以改变透镜的焦平面或形成在图像传感器上的图像的放大率。如图1所示，透镜元件的移动基本上沿着平行于Z轴的光轴。图像传感器位于基本上平行于XY平面的图像平面中。成像系统可以具有一个或多个如虚线所描述的固定透镜元件。
[0015] 在自动聚焦或光学变焦应用中，需要确定透镜元件相对于基准点或起始位置(home position)的位置。根据本发明，使用光束照明透镜元件表面上的点，从而来自透镜表面的反射光束与图像传感器上的点相遇。如图2所示，成像系统1具有诸如激光器或发光二极管的光源40，其用于提供光束42，以照明透镜元件10上的点A，该透镜元件沿着成像系统的光轴移位，从而实现自动聚焦或光学变焦。该光束布置为使得来自透镜元件10的反射光束44与图像传感器上的点S1相遇。光束42还可以与透镜元件10的另一表面相遇。举例来说，光束42可以击中另一表面上的点B，并且来自点B的反射光束还可以与图像传感器相遇。为了位置传感目的，可能只使用由反射光束44产生的点S1。
[0016] 图像传感器20上的点S1的坐标可以由信号处理器50确定。如图2所示，图像传感器20部署在基底30上，并且光源40也部署在基底30上并且在图像传感器20附近。如图所示，成像系统1还包括用于沿着光轴移位透镜元件10的移动机构60，以及用于驱动光源40的光源驱动器80。控制模块70用于基于图像传感器上的点位置的读取，通过移动机构60而控制透镜元件10的位置。控制模块70还通过光源驱动器80控制光源40的开/关时间。举例来说，如果当获取一系列图像帧时执行光学变焦，则控制光源40仅在两个连续图像帧之间的时间周期期间开启，并且信号处理器50相应地读出图像传感器上光点的位置。
[0017] 当透镜元件10在远离图像处理器20的方向上沿着光轴移位时，光束42击中透镜元件上的新点C，并且产生新的反射光束45。反射光束45在新点S2处与图像处理器20相遇，如图3所示。通过校准，可以基于图像传感器20上点的移动距离D而确定透镜元件10的移位距离d。
[0018] 图4示出了光点在图像传感器上的移动距离D与透镜元件的移位距离d之间的近似关系。如图4所示，三角形中的长度L近似等于移位距离d。如果透镜移位距离d小，则点移动距离D近似等于L。举例来说，如果透镜移位距离为0.5mm，那么D也为0.5mm量级。关于具有2.8μm像素分辨率的图像传感器，S1和S2之间的像素数目近似为178。如果透镜元件的机械运动可以以大约2.8μm步进，并且光束42是良好准直的，则信号处理器可以以相同的精确度确定透镜元件的位置。通常，良好的自动聚焦性能需要大约50步幅从而移位透镜元件超过0.5mm距离。本发明提供了能够在准确度上产生超过3倍改进的方法。
[0019] 虽然优选在基底30上沿着图像传感器20部署光源40，光源40可以部署在成像系统1内的适当位置处。举例来说，如图5所示，光源40可以与基底30分离。而且，光束42可以在遇到镜头元件10之前从表面14反射，并且反射光束44可以在遇到图像传感器20之前从表面12反射。
[0020] 取决于光束的形状、照明光束42在透镜表面上反射的点、以及其它干涉光学元件，图像传感器上的光点可能失真。同样，图像传感器上的点的形状由于透镜移位而可能显著变化。因此，可能期望执行校准过程，以将实际透镜移位距离与由信号处理器基于图像传感器上光点的移位所确定的透镜移位距离进行比较。举例来说，校准数据可以如图5所示存储在存储器设备54中。
[0021] 光源40可以是单个准直光发射器，或光源和光束整形(beamshaping)光学器件的组合系统。虽然优选光束42是准直的，但是可以将光束整形，以能够在图像传感器上观察清晰点，从而允许信号处理器以期望的精确度确定透镜移位距离。
[0022] 而且，虽然优选使用与光束42相遇的来自第一表面的反射光束，还可以使用来自透镜元件的其它表面的光束。而且，光源40可以是与帧捕获同步的脉冲光源，使得可以在图像帧之间获取关于透镜位置的信息。同样，当关于透镜位置的信息被捕获时从图像传感器20传送到信号处理器50的数据量可以小于当图像帧被捕获时的相应数据量。举例来说，当传送来自图像传感器20的数据以确定透镜移位时，可以传送仅仅来自图像传感器中光点预期所在的那一部分的图像数据。在这种数据传送中还可能跳过(skip)多个像素。
[0023] 根据本发明各种实施方式的位置传感可以在如图6所示的流程图中示出。如流程图100所示，在使用启动信号启动捕获一个或多个图像帧的处理后，在步骤110提供光点照明透镜元件以获取图像传感器上的反射光点，并且基于图像传感器上的光点位置确定图像传感器上的透镜位置。如果校准数据可用，那么在步骤120基于校准数据调整透镜位置。在步骤130捕获一个或多个图像帧。如果如步骤140所确定的，将捕获一个或多个更多图像帧，那么处理循环返回到步骤110。否则，导致该处理结束。
[0024] 因此，虽然关于本发明的一个或多个实施方式描述了本发明，本领域技术人员可以意识到，可以不脱离本发明的范围，在形式和细节上作出前述和各种其它变化、省略以及偏离。
