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CN1862358B - 一种自动调焦装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自动调焦装置，包括沿光轴设置的透镜组和图像传感器，以及用于产生电磁作用力以驱动图像传感器沿光轴运动的电磁驱动装置和用于限定图像传感器沿光轴运动的限位装置。本发明通过电磁力驱动图像传感器沿光轴运动，调整透镜组与图像传感器间的距离，从而实现自动调焦。与现有技术驱动透镜组的调焦方式相比较，本发明更利于电磁驱动装置的安装，使得整个装置结构简单、紧凑。

Description

一种自动调焦装置
【所属技术领域】
本发明涉及一种自动调焦装置，特别是涉及一种利用电磁力作驱动的自动调焦装置。
【背景技术】
自动调焦技术被广泛地使用在照相机、摄像机、手机、摄像头等具有成像功能的设备上，随着人们对这些设备便携要求越来越高，自动调焦的装置也在向体积小、重量轻的方向发展。传统的自动调焦装置利用马达驱动透镜组前后移动，从而改变透镜组和感光设备(例如：CCD或CMOS)之间的距离，达到自动调焦的目的，但由于马达体积的限制，使得整个装置的体积很难进一步缩小。
现有技术出现了多种无驱动马达的自动调焦的解决方案，如中国专利：01136236、02146893和200410035322，均是利用电磁场产生的电磁作用力来移动透镜组。比较典型的例子如附图1所示的中国专利01136236，该专利文献所揭示的装置包括：传感器11、基板12、传感器外壳13、传感滤光器14、弹性部件16、镜片17、镜片翼18、绕线线圈19、磁铁20。在上述弹性部件16外部的末端连接电线，并接通电流。电流通过上述弹性部件16流入缠绕于镜片翼18外部的卷轴式线圈19中。由线圈产生感应磁场，与连接于上述线圈19周围的磁铁20或永久磁铁所固有的磁场相互作用，产生电磁力，将上述镜片翼18沿上下方向移动。因此，调整了上述镜片翼18中连接的镜片17与图像传感器11之间的距离。
此现有技术利用电磁力移动透镜组进行调焦的方式去掉了驱动马达，能够在一定程度上缩小装置的体积，但是需要采用固定机构来将磁铁或者线圈以某种形式与透镜组结合在一起以带动透镜组运动。为了保持光路的畅通，固定机构只能安装于透镜组的侧面，这样就增加了固定机构装配的难度，同时也妨碍了整个调焦装置体积的进一步缩小。
【发明内容】
为解决上述技术问题，本发明提出了一种利用电磁力驱动图像传感器的方法来实现自动调焦的装置，其目的在于：使得整个调焦装置简单、紧凑，同时在自动调焦过程中噪音小，机械运动简单，调焦速度快。
本发明通过以下技术方案实现：一种自动调焦装置，包括沿光轴设置的透镜组和图像传感器，还包括用于产生电磁作用力以驱动所述图像传感器沿光轴运动的电磁驱动装置，以及用于限定所述图像传感器沿光轴运动的限位装置，所述的限位装置为一端与电路基板相连，另一端与透镜组位置相对固定的弹性体，所述的弹性体平衡电磁驱动装置的电磁作用力以将图像传感器固定在某一位置。
上述的电磁驱动装置包括与透镜组位置相对固定的磁铁和与图像传感器固接的驱动线圈。
上述的弹性体为对称设置的弹性电路板或弹性薄膜。
上述的自动调焦装置还包括承载所述图像传感器的电路基板。
上述弹性体为一端与电路基板相连，另一端固定在外接电路板上的弹性薄膜。
上述弹性薄膜包括：聚酯薄膜、尼龙薄膜、橡胶薄膜或聚酰亚胺薄膜。
上述电磁驱动装置包括与透镜组位置相对固定的驱动线圈和与电路基板的固定有图像传感器的一面相对的面固定的截面为圆环的柱状永磁铁。
上述自动调焦装置还包括柔性软排线，用于引出来源于图像传感器的电信号。
上述的弹性薄膜与电路基板为对称连接。
上述的弹性薄膜为对称的两条或四条。
上述弹性体包括弹性电路板，弹性电路板与电路基板相连的一端与图像传感器电连接，用于引出来源于图像传感器的电信号。
上述弹性电路板与电路基板相连的一端与驱动线圈电连接，用于为驱动线圈提供驱动电流，另一端和与透镜组相对固定的外接电路板连接。
上述连接于电路基板与外接电路板的连接为对称设置。
上述对称设置的弹性电路板为两条或四条。
上述图像传感器的中心、图像传感器与电路基板结合体的重心，驱动线圈的圆心位于光轴上。
上述驱动线圈固接于电路基板的与图像传感器相对的面上，所述磁铁为圆柱形，所述驱动线圈可移动地套设在磁铁上。
上述弹性电路板弯折成V型或W型或多褶型。
本发明通过电磁力驱动图像传感器沿光轴运动，调整透镜组与图像传感器间的距离，从而实现自动调焦。与现有技术驱动透镜组的调焦方式相比较，由于光路只通过图像传感器的一面，本发明更利于电磁驱动装置的安装，利用弹性电路板的力学和电学性质，在对图像传感器进行限位的同时传递电信号，使得整个装置结构简单、紧凑。
【附图说明】
图1是现有技术的一种自动调焦装置的结构图。
图2是本发明自动调焦装置实施例一的原理框图。
图3是本发明自动调焦装置实施例一结构剖面图。
图4是本发明实施例一结构分解图。
图5a-5b是本发明实施例一采用不同数量的弹性电路板示意图。
图6是本发明实施例一弹性电路板各种可能的形状。
图7是本发明实施例二结构剖面图。
图8是本发明实施例二自动调焦算法的原理图。
【具体实施方式】
实施例一为本发明的最佳实施例，下面参照附图对其进行详细说明。
如图3及图4所示，该装置由以下部分构成：透镜组1、透镜组支架2、图像传感器3、电路基板4、弹性电路板5、外接电路板6、驱动线圈7、永磁铁8和底座9。
透镜组1固定在透镜组支架2内，透镜组支架2、外接电路板6和底座9位置相对固定，并构成一封闭空腔，光线仅能从透镜组支架2前端的开孔进入腔内，透镜组1和图像传感器3沿光轴11依次排列，并对准开孔的中心，图像传感器3焊接在电路基板4上，其中心与光轴重合，电路基板4的与固定有图像传感器3一面相对的面上固定有驱动线圈7，驱动线圈7同时可移动地套设于固定在底座9内部的圆柱型永磁铁8上。弹性电路板5的两端分别焊接在电路基板4和外接电路板6上，其与电路基板4相连的一端分别与图像传感器3和驱动线圈7电连接，用于引出来源于图像传感器3的电信号和为驱动线圈提供驱动电流。
这里弹性电路板5不仅可以起到电性连接的作用，还起到限位装置的作用。为避免调焦时图像传感器3的中心偏离光轴11，应保证由弹性电路板5变形而产生的合力沿光轴方向，可采用对称的方式设置两条或者四条弹性电路板，分别如图5a、5b所示。同时为保持平衡，所述图像传感器3与电路基板4结合体的重心以及驱动线圈7的圆心也应位于光轴上。
本发明采用的弹性电路板(英文名：flexible PCB、flexible printedcircuit或flex-circuits)是近年出现的一种新型的印刷电路板，能进行可靠的高密度的电性和物理连接、并可反复多次产生较大的弹性形变。例如美国Mod-tronic仪器有限公司生产的Mil-P-50884-Type1型弹性电路板，采用聚酰亚胺(polyimide)表层中夹薄铜片的方式制成，总厚度在0.14mm左右。弹性电路板弯曲变形的幅度越大，所产生的作用力也就越大，其关系取决于组成材料的弹性系数。为了增加弹性电路板受力时变形的幅度，可将弹性电路板弯折成V型、W型或类似的多褶型，如图6所示。弯折后的弹性电路板在受力时，弯折处的夹角也会发生变化，弹性电路板随之被拉直或者压弯，从而提供较大的变形幅度。
实施例一的工作原理如下：透镜组1、永磁铁8、外接电路板6的位置相对固定，通过永磁铁8与驱动线圈7之间的电磁作用力驱动图像传感器3沿光轴运动聚焦。如图2所示，图像光信号通过透镜组1汇聚在图像传感器3上，光学图像信号通过图像传感器3转换为具有行场同步的数字图像信号，该数字图像信号通过弹性电路板5传输到外接电路板6再通过其他接口电路将此数字图像信号传输到中央处理器(数字相机的DSP或PC的CPU)上。中央处理器能将这些同步的数字图像信号通过计算机或数字相机的显示屏直接显示的同时又能根据图像的虚实程度判断该数字成像系统是否聚焦。如未聚焦，中央处理器则产生控制驱动信号经直流驱动电路产生一定大小正或负的直流电压作用在驱动线圈7上，根据电磁学的右手螺旋法则该线圈能根据不同的电流方向产生S或N的电磁场。这个电磁场与柱型永久磁铁8的磁场相互作用便会产生不同方向、不同大小的力推动驱动线圈7以至推动图像传感器3沿光轴移动以调节与透镜组1之间的距离。
作为限位装置的弹性电路板5所产生的弹力在力学角度起着平衡力的作用，当电磁力加大时，弹性电路板5弯曲的形变就会增大，从而产生更大的弹力，弹力与电磁力会在新的位置得到平衡，这样就能保证图像传感器3可以固定在某一位置，同时对称设置的弹性电路板避免调焦时图像传感器3的中心偏离光轴。由于通过线圈的电流是连续可调的，这就可以满足对焦距离调节的精度要求。
实施例二为本发明自动调焦装置的又一实施例，如图7所示。本实施例中，限位装置为一端固定在电路基板4上，另一端固定在外接电路板6上的弹性薄膜5’，其材料可以为聚酯、尼龙、橡胶、聚酰亚胺。为避免调焦时图像传感器3的中心偏离光轴11，同样应保证由弹性薄膜5’变形而产生的拉力的合力沿光轴方向，可采用对称的方式设置两条或者四条弹性薄膜5’，类似于实施例一中弹性电路板的安装方式。在装配时，弹性薄膜5’被拉紧，以产生预应力，使图像传感器3的中心位于光轴11上。与实施例一不同的是，在受到电磁作用力时，本实施例中的弹性薄膜主要产生拉伸变形而不是弯曲变形。由于弹性薄膜5’不具有电性连接的特性，本实施例中增加了一柔性软排线10，用于引出来源于图像传感器3的电信号。电路基板4的与固定有图像传感器3一面相对的面上固定有截面为圆环的柱状永磁铁8，线圈7固定在底座9上，永磁铁8可移动地套接在线圈7上。
实施例二的工作原理如下：透镜组1、驱动线圈7、外接电路板6的位置相对固定，通过永磁铁8与驱动线圈7之间的电磁作用力驱动图像传感器3沿光轴周期性振动，其振幅应覆盖可能清晰成像的区域(透镜组为单个透镜的情况下在1倍至2倍焦距之间)，振动周期应远大于图像传感器3的曝光时间，以保证曝光的稳定性而不至于使图像模糊，一般大于曝光时间的100倍。图像光信号通过透镜组1汇聚在正在振动着的图像传感器3上，图像传感器3将光学图像信号转换为具有行场同步的数字图像信号，该数字图像信号通过柔性软排线10传输到外接电路板6再通过其他接口电路将此数字图像信号传输到中央处理器(数字相机的DSP或PC的CPU)上。
本实施例中驱动电流具有固定的变化周期，图像传感器3沿光轴的运动状态在每个周期内是完全相同的。中央处理器将接收到的数字图像信号按周期采样并处理，进而找出最佳的聚焦时间点。现以图8反映的工作过程为例对本实施例采用的自动调焦算法进行详细说明，横坐标表示时间t，纵坐标表示图像传感器3的位移s。在第一个振动周期内，分别取t＝0时刻及其他3个时刻t11、t12、t13的数字图像信号，然后根据图像的虚实程度判断在上述时刻是否聚焦，如未聚焦，则判断聚焦点应出现在0～t11、t11～t12、t12～t13、t13～T(T时刻图像与0时刻相同)中的哪一时间段内。在接下来的一个振动周期内，在前一周期判定的聚焦点应出现时间段(这里假设为t11～t12)内再次选取3个时刻t21、t22、t23的数字图像信号。再根据图像的虚实程度判断在t21、t22或t23时刻是否聚焦，如未聚焦，则判断聚焦点应出现在t11～t21、t21～t22、t22～t23、t23～t12中的哪一时间段内。按照此过程一直进行下去，直到选出合适的聚焦点对应的时刻tv。之后，可以在下一周期的tv时刻进行拍摄，以获得清晰的图像。
本实施例所采用的调焦算法的关键在于在同一周期内每一时刻与图像传感器3的位移存在一一对应的关系，且在不同周期当中这种一一对应的关系并不改变，因此只需找准聚焦点对应的时刻tv，就等于完成了调焦的过程。这里不需要根据图像虚实程度判断的结果去调节驱动线圈的电流以改变透镜组1与图像传感器3的距离，但根据图像虚实程度判断是否聚焦并在未聚焦时判断聚焦点的偏移方向都可采用现有的调焦算法。与改变驱动电流的调焦方式相比，本例驱动方式简单，但需要图像传感器3在运动中曝光，为确保成像的清晰，振动周期受到曝光时间长短的制约，从而影响调焦的时间。因此，本实施例比较适用于曝光时间短的领域，例如：CCD图像传感器、高速摄影，或者对调焦时间要求不高的应用领域。当然，也可采用其他算法来完成调焦，例如：在每次振动的振幅最大位置附近传感器开始曝光，并通过调节驱动电流的大小来改变振动的振幅，这种方法类似于实施例一的调焦方式，不同的是实施例一在静止状态下曝光，而本例中曝光时刻传感器仍然在运动(虽然振幅位置的运动速度是最慢的)。
作为限位装置的弹性薄膜5’所产生的弹力在力学角度起着周期性振动回复力的作用，当图像传感器3的位移加大时，弹性薄膜5’拉伸形变就会增大，从而产生更大的弹力，弹力与电磁力合力的变化过程决定了图像传感器3沿光轴的运动状态。同时对称设置的弹性薄膜5’可避免调焦时图像传感器3的中心偏离光轴。
不论是实施例一还是实施例二，图像传感器3和与之相连的部件所受的重力都远小于驱动电磁力和弹性电路板5或弹性薄膜5’变形产生的弹力，故本发明的自动调焦装置不会在受到的重力方向与光轴不平行时导致对焦偏差或者图像传感器3的中心偏离光轴。

Claims (18)

1.一种自动调焦装置，包括沿光轴设置的透镜组和图像传感器，以及用于产生电磁作用力以驱动所述图像传感器沿光轴运动的电磁驱动装置，其特征在于还包括：用于限定所述图像传感器沿光轴运动的限位装置，所述的限位装置为一端与电路基板相连，另一端与透镜组位置相对固定的弹性体，所述的弹性体平衡电磁驱动装置的电磁作用力以将图像传感器固定在某一位置。
2.根据权利要求1所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述电磁驱动装置包括与透镜组位置相对固定的磁铁和与图像传感器固接的驱动线圈。
3.根据权利要求1所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述的弹性体为对称设置的弹性电路板或弹性薄膜。
4.根据权利要求1所记载的自动调焦装置，其特征在于，包括承载所述图像传感器的电路基板。
5.根据权利要求4所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述弹性体为一端与电路基板相连，另一端固定在外接电路板上的弹性薄膜。
6.根据权利要求5所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述弹性薄膜包括：聚酯薄膜、尼龙薄膜、橡胶薄膜或聚酰亚胺薄膜。
7.根据权利要求6所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述电磁驱动装置包括与透镜组位置相对固定的驱动线圈和与电路基板的固定有图像传感器的一面相对的面固定的截面为圆环的柱状永磁铁。
8.根据权利要求6所记载的自动调焦装置，其特征在于，还包括柔性软排线，用于引出来源于图像传感器的电信号。
9.根据权利要求5所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述的弹性薄膜与电路基板为对称连接。
10.根据权利要求9所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述的弹性薄膜为对称的两条或四条。
11.根据权利要求5所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述弹性体包括弹性电路板，弹性电路板与电路基板相连的一端与图像传感器电连接，用于引出来源于图像传感器的电信号。
12.根据权利要求11所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述弹性电路板与电路基板相连的一端与驱动线圈电连接，用于为驱动线圈提供驱动电流，另一端和与透镜组相对固定的外接电路板连接。
13.根据权利要求11所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述连接于电路基板与外接电路板的连接为对称设置。
14.根据权利要求13所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述对称设置的弹性电路板为两条或四条。
15.根据权利要求2所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述图像传感器的中心、图像传感器与电路基板结合体的重心，驱动线圈的圆心位于光轴上。
16.根据权利要求2所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述驱动线圈固接于电路基板的与图像传感器相对的面上，所述磁铁为圆柱形，所述驱动线圈可移动地套设在磁铁上。
17.根据权利要求11所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述弹性电路板弯折成V型或W型。
18.根据权利要求11所记载的自动调焦装置，其特征在于，所述弹性电路板弯折成多褶型。
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