基于MEMS的光学图像稳定的制作方法

本申请是申请日为2012年9月28日、申请号为201280047680.1、发明名称为“基于mems的光学图像稳定”的发明专利申请的分案申请。

本公开总体上涉及光学装置，更具体的，涉及基于微机电系统(mems)的图像稳定系统。

背景技术：

具备诸如变焦、自动聚焦和高分辨率的特征的手机照相机的迅猛发展已经威胁到使傻瓜照相机过时。但是，随着这种微型照相机移植了越来越高的兆像素密度和变焦功能，产生的图像质量受到人手抖动的影响。实际上，即使人类用户努力地尝试，静止地手持照相机在物理上也是不可能的，这是因为人手具有峰值处于7到11hz之间的天然的颤动。照相机的这种大约10hz的颤抖将会根据曝光时间以及每个图像像素的视角范围对图像质量产生越来越大的影响。手机照相机的像素密度的增加会引入由于照相机抖动而产生的越来越多的图像模糊。

因此，已经研制出了用于数字照相机的基于mems的运动传感器，以解决由于人手颤动而引起的图像质量下降。例如，基于mems的陀螺仪可用于感测照相机的运动。响应于感测到的运动，图像稳定系统试图移动透镜或者图像传感器，以最小化或者消除最终的由运动引起的图像模糊。然而，所产生的致动是使用传统的致动器执行的。

因此，本领域需要基于mems的图像稳定系统。

技术实现要素：

根据本公开的第一方面，提供了一种照相机，其包括：多个静电致动器；以及光学图像稳定(ois)算法模块，其可操作用于响应于照相机的运动，命令多个致动器致动所述至少一个透镜。

根据本公开的第二方面，提供了一种图像稳定方法，包括：感测照相机的运动；基于感测到的运动，确定用来稳定照相机透镜的期望的透镜致动；将所述期望的透镜致动转换为期望的切向致动；以及根据所述期望的切向致动，使用多个切向致动器切向致动至少一个透镜。

根据本公开的第三方面，一种致动器装置，包括：台，其被弹性地支撑以在平面内运动；三个或者更多个致动器，每个致动器均连接到所述台的外围，并且可操作用于在致动时将作用在所述平面中的力切向地施加到所述台；以及外部框架，其围绕并支撑所述台和致动器。

通过考虑下面对一些示例性的实施例的详细描述，特别是如果结合附图进行上述考虑，能够更好的理解本公开的新颖的致动器装置以及使用该致动器装置的一些方法的上述和一些其他特征和优点，其中，在示出的一个或者多个附图中，相似的参考标号用于表示相似的元件。

附图说明

图1是利用切向致动的示例性的图像稳定装置的平面图；

图2a-2f是示出使用图1的示例性的图像稳定装置来实现光学元件在平面上的平移和旋转运动的矢量图；

图3是图1的装置中的致动器的透视图；

图4a是用于图3的致动器中的梳状部件的相互交叉的指状物的局部平面图，其示出了在将致动器展开以进行操作应用之前的指状物；

图4b是用于图3的致动器中的梳状部件的相互交叉的指状物的局部平面图，其示出了已经将致动器展开后的指状物；

图4c是在梳状部件已经偏置到工作位置之后、用于图3的致动器中的梳状部件的相互交叉的指状物的局部平面图；

图5是图3的致动器闩锁的平面图，其示出了所述致动器闩锁与致动器杆接合的各种阶段；

图6a-6c是示出图1的装置中的安装台在“停滞”状态和“工作”状态之间的平面旋转运动的矢量图；

图6d是处于停滞状态的安装台的平面图；

图6e是处于工作状态的安装台平面图；

图6f是锁定的图6d的安装台的臂的特写视图；

图6g是没有锁定的图6e的安装台的臂的特写视图；

图7是使用切向致动器的图像稳定系统的框图；

图8是图7的系统的实施例的框图，其中，在驱动器集成电路中实现光学图像稳定算法；

图9示出了图8的驱动器集成电路的更多细节；

图10是由图8和9的系统执行的图像稳定处理的流程图；

图11是图7的系统的实施例的框图，其中，在图像处理器集成电路中实现光学图像稳定算法；

图12示出了图11的驱动器和图像处理器集成电路的更多细节；以及

图13是由图11和12的系统执行的图像稳定处理的流程图。

具体实施方式

利用静电式的基于mems的透镜致动提供有效的图像稳定系统。在一个实施例中，只有三个致动器可放置在诸如透镜的光学元件周围，以通过利用切向致动来实现图像稳定。现在转向附图，图像稳定装置100包括由圆形安装台110限定的中心孔105，其用于容纳诸如透镜或者透镜组(未示出)的光学元件。标示为致动器1、致动器2和致动器3的3个致动器对称地设置在孔105周围。每个致动器以切向致动的方式对台110进行致动。换句话说，每个致动器引入的线性位移120限定的矢量方向与包围孔中心118的圆相切。例如，线性位移120与安装台110限定的圆相切。

参照由孔105的中心118限定的笛卡尔坐标系可更好地理解产生的切向致动。台110和致动器1、2和3位于由x和y方向限定的平面上。z方向从平面的中心118垂直地突出。如本文所使用的，将如方向115所指示的切向位移视为对每个致动器来说是正向的。就这方面而言，每个致动器从而能够进行正向和负向位移。如图2a所示，如果每个致动器1、2和3都引入相同的位移，其中，致动器1和2引入的是沿切向的负向位移，而致动器3引入的是沿切向的正向位移，则产生的台110的切向致动沿x方向的正向。相反的，如图2c所示，如果致动器1和2都是正向而致动器3是相等的负向，则产生的台110的切向致动沿x方向的负向。可选地，如图2b所示，如果致动器3不引入位移，致动器1负向地致动给定的量，并且致动器2正向地致动相同的量，则台110的最终致动沿y方向的正向。相反的，如果致动器3不引入位移，而致动器1和2如图2d所示的切换正向和负向位移，则台110的最终致动沿y方向的负向。以这种方式，切向致动能够在致动器的移动范围内为台110产生任何期望大小的x和y位移。

切向致动还能引入台110围绕z轴的旋转。例如，在图2e中，如果每个致动器1、2和3均引入相同大小的负向位移，则台110的最终致动为顺时针旋转(负θ)。相反的，如果图2e中的致动器全部都如图2f所示的反向，这样所有的切向致动都是正向，则台110的最终致动为绕z轴逆时针旋转(正θ)。以这种方式，台110既可以按照期望的在x和y平面平移，也可以在θ方向中旋转。

可在局部坐标系中表示致动器1到3中的每一个引入的切向位移。例如，可将致动器3在x方向的切向位移指定为在l3方向上的位移，其具有与图1的方向115表示的方向相同的正向法则。类似的，致动器1和2的切向位移可分别由局部线性坐标l1和l2表示。取决于从中心118到每个致动器的有效切向致动点的径向距离r，致动器1在维度l1中的位移，致动器2在l2中的位移以及致动器3在l3中的位移可都涉及台110在x和y维度的平移以及台110以θ角的旋转。在这方面，坐标变换可显示如下：

l3＝rsinθ+x

上面的坐标变换假设透镜的中性位置位于原点，但是，如果中性位置偏离原点，则可相应地对其进行修改。利用这些坐标变换，检测到的由于照相机的抖动或者其他意想不到的物理扰动而导致的台110在x、y平面上的平移或者旋转可通过相应的切向致动来解决。任何合适的致动器(例如，梳状或者间隙封闭致动器)均可用于构造致动器1、2和3。偏梳状致动器具备良好的移动特性，例如，+/-50微米，可以如申请号为12/946,670(下文称作‘670申请)、申请日为2010年11月15日的共同受让的美国专利申请中所讨论的那样实现所述偏梳状致动器，通过引用的方式将该美国专利申请的内容合并到本文中。在该实施例中，每个致动器具有固定部分121和可移动部分122。在图1的图像稳定装置100中，固定部分121与外框架125接合，并且包括多个向可移动部分122径向延伸的固定的梳状支撑件112。类似的，可移动部分122包括多个向固定部分121径向延伸的梳状支撑件113。梳状支撑件112和113相互交替以支撑多个梳状部件114。为了清楚起见，图1中没有示出梳状部件114，而是在图4a到4c的特写视图中示出。

如在图3中可以更加详细地看到的，每个致动器1到3通过相应的弯曲部件106来驱动台110。为了允许从相对的致动器移动，每个弯曲部件106在径向方向可以相对柔韧，而在切向方向(对应于图1的线性位移120)相对刚性。例如，弯曲部件106可包括具有与切向方向对齐的纵向轴的v型折叠弯曲部分。这样的v型弯曲部分允许径向弯曲，而对于位移120来说相对刚性。以这种方式，可以实现用于台110的“虚拟动态测量”布置，其可以在静止状态精确地定位中心118，还可以在图像稳定期间实现期望的x-y平面平移和以θ角旋转。

可使用例如‘670申请中描述的线性展开来实现使用mems工艺且实现致动器1到3的偏置展开状态的梳状部件114的制造。如在图4a的特写视图中所看到的，可在完全相互交叉的状态下制造构成每个梳状部件114的相互交叉的指状物。换句话说，梳状部件114的指状物最初设置为使得相关联的固定和可移动梳状支撑件112和113隔开约梳状部件114中的指状物的长度。因此，对图4a中处于未展开状态的整个梳状部件114施加电压差将不会产生台110相对于框架125的任何平面上的直线运动，从而不会产生连接在其上的透镜的任何相应的x、y或者θ运动。为了留有致动空间，每个梳状部件114均应当如图4b所示的分离并展开。

如图4b所示，在一个实施例中，可通过以下方式实现该展开：通过按照箭头400的方向将梳状支撑件113移动(从而移动图1的可移动部分122)到展开位置，该展开位置与相关联的固定的梳状支撑件112共面、相互平行并且以选定的距离隔开，并随后将可移动部分122固定在展开位置，以相对于固定部件121进行大体上共面、直线的运动。如图4c所示，当如此展开时，对整个梳状部件114施加和移除合适的电压差将会导致弹性支撑的可移动部分122如双箭头405所示的以朝向或者远离固定部分121的方向做基本上直线且共面的移动，从而导致耦合到台110的元件做相应的x、y和/或θz运动。

有用于将可移动部分122展开到展开位置以及将其锁定或固定在展开位置的多种不同的方法和装置。例如，如图3所示，一种展开方法涉及框架125上的共面的、偏离中心的闩锁300和支轴304。闩锁300通过闩锁弯曲部件306连接到框架125。共面的展开杆308通过展开弯曲部件310连接到可移动部分122。展开杆308具有被配置为与闩锁300接合的凸轮表面312。另外，杆308具有与支轴304接合的凹口，以使得杆能够相对于支轴304做旋转运动。

在示例性的展开中，如图3所示，按照箭头314的方向将加速度脉冲应用到可移动部分122，而使框架125保持静止。该脉冲使得展开杆308围绕支轴304朝向闩锁300旋转。如从图5可看出的那样，展开杆308围绕支轴304的旋转使得凸轮表面312与闩锁300接合。最初，杆308位于未展开位置501，但是开始旋转到中间位置502，以使得凸轮表面312偏置闩锁300并伸开闩锁弯曲部件306。为了清楚起见，显示的是展开弯曲部件310的大部分的剖视图。杆308的连续旋转使得闩锁弯曲部件306将闩锁300向下拉回到展开杆308并固定在锁定位置503。为了产生使杆308旋转并移动可移动部分122的加速度脉冲，可将小的探针或者其他mems装置插入到拉环315(图3)中并相应地致动。在可选的实施例中，可以使用例如申请日为2010年11月15日、申请号为12/946,657的共同受让的美国专利申请中描述的毛细管作用来展开可移动部分122，通过引用的方式将该美国专利申请的内容合并到本文中。类似的，‘670申请中描述了可选的展开和锁定的结构和方法。

展开和锁定可导致梳状部件114如图4b所示的相对的完全打开。在该位置，梳状部件114仅能够有效地收缩而不是扩展。在这方面，收缩和扩展都是实现如上所述的有关致动器1、2和3的正向和负向运动所需要的。因此，图像稳定期间的默认状态可涉及为实现如图4c所示的中等相互交错而施加到整个梳状部件114的某种程度的电压。以这种方式，当梳状电压低于图4c的默认工作电压时，梳状部件114将会扩展。相反的，当梳状电压相对于默认工作电压来说增加时，梳状部件114将会收缩。以这种方式，可以由致动器1、2和3施加正向和负向致动，如箭头405所示。

在对整个梳状部件114施加默认电压之前，致动器可处于“开始移动”、“关机”或者“停滞”状态。在停滞状态，图像稳定不起作用，但是中心118不受影响。如根据图2f所讨论的，致动器1、2和3中的每一个的合适的位移产生以θ角度的正向旋转，但是不会产生在x-y平面的平移。从而，在每个梳状部件114的这种位移足以使从图4b所示的展开但是非活动状态转换到图4c所示的默认工作状态。图6a示出了致动器1、2和3旋转以从停滞状态转换到活动的光学图像稳定状态。如图6b所示，在已经将梳状部件114偏置到它们的工作电压之后，可选地对致动器1、2和3中的每一个的工作电压进行可控制的增加或者减小将会导致如以上根据图2a-2f所述的台110的确定的运动(中心118由此也相应地运动)。为了节省能耗，当不进行成像时，致动器1、2和3可以再次回到如图6c所示的它们的非活动状态。

参考图6d到6e，可以更好地理解致动器1、2和3从它们的停滞状态到活动光学图像稳定的展开。可以有利地利用致动器设备关断电源的状态，以保护设备不受作用在台上的冲击力和平面凹变效应以及在设备非活动期间的弯曲的影响。因此，在一些实施例中，一个或者多个锁定臂308可连接到台110的周边，其中，所述一个或者多个锁定臂308中的每一个都具有置于其上的锁定部件428，并且相应的多个互补锁定部件430能够例如连接到外部框架125，并且当台110被轮转地设置在停滞或者关断电源状态时，所述互补锁定部件430被设置为与锁定臂308上的对应的一个互补锁定部件428相接合。图6f是锁定部件430与互补锁定部件428相接合的视图，而图6g示出了这些部件展开的状态。在图6g中，虚线轮廓432描绘了在致动设备进行图像稳定操作期间处于工作状态的锁定臂308和锁定部件428端部的周边的运动范围，并且示出了在该工作期间，臂308、锁定部件428和互补锁定部件430之间不会产生干扰。

图7示出了使用切向致动来控制图像稳定的控制系统700的框图。在图像稳定方面，区别照相机的有意运动和无意的抖动是常见的。例如，用户可能会有意的在90度的移动范围内移动照相机以拍摄不同的对象。不应当检测这种有意的运动，否则图像稳定系统将会使透镜旋转90度以补偿这种有意的运动，这是不可能完成的也是不希望的任务。一种区别照相机无意的抖动的方法是使用预测照相机的有意运动的追踪环路。在一个实施例中，控制系统700包括追踪滤波器，例如，基于先前测量的照相机运动预测当前的透镜位置的卡尔曼滤波器705。

卡尔曼滤波器705需要对照相机运动进行一些测量以预测哪些是照相机的有意运动，而非无意抖动。因此，诸如基于mems的陀螺仪710的惯性传感器测量照相机上的一些参考点的速度，参考点例如之前讨论的孔中心118。可将如通过陀螺仪710进行的俯仰和偏转测量得到的中心118在x、y平面上的速度分别标记为xg和yg。可通过分析照相机图像得到的运动估计来对这种惯性测量进行补充。因此，照相机图像处理器720还可以对中心118在x、y平面上的速度进行估计，中心118在x、y平面上的速度分别被标记为xc和yc。卡尔曼滤波器从陀螺仪710和照相机处理器720接收速度估计并对它们进行滤波，以相应地对透镜中心118在x、y平面上的速度进行预测。可将卡尔曼滤波器对参考位置速度的预测分别标记为x0和y0。通过高通滤波器725对速度估计进行滤波以移除陀螺漂移，在积分器730中对所述速度估计进行积分，并且在放大器735中将所述速度估计乘以合适的缩放系数以得到位置估计值740。在这方面，估计值740表示在不存在抖动的情况下卡尔曼滤波器705预测的透镜中心118的预期位置。将估计值740和实际的透镜位置之间的差值认为是抖动，并且应当通过图像稳定控制系统700进行补偿。应当理解，控制系统700的实施例可实现为不包括这种预测的追踪环路。例如，陀螺仪710进行的惯性测量可以仅仅是高通滤波，以提供对预期的照相机速度的粗略估计。可对这种速度估计进行如上所述的积分以获得位置估计值740。

为了获得实际的透镜位置(或者等价的，某些参考点(例如，中心118)的位置)，每个致动器都与位置传感器相关联。例如，致动器1可以与感测之前讨论的l1位移的位置传感器741相关联。在这方面，位置传感器741可以感测整个梳状部件114的电容以对l1位移进行估计。可选的，可以使用其他类型的传感器，例如，霍尔传感器。类似的，致动器2和3与相应的位置传感器742和743相关联。从而位置传感器742感测l2位移，而传感器743感测l3位移。随后在相应的模数转换器745中对这些感测到的位移进行数字化处理并传送到坐标转换器750。通过逆推之前讨论的公式，令θ＝0，可将切向致动l1到l3转换为感测位置xs、ys。随后使用加法器755确定感测的位置和卡尔曼滤波器预测的位置之间的差值。可随后在控制器760和补偿器765中对加法器755的输出进行滤波，以得到最终的透镜的x和y坐标，其中，应当对透镜进行致动以补偿照相机的抖动。

转换器770根据如上所述的等式(令θ＝0)将x和y坐标转换为切向坐标l1、l2和l3。转换器770的输出从而表示致动器1到3的期望的致动。卡尔曼滤波器预测和最终的期望的致动的生成以相对较低的数据速率进行，这是因为需要进行大量的运算。但是，将致动器1到3驱动到期望致动程度的实际致动可以采用相对较高的数据速率。因此，图7中的分界线771表示将控制系统700的数字区域分割成相对高和相对低的数据速率。类似的，分割线772表示将控制系统700分割成数字区域和模拟区域。

可以使用相应的加法器来确定期望的致动程度和致动器1、2和3的实际致动之间的差别。相应的控制器780随后相应地为其致动器确定合适的控制信号。随后可以使用数模转换器(dac)790将产生的数字控制信号转换为模拟控制信号。如本领域所熟知的，静电梳状致动器通常要求升高电压电平，例如，通过电荷泵获得的升高电压电平。因此，响应于在dac790中产生的模拟控制信号，通过相应的驱动电路790对致动器1到3中的每一个进行驱动。以这种方式，控制系统700能够使用在笛卡尔坐标系中感测照相机运动的陀螺仪710，以有利地仅使用三个切向mems致动器来获得图像稳定。

可通过多个可选的实施例来实现利用系统700的图像。在这方面，可将从卡尔曼滤波器705到转换器770和750的数字部件和信号路径的集合标记为ois算法模块。可以在各种集成电路结构中实现该ois算法模块。如图8所示，照相机800的一个实施例包括位于mems驱动器集成电路(ic)810内的ois算法模块805。照相机800包括如上所述的用于图像稳定的mems切向致动器和用于自动聚焦(af)和缩放目的的致动器。将这些mems致动器集中地显示为mems模块815。驱动器ic810利用来自af驱动器830的af命令820和来自光学图像稳定(ois)驱动器835的平面切向致动命令825对mems模块815进行驱动。mems模块815包括位置传感器，例如，结合图7讨论的位置传感器，这样驱动器ic810可以接收平面切向致动器位置840。

诸如i²c总线845的总线将驱动器ic810连接到其他照相机部件。然而，应当理解，可以使用其他总线协议。在照相机800中，陀螺仪710、成像器720、图像处理器850和微处理单元(mcu)855都连接到i²c总线845。由于i²c协议是主-从协议，所以驱动器ic810中的模块805的位置提供了较低的延迟，本文将对其作进一步地描述。图9示出了照相机800的最终控制环路。总线主设备可以是由主模块900表示的isp或者mcu。ois算法模块805是简化的版本，这是因为忽略了追踪滤波器，高通滤波器通过对陀螺仪710输出的俯仰和偏航率进行滤波来估计照相机的有意运动。因此主-从总线上的数据流通常是自从设备到主设备或者自主设备到从设备的数据流，所以陀螺仪710的旋转速率首先输送到主模块90，并随后输送到驱动器ic810。在这方面，主模块900控制陀螺仪710和驱动器ic810。为了清楚起见，仅在ois算法模块805中示出了单个合并的通道。因此，转换器920代表图7中的转换器770和750。利用转换器920相对于透镜的中性位置925对实际和期望的透镜位置进行转换。

图10示出了总线845上产生的数据流。图像稳定必然消耗一些电流，因此理想的是仅在当用户正拍摄数码照片时才进行图像稳定处理。当时，在初始步骤1000中，利用主模块900作为i²c总线主设备，ois数据流开始。当时，如步骤1005所示，陀螺仪710可以开始对照相机的运动进行惯性测量，并且ois驱动器835可以命令mems致动器815从停滞状态转换到活动状态。在步骤1010，主模块900随后读取6个字节的陀螺仪数据，以使得可以在步骤1015将数据写入到驱动器ic。在步骤1020，ois算法模块805能够随后确定合适大小的致动以解决照相机抖动的问题。如果如步骤1025所确定的那样用户已经完成了拍摄数字照片，则在步骤1030结束该流程。否则，重复步骤1010到1025。一个循环(步骤1010到1020)的通信时间取决于总线时钟周期和数据宽度。如果总线845能够在每个10μs的时钟周期容纳3个字节，则循环时间为10μs*2*6*8+步骤1020所需的算法运算时间，其等价于0.96ms+算法运算时间。

图11示出了可选的控制结构，其中，ois算法模块805位于isp850内。与图9类似，isp850中的自动聚焦模块940控制驱动器ic810中的af驱动器830。驱动器ic810、陀螺仪710、成像器720、isp850和mcu855都使用i²c总线845进行通信。图12示出了产生的控制环路。ois算法模块805也是简化的版本，这是因为略了追踪滤波器，高通滤波器910通过对陀螺仪710输出的俯仰和偏航率进行滤波来估计照相机的有意运动。isp850控制陀螺仪710和驱动器ic810。为了清楚起见，仅示出了ois算法模块805的单个合并的通道。

图13示出了根据图11和12的实施例在总线845上产生的数据流。响应于活动图像拍摄模式的调用，在初始步骤1300，利用isp850作为i²c总线主设备，ois数据流开始。可选地，mcu855可以作为主设备。如在与步骤1300同时进行或者随后进行的步骤1305所示，陀螺仪710可以开始对照相机的运动进行惯性测量，并且ois驱动器835可以命令mems致动器815从停滞状态转换到活动状态。在步骤1310，主模块900随后读取6个字节的陀螺仪数据。另外，在步骤1315，isp855从转换器920读取6个字节的当前的透镜位置。在步骤1320，ois算法模块805能够随后确定合适大小的致动以解决照相机抖动的问题。于是，在步骤1325，isp855可以将6个字节的驱动命令写入到相应的驱动器ic。如果如步骤1330所确定的那样用户已经完成了拍摄数字照片，则在步骤1335结束该流程。否则，重复步骤1310到1325。一个循环(步骤1310到1325)的通信时间取决于总线时钟周期和数据宽度。如果总线845能够在每个10μs的时钟周期容纳3个字节，则循环时间为10μs*3*6*8+步骤1320所需的算法运算时间，其等价于1.44ms+算法运算时间。因此，在主从总线协议系统中，如前所述的使ois算法模块805位于ic驱动器810中更快。相反，将ois算法模块805置于isp850中则需要额外的数据移动步骤。

如本领域技术人员将会理解的那样以及根据特定应用，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开的致动器装置的使用方法、材料、设备、配置作出众多修改、替换和改变，基于此，本公开的范围不应当受到本文描述和示出的特定实施例的限制，这是因为它们仅是列举的一些例子，本发明的范围应当与后面所附的权利要求书及其功能等同体完全一致。