(57)【要約】  自動焦点又は光学ズームを目的として、結像システムの光軸に沿い移動するレンズ素子上にスポットを照射するために光線が使用される。光線は、レンズ素子からの反射光線がイメージセンサー上でスポットに当たるよう調整される。イメージセンサー上のスポット位置は信号プロセッサーにより決定される。レンズ素子が光軸に沿い変位するとき、それに従い、スポット位置が変化する。スポットの移動距離に基づき、信号プロセッサーはレンズ素子の変位距離、従って、レンズ素子の位置を決定する。レンズ素子の変位距離に基づき、希望する焦点又はズーム効果を得るよう光軸に沿いレンズ位置を調整するため、制御モジュールが使用される。
2009540287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像システムであって、
イメージ面に位置するイメージセンサー、
前記イメージセンサー上にイメージを投影するための少なくとも１つのレンズ素子であって、光軸を定義するレンズ素子、
前記レンズ素子に動作可能に接続され、前記光軸と実質的に平行な方向で前記イメージセンサーに対し前記レンズ素子を変位させるための駆動装置、
前記レンズ素子の表面にスポットを照射するための光線を供給し、該表面の該スポットからの反射光線を生成するための光源であって、該反射光線が前記イメージセンサー上の１つの位置において前記イメージセンサーに当たることになるよう位置を定められる光源、及び
前記イメージセンサーに動作可能に接続され、前記当たる位置を決定するためのプロセッサーであって、前記レンズ素子が変位距離だけ変位するとき、前記当たる位置が前記イメージセンサー内を移動距離だけ移動し、該プロセッサーは前記当たる位置の該移動距離に基づき前記レンズ素子の該変位距離を計算するよう構成されるプロセッサー、
により特徴付けられる結像システム。
【請求項２】
前記光源がレーザーを有することを特徴とする、請求項１に記載の結像システム。
【請求項３】
前記光源が発光素子を有することを特徴とする、請求項１に記載の結像システム。
【請求項４】
前記プロセッサーは、前記イメージセンサーからイメージフレームをキャプチャし、イメージフレーム間に前記イメージセンサーから伝送されるデータに基づき前記当たる位置を決定するよう構成され、前記光源は前記フレームキャプチャと同期するパルス光源を有し、これにより前記反射光線がイメージフレーム間においても前記イメージセンサー上の１つの位置において前記イメージセンサーに当たるよう設けられることを特徴とする、請求項１に記載の結像システム。
【請求項５】
前記当たる位置を決定するために伝送される前記データの量はフレームキャプチャにおいて伝送されるデータ量より少ないことを特徴とする、請求項４に記載の結像システム。
【請求項６】
前記駆動装置に動作可能に接続され、前記計算された変位距離に基づき前記レンズ素子を調整するための制御モジュールにより更に特徴付けられる、請求項１に記載の結像システム。
【請求項７】
前記調整におけるキャリブレーションのデータを記憶するためのメモリモジュールにより更に特徴付けられる、請求項６に記載の結像システム。
【請求項８】
位置検出のための方法であって、該方法は、
レンズ素子の表面にスポットを照射し、該表面の該スポットからの反射光線を生成するため、結像システム内の該レンズ素子に関連付けられる光線を供給するステップであって、前記結像システムはイメージセンサーを有し、前記レンズ素子は光軸に沿い前記イメージセンサー上にイメージを投影するよう配置され、前記レンズ素子は前記光軸と実質的に平行な方向で前記イメージセンサーに対し変位可能であり、及び前記反射光線が前記イメージセンサー上の１つの位置において前記イメージセンサーに当たるよう前記光線は位置を定められ、前記レンズ素子が変位距離だけ変位するとき、前記当たる位置が前記イメージセンサー内を移動距離だけ移動するステップ、並びに
前記当たる位置の前記移動距離に基づき前記レンズ素子の前記変位距離を計算するために、前記当たる位置の前記移動距離を決定するステップ、
により特徴付けられる方法。
【請求項９】
前記計算された変位距離に基づき前記レンズ素子の位置を調整する、
ことにより更に特徴付けられる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
キャリブレーションデータに基づき前記計算された変位距離を調整する、
ことにより更に特徴付けられる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
結像システムにおいて使用される位置検出モジュールであって、該位置検出モジュールは、
前記結像システムのレンズ素子の表面にスポットを照射するための光線を供給し、該表面の該スポットからの反射光線を生成するための光源であって、前記結像システムはイメージ面においてイメージセンサーを有し、前記レンズ素子は光軸に沿い前記イメージセンサー上にイメージを投影するよう配置され、前記レンズ素子は前記光軸と実質的に平行な方向で前記イメージセンサーに対し変位可能であり、前記反射光線が前記イメージセンサー上の１つの位置において前記イメージセンサーに当たることになるよう位置を定められる光源、及び
前記イメージセンサーに動作可能に接続され、前記当たる位置を決定するためのプロセッサーであって、前記レンズ素子が変位距離だけ変位するとき、前記当たる位置が前記イメージセンサー内を移動距離だけ移動し、該プロセッサーは前記当たる位置の該移動距離に基づき前記レンズ素子の該変位距離を計算するよう構成されるプロセッサー、
により特徴付けられる位置検出モジュール。
【請求項１２】
キャリブレーションデータに基づき前記計算された変位距離を調整するため、該キャリブレーションデータを記録するためのメモリモジュールにより更に特徴付けられる、請求項１１に記載の位置検出モジュール。
【請求項１３】
結像システムであって、該結像システムは、
光軸に沿いイメージを投影するための手段であって、レンズ表面を有するレンズ素子を含む投影する手段、
イメージ面にて前記イメージを検出するための手段、
前記光軸と実質的に平行な方向でイメージセンサーに対し前記レンズ素子を変位させるための手段、
前記レンズ表面にスポットを照射し、該表面の該スポットからの反射光線を生成するための手段であって、これにより該反射光線が前記イメージ検出手段上の１つの位置において前記イメージ検出手段に当たる手段、及び
前記イメージ検出手段から情報を読み出すよう構成され、前記当たる位置を決定するための手段であって、前記レンズ素子が変位距離だけ変位するとき、前記当たる位置が前記イメージ検出手段内を移動距離だけ移動し、前記決定する手段は前記当たる位置の該移動距離に基づき前記レンズ素子の該変位距離を計算するよう構成される手段
により特徴付けられる結像システム。
【請求項１４】
前記計算された変位距離に基づき前記レンズ素子の位置を調整するための手段、
により更に特徴付けられる、請求項１３に記載の結像システム。
【請求項１５】
キャリブレーションデータを記録するための手段であって、前記位置調整が該キャリブレーションデータに基づく手段、により更に特徴付けられる、請求項１４に記載の結像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、結像システム（imaging system）における光学位置検出に関連し、詳細には、結像システムにおける自動焦点光学及び／又は光学ズームモジュールのための位置検出に関連する。
【背景技術】
【０００２】
自動焦点光学システムは、位置検出における高い精度を必要とする。一般的に、必要となる精密度は、数ミクロンのオーダーである。外部変動に対するセンサー出力の線形性及び耐性は重要である。更に、位置検出における動作モードは、機械的磨耗を避けるために、非接触動作も必要とする。携帯電話など小型電子装置に用いる光学を考慮すると、光学検出要素のサイズ及びコスト、並びに大量生産への適合性は、重要な問題である。
【０００３】
通常、市販の自動焦点モジュールにおける位置決定は、ステッピングモーターのステップ数を数えることにより行われる。このためには、モーターは内蔵の位置エンコーダーを持つ。光学モジュールのサイズを縮小するため、小型圧電モーター又はアクチュエーターが一般的に使用される。これらモーター及びアクチュエーターは、分離した位置センサーを必要とする。
【０００４】
数ミクロンのオーダーの動きを伴う自動焦点光学システム又は光学ズームシステムに対する必要性を満たすために、本発明は、位置検出のための簡単な方法及び装置を提供する。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、自動焦点又は光学ズームを目的として、結像システムの光軸に沿い移動するレンズ素子上にスポットを照射するために光線が使用される。レンズ素子からの反射光線がイメージセンサー上で１点（ｓｐｏｔ）に当たるよう、光線が調整される。イメージセンサー上のスポットは、信号プロセッサーに出力される。レンズ素子が光軸に沿い変位するとき、それに従い、イメージセンサー上のスポットは移動する。イメージセンサー上のスポットの移動距離に基づき、信号プロセッサーは、レンズ素子の変位距離、従ってレンズ素子の位置を決定する。レンズ素子の変位距離に基づき、希望する焦点又はズーム効果を得るため、制御モジュールが光軸に沿いレンズ位置を調整するために使用される。制御モジュールは、レンズ位置検出におけるイメージフレーム間でのみ光線が作動するように、光線の駆動も制御する。
【０００６】
イメージセンサー上の光スポットが反射のため歪められ、イメージセンサー上の光スポットの形状がレンズ変位のため大きく変化することが起こり得る。実際のレンズ変位距離と、光スポットの移動に基づき、信号プロセッサーにより決定されたレンズ変位距離を比較するため、キャリブレーション手順を実行することが望ましい。更に、レンズ位置に関する情報がフレーム間で取得できるよう、光スポットは、フレームキャプチャーと同期されたパルス状光源に供給されることができる。更に、レンズ変位を決定するためにイメージセンサーからのデータが伝送されるとき、光スポットが位置することになるイメージセンサーの一部分のみからイメージデータを伝送することが可能である。
【０００７】
本発明は、図２から６を一緒に用いて、明細書を読むことで、明確となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】焦点又はズームを目的として、１以上のレンズ素子が光軸に沿いイメージセンサーに対し移動する結像システムの略図である。
【図２】本発明の１つの実施例による光学位置検出装置の略図である。
【図３】レンズ素子の変位によるイメージセンサーの反射された光スポットの移動を示す。
【図４】レンズ素子の変位距離とイメージセンサー上のスポットの移動距離の間の近似の関係を示す。
【図５】本発明の１つの実施例による別の光学検出装置を示す。
【図６】本発明の１つの実施例によるイメージセンサー内のレンズ素子の位置を決定するための方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
自動焦点レンズシステム及び光学ズームシステムなどの結像アプリケーションは、位置検出における高精度を必要とする。そのようなアプリケーションにおいて、レンズの焦点面又はイメージセンサー上に形成されるイメージの倍率を変えるために、少なくとも１つのレンズ素子が結像システムの光軸に沿って移動する。図１に示されるように、レンズ素子の移動は、実質的に、Ｚ軸と平行となる光軸に沿う。イメージセンサーは、実質的にＸＹ面と平行となるイメージ面内に位置する。結像システムは、点線で示されるように、１又はそれ以上の固定のレンズ素子を持つことができる。
【００１０】
自動焦点又は光学ズームアプリケーションにおいて、参照ポイント又は定位置に対するレンズ素子の位置を決定することが求められる。本発明によれば、光線がレンズ素子の表面上の１つのスポットを照射するために用いられ、レンズ表面からの反射された光線がイメージセンサー上の１つのスポットに当たる。図２に示されるように、結像システム１は、レーザー又は発光ダイオードなどの光源４０を有し、光源は、自動焦点又は光学ズームを目的として、結像システムの光軸に沿って変位するレンズ素子１０上にスポットＡを照射するためのビーム４２を供給するために使用される。レンズ素子１０からの反射光線４４がイメージセンサー上のスポットＳ１に当たるよう、光線は調整される。光線４２は、レンズ素子１０の別の表面に当たることもできる。例えば、光線４２は、スポットＢにおいて別の表面に当たり、スポットＢからの反射光線４６もイメージセンサーに当たることができる。位置検出を目的として、反射光線４４により生成されたスポットＳ１のみ使用することが可能である。
【００１１】
イメージセンサー２０上のスポットＳ１の座標は、信号プロセッサー５０により決定することができる。図２に示されるように、イメージセンサー２０は基材（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）３０上に配置され、光源４０もまたイメージセンサー２０近傍で基材３０上に配置される。示されるように、結像システム１は、光軸に沿いレンズ素子１０を変位させるための運動装置６０、及び光源４０を駆動させるための光源ドライバー（ｄｒｉｖｅｒ）８０もまた有する。制御モジュール７０は、イメージセンサー上のスポット位置の測定値に基づき、運動装置６０を通して、レンズ素子１０の位置を制御するために使用される。制御モジュール７０は、光源ドライバー８０を通し光源４０のオン／オフ時間もまた制御する。例えば、一連のイメージフレームが取得される間に光学ズームが実行される場合、光源４０は、２つの連続するイメージフレーム間の期間のみ作動され、それに従い、イメージセンサー上の光スポットの位置が信号プロセッサー５０により読み出される。
【００１２】
レンズ素子１０がイメージセンサー２０から離れる方向に光軸に沿い変位するとき、光線４２はレンジ素子上の新たなスポットＣに当たり、新たな反射光線４５が生じる。図３に示されるように、反射光線４５は、新たなスポットＳ２において、イメージセンサー２０に当たる。キャリブレーションを通して、イメージセンサー２０上のスポットの移動距離Ｄに基づき、レンズ素子１０の変位距離ｄを決定することが可能である。
【００１３】
イメージセンサー上の光スポットの移動距離Ｄとレンズ素子の変位距離ｄの間の概略の関係が図４に示される。図４に示されるように、三角形の長さＬは変位距離ｄと近似的に等しい。レンズ変位距離ｄが小さい場合、スポット移動距離ＤはＬとほぼ等しい。レンズ変位距離が、例えば、０．５ｍｍなら、Ｄも０．５ｍｍのオーダー内にある。画素分解能２．８μｍを持つイメージセンサーにおいて、Ｓ１とＳ２の間の画素数は、およそ１７８である。レンズ素子の機械的運動が、およそ２．８μｍのステップで行うことができ、光線４２が十分に視準が合っているなら、レンズ素子の位置は同等の精度を持って信号プロセッサーにより決定できる。一般的に、良質の自動焦点動作は、距離０．５ｍｍにおいてレンズ素子を変位させるために約５０ステップを必要とする。本発明は、正確性において、３倍以上の改善が得られる方法を提供する。
【００１４】
イメージセンサー２０と並べて基材３０上に光源４０を配置することが好適ではあるが、光源４０は結像システム１内の適切な位置に配置することができる。例えば、図５に示されるように、光源４０は基材３０から分離することができる。更に、光線４２は、レンズ素子１０に当たる前に面１４から反射され、反射光線４４は、イメージセンサー２０に当たる前に面１２から反射される。
【００１５】
光線の形状、照射する光線４２が反射されるレンズ表面のスポット、及びその他の介在する光学部品に応じて、イメージセンサー上の光スポットが歪みを持つ。また、レンズ変位により、イメージセンサー上のスポットの形状が大きく変化する可能性がある。このため、実際のレンズ変位距離とイメージセンサー上の光スポットの移動に基づき信号プロセッサーによって決定される変位距離を比較するために、キャリブレーション手順を行うことが望ましい。例えば、図５に示されるように、キャリブレーションデータはメモリデバイス５４内に保存することができる。
【００１６】
光源４０は、単一の視準された光放射器、又は光源及びビーム形成光学系の結合されたシステムとできる。光線４２が視準されることが望まれる一方、信号プロセッサーが希望する精度でレンズ変位距離を決定することを可能とするため、明瞭なスポットがイメージセンサー上で観測できるよう、光線を形成することが可能である。
【００１７】
更に、光線４２が当たる第１の表面からの反射光線を使用することが望まれる一方、レンズ素子のその他表面からの光線も使用することができる。更に、光源４０は、レンズ位置に関する情報がイメージフレーム間で取得できるように、フレームキャプチャーと同期されるパルス状光源とできる。また、イメージフレームがキャプチャされるときより、レンズ位置に関する情報が取得されるときの方が、イメージセンサー２０から信号プロセッサー５０に伝送されるデータ量はより少なくできる。例えば、レンズ変位を決定するためにイメージセンサー２０からデータが伝送されるとき、光スポットが位置することが見込まれるイメージセンサーの一部のみからイメージデータを伝送することが可能である。そのようなデータ伝送において、複数の画素を読み飛ばすことも可能である。
【００１８】
本発明の様々な実施例に従い、位置検出は、図６に示されるフローチャートで説明できる。フローチャート１００で示されるように、１以上のイメージフレームをキャプチャするためのプロセスを開始するため、開始信号が使用された後、レンズ素子を照射するよう光スポットが供給され、反射された光スポットはイメージセンサー上に到達し、そして、イメージセンサー上の光スポット位置に基づき、ステップ１１０において、イメージセンサー上のレンズ位置が決定される。キャリブレーションデータが利用可能であるなら、ステップ１２０において、キャリブレーションデータに基づき、レンズ位置が調整される。ステップ１３０において、１以上のイメージフレームがキャプチャされる。ステップ１４０で決定されるように、１以上の更なるフレームがキャプチャされるべき場合、プロセスはステップ１１０に一巡し戻る。さもなければ、プロセスは終了となる。
【００１９】
このように、本発明が１つ又はそれ以上の実施例に関して記載されているが、その形式及び詳細における上記の並びに様々なその他の変更、省略、及び偏向は、本発明の範囲から逸脱することなくもたらされることは、当業者にとって当然のことである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年1月20日(2009.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像システムであって、
イメージ面に位置するイメージセンサー、
前記イメージセンサー上にイメージを投影するための少なくとも１つのレンズ素子であって、光軸を定義するレンズ素子、
前記レンズ素子に動作可能に接続され、前記光軸と実質的に平行な方向で前記イメージセンサーに対し前記レンズ素子を変位させるための駆動装置、
前記レンズ素子の表面にスポットを照射するための光線を供給し、該表面の該スポットからの反射光線を生成するための光源であって、該反射光線が前記イメージセンサー上の１つの位置において前記イメージセンサーに当たることになるよう位置を定められる光源、及び
前記イメージセンサーに動作可能に接続され、前記当たる位置を決定するためのプロセッサーであって、前記レンズ素子が変位距離だけ変位するとき、前記当たる位置が前記イメージセンサー内を移動距離だけ移動し、該プロセッサーは前記当たる位置の該移動距離に基づき前記レンズ素子の該変位距離を計算するよう構成されるプロセッサー、
により特徴付けられる結像システム。
【請求項２】
前記光源がレーザーを有する、請求項１に記載の結像システム。
【請求項３】
前記光源が発光素子を有する、請求項１に記載の結像システム。
【請求項４】
前記プロセッサーは、前記イメージセンサーからイメージフレームをキャプチャし、イメージフレーム間に前記イメージセンサーから伝送されるデータに基づき前記当たる位置を決定するよう構成され、前記光源は前記フレームキャプチャと同期するパルス光源を有し、これにより前記反射光線がイメージフレーム間においても前記イメージセンサー上の１つの位置において前記イメージセンサーに当たるよう設けられる、請求項１に記載の結像システム。
【請求項５】
前記当たる位置を決定するために伝送される前記データの量はフレームキャプチャにおいて伝送されるデータ量より少ない、請求項４に記載の結像システム。
【請求項６】
前記駆動装置に動作可能に接続され、前記計算された変位距離に基づき前記レンズ素子を調整するための制御モジュールにより更に特徴付けられる、請求項１に記載の結像システム。
【請求項７】
前記調整におけるキャリブレーションのデータを記憶するためのメモリモジュールにより更に特徴付けられる、請求項６に記載の結像システム。
【請求項８】
位置検出のための方法であって、該方法は、
レンズ素子の表面にスポットを照射し、該表面の該スポットからの反射光線を生成するため、結像システム内の該レンズ素子に関連付けられる光線を供給するステップであって、前記結像システムはイメージセンサーを有し、前記レンズ素子は光軸に沿い前記イメージセンサー上にイメージを投影するよう配置され、前記レンズ素子は前記光軸と実質的に平行な方向で前記イメージセンサーに対し変位可能であり、及び前記反射光線が前記イメージセンサー上の１つの位置において前記イメージセンサーに当たるよう前記光線は位置を定められ、前記レンズ素子が変位距離だけ変位するとき、前記当たる位置が前記イメージセンサー内を移動距離だけ移動するステップ、並びに
前記当たる位置の前記移動距離に基づき前記レンズ素子の前記変位距離を計算するために、前記当たる位置の前記移動距離を決定するステップ、
により特徴付けられる方法。
【請求項９】
前記計算された変位距離に基づき前記レンズ素子の位置を調整する、
ことにより更に特徴付けられる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
キャリブレーションデータに基づき前記計算された変位距離を調整する、
ことにより更に特徴付けられる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
結像システムにおいて使用される位置検出モジュールであって、該位置検出モジュールは、
前記結像システムのレンズ素子の表面にスポットを照射するための光線を供給し、該表面の該スポットからの反射光線を生成するための光源であって、前記結像システムはイメージ面においてイメージセンサーを有し、前記レンズ素子は光軸に沿い前記イメージセンサー上にイメージを投影するよう配置され、前記レンズ素子は前記光軸と実質的に平行な方向で前記イメージセンサーに対し変位可能であり、前記反射光線が前記イメージセンサー上の１つの位置において前記イメージセンサーに当たることになるよう位置を定められる光源、及び
前記イメージセンサーに動作可能に接続され、前記当たる位置を決定するためのプロセッサーであって、前記レンズ素子が変位距離だけ変位するとき、前記当たる位置が前記イメージセンサー内を移動距離だけ移動し、該プロセッサーは前記当たる位置の該移動距離に基づき前記レンズ素子の該変位距離を計算するよう構成されるプロセッサー、
により特徴付けられる位置検出モジュール。
【請求項１２】
キャリブレーションデータに基づき前記計算された変位距離を調整するため、該キャリブレーションデータを記録するためのメモリモジュールにより更に特徴付けられる、請求項１１に記載の位置検出モジュール。
【請求項１３】
結像システムであって、該結像システムは、
光軸に沿いイメージを投影するための手段であって、レンズ表面を有するレンズ素子を含む投影する手段、
イメージ面にて前記イメージを検出するための手段、
前記光軸と実質的に平行な方向でイメージセンサーに対し前記レンズ素子を変位させるための手段、
前記レンズ表面にスポットを照射し、該表面の該スポットからの反射光線を生成するための手段であって、これにより該反射光線が前記イメージ検出手段上の１つの位置において前記イメージ検出手段に当たる手段、及び
前記イメージ検出手段から情報を読み出すよう構成され、前記当たる位置を決定するための手段であって、前記レンズ素子が変位距離だけ変位するとき、前記当たる位置が前記イメージ検出手段内を移動距離だけ移動し、前記決定する手段は前記当たる位置の該移動距離に基づき前記レンズ素子の該変位距離を計算するよう構成される手段
により特徴付けられる結像システム。
【請求項１４】
前記計算された変位距離に基づき前記レンズ素子の位置を調整するための手段、
により更に特徴付けられる、請求項１３に記載の結像システム。
【請求項１５】
キャリブレーションデータを記録するための手段であって、前記位置調整が該キャリブレーションデータに基づく手段、により更に特徴付けられる、請求項１４に記載の結像システム。
【国際調査報告】
2009540287.tif 000009
2009540287.tif 000010
2009540287.tif 000011