透镜镜筒和成像设备的制作方法

1.本发明涉及透镜镜筒和成像设备。


背景技术：

2.传统上，为了进一步缩短成像设备的最小拍摄距离，例如，将附加透镜插入成像透镜，将微距转换透镜附接到成像透镜，或者将延伸管附接到安装件。
3.将另一个透镜插入成像透镜可能导致透镜周围的机构复杂化，并改变成像透镜的透镜组之间的位置关系。这使得难以保持成像透镜的固有光学性能。至于添加微距转换透镜或延伸管，这些元件需要手动附接或移除，这对用户来说可能是很麻烦的。
4.例如，专利文献1描述了一种具有专用于微距拍摄模式的可折叠凸轮的透镜镜筒，该透镜镜筒突出所有透镜组，以缩短在正常拍摄模式下成像设备与其的最小拍摄距离。
5.专利文献1中的透镜镜筒可以排除要插入成像透镜和/或微距转换透镜或延伸管以附接的附加透镜，以缩短在正常拍摄模式下成像设备与其的最小拍摄距离。
6.引用文献列表
7.专利文献
8.专利文献1：日本专利号3253360。


技术实现要素：

9.技术问题
10.本发明的一目的是要提供一种透镜镜筒和成像设备，其能够在比典型拍摄距离短的最小拍摄距离中防止成像透镜的光学性能劣化。
11.问题的解决方案
12.根据本发明的实施例，透镜镜筒包括多个透镜组；驱动器，其被配置为沿着光轴移动多个透镜组的至少一部分，用于聚焦；保持器，其被配置为保持多个透镜组和驱动器；以及移动器，其被配置为通过沿着光轴移动保持器来沿着光轴一起移动多个透镜组和驱动器。移动器将保持器移动到至少第一位置和第二位置，在第一位置，透镜镜筒的拍摄距离在第一范围内是可变的，在第二位置，透镜镜筒的拍摄距离在第二范围内是可变的。第二范围在最小拍摄距离下比第一范围短。
13.发明的有利效果
14.根据本发明的一方面，可以提供能够在比典型的最小拍摄距离短的最小拍摄距离中防止成像透镜的光学性能恶化的透镜镜筒和成像设备。
附图说明
15.图1是示意性示出根据本发明的实施例的成像设备的透视图。
16.图2是示出根据所述实施例的成像设备的配置的框图。
17.图3是在根据所述实施例的成像设备的正常拍摄模式下的透镜镜筒沿着光轴ax的
截面图，其中拍摄距离被设置为无穷大。
18.图4是在根据所述实施例的成像设备的正常拍摄模式下的透镜镜筒沿着光轴ax的截面图，其中拍摄距离被设置为最小。
19.图5(a)是沿着光轴ax的旋转圆筒的截面图，其描绘了在正常拍摄模式下透镜镜筒的旋转圆筒的凸轮凹槽和马达框架的从动件之间的关系；以及图5(b)是沿着光轴ax的旋转圆筒的截面图，其描绘了在微距拍摄模式下凸轮凹槽和从动件之间的关系。
20.图6是在根据所述实施例的成像设备的微距拍摄模式下的透镜镜筒沿着光轴ax的截面图，其中拍摄距离被设置为最大。
21.图7是在根据所述实施例的成像设备的微距拍摄模式下的透镜镜筒沿着光轴ax的截面图，其中拍摄距离被设置为最小。
22.图8是示出根据所述实施例的成像设备的操作的流程图。
23.图9是根据所述实施例的处于缩回状态的透镜镜筒的截面图。
具体实施方式
24.以下，将参考附图描述根据实施例的透镜镜筒和包括这样的透镜镜筒的成像设备。
25.图1是示出根据一实施例的成像设备1的示意性透视图。图2是示出成像设备1的结构的框图。成像设备包括例如单镜头反光相机、小型数码相机、无反光镜单镜头相机、摄像机或便携式摄像机的摄影功能。
26.如图1和2所示，成像设备1包括设备主体10和透镜镜筒20。设备主体10作为驱动单元操作，该驱动单元向透镜镜筒20施加驱动力并控制透镜镜筒20的操作。
27.设备主体10包括系统控制器100、操作单元102、驱动电路104、固态图像传感器106、信号处理电路108、图像处理引擎110、缓冲存储器112、液晶显示器(lcd)114、只读存储器(rom)116、闪存118、卡接口120和透镜镜筒马达122。
28.透镜镜筒20包括成像透镜200、快门单元210和聚焦马达220。
29.在下文中，定义了三个方向。在图1中，z轴方向被定义为沿着成像透镜200的光轴或沿着光轴ax，y轴方向被定义为正交于z轴方向的竖直方向，以及在图1中，x轴方向被定义为正交于y轴方向和z轴方向的水平方向。
30.操作单元102包括供用户操作成像设备1的各种按钮和转盘，例如电源按钮、释放按钮和拍摄模式按钮。响应于用户对电源按钮的操作，成像设备1的各个电路通过电源线由电池(未示出)供电。
31.系统控制器100包括中央处理单元(cpu)和数字信号处理器(dsp)。在供电之后，系统控制器100访问rom116以检索控制程序并将其加载到工作区域(未示出)。系统控制器100执行加载的控制程序来控制整个成像设备1。
32.例如，响应于用户对释放按钮的操作，系统控制器100经由驱动电路104控制快门单元210，以基于从固态图像传感器106生成的图像计算的光度值，或者基于由结合在成像设备1中的曝光表(未示出)测量的光度值，来进行正确曝光。
33.更具体地，快门单元210根据由拍摄模式按钮指定的自动曝光(ae)功能来驱动，例如程序ae、快门优先ae或光圈优先ae。
34.系统控制器100执行自动对焦(af)控制以及ae控制。例如，作为af控制，可以采用主动自动对焦、相位差检测和对比度检测。af模式的示例包括在中心使用一个聚焦区域的单中心点聚焦模式，以及使用多个聚焦区域的多点聚焦模式。系统控制器100根据自动聚焦的结果经由驱动电路104驱动和控制聚焦马达220，以调节成像透镜200的焦点。
35.本实施例采用全透镜组突起，即通过移动所有透镜组进行聚焦，不同聚焦位置之间的像差变化较小。然而，另一个实施例可以通过移动透镜组的一部分来采用聚焦，例如前聚焦，移动成像透镜的前透镜组，或者后聚焦，移动成像透镜的后透镜组。这样的自动曝光和自动聚焦的特征和控制是已知的，因此省略其详细描述。
36.随着快门单元210的遮光叶片构件打开，来自物体的光束通过成像透镜200和遮光叶片构件之间的光圈被接收在固态图像传感器106的光接收表面上。在遮光叶片构件完全关闭的情况下，来自物体的光束被遮光叶片构件阻挡，不能被固态图像传感器106的光接收表面接收。
37.固态图像传感器106代表配备有拜耳阵列滤波器的互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。固态图像传感器106将通过成像透镜200在光接收表面上的像素上形成的光学图像累积为对应于光强度的电荷。固态图像传感器106使用浮动扩散放大器将累积的电荷转换成电压(下文中，称为图像信号)。图像信号从固态图像传感器106输出到信号处理电路108。固态图像传感器106可替代地可以是电荷耦合器件(ccd)图像传感器或结合有互补滤波器的图像传感器。
38.信号处理电路108使来自固态图像传感器106的图像信号经受某一信号处理，例如箝位或去马赛克。信号处理电路108然后将处理后的图像信号输出到图像处理引擎110。
39.图像处理引擎110使来自信号处理电路108的图像信号经受某一信号处理，例如矩阵运算、y/c分离和白平衡，以生成亮度信号y和色差信号cb和cr，并以给定的格式(例如联合图像专家组(jpeg))压缩信号。图像数据的存储格式不限于jpeg格式，而是可以是例如经过诸如黑电平校正的最小图像处理的raw格式。缓冲存储器112在通过图像处理引擎110的处理期间用作数据的暂时存储。
40.图像处理引擎110将亮度信号y和色差信号cb和cr转换成给定的视频信号，并将视频信号输出到lcd114。lcd114从图像处理引擎110接收视频信号，并根据视频信号控制液晶的调制。结果，lcd114在屏幕上显示物体的图像。用户可以在lcd114的屏幕上可视地检查在ae控制和af控制下以适当曝光在正确焦点处生成的实时直通透镜图像(实时观看)。
41.存储卡(未示出)可移除地插入卡接口120的卡槽中。图像处理引擎110可以通过卡接口120与存储卡通信。图像处理引擎110将生成的图像数据保存在存储卡或闪存118中。
42.用户操纵拍摄模式按钮以在正常拍摄模式和微距拍摄模式之间切换成像设备1的拍摄模式。在正常拍摄模式下，成像设备1的拍摄距离，即透镜镜筒20的拍摄距离，在从100毫米到无限远的第一范围内是可变的。在微距拍摄模式下，成像设备1的拍摄距离在比第一范围短60毫米至120毫米的最小拍摄距离的第二范围内是可变的。
43.在本实施例中，正常拍摄模式下的最小拍摄距离(100毫米)被设置为比微距拍摄模式下的最大拍摄距离(120毫米)短。将两种拍摄模式的拍摄距离设置为彼此部分重叠，使得成像设备1能够覆盖范围从微距拍摄模式下的最小拍摄距离(60mm)到正常拍摄模式下的最大拍摄距离(无穷大)的整个拍摄距离，而不管由于成像设备1中的制造误差导致的正常
拍摄模式下的最小拍摄距离和微距拍摄模式下的最大拍摄距离的某些变化。
44.图3是在成像设备1的正常拍摄模式下的透镜镜筒20沿着光轴ax的截面图，其中拍摄距离被设置为无穷大。
45.如图3所示，成像透镜200包括第一透镜组200a和第二透镜组200b。第一透镜组200a和第二透镜组200b分别固定到第一透镜框架202a和第二透镜框架202b。快门单元210位于第一透镜组200a和第二透镜组200b之间。
46.第一透镜框架202a、第二透镜框架202b和快门单元210固定到聚焦框架230。在制造期间，首先将第一透镜框架202a和快门单元210固定到聚焦框架230。然后，在例如用夹具测量光学性能时第二透镜框架202b相对于第一透镜框架202a在位置上被精细地调节，并且第二透镜框架202b在正确的位置被固定到聚焦框架230，以发挥给定的光学性能。在下文中，为了解释的目的，联合的元件，即第一透镜组200a、第一透镜框架202a、第二透镜组200b、第二透镜框架202b、快门单元210和聚焦框架230将被称为“透镜框架单元lu”。
47.透镜镜筒20包括马达框架240。聚焦马达220固定在马达框架240上。
48.聚焦马达220设置有导螺杆220a。响应于从驱动电路104到聚焦马达220的给定驱动控制信号，导螺杆220a根据驱动控制信号正向或反向旋转。
49.尽管未具体示出，但是透镜框架单元lu(具体地，聚焦框架230)经由诸如螺母机构或齿条机构的已知机构由导螺杆220a支撑。随着导螺杆220a的向前旋转，透镜框架单元lu在透镜镜筒20内沿着光轴ax向前移动到物体侧。随着导螺杆220a的反向旋转，透镜框架单元lu在透镜镜筒20内沿着光轴ax向后移动到图像侧。
50.成像设备1的拍摄距离随着透镜框架单元lu通过导螺杆220a的旋转在透镜镜筒20内沿着光轴ax进一步向前移动而缩短。成像设备1的拍摄距离随着透镜框架单元lu通过导螺杆220a的旋转而在透镜镜筒20内沿着光轴ax向后移动而变长。也就是说，包括导螺杆220a的聚焦马达220用作驱动器，以沿着光轴ax移动至少部分透镜组，用于聚焦。马达框架240用作保持器，以保持聚焦马达220和包括透镜组的透镜框架单元lu。
51.当透镜框架单元lu从图3所示的位置沿着透镜镜筒20内的光轴ax向前移动到最大值时，拍摄距离从无穷大变为最小值(100毫米)。图4是在成像设备1的正常拍摄模式下最小拍摄距离(100毫米)中沿着光轴ax的透镜镜筒20的截面图。
52.透镜镜筒20包括固定到设备主体10的基座250。透镜镜筒20还包括三个圆筒构件，即固定圆筒260、旋转圆筒270和直线圆筒280。
53.固定的圆筒260被固定在基座250上。
54.固定的圆筒260在内圆周上设有凸轮凹槽262。旋转圆筒(圆筒凸轮)270包括外圆周上的从动件272，并且从动件272可滑动地附接到凸轮凹槽262。
55.旋转圆筒270在内圆周上设有凸轮凹槽274和276。直线圆筒280包括外圆周上的从动件282，并且从动件282可滑动地附接到凸轮凹槽274。马达框架240的从动件242(见5(a)和(b))可滑动地附接到凸轮凹槽276。
56.根据本实施例，例如，成对的凸轮凹槽和从动件(例如，凸轮凹槽276和从动件242)在三个方向上基本均匀。
57.旋转圆筒270经由诸如齿轮的已知传动机构(未示出)接收设备主体10中的透镜镜筒马达122的驱动力。随着旋转圆筒270通过透镜镜筒马达122的驱动力围绕光轴ax旋转，直
线圆筒280相对于旋转圆筒270沿着光轴ax移动。旋转圆筒270也沿着光轴ax相对于固定的圆筒260移动。马达框架240以及附接到其上的透镜框架单元lu和聚焦马达220在透镜镜筒20内沿着光轴ax一起移动。
58.图5(a)是旋转圆筒270沿光轴ax的截面图，其示出了在正常拍摄模式下旋转圆筒270的凸轮凹槽276和马达框架240的从动件242之间的关系。图5(b)是旋转圆筒270沿光轴ax的截面图，其示出了在微距拍摄模式下凸轮凹槽276和从动件242之间的关系。图6是在最大拍摄距离(120毫米)下成像设备1的微距拍摄模式下的透镜镜筒20沿光轴ax的截面图。图7是在最小拍摄距离(60毫米)下成像设备1的微距拍摄模式下透镜镜筒20沿光轴ax的截面图。
59.图8是示出成像设备1的操作的流程图。例如，图8的流程图在成像设备1通电时开始，在成像设备1断电时结束。在通电时，在本实施例中，成像设备1被设置为正常拍摄模式。
60.系统控制器100确定成像设备1是否受到聚焦以改变拍摄距离(步骤s101)。在确定执行了聚焦之后(步骤s101中为“是”)，系统控制器100根据聚焦量经由驱动电路104驱动和控制聚焦马达220(步骤s102)。这旋转聚焦马达220的导螺杆220a，并在透镜镜筒20内沿光轴ax移动透镜框架单元lu，以将成像设备1的拍摄距离改变对应于聚焦量的距离。
61.在确定没有执行聚焦之后(步骤s101中为“否”)，系统控制器100确定拍摄模式是否从正常拍摄模式切换到微距拍摄模式(步骤s103)。在确定拍摄模式被切换之后(步骤s103中为“是”)，系统控制器100向透镜镜筒马达122输出驱动控制信号，以驱动和控制透镜镜筒马达122(步骤s104)。在施加透镜镜筒马达122的驱动力下，旋转圆筒270向前旋转。
62.如图5(a)和(b)所示，旋转圆筒270的凸轮凹槽276包括第一凹槽276a和第二凹槽276b。
63.如图5(a)所示，在正常拍摄模式下，马达框架240的从动件242位于第一凹槽276a中。从动件242在凸轮凹槽276中滑动，并随着旋转圆筒270的向前旋转到达第二凹槽276b。结果，马达框架240以及聚焦马达220和附接到马达框架240的透镜框架单元lu一起相对于旋转圆筒270沿着光轴ax向前移动，也就是说，这些元件都一起朝向物体突出。此外，从动件282随着旋转圆筒270的旋转在凸轮凹槽274中滑动，从而导致直线圆筒280相对于旋转圆筒270朝向物体突出。
64.因此，透镜镜筒20从图3的状态(在无限远拍摄距离的正常拍摄模式下)转换到图6的状态(在最大拍摄距离(120毫米)的微距拍摄模式下)。也就是说，旋转圆筒270用作移动器，通过利用来自给定驱动器的驱动力沿着光轴ax移动马达框架240，来沿着光轴ax一起移动聚焦马达220和包括透镜组的透镜框架单元lu。旋转圆筒270可以将马达框架240移动到至少第一位置和第二位置，在第一位置，成像设备1的拍摄距离在第一范围内是可变的，在第二位置，成像设备1的拍摄距离在比在最小拍摄距离下第一范围更短的第二范围内是可变的。
65.第一凹槽276a和第二凹槽276b都具有在正交于光轴ax的方向上延伸的形状。因此，不管旋转圆筒270的旋转角度的误差如何，从动件242在第一凹槽276a或第二凹槽276b内沿z轴方向的位置保持不变。也就是说，包括从动件242的马达框架240以及附接到马达框架240的聚焦马达220和透镜框架单元lu在各个拍摄模式下停止在适当的位置(由第一凹槽276a或第二凹槽276b限定的z轴位置)，而与旋转圆筒270的旋转角度的误差无关。
66.系统控制器100经由驱动电路104驱动和控制聚焦马达220(步骤s105)。由此，聚焦马达220的导螺杆220a向前旋转，并且透镜框架单元lu在透镜镜筒20内沿着光轴ax向前移动，直到达到最小拍摄距离(60毫米)。
67.透镜镜筒20从图6的状态(在最大拍摄距离(120毫米)的微距拍摄模式下)转变到图7的状态(在最小拍摄距离(60毫米)的微距拍摄模式下)。通过在切换到微距拍摄模式时将微距拍摄模式下的拍摄距离设置为最小，用户可以检查在微距拍摄模式下可以多近地捕捉物体。
68.系统控制器100确定成像设备1是否受到聚焦以改变拍摄距离(步骤s106)。在确定执行了聚焦之后(步骤s106中为“是”)，系统控制器100根据聚焦量经由驱动电路104驱动和控制聚焦马达220(步骤s107)。这旋转聚焦马达220的导螺杆220a，并在透镜镜筒20内沿光轴ax移动透镜框架单元lu，以将成像设备1的拍摄距离改变对应于聚焦量的距离。
69.在确定没有执行聚焦之后(步骤s106中为“否”)，系统控制器100确定拍摄模式是否从微距拍摄模式切换到正常拍摄模式(步骤s108)。在确定拍摄模式被切换之后(步骤s108中为“是”)，系统控制器100向透镜镜筒马达122输出驱动控制信号，以驱动和控制透镜镜筒马达122(步骤s109)。在施加透镜镜筒马达122的驱动力下，旋转圆筒270反向旋转。从动件242在凸轮凹槽276中滑动，并随着旋转圆筒270的反向旋转到达第一凹槽276a。由此，马达框架240以及聚焦马达220和附接到马达框架240的透镜框架单元lu一起沿着光轴ax相对于透镜镜筒20内的旋转圆筒270向后移动。此外，从动件282随着旋转圆筒270的旋转在凸轮凹槽274中滑动，从而将直线圆筒280移动得更靠近旋转圆筒270。因此，透镜镜筒20从图7或8的状态(微距拍摄模式)转换到图3或4的状态(正常拍摄模式)。
70.响应于成像设备1的断电或在图8的流程图之后的处理期间的给定操作，透镜镜筒20缩回到设备主体10中。图9是缩回后即处于缩回状态的透镜镜筒20沿光轴ax的截面图。
71.在缩回期间，系统控制器100使聚焦马达220在透镜镜筒20内移动透镜框架单元lu，直到在当前拍摄模式下达到最大拍摄距离。系统控制器100反向旋转旋转圆筒270超过正常拍摄模式下的位置。结果，从动件272沿着凸轮凹槽262滑动，并且因此旋转圆筒270相对于固定圆筒260沿着光轴ax更靠近图像侧移动。此外，从动件282沿着凸轮凹槽274滑动，因此直线圆筒280沿着光轴ax相对于旋转圆筒270移动得更靠近图像侧。
72.在缩回状态下，如图9所示，马达框架240以及附接到马达框架240的聚焦马达220和透镜框架单元lu比在正常拍摄模式或微距拍摄模式下更靠近图像侧。因此，旋转圆筒270和直线圆筒280在缩回状态下可更大程度地收缩，缩短了透镜镜筒20的总长度。
73.如上所述，在本实施例中，包括透镜组的透镜框架单元lu和用作驱动器的聚焦马达220一起移动到与切换后的拍摄模式相对应的位置。也就是说，在任何拍摄模式下，可以以相同的方式控制透镜组的位置，例如，透镜组之间的间隔或相对位置可以保持与正常拍摄模式下相同。因此，成像透镜200的光学性能可以在与正常拍摄模式相同的微距拍摄模式下得以保持。这进一步使得用户能够容易地在拍摄模式之间切换，而不需要例如附接微距转换透镜或延伸管。
74.上述实施例是说明性的，并不限制本发明。因此，根据上述教导，许多附加的修改和变化是可能的。例如，在本公开和所附权利要求的范围内，本文中不同说明性和示例性实施例的至少一个元件可以彼此组合或彼此替代。此外，实施例的部件的特征，例如数量、位
置和形状不限于所述实施例，因此可以优选地设定。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明的公开内容可以不同于这里具体描述的方式实施。
75.附图标记列表
76.1 成像设备
77.10 设备主体
78.20 透镜镜筒
79.100 系统控制器
80.102 操作单元
81.104 驱动电路
82.106 固态图像传感器
83.108 信号处理电路
84.110 图像处理引擎
85.112 缓冲存储器
86.114 lcd
87.116 rom
88.118 闪存
89.120 卡接口
90.122 透镜镜筒马达
91.200 成像透镜
92.200a 第一透镜组
93.200b 第二透镜组
94.202a 第一透镜框架
95.202b 第二透镜架
96.210 快门单元
97.220 聚焦马达
98.220a 导螺杆
99.230 聚焦框架
100.240 马达框架
101.242 从动件
102.250 基座
103.260 固定圆筒
104.262 凸轮凹槽
105.270 旋转圆筒
106.272 从动件
107.274、276 凸轮凹槽
108.276a 第一凹槽
109.276b 第二凹槽
110.280 直线圆筒
111.282 从动件
112.lu 透镜框架单元