使用图像传感器移位对透镜组件焦点进行热补偿的制作方法

1.本发明涉及相机中的透镜组件的光学对准系统的领域。更具体地，本发明涉及当透镜轮廓由于温度变化而改变时对透镜组件焦点的热补偿机制。对于具有大型光学组件的相机(包括用于汽车、行动、国防、无人机、安全、移动机器人、虚拟现实、增强现实、智能手机、笔记本电脑和许多其他方面的相机)，尤其需要这种补偿。


背景技术：

2.众所周知，温度变动会改变相机内的光学透镜轮廓(例如，膨胀和/或收缩)，并且导致光学系统的焦距变化。焦距的这种变化导致图像从传感器平面移位，使得图像变得离焦，从而变得模糊。随着相机光学器件变大，这种问题变得更加明显。
3.使用传统的致动方法来解决这个问题是非常具有挑战性的，因为所需的运动受到限制(例如，在某些情况下小于100μm)，并且需要致动器的亚微米精度，且包括致动器的相机组件不受使用过程中的快速加速的影响。使用电磁致动器或音圈马达(vcm)移动这些相机的光学器件(镜筒)来解决热漂移问题不是可行的解决方案。这是因为已知由于滞后和其他影响，vcm的精度在几微米(即约5μm)的范围内，并且考虑到此类相机系统的光学负荷可能高达几千毫克，vcm对加速力也很敏感。
4.在(us9594228b1,us20170195545a1)中提出的其他技术对具有不同热膨胀的光学元件使用不同的材料来补偿热漂移，或者使用软件补偿方法。这样的技术使用起来很复杂，导致相机的镜头设计昂贵，或者效率低下，并且提供有限的增强功能，就像使用软件工具进行补偿时一样。
5.沿光轴移动图像传感器是克服此类问题的最有效方法；知道图像传感器的重量是镜头重量的一小部分(例如，车载相机的图像传感器的重量在25mg的范围内，相对地，镜筒的重量为3000mg)。


技术实现要素：

6.本发明公开了一种新颖的机制，该机制通过沿着光轴移动图像传感器来补偿相机中的热漂移。结合了这种技术的相机系统包括镜筒、镜筒支架、红外(ir)滤光片、图像传感器、mems致动器和电路板。
7.在本发明的一个实施方案中，相机系统包括镜筒，该镜筒通过螺纹或胶牢固地附接到镜支架上，从而形成透镜组件。ir滤光片可以附接在透镜组件上，或者其可以由附接在电路板的顶表面上的ir支架支撑。透镜组件和ir滤光片形成相机的前部。
8.图像传感器被牢固地附接到mems致动器的转子(移动部件)，并且mems致动器被附接到电路板的顶表面。图像传感器直接导线接合到电路板上，使得导线可以松弛和浮动，但相对较硬以避免导线之间的接触。图像传感器、mems致动器和电路板构成相机的后部。
9.在本发明的另一实施方案中，相机的后部可以由mems外壳和图像传感器组成，其中mems致动器被放置在该外壳内部，而图像传感器附接到mems致动器的转子上。然后，通过
胶或粘合剂将mems致动器附接到电路板的背面。电路板可以具有切口，从而其允许光到达图像传感器。在该实施方案中，相机的前部使用胶或粘合剂从顶侧附接到电路板上。
10.在(us9306475b1，其整体并入本文)中公开的mems致动器是优选的致动器，其以亚微米精度和大行程精确地移动图像传感器，足以实现对相机中的热漂移的补偿。
附图说明
11.在下文中，将结合所提供的附图描述各实施方案，所述附图用于说明而非限制权利要求的范围，其中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：
12.图1a示出了通过并入mems致动器而具有热漂移补偿的相机系统的截面图，其中mems位于电路板下方。
13.图1b示出了图1a中的相机系统在mems致动器沿光轴(z)平移运动以补偿热漂移时的截面图。
14.图1c示出了图1a中的相机系统在mems致动器绕着一个或两个平面内轴(x/y)倾斜运动以补偿热漂移时的截面图。
15.图2a示出了通过并入mems致动器而具有热漂移补偿的相机系统的另一实施方案的截面图，其中mems位于电路板上方。
16.图2b示出了图2a中的相机系统在mems致动器沿光轴(z)平移运动以补偿热漂移时的截面图。
17.图3a示出了在将真空施加到导线接合台上之前mems外壳包装放置在该导线接合台上的截面图。
18.图3b示出了当施加真空时mems外壳包装放置在导线接合台上的截面图。
19.图3c示出了具有被放置在导线接合台上的mems、图像传感器和电路板的mems外壳包装的截面图，其中在导线接合过程期间，真空开启。
20.图3d示出了具有被放置在导线接合台上的mems、图像传感器和电路板的mems外壳包装的截面图，其中在完成导线接合过程并且mems转子返回到其平衡位置的情况下，真空关断。
21.图4示出了使用图像传感器移位技术的具有热补偿功能的相机的控制系统的框图。
22.图5示出了导线接合的移动图像传感器。
具体实施方式
23.在图1a
‑
1c中示出了具有热漂移补偿机制的相机系统的本发明。相机包含mems致动器，其执行相机的焦点调整，以在温度变化时始终使图像焦距对准。
24.相机由两部分组成。前部包括透镜组件(镜筒)110、镜支架111和ir滤光片112。镜筒附接在镜支架上，而ir滤光片附接在镜支架的背面。在另一个实施方案中，ir滤光片可以在被ir支架支撑的同时直接附接到电路板上。
25.相机的后部包括mems致动器116、图像传感器119、用于mems致动器的外壳包装120、移动或松弛的接合导线113和电路板118。mems致动器由定子(固定部分)115、转子(移动部件)114和机械弹簧117组成。图像传感器通过贴片技术(die bond technique)经由胶
或粘合剂被附接到mems致动器的转子。带有图像传感器的mems致动器被容纳在包装中，该包装通过使用胶或粘合剂附接在电路板的背面。使用导线接合器(wire bonder)将图像传感器从传感器焊盘121直接通过导线接合至电路板焊盘122，使得接合导线113可从一端(图像传感器侧)移动并从另一端的电路板固定。相机的前部光学对准并机械附接到电路板的顶侧。
26.在优选实施方案中，使用了如在us9306475b1中公开的mems致动器，其细节整体在此全部并入。mems致动器沿着光轴移动图像传感器以进行聚焦调节，以补偿透镜组件的聚焦上的热效应(图1b)。致动器还可使传感器绕x和y轴倾斜以执行光学对准，以校正传感器运动期间的静态和移动倾斜(图1c)。接合导线的长度和刚度被配置为使得在转子的轴向和旋转运动期间，导线不会彼此接触。
27.本发明的另一个实施方案在图2a
‑
b中示出。相机由两部分组成。前部包括透镜组件(镜筒)210、镜支架211和ir滤光片212。所述镜筒附接在镜支架的前侧，而ir滤光片附接在后侧。相机的后部包括图像传感器217，该图像传感器217附接到mems致动器216的转子214上，并且mems致动器的定子215附接到电路板218的顶侧。图像传感器通过导线接合到位于致动器外围的电路板焊盘上。在该实施方案中，在致动器和外壳中均具有开口221、222，以将系统连接至真空以便进行导线接合。
28.当对位于浮动mems结构顶部的图像传感器执行直接导线接合工艺时，必须考虑许多步骤。这些包括在图像传感器运动期间，导线承受的应力最小，因此图像传感器运动完成后，图像传感器上的接合将保持，并且导线必须不受阻碍地返回到其初始位置。在mems浮动结构上进行导线接合工艺期间，必须在接合期间将mems转子保持牢固。接合工艺的其他参数包括导线环的高度、形状和接合力，这些参数对于成功的导线接合工艺都是至关重要的。
29.本发明公开了当传感器位于mems移动部件上时在浮动(运动)图像传感器上执行导线接合工艺的方法。虽然通常在两个机械固定的焊盘(图像传感器焊盘和电路板焊盘)上执行导线接合工艺，但在浮动焊盘上执行导线接合却带来了许多挑战。
30.在图3中示出了在移动焊盘上的导线接合的本新颖方法的流程图。mems致动器具有在背面(定子侧)的开口，并且其被称为mems真空开口221。这种开口的目的是使得真空能向下拉动mems转子，并且在导线接合期间机械地使其静止，从而图像传感器垫不会由于接合力而移动。mems外壳包装120又包括真空开口222，以使得能将真空施加到mems致动器上。mems外壳包装和附接有图像传感器的mems致动器两者都被放置在配备有真空通道124的导线接合台123上。mems外壳包装通过安装件(mounting)而被附接到真空导线接合台，该安装件可以是夹子或台上的其他真空通道。
31.图3a示出了在将真空施加到导线接合台上之前将mems外壳包装放置在该台上。mems的转子114是浮动的(可移动的)。当将真空施加到导线接合台时，保持图像传感器的mems转子被朝向固定定子下拉，参见图3b。结果，转子被机械地固定，因此图像传感器焊盘也被固定，这使得能成功进行导线接合工艺。如图3c所示，在固定mems转子的同时，将导线直接从图像传感器接合到电路板上。最终，关断真空，并且mems转子返回到其休息位置，参见图3d。
32.这种在移动的mems结构上进行导线接合的方法是独特的，因为它允许通过使用非破坏性的固定机制来固定该结构并在其上执行导线接合，因此，脆弱的结构保持完整。
33.在图4中解释了操作概念和控制系统，图5示出了导线接合的图像传感器。温度传感器嵌入系统中，以连续测量温度变化。当检测到温度变化时，图像处理单元对相机正在流传输的当前图像执行清晰度测量或调制传递函数(mtf：modulation transfer function)评估。如果图像的聚焦/清晰度值或mtf值已从先前的默认值更改，则mems驱动程序指示致动器通过沿光轴移动图像传感器来进行焦点调整。焦点调整算法可能使用对比度搜索或相位检测方法来使图像重新焦距对准。
34.在系统中没有温度传感器可用的情况下将使用的另一种方式是图像处理单元及时执行mtf或清晰度值测量，以确保图像始终保持焦距对准。
35.要在此类相机(汽车相机、运动相机、无人机相机、国防相机或其他定焦相机)中使用的mems致动器设计的一个方面是，要求所使用的mems致动器对可能因这些相机的运动而产生的加速不那么敏感，这些相机的运动因携带相机的使用者或运输工具而导致。可以通过使mems致动器弹簧足够硬以使其在受到冲击或加速时产生微不足道的运动来达到这种要求。这将避免在这些相机受到加速力作用的情况下出现抖动或焦点没有对准的图像/视频。替代地，可以使用闭环系统来使致动器对震动不太敏感，而不是增加结构的弹簧的刚度，增加结构的弹簧的刚度可能导致诸如限制致动器的行程之类的设计代价。闭环系统可以包括传感器(可以是mems致动器或加速度计内的嵌入式电容式感应电极)，所述传感器测量由于不希望的震动和/或加速度而引起的mems转子的任何波动。控制器可以利用传感器信号来增加或减少施加到mems致动器的电压，以抵消转子的任何不希望有的运动，从而无论相机经历的加速度和/或震动如何，转子始终保持在所需的位置(聚焦位置)。
36.使用图像传感器移位来补偿相机中的热漂移的本技术使这些相机能够并入较小像素尺寸的传感器，从而提高了图像分辨率。这是因为当前的定焦相机中的像素尺寸相对较大，因为它们由于焦距的变化而具有较大直径的弥散圆(circle of confusion)。如果使用这种热补偿机制，则致动器的移动减轻了焦距变化的影响，并导致较小直径的弥散圆，因此可以使用较小的像素尺寸。
37.对于本领域中具有普通技能的人员来说，显而易见的是，使用带有mems致动器的图像传感器的本自动对焦机制(其已知是高度准确和快速的)将具有许多软件功能，从而导致更好的用户体验。例如，它启用了所有焦距对准模式功能，其中可以以很高的速度拍摄多张图像，并且用户稍后可以在显示时选择要关注的图像部分。
38.前述内容仅被认为是本发明原理的示例。此外，由于本领域技术人员将容易想到许多修改和改变，因此不希望将本发明限制于所示出和描述的确切构造和操作，并且由此，可以采用落在本发明的范围内的所有合适的修改和等同方式。
39.关于以上描述，应当认识到，本发明的部件在尺寸、形状、形式、材料、功能和操作方式、组装和使用方面的最佳关系被认为对于本领域技术人员是显而易见的，与附图中示出的和说明书中描述的那些关系的所有等同关系旨在被本发明所涵盖。