透鏡的壓電移動的制作方法

專利名稱：透鏡的壓電移動的制作方法
技術領域：
本發明涉及諸如照相機的光學裝置中的透鏡的移動。
背景技術：
例如在其中透鏡必須沿光軸移動以實現聚焦的自動聚焦(AF)照相機中，需要透 鏡移動。用于AF照相機的公知AF驅動機構已經使用了電磁(例如，音圈技術)旋轉方法 (例如，步進馬達)或壓電馬達(例如，振動驅動)來移動透鏡并實現聚焦。然而，步進馬達 通常是復雜、昂貴的，并且非常大。音圈需要50-100mA的量的大電流，并需要連續的功率來 保持透鏡聚焦。壓電馬達難以控制，這導致沿所有軸的不精確的透鏡定位。此外，這樣的馬 達的操作速度是依賴于溫度的。

發明內容
公開了一種裝置，包括透鏡；以及壓電部件，被配置為響應于向其施加的電壓而 彎曲，其中所述透鏡和所述壓電部件被設置為使所述彎曲造成所述透鏡的至少一部分沿至 少一個移動方向移動。例如，所述裝置被具體化為模塊。例如，所述裝置被包括在能夠俘獲 圖像的設備中。例如，所述裝置被包括在照相機中，例如，數字照相機或移動電話。此外，還公開了一種方法，包括將電壓施加到壓電部件以造成所述壓電部件彎 曲，其中所述壓電部件和透鏡被設置為使所述彎曲造成所述透鏡的至少一部分沿至少一個 移動方向移動。此外，還公開了一種具有在其中存儲的計算機程序的計算機可讀的介質，所述計 算機程序包括指令，操作為使處理器向壓電部件施加電壓以使所述壓電部件彎曲，其中所 述壓電部件和透鏡被設置為使所述彎曲造成所述透鏡的至少一部分沿至少一個移動方向 移動。所述計算機可讀的介質為能夠以電、磁、電磁或光學形式存儲數字數據的任何介質。 所述介質被固定地安裝在裝置中或為可移除的介質。此外，還公開了一種計算機程序，包括指令，操作為使處理器向壓電部件施加電 壓以使所述壓電部件彎曲，其中所述壓電部件和透鏡被設置為使所述彎曲造成所述透鏡的 至少一部分沿至少一個移動方向移動。所述透鏡為任何類型的透鏡，舉幾個例子，例如，雙凸或平凸透鏡等等。透鏡由單 片構成，或由兩個或更多個部分構成。透鏡例如為能夠以模擬或數字格式俘獲圖像的裝置 中的聚焦透鏡。所述壓電部件包括壓電材料，即，當向其施加應力時會產生電力并且當向其施加 電壓時會產生應力和/或應變的材料。例如，通過導電涂層將電壓施加到所述壓電部件。所 述壓電部件例如包括聚偏氟乙烯(PVDF)。所述壓電部件被配置為響應于向其施加的電壓 而彎曲。這可以通過如下來實現，例如將所述壓電部件設計為單壓電晶片(imimorph)或雙 壓電晶片(bim0rph)，g卩，具有兩個有源層(雙壓電晶片)或具有一個有源層和一個無源層 (單壓電晶片)的懸臂狀結構。
所述透鏡和所述壓電部件被設置為使所述彎曲造成所述透鏡的至少一部分沿至 少一個移動方向移動。所述至少一個移動方向例如為所述透鏡的光軸。所述壓電部件例如 被配置為接觸所述透鏡或其一部分，以便所述壓電部件的彎曲移動所述透鏡。例如，所述 壓電部件位于所述透鏡之上、之下或之內。所述壓電部件和所述透鏡例如可以與回復部件 (例如，彈簧、或一個或多個其他的壓電部件)相互作用，所述回復部件在所述透鏡(或其一 部分)上施加一個力，其方向與所述彎曲移動所述透鏡(或其一部分)的方向相反。所述壓電部件包括兩層，所述壓電部件的所述彎曲方向基本上垂直于所述兩個層 的接觸區域。例如，所述壓電部件為雙壓電晶片(兩個有源層)或單壓電晶片(一個有源 層和一個無源層)。如果所述層為盤，所述彎曲方向平行于所述盤的法線。對于所述層是具 有中心孔的墊圈(washer)形盤而言，這同樣成立。所述壓電部件和所述透鏡可被設置為，使至少一個移動方向基本上平行于所述壓 電部件的所述彎曲方向。所述壓電部件為基本上平面的部件，所述基本上平面的部件被配置為在其中心處 彎曲最大。這例如通過在其邊緣處支撐壓電部件來實現。所述壓電部件和所述透鏡可被設置為，使所述透鏡的所述光軸基本上通過所述壓 電部件的中心。所述壓電部件例如被夾在所述透鏡的兩個部分之間。這允許產生用于精確移動所 述透鏡(或其部分)的均勻的力，和/或有助于減小潛在的視覺畸變，這是因為有可能使所 述壓電部件更接近圖像傳感器。然后，可以將所述透鏡的所述兩個部分和所述壓電部件包 含在至少部分橫向圍繞的框架結構中并被支撐，從而允許所述透鏡的至少一部分沿所述透 鏡的所述光軸方向移動。例如，所述壓電部件的邊緣被附接到所述框架。例如，通過彈簧或 通過另一壓電部件，產生用于所述透鏡(或其一部分)的回復力。例如，所述透鏡的所述兩個部分和所述壓電部件可以被包含在框架結構中，其方 式使得所述透鏡的一部分被固定，而另一部分可以移動。例如，所述透鏡的第一(固定)部 分被保持在停止裝置(例如，柔性環(compliancering))與所述壓電部件之間，而所述透鏡 的另一(可移動)部分被保持在所述壓電部件與回復部件(例如，彈簧)之間，以便該部分 在所述壓電部件彎曲時可以移動。其中，所述壓電部件的邊緣被固定或沒有被固定。等價地，所述壓電部件可以被設置在所述透鏡之上或之下。然后，透鏡可以制造為 一整片。所述壓電部件被至少部分地設置在包括所述透鏡和所述壓電部件的裝置的光學 路徑中。穿過所述透鏡的光于是還至少部分地穿過所述壓電部件。所述壓電部件為至少部分透明的。例如，僅僅需要所述壓電部件的設置在所述 光學路徑中的區域是透明的。例如，所述壓電部件由聚偏氟乙烯(PVDF)構成，其還稱為 Kynar0所述壓電部件可具有至少部分透明的導電涂層。例如，僅僅需要所述壓電部件的 設置在所述光學路徑中的區域具有透明涂層。例如，所述透明涂層由氧化銦錫構成。所述壓電部件可包括至少一個孔徑或凹陷，以便至少部分防止所述裝置的光學路 徑被阻擋。為所述壓電部件設置孔徑(例如洞)或凹陷以允許至少部分地不阻擋光的通 路，這允許使用透明度低的壓電材料(例如，非透明的壓電材料)。這樣的材料與透明壓電材料相比具有改善的壓電特性。此外，還可以將欠透明或不透明的導電涂層用于所述壓電 材料。僅僅在所述壓電部件的一部分中形成孔徑或凹陷。例如，如果所述壓電部件包括壓 電和/或非壓電材料的幾個部分(例如，層)，僅僅一些部分(例如，層)具有在其中形成的 凹陷孔。例如，僅僅所述壓電材料具有孔徑或凹陷，而所述壓電材料的涂層可以不具有孔徑 或凹陷。所述壓電部件包括雙壓電晶片。所述雙壓電晶片包括具有導電涂層的兩個有源壓 電層(例如，由PVDF制造的聚合物層)。于是，跨所述導電涂層施加高電壓會使一個層伸長 而使另一層收縮，由此在所述壓電部件內產生彎曲矩。例如，所述雙壓電晶片為盤形。包括所述透鏡和所述壓電部件的裝置還可以包括回復部件，所述回復部件被配置 為至少在所述透鏡的沿所述至少一個移動方向移動的部分上施加回復力。例如，舉幾個例 子，所述回復部件為彈簧、或另一壓電部件等等。如果使用壓電部件施加所述回復力，兩個 壓電部件以推拉模式工作，從而允許精確定位所述透鏡。于是，一個壓電部件用來沿一個方 向移動透鏡(或其一部分)，另一壓電部件用來沿相反方向移動所述透鏡(或其一部分)。 該類型的透鏡定位還更有效率和/或較少受重力的影響。
通過測量跨所述壓電部件的電壓來確定所述透鏡的至少可移動的部分的位置。包括所述透鏡和所述壓電部件的裝置還可以包括升壓、開關模式電源，所述升壓、 開關模式電源被配置為向所述壓電部件提供高電壓。通過參考之后的詳細說明，本發明的這些和其他方面將顯而易見并闡述。應該理 解，上述本發明及其示例性實施例的各特征還可以被公開為彼此所有可能的組合。


圖1為根據本發明的裝置的示例性實施例的截面視圖，其致動圖被覆蓋；圖2為根據本發明的裝置的又一示例性實施例的截面視圖；圖3為根據本發明的裝置的示例性實施例的框圖；以及圖4為根據本發明的方法的示例性流程圖。
具體實施例方式圖1為根據本發明的裝置的示例性實施例的截面視圖，其致動圖被覆蓋。例如，裝 置1(例如以模塊的形式)部署在能夠俘獲圖像的設備(例如，照相機或移動電話)中，不 過也可以同樣良好地部署在需要移動透鏡的其他設備中。裝置1中的雙壓電晶片(bimorph)壓電部件11包括兩個壓電材料的有源層110、 111 (例如，諸如聚偏氟乙烯(PVDF)，也稱為Kynar 的聚合物)并且示例性地具有半徑為a 的盤的形狀。兩個有源層110和111例如被膠合到一起。每一個壓電層110、111具有h/2 的高度。壓電部件11還具有導電涂層。例如，這些涂層被施加在每一個盤形層110和111 的頂部和底部上。每一個層110和111的頂和底部涂層被連接到電壓源，其中連接到層110 的涂層的電壓源的極性例如與連接到層111的涂層的電壓源的極性相反。例如，層110的 頂涂層和層111的底涂層被連接到負端子，而層110的底涂層和層111的頂涂層被連接到 正端子。壓電部件1被設置在透鏡10之下，以便當壓電部件11沿偏移軸η (w)指示的方向彎曲時，透鏡沿其光軸移動。這樣的壓電部件11的垂直移動通過改變跨導電涂層的高電 壓來實現，這同樣將造成透鏡10移動(例如，自動聚焦(AF)應用需要 0. 35mm的距離)。 在雙層110、111內的電場導致一個層伸長而另一層收縮，由此在壓電材料內產生彎曲矩。因為壓電部件11設置在透鏡10之下，并由此定位在光路徑中，所以有利的是，壓 電部件11由透明材料(例如，PVDF)構成，并且導電涂層是透明的，例如由氧化銦錫構成。 可選地，壓電部件11和/或導電涂層包括孔徑或凹陷，例如，中心孔(centered hole)，以至 少部分地避免阻擋光學路徑。這使得還允許使用欠透明或不透明的壓電材料和/或涂層。如果簡單地在其邊緣處支撐圖1的致動盤11，豎直偏移通過下式給出 在盤的中心處，由下式給出最大偏移 設壓電致動器材料為具有下列參數的PVDF 厚度h = 2X12 μ m半徑:a = 5mm最大偏移nQ = 0. 35謹泊松比率ν = 0.3壓電應變系數d31 = 12pm/V使用這些參數，在中心獲得0.35mm的最大偏移ηC1所需的電壓ein由下式給出 [。。45] 雖然該電壓相對高，但卻不需要很大的電流來驅動透鏡，因此易于通過使用升壓 開關模式電源(例如與操作在 320伏特的Xenon電容器充電電路相似的方式)產生。該 類型的電壓調節器可以產生比電池高的電壓，并可以跨一定的電壓范圍得到有效調節，該 電壓范圍可用于控制透鏡位置。例如，通過彈簧在透鏡上施加回復力。圖2示出了根據本發明的裝置2的又一示例性實施例的截面視圖。在該實施例 中，與圖1的實施例相似，使用壓電雙壓電晶片原理，使透鏡在其聚焦范圍移動。然而，與圖 1的實施例相反，包括兩個壓電層220和221 (其例如被膠合到一起)的透明壓電聚合物盤 22 (例如，由PVDF構成)被設置在透鏡的兩個部分20、21之間，使得壓電盤22夾在兩個透 鏡部分20和21之間。將壓電盤22夾在兩個透鏡部分20和21之間允許產生用于精確移 動透鏡的均勻力。此外，當壓電部件22鄰近圖像傳感器時，可以減小會由壓電盤22導致的 視覺畸變。其中，透鏡的兩個部分20和21僅僅是示意性的，即，透鏡部分20和21的表面的 所有類型的曲率都是可能的。因此，舉幾個例子，透鏡部分20、21可以例如具體化為雙凸或
平凸透鏡等等。由兩個透鏡部分20、21、壓電盤22以及用于施加回復力的透鏡彈簧23形成的疊層 被設置在框架24中并由柔性環25固定。
其中，壓電盤22的邊緣被固定地附接到框架24，但這并不是必需的。壓電部件22具有透明導電涂層，例如(但不限于)氧化銦錫。例如，這些涂層被施 加到每一個盤形的層220和221的頂部和底部上。每一個相應層220和221的頂部和底部 涂層例如被 連接到電壓電源，其中連接到層220的涂層的電壓電源的極性與連接到層221 的涂層的電壓電源的極性相反。例如，層220的頂涂層和層221的底涂層被連接到負端子， 而層220的底涂層和層221的頂涂層被連接到正端子。壓電部件22和/或導電涂層可以包括孔徑或凹陷，例如，中心孔，以至少部分地避 免阻擋光學路徑。這使得還允許使用欠透明或不透明的壓電材料和/或涂層。在部件20-23的疊層中，透鏡部分20形成了固定的透鏡部分，因為其被保持在柔 性環與壓電部件22之間(并且由框架24橫向支撐)。透鏡部分21保持在壓電部件22與 透鏡彈簧23之間(并由框架24橫向支撐)并且可移動，如箭頭26所示。當通過導電涂層 將特定極性的電壓施加到壓電部件22時，盤22中的壓電材料受壓并向下彎曲(例如，由盤 中心的最大彎曲導致的圓頂形狀)，由此向下移動透鏡部分21，直到達到壓電部件22的彎 曲力(向下)與彈簧部件23的回復力(向上)之間的平衡。當關閉電壓時，彈簧部件23 的回復力使透鏡部分21移動回到圖2示出的位置。通過多種方式實現回復力，舉幾個例子，使用彈簧(例如，在音圈致動器中所使用 的)或額外的盤(例如，PVDF盤)等等。在圖2的描述中，示例性地，假設使用彈簧部件23。圖3示出了根據本發明的裝置3的示例性實施例的框圖。例如，該裝置被具體化為模塊(例如，AF模塊)并用于能夠俘獲圖像的設備(例 如，照相機或移動電話)。裝置3包括透鏡移動單元30 (例如，其被具體化為參考上述圖1和 2的實施例解釋的單元)、電源31 (例如，其被具體化為用于產生高電壓的開關模式電源) 以及控制單元32，控制單元32控制向透鏡移動單元30的壓電部件的電壓施加，從而實現將 透鏡移動到特定的聚焦位置。此外，例如，通過讀出透鏡移動單元30的另一壓電部件的電 壓，還使用控制單元32控制透鏡的正確位置。控制單元32包括處理器320和存儲器321， 其中所述存儲器表示在其中存儲由處理器320執行的程序代碼的計算機可讀的介質。上述本發明的示例性實施例允許以相對低的成本來有效、簡單并可靠地移動透鏡 (或其各部分)。在這些實施例中，通過添加另一壓電馬達(例如，在圖1中的透鏡10之下或代替 圖2中的彈簧23)用于“推拉”模式，可以進一步改善透鏡控制。依賴于跨各層的高電壓的 極性，各層將相互吸引或排斥。例如，通過與用于壓電部件11 (圖1)和22(圖2)的驅動信 號相反的驅動信號來驅動附加的壓電馬達(例如，具體化為圖1的壓電部件11或圖2的壓 電部件22)。與使用彈簧來施加回復力的情況相反，第二壓電馬達的部署允許較少受重力影 響的更有效和更精確的透鏡定位。此外，可以通過測量跨壓電部件(例如，圖1中的部件11和圖2中的部件22)的 電壓來精確確定透鏡/透鏡部分的位置。當使用‘推拉’模式的兩個壓電部件時，同樣可以 進行這樣的測量。其中，這樣是有利的，例如，通過在聚焦算法中考慮在使用彈簧情況下透 鏡開始移動時的潛在的小量的非線性，來解決這樣的非線性。壓電部件的聚合物會造成俘獲圖像的畸變，除非由透鏡修正。除了通過透鏡進行 修正之外或取代透鏡進行修正，通過將該材料設置為鄰近照相機的硅傳感器，可以減輕這樣的畸變。圖4為根據本發明的方法的示例性流程圖400。在第一步驟401中，例如，通過其 中部署根據本發明的壓電部件來移動透鏡的裝置的處理器，來確定實現聚焦所需的目標電 壓。在第二步驟420中，將確定的目標電壓施加到壓電部件，例如，圖1的壓電部件11或圖 2的壓電部件22。這造成壓電部件彎曲并由此移動相關的透鏡，從而實現聚焦。上面，通過示例性實施例描述了本發明，應該注意，還存在備選方式和變形，其對 于本領域的技術人員是顯而易見的，并且可以在不背離所附權利要求的范圍和精神的情況 下實施。此外，本領域的技術人員可以容易地了解，在上述描述中給出的流程步驟可以至 少部分地實施為電子硬件和/或計算機軟件，實施為硬件或軟件的程度依賴于流程步驟的 功能和對各裝置施加的設計限制。例如，可以通過一個或多個數字信號處理器、應用專用集 成電路、現場可編程門陣列或其它可編程裝置來實施示出的流程步驟。計算機軟件可以存 儲在各種電、磁、電磁或光學存儲介質中，并由處理器(例如，微處理器)讀取和執行。為此， 可以將處理器和存儲介質耦合以交換信息，或在處理器中包括存儲介質。
權利要求
一種裝置，包括透鏡，以及壓電部件，被配置為響應于向其施加的電壓而彎曲，其中所述透鏡和所述壓電部件被設置為使所述彎曲造成所述透鏡的至少一部分沿至少一個移動方向移動。
2.根據權利要求1的裝置，其中所述壓電部件包括兩個層，以及其中所述壓電部件的 彎曲方向基本上垂直于所述兩個層的接觸區域。
3.根據權利要求2的裝置，其中所述壓電部件包括雙壓電晶片。
4.根據權利要求2的裝置，其中所述壓電部件和所述透鏡被設置為使所述至少一個移 動方向基本上平行于所述壓電部件的所述彎曲方向。
5.根據權利要求4的裝置，其中所述壓電部件為基本上平面的部件，所述基本上平面 的部件被配置為在其中心處彎曲最大。
6.根據權利要求5的裝置，其中所述壓電部件和所述透鏡被設置為使所述透鏡的光軸 基本上通過所述壓電部件的所述中心。
7.根據權利要求1的裝置，其中所述壓電部件被夾在所述透鏡的兩個部分之間。
8.根據權利要求6的裝置，其中所述透鏡的所述兩個部分和所述壓電部件被包含在至 少部分橫向圍繞的框架結構中并被支撐，以允許所述透鏡的至少一部分沿所述透鏡的光軸 方向移動。
9.根據權利要求1的裝置，其中所述壓電部件被設置在所述透鏡之上或之下。
10.根據權利要求1的裝置，其中所述壓電部件被至少部分地設置在所述裝置的光學 路徑中。
11.根據權利要求10的裝置，其中所述壓電部件至少是部分透明的。
12.根據權利要求11的裝置，其中所述壓電部件由聚偏氟乙烯構成。
13.根據權利要求11的裝置，其中所述壓電部件具有至少部分透明的導電涂層。
14.根據權利要求10的裝置，其中所述壓電部件包括至少一個孔徑或凹陷以便至少部 分地避免阻擋所述裝置的所述光學路徑。
15.根據權利要求1的裝置，還包括回復部件，所述回復部件被配置為至少在所述透鏡 的沿所述至少一個移動方向移動的所述部分上施加回復力。
16.根據權利要求15的裝置，其中所述回復部件為彈簧。
17.根據權利要求15的裝置，其中所述回復部件為壓電部件。
18.根據權利要求17的裝置，其中所述壓電部件和所述回復部件以推拉模式工作。
19.根據權利要求1的裝置，其中通過測量跨所述壓電部件的電壓來確定至少所述透 鏡的移動的所述部分的位置。
20.根據權利要求1的裝置，還包括升壓、開關模式電源，所述升壓、開關模式電源被配 置為向所述壓電部件提供高電壓。
21.根據權利要求1的裝置，其中所述裝置被具體化為模塊。
22.根據權利要求1的裝置，其中所述裝置被包括在能夠俘獲圖像的設備中。
23.根據權利要求1的裝置，其中所述裝置被包括在照相機中。
24.根據權利要求1的裝置，其中所述裝置被包括在移動電話中。
25.一種方法，包括將電壓施加到壓電部件以造成所述壓電部件彎曲，其中所述壓電部件和透鏡被設置為 使所述彎曲造成所述透鏡的至少一部分沿至少一個移動方向移動。
26.根據權利要求25的方法，其中所述壓電部件沿至少一個方向延伸，并且其中所述 壓電部件的彎曲方向基本上垂直于所述壓電部件延伸的所述至少一個方向。
27.一種計算機可讀的介質，具有在其中存儲的計算機程序，所述計算機程序包括指令，操作為使處理器向壓電部件施加電壓以使所述壓電部件彎曲，其中所述壓電部 件和透鏡被設置為使所述彎曲造成所述透鏡的至少一部分沿至少一個移動方向移動。
28.根據權利要求27的計算機可讀的介質，其中所述壓電部件沿至少一個方向延伸， 并且其中所述壓電部件的彎曲方向基本上垂直于所述壓電部件延伸的所述至少一個方向。
全文摘要
本發明涉及裝置(1)，包括透鏡(10)和壓電部件(11)。所述壓電部件被配置為響應于向其施加的電壓而彎曲。所述透鏡和所述壓電部件被設置為使所述彎曲造成所述透鏡的至少一部分沿至少一個移動方向移動。本發明還涉及相關方法和計算機可讀的介質。
文檔編號G02B7/08GK101884121SQ200880118794
公開日2010年11月10日 申請日期2008年11月28日 優先權日2007年12月3日
發明者P·特里維廉, T·梅洛 申請人:諾基亞公司