利用光源和图像传感器的聚焦系统技术方案

一种装置，包括可动光学元件，其具有光轴并包括一个或多个聚焦元件；图像传感器，其沿着光轴定位，并且基本上与该光轴正交；辐射源，其附着到可动光学元件，其中该辐射源相对于光轴以选定角将辐射束引导到传感器上。一种方法，包括将传感器沿着且正交于可动光学元件的光轴定位；将辐射束从附着到可动光学元件的辐射源投射到传感器上，其中该辐射束相对于光轴处于选定角；调整可动光学元件的位置直到该辐射束落在传感器上的位置与当可动光学元件在焦点上时辐射束预期落在传感器上的位置相对应为止。公开并要求其它实施例的权利。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术 一般涉及聚焦成像设备，尤其但不专门涉及利用成像传感 器和光源的焦点反馈装置。
技术介绍
图1示出一种简单的透镜系统100,其中透镜102将物体104的 像聚焦到像平面106上。物体104与该透镜之间的距离是前聚焦距 离(focus distance ) ff，而像平面106与该透镜之间的距离是后焦 距fb。为了使透镜102保持在像平面106上的最佳聚焦像，光学定 律规定了在ff和fb之间的特定关系一换句话说，对于给定的ff，存 在fb的特定值，必须为完全聚焦在像平面106上的像而保持该特定 值。对于非常简单的透镜系统100适用的定律也适用于更复杂的聚 焦系统对于给定的ff， fb必须保持特定值。但是，在包括更复杂 的聚焦元件的设备中，各种因素，如热膨胀、机械部件的容差等都 可能致使该聚焦元件移动，从而改变了 ff和fb的值，并影响聚焦图 像的质量。为了校正聚焦元件的这些移动， 一些设备结合了可动光 学元件，这些可动光学元件的位置由控制系统来控制。该控制系统 感测图像何时离开焦点，并调整可动光学元件的位置，直到使ff和 fb返回到其本征值为止，结果使图像返回到最佳焦点。但是，在控制系统能够适当地工作之前，其必须具有一些检测可 动光学元件的位置的方法。检测可动光学元件的位置的最普通的方 法是利用机械传感器。但是，机械传感器趋于庞大、昂贵，并且难 以集成到小型系统中。由于机械传感器是机械的，鉴于该传感器中 的机械容差，该机械传感器的精度也是有限的，并且此外，该传感 器也易遭受由诸如热膨胀的因素而导致的不精确。已经开发出基于 光学的位置传感器，但是这种传感器也很庞大和昂贵，并且主要取 决于通过例如发送和接收信号来测量前聚焦距离ff以及测量延时来 计算该距离。因此，在本领域需要一种精确地测量可动聚焦元件的位置同时不贵、紧凑并易于集成到光学系统中的装置和方法。
技术实现思路
本申请公开了一种装置的实施例，该装置包括可动光学元件，其具有光轴并包括一个或多个聚焦元件；图像传感器，其沿着光轴定 位并且基本上与该光轴正交；以及辐射源，其附着到可动光学元件， 其中该辐射源相对于光轴以选定角将辐射束引导到传感器上。本申 请还公开了一种方法的实施例，该方法包括将传感器沿着且正交于 可动光学元件的光轴定位；将辐射束从附着到可动光学元件的辐射 源投射到传感器上，其中该辐射束相对于光轴处于选定角；以及调 整可动光学元件的位置直到辐射束落在传感器上的位置与当可动光 学元件在焦点上时期望该辐射束落在传感器上的位置相对应为止。 公开并要求这些以及其他实施例的权利。附图说明参考下面的附图描述本专利技术的非限制性以及非穷举的实施例，除 非另有说明，否则在各个视图中类似的附图标记表示类似的部分。图l是聚焦元件的简化示意图，该图说明该聚焦元件的前焦距和 后焦距。图2是本专利技术实施例的示意图。图3A-3C是示出了图2的实施例中的可动光学元件的运动，以及辐射束落在光学传感器上所形成的光点的相应运动的视图。图4是说明用于校准图2所示本专利技术实施例的过程实施例的流程图。图5A-5B说明图2所示实施例的操作的实施例。图5A说明光点 在光学传感器上的运动，而图5B是说明保持后焦距的过程的流程 图。图6是本专利技术的替换实施例的示意图。具体实施方式本文描述了一种用于利用光源和传感器将成像设备聚焦的装置 和方法的实施例。在下面的描述中，描述了许多细节来全面理解本专利技术的实施例。但是相关领域的技术人员将认识到本专利技术可以在没 有一个或多个特定细节的情况下实施，或者以其它方法、部件、材 料等来实施。在其它情况下，没有示出或详细地描述公知的结构、 材料或操作，尽管如此这些结构、材料或操作也包括在本专利技术的范 围内。说明书各处提到的一个实施例或实施例意味着关于该实 施例描述的特殊的特征、结构或特性包含在本专利技术的至少一个实施 例中。因此，在说明书中出现的短语在一个实施例中或在实施 例中不一定全部指的是同一个实施例。而且，这些特殊的特征、 结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何适合的方式组合。图2示意性地说明本专利技术的实施例，其包括焦点反馈系统200。 该系统200包括安装在外壳或支架214中的可动光学元件202。步进 电机218经由运动传送机构220与可动光学元件202耦合。可动光 学元件202将物体(未示出)的像聚焦到图像传感器222上；在物 体和可动光学元件之间的每一个前聚焦距离ff将具有在该可动光学 元件与图像传感器222之间的相对应的后焦距fb。辐射源212按照 其以相对于光轴210成选定角a将辐射束213引导到图像传感器222 上的这种方式附着到可动光学元件202上。控制器224与图像传感 器222的输出相耦合，并与步进电机218相耦合，从而使控制器224 能够响应于辐射束213落在图像传感器222上的位置来控制步进电 才几218的运动。可动光学元件202的主要功能是将物体(图中未示出)的像聚焦 到图像传感器222上。为了保证对于与可动光学元件202相距可变 前聚焦距离的物体能够在该传感器上形成适当聚焦的像，该可动光 学元件能够基本上沿着其自己的光轴210前后运动，如箭头209所 示。在所示的实施例中，可动光学元件202是复合光学元件，其包 括沿着光轴210对准的三个聚焦元件204、 206和208。在其它实施 例中，可动光学元件202可以包含或多或少的聚焦元件，这些聚焦 元件能够以不同的方式布置在该可动光学元件中。此外，图中示出 将聚焦元件204、 206和208作为折射的聚焦元件，但是在其它实施 例中，这些聚焦元件也可以是衍射元件或反射元件。另外的实施例 可以利用折射、衍射和反射的聚焦元件的组合。辐射源212附着到可动光学元件202上。辐射源212按照其以 相对于该可动光学元件的光轴210的选定角oc发射出辐射束213的 方式放置。辐射源212可以在其中包括将发射的光束聚焦或准直的 元件。在将发射的光束准直的情况下，由此在该辐射落在传感器上 的位置处形成基本上为椭圆的辐射光点。为了最高灵敏度，可以对 选定角cc进行选择以在可动光学元件202行经其运动范围时最大化 辐射光点跨越该传感器的行程(参见图3A-3B)，并且因此该选定角 cc取决于诸如传感器的尺寸、在可动光学元件和传感器之间的距 离、以及该可动光学元件能够沿其轴移动多远的参数。在一个实施 例中oc的值为62.5度，但是在其他实施例中，oc的值当然可以是不 同的。在所示的实施例中，辐射源212附着到可动光学元件202的外 部，基本上位于该光学元件最接近传感器的那一端。但是在其它实 施例中，该辐射源可以定位在该可动光学元件上的其它位置，或者 定位在朝向可动光学元件202引导并反射回到图像传感器222的传 感器平面上，只要由该辐射源发射的辐射束能够到达该传感器。在 一个实施例中，辐射源212发射的辐射可以是光谱的可见光部分； 辐射源的例子是发光二极管(LED)。但是在其它实施例中，发射的 辐射可以是在光谱的可见光区域之外的部分中，如光镨的红外线区 域或紫外线区域。为了使光学元件202能够沿着其轴210移动，由支承该可动光 学元件202同时允许其沿光轴210运动的元件将该可动光学元件保 持在外壳214的开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：　　　　可动光学元件，其具有光轴并包括一个或多个聚焦元件；　　　　图像传感器，其沿着该光轴定位并且基本上与该光轴正交；以及　　　　辐射源，其附着到可动光学元件，其中该辐射源相对于光轴以选定角将辐射束引导到传感器上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-3-23 11/088,3621.一种装置，包括可动光学元件，其具有光轴并包括一个或多个聚焦元件；图像传感器，其沿着该光轴定位并且基本上与该光轴正交；以及辐射源，其附着到可动光学元件，其中该辐射源相对于光轴以选定角将辐射束引导到传感器上。2. 如权利要求l所述的装置，进一步包括驱动机构，其与可动 光学元件耦合以沿着光轴移动该可动光学元件。3. 如权利要求2所述的装置，进一步包括控制器，其与传感器 和驱动机构耦合，其中该控制器基于光束或辐射照在传感器上的位 置来控制电机的移动。4. 如权利要求2所述的装置，其中该驱动机构包括 电才几；以及运动传送机构，其与该电机和可动光学元件耦合，其中该运动传 送机构将电机的运动转变成可动光学元件沿着光轴的线性运动。5. 如权利要求4所述的装置，其中该运动传送机构包括摩擦轮、 蜗轮、齿轮以及凸轮中的一个或多个。6. 如权利要求l所述的装置，其中该辐射束基本上是准直的。7. 如权利要求l所述的装置，其中该一个或多个聚焦元件可以 包括折射、衍射或反射的聚焦元件，或者其组合。8. 如权利要求l所述的装置，其中该辐射源发射在光谱的可见 部分中的光束。9. 如权利要求8所述的装置，其中该辐射源是发光二极管 ED)。10. —种方法，包括将传感器沿着且正交于可动光学元件的光轴定位； 将辐射束从可动光学元件投射到传感器上，其中该辐射束相对于光轴处于选定角；以及调整可动光学元件的位置直到辐射束落在传感器上的位置与当可动光学元件在焦点上时该辐射束预期落在传感器上的位置相对应为止。11. 如权利要求10所述的方法，其中将辐射束从可动光学元件投射到传感器上包括从附着到可动光学元件的辐射源投射辐射束。12. 如权利要求10所述的方法，其中将辐射束从可动光学元件 投射到传感器上包括利用附着到可动光学元件的反射器来将该辐射 束反射到传感器上。13. 如权利要求10所述的方法，其中调整可动光学元件的位置 包括确定辐射束落在传感器上的当前位置；确定当可动光学元件在焦点上时辐射束落在传感器上的预期位 置；以及根据当前位置和预期位置之差，启动与可动光学元件耦合的步进 电机通过将辐射束落下的位置从当前位置移动到预期位置所需的步 数。14. 如权利要求13所述的方法，其中辐射束在传感器上形成光当前位置的面积与:二点在该预期位置的面积之差。工 '15. 如权利要求13所述的方法，其中启动与可动光学元件耦合 的步进电才几包括利用该步进电机引起运动传送机构的运动； 将运动传送机构的运动传递到可动光学元件。16. 如权利要求13所述的方法，进一步包括确定辐射束落在传 感器上的位置的每一电机步距的平均移动。17. 如权利要求10所述的方法，进一步包括将辐射束基本上准直。18. 如权利要求10所述的方法，其中确定辐射束落在传感器上 的当前位置包括只分析传感器的一部分。19. 一种方法，包括将辐射束从可动光学元件投射到传感器上，其中该辐射束相对于...

【专利技术属性】
技术研发人员：DS巴恩斯，DA马克斯，林家俊，
申请(专利权)人：微扫描系统公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]