專(zhuān)利名稱(chēng)：利用光源和圖像傳感器的聚焦系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及聚焦成像設(shè)備，尤其但不專(zhuān)門(mén)涉及利用成像傳感器和光源的焦點(diǎn) 反饋裝置。
背景技術(shù)：
圖1示出一種簡(jiǎn)單的透鏡系統(tǒng)100，其中透鏡102將物體104的像聚焦到像平面 106上。物體104與該透鏡之間的距離是前聚焦距離(focus distance) ff，而像平面106與 該透鏡之間的距離是后焦距fb。為了使透鏡102保持在像平面106上的最佳聚焦像，光學(xué) 定律規(guī)定了在ff和fb之間的特定關(guān)系-換句話說(shuō)，對(duì)于給定的ff，存在fb的特定值，必須 為完全聚焦在像平面106上的像而保持該特定值。對(duì)于非常簡(jiǎn)單的透鏡系統(tǒng)100適用的定律也適用于更復(fù)雜的聚焦系統(tǒng)對(duì)于給定 的ff，fb必須保持特定值。但是，在包括更復(fù)雜的聚焦元件的設(shè)備中，各種因素，如熱膨脹、 機(jī)械部件的容差等都可能致使該聚焦元件移動(dòng)，從而改變了 ff和fb的值，并影響聚焦圖像 的質(zhì)量。為了校正聚焦元件的這些移動(dòng)，一些設(shè)備結(jié)合了可動(dòng)光學(xué)元件，這些可動(dòng)光學(xué)元件 的位置由控制系統(tǒng)來(lái)控制。該控制系統(tǒng)感測(cè)圖像何時(shí)離開(kāi)焦點(diǎn)，并調(diào)整可動(dòng)光學(xué)元件的位 置，直到使返回到其本征值為止，結(jié)果使圖像返回到最佳焦點(diǎn)。但是，在控制系統(tǒng)能夠適當(dāng)?shù)毓ぷ髦?，其必須具有一些檢測(cè)可動(dòng)光學(xué)元件的位 置的方法。檢測(cè)可動(dòng)光學(xué)元件的位置的最普通的方法是利用機(jī)械傳感器。但是，機(jī)械傳感 器趨于龐大、昂貴，并且難以集成到小型系統(tǒng)中。由于機(jī)械傳感器是機(jī)械的，鑒于該傳感器 中的機(jī)械容差，該機(jī)械傳感器的精度也是有限的，并且此外，該傳感器也易遭受由諸如熱膨 脹的因素而導(dǎo)致的不精確。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出基于光學(xué)的位置傳感器，但是這種傳感器也很龐大 和昂貴，并且主要取決于通過(guò)例如發(fā)送和接收信號(hào)來(lái)測(cè)量前聚焦距離ff以及測(cè)量延時(shí)來(lái)計(jì) 算該距離。因此，在本領(lǐng)域需要一種精確地測(cè)量可動(dòng)聚焦元件的位置同時(shí)不貴、緊湊并易于 集成到光學(xué)系統(tǒng)中的裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)公開(kāi)了一種裝置的實(shí)施例，該裝置包括可動(dòng)光學(xué)元件，其具有光軸并包括 一個(gè)或多個(gè)聚焦元件；圖像傳感器，其沿著光軸定位并且基本上與該光軸正交；以及輻射 源，其附著到可動(dòng)光學(xué)元件，其中該輻射源相對(duì)于光軸以選定角將輻射束引導(dǎo)到傳感器上。 本申請(qǐng)還公開(kāi)了一種方法的實(shí)施例，該方法包括將傳感器沿著且正交于可動(dòng)光學(xué)元件的光 軸定位；將輻射束從附著到可動(dòng)光學(xué)元件的輻射源投射到傳感器上，其中該輻射束相對(duì)于 光軸處于選定角；以及調(diào)整可動(dòng)光學(xué)元件的位置直到輻射束落在傳感器上的位置與當(dāng)可動(dòng) 光學(xué)元件在焦點(diǎn)上時(shí)期望該輻射束落在傳感器上的位置相對(duì)應(yīng)為止。公開(kāi)并要求這些以及其他實(shí)施例的權(quán)利。


參考下面的附圖描述本發(fā)明的非限制性以及非窮舉的實(shí)施例，除非另有說(shuō)明，否 則在各個(gè)視圖中類(lèi)似的附圖標(biāo)記表示類(lèi)似的部分。圖1是聚焦元件的簡(jiǎn)化示意圖，該圖說(shuō)明該聚焦元件的前焦距和后焦距。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的示意圖。圖3A-3C是示出了圖2的實(shí)施例中的可動(dòng)光學(xué)元件的運(yùn)動(dòng)，以及輻射束落在光學(xué) 傳感器上所形成的光點(diǎn)的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的視圖。圖4是說(shuō)明用于校準(zhǔn)圖2所示本發(fā)明實(shí)施例的過(guò)程實(shí)施例的流程圖。圖5A-5B說(shuō)明圖2所示實(shí)施例的操作的實(shí)施例。圖5A說(shuō)明光點(diǎn)在光學(xué)傳感器上 的運(yùn)動(dòng)，而圖5B是說(shuō)明保持后焦距的過(guò)程的流程6是本發(fā)明的替換實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式本文描述了一種用于利用光源和傳感器將成像設(shè)備聚焦的裝置和方法的實(shí)施例。 在下面的描述中，描述了許多細(xì)節(jié)來(lái)全面理解本發(fā)明的實(shí)施例。但是相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員 將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明可以在沒(méi)有一個(gè)或多個(gè)特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施，或者以其它方法、部件、材 料等來(lái)實(shí)施。在其它情況下，沒(méi)有示出或詳細(xì)地描述公知的結(jié)構(gòu)、材料或操作，盡管如此這 些結(jié)構(gòu)、材料或操作也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。說(shuō)明書(shū)各處提到的“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”意味著關(guān)于該實(shí)施例描述的特殊的 特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在說(shuō)明書(shū)中出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一 個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”不一定全部指的是同一個(gè)實(shí)施例。而且，這些特殊的特征、結(jié) 構(gòu)或特性可以在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中以任何適合的方式組合。圖2示意性地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其包括焦點(diǎn)反饋系統(tǒng)200。該系統(tǒng)200包括安 裝在外殼或支架214中的可動(dòng)光學(xué)元件202。步進(jìn)電機(jī)218經(jīng)由運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)220與可動(dòng) 光學(xué)元件202耦合?？蓜?dòng)光學(xué)元件202將物體(未示出)的像聚焦到圖像傳感器222上； 在物體和可動(dòng)光學(xué)元件之間的每一個(gè)前聚焦距離ff將具有在該可動(dòng)光學(xué)元件與圖像傳感 器222之間的相對(duì)應(yīng)的后焦距fb。輻射源212按照其以相對(duì)于光軸210成選定角α將輻 射束213引導(dǎo)到圖像傳感器222上的這種方式附著到可動(dòng)光學(xué)元件202上。控制器2Μ與 圖像傳感器222的輸出相耦合，并與步進(jìn)電機(jī)218相耦合，從而使控制器2Μ能夠響應(yīng)于輻 射束213落在圖像傳感器222上的位置來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)218的運(yùn)動(dòng)?？蓜?dòng)光學(xué)元件202的主要功能是將物體(圖中未示出)的像聚焦到圖像傳感器 222上。為了保證對(duì)于與可動(dòng)光學(xué)元件202相距可變前聚焦距離的物體能夠在該傳感器上 形成適當(dāng)聚焦的像，該可動(dòng)光學(xué)元件能夠基本上沿著其自己的光軸210前后運(yùn)動(dòng)，如箭頭 209所示。在所示的實(shí)施例中，可動(dòng)光學(xué)元件202是復(fù)合光學(xué)元件，其包括沿著光軸210對(duì) 準(zhǔn)的三個(gè)聚焦元件204、206和208。在其它實(shí)施例中，可動(dòng)光學(xué)元件202可以包含或多或少 的聚焦元件，這些聚焦元件能夠以不同的方式布置在該可動(dòng)光學(xué)元件中。此外，圖中示出將 聚焦元件204、206和208作為折射的聚焦元件，但是在其它實(shí)施例中，這些聚焦元件也可以是衍射元件或反射元件。另外的實(shí)施例可以利用折射、衍射和反射的聚焦元件的組合。輻射源212附著到可動(dòng)光學(xué)元件202上。輻射源212按照其以相對(duì)于該可動(dòng)光 學(xué)元件的光軸210的選定角α發(fā)射出輻射束213的方式放置。輻射源212可以在其中包 括將發(fā)射的光束聚焦或準(zhǔn)直的元件。在將發(fā)射的光束準(zhǔn)直的情況下，由此在該輻射落在傳 感器上的位置處形成基本上為橢圓的輻射光點(diǎn)。為了最高靈敏度，可以對(duì)選定角α進(jìn)行選 擇以在可動(dòng)光學(xué)元件202行經(jīng)其運(yùn)動(dòng)范圍時(shí)最大化輻射光點(diǎn)跨越該傳感器的行程(參見(jiàn)圖 3Α-3Β)，并且因此該選定角α取決于諸如傳感器的尺寸、在可動(dòng)光學(xué)元件和傳感器之間的 距離、以及該可動(dòng)光學(xué)元件能夠沿其軸移動(dòng)多遠(yuǎn)的參數(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中α的值為62. 5 度，但是在其他實(shí)施例中，α的值當(dāng)然可以是不同的。在所示的實(shí)施例中，輻射源212附著到可動(dòng)光學(xué)元件202的外部，基本上位于該 光學(xué)元件最接近傳感器的那一端。但是在其它實(shí)施例中，該輻射源可以定位在該可動(dòng)光學(xué) 元件上的其它位置，或者定位在朝向可動(dòng)光學(xué)元件202引導(dǎo)并反射回到圖像傳感器222的 傳感器平面上，只要由該輻射源發(fā)射的輻射束能夠到達(dá)該傳感器。在一個(gè)實(shí)施例中，輻射源 212發(fā)射的輻射可以是光譜的可見(jiàn)光部分；輻射源的例子是發(fā)光二極管(LED)。但是在其它 實(shí)施例中，發(fā)射的輻射可以是在光譜的可見(jiàn)光區(qū)域之外的部分中，如光譜的紅外線區(qū)域或 紫外線區(qū)域?yàn)榱耸构鈱W(xué)元件202能夠沿著其軸210移動(dòng)，由支承該可動(dòng)光學(xué)元件202同時(shí)允 許其沿光軸210運(yùn)動(dòng)的元件將該可動(dòng)光學(xué)元件保持在外殼214的開(kāi)口中。在所示的實(shí)施例 中，通過(guò)輥216在外殼214中支承該可動(dòng)光學(xué)元件，但是在其它實(shí)施例中，可以通過(guò)其它裝 置在外殼中支承該可動(dòng)光學(xué)元件，或者可以通過(guò)未附著到外殼214的裝置來(lái)支承該可動(dòng)光 學(xué)元件。步進(jìn)電機(jī)218與運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)220耦合，運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)220又與可動(dòng)光學(xué)元件220 耦合。當(dāng)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)218時(shí)，該步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)220，然后該運(yùn)動(dòng)傳送 機(jī)構(gòu)將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓜?dòng)光學(xué)元件202基本上沿著其自己的光軸210的前后的線性運(yùn) 動(dòng)，如箭頭209所示。在步進(jìn)電機(jī)218的運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)施例中，運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)220可 以是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓜?dòng)光學(xué)元件202的線性運(yùn)動(dòng)的元件；適合的運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu) 的例子包括凸輪、齒輪、摩擦輪、蝸輪、齒條-小齒輪組件，或者這些和/或其它這種機(jī)構(gòu)的 組合。在電機(jī)218的運(yùn)動(dòng)是線性運(yùn)動(dòng)的替換實(shí)施例中，該運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)單地是連接 電機(jī)和可動(dòng)光學(xué)元件的剛性元件，或者可以是更復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，其也包括凸輪、齒輪、摩擦輪、 蝸輪、齒條-小齒輪組件，或者這些和/或其它這種機(jī)構(gòu)的組合。圖像傳感器222可以是任何能夠捕獲由可動(dòng)光學(xué)元件202聚焦在其上的圖像的傳 感器。在一個(gè)實(shí)施例中，圖像傳感器222是數(shù)字傳感器，其包括能夠捕獲二維圖像的像素陣 列，例如1.3兆像素的陣列。適合的傳感器的例子包括電荷耦合器件(CCD)陣列、互補(bǔ)金屬 氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器、光電檢測(cè)器等。但是在其它實(shí)施例中，可以使用其它類(lèi)型的 傳感器?？刂破? 與圖像傳感器222的輸出相耦合，并且也與步進(jìn)電機(jī)218相耦合，因此 形成閉合控制回路。如下面結(jié)合圖5A-5B進(jìn)一步描述的那樣，控制器2M分析該傳感器的 輸出，包括由輻射源212所形成的光點(diǎn)的位置，并且該控制器2M利用該信息來(lái)控制步進(jìn)電 機(jī)218。這樣，控制器2M將光點(diǎn)位置信息用于諸如將可動(dòng)光學(xué)元件移動(dòng)到適當(dāng)后焦距并
5且一旦找到它就保持該適當(dāng)后焦距的功能。在所示的實(shí)施例中，該控制器是與圖像傳感器 222在物理上分開(kāi)的單元，但是在其它實(shí)施例中，該控制器和圖像傳感器222可以都是同一 個(gè)單元的一部分。例如，在具有集成傳感器的處理器中，控制器可以在該處理器中實(shí)施。此 外，該控制器能夠以硬件或軟件來(lái)實(shí)施。圖3A-3C示出可動(dòng)光學(xué)元件202的運(yùn)動(dòng)以及由輻射源212所形成的光點(diǎn)的跨越圖 像傳感器222的相應(yīng)移動(dòng)的實(shí)施例。為了清楚起見(jiàn)夸大了圖中所示的尺寸；在許多實(shí)際應(yīng) 用中，如Afb和ΔΧ的距離實(shí)際上相當(dāng)小。圖3Α示出可動(dòng)光學(xué)元件202在縮進(jìn)位置，從而 光點(diǎn)的中心位于用箭頭302標(biāo)出的位置&。圖:3Β示出可動(dòng)光學(xué)元件202在伸出位置，該 可動(dòng)光學(xué)元件從其縮進(jìn)位置行進(jìn)了距離Afb。在可動(dòng)光學(xué)元件202在伸出位置的情況下， 光點(diǎn)跨越該傳感器移動(dòng)到圖中用箭頭304標(biāo)出的位置&。因此，該可動(dòng)光學(xué)元件移過(guò)距離 Afb致使光點(diǎn)跨越圖像傳感器222移動(dòng)距離Δχ = χεΙκ。只要角α保持不變，那么Afb 和Δ χ之間的關(guān)系將是線性的。圖3C示出光點(diǎn)跨越圖像傳感器222的移動(dòng)。當(dāng)可動(dòng)光學(xué)元件202處于縮進(jìn)位置 時(shí)，光點(diǎn)306位于傳感器上處于位置&。當(dāng)可動(dòng)光學(xué)元件202從圖像傳感器222移開(kāi)時(shí)， 該光點(diǎn)移動(dòng)并變?yōu)槲恢?amp;處的光點(diǎn)308。光點(diǎn)308顯示為大于光點(diǎn)306 ；光點(diǎn)增長(zhǎng)(即改 變面積)的這種趨勢(shì)發(fā)生在由輻射源212發(fā)射的光束未準(zhǔn)直或不完全準(zhǔn)直的情況下。光點(diǎn) 308和光點(diǎn)306之間的面積變化可以是有用的，因?yàn)槠淠軌蛱峁┛杀豢刂破?Μ利用的附加 的光點(diǎn)移動(dòng)信息。圖中示出的另一個(gè)特征在于當(dāng)光點(diǎn)跨越傳感器時(shí)一旦建立了其位置和尺 寸，那么僅僅需要分析光點(diǎn)行經(jīng)的傳感器的那部分。于是，就該圖而言，控制器不需要分析 來(lái)自整個(gè)傳感器的信息；而是，其能夠通過(guò)僅分析限制光點(diǎn)的路徑和尺寸的傳感器的部分 310來(lái)減小工作量。圖4示出用于校準(zhǔn)圖2所示的焦點(diǎn)反饋系統(tǒng)200的過(guò)程400的實(shí)施例。該過(guò)程在 方框402開(kāi)始。在方框404，步進(jìn)電機(jī)定位在原始位置，并且在方框406，記錄光點(diǎn)在圖像傳 感器222上的相應(yīng)原始位置( ，yH)。該光點(diǎn)的位置可以利用其中心的χ和y坐標(biāo)來(lái)表征， 其通常是從圖像傳感器222的規(guī)定原點(diǎn)按像素(in pixels)測(cè)量的。在方框408，將目標(biāo)以 系統(tǒng)能夠聚焦的最小前聚焦距離ff定位在可動(dòng)光學(xué)元件前面；這被稱(chēng)為起始位置fs。在方 框410，移動(dòng)可動(dòng)光學(xué)元件202以調(diào)整后焦距fb直到該目標(biāo)在焦點(diǎn)上為止，并且在方框412， 記錄該光點(diǎn)起始位置(&，&)、起始面積4和&。該光點(diǎn)面積通常也按像素進(jìn)行測(cè)量。在方框414，將目標(biāo)放置在校準(zhǔn)中所用的下一個(gè)焦點(diǎn)位置ff處。在方框416，移動(dòng) 該可動(dòng)光學(xué)元件202以調(diào)整后焦距fb直到該目標(biāo)在焦點(diǎn)上為止，在該點(diǎn)在方框418記錄ff 的值。在方框420，記錄該光點(diǎn)在傳感器上的位置和面積，并且在方框422，記錄步進(jìn)電機(jī) 218在起始位置和當(dāng)前位置之間所用(take)的步數(shù)。步進(jìn)電機(jī)在起始位置和當(dāng)前位置之間 所用的步數(shù)用作在當(dāng)前光點(diǎn)位置的后焦距fb的測(cè)量值(measure)。在方框424，該過(guò)程檢 查是否存在更多校準(zhǔn)中所包括的焦點(diǎn)位置。通常，為了產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男?zhǔn)必須存在三個(gè)聚焦 距離的最小值。如果存在更多用于校準(zhǔn)的聚焦距離，那么該過(guò)程返回到方框414并為該焦 點(diǎn)位置重復(fù)方框414-422。當(dāng)不存在更多用于校準(zhǔn)的焦點(diǎn)位置時(shí)，該過(guò)程從方框4M繼續(xù)到方框426，其中例 如通過(guò)用曲線擬合ff和fb的記錄值來(lái)使前和后焦距與相對(duì)于起始位置的電機(jī)步距(motor step)中參考的fb相關(guān)聯(lián)。一旦擬合了曲線，就能夠?yàn)閒f的任何值找到適當(dāng)?shù)膄b值，而不僅僅為校準(zhǔn)過(guò)程中收集的ff的特定值找到適當(dāng)?shù)膄b值。但是在其它實(shí)施例中，可以利用其 它方法來(lái)使ff和fb相關(guān)聯(lián)。例如，可以將收集的ff和fb的值存儲(chǔ)在表中，并且對(duì)于任何 ff，可以通過(guò)在表中的值之間進(jìn)行插值來(lái)計(jì)算fb的值。同樣，可以為每個(gè)已校準(zhǔn)的物距記錄 光點(diǎn)位置，并使其與ff相關(guān)聯(lián)，并且按照與上述相同的方式擬合成曲線。在方框428，為光點(diǎn)位置收集的數(shù)據(jù)和為電機(jī)位置收集的數(shù)據(jù)用于計(jì)算每一電機(jī) 步距的光點(diǎn)位置的平均變化-換句話說(shuō)，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的每次移動(dòng)光點(diǎn)平均移動(dòng)多遠(yuǎn)。在 方框430，存儲(chǔ)該值，并且該過(guò)程繼續(xù)到方框432，在此為光點(diǎn)面積收集的數(shù)據(jù)和為As收集 的數(shù)據(jù)用于計(jì)算每一電機(jī)步距的光點(diǎn)面積的平均變化-換句話說(shuō)，對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的每次移 動(dòng)光點(diǎn)面積平均變化多少。在方框434，存儲(chǔ)該值，并且在方框436完成該校準(zhǔn)過(guò)程。圖5A和5B示出焦點(diǎn)反饋系統(tǒng)200的操作的實(shí)施例。圖5A示出光點(diǎn)在傳感器222 上的移動(dòng)。為了清楚起見(jiàn)夸大了該圖中的所有尺寸；實(shí)際上尺寸和光點(diǎn)移動(dòng)可能比所示的 小得多。當(dāng)系統(tǒng)200起動(dòng)時(shí)，該系統(tǒng)利用在校準(zhǔn)過(guò)程中收集的信息將可動(dòng)光學(xué)元件202定 位到適當(dāng)?shù)暮蠼咕?。這通過(guò)首先移動(dòng)該光學(xué)元件202直到傳感器上的光點(diǎn)位于對(duì)于已記錄 的起始位置(xs，ys)適當(dāng)?shù)奈恢脼橹箒?lái)實(shí)現(xiàn)。然后，利用在校準(zhǔn)過(guò)程中生成的曲線，確定設(shè) 置適當(dāng)?shù)暮蠼咕嗨璧牟綌?shù)，并將光學(xué)元件202移動(dòng)到所希望的位置。然后記錄光點(diǎn)位置 和面積。這是“預(yù)期”光點(diǎn)位置504。在系統(tǒng)的操作過(guò)程中，熱膨脹、機(jī)械移動(dòng)和各種其它因素可能導(dǎo)致可動(dòng)光學(xué)元件 202移動(dòng)，因此改變后焦距并使光點(diǎn)從預(yù)期光點(diǎn)位置504漂移到“當(dāng)前”光點(diǎn)位置，如光點(diǎn)位 置502或506。反饋系統(tǒng)的主要目的是為可動(dòng)光學(xué)元件202保持適當(dāng)?shù)暮蠼咕?。這通過(guò)調(diào) 整光學(xué)元件的位置直到當(dāng)前光點(diǎn)502或506的位置和面積與預(yù)期的光點(diǎn)位置504基本上相 符為止來(lái)進(jìn)行。當(dāng)該光點(diǎn)位于預(yù)期光點(diǎn)位置504時(shí)，其位于坐標(biāo)(xEXP，yEXP)處，并具有預(yù)期面積 Aexp。利用當(dāng)前光點(diǎn)位置502作為例子，如果可動(dòng)光學(xué)元件在操作過(guò)程中發(fā)生漂移，那么光 點(diǎn)將移動(dòng)到坐標(biāo)為(χ·，, )的當(dāng)前光點(diǎn)位置502，在該位置處該光點(diǎn)具有面積Α·。因此， 光點(diǎn)從其預(yù)期位置水平地漂移了距離Δ χ，且垂直地漂移了距離Δ y，且其面積與預(yù)期面積 相差量ΔΑ。利用例如圖5B所示的過(guò)程的實(shí)施例連同在校準(zhǔn)過(guò)程中收集的信息，然后反饋 系統(tǒng)移動(dòng)可動(dòng)光學(xué)元件202直到光點(diǎn)從其當(dāng)前位置502移動(dòng)到預(yù)期位置504為止。圖5B參照?qǐng)D5A示出焦點(diǎn)反饋系統(tǒng)200的操作的實(shí)施例550。該過(guò)程在方框551 開(kāi)始，并且繼續(xù)到方框552，在此移動(dòng)可動(dòng)光學(xué)元件202直到其處于起始位置為止。在方框 553，該過(guò)程基于校準(zhǔn)來(lái)確定將光學(xué)元件202從起始位置移動(dòng)到焦點(diǎn)位置所需要的電機(jī)步 數(shù)。將光學(xué)元件202移動(dòng)到焦點(diǎn)位置，然后記錄光點(diǎn)位置和面積。這就是“預(yù)期”光點(diǎn)位置 504，其坐標(biāo)為(xEXP，yEXP)，且面積為ΑΕ) Ρ。在規(guī)定的延遲之后，在方框555處確定并記錄光點(diǎn)的當(dāng)前位置502的坐標(biāo)(χ·， yCUE)；如上所述，由通常從傳感器上的規(guī)定原點(diǎn)按像素?cái)?shù)測(cè)量的光點(diǎn)中心的位置來(lái)確定該 光點(diǎn)的位置。在方框506，確定并且記錄光點(diǎn)502的當(dāng)前面積A·。在方框508，為系統(tǒng)工作 所處的聚焦距離取回光點(diǎn)的預(yù)期位置504的坐標(biāo)(xEXP，yEXP)，以及光點(diǎn)504的預(yù)期面積AEXP。 在方框560，該過(guò)程計(jì)算偏差ΔΧ和Ay，所述偏差用數(shù)量表示光點(diǎn)的實(shí)際位置與其預(yù)期位 置相差的距離。在計(jì)算了偏差ΔΧ和Ay之后，該過(guò)程緊接著利用這些值來(lái)檢查光點(diǎn)502是否有效。在方框562，該過(guò)程將Ay的值與規(guī)定容差進(jìn)行比較。如果Ay的值超過(guò)了規(guī)定容差， 那么在方框570該過(guò)程確定光點(diǎn)是無(wú)效的，并且在方框566停止。如果Ay的值在規(guī)定容 差之內(nèi)，那么該過(guò)程繼續(xù)到方框568，在此其將Δ χ的值與規(guī)定容差進(jìn)行比較。如果Δχ的 值超過(guò)了規(guī)定容差，那么在方框570，該過(guò)程確定光點(diǎn)是無(wú)效的，并且在方框566停止。如果利用ΔΧ和Ay的值發(fā)現(xiàn)光點(diǎn)502是有效的，那么該過(guò)程繼續(xù)到方框572，在 此其計(jì)算ΔA的值，Δ A即對(duì)于給定的焦點(diǎn)位置實(shí)際光點(diǎn)面積與預(yù)期光點(diǎn)面積之差。在方框 574，該過(guò)程利用標(biāo)準(zhǔn)化因數(shù)八&將ΔΧ的值標(biāo)準(zhǔn)化，而在方框576，其利用不同的標(biāo)準(zhǔn)化因 數(shù)八~將ΔΑ的值標(biāo)準(zhǔn)化。在方框578，該過(guò)程將ΔΧ和ΔΑ的標(biāo)準(zhǔn)化值進(jìn)行比較。如果 標(biāo)準(zhǔn)化值不相等，那么在方框564該過(guò)程確定光點(diǎn)是無(wú)效的，并且該過(guò)程在方框566停止。 如果ΔΧ和ΔΑ的標(biāo)準(zhǔn)化值相等，那么光點(diǎn)是有效的，并且該過(guò)程繼續(xù)到方框580，在此該過(guò) 程基于校準(zhǔn)來(lái)確定其將采用用于移動(dòng)光點(diǎn)502通過(guò)距離Δ χ的電機(jī)步數(shù)，從而光點(diǎn)502能 夠移動(dòng)到其預(yù)期位置504。在確定必需的電機(jī)步數(shù)之后，在方框582，該過(guò)程使電機(jī)通過(guò)適 當(dāng)?shù)牟綌?shù)步進(jìn)以使光點(diǎn)返回到其預(yù)期位置504。最后，該過(guò)程繼續(xù)到方框584，在此該過(guò)程 等待一段規(guī)定的時(shí)間后返回到方框陽(yáng)5并再次繼續(xù)進(jìn)行方框555-582。圖6示出替換實(shí)施例焦點(diǎn)反饋系統(tǒng)600。該焦點(diǎn)反饋系統(tǒng)600與結(jié)合圖2描述的 焦點(diǎn)反饋系統(tǒng)200類(lèi)似。兩者之間的主要區(qū)別在于來(lái)自輻射源的輻射被引導(dǎo)到傳感器222 上的方式。在系統(tǒng)600中，輻射源604沿著傳感器的像平面被定位，并指向附著到可動(dòng)光學(xué) 元件202的反射器602。輻射源604將輻射束606引導(dǎo)到反射器602上，并且反射器602 將光束606再次引導(dǎo)到光束608中，其相對(duì)于可動(dòng)光學(xué)元件的光軸210處于選定角α。然 后將光束608引導(dǎo)到傳感器222上。在其它實(shí)施例中，該輻射源可以不同地定位，只要在可 動(dòng)光學(xué)元件202的整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)光束606落在反射器602上且光束608落在傳感器222 上?？梢曰旧先缟厦鎸?duì)于焦點(diǎn)反饋系統(tǒng)200所描述的那樣對(duì)焦點(diǎn)反饋系統(tǒng)600進(jìn)行校準(zhǔn) 和操作。本發(fā)明的所示實(shí)施例的以上描述，包括摘要中所描述的，并不旨在是窮舉的或者 將本發(fā)明限制于所公開(kāi)的精確形式。雖然本文中出于說(shuō)明的目的描述了本發(fā)明的特定實(shí)施 例和例子，但是如相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員所知的那樣，多種等效的修改在本發(fā)明的范圍內(nèi)是可 以的。根據(jù)上面的詳述可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行這些修改。在下面的權(quán)利要求中使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)當(dāng)解釋為將本發(fā)明限制于說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的 特定實(shí)施例。相反，本發(fā)明的范圍完全由下面的權(quán)利要求來(lái)確定，所述權(quán)利要求將依照已經(jīng) 建立的權(quán)利要求解釋原則來(lái)解釋。
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權(quán)利要求
1.一種裝置，包括可動(dòng)光學(xué)元件，其具有光軸并包括一個(gè)或多個(gè)聚焦元件；圖像傳感器，其沿著該光軸定位，其中該可動(dòng)光學(xué)元件可相對(duì)于該圖像傳感器運(yùn)動(dòng)；以及輻射源，其附著到可動(dòng)光學(xué)元件，其中該輻射源相對(duì)于光軸以選定角將輻射束引導(dǎo)到 圖像傳感器上。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其與可動(dòng)光學(xué)元件耦合以沿著光 軸移動(dòng)該可動(dòng)光學(xué)元件。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，進(jìn)一步包括控制器，其與圖像傳感器和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耦合，其 中該控制器基于輻射束照在圖像傳感器上的位置來(lái)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括 電機(jī)；以及運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)，其與該電機(jī)和可動(dòng)光學(xué)元件耦合，其中該運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)將電機(jī)的運(yùn)動(dòng) 轉(zhuǎn)變成可動(dòng)光學(xué)元件沿著光軸的線性運(yùn)動(dòng)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中該運(yùn)動(dòng)傳送機(jī)構(gòu)包括摩擦輪、蝸輪、齒輪以及凸輪中 的一個(gè)或多個(gè)。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該輻射束基本上是準(zhǔn)直的。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該一個(gè)或多個(gè)聚焦元件可以包括折射、衍射或反射 的聚焦元件，或者其組合。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中該輻射源發(fā)射在光譜的可見(jiàn)部分中的光束。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中該輻射源是發(fā)光二極管(LED)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種裝置，包括可動(dòng)光學(xué)元件，其具有光軸并包括一個(gè)或多個(gè)聚焦元件；圖像傳感器，其沿著光軸定位，并且基本上與該光軸正交；輻射源，其附著到可動(dòng)光學(xué)元件，其中該輻射源相對(duì)于光軸以選定角將輻射束引導(dǎo)到傳感器上。一種方法，包括將傳感器沿著且正交于可動(dòng)光學(xué)元件的光軸定位；將輻射束從附著到可動(dòng)光學(xué)元件的輻射源投射到傳感器上，其中該輻射束相對(duì)于光軸處于選定角；調(diào)整可動(dòng)光學(xué)元件的位置直到該輻射束落在傳感器上的位置與當(dāng)可動(dòng)光學(xué)元件在焦點(diǎn)上時(shí)輻射束預(yù)期落在傳感器上的位置相對(duì)應(yīng)為止。公開(kāi)并要求其它實(shí)施例的權(quán)利。
文檔編號(hào)G06K7/14GK102129545SQ201110044269
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2006年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月23日
發(fā)明者D·A·馬克斯, D·S·巴恩斯, 林家俊 申請(qǐng)人:微掃描系統(tǒng)公司