光電設(shè)備和調(diào)準(zhǔn)方法
【專利說(shuō)明】光電設(shè)備和調(diào)準(zhǔn)方法
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的、具有自適應(yīng)透鏡的設(shè)備以及根據(jù)權(quán)利要求9、10和11的前序部分所述的、用于調(diào)準(zhǔn)所述光電設(shè)備的方法。
[0002]必須確保在有高質(zhì)量要求的光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行可靠的調(diào)準(zhǔn)才能正常運(yùn)行。這涉及到制造，其中在裝配期間或裝配之后將光學(xué)元件，如光源、透鏡、濾光器或圖像傳感器彼此調(diào)準(zhǔn)，以補(bǔ)償公差或批次間的變化。機(jī)械調(diào)準(zhǔn)需要在設(shè)計(jì)中有額外的自由度，以便為調(diào)準(zhǔn)提供調(diào)節(jié)可能，此外還需要運(yùn)營(yíng)資金或人工成本來(lái)實(shí)施手動(dòng)的、半自動(dòng)的或全自動(dòng)的調(diào)準(zhǔn)。如此一來(lái)制造成本會(huì)顯著增加。
[0003]另一方面所述調(diào)準(zhǔn)也在如下領(lǐng)域起作用。這里所說(shuō)的領(lǐng)域是指，在對(duì)設(shè)備緊固點(diǎn)與期望的照明區(qū)域或視場(chǎng)之間的位移和傾斜偏差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下將光學(xué)系統(tǒng)調(diào)準(zhǔn)。如果需要更換光學(xué)系統(tǒng)，則必須重復(fù)此過(guò)程。如果并行使用多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，例如在多頭相機(jī)中使用多個(gè)相機(jī)模塊，則要確保其被相互調(diào)準(zhǔn)。
[0004]對(duì)于相機(jī)系統(tǒng)也可采取以下方式來(lái)替代調(diào)準(zhǔn)，即通過(guò)圖像處理來(lái)裁剪視域，但視域會(huì)因此變小。這也適用于平行放置多個(gè)相機(jī)模塊，其中公差范圍可作為額外的重疊區(qū)域使用，以便獲得完整的、但由于額外重疊而變小的總視野。
[0005]在光學(xué)系統(tǒng)中通常會(huì)設(shè)置光學(xué)元件，借助調(diào)焦來(lái)將所述光學(xué)元件以一定的距離或距離范圍來(lái)清晰地調(diào)節(jié)，方式是機(jī)電地或光機(jī)地調(diào)節(jié)透鏡的位置，并從而調(diào)節(jié)發(fā)射或接收光學(xué)元件的頂焦距。為了進(jìn)行精確調(diào)節(jié)此類解決方案需要的安裝空間大并且對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)有較高的要求，因此實(shí)質(zhì)上采用的是預(yù)定的聚焦位置。另一種可選方法是使用以下光學(xué)元件，即在其中不是改變頂焦距而是通過(guò)控制電壓來(lái)直接改變形狀并由此改變透鏡的焦距自身。為此特別使用凝膠透鏡或液體透鏡。對(duì)于凝膠透鏡而言，借助壓電或電感的致動(dòng)器使硅膠式液體產(chǎn)生機(jī)械變形。液體透鏡則利用例如所謂的電潤(rùn)濕效應(yīng)(英:electrowetting(電潤(rùn)濕))，方式是將兩種不可混溶的液體疊加布置在腔室中。當(dāng)施加控制電壓時(shí)，這兩種液體會(huì)以不同的方式改變其表面張力，從而使得液體的內(nèi)部臨界面會(huì)根據(jù)電壓改變其彎曲程度。由DE 10 2005 015 500 Al或DE 20 2006 017 268 Ul中已知一種光電傳感器，其具有基于液體透鏡的調(diào)焦功能。所述調(diào)焦功能有可能與場(chǎng)景匹配，但不會(huì)取代調(diào)準(zhǔn)。
[0006]在用于調(diào)焦的液體透鏡的改進(jìn)方案中，EP 2 071 367 Al提出，通過(guò)在旋轉(zhuǎn)方向上施加不同的電壓也可改變液體透鏡的傾斜。為了防止拍攝抖動(dòng)的圖像，要確定相機(jī)自身的運(yùn)動(dòng)，并將相機(jī)中的一個(gè)或多個(gè)透鏡傾斜，以抵消所述自身的運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償也是基于相機(jī)本身事先所進(jìn)行的調(diào)準(zhǔn)。對(duì)手持式相機(jī)而言，沒(méi)有規(guī)定在場(chǎng)景方面要進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)。
[0007]DE 10 2005 015 500 Al中公開(kāi)了另一種具有液體透鏡的光電傳感器，由于透鏡框分離的電極上的非對(duì)稱框架或不同的電勢(shì)導(dǎo)致液體透鏡在其光束整形特性方面是可非對(duì)稱變化的。但該文件沒(méi)有闡述，可用它來(lái)做什么。
[0008]因此，本發(fā)明的任務(wù)在于，簡(jiǎn)化光電設(shè)備的調(diào)準(zhǔn)。
[0009]該任務(wù)通過(guò)如權(quán)利要求1和6所述的光電設(shè)備以及如權(quán)利要求9、10和11所述的方法得以實(shí)現(xiàn)。所述設(shè)備包括具有自適應(yīng)透鏡的光學(xué)元件，通過(guò)電子控制來(lái)改變其傾斜。自適應(yīng)透鏡最好也可以調(diào)焦距，以便調(diào)整焦點(diǎn)位置。通過(guò)將自適應(yīng)透鏡傾斜可非常簡(jiǎn)單地進(jìn)行公差補(bǔ)償。所述公差可以是組件本身的制造公差，即光發(fā)射器、光接收器或光學(xué)元件批次間的變化。公差的另一個(gè)來(lái)源是在將組件安裝到設(shè)備中時(shí)的不準(zhǔn)確性，這會(huì)造成在組件與組件之間的以及在組件到殼體的裝配公差。但這些裝配公差也涉及將設(shè)備安裝到應(yīng)用部位。調(diào)準(zhǔn)的目的通常在于，使設(shè)備的照明區(qū)域或視場(chǎng)具有特定的幾何形狀和取向，即在場(chǎng)景中所希望的位置、方向和形狀。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，可以免去昂貴的機(jī)械調(diào)準(zhǔn)過(guò)程。這樣一來(lái)就節(jié)省了設(shè)計(jì)成本和調(diào)準(zhǔn)費(fèi)用。但是卻實(shí)現(xiàn)了非常好的調(diào)整。傾斜是主要的影響量，因?yàn)榻蛊矫嬷械膬A斜公差會(huì)引起較大的橫向位移。
[0011]調(diào)準(zhǔn)單元優(yōu)選具有存儲(chǔ)單元，用于將制造過(guò)程中教導(dǎo)的自適應(yīng)透鏡的傾斜位置作為調(diào)準(zhǔn)過(guò)的出廠設(shè)置存儲(chǔ)起來(lái)。通過(guò)設(shè)置所存儲(chǔ)的傾斜位置而產(chǎn)生經(jīng)過(guò)調(diào)準(zhǔn)的設(shè)備，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)在其設(shè)計(jì)中不必設(shè)置機(jī)械調(diào)準(zhǔn)的可能性或不需要復(fù)雜的調(diào)準(zhǔn)過(guò)程。但代替出廠設(shè)置，也可設(shè)想應(yīng)用特定的傾斜以及由此所引起的定向。
[0012]該裝置被優(yōu)選構(gòu)造成相機(jī)，其具有作為光接收器的圖像傳感器。通過(guò)將自適應(yīng)透鏡傾斜這種簡(jiǎn)單的方式將圖像傳感器和接收光學(xué)系統(tǒng)彼此調(diào)準(zhǔn)，并調(diào)節(jié)相機(jī)的視場(chǎng)。
[0013]調(diào)準(zhǔn)單元被優(yōu)選設(shè)計(jì)用于在圖像傳感器視野中識(shí)別至少一個(gè)圖像特征并將其連同位置一并保存。調(diào)準(zhǔn)單元可借助圖像特征檢查曾實(shí)現(xiàn)的調(diào)準(zhǔn)。但所述圖像特征及其位置主要還是用于為以后更換設(shè)備做準(zhǔn)備。存儲(chǔ)最好是永久性的，即獨(dú)立于設(shè)備運(yùn)行，即使停止運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間或有故障時(shí)數(shù)據(jù)仍然可用。此外，還適合存儲(chǔ)在上級(jí)控制器中或存儲(chǔ)在可移動(dòng)介質(zhì)上。
[0014]調(diào)準(zhǔn)單元被優(yōu)選設(shè)計(jì)用于讀取至少一個(gè)圖像特征和該圖像特征的位置并將自適應(yīng)透鏡傾斜，使得圖像特征在該位置處位于圖像傳感器的視野中。這樣一來(lái)會(huì)根據(jù)場(chǎng)景自動(dòng)再次生成預(yù)先取得的調(diào)準(zhǔn)。被讀出的數(shù)據(jù)最好是另外的設(shè)備產(chǎn)生并存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。從而實(shí)現(xiàn)可更換性，方式是更換裝置根據(jù)至少一個(gè)所述圖像特征來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)與所更換的設(shè)備一樣的同一視場(chǎng)。從而維持待更換的系統(tǒng)的全部物理視場(chǎng)，而不會(huì)例如因?yàn)閷D像縮減到較小的共同視場(chǎng)而丟失信息。
[0015]在根據(jù)權(quán)利要求6所述的優(yōu)選實(shí)施形式中設(shè)置了至少兩個(gè)圖像傳感器，在這兩個(gè)圖像傳感器之前分別布置了具有可變傾斜的自適應(yīng)透鏡的光學(xué)元件，其中圖像傳感器的視場(chǎng)具有重疊區(qū)域。調(diào)準(zhǔn)單元在此處將重疊區(qū)域中的至少一個(gè)圖像特征識(shí)別出來(lái)并根據(jù)該圖像特征通過(guò)將至少一個(gè)自適應(yīng)透鏡傾斜來(lái)彼此對(duì)準(zhǔn)圖像傳感器的視場(chǎng)。有利的是，各個(gè)視場(chǎng)并排布置并且被調(diào)準(zhǔn)成使得不會(huì)出現(xiàn)橫向位移。這樣一來(lái)就可使整個(gè)視野最大化，并為此只需要非常小的重疊區(qū)域就夠了。此外，所述圖像特征或在重疊區(qū)域外部的其他圖像特征也可像上面就更換裝置所進(jìn)行的描述那樣被存儲(chǔ)起來(lái)，以便在保持調(diào)準(zhǔn)的情況下允許更換單個(gè)相機(jī)模塊。
[0016]自適應(yīng)透鏡優(yōu)選為液體透鏡或凝膠透鏡。此類透鏡提供了所需的調(diào)節(jié)可能性而其結(jié)構(gòu)還非常緊湊且價(jià)格低廉。將此類透鏡傾斜當(dāng)然并不意味著強(qiáng)制性地進(jìn)行幾何傾斜，而是指在效果上相當(dāng)于傾斜的光學(xué)效應(yīng)。
[0017]自適應(yīng)透鏡優(yōu)選具有在旋轉(zhuǎn)方向上分段的控制元件。這些控制元件例如是分段的電極，這些電極通過(guò)電潤(rùn)濕效應(yīng)操縱液體透鏡。還可設(shè)想的是分段的致動(dòng)器，特別是壓電致動(dòng)器，其局部改變施加到液體上的壓力并由此使液體上的膜發(fā)生不同的彎曲，或直接使透鏡的凝膠狀物質(zhì)變形。由于在旋轉(zhuǎn)方向上的分段使得對(duì)透鏡產(chǎn)生非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱影響成為可能，這就導(dǎo)致了光學(xué)傾斜。
[0018]本發(fā)明所述方法可用類似的方式通過(guò)其它特征進(jìn)一步改進(jìn)而同時(shí)顯示出類似的優(yōu)點(diǎn)。所述其它特征是示例性的，但是并不限于隸屬獨(dú)立權(quán)利要求的從屬權(quán)利要求中所述的。
[0019]在權(quán)利要求9所述的方法中，傾斜自適應(yīng)透鏡使得制造公差和/或裝配公差得到補(bǔ)償。由此可避免昂貴的調(diào)準(zhǔn)過(guò)程或避免使用昂貴的、公差小的組件，但仍然會(huì)實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)準(zhǔn)。
[0020]如權(quán)利要求10所述的方法涉及更換具有圖像傳感器的相機(jī)和布置在圖像傳感器之前的、具有自適應(yīng)透鏡的接收光學(xué)元件。其中以后有可能要更換的相機(jī)存儲(chǔ)了至少一個(gè)圖像特征以及該圖像特征相對(duì)于其圖像傳感器的位置。更換裝置在進(jìn)行更換時(shí)使用這些信息并確保圖像特征在正確的位置。從而確保更換裝置可在同一取向上承擔(dān)自身的功能。
[0021]在權(quán)利要求11所述的方法中，將至少兩個(gè)相機(jī)彼此調(diào)準(zhǔn)，所述相機(jī)分別具有圖像傳感器和布置在該圖像傳感器之前的、具有可變傾斜的自適應(yīng)透鏡的光學(xué)元件。為此將重疊區(qū)域中的至少一個(gè)圖像特征識(shí)別出來(lái)，并根據(jù)該圖像特征通過(guò)將至少一個(gè)自適應(yīng)透鏡傾斜來(lái)彼此調(diào)準(zhǔn)圖像傳感器的視野。這時(shí)會(huì)產(chǎn)生最大范圍的經(jīng)過(guò)調(diào)準(zhǔn)的全視野，為此只需最小的重疊區(qū)域就夠了。
[0022]下面借助實(shí)施例并且參考附圖也對(duì)本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特征進(jìn)行描述。附圖中的圖片示出:
[0023]圖1示出了光電設(shè)備的示意性剖視圖，所述光電設(shè)備具有光接收器和在接收光學(xué)元件中的可傾斜的自適應(yīng)透鏡；
[0024]圖2示出了光電設(shè)備的示意性剖視圖，所述光電設(shè)備具有光發(fā)射器和在發(fā)射光學(xué)元件中的可傾斜的自適應(yīng)透鏡；
[0025]圖3為闡述了具有多個(gè)相機(jī)模塊的相機(jī)布置和借助自適應(yīng)透鏡來(lái)調(diào)準(zhǔn)相機(jī)模塊的視野的圖示；
[0026]圖4a示出了光束發(fā)散狀態(tài)下的自適應(yīng)透鏡；
[0027]圖4b示出了中性狀態(tài)下的自適應(yīng)透鏡；
[0028]圖4c示出了光束收斂狀態(tài)下的自適應(yīng)透鏡；
[0029]圖5a示出了向下傾斜的自適應(yīng)透鏡；
[0030]圖5b示出了不傾斜的自適應(yīng)透鏡；
[0031]圖5c示出了向上傾斜的自適應(yīng)透鏡；以及
[0032]圖6示出了自適應(yīng)透鏡的頂視圖，用于說(shuō)明分段的、非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的控制。
[0033]圖1示出了用于從監(jiān)視區(qū)域12獲取對(duì)象信息的光電設(shè)備10的實(shí)施形式的截面示意圖。通過(guò)接收光學(xué)系統(tǒng)14，圖像傳感器16例如CXD或CMOS芯片生成監(jiān)視區(qū)域12的圖像。這些圖像的圖像信息被傳輸?shù)椒治鰡卧?8。
[0034]接收光學(xué)元件14具有自適應(yīng)透鏡，其可通過(guò)分析單元18的電子控制來(lái)進(jìn)行傾斜。通過(guò)傾斜來(lái)改變?cè)O(shè)備10的視場(chǎng)。自適應(yīng)透鏡的工作原理將在下面根據(jù)圖4至6來(lái)詳細(xì)闡述。圖像傳感器14和在圖1中通過(guò)自適應(yīng)透鏡簡(jiǎn)化表示的接收光學(xué)系統(tǒng)16構(gòu)成組件，所述組件可具有其它未被示出的光學(xué)元件，如透鏡、反射鏡、光圈或?yàn)V光器。也存在以下可能，即設(shè)備10具有多個(gè)自適應(yīng)透鏡。
[0035]傾斜接收光學(xué)系統(tǒng)16的自適應(yīng)透鏡在記入過(guò)程(Einlernprozess)中被用于調(diào)準(zhǔn)。在這種情