光电设备和调准方法
【专利说明】光电设备和调准方法
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的、具有自适应透镜的设备以及根据权利要求9、10和11的前序部分所述的、用于调准所述光电设备的方法。
[0002]必须确保在有高质量要求的光学系统中进行可靠的调准才能正常运行。这涉及到制造，其中在装配期间或装配之后将光学元件，如光源、透镜、滤光器或图像传感器彼此调准，以补偿公差或批次间的变化。机械调准需要在设计中有额外的自由度，以便为调准提供调节可能，此外还需要运营资金或人工成本来实施手动的、半自动的或全自动的调准。如此一来制造成本会显著增加。
[0003]另一方面所述调准也在如下领域起作用。这里所说的领域是指，在对设备紧固点与期望的照明区域或视场之间的位移和倾斜偏差进行补偿的情况下将光学系统调准。如果需要更换光学系统，则必须重复此过程。如果并行使用多个光学系统，例如在多头相机中使用多个相机模块，则要确保其被相互调准。
[0004]对于相机系统也可采取以下方式来替代调准，即通过图像处理来裁剪视域，但视域会因此变小。这也适用于平行放置多个相机模块，其中公差范围可作为额外的重叠区域使用，以便获得完整的、但由于额外重叠而变小的总视野。
[0005]在光学系统中通常会设置光学元件，借助调焦来将所述光学元件以一定的距离或距离范围来清晰地调节，方式是机电地或光机地调节透镜的位置，并从而调节发射或接收光学元件的顶焦距。为了进行精确调节此类解决方案需要的安装空间大并且对机械结构有较高的要求，因此实质上采用的是预定的聚焦位置。另一种可选方法是使用以下光学元件，即在其中不是改变顶焦距而是通过控制电压来直接改变形状并由此改变透镜的焦距自身。为此特别使用凝胶透镜或液体透镜。对于凝胶透镜而言，借助压电或电感的致动器使硅胶式液体产生机械变形。液体透镜则利用例如所谓的电润湿效应(英:electrowetting(电润湿))，方式是将两种不可混溶的液体叠加布置在腔室中。当施加控制电压时，这两种液体会以不同的方式改变其表面张力，从而使得液体的内部临界面会根据电压改变其弯曲程度。由DE 10 2005 015 500 Al或DE 20 2006 017 268 Ul中已知一种光电传感器，其具有基于液体透镜的调焦功能。所述调焦功能有可能与场景匹配，但不会取代调准。
[0006]在用于调焦的液体透镜的改进方案中，EP 2 071 367 Al提出，通过在旋转方向上施加不同的电压也可改变液体透镜的倾斜。为了防止拍摄抖动的图像，要确定相机自身的运动，并将相机中的一个或多个透镜倾斜，以抵消所述自身的运动。这种运动补偿也是基于相机本身事先所进行的调准。对手持式相机而言，没有规定在场景方面要进行调准。
[0007]DE 10 2005 015 500 Al中公开了另一种具有液体透镜的光电传感器，由于透镜框分离的电极上的非对称框架或不同的电势导致液体透镜在其光束整形特性方面是可非对称变化的。但该文件没有阐述，可用它来做什么。
[0008]因此，本发明的任务在于，简化光电设备的调准。
[0009]该任务通过如权利要求1和6所述的光电设备以及如权利要求9、10和11所述的方法得以实现。所述设备包括具有自适应透镜的光学元件，通过电子控制来改变其倾斜。自适应透镜最好也可以调焦距，以便调整焦点位置。通过将自适应透镜倾斜可非常简单地进行公差补偿。所述公差可以是组件本身的制造公差，即光发射器、光接收器或光学元件批次间的变化。公差的另一个来源是在将组件安装到设备中时的不准确性，这会造成在组件与组件之间的以及在组件到壳体的装配公差。但这些装配公差也涉及将设备安装到应用部位。调准的目的通常在于，使设备的照明区域或视场具有特定的几何形状和取向，即在场景中所希望的位置、方向和形状。
[0010]本发明的优点在于，可以免去昂贵的机械调准过程。这样一来就节省了设计成本和调准费用。但是却实现了非常好的调整。倾斜是主要的影响量，因为焦平面中的倾斜公差会引起较大的横向位移。
[0011]调准单元优选具有存储单元，用于将制造过程中教导的自适应透镜的倾斜位置作为调准过的出厂设置存储起来。通过设置所存储的倾斜位置而产生经过调准的设备，该设备的结构在其设计中不必设置机械调准的可能性或不需要复杂的调准过程。但代替出厂设置，也可设想应用特定的倾斜以及由此所引起的定向。
[0012]该装置被优选构造成相机，其具有作为光接收器的图像传感器。通过将自适应透镜倾斜这种简单的方式将图像传感器和接收光学系统彼此调准，并调节相机的视场。
[0013]调准单元被优选设计用于在图像传感器视野中识别至少一个图像特征并将其连同位置一并保存。调准单元可借助图像特征检查曾实现的调准。但所述图像特征及其位置主要还是用于为以后更换设备做准备。存储最好是永久性的，即独立于设备运行，即使停止运行较长时间或有故障时数据仍然可用。此外，还适合存储在上级控制器中或存储在可移动介质上。
[0014]调准单元被优选设计用于读取至少一个图像特征和该图像特征的位置并将自适应透镜倾斜，使得图像特征在该位置处位于图像传感器的视野中。这样一来会根据场景自动再次生成预先取得的调准。被读出的数据最好是另外的设备产生并存储的数据。从而实现可更换性，方式是更换装置根据至少一个所述图像特征来自动调节与所更换的设备一样的同一视场。从而维持待更换的系统的全部物理视场，而不会例如因为将图像缩减到较小的共同视场而丢失信息。
[0015]在根据权利要求6所述的优选实施形式中设置了至少两个图像传感器，在这两个图像传感器之前分别布置了具有可变倾斜的自适应透镜的光学元件，其中图像传感器的视场具有重叠区域。调准单元在此处将重叠区域中的至少一个图像特征识别出来并根据该图像特征通过将至少一个自适应透镜倾斜来彼此对准图像传感器的视场。有利的是，各个视场并排布置并且被调准成使得不会出现横向位移。这样一来就可使整个视野最大化，并为此只需要非常小的重叠区域就够了。此外，所述图像特征或在重叠区域外部的其他图像特征也可像上面就更换装置所进行的描述那样被存储起来，以便在保持调准的情况下允许更换单个相机模块。
[0016]自适应透镜优选为液体透镜或凝胶透镜。此类透镜提供了所需的调节可能性而其结构还非常紧凑且价格低廉。将此类透镜倾斜当然并不意味着强制性地进行几何倾斜，而是指在效果上相当于倾斜的光学效应。
[0017]自适应透镜优选具有在旋转方向上分段的控制元件。这些控制元件例如是分段的电极，这些电极通过电润湿效应操纵液体透镜。还可设想的是分段的致动器，特别是压电致动器，其局部改变施加到液体上的压力并由此使液体上的膜发生不同的弯曲，或直接使透镜的凝胶状物质变形。由于在旋转方向上的分段使得对透镜产生非旋转对称影响成为可能，这就导致了光学倾斜。
[0018]本发明所述方法可用类似的方式通过其它特征进一步改进而同时显示出类似的优点。所述其它特征是示例性的，但是并不限于隶属独立权利要求的从属权利要求中所述的。
[0019]在权利要求9所述的方法中，倾斜自适应透镜使得制造公差和/或装配公差得到补偿。由此可避免昂贵的调准过程或避免使用昂贵的、公差小的组件，但仍然会实现精确的调准。
[0020]如权利要求10所述的方法涉及更换具有图像传感器的相机和布置在图像传感器之前的、具有自适应透镜的接收光学元件。其中以后有可能要更换的相机存储了至少一个图像特征以及该图像特征相对于其图像传感器的位置。更换装置在进行更换时使用这些信息并确保图像特征在正确的位置。从而确保更换装置可在同一取向上承担自身的功能。
[0021]在权利要求11所述的方法中，将至少两个相机彼此调准，所述相机分别具有图像传感器和布置在该图像传感器之前的、具有可变倾斜的自适应透镜的光学元件。为此将重叠区域中的至少一个图像特征识别出来，并根据该图像特征通过将至少一个自适应透镜倾斜来彼此调准图像传感器的视野。这时会产生最大范围的经过调准的全视野，为此只需最小的重叠区域就够了。
[0022]下面借助实施例并且参考附图也对本发明的其它优点和特征进行描述。附图中的图片示出:
[0023]图1示出了光电设备的示意性剖视图，所述光电设备具有光接收器和在接收光学元件中的可倾斜的自适应透镜；
[0024]图2示出了光电设备的示意性剖视图，所述光电设备具有光发射器和在发射光学元件中的可倾斜的自适应透镜；
[0025]图3为阐述了具有多个相机模块的相机布置和借助自适应透镜来调准相机模块的视野的图示；
[0026]图4a示出了光束发散状态下的自适应透镜；
[0027]图4b示出了中性状态下的自适应透镜；
[0028]图4c示出了光束收敛状态下的自适应透镜；
[0029]图5a示出了向下倾斜的自适应透镜；
[0030]图5b示出了不倾斜的自适应透镜；
[0031]图5c示出了向上倾斜的自适应透镜；以及
[0032]图6示出了自适应透镜的顶视图，用于说明分段的、非旋转对称的控制。
[0033]图1示出了用于从监视区域12获取对象信息的光电设备10的实施形式的截面示意图。通过接收光学系统14，图像传感器16例如CXD或CMOS芯片生成监视区域12的图像。这些图像的图像信息被传输到分析单元18。
[0034]接收光学元件14具有自适应透镜，其可通过分析单元18的电子控制来进行倾斜。通过倾斜来改变设备10的视场。自适应透镜的工作原理将在下面根据图4至6来详细阐述。图像传感器14和在图1中通过自适应透镜简化表示的接收光学系统16构成组件，所述组件可具有其它未被示出的光学元件，如透镜、反射镜、光圈或滤光器。也存在以下可能，即设备10具有多个自适应透镜。
[0035]倾斜接收光学系统16的自适应透镜在记入过程(Einlernprozess)中被用于调准。在这种情