光电设备和用于拍摄清晰图像的方法
【专利说明】光电设备和用于拍摄清晰图像的方法
[0001]本发明涉及根据权利要求1或12的前序部分所述的一种光电设备和一种用于拍摄清晰图像的方法。
[0002]几乎每个光学传感器中都设置了发射或接收光学元件。通常借助调焦来将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。
[0003]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，并因此实际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 102005 015 500 Al或DE 20 2006 017268 Ul中已知一种光电传感器，其具有基于液体透镜的调焦装置。
[0004]带有可变焦距调节装置的摄像系统可分为两类。基于在不同聚焦位置的多次拍摄，自动聚焦系统迭代地获取适当的聚焦位置(“闭环(Closed-Loop)”法)。由于需要迭代，该方法进行得相对缓慢。聚焦的第二种可能性在于，由距离测量来确定所需的聚焦位置，然后聚焦单元再转换预定值(“开环(Open-Loop) ”法)。接着有必要确保聚焦单元确实已达到所期望的聚焦位。这对具有热体积膨胀和温度相关的折射率的液体或凝胶透镜而言尤为关键。教导了与温度相关的校正矩阵来对此进行补偿。因此，操作聚焦单元要考虑实际温度并抵消温度漂移。对于可逆的温度性能而言，当然还包括其它的效应(比如老化)，与温度性能相反，这些效应通常不能预测。由此产生不可校正的漂移并从而产生余留的不清晰。
[0005]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。但这种倾斜能力对于上述的温度性能和漂移问题却不会有什么改进。
[0006]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所述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。
[0007]因此，本发明的任务在于，用这种类型装置中的自适应透镜来改进聚焦。
[0008]该任务通过如权利要求1和3所述的光电设备以及如权利要求12所述的用于拍摄清晰的图像的方法得以实现。所述设备具有图像传感器和自适应透镜，通过倾斜可将透镜置于不同方向上。现在本发明的基本思想在于，倾斜自适应透镜并用图像传感器观察一特定的图像特征因倾斜而到达什么位置。该位置会因漂移而变化，也就是说特别是由于温度和老化现象而变化。由此可由该位置推断出漂移，并从而推断出必要的漂移修正。
[0009]在如权利要求1所述的实施形式中，自适应透镜被设置在图像传感器的接收光学元件中。倾斜自适应透镜会改变图像传感器的视场并从而改变在图像传感器视野内特定的图像特征的位置。
[0010]图像特征可以是场景中任何一种可识别的结构。优选地，所述设备具有光发射器，而且分析单元将光发射器的光斑或部分照明图形用作图像特征。因此，该设备不再依赖场景中已存在的可识别的结构。从本身照明所获得的图像特征是可靠且容易识别的。例如，光发射器涉及对比图形照明装置或瞄准设备，例如用于显示相机的视场或在目标区域内的读码器的阅读区。此类光发射器因其自身的功能而被采用且不是特别设置用于进行根据本发明的漂移修正。
[0011]在如权利要求3所述的可选实施形式中，自适应透镜被设置在光发射器的发射光学元件中。若在这里将自适应透镜倾斜，则由光发射器生成的照明图形或光斑的位置会移动到图像传感器的视野内。光发射器的聚焦例如对于对比图形，对于用于指出特定拍摄区域或读取区域的目标图形是有利的或对于生成清晰的光斑是有利的。如权利要求1和3所述的实施形式的混合形式也是可设想的，其中光接收器和光发射器被调焦，无论是通过共同的自适应透镜来实现还是分别通过自适应透镜来实现。
[0012]本发明在接收端使用如权利要求1所述的自适应透镜以及在发送端使用如权利要求3所述的自适应透镜具有的优点在于，能快速且准确地调焦。根据本发明甚至用开环法来做到这一点，因为在运行时可确定自适应透镜的温度性能和老化效应并从而确定接收和发送光学元件的温度性能和老化效应，并且根据需要进行补偿。闭环法也要考虑漂移效应，原因在于要纠正实际的聚焦位置，但是由于迭代会进行得比较缓慢。
[0013]分析单元被优选设计用于在控制自适应透镜的第二倾斜角时在图像传感器的视野中确定图像特征的第二位置并由第一位置和第二位置来确定漂移修正。因此在本实施形式中，漂移修正以这两个倾斜角和两个在这种情况下确定的图像特征的位置为基础。倾斜角也有可能随图像特征相应位置的确定而有其它变化。反过来也可设想的是，关于一个倾斜角来确定多于一个的图像特征的位置。这会导致从中确定漂移修正的、更广泛的数据基础。在相应的倾斜角可触发自身拍摄。可选地在倾斜时曝光，从而使得图像特征变模糊并形成一条从第一位置到第二位置的线。
[0014]有利地，在存储元件中存储至少一个参考位置，并且分析单元根据第一位置和/或第二位置与参考位置的偏差来确定漂移修正。也就是说，在这里通过最初的教导或另外的设定一开始就确定，在相应的倾斜角预计哪里会出现没有漂移的图像特征。与参考位置的偏差则是漂移的量度。
[0015]分析单元被优选设计用于调节，其根据漂移修正来调节倾斜角的控制，从而使得漂移得到补偿。尽管将漂移识别出来并且例如接着显示维护要求能够是有利的，但真正的目的在于，对漂移进行补偿。漂移修正有可能做到这一点，即使得控制信号与自适应透镜相匹配，以便不再发生漂移或使漂移得到补偿。也可进行检查，方式是控制被适当调节的倾斜，于是图像特征的位置对应于相应的无漂移位置。可以预先对此进行检验以验证调节过程，甚至可以在操作过程中对此进行检验以确保漂移补偿的正确工作方式。
[0016]分析单元被优选设计用于调节自适应透镜的焦距，其中借助漂移修正来校正用于调节焦距的控制信号。通常来说，自适应透镜的任务不是调节倾斜角而是进行聚焦，或者至少除了调节倾斜角外还应该进行聚焦调节。为此在使用开环法时存储了一聚焦列表，其包含了对于特定的待调节焦距而言所必需的控制信号。在操作期间，由于漂移修正故要对控制信号进行调整以补偿漂移。这时假设漂移补偿(其在倾斜后由图像特征的位置偏差进行补偿)同样也对焦距调节进行补偿，因为自适应透镜使用相同的物理原理来进行倾斜和聚焦，所述物理原理也是相同的漂移的基础。
[0017]自适应透镜