CN104583858B - 用于光学变焦透镜的动态地弯曲的传感器 - Google Patents

用于光学变焦透镜的动态地弯曲的传感器 Download PDF

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Abstract

本公开涉及可控制地弯曲以适应透镜焦距的差异的图像传感器。在基于可变数据使传感器弯曲的弯曲控制器处接收诸如焦距数据、测得曲率数据和/或图像质量数据之类的可变数据。一方面，提供了带有具有可变焦距的透镜以及能够被动态地弯曲的传感器的相机。弯曲控制器接收图像质量数据，并迭代地使用图像质量数据来调整曲率，以尝试提高要捕捉的后续图像的图像质量。

Description

用于光学变焦透镜的动态地弯曲的传感器
背景
光学透镜系统一般在平坦表面上没有它们的最佳焦点。例如，球面透镜系统往往在大致半球形表面(被称为佩兹伐表面(Petzval surface))上最佳地聚焦。透镜设计的复杂性很大程度上在于：在迫使透镜系统在远离佩兹伐表面的平面成像表面上实现最佳焦点。
变焦透镜带来了额外的困难，因为最佳焦点的表面根据焦距而改变。由于此，变焦透镜一般比固定焦距(即定焦)透镜锐度小得多。
概述
提供本概述以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些代表性概念的选择。本概述并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在以限制所要求保护的主题的范围的任何方式来使用。
简单来说，此处所描述的主题的各方面涉及一种技术，其中捕捉通过相机透镜接收到的图像数据的传感器被配置成被弯曲控制器动态地弯曲以提高图像质量，以适应焦距的差异。一方面，在弯曲控制器处接收可变数据，并基于可变数据，使传感器弯曲。可变数据可以包括焦距数据、测得曲率数据和/或图像质量。
一方面，相机包括具有可变焦距的透镜以及能够被动态地弯曲的传感器。弯曲控制器被配置成接收对应于通过透镜获取的并由传感器捕捉到的图像的图像质量的反馈数据，并基于反馈数据，调整传感器的曲率，以尝试提高要捕捉的后续图像的图像质量。
结合附图阅读以下详细描述，本发明的其他优点会变得显而易见。
附图简述
作为示例而非限制，在附图中示出了本发明，附图中相同的附图标记指示相同或相似的元素，附图中：
图1是示出了根据一个示例实施例的被配置成用于动态地使传感器弯曲的示例组件的框图。
图2是示出了根据一个示例实施例的被配置成用于基于图像反馈动态地使传感器弯曲的示例组件的框图。
图3是示出了根据一个示例实施例的被配置成用于通过压力变化动态地使传感器弯曲的示例组件的框图。
图4A和4B是根据示例实施例的透镜以及动态地弯曲的传感器的表示。
图5A和5B是根据示例实施例的动态地弯曲的传感器(包括针对张力制造)的表示。
图6A和6B是根据一个示例实施例的弯曲的传感器如何可以对于受控制的曲率具有不同的厚度和/或硬度属性的表示。
图7是根据一个示例实施例的表示可以为基于反馈可控制地使传感器弯曲而采取的示例步骤的流程图。
图8是表示可以并入此处所描述的主题的各方面的示例环境的框图。
详细描述
此处所描述的技术的各方面一般涉及对于每一焦距将其曲率调整到更优曲率的动态地弯曲的(例如，硅)传感器。这会导致在任何焦距处跨成像域有显著改善的锐度。传感器曲率使主光线角朝零缩小，这会改善图像表面照明的均匀性，并缩小传感器外围的像素之间的串光。
一方面，提供了与变焦透镜的焦距的变化同步地动态地变化的传感器曲率。对于球形透镜系统，最优聚焦面大致是半球形，并具有等于透镜的焦距的曲率半径。
还提供的是，测量传感器曲率数据并将传感器曲率与透镜焦距同步。可以测量实际曲率，或可以作为同步测量来确定曲率对于图像锐度的影响。
应该理解，此处的任何一个示例都是非限制性的。如此，本发明不限于此处所描述的任何具体实施例、方面、概念、结构、功能或示例。相反，此处所描述的实施例、方面、概念、结构、功能或示例中的任一个都是非限制性的，并且本发明一般可以在计算和光学感测方面提供好处和优点的各种方式来使用。
如在图1中一般性地表示的，例示的相机102包括动态地弯曲的传感器104。弯曲控制器106基于焦距数据108和/或反馈(诸如由曲率传感器110感测到的曲率数据)动态地控制弯曲的传感器104的曲率。
对于曲率感测，可以间接地测量弯度，例如，通过使用各种非接触方法测量从传感器104/204表面的中心到参考位置的距离。一种方法包括照射传感器104/204的底表面的偏移光轴的激光照明器(作为曲率传感器112的一部分)。随着传感器曲率变化，底表面上移或下移，从而导致激光点的反射改变其位置。可以利用线性图像传感器阵列和/或低分辨率相机，测量位置变化(作为曲率传感器112的一部分)，诸如通常在光学鼠标中所使用的。单独的机制测量透镜系统的焦距，以提供焦距数据108，该焦距数据108用于动态地调整传感器表面的高度，因此传感器曲率随着透镜焦距变化而调整。
如在图2中表示的(其中，类似于图1的那些组件的组件被标记为2xx代替1xx)，反馈210不必是实际物理曲率的度量，而是曲率对图像质量的影响，例如，通过对比度/锐度等等来测量的。例如，不要求焦距和传感器距离的精确的测量的替换曲率传感器212可以使用从图像传感器204的中心和周围的小图像区域的基于对比度的检测。传感器表面的曲率以及透镜的聚焦距离可以同时变化，以使得例如中心和外围图像区域两者中的对比度最大化。如果正在被成像的对象不是平坦的，那么，最优传感器曲率可能不是完全匹配透镜焦距。
为此，在相机202中，质量传感器212提供例如对图像中某些采样区域处的当前捕捉到的图像222的质量度量。在如此处所描述的动态曲率技术中，质量检测提供弯曲控制器206所使用的反馈以提高相对于给定焦距的各种区域处的质量(例如，使对比度/锐度最大化)。进一步，然而，注意，可能不需要焦距数据208，因为弯曲控制器208基于来自实际图像的反馈来操作；然而，焦距数据208可以有益于对弯曲的传感器204作出粗略调整，图像反馈调整则从相对近的起始点开始。
在在图3中一般性地表示的一个示例实现中，图像传感器硅芯片304(对应于弯曲的传感器104)跨空腔320悬挂，空腔320用包括空气或另一种气体等的流体或液体填充。压力控制机制(例如，活塞321)通过流体通道324连接到空腔320，并且例如随着弯曲控制器306的控制而移进并移出，以增大和减小空腔的环境流体压力，从而导致传感器304弯曲。如上文所描述的，例如，曲率通过反馈和/或与变焦透镜的焦距数据308同步，以便传感器曲率随着透镜焦距变化动态地调整。
对于大的曲率和厚基底，改变环境空气压力可能不足以使硅弯曲。在此情况下，传感器上面的空腔可以用空气或非反应性气体(诸如氩)以高于环境压力的压力填充。可另选地，传感器上面的空腔可以用加压的在光学上透明的流体填充，以使传感器弯曲。在透镜系统的光学设计中，可以考虑流体的折射率。
改变压力和/或改变曲率的其他方式也是可行的。例如，受控制的温度变化提供了可以改变形状的之外的力，和/或压电和/或电子/磁力可以被用来改变形状。
图4A和4B示出了能够用于动态地弯曲的传感器的示例透镜设计。透镜可以与传感器表面匹配，诸如通过使锐度最大化的目标函数，包括但不限于，涉及下列各项中的一个或多个目标函数：使光路长度差最小化，使光点半径最小化，使光点X、光点Y最小化，使角半径最小化和/或使X或Y处的角半径最小化。
转向另一方面，即，制造弯曲的传感器，图像传感器可以处于拉伸状态。这是所希望的，因为当硅处于拉伸时传感器暗噪声减小，当它处于压缩状态时增大。对于其中硅作为薄膜悬挂并在空气或其他气体或液压下弯曲的设计，传感器的中心部分完全处于压缩状态。此区域是对于图像最希望的区域，因为它最接近于半球形。
此处描述了将硅传感器置于拉伸状态，同时跨成像表面维护所希望的半球形形状。图5A示出了具有强调的中心部分555的动态地弯曲的传感器504。当不加压时芯片可以是平的，处于压力下或处于另一弯曲力下时可以弯曲，或可以最初弯曲到某一程度而曲率通过压力或另一弯曲力来修改。
如图5B所示，可以通过将传感器556粘结到由玻璃或硬度小于或等于硅的其他材料制成的载体558，从而将传感器芯片置于处于拉伸状态的任何地方。示出了沿着区域560和561周围的环氧树脂或其他粘结材料，在传感器和载体558之间有微透镜564。通过适当地选择载体材料、以及厚度，组合的载体和传感器“夹层”被设计为使得中性弯曲轴穿过传感器的微透镜。当夹层弯曲时，硅传感器层完全处于拉伸状态。由于中性弯曲轴穿过微透镜，因此，它们相对于载体不移动，从而消除了由于磨损造成的损坏的可能性。
注意，在硅弯曲之后，前载体表面可被消除。更具体而言，硅芯片在周边被粘结到载体。然后，将载体按压到承载弯曲的传感器的精确形状的模具中。可以将紫外线(UV)固化环氧树脂注入到载体的背面，即，夹持芯片的表面，然后被固化。然后，通过溶解芯片周围处的胶合剂，从芯片中释放载体。这避免了载体和芯片表面的紧邻所导致的干涉图案。
可以制造动态地弯曲的传感器以便增强被压缩成所需半球形状。例如，传感器的厚度可以变化，诸如以径向对称的方式。这在图6A中一般性地表示，其中，动态地弯曲的传感器芯片660的厚度在从厚度T1到厚度T2之间变化。厚度变化可以是平稳的和/或以离散的步骤，并且变化可以线性地或非线性地发生。
图6B示出了厚度变化的替代方案，即，在动态地弯曲的传感器芯片664的后部蚀刻图案等等，通过在芯片664中蚀刻通道、点等等，根据需要导致弯曲，以使芯片664在一些区域比较柔软而在其他区域不太柔软。这是通过虚线示出的，同样不必是对称的、线性的、同心的或平滑的。
图7是示出了控制传感器的曲率可以采取的示例步骤的流程图。在图7的示例中，首先，基于焦距数据作出粗略调整，如通过步骤702和704来表示的。在不需要或不期望粗调的实施例中，可以跳过步骤702和704。
步骤706表示捕捉图像并处理图像，以获取所希望的反馈数据，诸如如上文所描述的对比度/锐度数据。这可以作为自动曲率(例如，校准)过程的一部分，或作为捕捉一组帧(诸如利用视频数据)的一部分而发生。
步骤708向弯曲控制器提供对于给定图像的反馈。为感测物理/机械曲率，在步骤706中并非(或作为其补充)捕捉图像，可以进行曲率的测量。如此，虽然未示出，步骤706可以代替地或另外地表示测量传感器曲率。
在步骤710中，使用反馈来微调曲率，例如，以尝试使用某些区域使锐度最大化。反馈是迭代的，诸如当有新的图像可用于检查时，然而，取决于使传感器弯曲所需的时间，这可以是每隔一帧、每隔十帧、每隔半秒，和/或等等。弯曲可以在某个点停止，诸如当达到足够的锐度/对比度时，或可以有规则地发生，以便有规则地重新检查锐度/对比度最大化。停止细微弯曲反馈循环的另一种示例方式是足够的焦距的变化，在此示例中，该变化导致过程返回到步骤702以用于进行粗略调整。过程可以持续，直到自动曲率特征被关闭，例如，当相机被断电以节省电池，或在相机操作者希望关闭曲率特征例如以产生特殊效果的情况下。
示例计算设备
如上文所提及的，有利地，可以将此处所描述的技术应用于任何设备。因此，可以理解，构想了结合各个实施例使用的包含独立相机在内的的所有类型的手持式、便携式及其他计算设备和计算对象。因此，下面在图7中所描述的通用远程计算机只是计算设备的一个示例。
各实施例可以通过操作系统部分地实现，供设备或对象的服务的开发人员使用，和/或包括在操作以执行此处所描述的各实施例的一个或多个功能方面的应用软件内。软件可以在由诸如客户端工作站、服务器或其他设备之类的一个或多个计算机执行的诸如程序模块之类的计算机可执行的指令的通用上下文中来描述。所属领域的技术人员将理解，计算机系统具有可用于传递数据的各种配置和协议，如此，没有特定配置或协议被视为限制性的。
如此，图8示出了其中可以实现此处所描述的各实施例(诸如弯曲控制器)的一个或多个方面的计算环境800的示例，虽然如上文阐明的，计算环境800只是合适的计算环境的一个示例，不旨在对使用范围或功能提出任何限制。另外，计算环境800也不旨在被解释为具有涉及示例计算环境800中所示出的任何一个组件或组件组合的任何依赖。
参考图8，用于实现一个或多个实施例的示例远程设备包括处理单元820、系统存储器830、以及将包括系统存储器的各种系统组件耦合到处理单元820的系统总线822。
环境可以包括各种计算机可读介质，并可以是能访问的任何可用的介质。系统存储器830可以包括易失性和/或非易失性存储器形式的计算机存储介质，如只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)。作为示例而非限制，系统存储器830还可以包括操作系统、应用程序，其他程序模块，以及程序数据。
用户可以通过输入设备840输入命令和信息。监视器或其他类型的显示设备还可以经由诸如输出接口850之类的接口连接到系统总线822。除监视器之外，诸如扬声器之类的其他外围输出设备可以通过输出接口850连接。
系统可以耦合到诸如远程计算机870之类的一个或多个远程计算机。远程计算机870可以是个人计算机、服务器、路由器、网络PC、对等设备或其他公共网络节点，或任何其他远程媒体消费或传输设备，并可以包括上文所描述的任何或全部元件。图8中所描绘的逻辑连接包括总线，诸如基于USB的连接或无线网络连接。此外，还有多种方式实现相同或类似的功能，例如，使适当的API、工具包、驱动程序代码、操作系统、控件、独立或可下载的软件对象等等，它们使得应用和服务能够使用本文中提供的技术。由此，本文中的各实施例从API(或其他软件对象)的观点以及从实现如本文中描述的一个或多个实施例的软件或硬件对象构想。如此，此处所描述的各实施例可以具有完全以硬件、部分以硬件并且部分以软件、以及以软件来实现的方面。
在本文中使用的词语“示例”意味着用作示例、实例或说明。为避免疑惑，此处所公开的主题不仅限于这样的示例。另外，本文中被描述为“示例”的任何方面或设计不一定被解释为相比其它方面或设计更优选或有利，也不意味着排除所属领域的技术人员知道等效示例结构和技术。此外，在使用术语“包括”、“具有”、“包含”以及其他类似的词语的程度上，为避免疑惑，当用于权利要求中时，这些术语旨在当用于权利要求中时以类似于术语“包括”作为开放的过渡词的方式是包含性的而不排除任何附加或其他元素。
如上文所提及的，此处所描述的各种技术可以结合硬件或软件，或者，在适当的情况下，以两者的组合来实现。如此处所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等同样旨在表示计算机相关的实体，其可以是硬件、硬件和软件的组合、软件、或者执行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是，在处理器上运行的进程、处理器、对象、可执行件、执行的线程、程序和/或计算机。作为说明，在计算机上运行的应用和计算机两者都可以是组件。一个或多个组件可以驻留在进程和/或执行的线程内，并且组件可以位于一个计算机上和/或分布在两个或更多的计算机之间。
如前所述的系统是利用多个组件之间的交互来描述的。可以了解，这样的系统和组件可以包括这些组件或其中指定的子组件，某些指定的组件或子组件，和/或附加的组件，并根据前述的内容的各种置换和组合。子组件也可以作为可通信地耦合到其他组件的组件来实现，而不是包括在父组件内(层次性)。另外，应该注意的是，一个或多个组件也可以组合成提供聚集功能的单个组件，或者也可以被分成若干单独的子组件，并且诸如管理层等任何一个或多个中间层可被设置成通信耦合到这样的子组件以便提供集成功能。此处所描述的任何组件也可以与一个或多个此处没有专门描述的但本领域技术人员广泛地知道的其他组件进行交互。
鉴于此处所描述的示例系统，也可以参考各种图的流程图理解可以根据所描述的主题实现的方法。尽管为了简洁起见，作为一系列框示出和描述了方法，但是，应该理解，各实施例不仅限于所描述的框的顺序，一些框可以按与此处所描绘和描述的不同的顺序进行和/或与其他框并行地进行。尽管经由流程图示出了非顺序或分支的流程，但可以理解，可实现达到相同或类似结果的各种其他分支、流程路径和框的次序。此外，某些示出的框在实现下文所述的方法中是可选的。
结论
尽管本发明易于作出各种修改和替换构造，但其某些说明性实施例在附图中示出并在上面被详细地描述。然而应当了解，这不旨在将本发明限于所公开的具体形式，而是相反地，旨在覆盖落入本发明的精神和范围之内的所有修改、替换构造和等效方案。
除本文中所述的各实施例以外，应当理解，可使用其他类似实施例，或者可对所述实施例作出修改和添加以便执行对应实施例的相同或等效功能而不背离这些实施例。此外，多个处理芯片或多个设备可共享本文中所述的一个或多个功能的性能，并且类似地，存储可跨多个设备实现。因此，本发明不应限于任何单个实施例，而是应当根据所附权利要求书的广度、精神和范围来解释。

Claims (10)

1.一种用于动态弯曲传感器的系统，包括：
透镜；
传感器；以及
弯曲控制器，所述弯曲控制器被配置成：
接收所述透镜的当前焦距；
基于所述透镜的当前焦距弯曲所述传感器；
在基于所述透镜的当前焦距弯曲所述传感器时，捕捉通过所述透镜接收到并由所述传感器捕捉到的图像的图像数据；
接收与所捕捉的图像的图像质量相对应的反馈数据；以及
基于所述反馈数据和所述透镜的当前焦距，调整所述传感器的曲率，以提高后续图像数据的图像质量。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述弯曲控制器还基于焦距数据、捕捉到的图像质量数据或测得曲率数据中的至少一项来动态地使所述传感器弯曲。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器被包含在加压的空腔中，所述弯曲控制器通过改变所述空腔中的压力来动态地使所述传感器弯曲。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器耦合到将所述传感器置于拉伸状态的载体中。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器具有至少两个不同的厚度或硬度属性以提供半球形曲率，或其中所述传感器具有径向地变化的厚度，和/或其中所述传感器被蚀刻以提供半球形曲率。
6.一种用于动态弯曲传感器的方法，包括：
接收相机透镜的当前焦距；
基于所述相机透镜的当前焦距弯曲所述传感器；
在基于所述相机透镜的当前焦距弯曲所述传感器时，接收包含了通过所述相机透镜所接收的并被所述传感器所捕捉的图像数据的反馈数据；
基于所述反馈数据和所述相机透镜的当前焦距，调整所述传感器的曲率以提高后续图像数据的图像质量。
7.如权利要求6所述的方法，其中，其中调整所述传感器的曲率包括使用所述当前焦距来粗略地调整所述传感器的曲率，并使用所捕捉的图像数据的图像质量数据通过在从多个捕捉到的图像中获取的图像数据上迭代来细微地调整所述传感器曲率。
8.一种相机，包括：
具有可变焦距的透镜；
能够被动态地弯曲的传感器；以及
弯曲控制器，所述弯曲控制器被配置成；
接收所述透镜的当前焦距；
基于所述透镜的当前焦距，弯曲所述传感器；
在基于所述透镜的当前焦距弯曲所述传感器时，捕捉通过所述透镜接收到并由所述传感器捕捉到的图像的图像数据；
接收与所捕捉的图像的图像质量相对应的反馈数据；以及
基于所述反馈数据和所述透镜的当前焦距，来调整所述传感器的曲率，以提高要捕捉的后续图像的图像质量。
9.如权利要求8所述的相机，其特征在于，通过压力来控制所述传感器的所述曲率，并进一步包括，由所述弯曲控制器控制以调整所述所述传感器的所述曲率的压力控制机制。
10.如权利要求8所述的相机，其特征在于，所述传感器在所述传感器上的不同位置具有至少两个不同的厚度，或在所述传感器上的不同位置具有至少两个变化的硬度属性，或在所述传感器上的不同位置具有至少两个不同的厚度并且在所述传感器上的不同位置具有至少两个变化的硬度属性。
CN201380044445.3A 2012-08-20 2013-08-16 用于光学变焦透镜的动态地弯曲的传感器 Active CN104583858B (zh)

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