CN108234839B - 用于相机系统的薄陶瓷成像屏幕 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于相机系统的薄陶瓷成像屏幕。提供了一种装置和相机系统。装置包括被配置为漫射入射光的成像屏幕，以及耦合至成像屏幕并且被配置为将来自成像屏幕的光聚焦到CMOS图像传感器上的透镜系统。成像屏幕包括被融合到玻璃基板的表面之中的陶瓷漫射器层，并且陶瓷漫射器层的厚度在大约7‑10μm的范围之内。

Description

用于相机系统的薄陶瓷成像屏幕
技术领域
本说明书一般涉及相机系统，特别地但并非排他地涉及一种用于相机系统的薄陶瓷成像屏幕。
背景技术
光学电路开关(OCS)是光学电路开关网络的核心。OCS包括多个光学准直器，它们引导光学信号进出耦合至所述OCS的光纤。OCS进一步包括反射镜阵列，反射镜阵列可以是能够有选择地将来自耦合至输入准直器的个体光纤的光束引导到耦合至输出准直器的所选择光纤的基于微机电系统(MEMS)的反射镜阵列。输入和输出光纤之间的最优光纤耦合效率所要求的MEMS反射镜角度能够使用控制系统进行监视和校正，控制系统包括监视从MEMS反射镜阵列的反射镜反射离开的光的相机系统。
发明内容
根据主题技术的各个方面，提供了一种装置和相机系统。该装置包括被配置为漫射入射光的成像屏幕，以及耦合至成像屏幕并且被配置为将来自成像屏幕的光聚焦到CMOS图像传感器上的透镜系统。成像屏幕包括被融合到玻璃基板的表面之中的陶瓷漫射器层，并且陶瓷漫射器层的厚度在大约7-10μm的范围之内。陶瓷漫射器层的热膨胀系数(CTE)具有处于玻璃基板的CTE值的大约8％之内的值。
根据主题技术的另一个方面，相机系统被用于监视微机电系统(MEMS)反射镜。相机系统包括具有被融合到玻璃基板的第一表面之中的陶瓷漫射器层的漫射器。相机系统进一步包括用于对漫射器所传送的光进行聚焦的成像透镜，以及用于接收来自成像透镜的聚焦光并且生成电信号的图像传感器。处理器耦合至图像传感器并且被配置为基于电信号产生从MEMS反射镜反射的光束的图像。
所要理解的是，主题技术的其它配置将通过以下详细描述而对于本领域技术人员将是显而易见的，其中以说明的方式对该主题技术的各种配置进行示出并描述。如将要意识到的，该主题技术支持其它且不同的配置并且其若干细节能够在各种其它方面进行修改，所有这些都并不背离该主题技术的范围。因此，该附图和详细描述要被认为实质上是说明性而非限制性的。
附图说明
被包括以提供进一步理解并且被结合于该说明书中且构成其一部分的附图图示了所公开的方面，并且连同描述一起用来解释所公开方面的原理。
图1A-1B是图示依据主题技术的一个或多个方面的使用相机系统的光学电路开关(OCS)的示例配置以及相机系统的示例成像屏幕组件的示图。
图2A-2C是图示依据主题技术的一个或多个方面的相机的示例以及相机系统的图像的示例的示图。
图3是图示依据主题技术的一个或多个方面的制造图2A的相机系统的成像屏幕的示例方法的流程图。
具体实施方式
本文公开了一种装置和相机系统。在一些实施方式中，相机系统可以被用来监视光学电路开关的MEMS反射镜的位置。在主题技术的一个或多个方面，提供了一种包括用于相机系统的融合的(fused)玻璃/陶瓷成像屏幕的装置。根据一些方面，装置包括被配置为漫射入射光的成像屏幕；以及耦合至成像屏幕、被配置为将来自成像屏幕的光聚焦至CMOS成像传感器上的透镜系统。成像屏幕包括融合到玻璃基板之中的陶瓷漫射器层。在热处理之后，陶瓷漫射器层的厚度处于大约7-10μm的范围之内。
在一些实施方式中，在热处理之前，陶瓷漫射器层包括印刷层，印刷层包括墨水材料。印刷陶瓷材料可以是包含基于铋的玻璃熔料以及具有包括二氧化硅(SiO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化二硼(B2O3)、氧化钠(Na2O)和氧化铋(BiO2)在内的主要成分的无机白色颜料的白墨水。
例如在以650-700摄氏度范围内的温度干燥和窑烧结之后，成像屏幕包括被融合到玻璃基板中的印刷层。玻璃基板可以包括碱石灰浮法玻璃，并且陶瓷漫射器层的热膨胀系数(CTE)可以具有处于玻璃基板的CTE值的大约8％之内的值。装置可以进一步包括容纳成像屏幕的不锈钢壳体。玻璃基板的值能够处于不锈钢壳体的CTE值的大约7％之内。
在一种或多种实现方式中，成像屏幕被配置为在预定操作温度范围(例如，大约-55至大约150摄氏度)内是热稳定的从而支持形成于CMOS传感器上的图像的像素至像素分离的热稳定性。成像屏幕能够被配置为经受预定环境条件，包括预定温度范围(例如，大约-55至大约150摄氏度)、预定湿度范围(例如，95％的相对湿度)，以及暴露于沸水、紫外光和一种或多种环境化学品。
图1A-1B是图示依据主题技术的一个或多个方面的使用相机系统的光学电路开关(OCS)100A以及相机系统的示例成像屏幕100B的示例配置的示图。OCS 100A是提供光学开关矩阵的光学电路开关。OCS100A包括第一准直器110-1和第二准直器110-2(统称为准直器110)以及反射镜阵列102-1和102-2(统称为反射镜阵列102)。每个反射镜阵列102包括多个(例如，大约128和1000个之间)的反射镜。OCS 100A还包括注入器120-1和120-1(统称为注入器120)以及包括相机130-1和130-2(统称为相机130)的相机系统130，相机包括处于相机130前端的成像屏幕132以及附接至印刷电路板的CMOS传感器134。输入准直器110-1可以包括耦合至数量为N(例如，处于大约128-1000的范围内)的光纤的多个被动准直器。
输入光通过光纤进入准直器110。通过每个光纤传送的光包括一个或多个光学波长(λi)。来自准直器110的输出光被提供至一组光纤，每个光纤承载处于一个或多个光学波长(λi)的光。准直器110-1和110-2在结构上可以是相似的。通常，通过准直器110-1所接收的光学信号被引导出准直器110-2，并且通过准直器110-2接收的光被引导出准直器110-1。反射镜阵列102是基于微机电系统(MEMS)的微反射镜阵列，其能够有选择地将来自耦合至准直器110-1的个体光纤的光束引导到耦合至准直器110-2的所选择光纤，反之亦然。
每个基于MEMS的微反射镜阵列(下文称作“MEMS阵列”)102包括多个微反射镜。MEMS阵列102中的每个微反射镜的状态能够通过在与MEMS阵列102中的每个反射镜相关联的两个电极之间施加电压来控制。例如，通过将MEMS阵列102中的反射镜绕两条垂直轴线进行旋转，来自耦合至第一准直器110-1的任意光纤的光都能够被耦合到耦合至第二准直器110-2的任意光纤。因此，对于OCS 100A的正确运行而言，使MEMS阵列102的反射镜位置例如由处理器140精确地监视和控制是有益的。处理器140可以是通用处理器、微控制器，或者能够被编程为对MEMS阵列102的反射镜位置进行监视和控制的任意其它处理器。
OCS 100A采用两个注入器(例如，120-1和120-2)以及包括用于监视MEMS阵列102的反射镜位置的相机130-1和130-2的相机系统130。在一个或多个方面，每个注入器120是850nm激光器，其能够在每个MEMS反射镜上点亮多个(例如，大约128和1000个之间)小的准直光束(本文被称作细光束)。来自注入器120的850nm的细光束通过第一二向色光束组合器114-1被传送。来自第一准直器110-1的1310nm的输入光从第一二向色光束组合器114-1被反射。经组合的850nm的注入器细光束和1310nm的准直器光从MEMS反射镜阵列102-1反射到二向色光束分离器112上。在二向色光束分离器112，传送的850nm的注入器细光束被引导至相机130-2，而反射的1310nm的准直器光则被引导至MEMS反射镜阵列102-2。第二二向色光束组合器114-2允许注入器120-2所生成的850nm的细光束被传送至MEMS反射镜阵列102-2，同时将源自于准直器110-1的1310nm的光反射至第二准直器110-2。当输入光来自第二准直器110-2时，组合器114-1和114-2的角色被互换。相机系统130所形成的图像是从MEMS阵列102的反射镜反射的由注入器120发射的细光束的图像，其被用来测量反射镜位置。相机图像的光学性能特性包括阵列中的细光束之间的良好峰值分离，背景光的抑制，跨阵列的亮度一致性，以及对于入射角变化的不敏感性。另外，相机系统优选地能够实质上以高容量、低成本来加以制造以及针对高温(例如，高达约150摄氏度)和湿度(例如，高达约95％的相对湿度)有环境鲁棒性。为了相机(例如，130)实现以上所提到的性能特性，重要的挑战在于设计并制造具有一些或全部上述所期望特性的适当相机成像屏幕。在一些实施方式中，如本文更详细描述的，该主题技术能够提供这样的成像屏幕。
图1B描绘了相机系统130的示例成像屏幕组件100B。成像屏幕组件100B包括使用玻璃(例如，碱石灰浮法玻璃)材料152结合到壳体160(例如，不锈钢壳体)的成像屏幕(例如，图1A的132)。成像屏幕150包括融合到玻璃基板中的陶瓷漫射器层。在热处理之后，陶瓷漫射器层的厚度处于大约7-10μm的范围之内。
在一些实施方式中，在热处理之前，陶瓷漫射器层包括印刷层，印刷层包括墨水材料，墨水材料包括基于氧化铋的玻璃熔料和基于氧化物的颜料。例如在以650-700摄氏度范围内的温度干燥和窑烧结之后，成像屏幕包括被融合到玻璃基板中的印刷层。玻璃基板可以包括碱石灰浮法玻璃，并且陶瓷漫射器层的热膨胀系数(CTE)可以具有处于玻璃基板的CTE值的大约8-10％的范围之内(例如，8.4％)的值。碱石灰浮法玻璃具有处于不锈钢壳体的CTE值的大约5-7％之内(例如，6.7％)的CTE值。
图2A-2C是图示依据主题技术的一个或多个方面的相机200A的示例以及图1A的相机系统130的图像200B和200C的示例的示图。相机200A包括在金属(例如，不锈钢)壳体中安装在一起的成像屏幕210、光学模块(例如，透镜系统)220和图像传感器230。成像屏幕210、光学模块220和图像传感器230之间的相应距离被示为D1、D2和D3。距离D1、D2和D3的值的示例范围分别是大约9-10mm、大约10-11mm以及大约71-72mm。光学模块220包括多个透镜222并且被适当设计为将通过成像屏幕210的光聚焦到图像传感器230上。在一些方面，光学模块220的透镜系统具有处于大约7-9mm范围内的焦距以及处于大约F/2至F/3范围内的光圈值，并且由利用环氧树脂——类似于图1B的环氧树脂152——而被安装至不锈钢壳体的四个个体高指数玻璃透镜所组成，不锈钢壳体与图1B的壳体150相同、作为其一部分或者与之耦合。在一些实施方式中，相机透镜放大率大约为-0.112，这允许CMOS传感器(例如，230)的1个像素(例如，处于大约5-7μm范围内)被来自成像屏幕(例如，210)的大约50-60μm范围内的一个点的光所照亮。
在一些实施方式中，图像传感器230是本领域技术人员已知的CMOS图像传感器。在一些实施方式中，CMOS传感器具有大小为几(例如，大约5至大约7，例如6)纳米的像素，并且被附接至印刷电路板组件(PCBA)(例如，图1的134)。CMOS图像传感器能够耦合至图1的处理器140，处理器140能够对CMOS图像传感器的输出信号进行处理以确定MEMS阵列的反射镜位置，MEMS阵列诸如图1A的OCS 100A的MEMS阵列102。处理器140可以是通用处理器、微控制器，或者能够被编程对CMOS图像传感器的输出信号进行处理并且基于这些信号使得易于控制光学电路开关(例如，OCS 100A)的反射镜的位置的任意其它处理器。
成像屏幕210是本文更详细公开的漫射层，在一些实施方式中，漫射层被适当设计和制造为具有满足或优于一些或全部以上所提到的性能特性的特征。在一些实施方式中，主题技术的漫射器是印刷于玻璃上的陶瓷漫射器，其能够提供所期望的细光束峰值分离、背景光的抑制、跨阵列的亮度一致性、对于入射角的不敏感性、低成本、环境持久性和可制造性中的一个或多个。印刷于玻璃上的陶瓷漫射器能够被构建于玻璃基板(例如，碱石灰浮法玻璃基板)上，玻璃基板具有处于大约300mm×300mm至310mm×310mm范围内的初始尺寸以及处于大约3-4mm范围内的厚度。印刷陶瓷材料可以是包含基于铋的玻璃熔料以及具有包括二氧化硅(SiO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化二硼(B2O3)、氧化钠(Na2O)和氧化铋(BiO2)在内的主要成分的无机白色颜料的白墨水。
墨水能够被打印机潮湿地施加并且随后被干燥。在一些实施方式中，干燥的墨水能够以大约650-700摄氏度范围内的温度进行窑烧结以形成融合到玻璃基板的硬陶瓷层。在一些方面，墨水在被潮湿地施加时具有处于大约35-45μm范围内的厚度，并且在干燥之后的厚度处于大约10-14μm范围内，例如大约12μm。在窑烧结之后，陶瓷漫射器的最终厚度可以处于大约7-10μm的范围内。陶瓷漫射器在窑烧结后的CTE具有大约8.5+/-0.3ppm/K的值，这与碱石灰浮法玻璃的CTE(例如，大约9.28ppm/K)良好匹配(例如，处于大约8.4％以内)，并且玻璃基板与不锈钢壳体的CTE(9.9ppm/K)相差小于约6.7％。在一些实施方式中，多个漫射器被印刷在较大玻璃板上，玻璃板随后被薄化、抛光并切割为具有尺寸在33mm×33mm×1.3mm至37mm×37mm×1.7mm的范围内的方块从而形成最终的陶瓷漫射器。
该主题技术所公开的玻璃上烧制的陶瓷层基本上是环境鲁棒的并且可以经受被暴露于高的温度(例如，大约150摄氏度)、湿度(例如，高达大约95％的相对湿度)以及被暴露于沸水、紫外光和化学品。使用该主题技术的陶瓷漫射器的相机图像可以具有所期望的细光束峰值分离和背景光抑制，跨阵列的一致的亮度(例如，5％以内)，以及对于入射角的不敏感性。
图2B所示的图像200B是如在视频监视器上看到的CMOS图像传感器230上的图像。图像200B包括点205，每个点205描绘了被引导至反射镜阵列102之一中的MEMS反射镜之一上的细光束的图像。空白空间207可以识别出无功能的一个或多个MEMS反射镜。
图2C中所描绘的图像200C示出了图1A的相机系统130所拍摄的示例图像。图像200C为被放大以查看个体细光束的强度分布的局部图像，并且沿其右和底边界示出了来自CMOS图像传感器(例如，图2A的230)的光学信号，光学信号包括诸如240和250的峰值。峰值的位置(例如，诸如240和250的中央峰值位置)对于随诸如温度和湿度之类的环境条件的变化保持稳定而言是重要的。如上文所解释的，如果未能适当设计和制造，则环境条件会对漫射层的功能造成不利影响。CMOS图像信号中的非稳定中央峰值位置可以作为成像屏幕的漫射层退化的指示。如图像200B中所示出的稳定的中央峰值位置是能够被该主题技术的陶瓷漫射器层的高质量所影响的光学机械系统的整体稳定性的指示。
图3是图示依据主题技术的一个或多个方面的制造图1A的相机系统130的成像屏幕的示例方法300的流程图。方法300以准备玻璃基板(310)作为开始，玻璃基板例如是具有适当厚度(例如，处于大约3-4mm范围内)的初始尺寸为大约230mm×230mm的碱石灰浮法玻璃基板。在一些方面，玻璃基板的表面平整度能够以在大约633nm的波长(λ)处的大约λ/4的峰谷值为特征。
陶瓷漫射器随后被印刷在基板上(320)。在一些实施方式中，所印刷的陶瓷材料可以是包含基于铋的玻璃熔料以及具有包括二氧化硅(SiO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化二硼(B2O3)、氧化钠(Na2O)和氧化铋(BiO2)在内的主要成分的无机白色颜料的白墨水。所印刷的陶瓷层使用常规方法被干燥(330)。
在下一个步骤，干燥的陶瓷漫射器层以大约670摄氏度进行窑烧结以形成融合到玻璃基板之中的硬陶瓷层(340)。具有窑烧结的陶瓷漫射器层的玻璃基板准备好连同透镜系统(例如，图2A的220)和CMOS图像传感器(例如，图2A的230)一起被安装在壳体(例如，不锈钢壳体)中(350)。
虽然该说明书包含许多具体实现方式细节，但是这些并不应当被理解为对任何发明以及所要求保护的内容的范围进行限制，而是作为特定于特定发明的特定实现方式的特征的描述。该说明书中以单独实现方式为背景进行描述的某些特征也能够在单一实现方式中以组合形式来实施。相反，以单一实现方式为背景进行描述的各种特征也能够单独或以任意适当子组合在多种实现方式中实施。此外，虽然特征在上文中可以被描述为以某种组合进行运行并且甚至最初要求如此，但是来自所要求组合的一个或多个特征在一些情况下可以脱离该组合，并且所要求的组合可以被指向子组合或子组合的变化。
类似地，虽然操作在图中以特定顺序进行描绘，但是这并不应当被理解为要求这样的操作以所示出的特定顺序或以连续顺序来执行，或者所有所图示的操作都要被执行以实现所期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，以上所描述实现方式中的各种系统部件的分离并不应当被理解为在所有实现方式中都要求这样的分离，并且应当理解的是，所描述的部件和系统通常在单个产品中集成在一起或者被封装到多个产品中。
对“或”的引用可以被理解为是包含性的，从而使用“或”进行描述的任何术语都可以只是单个、多于一个和全部的所描述术语中的任意一种。标记“第一”、“第二”、“第三”等并非必然意味着指示顺序并且通常仅被用来在相同或相似的术语或要素间加以区分。因此，已经对该主题的特定实现方式进行了描述。其它实现方式处于以下权利要求的范围之内。在一些情况下，权利要求中所引用的动作可以以不同顺序来执行并且仍然实现所期望的结果。此外，附图中所描绘的过程并非必然要求所示出的特定顺序或连续顺序以实现所期望的结果。在某些实现方式中，可以使用多任务和并行处理。

Claims (20)

1.一种用于成像的装置，所述装置包括：
成像屏幕，所述成像屏幕被配置为漫射入射光；以及
透镜系统，所述透镜系统耦合至所述成像屏幕并且被配置为将来自所述成像屏幕的光聚焦到CMOS图像传感器上，
其中：
所述成像屏幕包括被直接地融合到玻璃基板的表面之中的陶瓷漫射器层以使得所述陶瓷漫射器层与所述玻璃基板之间不存在间隙，并且
所述陶瓷漫射器层的厚度在7-10μm的范围之内。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述陶瓷漫射器层包括基于铋的玻璃熔料以及包括二氧化硅(SiO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化二硼(B2O3)、氧化钠(Na2O)和氧化铋(BiO2)中的一个的至少一种无机颜料。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述陶瓷漫射器层的热膨胀系数CTE具有处于所述玻璃基板的CTE值的8％之内的值。
4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括使用包括碱石灰浮法玻璃材料的玻璃层耦合至所述成像屏幕并且包围所述成像屏幕的不锈钢壳体。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述陶瓷漫射器层的热膨胀系数CTE具有处于所述不锈钢壳体的CTE值的10-20％之内的值，并且其中，所述玻璃基板的CTE值处于所述不锈钢的CTE值的6-7％之内。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述成像屏幕被配置为在预定操作温度范围内是热稳定的，从而允许形成于所述CMOS图像传感器上的图像的像素至像素分离的热稳定性。
7.根据权利要求1所述的装置，进一步包括耦合至所述CMOS图像传感器的处理器，其中，所述处理器被配置为处理所述CMOS图像传感器的输出信号以确定光学电路开关的MEMS反射镜阵列的相应反射镜的位置。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述玻璃基板包括碱石灰浮法玻璃基板，并且其中，所述碱石灰浮法玻璃基板包括低铁玻璃基板。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述玻璃基板的表面平整度特征为在633nm的波长λ处的λ/4的峰谷值。
10.一种用于监视微机电系统MEMS反射镜的相机系统，所述相机系统包括：
漫射器，所述漫射器包括被直接地融合到玻璃基板的第一表面之中的陶瓷漫射器层以使得所述陶瓷漫射器层与所述玻璃基板之间不存在间隙；
光学块，所述光学块被配置为集中由所述漫射器发射的光；
图像传感器，所述图像传感器被配置为接收来自所述光学块的集中的光并且生成电信号；以及
处理器，所述处理器耦合至所述图像传感器并且被配置为基于所述电信号产生从所述MEMS反射镜反射的光束的图像，
其中，所述陶瓷漫射器层的热膨胀系数CTE具有处于所述玻璃基板的CTE值的8％之内的值。
11.根据权利要求10所述的相机系统，其中，所述陶瓷漫射器层的厚度在7-10μm的范围之内。
12.根据权利要求10所述的相机系统，其中，所述陶瓷漫射器层包括基于铋的玻璃熔料以及包括二氧化硅(SiO2)、氧化锌(ZnO)、三氧化二硼(B2O3)、氧化钠(Na2O)和氧化铋(BiO2)中的一个的至少一种无机颜料。
13.根据权利要求10所述的相机系统，进一步包括：使用包括碱石灰浮法玻璃的玻璃层耦合至所述漫射器并且包围所述漫射器的不锈钢壳体，并且其中，所述陶瓷漫射器层的热膨胀系数CTE具有处于所述不锈钢壳体的CTE值的10-20％之内的值，并且其中，所述玻璃基板的CTE值处于所述不锈钢的CTE值的6-7％之内。
14.根据权利要求10所述的相机系统，其中，所述图像传感器耦合至所述处理器并且包括具有6μm的像素大小的CMOS图像传感器。
15.根据权利要求10所述的相机系统，其中，所述处理器被配置为处理所述电信号以确定光学电路开关的MEMS反射镜阵列的相应反射镜的位置。
16.根据权利要求10所述的相机系统，其中，所述漫射器被配置为在预定操作温度范围内是热稳定的从而允许从所述MEMS反射镜反射的光束的图像的像素至像素分离的热稳定性。
17.根据权利要求10所述的相机系统，其中，所述玻璃基板包括低铁碱石灰浮法玻璃基板。
18.根据权利要求10所述的相机系统，其中，所述光学块包括多个透镜，所述多个透镜被配置为具有负放大率并且将来自具有54μm大小的漫射器点的光集中在6μm的图像传感器像素中。
19.根据权利要求10所述的相机系统，其中，所述玻璃基板的厚度处于3-4mm的范围之内。
20.根据权利要求10所述的相机系统，其中，所述玻璃基板具有在633nm的波长λ处的λ/4的峰谷值的表面平整度特征。
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