CN114424093A - 用于压电致动器的驱动信号的前馈确定 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定压电致动器系统的设定点电压以实现压电致动器系统的期望光学响应(诸如光焦度)的方法。该方法基于描述所施加的电压和光学响应之间的关系的数学模型OP(V,T,n)。模型的校准和使用包括确定转变时间计数值。例如，在使用期间，以给定的间隔，基于温度的实际值和转变时间计数值来更新模型。基于所更新的模型来确定实现期望的光学响应所需的设定点电压，并将设定点电压施加到压电致动器。

Description

用于压电致动器的驱动信号的前馈确定

技术领域

本发明涉及压电致动器系统，特别地涉及光学成像系统(诸如紧凑型相机和智能电话)中使用的这种系统，并且涉及用于这种系统的驱动信号的确定。

背景技术

压电致动器提供了几个优点，这些优点可以用在需要高精度的系统(诸如光学系统，诸如光学成像系统)中，在这些系统中，压电致动器可以用于光学系统的聚焦调节。

迟滞和压电蠕变是压电致动器的众所周知的问题。压电蠕变是在恒定输入电压下晶体畴随时间缓慢重新排列的表现。如果压电致动器的操作电压改变，在电压改变完成之后，剩余极化继续改变，从而使其自己表现为缓慢的蠕变。在基于所期望的致动器响应值与实际致动器响应值的比较来重复调节输出的反馈设置中，可以消除可能的偏差，从而补偿迟滞和蠕变效应。然而，为了实现反馈设置，反馈系统需要致动器响应的精确且优选的高带宽测量。这可能增加复杂性、制造成本，并且可能增加功耗和系统响应时间。

因此，需要一种解决这些问题中的一个或多个的压电致动器系统。

发明内容

本发明的目的是改善压电致动器(特别是在光学组件(诸如光学成像系统)中使用的光学组件)的控制。因此，目的还在于提高压电致动器的响应的精度，特别是在前馈配置中，在该前馈配置中在没有致动器响应的实时测量的情况下实现控制。

在本发明的第一方面，提供了一种用于确定压电致动器系统的设定点电压以实现压电致动器系统的期望光学响应(诸如光焦度)的方法，其中压电致动器系统包括具有可调光学响应的光学构件(诸如光学透镜)和压电致动器，该方法包括：

-提供描述了施加到压电致动器的作为变量的电压、作为变量的温度和转变时间计数值与光学响应之间的关系的数学模型OP(V,T,n)，其中数学模型包括曲线拟合多项式，并且其中转变时间计数值与压电致动器的用于从第一状态改变到第二状态的至少一个转变时间值有关，

-通过以下来校准数学模型：

-基于确定压电致动器的第一和第二状态之间的至少一个转变时间值来确定校准转变时间计数值，

-获得压电致动器的校准温度，

-基于一个或多个校准电压以及与施加到压电致动器的一个或多个校准电压相关联的一个或多个光学响应，确定数学模型OP(V,T,n)的一个或多个校准参数，

-在一段时间或使用压电致动器之后，通过以下更新数学模型OP(V,T,n)

-获得压电致动器的温度，

-基于确定压电致动器的第一和第二状态之间的至少一个实际转变时间值来确定转变时间计数值，

-基于经更新的数学模型OP(V,T,n)确定设定点电压，并将设定点电压施加到压电致动器。

压电致动器具有电容，并且压电响应取决于电容量。因此，与电容有关的转变时间计数值的确定可以提高模型的精度。

另外，压电致动器响应和电容之间的关系并不显著取决于压电材料的时间相关极化，即压电致动器的蠕变效应。因此，在模型中包括与压电致动器的电容有关的信息可以提高对于给定输入电压所确定的光学响应的精度，因为考虑了实际的蠕变水平。

另外，在模型中包括温度使得能够确定对温度的变化进行补偿的致动器或光学响应。

有利的是，通过确定压电致动器的设定点电压以实现期望的光学响应，可以消除对施加到压电致动器的电压的闭环控制的需要，从而消除对光学响应的实时测量的需要。

尽管与控制光学构件相关地使用压电致动器以控制光学响应，但是压电致动器也可以与可由压电致动器控制的其他设备相关地使用以控制其他致动器响应。

设定点电压或施加到压电致动器的电压与压电元件的电极上的电场(即压电材料中的内部电压)有关。所施加的电压可以是用于给压电致动器供电的电路中的电压，诸如用于放大器的模拟或数字电压参考、放大器的输出电压、压电致动器的端子处的电压或者其他。因此，该方法也可以被视为一种用于基于确定设定点电压来确定压电致动器上的电场的方法。

根据实施例，该关系描述了对电压的下降和/或上升值的光学响应。有利的是，由于压电响应表现出迟滞，该模型可以有利地包括对电压的下降和上升值两者的响应，尽管该模型可以基于下降或上升曲线。

根据实施例，该关系仅描述了对电压的下降或上升值的光学响应。有利的是，通过仅包括下降或上升曲线中的一个，使得模型更简单。通过仅包括曲线中的至少一条，迟滞效应可以通过在施加设定点电压之前最初施加最大或最小电压来解决。

根据实施例，确定转变时间计数值和校准转变时间计数值包括确定压电致动器的第一和第二状态之间的第一转变时间值，以及确定压电致动器的第三和第四状态之间的第二转变时间值，其中转变时间计数值和校准转变时间计数值基于第一和第二转变时间值的比率来确定。有利地，基于第一和第二转变时间值的比率来确定转变计数值可以降低转变时间计数值的温度相关性。本文中，转变时间值可以是以时间测量的时间值、计数或与时间有关的其他量。

根据实施例，第一和第二状态包括基于向压电致动器施加第一和第二电压而产生的第一和第二稳态电压。

根据实施例，第一稳态电压高于第二稳态电压，并且基于从第一稳态电压到第二稳态电压的转变来获得转变时间值。有利地，通过从高稳态电压到较低稳态电压，可以产生较少取决于实际温度的转变时间值，并且从而提供更准确的转变时间计数值。然而，也观察到相反的行为，使得在其他情况下，从较低的稳态电压到较高的稳态电压是有利的。

根据实施例，曲线拟合多项式是至少电压的预定非线性函数。

根据实施例，数学模型包括第一项a(T)xL(V)和第二项b(T,C)的和，其中a(T)是至少取决于温度参数、第一校准参数和实际温度的多项式，其中L(V)是至少取决于电压的至少三阶多项式，并且其中b(T,C)是取决于温度参数、电压、第二校准参数、实际温度和实际电容参数的多项式。

确定数学模型可以包括基于数学模型OP(V,T,n)、至少第一和第二校准电压以及基于施加到压电致动器的至少第一和第二校准电压确定的至少第一和第二光学响应来确定第一和第二校准参数。也就是说，第一和第二光学响应可以是来自施加第一和第二校准电压的响应，或者相反，第一和第二校准电压可以是导致期望的或预定的第一和第二光学响应的电压。作为替代性方案，单对单个校准电压和单个光学响应可以用于校准，或者三个或更多个校准电压和相对应的三个或更多个光学响应。

根据实施例，数学模型还包括项OPtherm(T)，该项描述了由于光学透镜系统中的温度相关部件(诸如透镜)而导致的作为温度的函数的光学响应变化，其中光学透镜系统与压电致动器系统光学连接。

有利的是，通过包括热项OPtherm(T),其他部件的光学响应变化可以由光学致动器系统补偿，也就是说，通过确定电压设定点，使得光学构件的光学响应补偿其他部件的光学响应的变化。

由术语OPtherm(T)描述的光学响应变化可以是压电致动器系统的光学构件的光学响应的变化。在简单的示例中，项OPtherm(T)可以是温度(例如数学模型OP(V,T,n)中使用的温度)的线性函数。因此，对于给定的温度，热函数OPtherm(T)给出了要由压电致动器系统经由确定电压设定点来补偿的光学响应变化。

根据实施例，向压电致动器施加电压包括最初向压电致动器施加最大或最小电压以驱动压电致动器达到最大或最小变形，并且随后向压电致动器施加设定点电压。有利地，通过施加初始最大或最小电压，可以使用更简单的数学模型OP(V,T,n)，因为可能只需要下降或上升迟滞曲线中的一个。

根据实施例，设定点电压在开环配置下独立于实际光学响应的测量来确定。

本发明的第二方面涉及一种压电致动器系统，该压电致动器系统包括：压电致动器；压电驱动器，该压电驱动器被布置为给压电致动器供电；处理单元，该处理单元被布置为根据第一方面的方法确定由压电驱动器施加到压电致动器的设定点电压、以及具有可调光学响应的光学构件。

压电驱动器和处理单元可以是分离的部件，或者它们可以组合成单个部件。压电驱动器通常包括被设计用于为压电致动器供电的放大器电路。处理单元可以例如经由被布置成由数字处理器执行的计算机程序来实施数学模型，并且可以包括其他电路，诸如用于存储例如数学模型的参数的存储器，以及例如用于测量转变时间值的定时器电路。

本发明的第三方面涉及根据第二方面的压电致动器系统，其中光学构件包括：

-第一透明覆盖件构件，

-第二覆盖件构件，

-夹在第一和第二透明覆盖件构件之间的透明的、可变形的非流体主体，其中压电致动器的一个或多个压电元件被布置成生成第一或第二覆盖件构件的曲率、位移和/或取向的可控变化。

第二覆盖件构件可以是透明的、反射的或部分反射的。因此，光可以透射通过光学构件、被光学构件反射、或者可以部分地透射且部分地被反射。曲率的可控变化可以用于生成光焦度变化。位移的变化可以用于生成透射通过光学部件或被光学部件反射的光束的位移。取向的改变(诸如第一透明覆盖件构件相对于第二覆盖件构件的角度的改变)可以用于生成透射通过光学构件或被光学构件反射的光束的传播方向的改变。

本发明的第四方面涉及一种包括根据第二方面的压电致动器系统的相机模块，其中压电致动器系统包括光学透镜，并且其中相机模块还包括图像传感器，该图像传感器被布置成接收透射通过光学透镜的光。

本发明的第五方面涉及一种包括根据第二方面的压电致动器系统的电子设备。

一般而言，本发明的各个方面和实施例可以在本发明的范围内以任何可能的方式组合和耦合。参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面、特征和/或优点将变得显而易见并被阐明。

附图说明

将参照附图仅作为示例描述本发明的实施例，在附图中

图1A示出了压电致动器系统，

图1B至图1C示出了压电致动器系统的俯视图，

图1D示出了包括压电致动器系统的相机模块，

图2A图示了示出光焦度OP和施加到压电致动器的电压V之间的关系的曲线OP(V)，

图2B图示了压电蠕变效应，

图3A图示了光焦度和压电致动器系统的电容之间的关系，以及

图3B图示了用于确定第一和第二转变时间值的示例。

具体实施方式

图1A示出了包括压电致动器101和光学透镜120的压电致动器系统100。光学透镜的光焦度可以通过压电致动器在光学透镜上生成的力或扭矩来调节。压电致动器系统100还包括压电驱动器110，该压电驱动器被布置为向压电致动器100供电，以及处理单元111，该处理单元被布置为确定由压电驱动器110施加到压电致动器，以便实现期望的致动器响应(诸如光学透镜120的期望光焦度)的设定点电压Vx。等效地，设定点电压Vx可以是驱动器110输出处的电压、到驱动器的输入或其他电压或用于施加到压电致动器101的电压的模拟或数字参考。在本文中，应当理解的是，光焦度和焦距是等效的度量。

压电致动器101可以包括附接在第一和/或第二透明覆盖件构件121、122的表面上的一个或多个压电元件，诸如如图1B所示的环形压电元件、或者如图1C所示的多个压电元件。以其他方式配置的压电致动器也是可行的。例如，压电致动器可以位于第一和第二透明覆盖件构件121、122之间，并且与覆盖件构件121、122的指向内的表面连接。

光学透镜包括第一透明覆盖件构件121、第二透明覆盖件构件122和夹在第一和第二透明覆盖件构件之间的透明的、可变形的非流体主体123。

压电致动器101被布置成生成第一或第二覆盖件构件的曲率的可控变化。通过压电致动器在第一和/或第二透明覆盖件构件上生成的力或扭矩，透明覆盖件构件可以弯曲成凹形或凸形形状，并且从而向入射光125提供光焦度。

一般而言，压电致动器系统100可以配置有光学构件130，诸如透镜120或提供光学响应(诸如光焦度)的其他光学部件。例如，光学部件130可以如图1A所示配置成具有第一和第二透明覆盖件构件121、122，但是其中压电致动器101被布置成相对于另一透明覆盖件构件122移位和/或改变透明覆盖件构件121中的一个的取向。例如，压电致动器101可以如上所解释那样布置在覆盖件构件121、122之间，使得两个覆盖件构件之间的角度可以改变，例如，以改变透射通过光学构件130的光束的方向。在另一示例中，透明覆盖件构件121、122中的一个利用镜代替，以提供所反射的光束的可调光束偏转。因此，光学响应的示例包括光焦度、光轴的方向的改变以及其他(包括它们的组合)。

尽管本文中的一些示例涉及压电致动器系统100所包括的透镜120，但是压电致动器系统100通常包括光学构件130。

图1B示出了压电致动器系统100的俯视图，该压电致动器系统包括环形压电致动器101，该压电致动器被布置成生成透明覆盖件构件121的弯曲。

图1C示出了压电致动器系统100的俯视图，该压电致动器系统包括两个或更多个单独可控的压电致动器101。

图1D示出了相机模块150，该相机模块包括压电致动器系统100和图像传感器152，该图像传感器被布置成接收透射通过致动器系统的光学透镜的光。诸如光学透镜系统151的固定光学透镜的附加光学部件可以与可变透镜120一起光学布置。光学透镜系统151的目的可以是提供附加光焦度、光学误差的校正和其他光学调整。因此，光学透镜系统151与压电致动器系统100光学连接。相机模块150可以在诸如智能电话的电子设备159中使用。

透明的、可变形的、非流体主体123邻接第一和第二透明覆盖件构件121、122的面向内的表面。如图1A至图1C所示，压电致动器101被布置成使得透镜120包括部分121，该部分构成透镜区域、由压电致动器101包围，使得光可以不受阻碍地穿过透镜区域。非流体主体123被布置成使得它至少覆盖透镜区域，但是也可以朝向第一和第二透明覆盖件构件121、122的外周边延伸超过非流体主体123的延伸部。

透明的可变形的非流体透镜主体123优选地由弹性材料制成。由于透镜主体是非流体的，因此不需要不透流体的外壳来保持透镜主体，并且没有泄漏的风险。在优选实施例中，透镜主体123由软聚合物制成，该软聚合物可以包括多种不同的材料，诸如硅酮、聚合物凝胶、交联或部分交联聚合物的聚合物网络、以及可混溶的油或油的组合。非流体透镜主体的弹性模量可以大于300Pa，从而避免在正常操作中由于重力导致的变形。非流体透镜主体的折射率可以大于1.3。非流体主体123可以具有等于、基本等于或接近透明覆盖件构件121、122的折射率的折射率，以便减少非流体主体123的边界处的反射。

透明覆盖件构件121、122通常是板状的，并且可以具有弯曲的或平面的表面或其组合。透明覆盖件构件121、122可以由大量不同的材料制成，诸如丙烯酸树脂、聚烯烃、聚酯、硅树脂、聚氨酯、玻璃等。第一和第二覆盖件构件121、122中的被布置成通过致动器变形的至少一个具有适于通过压电致动器101的致动而实现弯曲的刚度和厚度。一般而言，第一和/或第二覆盖件构件121、122的材料可以由具有在5MPa和100GPa之间的杨氏模量的材料形成，以提供必要的刚度。例如，硼硅酸盐玻璃的杨氏模量为63GPa，并且熔融石英玻璃为72GPa。

图2A示出了示出光焦度OP和施加到压电致动器101的电压V之间的关系的曲线OP(V)。图2示出了压电致动器的迟滞效应，其中光焦度OP取决于施加到压电致动器101的开始和停止电压V，并且迟滞的量随着增加的电压范围而增加。已经观察到，对于从某个最大电压Vmax下降的电压的光焦度OP的值遵循整个电压范围Vmin到Vmax的相同下降OP(V)曲线。根据本发明的实施例，这个观察结果可以用于迟滞补偿。这同样适用于上升曲线，使得从整个电压范围Vmin到Vmax中的某个最小电压Vmin遵循相同的上升OP(V)曲线。

因此，最初，最大或最小电压Vmax、Vmin可以被施加到压电致动器，用于驱动压电致动器到最大或最小变形或光焦度OP。在达到最大或最小变形或光焦度之后，期望的设定点电压Vx被施加到压电致动器系统100的压电致动器101。如下文将描述的那样，设定点电压Vx是被确定为使得压电致动器实现期望的光焦度OPx的电压。

因此，通过最初施加位于设定点电压Vx之上或之下的最大或最小电压，从最大或最小电压到设定点电压Vx的转变将遵循下降或上升曲线，即，对于给定电压V的光焦度OP将遵循或基本上遵循OP(V)的迟滞曲线。

可以在任何时间对于任何给定的压电致动器系统101计算滞后曲线OP(V)或OP(V)的下降或上升曲线部分中的至少一个，如下所述。

光焦度与电压的关系OP(V)还取决于压电致动器101的温度T。温度相关性由箭头201和曲线202示出，该曲线对于比实线OP(V)曲线的有效温度更高的温度有效。因此，获得某个光焦度OP所需的电压随着温度T升高而降低。对于相同的致动电压V，光焦度OP随着温度T增加而增加。

因此，对于相同的电压V，压电致动器系统100的热漂移可能意味着对于增加的温度的增加光焦度。这个光焦度与温度的关系通常在与可以用于相机模块150(诸如光学透镜系统151)中的塑料透镜的关系相反的方向。因此，压电致动器101的热漂移可以被光学透镜系统151的热漂移部分补偿，反之亦然。

为了减小压电致动器系统100相对于光焦度的热漂移，或者为了实现或接近压电致动器系统100的期望热漂移，可以设计光学透镜模块151使得模块151的热漂移补偿或部分补偿压电致动器系统100相对于光焦度与温度关系的热漂移。

因此，没有压电致动器系统100的相机模块150系统的热行为(即相机模块的温度相关部件(诸如固定光学透镜模块151)的热行为)可以例如通过选择材料、尺寸和机械设计来设计，以获得整个相机模块150的最佳性能或者补偿压电致动器系统100在给定操作温度范围内的热相关性。

如下面进一步详细描述的那样，这种无热设计可以通过数学模型来解决，该数学模型通过数学项OPtherm(T)来描述光焦度OP和电压V之间的关系，该数学项将温度相关部件(诸如光学透镜系统151)的光焦度OP的温度相关性描述为温度T的函数。

图2B示出了由于压电材料在恒定电场中与时间相关的极化的压电蠕变效应。如初始曲线OP(V)——类似于图2A中的OP(V)——和蠕变影响的曲线211所示，压电蠕变导致压电致动器系统100的OP(V)曲线提升，即，使得达到某个光焦度所需的电压降低。曲线的下部和上部部分(例如，接近最小和最大电压Vmin、Vmax)的部分不受蠕变效应显著影响。蠕变的速率随时间以对数方式降低，使得大部分蠕变发生在例如偏压的第一个小时内，其中偏压相当于向压电致动器101施加电压V。压电致动器101在一定程度上保持电压历史。在没有所施加的电场的情况下，剩余极化将随时间逐渐下降。然而，在实际应用中，如果定期使用，压电致动器系统100的蠕变水平将保持不变。已经经历一些蠕变的压电致动器系统100将比未使用的压电致动器系统100具有更小的进一步蠕变可能性。

在向压电致动器101施加电压V或不同电压V一段时间后，压电致动器根据曲线211工作，该曲线示出了较小的迟滞和改善的线性。

因此，使用压电致动器101来实现光焦度OP的精确且可预测的设置由于温度、蠕变和滞后的相关性而变得复杂。另一方面，已经发现，对于给定的压电致动器101并且与电压偏置历史(即蠕变效应)无关地，光焦度OP和压电致动器101的电容之间的关系是恒定的或基本恒定的。

在此注意的是，这些相关性与压电致动器101的压电元件相关联。由于压电致动器101驱动透镜120，因此压电致动器系统100的光焦度OP类似地受到这些相关性影响。

图3A示出了光焦度OP和压电致动器系统100的电容C(即压电致动器101的(多个)压电元件的电容)之间的关系。

因此，通过经由测量获得对于给定的电压V的压电致动器101的电容C，这个关系将给出关于这个电压OP(V)下的光焦度的正确信息，而不管在测量时刻的蠕变的水平。

根据实施例，下面的数学模型OP(V,T,n)描述了图2A中示出的下降或上升曲线的光焦度OP和电压V之间的关系：

OP(V,T,n)＝a(T)x L(V)+b(T,n)。

因此，该等式给出了下降或上升电压V的光焦度OP，作为乘积项a(T)x L(V)和项b(T,n)的和，并且取决于变量温度T和转变时间计数值n。因子L(V)是曲线拟合多项式。

数学模型可以被扩展为包括如下的项OPtherm(T)：

OP(V,T,n)＝a(T)x L(V)+b(T,n)+OPtherm(T)

OPtherm(T)描述了光学透镜系统151中的温度相关部件(诸如透镜)的温度T对光焦度OP的相关性，即，如上所述的温度相关部件的热漂移。OPtherm(T)可以通过测量热漂移并确定作为温度T的函数的热漂移的数学表示来获得。

转变时间计数值n涉及压电致动器101从压电致动器的第一状态X1改变到第二状态X2的转变时间x。

第一和第二状态X1、X2可以是由第一和第二供电值P1、P2产生的稳态状态电压V1、V2，诸如第一和第二电压V1、V2、或者施加到压电致动器的第一和第二电荷。尽管本发明的实施例根据基于电压控制器功率信号来驱动压电致动器101，但这并不排除基于电流或电荷控制的功率信号来驱动压电致动器101。实际上，诸如第一和第二电压V1、V2以及稳态电压的电压信号可以由数字或模拟值来表示。

因此，可以经由到压电致动器101的端子的电连接来测量电压V1、V2。第一和第二状态X1、X2也可以是由所施加的第一和第二电压V1、V2产生并经由光学检测器(诸如图像传感器152)测量的稳态光焦度OP1、OP2——或其他光学响应。

可以以各种方式测量转变时间计数值n，例如，通过使用定时器，该定时器在致动器101处于已知状态(诸如第一状态X1)时响应于开始施加第一电压值V1而启动，并且在响应于第二所施加的电压值V2达到第二状态X2时停止。第一和第二电压值V1、V2中的任何一个可以是零值，诸如零电压。

转变时间计数值n可以是时间、振荡器时钟信号的计数或转变时间的其他表示。

根据实施例，基于确定由第一和第二电压值V1、V2导致的第一和第二状态x1、X2之间的第一转变时间值X1以及确定由第三和第四电压值V3、V4导致的压电致动器的第三和第四状态X3、X4之间的第二转变时间值x2，来确定转变时间计数值n。基于第一和第二转变时间值x1、x2，基于第一和第二转变时间值的比率n＝x1/x2来确定转变时间计数值。

因此，可以基于一个或多个转变时间值x1、x2来确定转变时间计数值n。有利的是，发现的是根据转变时间值x1、x2的比率确定的计数值n至少在某种程度上是与温度无关的。根据单个转变时间值x1确定的计数值n也是可行的，但是其可能需要模型OP(V,T,n)的一些调整。

图3B示出了用于确定第一和第二转变时间值x1、x2的示例。因此，第一转变时间值x1的确定由从施加第二电压值V2的时刻(在响应于第一电压值V1而达到第一状态X1之后)到达到第二状态X2的时刻的时间给出。这同样适用于第二转变时间x2的确定。在图3B中，第二和第三电压值V2、V3是相同的，并且因此第二和第三状态X2、X3是相同的。可以改变状态X1至X4之间的变化方向，使得例如第一状态X1具有比第二状态X2更高的值。同样，电压供电值V1至V4中的任何一个可以是零值，诸如零电压。显然，某些容差范围可以用来启动和停止时间测量，诸如用于进入第二状态X2的容差范围。

当振荡器用于确定转变时间值x时，已经观察到在某些情况下振荡器的频率与温度相关。为了精确地确定转变时间值(例如以ms为单位)，频率必须是稳定的。然而，已经观察到，对于从压电致动器101的第一高电压V1到较低的第二电压V2的转变，所确定的计数值n与压电致动器101的电容密切有关，并且由此与压电致动器系统100的光焦度OP密切有关。因此，转变时间值x(或者第一和/或第二转变时间值x1、x2)可以基于从最初达到的第一和/或第三稳态电压V1、V3到第二和/或第四较低稳态电压V2 V4的转变来获得。

对于不同的压电致动器系统100，电压V和光焦度OP之间的关系不同。因此，需要校准OP(V,T,n)模型。校准程序包括校准转变时间计数值nCAL的确定。校准转变时间计数值nCAL的确定遵循上述用于确定转变时间计数值n的程序。

校准程序还包括获得压电致动器的校准温度TCAL。压电致动器的校准温度以及其他温度可以从压电致动器系统100所包括的温度传感器或者相机模块150或电子设备159所包括的温度传感器获得。

校准还包括基于施加到压电致动器101的相对应的一个或多个校准电压(诸如第一和第二校准电压V1、V2)确定一个或多个光焦度，诸如第一和第二光焦度OP1、OP2。

光焦度OP1、OP2可以以各种方式确定。例如，放置在相机模块150的前面的屏幕和相机模块之间的用户确定或预定的距离给出第一光焦度OP1，并且第一电压V1是提供屏幕的聚焦图像的电压。第二电压V2和光焦度OP可以类似地基于到屏幕的另一距离来确定。替代性地，第二光焦度OP2可以是在无穷远处提供聚焦的光焦度，并且第二电压是在无穷远处提供聚焦的电压，例如相对大的距离，诸如10m。

可以在相机模块150或电子设备159的制造期间执行校准。替代性地，校准可以由相机模块或电子设备的用户例如基于所安装的校准算法来执行或重复。

也可以基于统计方法来执行校准，该统计方法可以利用到各种物体的所估计的距离。

为一个或多个校准电压确定曲线拟合多项式L的函数值，该曲线拟合多项式是诸如电压V的非线性函数的函数。例如，第一和第二函数值L(V1)和L(V2)可以根据第一和第二校准电压V1、V2确定。

在一个示例中，曲线拟合多项式L(V)由以下形式的6阶曲线拟合多项式表示：

L(V)＝v6 x V^6+v5 x V^5+v4 x V^4+v3 x V^3+v2 x V^2+v1 x V+v0，

其中v0至v6是给定类型的压电致动器系统100或压电致动器101的经验确定的系数。L(V)给出了图2A中的OP(V)曲线的特性形状，与温度和蠕变以及压电致动器系统100中使用的透镜类型无关。曲线拟合多项式L(V)可以由其他阶的多项式表示，通常由至少3阶的多项式表示。

校准还包括通过使用数学模型OP(V,T,n)、一个或多个校准电压V1、V2以及与校准电压V1、V2相关联的一个或多个光焦度OP1、OP2来确定一个或多个校准参数αCAL、bCAL。因此，基于具有校准电压和所测量的光学响应作为到数学模型的已知输入的模型来确定校准参数。校准电压V1、V2可以被确定为导致期望的或预定的光学响应(例如，光焦度)的电压。替代性地，可以确定由施加预定电压导致的光学响应。

校准参数αCAL、bCAL可以根据模型OP(V,T,n)确定，其中a(T)和b(T,n)与电压V无关并且通过分别代入OP1和OP2以及第一和第二函数值L(V1)、L(V2)来形成两个等式OP1(L(V1),T,n)和OP2(L(V2),T,n)。基于两个等式αCAL，bCAL可以被确定为：

aCAL＝(OP1–OP2)/(L(V1)–L(V2))，以及

bCAL＝OP1(V1)–aCAL x(L(V1))。

校准参数αCAL、bCAL对应于压电致动器系统100在校准时刻(即对于实际温度和蠕变水平)的行为。利用这些信息，可以构建下降或上升电压的校准曲线OP(V)。

所确定的校准参数aCAL、bCAL、nCAL和TCAL存储在例如处理单元111的存储器中。

模型OP(V,T,n)可以用于确定给定电压V、给定温度T和给定蠕变水平的光焦度OP。这要求针对实际条件确定模型部分a(T)和b(T,n),即实际温度T和实际转变时间计数值n。温度T可以如上所述由温度传感器测量，并且转变时间计数值n可以如上所述确定，例如利用结合图3B描述的方法。

模型部分a(T)和b(T,n)可以利用下面的多项式表示

a(T)＝a2 x(T^2–TCAL^2)+a1 x(T-TCAL)+aCAL

b(T,n)＝b2 x(T^2–TCAL^2)+b1 x(T-TCAL)+bCAL+(n-nCAL)xΔb/Δn。

显然，a(T)和b(T,n)的其他表达式也是有效的，诸如更高阶的多项式。

因子Δb/Δn和系数a1、a2、b1、b2是根据经验确定的值。

借助于数学模型和模型根据实际条件的反复修改，可以确定设定点电压Vx，以实现期望的光焦度OPx，如图2A所示。可以基于迭代算法来确定设定点电压Vx，该迭代算法通过使用模型OP(V,T,n)来确定给出或至少接近期望光焦度OPx的电压V。

由于除了在校准程序中之外，在没有实际光焦度的测量的情况下可以获得期望的光焦度OPx，所以在开环配置中独立于实际光焦度OP的测量来确定期望的光焦度OPx。

在以上示例中，模型OP(V,T,n)以其中a(T)取决于温度T并且多项式L(V)取决于电压V的形式描述。在其他示例中，因子a(T)还可以取决于转变时间计数值n，即，因子可以具有形式a(T,N)。类似地，多项式还可以取决于转变时间计数值n和/或温度T，即，多项式可以具有形式L(V,T,n)。

例如，多项式可以具有以下形式：

L(V,T)＝v6(T)x V^6+v5(T)x V^5+v4 x V^4+v3 x V^3+v2 x V^2+v1 x V+v0+vT*T^2，

或者形式L(V,T,n)还包括取决于n的项。

在另一示例中，多项式L(V)被定义为用于不同温度范围的两个或更多个多项式L1(V)、L2(V)。为不同的温度范围定义不同的多项式L(V)、或者通过将多项式定义为取决于温度T和/或转变时间计数值n，可以提高针对给定电压V的所确定的光焦度OP的精度。

由于压电致动器系统100不限于与透镜120一起工作，而是通常与光学构件130一起工作，因此可以理解的是，光学模型OP(V,T,n)适用于其他光学响应，例如光束偏转。因此，可以为其他光学响应制定等效模型OR(V,T,n)。为了方便起见，如本文所用的光学模型OP(V,T,n)适用于任何光学响应。

尽管已经结合特定实施例描述了本发明，但是本发明不应被解释为以任何方式局限于所呈现的示例。本发明的范围将根据所附权利要求进行解释。在权利要求的上下文中，术语“包括(comprising或comprises)”不排除其他可能的元件或步骤。而且，提及诸如“一”或“一个”等的参考不应被解释为排除复数。权利要求中关于图中指示的元件的附图标记的使用也不应被解释为限制本发明的范围。另外，在不同权利要求中提及的各个特征可以可能地被有利地组合，并且在不同权利要求中提及这些特征不排除特征的组合是不可能的和有利的。

Claims (15)

1.一种用于确定压电致动器系统(100)的设定点电压(Vx)以实现所述压电致动器系统的期望光学响应的方法，其中所述压电致动器系统包括具有可调光学响应(OP)的光学构件(130，120)和压电致动器(101)，所述方法包括：

-提供描述了施加到所述压电致动器的作为变量的电压(V)、作为变量的温度(T)和转变时间计数值(n)与所述光学响应(OP)之间的关系的数学模型OP(V,T,n)，其中所述数学模型包括曲线拟合多项式(L)，并且其中所述转变时间计数值(n)与所述压电致动器的用于从第一状态(X1)改变到第二状态(X2)的至少一个转变时间值(x)有关，

-通过以下来校准所述数学模型：

-基于确定所述压电致动器的第一状态和第二状态(X1，X2)之间的至少一个转变时间值(x)来确定校准转变时间计数值(nCAL)，

-获得所述压电致动器的校准温度(TCAL)，

-基于一个或多个校准电压(V1，V2)以及与施加到所述压电致动器的一个或多个校准电压(V1，V2)相关联的一个或多个光学响应(OP1，OP2)，确定所述数学模型OP(V,T,n)的一个或多个校准参数(αCAL，bCAL)，

-在一段时间或使用所述压电致动器之后，通过以下来更新所述数学模型OP(V,T,n)：

-获得所述压电致动器的温度(T)，

-基于确定所述压电致动器的第一状态和第二状态之间的至少一个实际转变时间值(x)来确定所述转变时间计数值(n)，

-基于经更新的数学模型OP(V,T,n)来确定所述设定点电压(Vx)，并将所述设定点电压(Vx)施加到所述压电致动器。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述关系描述了对所述电压(V)的下降值和/或上升值的光学响应。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述关系仅描述了对所述电压(V)的下降值或上升值的光学响应。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述转变时间计数值(n)和所述校准转变时间计数值(nCAL)包括确定所述压电致动器的第一状态和第二状态(X1，X2)之间的第一转变时间值(x1)，以及确定所述压电致动器的第三状态和第四状态(X3，X4)之间的第二转变时间值(x2)，并且其中所述转变时间计数值(n)和所述校准转变时间计数值(nCAL)基于所述第一转变时间值和第二转变时间值(x1，x2)的比率来确定。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一状态和第二状态(X1，X2)包括基于向所述压电致动器施加第一电压和第二电压(V1，V2)而产生的第一稳态电压和第二稳态电压(V1，V2)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一稳态电压(V1)高于所述第二稳态电压(V2)，并且其中基于从所述第一稳态电压(V1)到所述第二稳态电压(V2)的转变来获得所述转变时间值(x)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述曲线拟合多项式(L)是所述电压(V)的预定非线性函数。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述数学模型包括第一项a(T)xL(V)和第二项b(T,C)的和，其中a(T)是取决于所述温度参数(T)、第一校准参数(αCAL)和所述实际温度(Ta)的多项式，其中L(V)是取决于所述电压(V)的至少三阶的多项式，并且其中b(T,C)是取决于所述温度参数(T)、所述电压(V)、第二校准参数(bCAL)、所述实际温度和实际电容参数(Ca)的多项式。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述数学模型还包括项OPtherm(T)，其描述了由于光学透镜系统(151)中的诸如透镜的温度相关部件而导致的作为所述温度(T)的函数的光学响应变化，其中所述光学透镜系统与所述压电致动器系统(100)光学连接。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中向所述压电致动器施加电压包括最初向所述压电致动器施加最大电压或最小电压(Vmax，Vmin)以驱动所述压电致动器达到最大变形或最小变形，并且随后向所述压电致动器施加所述设定点电压(Vx)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述设定点电压(Vx)在开环配置下独立于实际光学响应(OP)的测量来确定。

12.一种压电致动器系统(100)，所述压电致动器系统包括：压电致动器(101)；压电驱动器(110)，所述压电驱动器被布置成给所述压电致动器(101)供电；处理单元(111)，所述处理单元被布置成根据权利要求1所述的方法确定将由所述压电驱动器施加到所述压电致动器的设定点电压(Vx)；以及具有可调光学响应的光学构件(130，120)。

13.根据权利要求12的压电致动器系统(100)，其中所述光学构件(130，120)包括：

-第一透明覆盖件构件(121)，

-第二覆盖件构件(122)，

-夹在所述第一透明覆盖件构件和第二透明覆盖件构件之间的透明的、可变形的非流体主体(123)，其中所述压电致动器的一个或多个压电元件被布置成生成所述第一覆盖件构件或第二覆盖件构件的曲率、位移和/或取向的可控变化。

14.一种相机模块(150)，包括根据权利要求12至13中任一项所述的压电致动器系统(100)，其中所述压电致动器系统包括光学透镜(130)，并且其中所述相机模块还包括图像传感器(152)，所述图像传感器被布置成接收透射通过所述光学透镜(120)的光。

15.一种电子设备(159)，所述电子设备包括根据权利要求12至13中任一项所述的压电致动器系统(100)。

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