CN116609915A - 使用虚拟测试图像对准成像透镜的设备及方法 - Google Patents

使用虚拟测试图像对准成像透镜的设备及方法 Download PDF

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Abstract

一种用于相对于图像传感器对准透镜模块的对准设备，包括：全息胶片，其具有能够从中生成测试表图样的虚拟图像的所述测试表图样；以及用于照射所述全息胶片的光源。提供图像传感器支架以安装所述图像传感器，并且透镜模块支架被配置和定位成将所述透镜模块安装在所述全息胶片与所述图像传感器之间，以便能够由所述图像传感器通过所述透镜模块查看所述测试表图样的所述虚拟图像。因此，能够由所述图像传感器通过所述透镜模块查看的所述虚拟图像位于距所述图像传感器的虚拟距离处，所述虚拟距离处不同于所述全息胶片的物理位置，从而相对于所述图像传感器对准所述透镜模块。

Description

使用虚拟测试图像对准成像透镜的设备及方法
技术领域
本发明涉及一种用于相对于透镜模块对准图像传感器的设备和方法，特别地，涉及在成像相机模块组装期间，在将透镜模块固定至图像传感器之前将它们对准。
背景技术
在将透镜模块结合至图像传感器之前，在透镜模块与图像传感器之间的镜头对准期间执行图像质量检查。通常情况下，需要通过透镜模块用图像传感器查看测试表，以相对于图像传感器对准透镜模块，或测试对准的成像模块(包括透镜模块和图像传感器)。在成像模块视场的不同位置评估测试表各个部分尤其是测试表的边缘的清晰度。然而，对于利用广角镜头的应用，例如，在透镜模块的视角超过60度的情况下，需要在离透镜模块一段距离处放置几米大小的大型测试表，以覆盖成像模块的整个视野。此外，这种测试表必须定位在与对准所需的聚焦距离相对应的距离处，例如，离成像模块5米或10米远。因此，容纳这些大型测试表需要一个大的机器尺寸和占用空间。
一种减少机器尺寸和占用空间的方式是使用多个准直器以各种视角形成图像，从而覆盖成像模块的视场，例如，标题为“主动式透镜对准系统(Active Lens AlignmentSystem)”的美国专利10,187,636B2。当在将图像传感器固定至透镜模块之前相对于透镜模块对准图像传感器时，开启图像传感器的曝光，并且将图像传感器相对于透镜模块移至不同距离。在图像传感器与透镜模块之间的某些预定距离处，使用准直器照射校准图样，并且用图像传感器捕获通过透镜模块聚焦的校准图样的两张或多张图片，以生成在不同距离处捕获的校准图样的至少两张图片。然后关闭图像传感器的曝光，并分析校准图样的照片，以确定透镜模块与图像传感器之间的对准。
与传统测试表不同，实施包括多个准直器的准直器模块以通过透镜模块将校准图样或表图样引导至图像传感器。与使用传统测试表相比，这样可以减少机器所需的空间。尽管如此，每个准直器仍然需要占据机器的物理空间，并且每个准直器仅能够以有限的角度形成图像，以避免位于其旁边的其他准直器的物理干扰。因此，在用于测试视角超过70度的成像模块时，主动对准机的尺寸仍然比较大。此外，由于上文提到的设置准直器的物理限制，这种机器可用的测量角度是有限的。
提供一种能够避免使用物理测试表的用于测试成像模块的对准的设备及方法将是有益的。虚拟测试表的使用能够避免测试表的尺寸必须直接对应于正在对准的成像模块的视场。因此，与现有技术相比，可以大大减小容纳这种测试表所需的机器尺寸。
发明内容
因此，本发明的目的是寻求提供一种依赖于虚拟测试表的成像模块的对准设备及方法，以减少主动对准成像机的尺寸和占用空间。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于相对于图像传感器对准透镜模块的对准设备，所述对准设备包括：具有测试表图样的全息胶片，从所述测试表图样中能够生成测试表图样的虚拟图像；光源，用于照射所述全息胶片；图像传感器支架，用于安装所述图像传感器；透镜模块支架，其被配置和定位成将所述透镜模块安装在所述全息胶片与所述图像传感器之间，使得能够由所述图像传感器通过所述透镜模块查看所述测试表图样的所述虚拟图像；其中，能够由所述图像传感器通过所述透镜模块查看的所述虚拟图像位于距所述图像传感器的虚拟距离处，所述虚拟距离处不同于所述全息胶片的物理位置，从而相对于所述图像传感器对准所述透镜模块。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于相对于图像传感器对准透镜模块的方法，所述方法包括以下步骤：提供包括测试表图样的全息胶片；用光源照射所述全息胶片，以生成所述测试表图样的虚拟图像；将所述图像传感器安装在图像传感器支架上；将所述透镜模块安装在所述全息胶片与所述图像传感器之间的透镜模块支架上，使得能够由所述图像传感器通过所述透镜模块查看所述测试表图样的所述虚拟图像；以及用所述图像传感器查看所述虚拟图像，所述虚拟图像位于距所述图像传感器的虚拟距离处，所述虚拟距离处不同于所述全息胶片的物理位置，从而相对于所述图像传感器对准所述透镜模块。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于制造相机模块的方法，所述方法包括以下步骤：提供包括测试表图样的全息胶片；用光源照射所述全息胶片，以生成所述测试表图样的虚拟图像；将图像传感器安装在图像传感器支架上；将透镜模块安装在所述全息胶片与所述图像传感器之间的透镜模块支架上，使得能够由所述图像传感器通过所述透镜模块查看所述测试表图样的所述虚拟图像；用所述图像传感器查看所述虚拟图像，所述虚拟图像位于距所述图像传感器的虚拟距离处，所述虚拟距离处不同于所述全息胶片的物理位置，从而相对于所述图像传感器对准所述透镜模块；然后在所述透镜模块和所述图像传感器已经对准之后，将所述透镜模块和所述图像传感器彼此固定以形成相机模块。
这些以及其他特征、方面和优点将通过说明书部分、所附权利要求书和附图得到更好的理解。
附图说明
现在仅出于示例的目的，参考以下附图对本发明实施例进行说明，其中：
图1示出了用于将图像位置与激光束的物理位置相关联的基本透镜公式的应用，其适用于本发明的实施例；
图2是根据本发明优选实施例的对准设备的侧视图，其中图像传感器可以在由激光源照射的全息胶片上查看虚拟重建的测试表图像；
图3是图2所示对准设备的等距视图，其示出了从能够通过图像传感器查看的全息胶片重建的示例性虚拟测试表；
图4示出了根据本发明实施例的用于相对于图像传感器对准透镜模块的方法的流程图；以及
图5A是在成像模块对准之前通过图像传感器查看的测试表的虚拟生成图像的示例，以及图5B是在成像模块已对准之后通过图像传感器查看的所述测试表的示例。
在附图中，相同的部件用相同的附图标记表示。
具体实施方式
计算机生成全息术(CGH)是一种数字生成全息干涉图样的方法。例如，可以通过数字计算全息干涉图样并将其打印至胶片上，以便随后由合适的相干光源照射来生成全息图像。CGH的优点在于，待展示物体根本不需要具有任何物理实体，并且可以完全由计算机合成生成，以压印在全息胶片上。
图1示出了用于将图像位置与相干光源(例如，激光束)的物理位置相关联的基本透镜公式的应用，其适用于本发明实施例。
透镜的焦距(f)、图像位置(v)和物体(例如，激光光斑)的物理位置(u)之间的关系可以根据透镜公式表示如下：
1/v+1/u＝1/f
v＝1/(1/f-1/u)
因此，如果透镜为准直透镜10，则通过了解准直透镜10的焦距(f)及其物理位置，以及穿过准直透镜10后激光光斑的物理位置(u)，可以确定图像位置(v)(在本申请中，其为激光光斑的虚拟图像)。
当u＝f(激光光斑的物理位置等于透镜的焦距)时，由于这种设置会生成准直光线，因此将在无穷远处形成激光光斑的虚拟图像。另一方面，通过改变u(例如，通过物理移动激光光斑相对于准直透镜10的位置)或通过改变f(例如，通过更换透镜或采用可变焦距透镜，例如，液体透镜，改变光学透镜的焦距)生成不同v值。
图2是根据本发明优选实施例的对准设备的侧视图，其中图像传感器26可以查看由激光源照射的全息胶片22(例如，傅里叶全息胶片)上的虚拟重建图像，该光源可以呈相干光源(例如，激光源20)的形式。激光源20向准直透镜10发射激光束，并且来自激光束的光线穿过准直透镜10。当激光源20与准直透镜10之间的距离(u)等于准直透镜10的焦距(f)时，对来自激光束的相干光线进行准直。
然后，准直光线21穿过全息胶片22以照射全息胶片22，并由透镜模块24聚焦至图像传感器26上。需要将透镜模块24相对于图像传感器26主动对准，使得一旦这两个部件正确对准，透镜模块24就可以附接至图像传感器26，形成成像相机模块32，从而获取由图像传感器26接收的聚焦图像。透镜模块24由透镜模块支架28所固持，该支架可操作以在六个自由度上调整透镜模块24。另外，图像传感器26由传感器支架30所固持，该支架可操作以在另外六个自由度上调整成像传感器26。
透镜模块支架28被配置和定位成将透镜模块24安装在全息胶片22与图像传感器26之间，使得能够由图像传感器26通过透镜模块24查看全息胶片22中压印的测试表图样。
如上所述，当u＝f时，由激光源20生成的激光光斑的虚拟图像在无穷远处形成。这可以允许在全息胶片22上形成的测试表的图像在测试表与图像传感器26之间的单个预定距离处对准。然而，利用根据本发明的设备，也可以通过改变激光源20的位置(u)或改变准直透镜10的焦距(f)生成相对于图像传感器26看起来处于不同距离(v)的虚拟测试表。特别地，当激光源20与准直透镜10之间的距离不同于准直透镜10的焦距(f)时，可以获得在相对于图像传感器26的不同距离(v)处生成的虚拟测试表，使得来自激光源20的光线在穿过准直透镜10之后不进行准直。
图3是图2所示对准设备的等距视图，其示出了能够由图像传感器26查看的从全息胶片22重建的示例性虚拟测试表34，以相对于图像传感器26对准透镜模块24。例如，通过相对于准直透镜10移动激光源20改变到达全息胶片22的光线21的相位。全息胶片22包括能够从中生成测试表图样的虚拟图像的测试表图样。出于相对于图像传感器26对准透镜模块24的目的，能够由图像传感器26通过透镜模块24查看的虚拟图像位于距图像传感器26的虚拟距离处，该距离处不同于全息胶片22的物理位置。
其结果是，在不受准直透镜10的焦距(f)限制的虚拟距离处可以查看包括测试表图样的虚拟测试表34，使得虚拟测试表34看起来比激光源20和全息胶片22到图像传感器26的实际距离远得多。
为了使激光源20相对于准直透镜10移动，可以将定位机构31(见图2)耦合至激光源20，以调整激光源20的位置，并改变激光源20与全息胶片22之间的分离间距。另一方面，为了便于改变准直透镜10的焦距，准直透镜10可以采用具有可变焦点的液体透镜的形式。
上述方法的益处在于，准直透镜10能够形成虚拟图像，用于在远超过主动对准机尺寸的距离处进行主动对准，而不必增加图像传感器26可查看的视角。透镜模块24可操作以在透镜模块24与图像传感器26之间的相对对准期间，在虚拟测试表34与图像传感器26的不同虚拟距离处将虚拟测试表34的图像聚焦至图像传感器26上。因此，透镜模块支架28和图像传感器支架30能够分别调整透镜模块24和图像传感器26的位置和取向，直至图像传感器26获得虚拟测试表34的聚焦图像。因此，可以避免现有技术的主动对准机(例如，使用多个准直器的主动对准机)所面临的物理限制，从而与现有技术相比，可以大大减小容纳物理测试表所需的主动对准机的尺寸。
图4示出了根据本发明实施例的用于相对于图像传感器26对准透镜模块24的方法的流程图。首先，设置包括测试表图样的全息胶片22(步骤38)。用激光源20照射全息胶片22，以生成测试表图样的虚拟图像(步骤40)。将图像传感器26安装在图像传感器支架30上(步骤42)，并且将透镜模块24安装在透镜模块支架28上(步骤44)。当通过透镜模块24用图像传感器26查看虚拟图像时，图像传感器支架30和透镜模块支架28分别操纵图像传感器26和透镜模块24，以便相对于图像传感器26对准透镜模块24(步骤46)，从而获得测试表图样的聚焦图像。在透镜模块24和图像传感器26已经对准之后，使用诸如胶水的粘合剂将透镜模块24固定至图像传感器26，以便生成相机模块32(步骤48)。
图5A是在成像模块对准之前由图像传感器26查看的测试表的虚拟生成图像34a的示例，用于在虚拟生成距离处对准。测试表可以包括中心形状50和在虚拟生成图像34a的四个相应拐角处的拐角形状52。在图5A中，拐角形状52显然是失焦的。因此，透镜模块支架28和传感器支架30将根据图像传感器26所获得的图像对透镜模块24和图像传感器26相对于彼此进行重新定向。
图5B是在成像模块已对准之后由图像传感器26查看的所述测试表的虚拟生成图像34b的示例。透镜模块24和图像传感器26已相对调整，使中心形状50和拐角形状52均处于对焦状态，以便获得最佳聚焦图像。在这种主动对准之后，透镜模块24然后可以通过使用诸如胶水的粘合剂以最佳相对方向固定附接至图像传感器26，以形成相机模块32。
应当理解，通过采用根据本发明所述实施例的全息胶片22，实现单个全息胶片22的配置比使用物理测试表或多个准直器简单得多，并且透镜对准设备的尺寸可以显著减小。此外，改变成像模块的测试距离需要最少的转换工作，并且从全息胶片22生成的图样的尺寸可以在各种聚焦距离上保持不变。由于该设备能够在成像模块视场内的任何位置生成相同的测试图样，因此可以方便地评估成像模块视场内测试图样的完整图像。
尽管已经参考某些实施例相当详细地描述了本发明，但是其他实施例也是可能的。
因此，所附权利要求的精神和范围不应局限于本文所载实施例的描述。

Claims (13)

1.一种用于相对于图像传感器对准透镜模块的对准设备，所述对准设备包括：
全息胶片，其包括测试表图样，从所述测试表图样中能够生成测试表图样的虚拟图像；
光源，用于照射所述全息胶片；
图像传感器支架，用于安装所述图像传感器；以及
透镜模块支架，其被配置和定位成将所述透镜模块安装在所述全息胶片与所述图像传感器之间，以便能够由所述图像传感器通过所述透镜模块查看所述测试表图样的所述虚拟图像；
其中，能够由所述图像传感器通过所述透镜模块查看的所述虚拟图像位于距所述图像传感器的虚拟距离处，所述虚拟距离处不同于所述全息胶片的物理位置，从而相对于所述图像传感器对准所述透镜模块。
2.如权利要求1所述的对准设备，其中，所述光源包括相干光源。
3.如权利要求2所述的对准设备，其中，所述设备还包括准直透镜，并且所述相干光源能够操作以生成相干光线，所述光线在照射所述全息透镜之前穿过所述准直透镜。
4.如权利要求3所述的对准设备，其中，所述准直透镜具有可变焦点。
5.如权利要求4所述的对准设备，其中，所述准直透镜包括液体透镜。
6.如权利要求3所述的对准设备，其中，所述光源与所述准直透镜之间的距离不同于所述准直透镜的焦距，使得来自所述光源的光线在穿过所述准直透镜后未被准直。
7.如权利要求1所述的对准设备，还包括耦合至所述光源的定位机构，其用于调整所述光源的位置并改变所述光源与所述全息胶片之间的分离间距。
8.如权利要求1所述的对准设备，其中，所述全息胶片为傅里叶全息胶片。
9.如权利要求1所述的对准设备，其中，在所述透镜模块和所述图像传感器的相对对准期间，所述透镜模块能够操作以将所述虚拟图像聚焦至所述图像传感器上。
10.如权利要求9所述的对准设备，其中，所述透镜模块支架和所述图像传感器支架能够操作以分别调整所述透镜模块和所述图像传感器的位置和取向，直至所述图像传感器获取所述虚拟图像的聚焦图像。
11.一种用于相对于图像传感器对准透镜模块的方法，所述方法包括以下步骤：
提供包括测试表图样的全息胶片；
用光源照射所述全息胶片，以生成所述测试表图样的虚拟图像；
将所述图像传感器安装在图像传感器支架上；
将所述透镜模块安装在所述全息胶片与所述图像传感器之间的透镜模块支架上，使得能够由所述图像传感器通过所述透镜模块查看所述测试表图样的所述虚拟图像；以及
用所述图像传感器查看所述虚拟图像，所述虚拟图像位于距所述图像传感器的虚拟距离处，所述虚拟距离处不同于所述全息胶片的物理位置，从而相对于所述图像传感器对准所述透镜模块。
12.如权利要求11所述的方法，还包括在所述透镜模块和所述图像传感器已经对准之后，将所述透镜模块和所述图像传感器彼此固定以形成相机模块的步骤。
13.一种用于制造相机模块的方法，所述方法包括以下步骤：
提供包括测试表图样的全息胶片；
用光源照射所述全息胶片，以生成所述测试表图样的虚拟图像；
将图像传感器安装在图像传感器支架上；
将透镜模块安装在所述全息胶片与所述图像传感器之间的透镜模块支架上，使得能够由所述图像传感器通过所述透镜模块查看所述测试表图样的所述虚拟图像；
用所述图像传感器查看所述虚拟图像，所述虚拟图像位于距所述图像传感器的虚拟距离处，所述虚拟距离处不同于所述全息胶片的物理位置，从而相对于所述图像传感器对准所述透镜模块；然后
在所述透镜模块和所述图像传感器已经对准之后，将所述透镜模块和所述图像传感器彼此固定以形成相机模块。
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