CN1910427A - 用于检测装置的取向的方法和具有取向检测器的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测相对于加速力方向的装置(1)的取向的方法和一种装置(1)，该装置(1)包括：光学器件(10)，其包含第一液体(A)和第二液体(B)，所述液体是不混溶的，具有不同的折射率和不同的密度，彼此通过界面(14)接触；包含像素网格(22)的传感器(20)，该传感器(20)被设置成检测在像素网格(22)的子集上(24，24’)由光学器件(10)捕获的图像；和计算装置(30)，从子集(24，24’)在网格(22)上的位置计算装置(1)相对于加速力方向的取向。因此，能够在没有机械移动部件的情况下，获得装置(1)相对于加速力如重力的方向的取向。

Description

用于检测装置的取向的方法和具有取向检测器的装置
技术领域
本发明涉及用于检测装置的取向的方法。
本发明还涉及具有取向检测器的装置。
背景技术
在许多应用领域中，都对相对于加速力如重力的装置的取向检测感兴趣。这样的应用领域的例子包括航空、计算、保密和虚拟现实应用例如博弈。在欧洲专利申请EP1040357中，公开了一种加速传感器，其能够充当相对于重力场的取向的检测器。该加速传感器包括具有腔室的不导电的、非磁性的外壳，在腔室中设置与线圈耦合的感应元件。一旦其中设有传感器的装置的取向发生变化，则元件的自感应发生变化，该自感应能够借助于线圈进行检测。这种传感器的缺陷在于：它依靠机械移动的部件进行取向检测，该部件在传感器的使用期限期间遭受机械磨损。
发明内容
根据起始段落，本发明寻求提供一种取向检测方法，该方法避免或者至少减少机械磨损。
本发明还寻求提供具有遭受较少的机械磨损的取向检测器的装置。
根据本发明的第一方法，提供一种检测相对于加速力方向的装置取向的方法，包括：提供具有包含第一液体和第二液体的光学器件的装置，所述液体是不混溶的，具有不同的折射率和不同的密度，彼此通过界面接触，并提供包含像素网格的传感器；在像素网格的子集上检测由光学器件捕获的图像；和根据子集在网格上的位置计算装置的取向。
该方法基于下述实现：能够将光学器件如在PCT专利申请WO2003/069380中公开的可变焦距透镜用作取向检测器，检测相对于加速力如重力的方向的装置的取向。为此目的，将光学器件中的液体密度选择成不相同，这使得它们在装置内的取向取决于加速力如重力的方向。由于液体的不同折射率，装置的取向的变化将导致通过光学器件的光线轨迹的变化。
有代表性的是，光学器件后面的图像传感器的像素网格仅仅部分暴露给由光学器件捕获的图像，即像素网格大于暴露的面积。通过检测哪些像素没有暴露给由光学器件捕获的图像，能够确定网格上的图像取向。因为取向是重力或者另一种加速力的函数，所以能够计算相对于这样的力的方向的装置取向。
根据本发明的另一方面，提供一种装置，其包括：光学器件，所述光学器件包含第一液体和第二液体，所述液体是不混溶的，具有不同的折射率和不同的密度，彼此通过界面接触；包含像素网格的传感器；设置该传感器以检测在像素网格的子集上由光学器件捕获的图像；和计算装置，从子集在网格上的位置计算相对于加速力方向的装置取向。
这一装置可以是电子装置如移动电话，用于航空的控制装置，电子水平仪等，其执行本发明的方法，具有下述优点：无需机械移动部件来确定该装置的取向。
在一种实施方式中，第一液体是电敏液体。这是虑及利用被施加的电场控制液体的位置。为了使控制容易进行，光学器件还包括和第一液体导电接触的电极结构，该器件还包括和电极结构耦合的驱动电路。这具有例如光学器件也能够用作变焦透镜的优点。
在另一实施方式中，第一液体包含油的混合物。因为油一般混合得好，并且容易利用具有各种密度的各式各样的油，其允许第二液体的总密度的精密调节，所以这是具有优势的。因为如果光学器件是透镜，密度的不同会导致包括不期望的较高阶象差如彗差和象散的光学象差，所以这一点是重要的。通过仔细选择第一和第二液体的密度，能够将界面取向的变化减小到主要是一个倾角，且界面对球面的变形保持很小，从而减小前述较高阶的象差。
有利的是，计算装置包括用于存储校准数据的存储元件，设置该计算装置，以利用校准数据计算取向。在制作时，通过在预定取向下执行大量的测量，校准该取向检测器，并且将校准结果存储在存储元件中，该存储元件可以仅仅是查询表(LUT)。在操作时，处理装置将网格上的像素子集的位置和校准数据相比较，并从该比较结果计算取向。
在另一实施方式中，装置还包括位于光学器件前面的光源。这具有该装置在夜里也能使用的优点。优选该光源可以移动，以允许另一光学器件如变焦透镜使用。
附图说明
参考附图，利用非限制性的实施例对本发明进行更详细的说明，其中：
图1示出了根据本发明的装置；和
图2示意性地描述了在图像传感器的像素网格上加速力对图像取向的影响。
具体实施方式
应该理解的是，附图仅仅是示意性的，并且不是按照尺寸绘制的。也应该理解，在附图中，利用相同的附图标记表示相同或者相似的部件。
图1示出了根据本发明的装置1。该装置1可以是电子装置，如移动电话或者用于航空应用或者家用的取向确定仪，其具有置于图像传感器20前面的光学器件10。设置该图像传感器20，以将输出信号提供给处理器30。光学器件10包括在内壁上具有涂层13的腔室中密封的第一液体A和第二液体B。第一液体A和第二液体B是不混溶的，彼此通过界面14接触。选择涂层13，以控制界面14的曲率。例如，液体A可以是疏水性液体如油，液体B可以是亲水性液体如盐水溶液。光学器件10的腔室内壁上的疏水性涂层13(如DuPont公司的AF 1600TM)使内壁主要由疏水性液体覆盖，其迫使界面14呈凸面取向，如图1所示。涂层13的功能的较广义的解释可以在PCT专利申请WO2003/069380中找到。
根据本发明，第一液体A和第二液体B具有不同的折射率和不同的密度，以确保当改变光学器件10的取向时，通过光学器件的光的轨迹变化。稍后将对这一点进行更详细的解释。光学器件10可以是对取向检测作出贡献的无源器件。可选择地，光学器件10可以是具有双重功能的可配置器件，其另一功能是例如变焦透镜。在这一实施方式中，光学器件的液体A、B之一是电敏液体，光学器件10还包含可以是环形电极的第一电极11，和可以是壁电极的第二电极12。在这一实施方式中，装置1还包括驱动电路40，设置处理器30以控制该驱动电路40，该驱动电路40提供通过第一电极11和第二电极12的可变电压，从而控制界面14的形状，和光学器件10的光强度。这一原理可以从例如前述PCT申请中得知，不再作进一步的解释。根据公知技术，可以利用光阑或者光圈(未示出)和/或透镜遮光罩或者物镜遮光罩延伸光学器件10，以控制通过光学器件10的光束宽度。
可选择地，装置1还包括安装在支架52上的光源50，以方便在黑暗中的取向测量。光源50可以从支架52移动，而且支架52可以从装置1移动。
在图2中解释了装置的操作，即在装置1中执行本发明的方法的方式。在图2中，仅仅为简化起见，省略处理器30和光学驱动电路40。图2的左手侧示出了处于第一取向的光学器件10。通过光学器件10的光束由虚线束指示。界面14起透镜的作用，使光束由于界面14的这一特定取向而发散。显然，能够调节光学器件10的特性，以建立会聚光束；如果位于光学器件10后面的检测器小于通过光学器件10的光路的面积，这可能是有利的。在第一取向时，光束的中心和通过光学器件10的光轴X一致。在左手侧的图中，光轴X的取向和如线Y所示的加速力如重力的主方向平行。
尽管能够想到其它的检测装置如离散的传感器阵列，优选在传感器20的像素网格22上测量通过光学器件10的光的轨迹。光束覆盖像素网格22的区域24。该区域24覆盖像素网格22的像素子集。传感器20的在区域24之外的像素在第一取向保持未暴露状态。
如图2的右手侧所示，在装置1的第二取向，装置1相对于由线Y指示的重力场倾斜。因为第一液体A和第二液体B的不同密度，在重力的影响下，界面14相对于光轴X倾斜。从而通过光学器件10的光线的轨迹发生变化，即一旦离开光学器件10，通过光学器件10的光束的中心不再和光轴X一致，并且和被暴露区域24相比，传感器20的像素网格22的被暴露区域24’发生移动。换言之，在装置1的第一取向暴露的像素子集和在装置1的第二取向中的像素子集不同，其差值是取向的函数。因此，通过光学器件10的光线的轨迹包含关于光学器件10的取向的信息和其中设有光学器件10的装置1的信息。
根据本发明的方法，从测得的轨迹计算装置1的取向。在一种实施方式中，处理器30包括存储元件(未示出)如查询表，在其中存储校准数据。通过将装置1放在多个预定的取向，并对于每一取向在存储元件中存储识别像素的被暴露子集的信息，可以在装置1装配期间或者之后产生校准数据。在操作期间，处理器能够从存储元件中的校准数据推断装置1的取向。可选择地，校准数据嵌入在硬件中。
在这一点上，要指出的是，从界面14的半球形的偏差产生较高阶的象差如彗差。这样的象差的产生也取决于取向。尽管优选将较高阶的影响保持得尽可能小，但通过计算传感器上的像素22的暴露区域24的形状，这些影响的量化能够包含在装置1的取向确定中。
要强调的是，在本发明的上下文中，词组“电敏液体”包含导电液体、极性液体和可极化液体，以及对磁场作出响应的液体。
应该注意的是，上述实施方式是解释而不是限制本发明，在不脱离权利要求的范围的情况下，本领域的技术人员能够设计许多替换的实施方式。在权利要求中，括号之间的参考标记将不构成对权利要求的限制。单词“包含”不排除除权利要求中列出的元件或者步骤之外的元件或步骤的存在。元件前面的“一个”不排除多个这样的元件的存在。本发明能够利用包含几个不同元件的硬件执行。在列举几种装置的装置权利要求中，几种装置能够由同一项的硬件实现。在互不相同的从属权利要求中列举某些测量方法的事实并不表示这些测量方法的结合不能有效使用。

Claims (10)

1.一种检测相对于加速力方向的装置(1)的取向的方法，包括：
提供具有包含第一液体(A)和第二液体(B)的光学器件(10)的装置(1)，所述液体(A；B)是不混溶的，具有不同的折射率和不同的密度，彼此通过界面(14)接触；并且提供包含像素网格(22)的传感器(20)；
在像素网格(22)的子集(24，24’)上检测由光学器件(10)捕获的图像；和
根据子集(24，24’)在网格(22)上的位置计算装置(1)的取向。
2.权利要求1所述的方法，其中加速力是重力。
3.一种装置(1)，包括：
光学器件(10)，其包含第一液体(A)和第二液体(B)，所述液体是不混溶的，具有不同的折射率和不同的密度，彼此通过界面(14)接触；
包含像素网格(22)的传感器(20)，该传感器(20)被设置成检测在像素网格(22)的子集上(24，24’)由光学器件(10)捕获的图像；和
计算装置(30)，从子集(24，24’)在网格(22)上的位置计算装置(1)相对于加速力方向的取向。
4.权利要求3所述的装置(1)，其中第一液体(A)是电敏液体。
5.权利要求4所述的装置(1)，其中光学器件(10)还包含和第一液体(A)导电接触的电极结构(11，12)，并且装置(1)还包含和电极结构(11，12)耦合的驱动电路(40)。
6.权利要求3-5中任何一个所述的装置(1)，其中第二液体(B)包含油的混合物。
7.权利要求3-6中任何一个所述的装置(1)，其中计算装置包括用于存储校准数据的存储元件，该计算装置被设置成利用校准数据计算取向。
8.权利要求3-7中任何一个所述的装置(1)，还包括位于光学器件(10)前面的光源(50)。
9.权利要求8所述的装置(1)，其中光源(50)是可移动的。
10.权利要求3所述的装置，其中加速力是重力。
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