DE102004033649A1

DE102004033649A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Einstellen einer Orientierung eines Detektorelements einer elektromagnetischen Strahlung und Kamera mit der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102004033649A1
Application number: DE102004033649A
Authority: DE
Inventors: Markus Hermsen; Carsten Dr. Schuh; Thorsten Dr. Steinkopff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2006-02-09
Also published as: WO2006005657A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Einstellen (7) einer Orientierung eines Detektorelements (2) einer elektromagnetischen Strahlung (5) zur Quelle (4) der elektromagnetischen Strahlung, aufweisend mindestens ein Piezoelement (3) mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten, elektrisch ansteuerbaren Segmenten (30), wobei das Detektorelement und das Piezoelement derart aneinander angeordnet sind, dass eine elektrische Ansteuerung der Segmente des Piezoelements das Einstellen der Orientierung des Detektorelements zur Quelle der Strahlung bewirkt. Verwendung findet die Vorrichtung in hoch auflösenden, miniaturisierten Kameras. Diese Kameras werden in mobilen Endgeräten, beispielsweise Mobilfunktelefonen, eingesetzt. Derartige Kameras kommen auch in der Automobiltechnik oder in der Medizintechnik zum Einsatz.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Einstellen einer Orientierung eines Detektorelements einer elektromagnetischen Strahlung zur Quelle der elektromagnetischen Strahlung. Daneben wird eine Kamera mit der Vorrichtung angegeben.

Aus der DE 102 01 877 C1 ist eine fokussierbare Kamera zum Erzeugen eines Bildes bekannt. Die Kamera besteht im Wesentlichen aus einer Linse, einem Detektorelement zum erfassen elektromagnetischer Strahlung und einem Piezoelement. Die Linse kann als Quelle der elektromagnetischen Strahlung angesehen werden. Mit Hilfe des Detektorelements wird die elektromagnetische Strahlung, die die Linse passiert, in das Bild umgewandelt.

Das Detektorelement weist eine Bildebene auf. Durch die Linse wird die elektromagnetische Strahlung auf die Bildebene des Detektorelements projiziert. Zur Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung wird der Abstand zwischen der Linse und der Bildebene des Detektorelements verändert. Dazu sind das Detektorelement und das Piezoelement derart aneinander angeordnet, dass eine elektrische Ansteuerung des Piezoelements zu einer relativen Bewegung der Bildebene des Detektorelements zur Linse führt.

Zur Erhöhung einer Bildqualität ist aber nicht nur eine Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung auf die Bildebene des Detektorelements notwendig. Die Bildqualität hängt auch von der Ausrichtung der Bildebene zur Quelle der elektromagnetischen Strahlung ab Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der nicht nur eine Fokussierung einer Bildebene eines Detektorelements, sondern auch eine Ausrichtung der Bildebene des Sensorelements und der Quelle der elektromagnetischen Strahlung zueinander auf einfache und kostengünstige Weise zu erreichen ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zum Einstellen einer Orientierung eines Detektorelements einer elektromagnetischen Strahlung zur Quelle der elektromagnetischen Strahlung angegeben, aufweisend mindestens ein Piezoelement mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten, elektrisch ansteuerbaren Segmenten, wobei das Detektorelement und das Piezoelement derart aneinander angeordnet sind, dass eine elektrische Ansteuerung der Segmente des Piezoelements das Einstellen der Orientierung des Detektorelements zur Quelle der Strahlung bewirkt.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Einstellen einer Orientierung eines Detektorelements zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung zur Quelle der elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung der Vorrichtung angegeben, wobei die Segmente des Piezoelements elektrisch angesteuert werden, so dass die Segmente unterschiedlich ausgelenkt werden und dadurch das Einstellen der Orientierung des Detektorelements bewirkt wird.

Das Detektorelement ist ein Mittel, mit dem die elektromagnetische Strahlung erfasst und in ein Bild umgewandelt wird. Dieses Mittel kann ein Film oder eine Photoplatte sein. Vorzugsweise weist das Detektorelement einen CCD(Charge Coupled Device)-Chip für die Aufnahme digitaler Bilder auf. Die elektromagnetische Strahlung ist beispielsweise sichtbares Licht. Denkbar ist auch nichtsichtbares Licht, beispielsweise Infrarotlicht.

Das Piezoelement besteht aus einer Elektrodenschicht, einer weiteren Elektrodenschicht und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht. Bei der elektrischen Ansteuerung des Piezoelements bzw. bei der elektrischen Ansteuerung der Elektrodenschichten des Piezoelements kommt es zur Auslenkung der piezoelektrischen Schicht und damit zur Auslenkung des Piezoelements. Aufgrund der Auslenkung des Piezoelements wird eine Bewegung des Detektorelements hervorgerufen. Das Piezoelement ist derart segmentiert, dass in den Segmenten durch die elektrische Ansteuerung der Elektroden unterschiedliche Auslenkungen hervorgerufen werden. Bei einer geeigneten Anordnung des Detektorelements und des Piezoelements aneinander kommt es aufgrund der unterschiedlichen Auslenkungen der Segmente des Piezoelements zu einer Verkippung des Detektorelements und damit zu einer Verkippung der Bildebene des Detektorelements. Die Orientierung des Detektorelements zur Quelle der elektromagnetischen Strahlung wird verändert.

Um eine unterschiedliche Auslenkung der Segmente zu erzielen, ist es denkbar, dass die Segmente des Piezoelements unterschiedlich ausgebildet sind. Dies Betrifft beispielsweise Größe und Form einer Grundfläche der Segmente.

Vorzugsweise sind die Segmente zum Erzielen unterschiedlicher Auslenkungen elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar. Die Elektrodenschichten der Segmente sind elektrisch voneinander isoliert. Dies bedeutet, dass die Elektrodenschichten der einzelnen Segmente mit unterschiedlichen Ansteuerspannungen beaufschlagt werden. In diesem Fall können die piezoelektrischen Schichten der Segmente aus dem gleichen piezoelektrischen Material bestehen. Ebenso können Segmente eine gleiche Form aufweisen.

In einer besonderen Ausgestaltung ist das Piezoelement ein piezoelektrischer Biegewandler. Der Biegewandler ist beispielsweise ein zweischichtiger Biegewandler, bei der eine piezoelektrisch aktive und eine piezoelektrisch inaktive Schicht fest miteinander verbunden sind. Denkbar ist auch ein Biegewandler, bei dem mehrere piezoelektrisch aktive Schichten mit unterschiedlichen Auslenkcharakteristiken miteinander verbunden sind. Der Vorteil von Biegewandlern besteht darin, dass relativ große Auslenkungen im μm-Bereich (1 μm bis 100 μm) erzielt werden können.

Der Biegewandler kann eine beliebige Form aufweisen. Beispielsweise weist der Biegewandler eine dreieckige, viereckige, quadratische und kreisförmige Grundfläche auf. Entscheiden ist, dass der Biegewandler segmentiert ist. Die Form der Segmente ist dabei, wie beim Biegewandler selbst, beliebig. Auch die Segmente können dreieckig, viereckig oder rund sein.

Für die piezoelektrische Schicht bzw. die piezoelektrischen Schichten sind beliebige organische und anorganische piezoelektrische Materialien denkbar. In einer besonderen Ausgestaltung weist das Piezoelement mindestens eine piezoelektrisch aktive Schicht mit piezokeramischem Material auf. Das piezokeramische Material ist beispielsweise ein Bleizirkonattitanat (PZT).

Bei einem Piezoelement, beispielsweise dem zweischichtigen Biegewandler können die einzelnen Schichten miteinander verklebt sein. In einer besonderen Ausgestaltung ist das Piezoelement aber monolithisch. Das Piezoelement ist einstückig. Zum Herstellen des Piezoelements werden die piezokeramische Schicht, die Elektrodenschichten und die piezoelektrisch inaktive Schicht (oder weitere piezoelektrisch aktive Schichten) miteinander zu einem monolithischen Körper gesintert. Dabei wird vorteilhaft die piezokeramische Schicht der Segmente von einer einzigen, gemeinsamen piezokeramischen Schicht gebildet. Die Segmentierung erfolgt durch eine Strukturierung mindestens einer der Elektrodenschichten. Es können aber auch alle vorhandenen Elektrodenschichten strukturiert sein.

Um durch die unterschiedlich erzielbare Auslenkung der Segmente eine Verkippung des Detektorelements zu erzielen, sind das Detektorelement und das Piezoelement beispielsweise über ein punktförmiges Verbindungsmittel miteinander verbunden. Punktförmig bedeutet dabei, ein Ausmaß (laterale Ausdehnung) des Verbindungsmittels im Vergleich zum Ausmaß des Detektorelements und/oder des Piezoelements klein ist. Es resultiert eine kleine, punktförmige Verbindungsfläche zwischen Piezoelement und Detektorelement. Denkbar ist auch eine kreisförmige Verbindungsfläche mit kleinem Kreisdurchmesser (im Vergleich zu den Ausmaßen des Detektorelements und des Sensorelements). Das Verbindungsmittel ist beispielsweise ein Tropfen eines organischen Klebstoffs. Bei einem piezokeramischen Biegewandler ist insbesondere Glas als Verbindungsmittel denkbar.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Kamera mit der beschriebenen Vorrichtung angegeben. Die Kamera ist insbesondere eine miniaturisierte Kamera, wie sie beispielsweise in mobilen Endgeräten eingesetzt wird. Das mobile Endgerät ist beispielsweise ein Mobilfunktelefon. Miniaturisierte Kameras finden aber auch in der Medizintechnik oder in der Automobiltechnik Anwendung. Beispielsweise werden miniaturisierte Kameras für die Realisierung von Einparkhilfen verwendet.

Durch die Erfindung ist nach dem Zusammensetzen der Kamera nicht nur eine einfache Fokussierung der Optik der Kamera möglich. Ebenso ist eine einfache Orientierung der Bildebene des Detektorelements in der Kamera möglich. Das Einstellen der Orientierung kann nach dem Einbau der bildgebenden Elemente (Linse) und des Detektorelements mit dem Piezoelement erfolgen. Dies kann ein einmaliger Vorgang nach dem Einbau der Elemente in das Kameragehäuse sein. Denkbar ist aber auch, dass das Einstellen der Orientierung (neben der Fokussierung) mehrmals durchgeführt wird. Dies kann insbesondere dann notwendig sein, wenn sich die Orientierung des Detektorelements zur Quelle der Strahlung ändert. Die Änderung der Orientierung wird beispielsweise durch eine Erschütterung der Kamera hervorgerufen. Um die Qualität der mit der Kamera erzeugbaren Bilder aufrecht zu erhalten, wird daher in einer besonderen Ausgestaltung das Einstellen der Orientierung wiederholt durchgeführt.

Die Orientierung des Detektorelements zur Quelle der elektromagnetischen Strahlung kann durch einmalige Ereignisse verändert werden. Denkbar ist aber auch, dass die Orientierung generell von äußeren Einflüssen bzw. von einem Zustand der Kamera oder von einem Zustand der Bestandteile der Kamera abhängen. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird daher ein Wert einer Zustandsgröße der Vorrichtung und/oder einer Umgebung der Vorrichtung erfasst und in Abhängigkeit vom Wert der Zustandsgröße eine Ansteuerspannung ausgewählt, mit der die Segmente des Piezoelements angesteuert werden. Die Zustandsgröße ist beispielsweise die Temperatur der Kamera. Beispielsweise werden bei einem zweischichtigen Biegewandler unterschiedliche Materialien verwendet, die sich in der Regel durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auszeichnen. Somit verändert sich die Auslenkung der Segmente in Abhängigkeit von der Temperatur. Es resultiert eine Temperaturabhängigkeit der Orientierung des Detektorelements. Um diesen Einfluss zu eliminieren, kann für das Piezoelement eine Temperatur-Auslenkungskennlinie aufgenommen werden. Diese Kennlinie wird mit den Ansteuerspannungen verknüpft, mit der die Segmente des Piezoelements angesteuert werden müssen, um eine bestimmte Orientierung zustellen. Sowohl die Kennlinie als auch die für die Auslenkungen benötigten Ansteuerspannung werden elektronisch gespeichert. Um eine bestimmte Orientierung des Detektorelements bei einer bestimmten Temperatur zu erzielen, wird in einem ersten Schritt die Temperatur der Kamera erfasst und in einem zweiten Schritt eine notwendige Ansteuerspannung ausgewählt, mit der das Piezoelement angesteuert wird. Somit ist gewährleistet, dass eine bestimmte Orientierung des Detektorelements unabhängig von der Temperatur der Kamera erreicht wird.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:

– Mit der Erfindung ist nicht nur eine Fokussierung, sondern auch eine Orientierung einer Bildebene eines Detektorelements für elektromagnetische Strahlung möglich.
– Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf einfache Weise realisiert werden.
– Durch den geringen Energie- und Platzbedarf eignet sich die Vorrichtung zum Einstellen der Orientierung des Detektorelements vorzüglich zur Anwendung in miniaturisierten Kameras.
– Mit der Erfindung sind hoch auflösende Autofokus(Zoom)-Kameras zugänglich.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

1 zeigt eine Vorrichtung zum Einstellen einer Orientierung eines Detektorelements einer elektromagnetischen Strahlung zur Quelle der elektromagnetischen Strahlung in einem seitlichen Querschnitt.

2 zeigt ein segmentiertes Piezoelement von oben.

3 zeigt ein weiteres segmentiertes Piezoelement von oben.

4 zeigt ein segmentiertes Piezoelement in einem seitlichen Querschnitt.

5 zeigt ein weiteres segmentiertes Piezoelement in einem seitlichen Querschnitt.

6 zeigt eine Kamera in einem seitlichen Querschnitt.

Gegeben ist eine Vorrichtung 1 zum Einstellen einer Orientierung eines Detektorelements 2 einer elektromagnetischen Strahlung 5 zur Quelle 4 der elektromagnetischen Strahlung (1).
Das Detektorelement 2 weist einen CCD-Chip auf, der die Bildebene 21 des Detektorelements bildet.
Das Piezoelement 3 ist ein segmentierter, zweischichtiger Biegewandler. Der Biegewandler ist ein monolithischer, piezokeramischer Biegewandler. Zwischen den Elektrodenschichten 33 des Biegewandlers ist eine piezoelektrisch aktive Schicht 31 aus Bleizirkonattitanat (4 und 5) vorhanden. Darüber hinaus verfügt der Biegewandler über eine piezoelektrisch inaktive Schicht 32. Die piezoelektrisch inaktive Schicht ist fest mit den weiteren Schichten des Biegewandlers verbunden und besteht aus einer piezoelektrisch inaktiven Keramik.
Durch die elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten 33 des Biegewandlers kommt es zur Auslenkung des Piezoelements. Aufgrund der festen Verbindung zwischen der piezoelektrisch inaktiven Schicht mit den weiteren Schichten des Biegewandlers kommt es zu einer Verbiegung des Biegewandlers.
Der Biegewandler verfügt über mehrere Segmente 30. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Grundfläche des Biegewandlers quadratisch (2). Die Segmente des Biegewandlers sind ebenfalls quadratisch.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Grundfläche des Biegewandlers dreieckig (3). Die Segmente des Biegewandlers sind ebenfalls quadratisch.
Die Segmente des Biegewandlers sind elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbar. Dies bedeutet, dass in die Bereiche der piezoelektrisch aktiven Schicht der Segmente voneinander unterschiedliche elektrische Felder eingekoppelt werden können. Aufgrund der unterschiedlichen elektrischen Felder kommt es zu unterschiedlichen Auslenkungen der Segmente. Gemäß einer ersten Ausführungsform verfügen die Segmente eine gemeinsame untere Elektrodenschicht (4). Die oberen Elektrodenschichten sind voneinander isoliert und können mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen beaufschlagt werden. Im Unterschied dazu sind gemäß einer alternativen Ausführungsform auch die unteren Elektrodenschichten elektrisch voneinander isoliert (5).
Um eine Verkippung der Bildebene des Detektorelements zu erzielen, sind das Detektorelement und das Piezoelement punktförmig miteinander verbunden. Dies gelingt durch einen erstarrten Glastropfen als Verbindungsmittel 23 (1 und 6).
Verwendung findet die Vorrichtung 1 in einer Kamera 6 (6). Die Kamera ist eine miniaturisierte, hoch auflösende Autofokus-Kamera eines Mobilfunktelefons. Die Kamera weist ein Gehäuse 6 auf. Mit dem Gehäuse über ein Gestell 62 ist eine Linse 63 fest verbunden. Durch das Fenster 61 gelangt elektromagnetische Strahlung zur Linse und wird von dort auf die Bildebene des CCD-Chips fokussiert. Wahlweise kann noch ein Frequenzfilter 64, beispielsweise ein Infrarotfilter, vorgesehen sein.

Claims

Vorrichtung (1) zum Einstellen (7) einer Orientierung eines Detektorelements (2) einer elektromagnetischen Strahlung (5) zur Quelle (4) der elektromagnetischen Strahlung, aufweisend – mindestens ein Piezoelement (3) mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten, elektrisch ansteuerbaren Segmenten (30), wobei – das Detektorelement und das Piezoelement derart aneinander angeordnet sind, dass – eine elektrische Ansteuerung der Segmente des Piezoelements das Einstellen der Orientierung des Detektorelements zur Quelle der Strahlung bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Segmente unabhängig voneinander angesteuert werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Piezoelement ein piezoelektrischer Biegewandler ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Piezoelement mindestens eine piezoelektrisch aktive Schicht mit piezokeramischem Material aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Piezoelement monolithisch ist.
Verfahren zum Einstellen einer Orientierung eines Detektorelements zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung zur Quelle der elektromagnetischen Strahlung unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Segmente des Piezoelements elektrisch angesteuert werden, so dass die Segmente unterschiedlich ausgelenkt werden und dadurch das Einstellen der Orientierung des Detektorelements bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Einstellen der Orientierung wiederholt durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Wert einer Zustandsgröße der Vorrichtung und/oder einer Umgebung der Vorrichtung erfasst wird und in Abhängigkeit vom Wert der Zustandsgröße eine Ansteuerspannung ausgewählt wird, mit der die Segmente des Piezoelements angesteuert werden.
Kamera mit einer Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5.