DE102019210508A1 - Optical sensor module and method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Optisches Sensormodul (1), insbesondere für ein Fahrzeug, umfassend unter anderem ein Gehäuse (1b), ein Objektiv, einen Imager (7), eine Blende, eine Steuereinheit sowie eine Linsenanordnung (1a) mit einem einstellbaren Linsenelement (2), wobei eine Dioptrienzahl des einstellbaren Linsenelements (2) mittels der Steuereinheit anpassbar ist.The invention relates to an optical sensor module (1), in particular for a vehicle, comprising, inter alia, a housing (1b), an objective, an imager (7), a diaphragm, a control unit and a lens arrangement (1a) with an adjustable lens element (2 ), wherein a diopter number of the adjustable lens element (2) can be adjusted by means of the control unit.
Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Sensormodul mit einem einstellbaren Linsenelement sowie ein Verfahren zum Anpassen eines einstellbaren Linsenelements.The invention relates to an optical sensor module with an adjustable lens element and a method for adapting an adjustable lens element.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der Druckschrift
Bei den genannten Druckschriften wird die Fokussierungsebene der Kamera verändert, um sich an verschiedene Objektweiten anzupassen. Die genannten Systeme sind zudem aktiv ausgestaltet.In the cited publications, the focal plane of the camera is changed in order to adapt to different object widths. The systems mentioned are also actively designed.
Nachteilig bei diesen Systemen ist, dass bei aktiven Systemen ständig Rechenleistung benötigt wird, da sich diese Systeme jedes Mal anpassen, wenn sich die Szene vor der Kamera ändert.A disadvantage of these systems is that active systems constantly require computing power, since these systems adapt each time the scene in front of the camera changes.
Weiter ist bekannt den Bereich einer Erhöhung der Schärfentiefe eines Bildes, insbesondere wenn sich der Imager aus der Fokusebene der Linse bewegt, durch die Auswahl einer kleineren Blendenöffnung bzw. einer größeren f-Zahl der Linse zu erhöhen. It is also known to increase the range of an increase in the depth of field of an image, in particular when the imager moves out of the focal plane of the lens, by selecting a smaller aperture or a larger f-number of the lens.
Nachteilig hierbei ist, dass durch die Auswahl einer kleineren Blendenöffnung die Lichtdurchlässigkeit des gesamten Linsensystems reduziert wird. Aufgrund der kleineren Apertur wird die Größe des Beugungsscheibchens vergrößert, was die theoretisch erreichbare maximale Schärfe des Linsensystems verringert.The disadvantage here is that the light transmission of the entire lens system is reduced by the selection of a smaller aperture. Due to the smaller aperture, the size of the diffraction disk is increased, which reduces the theoretically achievable maximum sharpness of the lens system.
Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein optisches Sensormodul sowie ein Verfahren bereitzustellen, welches eine gleichbleibende Bildqualität gewährleistet.It is accordingly an object of the present invention to provide an optical sensor module and a method which ensures a constant image quality.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 7 gelöst.This object is achieved by the subject matter of
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations and embodiments are the subject of the subclaims.
Im Zuge der Erfindung wurde festgestellt, dass insbesondere Temperaturänderungen zu ungewollten Auswirkungen in einem Sensormodul führen können, wodurch sich die Bildqualität verschlechtern kann. Weitere Überlegungen waren dahingehend, dass zum Ausgleich der verschlechterten Bildqualität beispielsweise bestimmte Parameter des Sensormoduls angepasst werden müssenIn the course of the invention, it was found that temperature changes in particular can lead to undesired effects in a sensor module, which can worsen the image quality. Further considerations were that to compensate for the deteriorated image quality, for example, certain parameters of the sensor module must be adapted
Erfindungsgemäß wird daher ein optisches Sensormodul, insbesondere für ein Fahrzeug, vorgeschlagen, umfassend unter anderem ein Gehäuse, ein Objektiv, einen Imager, eine Blende, eine Steuereinheit sowie eine Linsenanordnung mit einem einstellbaren Linsenelement, wobei die Dioptrienzahl des einstellbaren Linsenelements mittels der Steuereinheit anpassbar ist.According to the invention, therefore, an optical sensor module, in particular for a vehicle, is proposed, comprising, inter alia, a housing, an objective, an imager, a diaphragm, a control unit and a lens arrangement with an adjustable lens element, the dioptric number of the adjustable lens element being adjustable by means of the control unit .
Bei dem optischen Sensormodul kann es sich insbesondere um eine Frontkamera oder um eine Surroundview-Kamera eines Fahrzeugs handeln.The optical sensor module can in particular be a front camera or a surround view camera of a vehicle.
Die Steuereinheit umfasst dabei unter anderem eine Recheneinheit sowie eine Steuerelektronik. Mittels der Recheneinheit können Daten verarbeitet und überwacht werden.The control unit includes, among other things, a computing unit and control electronics. The computing unit can be used to process and monitor data.
Die Steuerelektronik der Steuereinheit steuert die angelegte Spannung und/oder den angelegten Strom an dem einstellbaren Linsenelement, um je nach Linsenelement die Dioptrienzahl entsprechend anzupassen. Durch die Anpassung der Dioptrienzahl können in vorteilhafter Weise auftretende Brechungsfehler bzw. Bildlagefehler ausgeglichen und somit eine gute Bildqualität gewährleistet werden.The control electronics of the control unit controls the applied voltage and / or the applied current to the adjustable lens element in order to adjust the number of diopters accordingly, depending on the lens element. By adapting the number of dioptres, refractive errors or image position errors that occur can be compensated for in an advantageous manner and thus good image quality can be guaranteed.
Das einstellbare Linsenelement ist dabei ein zusätzliches Element, welches in die Linsenanordnung eingebracht wird.The adjustable lens element is an additional element which is introduced into the lens arrangement.
Grundsätzlich gilt, dass die Apertur der Linse über die Tiefenschärfe (Depth of Focus) den Temperaturbereich bestimmt, in dem das Kameramodul noch ein akzeptabel scharfes Bild liefert. Hierbei gilt vereinfacht die Relation: je kleiner die Apertur, desto größer der Temperaturbereich akzeptabler Schärfe, aber auch desto kleiner die transmittierte Lichtenergie pro Zeit. Eine Vergrößerung der Apertur würde die Transmission der Lichtenergie pro Zeit erhöhen und somit kürzere Integrationszeiten bei gleichem Signal-zu-Rauschen erlauben, aber zur gleichen Zeit auch den Temperaturbereich akzeptabler Schärfe verringern. Durch das einstellbare Linsenelement jedoch, kann vorteilhafterweise eine optimale Punktspreizfunktion für jeden Temperaturbereich erzielt werde, unabhängig davon wie die Größe der Apertur gewählt wurde. Weiterhin wird durch das einstellbare Linsenelement die optische Designfreiheit im Modul vergrößert und vereinfacht, beispielsweise die Optimierung eines Kameramoduls für schwaches Licht (Low Light), was im Automotivebereich einem der kritischsten Use-Cases entspricht.Basically, the aperture of the lens via the depth of focus determines the temperature range in which the camera module still delivers an acceptably sharp image. The following applies in a simplified manner: the smaller the aperture, the larger the temperature range of acceptable sharpness, but also the smaller the transmitted light energy per time. An enlargement of the aperture would increase the transmission of the light energy per time and thus allow shorter integration times with the same signal-to-noise, but at the same time also reduce the temperature range of acceptable sharpness. With the adjustable lens element, however, an optimal point spreading function can advantageously be achieved for each temperature range, regardless of how the size of the aperture was selected. Furthermore, the adjustable lens element increases and simplifies the optical design freedom in the module, for example the optimization of a camera module for low light, which is one of the most critical use cases in the automotive sector.
Weiter ist besonders bevorzugt die Steuereinheit dazu ausgestaltet Temperaturdaten des optischen Sensormoduls von einem Temperatursensor zu empfangen und zu überwachen. Denkbar wäre auch, dass die Bilddaten und deren Bildschärfe bzw. deren Veränderung überwacht wird. Hierdurch könnte eine indirekte Temperaturmessung basierend auf der durch die Temperatur induzierten Bildunschärfe erfolgen.Furthermore, the control unit is particularly preferably designed to receive and monitor temperature data of the optical sensor module from a temperature sensor. It would also be conceivable that the image data and their image sharpness or their change is monitored. This could result in an indirect temperature measurement based on the image blurring induced by the temperature.
Dies ist vorteilhaft, da das Sensormodul bei einer bestimmten Temperatur produziert wird. Ändert sich die Umgebungstemperatur im Betrieb wird es bei Über- oder Unterschreiten dieser bestimmten Temperatur zu mechanischen Veränderungen in bzw. an dem Modul kommen, wodurch sich die Position des Imagers gegenüber der Fokusebene verändert.This is advantageous because the sensor module is produced at a certain temperature. If the ambient temperature changes during operation, mechanical changes will occur in or on the module when this specific temperature is exceeded or not reached, as a result of which the position of the imager relative to the focal plane changes.
Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit weiter dazu ausgestaltet einen Wert für einen Versatz einer Objektivfokusebene und einer Bildsensorebene basierend auf den Temperaturdaten zu bestimmen.The control unit is particularly preferably further designed to determine a value for an offset of an objective focus plane and an image sensor plane based on the temperature data.
Durch eine sehr hohe oder eine sehr niedrige Temperatur kommt es zu einer Expansion oder eine Kontraktion des gesamten Sensormoduls. Dadurch entsteht ein Versatz zwischen der Objektivfokusebene und der Bildsensorebene, was wiederum zu Bildlagefehlern und einem unscharfen Bild führt.A very high or a very low temperature results in an expansion or contraction of the entire sensor module. This creates an offset between the lens focus plane and the image sensor plane, which in turn leads to image position errors and a blurred image.
Die Steuereinheit kann den Versatz beispielsweise basierend auf den Temperaturdaten und Materialdaten etc. berechnen. Denkbar wäre auch, dass die Steuereinheit einen Wert für den Versatz aus einer Nachschlagetabelle (Look-up table) abruft, wobei jeder Temperatur bzw. einer bestimmten Temperaturspanne ein Wert für den Versatz zugeordnet ist. Diese Lösung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da diese besonders leistungssparend und wenig rechenintensiv ist.The control unit can calculate the offset based on the temperature data and material data, etc., for example. It would also be conceivable that the control unit retrieves a value for the offset from a look-up table, a value for the offset being assigned to each temperature or a specific temperature range. This solution is particularly advantageous because it is particularly power-saving and not very computationally intensive.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist durch die anpassbare Dioptrienzahl des einstellbaren Linsenelement der Versatz der Objektivfokusebene und der Bildsensorebene ausgleichbar.In a further preferred embodiment, the offset of the lens focus plane and the image sensor plane can be compensated for by the adjustable number of diopters of the adjustable lens element.
Es wird entsprechend eine geeignete Dioptrienzahl berechnet, welche den Versatz ausgleichen kann und somit auch den Bildlagefehler ausgleicht, um die gewünschte Bildqualität bzw. Bildschärfe zu erhalten. Nach der Berechnung der Dioptrienzahl wird das einstellbare Linsenelement entsprechend von der Steuerelektronik angesteuert.A suitable number of dioptres is calculated accordingly, which can compensate for the offset and thus also compensate for the image position error in order to obtain the desired image quality or image sharpness. After calculating the number of diopters, the adjustable lens element is activated accordingly by the control electronics.
Bevorzugt ist das einstellbare Linsenelement eine Flüssiglinse, eine Polymer-Linse, eine Flüssigkristalllinse oder eine mechanisch bewegbare Linse.The adjustable lens element is preferably a liquid lens, a polymer lens, a liquid crystal lens or a mechanically movable lens.
Bei einer Flüssigkristalllinse kann beispielsweise durch das Anlegen einer Spannung die Ausrichtung der Flüssigkristalle geändert werden. Dadurch lässt sich beispielsweise die Brechkraft der Linse ändern. Flüssiglinsen bestehen in der Regel aus zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten, welche nicht miteinander mischbar sind, welche aber eine möglichst gleiche Dichte aber unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Durch anlegen einer Spannung kann über den Effekt der Elektrobenetzung der Kontaktwinkel eines Tropfens an einem Kammerfenster der Linse und somit die Brennweite verändert werden. Eine Polymer-Linse besteht aus einer elastischen Polymer-Membran in welcher sich eine optische Flüssigkeit befindet. Durch Zu- bzw. Abführen der Flüssigkeit lässt sich der Fokusbereich der Linse ändern. In the case of a liquid crystal lens, the alignment of the liquid crystals can be changed, for example, by applying a voltage. This allows the refractive power of the lens to be changed, for example. Liquid lenses usually consist of two different liquids which cannot be mixed with one another, but which have the same density as possible but different refractive indices. By applying a voltage, the contact angle of a drop on a chamber window of the lens and thus the focal length can be changed via the effect of electrowetting. A polymer lens consists of an elastic polymer membrane in which an optical liquid is located. The focal area of the lens can be changed by adding or removing the liquid.
Weiter ist das einstellbare Linsenelement bevorzugt in eine Blendenöffnung einbringbar. Das einstellbare Linsenelemnt wird dabei in der Position der Blende entlang der optischen Achse in das Linsensystem eigebracht. Weiter kann das einstellbare Linsenelement bevorzugt in die Ebene der Aperturblende des Linsensystems eingebracht werden. Die Position der Blendenebene ist vorteilhaft, da hier Brennweitenänderungen des einstellbaren Linsenelements keine bzw. nur geringe Auswirkung auf die Bildgröße haben.Furthermore, the adjustable lens element can preferably be introduced into a diaphragm opening. The adjustable lens element is introduced into the lens system in the position of the diaphragm along the optical axis. Furthermore, the adjustable lens element can preferably be introduced into the plane of the aperture stop of the lens system. The position of the diaphragm plane is advantageous because here changes in the focal length of the adjustable lens element have little or no effect on the image size.
Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren zum Anpassen eines einstellbaren Linsenelements für ein optisches Sensormodul mit den folgenden Schritten vorgeschlagen:
- - Erfassen von Temperaturdaten eines optischen Sensormoduls mittels eines Temperatursensors,
- - Bestimmen eines Versatzes einer Objektivfokusebene und einer Bildsensorebene mittels einer Steuereinheit basierend auf den Temperaturdaten,
- - Anpassen einer Dioptrienzahl des einstellbaren Linsenelements mittels der Steuereinheit zum Ausgleich des Versatzes.
- - Acquisition of temperature data from an optical sensor module using a temperature sensor,
- - Determination of an offset of an objective focus plane and an image sensor plane by means of a control unit based on the temperature data,
- Adaptation of a diopter number of the adjustable lens element by means of the control unit to compensate for the offset.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird nach der Berechnung des Versatzes der Objektivfokusebene und der Bildsensorebene die zum Ausgleich des Versatzes geeignete Diotprienzahl mittels der Steuereinheit bestimmt. Hierfür werden Algorithmen verwendet, welche die Kantenübergänge auf Ihre Schärfe hin untersuchen und somit Rückschlüsse auf die Schärfe des Bildes ziehen. Durch kleine Anpassungen der Flüssiglinse werden diese Übergänge dann schärfer oder weicher, was der Recheneinheit als Indiz für die Regelungsrichtung dient. Der Algorithmus regelt so lange, bis eine optimale Schärfe der Übergänge erreicht ist.In a preferred embodiment of the method, after the offset of the lens focus plane and the image sensor plane has been calculated, the number of diopters suitable for compensating for the offset is determined by means of the control unit. For this, algorithms are used which examine the edge transitions for their sharpness and thus draw conclusions about the sharpness of the image. By making small adjustments to the liquid lens, these transitions become sharper or softer, which the computing unit serves as an indication of the control direction. The algorithm regulates until an optimal sharpness of the transitions is achieved.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Dioptrienzahl über eine Analyse der Bilddaten bestimmt.In a further preferred embodiment, the number of diopters is determined by analyzing the image data.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen du Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen. Gleiche Merkmale oder Bestandteile wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nur einmalig mit den jeweiligen Bezugszeichen versehen.Further advantageous configurations du embodiments emerge from the drawings. For the sake of clarity, the same features or components have only been given the respective reference symbols once.
Darin zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Linsenanordnung gemäß einer Ausführungsform des Sensormoduls; -
2 eine weitere schematische Darstellung einer Linsenanordnung gemäß einer Ausführungsform des Sensormoduls; -
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Sensormoduls, -
4 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens.
-
1 a schematic representation of a lens arrangement according to an embodiment of the sensor module; -
2 a further schematic representation of a lens arrangement according to an embodiment of the sensor module; -
3 a schematic representation of an embodiment of the sensor module, -
4th a schematic flow diagram of an embodiment of the method.
In
In der ersten Variante
In der Variante
In Variante
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- SensormodulSensor module
- 1a1a
- LinsenanordnungLens assembly
- 1b1b
- Gehäusecasing
- 22
- einstellbares Linsenelementadjustable lens element
- 33
- vorderer Teil der Linsenanordnungfront part of the lens assembly
- 44th
- hinterer Teil der Linsenanordnungrear part of the lens assembly
- 55
- VersatzOffset
- 66th
- LichtstrahlenRays of light
- 77th
- ImagerImager
- 88th
- Punktspreizfunktion PSFPoint spread function PSF
- 8a8a
- Wert der Punktspreizfunktion PSFValue of the point spread function PSF
- 99
- Wert für eine akzeptable SchärfeValue for acceptable sharpness
- BEBE
- BildsensorebeneImage sensor level
- OEOE
- ObjektivfokusebeneLens focus plane
- TT
- Temperaturtemperature
- I-IIII-III
- SzenarienScenarios
- A-CA-C
- Variantenvariants
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102015205076 A1 [0002]DE 102015205076 A1 [0002]
- DE 102015205077 B4 [0002]DE 102015205077 B4 [0002]
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