TW202146353A - 成像設備及攝像機系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種設備及一種攝像機系統。該設備包含：一成像螢幕，其經組態以漫射傳入光；及一透鏡系統，其經耦合至該成像螢幕且經組態以將來自該成像螢幕之光聚焦至一CMOS影像感測器上。該成像螢幕包含經熔合至一玻璃基板之一表面中之一陶瓷漫射體層，且該陶瓷漫射體層之一厚度係在約7 µm至10 µm之一範圍內。

Description

成像設備及攝像機系統
本發明大體上係關於攝像機系統，且更特定言之但非排他地關於用於攝像機系統之一薄陶瓷成像螢幕。
光學電路切換器(OCS)係光學電路切換網路之核心。一OCS包含引導光學信號進出耦合至該OCS之光纖之許多光學準直器。該OCS進一步包含一鏡陣列，該鏡陣列可為可將來自耦合至輸入準直器之個別光纖之光束選擇性引導至耦合至輸出準直器之選定光纖之一基於微機電系統(MEMS)之微鏡陣列。可使用一控制系統監測及校正輸入光纖與輸出光纖之間的最佳光纖耦合效率所需之MEMS鏡角度，該控制系統包含監測反射離開該MEMS鏡陣列之鏡之光之一攝像機系統。
根據標的技術之各項態樣，提供一種設備及一種攝像機系統。該設備包含：一成像螢幕，其經組態以漫射傳入光；及一透鏡系統，其耦合至該成像螢幕且經組態以將來自該成像螢幕之光聚焦至一CMOS影像感測器上。該成像螢幕包含熔合至一玻璃基板之一表面中之一陶瓷漫射體層，且該陶瓷漫射體層之一厚度係在約7 µm至10 µm之一範圍內。該陶瓷漫射體層之一熱膨脹係數(CTE)與該玻璃基板之一CTE值之間的差異在約8%內。 根據標的技術之另一態樣，攝像機系統係用於監測微機電系統(MEMS)鏡。該攝像機系統包含具有熔合至一玻璃基板之一第一表面中之一陶瓷漫射體層之一漫射體。攝像機系統進一步包含聚焦藉由該漫射體透射之光之一成像透鏡，及自該成像透鏡接收經聚焦光及產生電信號之一影像感測器。一處理器耦合至該影像感測器且經組態以基於該等電信號產生自MEMS鏡反射之光束之一影像。 應理解，熟習此項技術者將自以下詳細描述易於明白標的技術之其他組態，其中標的技術之各種組態係藉由圖解說明展示及描述。如將意識到，標的技術能夠用於其他及不同組態且其若干細節能夠進行各種其他方面之修改，以上全部未脫離標的技術之範疇。因此，圖式及詳細描述應被視為本質上具闡釋性而非限制性。
本文中揭示一種設備及一種攝像機系統。在一些實施方案中，該攝像機系統可用於監測一光學電路切換器之MEMS鏡之位置。在標的技術之一或多項態樣中，提供一種包含用於一攝像機系統之一熔合玻璃/陶瓷成像螢幕之設備。根據一些態樣，該設備包含：一成像螢幕，其經組態以漫射傳入光；及一透鏡系統，其耦合至該成像螢幕，經組態以將來自該成像螢幕之光聚焦至一CMOS成像感測器上。該成像螢幕包含熔合至一玻璃基板中之一陶瓷漫射體層。該陶瓷漫射體層在熱處理之後之厚度係在約7 µm至10 µm之一範圍內。 在一些實施方案中，在熱處理之前，陶瓷漫射體層包括包含墨水材料之一印刷層。該經印刷陶瓷材料可為含有鉍基玻璃料及具有包含二氧化矽(SiO2)、氧化鋅(ZnO)、三氧化二硼(B2O3)、氧化鈉(Na2O)及氧化鉍(BiO2)之主要組分之一無機白色顏料之一白色墨水。 成像螢幕包含(例如)在650度C至700度C之範圍內之一溫度下烘乾及窖燒之後熔合至玻璃基板中之印刷層。該玻璃基板可包含鹼石灰浮法玻璃，且陶瓷漫射體層之熱膨脹係數(CTE)之一值與該玻璃基板之CTE值之間的差異在約8%內。設備可進一步包含包圍成像螢幕之一不銹鋼外殼。玻璃基板之該CTE值與該不銹鋼外殼之該CTE值之間的差異在約7%內。 在一或多個實施方案中，成像螢幕經組態以在一預定義操作溫度範圍(例如，約-55度C至約150度C)內熱穩定以達成形成於CMOS感測器上之一影像之像素間分離之熱穩定性。成像螢幕可經組態以耐受預定義環境條件，其包含一預定義溫度範圍(例如，約-55度C至約150度C)、一預定義濕度範圍(例如，95%相對濕度)及曝露至沸水、紫外光及一或多個環境化學物。 圖1A至圖1B係繪示根據標的技術之一或多項態樣之使用一攝像機系統之一光學電路切換器(OCS) 100A之一實例性組態及該攝像機系統之一實例性成像螢幕100B之圖式。該OCS 100A係提供一光學切換矩陣之一光學電路切換器。該OCS 100A包含一第一準直器110-1及一第二準直器110-2 (一般為準直器110)及鏡陣列102-1及102-2 (一般為鏡陣列102)。各鏡陣列102包含多個(例如，在約128個與1000個之間)鏡。OCS 100A亦包含注射器120-1及120-2 (一般為注射器120)及一攝像機系統130，該攝像機系統130包含攝像機130-1及130-2 (一般為攝像機130)，該等攝像機130-1及130-2包含在該等攝像機130之前端中之成像螢幕132及附接至一印刷電路板之CMOS感測器134。輸入準直器110-1可包含耦合至(例如，在約128至1000之範圍中之)數目N個光纖之多個被動準直器。 輸入光穿過光纖進入準直器110。透射穿過各光纖之光包含一或多個光學波長(λi )。來自準直器110之輸出光係經提供至一組光纖，各光纖承載在該一或多個光學波長(λi )之光。準直器110-1及110-2可在結構上類似。一般而言，透過準直器110-1接收之光學信號係經引導離開準直器110-2，且透過準直器110-2接收之光係經引導離開準直器110-1。鏡陣列102係可將來自耦合至準直器110-1之個別光纖之光束選擇性引導至耦合至準直器110-2之選定光纖且反之亦然之基於微機電系統(MEMS)之微鏡陣列。 基於MEMS之微鏡陣列(在下文為「MEMS陣列」) 102之各者包含許多微鏡。該等MEMS陣列102之各微鏡之狀態可藉由在與MEMS陣列102中之各鏡相關聯之兩個電極之間施加一電壓加以控制。例如，藉由使MEMS陣列102中之鏡圍繞兩個垂直軸旋轉，來自耦合至第一準直器110-1之任何光纖之光可耦合至耦合至第二準直器110-2之任何光纖。因此，有利的是，OCS 100A之正確運作使MEMS陣列102之鏡之位置(例如)藉由一處理器140精確監測及控制。該處理器140可為一通用處理器、一微控制器或可程式化以監測及控制MEMS陣列102之鏡之位置之任何其他處理器。 OCS 100A利用兩個注射器(例如，120-1及120-2)，且包含用於監測MEMS陣列102之鏡之位置之攝像機130-1及130-2之一攝像機系統130。在一或多項態樣中，各注射器120係可將許多(例如，在約128個與1000個之間)小準直光束(在本文中被稱為小射束)照射於MEMS鏡之各者上之一850 nm雷射。來自注射器120之該等850 nm小射束經透射穿過第一二向色光束組合器114-1。來自第一準直器110-1之1310 nm輸入光係反射自該第一二向色光束組合器114-1。經組合之850 nm注射器小射束與1310 nm準直器光係自MEMS鏡陣列102-1反射至一個二向色光束分割器112上。在該二向色光束分割器112處，經透射之850 nm注射器小射束經引導至攝像機130-2，且經反射之1310 nm準直器光經引導至MEMS鏡陣列102-2。一第二二向色光束組合器114-2容許將藉由注射器120-2產生之850 nm小射束透射至MEMS鏡陣列102-2，而將源自於準直器110-1之1310 nm光反射至第二準直器110-2。當輸入光係來自第二準直器110-2時，組合器114-1與114-2之角色互換。藉由攝像機系統130形成的影像係由注射器120發射之自MEMS陣列102之鏡反射之小射束之用於量測鏡位置的影像。攝像機影像的光學效能特性包含陣列中之小射束之間的良好峰距、背景光的抑制、跨陣列的亮度均勻度，及對入射角之變化的不敏感度。此外，攝像機系統宜係以實質上高容量、低成本及環境上堅固對抗高溫(例如，高達約150度C)及濕度(例如，高達約95%相對濕度)來製造。為使攝像機(例如，130)達成上文提及之效能特性，一重大挑戰係設計及製造具有上文提及之所要特性之一些或全部之一合適攝像機成像螢幕。在一些實施方案中，標的技術可提供如本文中更詳細描述之此一成像螢幕。 圖1B描繪攝像機系統130之一實例性成像螢幕總成100B。該成像螢幕總成100B包含使用一玻璃(例如，一鹼石灰浮法玻璃)材料152接合至一外殼160 (例如，一不銹鋼外殼)之一成像螢幕150 (例如，圖1A之132)。該成像螢幕150包含經熔合至一玻璃基板中之一陶瓷漫射體層。該陶瓷漫射體層在熱處理之後之厚度係在約7 µm至10 µm之一範圍內。 在一些實施方案中，於熱處理之前，陶瓷漫射體層包括包含墨水材料之一印刷層，該墨水材料包含氧化鉍基之玻璃料及氧化物基顏料。成像螢幕包含(例如)在650度C至700度C之範圍內之一溫度下烘乾及窖燒之後被熔合至玻璃基板中的印刷層。該玻璃基板可包含鹼石灰浮法玻璃，且陶瓷漫射體層之熱膨脹係數(CTE)之一值與該玻璃基板之該CTE值之間的一差異在約8%至10%之一範圍內(例如，8.4%)。鹼石灰浮法玻璃之一CTE值與不銹鋼外殼之CTE值之間的差異在約5%至7%內(例如，6.7%)。在一些實施方案中，陶瓷漫射體層之一熱膨脹係數(CTE)具有在不銹鋼外殼之一CTE值之約10%至20%內之一值，且其中玻璃基板之一CTE值係在不銹鋼之CTE值之約6%至7%內。 圖2A至圖2C係繪示根據標的技術之一或多項態樣之一攝像機200A之一實例及圖1A之攝像機系統130之影像200B及200C之實例的圖式。該攝像機200A包含一起被安裝於一金屬(例如，不銹鋼)外殼中之一成像螢幕210、一光學模組(例如，一透鏡系統) 220，及一影像感測器230。該等影像感測器230、光學模組220，及成像螢幕210之間的各自距離係展示為D1、D2及D3。距離D1、D2及D3之值的實例範圍分別為約9 mm至10 mm、約10 mm至11 mm，及約71 mm至72 mm。光學模組220包含許多透鏡222且經適當設計以將穿過成像螢幕210之光聚焦至影像感測器230上。在一些態樣中，光學模組220之透鏡系統具有在約7 mm至9 mm之範圍內之一焦距，及在約F/2至F/3之範圍內之一F光圈值，且係藉由使用類似於圖1B之環氧樹脂152的環氧樹脂而被安裝至一不銹鋼外殼(其與圖1B之外殼160相同、為該外殼160之一部分或經耦合至該外殼160)的四個個別高折射率玻璃透鏡組成。在一些實施方案中，攝像機透鏡放大率係約 -0.112，此容許藉由來自成像螢幕(例如，210)之約50 µm至60 µm (例如，54 µm)之範圍內之一光點的光來照明CMOS感測器(例如，230)的(例如，在約5 µm至7 µm之範圍內的) 1像素。 在一些實施方案中，影像感測器230係此項技術之一般技術者已知之一CMOS影像感測器。在一些實施方案中，CMOS感測器(影像感測器)具有若干µm (例如，約5至約7µm，例如，6µm)之一像素大小，且附接至一印刷電路板總成(PCBA) (例如，圖1之134)。CMOS影像感測器可耦合至圖1之處理器140，該處理器140可處理該CMOS影像感測器之一輸出信號以判定一MEMS陣列(諸如圖1A之OCS 100A之MEMS陣列102)之鏡之位置。處理器140可為一通用處理器、一微控制器，或可程式化以處理CMOS影像感測器之輸出信號且基於此等信號促進控制光學電路切換器(例如，OCS 100A)之鏡之位置之任何其他處理器。 成像螢幕210係在本文中更詳細揭示之一漫射體層，而在一些實施方案中係經適當設計及製造以具有滿足或勝過以上提及之效能特性之一些或全部之特徵。在一些實施方案中，標的技術之漫射體係一玻璃上印刷陶瓷漫射體，其可提供所要小射束峰距、背景光之抑制、跨陣列之均勻亮度、對入射角之不敏感度、低成本、環境耐久性及可製造性之一或多者。該玻璃上印刷陶瓷漫射體可製造於具有在約300 mm x 300 mm至310 mm x 310 mm之範圍內之起始尺寸及在約3 mm至4 mm之一範圍內之一厚度之一玻璃基板(例如，鹼石灰浮法玻璃基板)上。在一些實施方案中，該玻璃基板包括低鐵鹼石灰浮法玻璃基板。鹼石灰浮法玻璃基板包括低鐵玻璃基板。該經印刷陶瓷材料可為含有鉍基玻璃料及具有包含二氧化矽(SiO2)、氧化鋅(ZnO)、三氧化二硼(B2O3)、氧化鈉(Na2O)及氧化鉍(BiO2)之主要組分之一無機白色顏料之一白色墨水。 墨水可藉由一印刷機濕潤施覆且接著經烘乾。在一些實施方案中，經烘乾墨水可在約650度C至700度C之範圍內之一溫度下窖燒以形成熔合至玻璃基板之一硬陶瓷層。在一些態樣中，墨水在經濕潤施覆時具有在約35 µm至45 µm之範圍內之一厚度且在烘乾之後在約10 µm至14 µm範圍內(例如，約12 µm厚)。在窖燒之後，陶瓷漫射體之最終厚度可在約7 µm至10 µm之範圍內。陶瓷漫射體在窖燒之後之CTE具有約8.5 +/- 0.3 ppm/K之一值，該值經良好匹配(例如，在約8.4%內)至鹼石灰浮法玻璃基板之CTE (例如，約9.28 ppm/K)，且該玻璃基板與不銹鋼外殼之CTE (9.9 ppm/K)差別少於約6.7%。在一些實施方案中，多個漫射體係經印刷至一較大玻璃板上，該較大玻璃板接著經薄化、拋光及切塊成具有在33 mm x 33 mm x 1.3 mm至37 mm x 37 mm x 1.7 mm之範圍內之近似尺寸之正方形以產生最終陶瓷漫射體。 標的技術之所揭示之經燒製之玻璃上陶瓷層係實質上在環境上堅固的且可耐受曝露至高溫(例如，約150度C)、濕度(例如，高達約95%相對濕度)及曝露至沸水、紫外光及化學物。使用標的技術之陶瓷漫射體之攝像機影像可具有一所要小射束峰距及背景光之抑制、跨陣列之均勻(例如，在5%內)亮度及對入射角之不敏感度。 圖2B中所展示之影像200B係CMOS影像感測器230上之如在一視訊監測器上觀看之一影像。該影像200B包含光點205，該等光點205之各者描繪經引導至鏡陣列102之一者中之MEMS鏡之一者上之一小射束之一影像。空白空間207可識別非功能性之一或多個MEMS鏡。 圖2C中所描繪之影像200C展示由圖1A之攝像機系統130獲取之一實例性影像。該影像200C係經放大以察看個別小射束之強度剖面的一部分影像，且沿著其右邊界及底邊界展示來自CMOS影像感測器(例如，圖2A之230)之包含諸如240及250之峰值的光學信號。峰值的位置(例如，形心峰值位置，諸如240及250)對隨著環境條件(諸如溫度及濕度)的變化保持穩定為重要的。如上文所闡釋，若一漫射體層未經適當設計及製造，則環境條件可不利地影響該漫射體層之功能性。CMOS影像信號中之一不穩定形心峰值位置可為成像螢幕之漫射體層之劣化之一指示。如影像200B中所展示之穩定形心峰值位置係可受標的技術之陶瓷漫射體層之高品質影響之光機械系統之整體穩定性之一指示。 圖3係繪示根據標的技術之一或多項態樣之製造圖1A之攝像機系統130之一成像螢幕之一實例性方法300之一流程圖。該方法300以製備一玻璃基板開始(310)，例如，具有約230 mm x 230 mm之起始尺寸與(例如，在約3 mm至4 mm之一範圍內之)一合適厚度之一鹼石灰浮法玻璃基板。在一些態樣中，該玻璃基板之表面平整度可以在約633 nm之一波長(λ)下約λ/4之一峰谷值為特徵。 接著將陶瓷漫射體印刷於基板上(320)。在一些實施方案中，經印刷陶瓷材料可為包含鉍基玻璃料及具有包含二氧化矽(SiO2)、氧化鋅(ZnO)、三氧化二硼(B2O3)、氧化鈉(Na2O)，及氧化鉍(BiO2)之主要組分之一無機白色顏料之一白色墨水。使用習知方法來烘乾該經印刷陶瓷層(330)。 在下一步驟中，於約670度C下窖燒經烘乾之陶瓷漫射體層以形成經熔合至玻璃基板中之一硬陶瓷層(340)。準備將具有經窖燒之陶瓷漫射體層之玻璃基板連同透鏡系統(例如，圖2A之220)及CMOS影像感測器(例如，圖2A之230)一起安裝於一外殼(例如，不銹鋼外殼)中(350)。 雖然本說明書含有許多特定實施方案細節，但此等細節不應被理解為限制任何發明或可主張設計之內容的範疇，而是理解為描述特定於特定發明之特定實施方案的特徵。本說明書中在分離實施方案之背景內容中所描述之特定特徵亦可被組合實施於一單個實施方案中。相反地，在一單個實施方案之背景內容中描述之各種特徵亦可分別係實施於多個實施方案中或係以任何合適次組合實施。此外，儘管特徵在上文可被描述為在特定組合中起作用且甚至最初如此主張，然來自一所主張之組合的一或多個特徵在一些情況中可自該組合去除，且該所主張之組合可被引導至一次組合或一次組合的變動。 類似地，雖然在圖式中依一特定順序描繪操作，但此不應理解為需要依所展示之該特定順序或依循序順序來執行此等操作或需要執行所有經繪示之操作以達成期望結果。在特定境況中，多任務處理及並行處理可為有利的。此外，上文所描述之實施方案中之各種系統組件之分離不應理解為在所有實施方案中需要此分離，且應理解，所描述之組件及系統通常可一起整合於一單個產品中或封裝於多個產品中。 對「或」之引用可理解為包含使得使用「或」描述之任何術語可指示一單個、一個以上及全部所描述術語之任一者。標記「第一」、「第二」、「第三」等並不一定意欲指示一排序且一般僅用於區分相同或類似項目或元件。因此，已描述標的之特定實施方案。其他實施方案係在以下申請專利範圍之範疇內。在一些情況中，申請專利範圍中所敘述之動作可依一不同順序執行且仍達成期望結果。此外，隨附圖式中所描繪之程序並不一定需要所展示之特定順序或循序順序來達成期望結果。在某些實施方案中，可使用多任務處理或並行處理。
100A:光學電路切換器(OCS) 100B:成像螢幕/成像螢幕總成 102-1:鏡陣列/微機電系統(MEMS)鏡陣列 102-2:鏡陣列/微機電系統(MEMS)鏡陣列 110-1:第一準直器/輸入準直器/準直器 110-2:第二準直器/準直器 112:二向色光束分割器 114-1:第一二向色光束組合器/組合器 114-2:第二二向色光束組合器/組合器 120-1:注射器 120-2:注射器 130:攝像機系統/攝像機 130-1:攝像機 130-2:攝像機 132:成像螢幕 134:CMOS感測器 140:處理器 150:成像螢幕 152:玻璃材料/環氧樹脂 160:外殼 200A:攝像機 200B:影像 200C:影像 205:光點 207:空白空間 210:成像螢幕 220:光學模組 222:透鏡 230:影像感測器/CMOS影像感測器 240:峰值/形心峰值位置 250:峰值/形心峰值位置 300:方法 310:步驟 320:步驟 330:步驟 340:步驟 350:步驟 D1:距離 D2:距離 D3:距離
所包含以提供進一步理解且併入本說明書中及構成本說明書之一部分之隨附圖式繪示所揭示之態樣且連同描述一起用於闡釋該等所揭示態樣之原理。 圖1A至圖1B係繪示根據標的技術之一或多項態樣之使用一攝像機系統之一光學電路切換器(OCS)之一實例性組態及該攝像機系統之一實例性成像螢幕總成之圖式。 圖2A至圖2C係繪示根據標的技術之一或多項態樣之一攝像機之一實例及攝像機系統之影像之實例之圖式。 圖3係繪示根據標的技術之一或多項態樣之製造圖2A之攝像機系統之一成像螢幕之一實例性方法之一流程圖。
200A:攝像機
210:成像螢幕
220:光學模組
222:透鏡
230:影像感測器/CMOS影像感測器
D1:距離
D2:距離
D3:距離

Claims (16)

  1. 一種製造一成像螢幕之方法，該方法包括： 準備一玻璃基板； 將具有在約7 µm至10 µm之一範圍內之一厚度之一陶瓷漫射體(ceramic diffuser)直接印刷在該基板上； 使經印刷之該陶瓷漫射體乾化(dry)；及 將經乾化之經印刷之該陶瓷漫射體窯燒(kiln fire)以形成熔合至(fuse into)該玻璃基板之一硬陶瓷漫射體，使得該陶瓷漫射體與該玻璃基板之間不存在空隙(gap)。
  2. 如請求項1之方法，其中該陶瓷漫射體包括一鉍基(bismuth-based)玻璃料(glass frit)及包含二氧化矽(SiO2 )、氧化鋅(ZnO)、三氧化二硼(B2 O3 )、氧化鈉(Na2 O)，及氧化鉍(BiO2 )中之一者之至少一無機顏料(pigment)。
  3. 如請求項1之方法，其中該陶瓷漫射體之一熱膨脹係數(CTE)係在該玻璃基板之一CTE值之約8%內。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包括： 使用包含一鹼石灰(soda lime)浮法玻璃材料(float glass material)之一玻璃層而耦合一不銹鋼外殼至該成像螢幕，使得該不銹鋼外殼圍繞該成像螢幕。
  5. 如請求項4之方法，其中該陶瓷漫射體之一熱膨脹係數(CTE)具有在該不銹鋼外殼之一CTE值之約10%至20%內之一值，且其中該玻璃基板之一CTE值係在該不銹鋼之該CTE值之約6%至7%內。
  6. 如請求項1之方法，其中該玻璃基板包括一鹼石灰浮法玻璃基板。
  7. 如請求項1之方法，其中該鹼石灰浮法玻璃基板包括一低鐵玻璃基板。
  8. 如請求項1之方法，其中該玻璃基板之表面平整度係以在約633 nm之一波長(λ)下約λ/4之一峰谷(peak-to-valley)值為特徵。
  9. 如請求項1之方法，其中該玻璃基板之一厚度係在約3 mm至4 mm之一範圍內。
  10. 如請求項1之方法，其進一步包括： 在一攝像機外殼中使用經熔合之硬陶瓷漫射體安裝該玻璃基板。
  11. 如請求項10之方法，其中該攝像機外殼係不銹鋼。
  12. 如請求項10之方法，其進一步包括： 耦合一透鏡系統至該成像螢幕，使得該透鏡系統可自該成像螢幕聚焦光至一CMOS影像感測器上。
  13. 如請求項12之方法，其中該成像螢幕經組態以在一預定義操作溫度範圍內熱穩定，以達成形成於該CMOS影像感測器上之一影像之像素間分離的熱穩定性。
  14. 如請求項12之方法，其進一步包括： 耦合一處理器至該CMOS影像感測器，其中該處理器經組態以處理該CMOS影像感測器之一輸出信號以判定一光學電路切換器之一MEMS鏡陣列中之個別鏡的位置。
  15. 如請求項12之方法，其中該CMOS影像感測器具有約6 µm之一像素大小。
  16. 如請求項12之方法，其中該透鏡系統包括複數個透鏡，該複數個透鏡經組態以具有一負放大率及將來自具有約54 µm之一大小之一漫射體光點之光集中至約6 µm之一影像感測器像素中。
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