ДИНАМИЧЕСКИ ИСКРИВЛЯЕМЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ВАРИООБЪЕКТИВА
DYNAMICALLY CURVED SENSOR FOR OPTICAL ZOOM LENS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Оптические системы линз, как правило, имеют не самую лучшую фокусировку на плоской поверхности. Например, системы сферических линз обычно лучше всего фокусируются на приблизительно полусферической поверхности, называемой поверхностью Петцваля (Petzval). Основная сложность проектирования линз состоит в том, чтобы заставить систему линз достичь наилучшей фокусировки на плоской поверхности формирования изображения, отличающейся от поверхности Петцваля.
Вариообъективы вносят дополнительную сложность, поскольку поверхность наилучшей фокусировки изменяется в зависимости от фокусного расстояния. Поэтому вариообъективы, как правило, являются значительно менее резкорисующими, чем объективы с постоянным фокусным расстоянием.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Это краткое изложение сущности изобретения предусмотрено для введения в упрощенном виде подборки характерных концепций, которые также описываются ниже в Подробном описании. Данное краткое изложение сущности изобретения не предполагает выявления основных признаков или существенных признаков заявляемого изобретения, а также не предполагает использования каким-либо образом, ограничивающим объем заявляемого изобретения.
Вкратце, различные аспекты изобретения, описываемые в настоящем документе, относятся к технологии, в которой датчик, который регистрирует (захватывает) видеоинформацию, принимаемую через объектив фотокамеры, выполнен с возможностью динамического искривления с помощью контроллера искривления для повышения качества изображения и адаптации к различиям в фокусном расстоянии. В одном аспекте в контроллере искривления принимаются переменные данные, и на основе переменных данных датчик искривляется. Переменные данные могут включать в себя данные о фокусном расстоянии, данные об измеренной кривизне и/или данные о качестве изображения.
В одном аспекте камера содержит объектив, имеющий переменное фокусное расстояние, и датчик, выполненный с возможностью динамического искривления. Контроллер искривления выполнен с возможностью приема информации обратной связи, соответствующей качеству изображения, получаемого с помощью объектива и регистрируемого датчиком, и регулирования кривизны датчика на основе информации обратной связи с целью повышения качества последующего регистрируемого изображения.
Другие преимущества могут стать понятными из нижеследующего подробного описания во взаимосвязи с чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение приводится в качестве примера и не ограничивается прилагаемыми чертежами, на которых одинаковыми ссылочными позициями показаны одинаковые элементы и на которых:
Фиг.1 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примеры компонентов, выполненных с возможностью динамического искривления датчика в соответствии с одним примером осуществления.
Фиг.2 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примеры компонентов, выполненных с возможностью динамического искривления датчика на основе обратной связи по изображению в соответствии с одним примером осуществления.
Фиг.3 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую примеры компонентов, выполненных с возможностью динамического искривления датчика посредством изменения давления в соответствии с одним примером осуществления.
Фиг.4А и 4В представляют собой изображения объективов и динамически искривляемых датчиков в соответствии с примерами осуществления.
Фиг.5А и 5В представляют собой изображения динамически искривляемых датчиков, включая изготавливаемые из условия напряжения на растяжение, в соответствии с примерами осуществления.
Фиг.6А и 6В представляют собой изображения различных толщинных и/или жесткостных свойств искривляемого датчика для управления кривизной в соответствии с одним примером осуществления.
Фиг.7 представляет собой структурную схему, на которой представлены примеры этапов, которые могут быть осуществлены для контролируемого искривления датчика на основе обратной связи в соответствии с одним примером осуществления.
Фиг.8 представляет собой блок-схему, на которой представлен пример среды, в которую могут быть включены аспекты описанного в настоящем документе объекта изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Различные аспекты технологии, описанной в настоящем документе, как правило, относятся к динамически искривляемому (например, кремниевому) датчику, кривизна которого настроена на более оптимальную кривизну для каждого фокусного расстояния. Это приводит к значительному повышению четкости по полю формирования изображения на любом фокусном расстоянии. Кривизна датчика уменьшает угол главного луча до нуля, что улучшает равномерность освещения поверхности изображения и снижает оптические перекрестные помехи между пикселями в удаленной от центра области датчика.
В одном аспекте обеспечивается динамически изменяющаяся кривизна датчика, синхронизированная с изменениями фокусного расстояния вариообъектива. Для системы сферических линз оптимальное фокусное расстояние является приблизительно полусферическим и имеет радиус кривизны, равный фокусному расстоянию линзы.
Обеспечиваются также данные о кривизне измерительного датчика и синхронизация кривизны датчика с фокусным расстоянием линзы. В качестве меры измерения синхронизации может измеряться реальная кривизна, либо может определяться влияние кривизны на четкость изображения.
Следует понимать, что любой из примеров, приводимых в настоящем документе, является неограничительным. В этой связи настоящее изобретение не ограничивается какими-либо конкретными вариантами осуществления, аспектами, концепциями, структурами, функциональными возможностями или примерами, описываемыми в настоящем документе. Наоборот, любые из вариантов осуществления, аспектов, концепций, структур, функциональных возможностей или примеров, описываемых в настоящем документе, являются неограничительными, при этом настоящее изобретение может использоваться различными способами, которые обеспечивают эффекты и преимущества при вычислении и оптических измерениях в целом.
Как в целом изображено на фиг.1, приведенная в качестве примера камера 102 содержит динамически искривляемый датчик 104. Контроллер 106 искривления динамически управляет кривизной изогнутого датчика 104 на основе данных 108 о фокусном расстоянии и/или обратной связи, такой как данные о кривизне, измеренные датчиком 110 кривизны.
Что касается измерения кривизны, кривизна может измеряться косвенно, например, путем измерения расстояния от центра поверхности датчика 104/204 до опорного положения с помощью различных бесконтактных способов. Один способ включает в себя лазерный облучатель (в составе датчика 112 кривизны), смещенный относительно оптической оси и освещающий нижнюю поверхность датчика 104/204. С изменением кривизны датчика нижняя поверхность движется вверх или вниз, заставляя отражение лазерного пятна изменять свое положение. Изменение положения может измеряться (в составе датчика 112 кривизны) с помощью линейной матрицы датчика изображения и/или камеры низкого разрешения, такой как обычно используется в оптических мышах. Отдельный механизм измеряет фокусное расстояние системы линз для получения данных 108 о фокусном расстоянии, которые используются для динамической регулировки высоты поверхности датчика таким образом, что кривизна датчика регулируется с изменением фокусного расстояния объектива.
Как показано на фиг.2 (на которой компоненты, подобные изображенным на фиг.1, помечены 2хх вместо 1хх), обратная связь 210 может и не являться мерой реальной физической кривизны, а скорее влиянием кривизны на качество изображения, например, измеряемое с помощью контрастности/четкости и т.п. Например, альтернативный датчик 212 кривизны, который не требует точных измерений фокусного расстояния и расстояния до датчика, может использовать контрастное обнаружение небольших участков изображения в центре и в удаленной от центра области датчика 204 изображения. Кривизна поверхности датчика и фокусное расстояние линзы могут изменяться одновременно для максимизации контрастности, например, как в центре, так и в удаленных от центра участках изображения. Если объект, изображение которого формируется, не является плоским, то оптимальная кривизна датчика может не в точности соответствовать фокусному расстоянию линзы.
С этой целью в камере 202 датчик 212 качества обеспечивает меру качества регистрируемого в данный момент изображения 222, например, в некоторых областях дискретизации изображения. В технологии динамической кривизны, описываемой в настоящем документе, обнаружение качества обеспечивает обратную связь, используемую контроллером 206 искривления для повышения качества (например, максимизации контрастности/четкости) в различных участках, которое связано с заданным фокусным расстоянием. Кроме того, необходимо отметить, что данные 208 о фокусном расстоянии могут и не понадобиться, поскольку контроллер 206 искривления работает на основе обратной связи от реального изображения; однако данные 208 о фокусном расстоянии могут оказаться целесообразными при выполнении грубой регулировки искривленного датчика 204, при этом регулировка на основе обратной связи от реального изображения начинается с относительно близкой начальной точки.
В одном примере реализации, в общем виде, изображенном на фиг.3, кремниевый кристалл 304 датчика изображения (соответствующего искривленному датчику 104) подвешен поперек полости 320, которая заполнена текучей средой, содержащей воздух или иной газ и т.п., либо жидкостью. Механизм регулирования давления (например, поршень 321) соединен жидкостной линией 324 с полостью 320 и, например, движется взад и вперед под управлением контроллера 306 искривления для увеличения и уменьшения давления в наружной текучей среде полости, заставляя датчик 304 искривляться. Кривизна синхронизируется, как описано выше, например, с помощью обратной связи и/или данных 308 о фокусном расстоянии вариообъектива, чтобы кривизна датчика динамически регулировалась с изменением фокусного расстояния линзы.
Для высоких степеней кривизны и толстых подложек изменение давления окружающего воздуха может оказаться недостаточным для изгибания кремния. В этом случае полость над датчиком может быть заполнена воздухом или нереактивным газом, таким как аргон, при более высоком давлении, чем окружающее. В соответствии с другим вариантом полость над датчиком может быть заполнена оптически прозрачной текучей средой, которая находится под давлением, чтобы заставить датчик изгибаться. Коэффициент преломления текучей среды может учитываться при оптическом проектировании системы линз.
Возможны иные способы изменения давления и/или изменения кривизны. Например, управляемое изменение температуры может создавать усилие, которое может изменять форму, и/или для изменения формы может использоваться сила пьезоэлектрического и/или электромагнитного взаимодействия.
На фиг.4А и 4В приведены примеры конструкций объективов, выполненных с возможностью работы с динамически искривляемыми датчиками. Объектив может быть согласован с поверхностью датчика, например, с помощью целевых функций, которые максимизируют четкость, включая в качестве неограничивающих примеров целевые функции, направленные на: минимизацию разности в оптической длине пути, минимизацию радиуса пятна, минимизацию X пятна, Y пятна, минимизацию углового радиуса и/или минимизацию углового радиуса по X или Y.
Еще в одном аспекте, а именно, в изготовлении искривляемых датчиков датчик изображения может находиться в напряженном состоянии. Это целесообразно, поскольку шум темнового тока датчика снижается, когда кремний находится в напряженном состоянии, и повышается, когда он находится в сжатом состоянии. В конструкциях, в которых кремний подвешен в виде тонкой мембраны и изогнут под действием давления воздуха либо иного газа или текучей среды, центральная часть датчика полностью находится в сжатом состоянии. Эта область является наиболее целесообразной для изображения, поскольку более всего приближается к полусферической.
В настоящем документе описывается помещение кремниевого датчика в напряженное состояние при сохранении необходимой полусферической формы по поверхности формирования изображения. На фиг.5А изображен динамически искривляемый датчик 504, имеющий выделенную центральную часть 555. Кристалл может быть плоским, когда он не находится под давлением, и искривленным под действием давления или иного изгибающего усилия, либо может быть изначально в некоторой степени искривленным с кривизной, измененной с помощью давления или иного изгибающего усилия.
Как показано на фиг.5В, кристалл датчика может быть переведен в напряженное состояние по всей поверхности путем изгибания датчика 556 до подложки 558, изготовленной из стекла или иного материала с жесткостью, меньшей, чем у кремния, или равной ему. По периметру на участках 560 и 561 изображен эпоксидный клей или иной связующий материал, при этом между датчиком и подложкой 558 находятся микролинзы 564. За счет соответствующего выбора материала и толщины подложки создается комбинированный «сэндвич» из подложки и датчика, поэтому нейтральная ось изгиба проходит через микролинзы датчика. При изгибании сэндвича слой кремниевого датчика полностью находится в напряженном состоянии. Поскольку нейтральная ось изгиба проходит через микролинзы, они не движутся относительно подложки, исключая возможность повреждения из-за трения.
Необходимо отметить, что после того, как кремний изогнут, передняя поверхность подложки может быть удалена. В частности, кремниевый кристалл изгибается по периферии подложки. Подложка при этом вдавливается в пресс-форму, имеющую точную форму искривленного датчика. Отверждаемый УФ-излучением эпоксидный клей может вводиться на заднюю сторону подложки, а именно, на поверхность, поддерживающую кристалл, а затем отверждается. Затем подложка освобождается от кристалла растворением клеевых соединений по периферии кристалла. Это исключает внесение интерференционных картин, вызываемых непосредственной близостью поверхностей подложки и кристалла.
Динамически искривляемый датчик может быть изготовлен для усиления впрессовывания в необходимую полусферическую форму. Например, толщина датчика может варьироваться, например, с радиальной симметрией. Это изображено в общем виде на фиг.6А, на котором толщина динамически искривляемого кристалла 662 датчика варьируется от толщины Т1 до толщины Т2. Варьирование толщины может быть плавным и/или осуществляться дискретными шагами, при этом варьирование может осуществляться линейно или нелинейно.
На фиг.6В показан альтернативный вариант варьирования толщины, а именно, вытравливание структуры или чего-либо подобного на задней поверхности динамически искривляемого кристалла 664 датчика, чтобы вызвать свободное изгибание путем вытравливания каналов, точек или чего-либо подобного в кристалле 664, чтобы сделать кристалл 664 более гибким на некоторых участках и менее гибким на других. Это изображено пунктирными линиями, которые и в этом случае не обязательно должны быть симметричными, линейными, концентрическими или сглаженными.
Фиг.7 представляет собой структурную схему, на которой представлены примеры этапов, которые могут быть осуществлены для управления кривизной датчика. В приведенном на фиг.7 примере сначала выполняется грубая регулировка на основе данных о фокусном расстоянии, как изображено этапами 702 и 704. В варианте осуществления, в котором грубая настройка не нужна или не целесообразна, этапы 702 и 704 могут быть пропущены.
Этап 706 соответствует регистрации изображения и обработке изображения для получения необходимых данных об обратной связи, таких как данные о контрастности/четкости, как описано выше. Это может осуществляться в ходе автоматического процесса искривления (например, калибровки), либо в ходе регистрации набора кадров, например, при использовании видеоинформации.
На этапе 708 обеспечивается обратная связь с контроллером искривления для заданного изображения. Для измерения физической/механической кривизны вместо (или помимо) регистрации изображения на этапе 706 может осуществляться измерение кривизны. Таким образом, хотя это и не показано, этап 706 может вместо (или помимо) этого представлять собой измерение кривизны датчика.
Обратная связь используется на этапе 710 для точной настройки кривизны, например, чтобы попытаться максимизировать четкость с помощью некоторых участков. Обратная связь является итерационной, например, в тех случаях, когда имеется новое изображение для проверки, однако в зависимости от времени, необходимого для искривления датчика, это может осуществляться каждый кадр, каждый десятый кадр, каждые полсекунды и/или тому подобное. Искривление в определенный момент времени может прекращаться, например, когда достигнута достаточная четкость/контрастность, либо может осуществляться регулярно таким образом, что регулярно перепроверяется максимизация четкости/контрастности. Еще одним примером способа прерывания контура обратной связи точной настройки является достаточное изменение фокусного расстояния, которое в данном примере заставляет процесс вернуться на этап 702 для грубой регулировки. Процесс может продолжаться до тех пор, пока функция автоматического искривления не выключится, например, когда выключится электропитание камеры для экономии батареи, либо если оператор камеры желает выключить функцию искривления, например, для создания специального эффекта.
ПРИМЕР ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
Как указано, еще в одном варианте описываемые в настоящем документе методы могут применяться в любом устройстве. Поэтому можно понять, что всевозможные карманные, переносные и прочие вычислительные устройства и вычислительные объекты, включая автономные камеры, предполагаются для использования в различных вариантах осуществления. В этой связи нижеизложенный универсальный удаленный компьютер, описываемый ниже на фиг.7, является всего лишь одним примером вычислительного устройства.
Варианты осуществления могут частично быть реализованы с помощью операционной системы для использования разработчиком сервисов для устройства или объекта и/или включены в состав прикладного программного обеспечения, которое приводит к осуществлению одного или более функциональных аспектов различных вариантов осуществления, описываемых в настоящем документе. Программное обеспечение может описываться в общем контексте выполняемых компьютером команд, таких как программные модули, выполняемые одним или более компьютерами, такими как клиентские рабочие станции, серверы или иные устройства. Специалисты поймут, что вычислительные системы имеют множество конфигураций и протоколов, которые могут использоваться для передачи данных, и, следовательно, никакая конкретная конфигурация или протокол не рассматриваются как ограничительные.
Например, фиг.8 иллюстрирует один из примеров вычислительной среды 800, в которой может быть реализован один из аспектов описываемых в настоящем документе вариантов осуществления (таких как контроллер искривления), хотя, как выяснилось выше, вычислительная среда 800 является всего лишь одним примером подходящей вычислительной среды и не предполагает какого-либо ограничения в отношении области применения или функциональных возможностей. Кроме того, вычислительная среда 800 не предполагает толкования ее как имеющей какую-либо зависимость, относящуюся к любому из компонентов, иллюстрируемых в примере вычислительной среды 800, или к их комбинации.
На фиг.8 один из примеров удаленного устройства для реализации одного или более вариантов осуществления содержит блок 820 обработки, системную память 830 и системную шину 822, которая соединяет различные компоненты системы, включая системную память, с блоком 820 обработки.
Среда может включать в себя множество машиночитаемых носителей информации и может представлять собой любые доступные носители информации, к которым может осуществляться доступ. Системная память 830 может включать в себя запоминающую среду компьютера в виде энергозависимой и/или энергонезависимой памяти, такой как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и/или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). В качестве примера, а не ограничения, системная память 830 может также включать в себя операционную систему, прикладные программы, иные программные модули и данные программ.
Пользователь может вводить команды и информацию посредством устройств 840 ввода. Монитор или устройство отображения иного типа может также быть соединено с системной шиной 822 с помощью интерфейса, такого как выходной интерфейс 850. Помимо монитора с помощью выходного интерфейса 850 могут быть подключены другие периферийные устройства, такие как громкоговорители.
Система может быть соединена с одним или более удаленными компьютерами, такими как удаленный компьютер 870. Удаленный компьютер 870 может представлять собой персональный компьютер, сервер, маршрутизатор, сетевой персональный компьютер (ПК), одноранговое устройство или иной общий сетевой узел, либо любое иное удаленное устройство использования или передачи мультимедийной информации и может включать в себя любой или все из вышеописанных элементов. Логические соединения 872, изображенные на фиг.8, включают в себя шину, такую как основанное на универсальной последовательной шине (USB) соединение, либо беспроводное сетевое соединение. Кроме того, существует множество способов реализации одних и тех же или подобных функциональных возможностей, например, подходящий прикладной программный интерфейс (API), комплект инструментальных средств разработки, код драйвера, операционная система, элемент управления, автономные или загружаемые программные объекты и т.д., что позволяет приложениям и сервисам использовать методы, предлагаемые в настоящем документе. При этом варианты осуществления в настоящем документе рассматриваются с точки зрения API (или иного программного объекта), а также с точки зрения программного или аппаратного объекта, который реализует один или более вариантов осуществления, описываемых в настоящем документе. При этом различные варианты осуществления, описываемые в настоящем документе, могут иметь аспекты, которые полностью находятся в аппаратных средствах, частично в аппаратных средствах и частично в программных средствах, а также в программных средствах.
Используемое в настоящем документе слово «пример» означает служить в качестве примера, образца или пояснения. Во избежание сомнений объект изобретения, описываемый в настоящем документе, не ограничивается такими примерами. Кроме того, любой аспект или конструкция, описываемая в настоящем документе в качестве «примера», не обязательно должна рассматриваться как предпочтительная или полезная по сравнению с другими аспектами или конструкциями, равно как и она не исключает эквивалентные примеры структур и методов, известных специалистам. Кроме того, в той мере, в которой используются термины «включает в себя», «имеет», «содержит» и прочие подобные слова, во избежание сомнений такие термины являются включающими точно так же, как и термин «включающий в себя», в качестве открытого переходного слова без исключения каких-либо дополнительных или иных элементов при использовании их в пункте формулы изобретения.
Как указано, различные методы, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы применительно к аппаратным или программным средствам, либо при необходимости к комбинации обоих. Используемые в настоящем документе термины «компонент», «модуль», «система» и т.п. аналогичным образом относятся к связанной с компьютером сущности - либо к аппаратным средствам, либо к комбинации аппаратных и программных средств, либо к программным средствам, либо к исполняемым программным средствам. Например, компонент может, помимо прочего, являться выполняемым на процессоре процессом, процессором, объектом, исполняемым файлом, потоком выполняемых задач, программой и/или компьютером. В качестве примера, как приложение, выполняемое на компьютере, так и компьютер может являться компонентом. Один или более компонентов могут находиться в процессе и/или потоке выполняемых задач, при этом компонент может быть локализован в одном компьютере и/или распределен между двумя или более компьютерами.
Вышеуказанные системы описаны в отношении взаимодействия между несколькими компонентами. Можно понять, что такие системы и компоненты могут включать в себя указанные компоненты или заданные субкомпоненты, некоторые из заданных компонентов или субкомпонентов и/или дополнительные компоненты и в соответствии с различными перестановками и комбинациями перечисленного. Субкомпоненты могут также быть реализованы в виде компонентов, связанных с другими компонентами, а не входящих в состав родительских компонентов (иерархических). Кроме того, можно отметить, что один или более компонентов могут быть объединены в единый компонент, обеспечивающий совокупные функциональные возможности, или разделены на несколько отдельных субкомпонентов, и что любой один или более средних уровней, таких как уровень управления, могут предусматриваться для связи с возможностью передачи данных с такими субкомпонентами с целью обеспечения объединенных функциональных возможностей. Любые компоненты, описываемые в настоящем документе, могут также взаимодействовать с одним или более другими компонентами, не описываемыми специально в настоящем документе, но общеизвестными специалистам.
Принимая во внимание примеры систем, описываемые в настоящем документе, могут также стать понятными методики, которые могут быть реализованы в соответствии с описанным объектом изобретения, применительно к структурным схемам на различных чертежах. Несмотря на то что для упрощения объяснения методики изображены и описаны в виде последовательности блоков, следует понимать, что различные варианты осуществления не ограничиваются порядком блоков, при этом некоторые блоки могут выполняться в другом порядке и одновременно с другими блоками по сравнению с тем, как это изображено и описано в настоящем документе. В тех случаях, когда с помощью структурной схемы показан непоследовательный или разветвленный поток, можно понять, что могут быть реализованы различные иные ветви, потоки и порядки блоков, которые достигают того же или подобного результата. Кроме того, некоторые изображенные блоки являются факультативными при реализации методик, описанных в настоящем документе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несмотря на то что в изобретении могут иметь место различные модификации и альтернативные конструкции, некоторые варианты осуществления его, служащие примером, изображены на чертежах и подробно описаны выше. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается конкретными описанными формами, а наоборот, охватывает все модификации, альтернативные конструкции и эквиваленты, находящиеся в пределах сущности и объема изобретения.
Помимо различных вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, следует понимать, что для выполнения той же или эквивалентной функции соответствующего варианта (вариантов) осуществления в пределах его сущности и объема могут использоваться иные подобные варианты осуществления, либо в описываемый вариант (варианты) осуществления могут вноситься изменения и дополнения. Более того, множество кристаллов с микросхемами обработки или множество устройств могут принимать участие в выполнении одной или более функций, описываемых в настоящем документе, и аналогичным образом хранение может осуществляться во множестве устройств. В этой связи, изобретение не должно ограничиваться каким-либо одним вариантом осуществления, а скорее должно истолковываться по области применения, сущности и объему в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.