TWI767333B

TWI767333B - 感應器裝置

Info

Publication number: TWI767333B
Application number: TW109132406A
Authority: TW
Inventors: 馬丁龐帝伽利; 麥可葛魯柏; 札寧柯賽克
Original assignee: 奧地利商威瑟影像有限公司
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2022-06-11
Also published as: CN114846293B; TW202128001A; CN114846293A; EP4005195A1; AT522995B1; JP2022550776A; US12025490B2; US20220412795A1; WO2021069382A1; AT522995A1; KR20220098140A

Abstract

一種具有至少一光電感應器(2)之感應器裝置(1)，該光電感應器固定在一感應器支架(9)之一收納結構(8)上。該光電感應器(2)具有一感應器殼體(3)，該感應器殼體上配置有一光學活性感應層(4)。該光學活性感應層(4)可形成一感光平面(5)。該感應器支架(9)具有一固定之收納結構(8)，該收納結構可補償一既有之光電感應器(2)與一預定形狀之形狀偏差。

Description

感應器裝置

本發明涉及一種用於製造一感應器裝置之方法，以及一種具有至少一光電感應器之感應器裝置，該光電感應器固定在一感應器支架之一收納結構上，其中該光電感應器具有一感應器殼體，在該感應器殼體上配置有一光學活性感應層，且該光學活性感應層可形成一感光平面。

光電感應器係由業界為各種應用而開發之產品，尤其可應用於全球範圍內之數位攝影及成像測量之技術領域。對於攝影記錄設備，即數位相機之使用，在鏡頭及光電感應器之間之穩定及精確之幾何連接係不可或缺之要件。唯有將光學活性感應層之感光平面引入相機鏡頭之圖像平面中，才能實現光學清晰之圖像。此類定位需要極高之位置精確度，因此對於高品質之設備，其幾何精確度通常至少應低於100微米(μm)，而對於特殊之應用，例如數位大幅面之攝影，特別係在移動製圖、攝影測量、空間資訊工程或類似應用領域中，甚至需要求更高之精確度，其中，作為最大允許之位置公差可能僅為及或需要為幾微米，例如低於10微米或甚至低於3微米(在各種情況下之位置、高度及傾斜程度)。

光電感應器通常包括一由陶瓷材料製成之感應器殼體，在其上配置光學活性感應層，且該光學活性感應層可形成一感光平面。所述光電感應器亦具有電接點，通常為鍍金之引腳，例如，可以通過與活性感應層相對一側之焊接點連接到相應之測量或攝影系統之控制電子裝置。

最初無法精確判斷所述光電感應器之位置，更確切描述應為其感光平面相對於感應器殼體之位置。而製造商所提供之規格通常具有比相機機體中所需之精確位置更大之公差。例如，對於市面上之CMOS或CCD感應器產品，多數製造商通常可確保位置公差約為300微米及高度公差和傾斜程度公差約為150微米。即使係高品質之產品，亦無法達到特殊應用所需之10微米或更低之公差。

此結果一方面係由於陶瓷感應器殼體之幾何形狀精確度不足，且製造公差亦相對較大；而另一方面，光學活性感應層之像素單元通常係通過黏劑連接之方式連接到感應器之殼體上，如此可能導致額外之偏離公差。

為利於製造特別精確之測量或攝影系統，必須確定光電感應器在該系統機械式殼體中之感光平面在所有三個坐標方向上之位置。為此，通常將光電感應器配置在感應器支架之一可調節式收納結構中，該感應器支架相對於鏡頭具有一確定之位置。而在將光電感應器安裝於測量系統或攝影系統中之後，通常會通過調節螺釘調節感光平面。為方便進行調整，製造商通常會指定適合之位置，作為用於定義感應器殼體之位置。由感應器製造商所描述之陶瓷外殼上之安裝位置，可作為感應器在陶瓷外殼中位置之依據(例如，在陶瓷外殼邊緣上之三個位置，分別用於X及Y之位置，而在陶瓷外殼底側之三個位置則用於垂直對齊，以及包括傾斜位置)。

調節過程通常必須手動進行，例如，藉由測試記錄檢測正確之位置。在調節過程中，例如，可以在一調節台上使用尚未調節之感應器產生一測試圖像，並且將其與一目標圖像進行比較。然後，通過調節螺釘或類似之機械致動器及感應器在其框架內之微動進行機械式調節，並可由安裝位置進行監控。一由軟體對測試圖像所進行之評估，以及電腦輔助之感應器移動或定位，皆可以在特定程度上支持此反覆、複雜及嚴苛之過程，但此類調整仍需由高度合格之技術人員進行操作。若將多個光電感應器置於單一感應器支架上(具有多個收納結構分別收納一光電感應器)互相對準並引入相應之預定位置時，此類問題會更趨明顯。

本發明之目的係提供一種裝置及方法，所述裝置及方法一方面減少或避免調整光電感應器所需之操作，而另一方面可實現更高之精確度，即較低之公差。

此標的及其他標的將在一實施例中，通過前述之方法而實現，該方法具有下列步驟：提供一光電感應器，其具有一感應器殼體及一配置在其上之光學活性感應層，該光學活性感應層形成一感光平面，而該光電感應器在一測量支架之一測量凹槽中配置在一界定位置，利用一量測單元確定該感光平面相對於該測量支架之實際位置相對於該感光平相對於該測量支架所定義之預定位置之一位置轉換，產生一具有一固定之收納結構(8)之感應器支架，該收納結構可補償源自該位置轉換所描述之該光電感應器(2)與一預定形狀之間之形狀偏差，將該光電感應器固定在該感應器支架之該收納結構中。此方法可在該光電感應器安裝在一感應器裝置之前，以及在待調節之感應器進行通電運作之前，可取得源自於該光電感應器之相關必要調節操作之準確資訊，並在製造感應器支架時考慮該資訊。此外，測量支架及感應器支架例如可為相同之結構。在完成將感應器裝置安裝於相機之內後，便無需進行後續調整。

本發明內容中所述之一種配置係指「位置界定之配置」，其中光電感應器之至少一定位特徵之位置已相對於測量支架被明確界定。該定位特徵可為，例如，感應器殼體之一角邊緣，其在測量支架上以一特定方向配置在一特定位置。有利地，該定位特徵可對應於感應器在感應器支架之收納結構中之定位位置，例如，測量支架之測量凹槽基本上與感應器支架之收納結構相對應。定位特徵可為，例如，由光電感應器之製造商所提供之裝配位置及/或光電感應器之其他特徵。

本發明內容中所述之計算過程定義為「位置轉換」，可通過該過程將實際位置之特徵(例如：點、面及/或形狀)轉換成預定位置之相應特徵，反之亦然。該位置轉換可用如變換矩陣之形式進行描述。

有利地，此方法亦可具有下列步驟：用量測單元測量感光平面及/或感應器殼體之至少一測量點與該測量點相對於測量支架所界定之預定位置之偏差；根據至少一所測得之偏差確定感光平面之實際位置，從而確定感光平面之測量位置與該感光平面之預定位置之間之位置轉換。即使僅測量單一測量點亦可確定一位置轉換(雖然不完整)；例如，僅需測量感光平面上已知特徵之位置，並確定其與預定位置之偏差。例如，該位置轉換可根據所測得之偏差對應感光平面之一位移。然而，較有利之方式為測定其他測量點，以便能描繪位置轉換之多個層面(特別係在各軸向上之平移、旋轉以及可能之縮放比例)。

可使用適合於此目的之任何直接或間接、或較佳為非接觸性之測量裝置進行測量。合適之測量設備之範例，包括一通過觸覺掃描確定形狀之機械測量裝置，例如，微量測距儀或量規，具有圖像感應器、線感應器及/或像素感應器(例如1D、2D及3D雷射位移感測器)之光學測量系統、具有成像感應器之測量裝置，該裝置可由圖像評估進行判定，以及結合上述測量方法來使用測量裝置。測量裝置之優選範例為一光機測量裝置，其中，光電感應器之定位係機械式定位，並由光學方法進行測量。例如，可使用已知之工業光學3D測量系統對一具有已界定裝配位置之穩定框架之感應器進行光學機械式測量。例如：可使用一由位於美國加州溫莎之Micro Vu公司所生產之測量裝置「Vertex 251 UC」。

在一其他有利之實施例，該方法可進一步包括下列步驟：將量測單元之至少一量測照相機配置在相對於測量支架之至少一空間位置上，用至少一量測照相機建立至少一測量記錄，而該測量記錄包括感光平面及/或感應器殼體以及(必要時)測量支架之至少一部份，接著從至少一測量記錄中確定至少一測量點之坐標，且必要時確定該測量點之預定位置之坐標，最後可根據該等坐標確定在感光平面之測量位置及該感光平面之預定位置之間之位置轉換。此類之光學測量及對測量記錄之評估相對容易實現，可得到非常精確之結果，且亦可自動進行大量測量。

有利地，根據相應之測量記錄確定相對於測量支架之至少一空間位置。其結果為可以減少放置測量支架及量測單元之努力。為確定空間位置，例如，測量支架可具有相應之標記，通過此標記可以為各項單獨之測量記錄確定測量支架與量測單元之空間位置之間之相對位置，及/或可使用測量支架之已知(結構)特徵進行確定。

有利地，可運用一3D列印方法製造一具有收納結構之感應器支架。高精確度之3D列印方法可製作公差較低之感應器支架，必要時亦可以對收納結構進行重新加工以提高尺寸精確度。

根據一其他有利之實施例，可通過機械加工製造具有收納結構之感應器支架。藉由使用高精確度之機械加工工藝，可以實現僅5微米(μm)範圍之製造公差。例如，可採用與感應器殼體之材料機械性能相似之金屬合金作為感應器支架之材料。

在一有利之實施例中，多件光電感應器可固定在一單一感應器支架之多個收納結構中。如此可生產大像幅攝影機，而其中多件光電感應器可組合形成一大幅「馬賽克」。此類相機可為例如EP 1 384 046 B1中所揭露之攝影系統。

本發明在另一方面，涉及先前所述之感應器裝置，其中感應器支架具有一固定之收納結構，該收納結構可補償一既有之光電感應器與一預定形狀之形狀偏差。此類感應器裝置不僅可以低成本製造，因為可省略諸如調節螺釘之類之調節方式，此外，由於無需復雜之調節，此裝置亦可輕易安裝到相機或測量系統中。且所述裝置仍可實現先前僅能通過複雜之調節而實現之公差。因而可確保校準並允許較佳之近似值及最佳之中心圖像位置。對於具有多件感應器之相機鏡頭，在全部感應器上之全圖像範圍中，圖像清晰度皆有明顯改善。此外，亦可防止感應器之傾斜，並再次改善整幅圖像之聚焦性能。

本發明內容中所述之「固定之收納結構」係定義為可將光電感應器配置在一特定位置之收納結構。該光電感應器在收納結構中之位置無法且無需進行調節。

本發明內容中所述之光電感應器之「預定形狀」係一根據尺寸數據且無任何公差偏差所設定之理論形狀。

本發明內容中，將所有已知由實際位置到預定位置之偏差總和稱為「與預定形狀相異之形狀偏差」。該形狀偏差尤其可通過上述之位置轉換進行定義或描述。

有利地，光電感應器可通過形狀匹配之方式容納在收納結構中，因而簡化安裝過程。通過此類形狀配合之容納結構可維持較小之公差，例如，可以通過夾緊機構、鎖定螺釘或類似裝置等而實現。

在一其他有利之實施例中，關於感應器支架之熱膨脹係數方面，至少可由基本上具有與感應器殼體之材料相同之材料製成。本發明內容中，「基本上相同」係指，不同材料特性在公差方面之影響可以忽略不計。因而可避免溫度變化所導致之負面影響。特別為當溫度變化時，可實現部件之「共同」變形，從而使溫度相關之公差偏差最小化。此類公差偏差之程度亦可根據溫度計算相對輕易確定，且在必要時可自動補償。適用材料之範例可為包括：陶瓷材料、金屬合金、塑膠材料以及該等材料之組合，各種材料皆可根據感應器外殼之特性進行選擇。

有利地，感應器支架及/或感應器殼體可由陶瓷材料製成，尤其係利用3D列印方法製成之陶瓷材料。在製造過程中，可以使用先前已確定之變形計算收納結構所需之補償形狀。此過程可通過演算法而完成，該演算法亦可批量生產感應器支架，該感應器支架係專門為一先前已測量之光電感應器而訂製。陶瓷材料亦可用於實現極小且與溫度相關之可控管之公差偏差。

一其他有利之實施例中，感應器支架可具有多個收納結構，而各收納結構上皆可配置一光電感應器。此可實現製造具有根據本發明所教導設計之具有多個最佳校準之光電感應器之大像幅攝影機。

另一方面，本發明涉及一種具有至少一光學單元、至少一照相機殼體、至少一控制電子裝置及至少一感應器裝置之照相機。

1:感應器裝置

2:光電感應器

3:感應器殼體

4:光學活性感應層

5:感光平面

6:測量支架

7:量測單元

8:收納結構

9:感應器支架

10:照相機

11:光學單元

12:照相機殼體

13:控制電子裝置

14:測量凹槽

15:測量結構

16:量測照相機

17:圖像平面

U、V:空間位置

u、v:測量記錄

a、b、c、d:測量點

A、B、C、D:預定位置

本發明之詳細說明可參照下列第1圖至第4圖，其所示為本發明之具有示範性質且非侷限性之有利實施例。

第1圖一測量支架示意圖，該測量支架上之光電感應器配置在一光學量測單元之圖像區域中。

第2圖一測量支架上配置有一光電感應器之截面圖。

第3圖一光電感應器裝入一感應器支架之收納結構中之截面圖。

第4圖一照相機之截面圖。

圖1所示為一具有測量凹槽14之測量支架6，而一光電感應器2被適當安裝至該測量凹槽中。光電感應器2具有一感應器殼體3，在其上配置有一光學活性感應層4。光學活性感應層4具有一感光平面5，其根據設計可以係活性感應層4之外表面，或者一與該外表面略有偏移之平面層(例如，在使用顯微透鏡時，可能發現此類情況)。

本發明內容中所述之「感光平面5」係指活性感應層4之平面，須將相機鏡頭之圖像平面對準該平面，以確保用相機鏡頭所拍攝之圖像之光學清晰度。

由於過大之公差(為通用之光電感應器2之常規設計，且足以適用於商業市場之數位相機中)，因此相對於測量支架，感應器殼體3及光電感應器2皆可能與其預定形狀產生較大之偏差，其中，為清楚呈現此現象，在附圖中之公差偏差被刻意放大。通常，對於特別敏感之光技術應用，小於10微米之公差偏差範圍會導致所需之圖像品質明顯下降。常規之光電感應器2之製造商所保證之公差通常較高。

通常，各光電感應器2之實際形狀皆與其預定形狀(即，根據製造商所提供之形狀或尺寸資料)相異(在公差範圍內)。關於光電感應器之各個元件，例如感光平面5，因而導致真實之位置(在此稱為實際位置)及理論之位置，在無公差偏差情況下設置之理論之位置(在此將其稱為預定位置)。

實際位置與預定位置之間之差異，例如可根據測量點a、b、c、d相對於為其所定義之預定位置A、B、C、D之「位移」進行描述。若感光平面5基本上呈平坦狀，則位於感光平面5中所有測量點a、b、c、d從各自之預定位置A、B、C、D之總位移可通過位置轉換進行表示，其中，該位置轉換可用例如相應之變換矩陣以簡易之方法進行描述及處裡。

第1圖之圖示中，例如，將光學活性感應層4之四個角點定義為測量點a、b、c、d。相應之點位置以參考標識A、B、C及D標示在由虛線所示之感應層4之預定位置中。在所示之情況下，三個測量點a、b及c，各個測量點分別位在相應之預定位置A、B、C「上方」，而一測量點d相對於相應之預定位置D向「下方」移動。測量點亦可依需求在任一橫向方向上進行移動。此內容之術語「上方」及「下方」與第1圖中之圖示有關，並不具有限制性之敘述。測量點a、b、c、d與其相對應之預定位置A、B、C、D之偏離可能，例如係由於光學活性感應層4與感應器殼體3之不規則黏合所引起，或者感應器殼體3亦可能具有公差偏差，因而導致測量點a、b、c、d與其預定位置之偏差。

光電感應器之位置轉換可藉助於一光學量測單元7進行確定。

第1圖所示之情況中，使用具有至少一量測照相機16、16'之量測單元7，各量測照相機16、16'從一個或多個空間位置U、V對由測量支架6及光電感應器2共同組成之單元進行一次或多次測量記錄u、v。在第1圖中，在標記「U」之空間位置之量測照相機標記參考符號16，而在標記「V」之空間位置之量測照相機標記參考符號16'，其中亦可以係單一量測照相機16在各測量記錄之間從一空間位置移動到另一空間位置。

可根據量測單元7之設計中得知量測照相機16、16'相對於測量支架6之各空間位置U、V，或者可通過圖像評估針對各測量記錄u、v確定該位置。為此，測量支架6可能例如具有已確定之測量結構15。根據對測量記錄u、v之評估，可在任何坐標系中確定及定義預定位置及實際位置之間之位置轉換(反之亦然)。

亦可依需求使用幾何方式對光電感應器2之其他可見結構進行記錄。製造商之感應器表面之規格可根據由具有高幾何精確度之單一像素之數量及尺寸得知，因此可作為笛卡爾坐標系之建置基礎。將感應器表面上之光學可見結構用作該坐標系中之標記或測量點。

必要時，可藉由其他測量點(未展示)或已知結構確定感應器殼體3之位置，亦可確定感應器殼體3與測量支架6之間(或感應器殼體3與光學活性感應層4之間)之位置轉換。為此，亦可使用製造商指定之安裝位置，明確界定感應器殼體3之位置。如有必要，可將感應器殼體3上之可見電接點用作測量點。

關於位置、方向及比例之位置轉換，亦可根據單次測量記錄進行確定。或亦可根據不同空間位置U、V之多次測量記錄，並通過多條視線之相交計算一完全三維之位置轉換。而可根據多次測量記錄，使用圖像三角測量方法及後續之補償計算方法提高精確度。

例如，可通過使用軟體工具等方式對測量圖像進行評估，所述軟體工具可分析圖像內容，辨別待測量之結構及測量點，確定其在圖像坐標系中之位置，並計算相對於預定位置之相應轉換。

測量支架6之測量凹槽14可設計成與感應器殼體3形狀匹配之裝配凹槽，其中若必要時可配置夾緊或固定元件確保感應器殼體3在測量凹槽14中(例如相對於測量凹槽14之一角)之精確定位。較佳地，測量凹槽14可設計成基本上與感應器支架9之收納結構8相同，而光電感應器2將被***其中，下文將對此進行描述。

第2圖中以較簡化之截面圖中呈現一種結構，該結構基本上等同於參照上述第1圖之結構，即從量測照相機16、16'至測量點a、b(實線) 及其預定位置A、B(虛線)之視線之偏差。視線之路線(可從測量記錄中確定)可通過三角測量方法確定測量點之位置，在此基礎上可以確定一位置轉換。

上述量測單元及其所執行之確定位置轉換之方法僅係一範例。熟悉本發明所示之教導之所屬技術領域中具有通常知識者，在其能力範圍內亦可通過不同之量測單元對位置轉換進行確定。

藉由已確定之位置轉換，可設計用於安裝光電感應器2之感應器支架9，而使其形狀(或感應器支架9之收納結構8之形狀)可補償位置轉換所描述之光電感應器2之實際形狀與其預定形狀之間之形狀偏差。置入該訂製感應器支架中之光電感應器2具有一感光平面5，其實際位置與預定位置之偏差，比相對於測量支架6小，並且因此此裝置可大幅降低公差。此外，在光電感應器2固定之後，即再無需通過調節螺釘或類似復雜之方法調節感應器支架9。因此，感應器支架9可用特別簡易之方式進行設計，例如，可設計成具有張緊及/或固定裝置之配件，用於固定光電感應器2。

由於無需複雜之調節系統，因此感應器支架9可由3D列印方法製造，例如：陶瓷3D列印，或亦可使用其他材料。此外，可依需求對由3D列印方法製造之感應器支架9進行再加工，以改善公差，例如通過一機械加工方法。在其他實施例中，感應器支架9亦可使用常規之機械加工方法從坯料中進行加工，而此情況下必須確保通過所選之方法能達成所需之公差。

因此可為各感應器製造一獨立之感應器支架9。將單一光電感應器固定在該訂製之感應器支架9中，從而可將其裝入待製造之相機中，而無需進行額外之調整作業。將光電感應器2安裝在獨立訂製之感應器支架 9中之後，可進行一控管量測，以驗證安裝成功與否，從而驗證光學活性感應層4之幾何位置是否正確。

第4圖所示為一具有一殼體12、一光學單元11及一控制裝置13之照相機10之示意圖。在光學單元11之圖像平面17之範圍內，配置一感應器支架9，該感應器支架具有二收納結構8‘及8“分別用於一光電感應器2‘及2“。該二收納結構8‘及8“分別為配置在其上之二感應器殼體3‘及3“特製，而使光學活性感應層4‘及4“之感光平面5‘及5“皆可精確與圖像平面17對準一致。此外，光學活性感應層4‘及4“之位置及其邊緣之間之距離皆可精確調整成具有較低公差。

可以類似之方式量產具有高圖像保真度之光電感應器之相機，例如在攝影測量領域中所應用之相機類型。必要時，以此類馬賽克狀配置之個別光電感應器亦可相對於圖像平面以稍微傾斜及/或凸起或凹陷之界定方式進行配置，例如以一鏡頭補償在圖像邊緣區域之圖像彎曲。通過本文所述之方法及裝置，可用較簡化且極精確之方法產生此類特定之傾斜度及位移。

第1圖至第4圖中所示之示意圖已分別被高度簡化成最基本之元件。然而，根據本文所揭露之教導，所屬技術領域中具有通常知識者可將其應用於實際情況，儘管光電感應器2、感應器支架9及/或測量支架6之元件形狀及設計可能更顯複雜。例如，感應器殼體中安裝光電感應器之區域通常係用一蓋玻片進行密封並進行保護。該蓋玻片之厚度及折射係數係為已知，並可參考相關數據進行應用。