本發(fā)明涉及一種用于包括若干光學(xué)通道的多孔徑光學(xué)器件的相對(duì)定位的設(shè)備和方法。本發(fā)明還涉及一種用于使多孔徑光學(xué)器件與數(shù)字圖像傳感器主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的方法。
背景技術(shù):
當(dāng)制造高分辨率小型化相機(jī)模塊時(shí),集成物鏡的步驟包括執(zhí)行主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程,即,使物鏡(接物鏡)相對(duì)于圖像傳感器主動(dòng)對(duì)準(zhǔn),同時(shí)觀察和評(píng)估出現(xiàn)的圖像。這涉及相對(duì)于圖像傳感器移動(dòng)物鏡并根據(jù)圖像清晰度的預(yù)定義質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估出現(xiàn)的圖像(通常,在圖像中的不同位置處測(cè)量圖像對(duì)比度和/或模塊傳遞函數(shù)[簡(jiǎn)言之:MTRF])。例如通過(guò)使所測(cè)量的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)最大化來(lái)優(yōu)化定位,并且相應(yīng)地相對(duì)于圖像傳感器在該位置固定(例如通過(guò)膠合的手段)物鏡。為此所需的一個(gè)前提條件是,針對(duì)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所利用的物鏡的性質(zhì)(例如圖像對(duì)比度、MTF)將隨著過(guò)程中使用的位置偏移改變?yōu)樽銐蚩蓽y(cè)量的程度,如例如從US 2013/0047396 A1或JP 20070269879已知的。
就主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)而言,如果物鏡的參數(shù)相對(duì)于定位步驟僅稍微變化,則常規(guī)優(yōu)化算法將失敗。后者適用于例如具有大的焦深的物鏡(并且特別地,由微透鏡陣列組成的多孔徑物鏡),其中物鏡和圖像傳感器之間的z距離的變化僅導(dǎo)致圖像清晰度的微小變化,其在實(shí)際情況下難以測(cè)量。
由于關(guān)于光(z)軸的小型化相機(jī)的常規(guī)物鏡的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱布局,在大多數(shù)情況下,工業(yè)自動(dòng)組裝機(jī)器展示五個(gè)自由度(以及因此五個(gè)軸),用于光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的相對(duì)定位(例如,如圖18所描繪,3×沿x、y、z軸的平移+2×關(guān)于x和y軸的傾斜[tx,ty])。因此,所建立的主動(dòng)組裝過(guò)程和機(jī)器不適合于對(duì)準(zhǔn)沒有圍繞z軸的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的物鏡。這些包括:例如,變形物鏡、包括定向選擇性濾光器部件的物鏡,還包括由微透鏡陣列組成的多孔徑物鏡。
圖18示出了用于形成具有所需自由度x,y,z(平移),tx,ty和tz(旋轉(zhuǎn))的符號(hào)的圖像傳感器芯片16的多孔徑成像光學(xué)器件12的組裝布局的示意圖像。
所描述的這兩個(gè)限制適用于多孔徑成像物鏡(簡(jiǎn)言之,多孔徑光學(xué)器件,例如,如從WO 2011/045324 A2已知的所謂的電子簇眼)的組合。多孔徑布置由在x-y平面中一維或二維地延伸的光學(xué)通道陣列組成,每一個(gè)光學(xué)通道捕獲整個(gè)物場(chǎng)的限定部分。
每一個(gè)個(gè)別的光學(xué)通道的孔徑的中心位置相對(duì)于相關(guān)聯(lián)的子圖像的中心的位置(如在每一種情況下在x-y平面中查看)在這里在整個(gè)圖像的重建精度和/或分辨率能力方面起主要作用。孔徑的中心位置和相關(guān)聯(lián)的子圖像的中心位置之差(間距差)必須沿x,y中的平移自由度以所使用的圖像傳感器的一半像素間距和一像素間距之間的精度來(lái)調(diào)整。
已經(jīng)具體地開發(fā)了多孔徑光學(xué)器件的這種布置,以便實(shí)現(xiàn)小型化的相機(jī)模塊,特別是具有超薄結(jié)構(gòu)形式的那些(用于例如在諸如智能電話、平板計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)等的薄設(shè)備中使用的目的)。
因此,其中使用具有非常小的焦距(例如f=1.2mm)并因此具有大的焦深的微透鏡。根據(jù)針對(duì)具有對(duì)波長(zhǎng)W的衍射限制成像的圖像空間(dz)中的焦深的公式dz=4*1*(F/#)^2,例如,對(duì)于波長(zhǎng)為550nm和f數(shù)為F/#=2.4的光,實(shí)現(xiàn)dz=12.7μm的值。
圖19示意性地示出了在多孔徑光學(xué)器件12與圖像傳感器16的像平面BE的對(duì)準(zhǔn)方面的要求。多孔徑光學(xué)器件12包括以一維或二維陣列布置并包括中心的若干光學(xué)通道。位于中心外部的光學(xué)通道被配置為接收傾斜入射的主光線(principle ray)PR。認(rèn)識(shí)到,在外部光學(xué)通道內(nèi)的中心場(chǎng)點(diǎn)的主光線的光以角度阿爾法“α”傾斜入射的情況下,與焦點(diǎn)位置(=例如,在組裝期間的圖像傳感器的臨時(shí)位置)的交叉點(diǎn)由于z位置的差異(“Δz”)而在焦深內(nèi)經(jīng)歷橫向偏移(“Δd”)。在圖像傳感器的像素間距p_px=2μm以及給出的對(duì)應(yīng)大的最大橫向偏移的情況下,根據(jù)幾何關(guān)系tan(α)=Δd/Δz在入射角α=25°處,“Δz”的值最大被允許為Δz=4.3μm。該值位于焦深的范圍內(nèi),使得當(dāng)應(yīng)用于多孔徑成像光學(xué)器件時(shí),基于評(píng)估圖像對(duì)比度的任何現(xiàn)有主動(dòng)組裝技術(shù)不允許相對(duì)于圖像傳感器對(duì)準(zhǔn)物鏡的足夠精度。因此,圖19示出了根據(jù)WO2011/045324A2的多孔徑成像物鏡的示意截面。所示內(nèi)容是針對(duì)光學(xué)通道的平均視線的主光線。放大示出了由于焦深的圖像側(cè)范圍內(nèi)的不同焦點(diǎn)位置Δz和主光線PR的入射角α而引起的外部光學(xué)通道的子圖像的中心的橫向偏移Δd。
為了說(shuō)明這一點(diǎn),下面將給出數(shù)值示例。
相機(jī)參數(shù)包括例如1.2mm的焦距(f)、2μμm的像素間距(ppx)、具有水平59°、垂直46°(對(duì)角線0°)的孔徑角度的視覺范圍。圖像平面上的最大入射角(α)等于25°。微透鏡陣列的尺寸等于(H×W):7.75mm×4.65mm。
這導(dǎo)致相關(guān)聯(lián)的對(duì)準(zhǔn)容差如下:x-y平面中的可容許偏移等于2個(gè)像素的最大值,即Δx≤4μm和Δy≤4μm。圍繞x,y軸的可容許扭轉(zhuǎn)(楔形誤差)等于半個(gè)像素的最大值,即和z軸的可容許扭轉(zhuǎn)等于外部通道中的一個(gè)像素的最大值,即z軸中的偏移(距離誤差)等于外部光學(xué)通道中的一個(gè)像素間距(Δd)的最大值
用于將光學(xué)器件與圖像傳感器對(duì)準(zhǔn)的已知方法已知為例如主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)并且試圖根據(jù)所得到的相應(yīng)圖像的質(zhì)量(在大多數(shù)情況下,對(duì)比度)相對(duì)于圖像傳感器調(diào)整各個(gè)透鏡或整個(gè)組件。
用于主動(dòng)相機(jī)物鏡對(duì)準(zhǔn)的已知設(shè)備主要涉及相對(duì)于在生產(chǎn)環(huán)境中且用于大量物品的圖像傳感器組裝旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的光學(xué)器件,所謂的5D主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。所使用的這種設(shè)備和組裝技術(shù)不可修改以匹配多孔徑物鏡的主動(dòng)組裝的需要。例如,所組裝的軸的精度太小。例如,[1]描述了可以以±5μm的精度調(diào)整x,y,z平移,并且可以以±0.1°的精度調(diào)整tx,ty和/或tz扭轉(zhuǎn),根據(jù)上述數(shù)值示例,這對(duì)于多孔徑光學(xué)器件是不足夠的。組裝過(guò)程的不足的精度基于圖像對(duì)比度的評(píng)估,基于封閉的系統(tǒng)環(huán)境,并且因此基于對(duì)驅(qū)動(dòng)定位系統(tǒng)和讀取所使用的相機(jī)板的訪問(wèn)的缺乏。例如,設(shè)備的制造商將總是指定相同的測(cè)試模式,而不管哪個(gè)客戶端(光學(xué)器件制造商)使用該設(shè)備。
從US 2013/0047396已知使用被動(dòng)和主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的組合的組裝系統(tǒng)。所述系統(tǒng)呈現(xiàn)出與上述相同的限制。
從JP 20070269879已知一種若干相機(jī)模塊的主動(dòng)相機(jī)光學(xué)器件組裝同時(shí)使用圖像對(duì)比度的評(píng)估的方法。該方法也難以或甚至不可能適合于多孔徑光學(xué)器件的要求。
備選構(gòu)思描述了主動(dòng)物鏡架。作為主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)和固定的備選方案,成像物鏡可以安裝在支架中,其使得能夠在稍后的時(shí)間點(diǎn)實(shí)現(xiàn)物鏡和圖像傳感器之間的稍后定位,如例如在US 2011/0298968A1中所描述的。對(duì)圖像傳感器、評(píng)估單元或傳感器的附加反饋通過(guò)諸如自動(dòng)聚焦或光學(xué)圖像穩(wěn)定的主動(dòng)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)此所需的設(shè)計(jì)涉及大量的努力,因此是昂貴的并且限制了相機(jī)模塊的小型化。在小型化多孔徑光學(xué)器件或極小型多孔徑相機(jī)的領(lǐng)域中,迄今為止,由于成本和在減小設(shè)計(jì)大小方面的原因,這種微機(jī)械部件的使用是未知的。
因此,期望的是使得能夠生產(chǎn)包括增加的圖像質(zhì)量和較小的制造容差的多孔徑相機(jī)設(shè)備的概念。
因此,本發(fā)明的目的是提供一種用于定位多孔徑光學(xué)器件的設(shè)備,其包括所生產(chǎn)的相機(jī)模塊的高圖像質(zhì)量以及小的制造容差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
該目的是通過(guò)獨(dú)立專利權(quán)利要求的主題來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明的核心思想在于已經(jīng)認(rèn)識(shí)到可以實(shí)現(xiàn)上述目的,因?yàn)槎嗫讖焦鈱W(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的定位可以基于由圖像傳感器捕獲的參考對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn);基于參考對(duì)象或參考對(duì)象上的參考圖案在圖像傳感器的圖像區(qū)中成像的位置,可以高精度地實(shí)現(xiàn)多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的對(duì)準(zhǔn)。實(shí)際位置與位置(例如,圖像傳感器的全局或局部中心)的比較使得能夠基于位置的比較進(jìn)行調(diào)整。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,一種用于多孔徑光學(xué)器件的相對(duì)定位的設(shè)備包括參考對(duì)象、定位設(shè)備和計(jì)算設(shè)備。參考對(duì)象被布置為使得參考對(duì)象通過(guò)多孔徑光學(xué)器件在光學(xué)通道中被成像到針對(duì)每個(gè)通道的一個(gè)圖像區(qū)。定位設(shè)備能夠被控制以改變多孔徑光學(xué)器件和圖像傳感器之間的相對(duì)位置。計(jì)算設(shè)備被配置為確定參考對(duì)象在參考對(duì)象的圖像中的至少三個(gè)圖像區(qū)中的實(shí)際位置,并且基于實(shí)際位置與位置的比較來(lái)控制定位設(shè)備。這些位置可以是例如在相應(yīng)的一個(gè)圖像區(qū)中和/或在其他圖像區(qū)中的中心位置或其它參考位置。備選地或附加地,例如,位置可以是為比較而存放的目標(biāo)位置?;陉P(guān)于三個(gè)圖像區(qū)的比較,可以實(shí)現(xiàn)高的圖像質(zhì)量、小的位置偏差,并且因此可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備關(guān)于若干或甚至所有圖像區(qū)的高水平的生產(chǎn)容差。
另一實(shí)施例提供了一種設(shè)備,其中計(jì)算設(shè)備被配置為控制固定設(shè)備,固定設(shè)備被配置為硬化布置在多孔徑光學(xué)器件和圖像傳感器之間的膠。這使得能夠固定多孔徑光學(xué)器件和圖像傳感器之間的經(jīng)調(diào)整的相對(duì)位置。
另一實(shí)施例提供了一種設(shè)備,其中圖像傳感器至少包括內(nèi)部圖像區(qū)和圍繞內(nèi)部圖像區(qū)以徑向分布的方式布置的四個(gè)外部圖像區(qū)。四個(gè)外部圖像區(qū)沿著滾動(dòng)軸(例如x軸)和俯仰軸(例如y軸)布置。外部圖像區(qū)與滾動(dòng)軸平行地并且與俯仰軸平行地布置成相對(duì)的對(duì),例如布置成矩形。計(jì)算設(shè)備被配置為基于實(shí)際位置與位置的比較來(lái)確定內(nèi)部圖像區(qū)和至少四個(gè)外部圖像區(qū)中的圖案的圖案偏差。這使得能夠使測(cè)試圖像在內(nèi)部圖像區(qū)中居中并且隨后調(diào)整外部圖像區(qū)中的相應(yīng)圖像,使得可以在利用位置偏差的對(duì)稱性的同時(shí)有利地減小關(guān)于滾動(dòng)軸、俯仰軸和偏轉(zhuǎn)軸的位置偏差。
另一實(shí)施例提供了一種設(shè)備,其中計(jì)算設(shè)備被配置為使在內(nèi)部圖像區(qū)中從參考對(duì)象捕獲的圖像聚焦,這意味著放大距離達(dá)到放大距離目標(biāo)值,以便基于沿著滾動(dòng)軸和沿著俯仰軸的圖案偏差,確定針對(duì)內(nèi)部圖像區(qū)的實(shí)際位置的橫向差,并且控制定位設(shè)備,使得關(guān)于滾動(dòng)軸和俯仰軸的橫向差達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)值,以便獲得圖像,使得其在內(nèi)部圖像區(qū)中被聚焦和居中。計(jì)算設(shè)備還被配置為確定針對(duì)四個(gè)外部圖像區(qū)的圖案距離的楔形誤差差的度量,并且控制定位設(shè)備使得多孔徑光學(xué)器件關(guān)于滾動(dòng)軸和俯仰軸傾斜,使得楔形誤差差達(dá)到目標(biāo)滾動(dòng)值和/或目標(biāo)俯仰值。計(jì)算設(shè)備還被配置為確定沿著各個(gè)外部圖像區(qū)的第一局部和第二局部橫向方向的針對(duì)四個(gè)外部圖像區(qū)的圖案偏差的旋轉(zhuǎn)差,并且控制定位設(shè)備,以使定位設(shè)備使多孔徑光學(xué)器件關(guān)于偏轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),使得旋轉(zhuǎn)差達(dá)到目標(biāo)旋轉(zhuǎn)值。計(jì)算設(shè)備還被配置為確定沿著與滾動(dòng)軸平行的方向和沿著與俯仰軸平行的方向的針對(duì)外部圖像區(qū)中的每一個(gè)的圖案偏差的放大率的差的度量,并且控制定位設(shè)備,以使定位設(shè)備使多孔徑光學(xué)器件沿偏轉(zhuǎn)軸移位,使得放大率的差達(dá)到目標(biāo)放大率值。
關(guān)于該實(shí)施例的有利之處在于,基于圖像相對(duì)于內(nèi)部圖像區(qū)的所述聚焦和居中,在關(guān)于內(nèi)部圖像區(qū)的六個(gè)自由度中實(shí)現(xiàn)了多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的對(duì)準(zhǔn),以便實(shí)現(xiàn)定位的高的精度水平。
根據(jù)另一實(shí)施例,計(jì)算設(shè)備被配置為在相對(duì)于外部圖像區(qū)的一個(gè)或任何對(duì)準(zhǔn)之前,相對(duì)于內(nèi)部圖像區(qū)執(zhí)行圖像的所述聚焦和居中,使得外部圖像區(qū)相對(duì)于內(nèi)部圖像區(qū)的楔形誤差、旋轉(zhuǎn)誤差和/或放大率誤差中的每一個(gè)可以被減小。
關(guān)于該實(shí)施例的有利之處在于,進(jìn)一步提高了定位的精度水平。
另一實(shí)施例提供了一種用于將包括若干光學(xué)通道的多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器相對(duì)定位的方法。
另外的有利實(shí)施例是從屬權(quán)利要求的主題。
附圖說(shuō)明
下面將參考附圖來(lái)解釋本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例,其中:
圖1示出了根據(jù)實(shí)施例的用于包括若干光學(xué)通道的多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的相對(duì)定位的設(shè)備的示意性框圖;
圖2示出了根據(jù)實(shí)施例的與圖1的設(shè)備相比升級(jí)的設(shè)備的示意性框圖,其中計(jì)算設(shè)備被配置為控制固定設(shè)備;
圖3a示出了根據(jù)實(shí)施例的多孔徑光學(xué)器件的示意性橫向截面圖,該多孔徑光學(xué)器件沿著負(fù)滾動(dòng)方向展示相對(duì)于圖像傳感器的位置誤差;
圖3b示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的圖3a的情況的示意性頂視圖;
圖4a示出了根據(jù)實(shí)施例的多孔徑光學(xué)器件的示意性橫向截面圖,其關(guān)于俯仰軸展示相對(duì)于圖像傳感器的楔形誤差;
圖4b示出了根據(jù)實(shí)施例的圖4a的情況的示意性頂視圖;
圖5示出了根據(jù)實(shí)施例的以繞偏轉(zhuǎn)軸或z軸的一角度相對(duì)于圖像傳感器扭轉(zhuǎn)的多孔徑光學(xué)器件的示意性頂視圖;
圖6a示出了根據(jù)實(shí)施例的多孔徑光學(xué)器件的示意性橫向截面圖,該多孔徑光學(xué)器件沿著偏轉(zhuǎn)軸相對(duì)于圖像傳感器展示過(guò)小距離;
圖6b示出了根據(jù)實(shí)施例的圖6a的情況的示意性頂視圖;
圖7a示出了根據(jù)實(shí)施例的多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器展示過(guò)大距離的情況的示意性橫向截面圖;
圖7b示出了根據(jù)實(shí)施例的圖7a的情況的示意性頂視圖;
圖8示出了根據(jù)實(shí)施例的如針對(duì)圖3a和3b所描述的用于通過(guò)x平移和/或y平移來(lái)校正多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的偏移的方法的示意性流程圖;
圖9示出了根據(jù)實(shí)施例的可以由計(jì)算設(shè)備執(zhí)行以便補(bǔ)償如關(guān)于圖4a和4b描述的楔形誤差的方法的示意性流程圖;
圖10示出了根據(jù)實(shí)施例的補(bǔ)償如針對(duì)圖5描述的繞內(nèi)部圖像區(qū)的偏轉(zhuǎn)軸或z軸的扭轉(zhuǎn)的方法的示意性流程圖;
圖11示出了根據(jù)實(shí)施例的用于通過(guò)如針對(duì)圖6a、6b、7a和7b所描述的沿著z軸或偏轉(zhuǎn)軸的平移來(lái)對(duì)準(zhǔn)多孔徑光學(xué)器件的方法的示意性流程圖;
圖12示出了根據(jù)實(shí)施例的如可以例如在圖8、圖9、圖10或圖11中的任一個(gè)的方法之一之前執(zhí)行以便實(shí)現(xiàn)所述方法的魯棒處理流的方法的示意性流程圖;
圖13示出了根據(jù)實(shí)施例的方法的示意性流程圖,其中可以有利地沿著六個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)高定位精度;
圖14示出了用于說(shuō)明根據(jù)實(shí)施例的例如用于圖像區(qū)的全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系之間的關(guān)系的示意圖;
圖15示出了根據(jù)實(shí)施例的由具有光學(xué)通道的2D布置的包括多孔徑光學(xué)器件和圖像傳感器的多孔徑物鏡在對(duì)象平面中進(jìn)行掃描的示意表示;
圖16示出了根據(jù)實(shí)施例的用于示出圖15的關(guān)系的包括多孔徑光學(xué)器件和圖像傳感器的示意性橫向截面圖;
圖17a示出了根據(jù)實(shí)施例的相對(duì)于圖像傳感器調(diào)整的多孔徑光學(xué)器件的示意性橫向截面圖;
圖17b示出了根據(jù)實(shí)施例的圖17a的情況的示意性頂視圖;
圖18示出了用來(lái)形成圖像傳感器芯片的多孔徑成像光學(xué)器件的組裝布局的示意圖像;以及
圖19示出了用于示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的關(guān)于多孔徑光學(xué)器件與圖像傳感器的圖像平面的對(duì)準(zhǔn)的要求的示意性橫向截面圖。
具體實(shí)施方式
在下面將通過(guò)附圖給出關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施例的詳細(xì)解釋之前,應(yīng)當(dāng)注意,相同或具有相同功能或相同動(dòng)作的元件、對(duì)象和/或結(jié)構(gòu)在各種圖中被提供有相同的附圖標(biāo)記,以使得在不同實(shí)施例中呈現(xiàn)的所述元件的描述可相互交換和/或相互適用。
在下文中,將參考多孔徑光學(xué)器件和具有若干圖像區(qū)的圖像傳感器相對(duì)于彼此的對(duì)準(zhǔn)。相對(duì)對(duì)準(zhǔn)基本上可以在六個(gè)自由度上進(jìn)行,這六個(gè)自由度描述了沿著三個(gè)空間方向x,y和z的平移以及繞x,y和z軸的旋轉(zhuǎn)。另外,以下解釋涉及滾動(dòng)軸、俯仰軸和偏轉(zhuǎn)軸,為了簡(jiǎn)化理解,在多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的理想對(duì)準(zhǔn)的情況下,所述滾動(dòng)軸、俯仰軸和偏轉(zhuǎn)軸在三維空間中分別與內(nèi)部圖像區(qū)的x,y和z軸平行或一致地布置。在本上下文中,x,y和/或z坐標(biāo)涉及圖像傳感器的圖像區(qū)內(nèi)的相應(yīng)局部坐標(biāo)系。滾動(dòng)、俯仰和/或偏轉(zhuǎn)坐標(biāo)或方向涉及在其中布置圖像傳感器和/或多孔徑光學(xué)器件的全局坐標(biāo)系。
圖像傳感器的內(nèi)部圖像區(qū)的坐標(biāo)系和由滾動(dòng)軸、俯仰軸和偏轉(zhuǎn)軸確定的(全局)坐標(biāo)系可以包括相同的原點(diǎn),因此,當(dāng)例如多孔徑光學(xué)器件繞全局原點(diǎn)扭轉(zhuǎn)或移動(dòng)時(shí)可以包括相同的支點(diǎn)。坐標(biāo)系被描述為笛卡爾坐標(biāo)系,也可能使用其他坐標(biāo)系作為基礎(chǔ)。它們可以通過(guò)坐標(biāo)變換來(lái)可相互變換。下面描述的實(shí)施例可以在沒有任何關(guān)于優(yōu)點(diǎn)方面的限制的情況下執(zhí)行或?qū)崿F(xiàn),即使當(dāng)使用其他坐標(biāo)系作為基礎(chǔ)時(shí)也是如此。
圖1示出了用于包括若干光學(xué)通道14a-c的多孔徑光學(xué)器件12相對(duì)于圖像傳感器16的相對(duì)定位的設(shè)備10的示意性框圖。設(shè)備10包括參考對(duì)象18,參考對(duì)象18被布置為使得參考對(duì)象18通過(guò)多孔徑光學(xué)器件12在光學(xué)通道14a-c中被成像到針對(duì)每個(gè)通道的圖像區(qū)22a-c。
設(shè)備10包括可控制以改變多孔徑光學(xué)器件12和圖像傳感器16之間的相對(duì)位置的定位設(shè)備24。有利地,定位設(shè)備被配置為根據(jù)在三維空間中的六個(gè)自由度相對(duì)于圖像傳感器16移動(dòng)多孔徑光學(xué)器件12。然而,將定位設(shè)備24配置為在三維空間中移動(dòng)圖像傳感器16也是可行的。此外,可以想到的是,定位設(shè)備在三維空間中沿著小于六個(gè)自由度移動(dòng)多孔徑光學(xué)器件12或圖像傳感器16。
設(shè)備10還包括計(jì)算設(shè)備26,其被配置為在參考對(duì)象18的圖像中確定參考對(duì)象18在至少三個(gè)圖像區(qū)22a-c中的實(shí)際位置,并且基于實(shí)際位置與位置的比較來(lái)控制定位設(shè)備24。這些位置可以是參考對(duì)象18在調(diào)整的狀態(tài)下成像的參考位置,例如圖像區(qū)22a-c(局部)或圖像傳感器16(全局)的中心位置。
例如,計(jì)算設(shè)備26被配置為接收和評(píng)估圖像區(qū)22a-c中的相應(yīng)圖像。圖像傳感器可以是電荷耦合器件(CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)或任何其它數(shù)字圖像傳感器。
圖像區(qū)22a-c可以布置在圖像傳感器16處或圖像傳感器16中,使得它們彼此間隔開。備選地,圖像區(qū)22a-c也可以是連續(xù)像素矩陣的一部分,其可以例如通過(guò)尋址相應(yīng)像素的不同方式來(lái)彼此可區(qū)分。例如,圖像區(qū)22a-c中的每一個(gè)被配置為捕獲參考對(duì)象18的一部分。在相應(yīng)部分中,例如,可以布置測(cè)試圖案或其一部分,使得相應(yīng)部分的相應(yīng)測(cè)試圖案在相應(yīng)圖像區(qū)22a-c中成像;一旦布置,測(cè)試圖案可以被設(shè)置為使得可以針對(duì)圖像區(qū)22a-c中的一個(gè)、若干或全部來(lái)捕獲。
多孔徑光學(xué)器件12、圖像傳感器16和參考對(duì)象18的部件中的兩個(gè)的限定對(duì)準(zhǔn)(例如參考對(duì)象18相對(duì)于圖像傳感器16或相對(duì)于孔徑光學(xué)器件12的限定對(duì)準(zhǔn)和/或定位)使得在多孔徑光學(xué)器件12相對(duì)于圖像傳感器16具有無(wú)誤差的位置或?qū)?zhǔn)或者被布置在可接受的容差內(nèi)時(shí)能夠評(píng)估將在圖像區(qū)22a-c中從參考對(duì)象18捕獲的目標(biāo)圖像。因此,可以基于實(shí)際位置和(目標(biāo))位置的比較來(lái)實(shí)現(xiàn)多孔徑光學(xué)器件12和圖像傳感器16之間的相對(duì)對(duì)準(zhǔn)。這意味著,計(jì)算設(shè)備被配置為基于圖像區(qū)的實(shí)際位置相對(duì)于其他圖像區(qū)中的實(shí)際位置的比較來(lái)控制定位設(shè)備。
與基于所捕獲圖像的對(duì)比度的對(duì)準(zhǔn)相比,這使得能夠?qū)崿F(xiàn)高精度,因?yàn)榛诙嗫讖焦鈱W(xué)器件12的焦深范圍的對(duì)比度導(dǎo)致不精確或甚至錯(cuò)誤的結(jié)果。參考對(duì)象18和圖像傳感器16之間的距離可以例如小于2m、小于1m或小于50cm。原則上,參考對(duì)象18和圖像傳感器16之間的距離可以根據(jù)圖像傳感器16的實(shí)現(xiàn)、根據(jù)多孔徑光學(xué)器件12和/或根據(jù)設(shè)想的放大率或分辨率而取決于應(yīng)用。
圖2示出了與設(shè)備10相比升級(jí)的設(shè)備20的示意性框圖,其中計(jì)算設(shè)備26被配置為控制固定設(shè)備28。固定設(shè)備28被配置為硬化布置在多孔徑光學(xué)器件12和圖像傳感器16之間的膠32。例如,當(dāng)多孔徑光學(xué)器件12相對(duì)于圖像傳感器16被定位時(shí),所述多孔徑光學(xué)器件12可以通過(guò)膠32與圖像傳感器16接觸。膠32可以例如是可以在紫外(UV)光下硬化的粘合劑。固定設(shè)備28可以是例如UV光源,其在由計(jì)算設(shè)備26驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上發(fā)射UV光,以便硬化膠32。備選地,膠32可以是熱固性粘合劑,可能的是,固定設(shè)備28被配置為熱源。原則上,固定設(shè)備28還可以被配置為在圖像傳感器16和多孔徑光學(xué)器件12之間建立不同的機(jī)械連接,例如夾連接、螺紋連接、鉚接連接和/或焊接連接。
在上文中有利的是,多孔徑光學(xué)器件12和圖像傳感器16之間的設(shè)定相對(duì)位置可以有可能被固定,而沒有任何進(jìn)一步的中間步驟,因此可以防止定位誤差的增加。備選地,固定設(shè)備28也可以是設(shè)備20的一部分。
參考對(duì)象18具有參考區(qū)33a-c中布置的子圖案和/或標(biāo)記35a-c的形式的圖案,使得在每一種情況下,一個(gè)子圖案35a-c被光學(xué)通道14a-c之一捕獲,并且被成像到相應(yīng)圖像區(qū)22a-c作為記號(hào)。這使得能夠使圖像傳感器16與參考對(duì)象18上的參考圖案對(duì)準(zhǔn),用于隨后的多孔徑光學(xué)器件的調(diào)整,可能的是,例如通過(guò)使用光學(xué)定律和零偏差孔徑光學(xué)器件來(lái)執(zhí)行對(duì)準(zhǔn)。
在參考對(duì)象上使用測(cè)試圖案使得能夠例如通過(guò)計(jì)算設(shè)備26基于圖像區(qū)22a-c中的邊緣檢測(cè)來(lái)評(píng)估圖像區(qū)22a-c。用于此的算法可以以準(zhǔn)確和魯棒的方式來(lái)使用。參考對(duì)象上的合適標(biāo)記可以是例如遵循幾何排列的十字、圓形或H結(jié)構(gòu)。原則上,也可以布置其他結(jié)構(gòu)——然而優(yōu)選地是這樣的結(jié)構(gòu),其相對(duì)于點(diǎn)結(jié)構(gòu)展示大的邊緣長(zhǎng)度。即使在上面的解釋中,記號(hào)的布置總是被描述為x配置,但是也可行的是,標(biāo)記以星形星座圖、圓形星座圖等出現(xiàn),由此記號(hào)可能被投影到圖像傳感器上的更多、更少和/或其他圖像區(qū)。上述實(shí)施例使得能夠簡(jiǎn)單地調(diào)整位置的確定和位置偏差的評(píng)估,使得不同的測(cè)試圖案容易可適用。
隨后的解釋涉及從計(jì)算設(shè)備26輸送到定位設(shè)備24的驅(qū)動(dòng)步驟,以便驅(qū)動(dòng)定位設(shè)備24,使得相應(yīng)的多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器在三維空間中移動(dòng)。下面描述的誤差補(bǔ)償步驟將以有利地使得能夠?qū)崿F(xiàn)多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器在六個(gè)自由度上的精確對(duì)準(zhǔn)的順序來(lái)描述。定位設(shè)備26可以備選地被配置為僅執(zhí)行所描述的誤差補(bǔ)償步驟中的一個(gè)或多個(gè)和/或以修改的順序?qū)ζ溥M(jìn)行執(zhí)行。
圖3a示出了多孔徑光學(xué)器件12的示意性橫向截面圖,其相對(duì)于圖像傳感器16展示沿著負(fù)滾動(dòng)方向的位置誤差。圖3b示出了這種情況的示意性頂視圖。在圖3a中,圖像傳感器16被布置在印刷電路板36處并與其接觸,使得可以通過(guò)印刷電路板36處的計(jì)算設(shè)備獲得來(lái)自圖像傳感器16的圖像區(qū)22a-f的所捕獲圖像。
沿著負(fù)滾動(dòng)方向的橫向位置誤差導(dǎo)致圖像傳感器16和多孔徑光學(xué)器件12之間的相對(duì)位置差ΔR。光學(xué)設(shè)備的微圖像中心,即光學(xué)通道14a-f的中心37已經(jīng)例如沿著負(fù)滾動(dòng)方向經(jīng)歷位置差為ΔR的線性位移。
參考對(duì)象包括測(cè)試對(duì)象結(jié)構(gòu)。為此,例如一個(gè)或多個(gè)十字“+”形式的標(biāo)記作為標(biāo)記(例如標(biāo)記35)被布置在參考對(duì)象上,其通過(guò)光學(xué)通道14a-f在相應(yīng)圖像區(qū)22a-e中被捕獲為記號(hào)38a-e。
由滾動(dòng)軸、俯仰軸和偏轉(zhuǎn)軸所橫跨的坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)可以被布置在內(nèi)部圖像區(qū)22e的局部x/y/z坐標(biāo)系的原點(diǎn)中。計(jì)算設(shè)備(例如計(jì)算設(shè)備26)被配置為使標(biāo)記38e相對(duì)于圖像區(qū)22e聚焦。為此,計(jì)算設(shè)備可以被配置為驅(qū)動(dòng)定位設(shè)備(例如定位設(shè)備24),以便該定位設(shè)備關(guān)于圖像區(qū)22e沿z軸改變了多孔徑光學(xué)器件12相對(duì)于圖像傳感器16的距離,使得記號(hào)38e被聚焦在圖像區(qū)22e中。這意味著計(jì)算設(shè)備被配置為確定內(nèi)部圖像區(qū)22e的實(shí)際位置(記號(hào)38被成像的位置)的圖案距離的放大距離的度量,并且控制定位設(shè)備,以便該定位設(shè)備使多孔徑光學(xué)器件12沿著z軸或偏轉(zhuǎn)軸移位,使得放大距離達(dá)到放大距離目標(biāo)值。例如,計(jì)算設(shè)備26可以被配置為確定圖案38e沿內(nèi)部圖像區(qū)22e的一個(gè)或兩個(gè)軸x和/或y的延伸,并將其與比較值進(jìn)行比較。如果記號(hào)38e的所捕獲圖案較大或較小,則可以分別增大或減小多孔徑光學(xué)器件12和圖像傳感器16之間的距離。
計(jì)算裝置被配置為例如隨后基于例如關(guān)于x和y軸的坐標(biāo)原點(diǎn)的圖案偏差確定記號(hào)38e的實(shí)際位置針對(duì)內(nèi)部圖像區(qū)22e的橫向差的度量。這意味著計(jì)算設(shè)備被配置為確定沿x軸的橫向差的度量和沿y軸的圖案偏差的橫向差的度量。計(jì)算裝置被配置為控制定位設(shè)備,使得橫向差達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)值。
簡(jiǎn)單地說(shuō),這意味著定位設(shè)備使多孔徑光學(xué)器件12和/或圖像傳感器16沿著x軸和/或y軸(在沿著滾動(dòng)軸和/或俯仰軸的全局坐標(biāo)系中)移位,直達(dá)到到橫向差目標(biāo)值。例如,可以通過(guò)將記號(hào)38e投影(protect)到圖像區(qū)22e的局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)來(lái)達(dá)到一個(gè)或兩個(gè)橫向差目標(biāo)值。容差范圍可以例如通過(guò)可容許的偏差(例如,一個(gè)或兩個(gè)像素的位移)或者通過(guò)可達(dá)到的測(cè)量精度來(lái)限定。可達(dá)到的測(cè)量精度可以基于例如兩個(gè)像素的距離,使得記號(hào)38e的投影關(guān)于圖像區(qū)22e的坐標(biāo)原點(diǎn)的偏差(該偏差小于像素距離并且可能不被檢測(cè)到)可以被認(rèn)為是足夠精確的,使得達(dá)到相應(yīng)的橫向差目標(biāo)值。
膠32被布置在印刷電路板36和多孔徑光學(xué)器件12之間,使得多孔徑光學(xué)器件12相對(duì)于圖像傳感器16的設(shè)定位置可以被固定。
換句話說(shuō),圖3a和圖3b示出了借助于x平移的物鏡的偏移。由于y平移導(dǎo)致的位置誤差可以在對(duì)應(yīng)的截面圖中產(chǎn)生等效的結(jié)果圖像。
所有微圖像中心(虛線圓的中心)在x和/或y維度上相對(duì)于相應(yīng)圖像區(qū)的中心沿著滾動(dòng)軸線性移動(dòng)距離ΔR。該對(duì)準(zhǔn)可能僅僅通過(guò)中心光學(xué)通道14e中的測(cè)試對(duì)象結(jié)構(gòu)(即記號(hào)38e)的所確定的圖像坐標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn),其包括坐標(biāo)x0,0,y0,0,xi,j和/或yi,j,其指示相應(yīng)圖像區(qū)的相對(duì)位置,如例如針對(duì)圖15的參考對(duì)象上的位置所描述的。
最初,測(cè)試對(duì)象結(jié)構(gòu)的圖像被聚焦在中心光學(xué)通道中(沿著z軸平移)。隨后,物鏡沿著x軸和/或沿著y軸移位,直到中心測(cè)試對(duì)象的圖像的幾何中心位于中心處,即在圖像矩陣的全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)O中。對(duì)于測(cè)試對(duì)象結(jié)構(gòu)的所測(cè)量圖像坐標(biāo),可以滿足以下等效條件:
r0,0-O=0
其中,
其中ri,j描述例如在全局圖像坐標(biāo)系中具有索引(i,j)的位域的徑向坐標(biāo)。
rimax、rjmax、r-imax和r-jmax涉及該外部圖像區(qū)的徑向坐標(biāo),其在+i、-i、+j和-j中分別包括相對(duì)于記號(hào)被成像到的那些圖像區(qū)的最大位置。
由于可能不能實(shí)現(xiàn)“零”的結(jié)果,所以實(shí)際上,通過(guò)限定所測(cè)量的圖像坐標(biāo)的差,或者對(duì)對(duì)應(yīng)于組件的期望精度的量的結(jié)果的四舍五入(放大距離目標(biāo)值和/或橫向差目標(biāo)值),或者高于由該規(guī)則產(chǎn)生的差的對(duì)應(yīng)控制值,使得偏差位于容差范圍內(nèi)。這也適用于下述精細(xì)對(duì)準(zhǔn)步驟的條件。
圖3a和3b以及多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的對(duì)準(zhǔn)(在本上下文中描述該對(duì)準(zhǔn))可以作為在下面描述的調(diào)整步驟中的一個(gè)、若干或任何一個(gè)之前的粗略對(duì)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行。
圖4a示出了多孔徑光學(xué)器件12的示意性橫向截面圖,其相對(duì)于圖像傳感器16展示關(guān)于俯仰軸的楔形誤差ΔtN。即,關(guān)于俯仰軸,多孔徑光學(xué)器件12相對(duì)于圖像傳感器16傾斜角度ΔtN。圖4b示出了圖4a的情況的示意性頂視圖。參考對(duì)象上的測(cè)試圖案關(guān)于中心圖像區(qū)22a居中并聚焦,這意味著記號(hào)38e被投影到圖像區(qū)22e上,以便達(dá)到關(guān)于x軸和y軸的距離目標(biāo)值和橫向差目標(biāo)值。楔形誤差導(dǎo)致記號(hào)38a-d展示在x和/或y方向上的偏差。
計(jì)算設(shè)備被配置為確定記號(hào)38a-d關(guān)于圖像區(qū)22a-d的中心(例如幾何中心)的位移。例如,如果多孔徑光學(xué)器件12的焦點(diǎn)位置展示相對(duì)于圖像傳感器16的誤差,則楔形誤差可以由計(jì)算設(shè)備通過(guò)以下事實(shí)來(lái)確定:記號(hào)38a-e相對(duì)于圖像區(qū)22a-d的中心的距離對(duì)于每一對(duì)是相同的??梢岳缭诙嗫讖焦鈱W(xué)器件12繞滾動(dòng)軸(繞x軸-tx)旋轉(zhuǎn)時(shí)補(bǔ)償一對(duì),因?yàn)橛?jì)算設(shè)備驅(qū)動(dòng)定位設(shè)備使得多孔徑光學(xué)器件12繞滾動(dòng)軸旋轉(zhuǎn),直到記號(hào)38a和38c以及38b和38d相對(duì)于圖像區(qū)22a-d的相應(yīng)中心的距離分別相同。
另外,可以補(bǔ)償由繞俯仰軸(繞y軸-ty)旋轉(zhuǎn)引起的楔形誤差,因?yàn)橛?jì)算設(shè)備驅(qū)動(dòng)定位設(shè)備,以便定位設(shè)備使多孔徑光學(xué)器件12繞俯仰軸旋轉(zhuǎn),直到記號(hào)38a和38b以及38c和38d相對(duì)于圖像區(qū)22a-d的相應(yīng)中心的距離分別相同。這意味著記號(hào)38a-d相對(duì)于圖像區(qū)22a-d的中心的相應(yīng)距離可以包括實(shí)際位置關(guān)于相應(yīng)外部圖像區(qū)22a-d的圖案距離的楔形誤差差的度量,并且計(jì)算設(shè)備被配置為確定所述楔形誤差差。通過(guò)相對(duì)于滾動(dòng)軸或俯仰軸傾斜多孔徑光學(xué)器件12,可以改變楔形誤差差,使得它們達(dá)到目標(biāo)滾動(dòng)值或目標(biāo)俯仰值,如上所述,其在容差范圍內(nèi)可以位于大約零值。在楔形誤差補(bǔ)償之前,可以執(zhí)行如針對(duì)圖3a和圖3b所述的粗略對(duì)準(zhǔn)。
換句話說(shuō),為了在繞x軸的扭轉(zhuǎn)tx期間和/或繞y軸的扭轉(zhuǎn)ty期間使多孔徑光學(xué)器件12對(duì)準(zhǔn),這意味著在楔形誤差補(bǔ)償期間,最初將測(cè)試對(duì)象結(jié)構(gòu)的圖像聚焦在中心光學(xué)通道中,即執(zhí)行沿著z軸的平移。隨后,通過(guò)沿著x軸和/或y軸移位圖像,圖像被居中在圖像原點(diǎn)O=(0,0)中。楔形誤差導(dǎo)致拐角通道中的測(cè)試對(duì)象結(jié)構(gòu)的圖像的所測(cè)量位置(即,外部圖像區(qū)22a-d的所測(cè)量位置)與相應(yīng)圖像原點(diǎn)的不同徑向距離。這可以通過(guò)使多孔徑物鏡按x軸和/或y軸(滾動(dòng)軸和/或俯仰軸)旋轉(zhuǎn)來(lái)至少部分地校正,直到滿足外部圖像區(qū)22a-d的以下條件:
在繞x軸(tx)旋轉(zhuǎn)時(shí):等同于
ri max,j max-ri max,-j max=0以及等同于
r-i max,j max-r-i max,-j max=0
在繞y軸(ty)旋轉(zhuǎn)時(shí):等同于
ri max,j max-r-i max,j max=0以及等同于
ri max,-j max-r-i max,-j max=0
對(duì)于四個(gè)外部圖像區(qū),楔形誤差可以關(guān)于滾動(dòng)軸(繞滾動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn))和/或關(guān)于俯仰軸(繞俯仰軸的扭轉(zhuǎn))軸向?qū)ΨQ。
因此,圖4a和圖4b示出了通過(guò)繞y軸的扭轉(zhuǎn)的物鏡的偏移(y楔形誤差)——繞x軸的扭轉(zhuǎn)可以在對(duì)應(yīng)的等效橫向視圖中產(chǎn)生等效的結(jié)果圖像。關(guān)于正或負(fù)旋轉(zhuǎn)角度的扭轉(zhuǎn)的結(jié)果也可以從上述解釋類推地確定和/或補(bǔ)償。
圖5示出了多孔徑光學(xué)器件12的示意性頂視圖,其相對(duì)于圖像傳感器16繞中心圖像區(qū)22e的偏轉(zhuǎn)軸或z軸扭轉(zhuǎn)角度δ。計(jì)算設(shè)備被配置為例如確定記號(hào)38a-d離相應(yīng)外部圖像區(qū)22a-d的中心的距離?;诮嵌圈牡男D(zhuǎn),記號(hào)38a-d均離相應(yīng)中心有一段距離。對(duì)于圖像區(qū)22a和22b,所述距離沿著相應(yīng)的x方向差不多相同。同樣,圖像區(qū)22c和22d的距離在x方向上相同。在相應(yīng)圖像區(qū)的y方向上,對(duì)于圖像區(qū)22a和22c以及22b和22d,距離大致分別相同。分別關(guān)于圖像區(qū)22a和22b以及22c和22d的x距離的度量以及分別對(duì)于圖像區(qū)22a和22c以及22b和22d的沿著y方向的距離的度量可以由計(jì)算設(shè)備確定為外部圖像區(qū)22a-d中的每一個(gè)的圖案偏差的旋轉(zhuǎn)差的度量。
計(jì)算設(shè)備被配置為控制定位設(shè)備,以便定位設(shè)備使多孔徑光學(xué)器件12和/或圖像傳感器16繞偏轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。可以通過(guò)繞偏轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)來(lái)減小旋轉(zhuǎn)差δ,直到它達(dá)到容差范圍內(nèi)例如為零的目標(biāo)旋轉(zhuǎn)值。對(duì)于四個(gè)外部圖像區(qū)22a-d,旋轉(zhuǎn)誤差可以是關(guān)于全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的。
換句話說(shuō),在繞中心圖像區(qū)的t軸的扭轉(zhuǎn)tz時(shí),這意味著為了校正z扭轉(zhuǎn),對(duì)準(zhǔn)最初涉及將測(cè)試對(duì)象結(jié)構(gòu)的圖像聚焦在中心光學(xué)通道中(沿著z軸平移),隨后通過(guò)使圖像沿著x軸和/或y軸移位而將其居中在圖像原點(diǎn)O=(0,0)中。繞z軸的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致位移,其在相應(yīng)局部坐標(biāo)系中在針對(duì)測(cè)試結(jié)構(gòu)38a-d的圖像的繞中心內(nèi)部圖像區(qū)22e對(duì)稱定位的光學(xué)通道14a-d的量上是相等的,即:r′-i max,j max=r-imax,-jmax=ri max,-j max=ri max,j max其中,在具有索引(i,j)和/或相關(guān)聯(lián)的圖像區(qū)22a-e的相應(yīng)外部光學(xué)通道14a-e中徑向局部坐標(biāo)為
圖6a示出了多孔徑光學(xué)器件12的示意性橫向截面圖,其相對(duì)于圖像傳感器16包括沿著偏轉(zhuǎn)軸的與目標(biāo)值Gtarget相比太小的距離G。在多孔徑光學(xué)器件12中的距離G可以涉及多孔徑光學(xué)器件12的雜散光抑制結(jié)構(gòu)39的面向圖像傳感器16的表面與圖像傳感器16的面向雜散光抑制結(jié)構(gòu)39的表面之間的距離。備選地,距離G還可以涉及圖像傳感器16的面向多孔徑光學(xué)器件12的表面與多孔徑光學(xué)器件12的不同參考平面(例如面向?qū)ο髤^(qū)或圖像傳感器的透鏡平面、或不同的參考平面)的表面之間的距離。此外,距離G還可以涉及關(guān)于圖像傳感器16的不同參考平面,例如涉及其上圖像傳感器16被布置在印刷電路板32處的表面。目標(biāo)值Gtarget可以涉及多孔徑光學(xué)器件12的后焦點(diǎn)距離和/或涉及多孔徑光學(xué)器件12和圖像傳感器16之間的距離G,在該距離G處,可以獲得投影到圖像平面中的圖像的期望的或最佳的清晰度。目標(biāo)值Gtarget可以被稱為距離目標(biāo)值。備選地或附加地,目標(biāo)值Gtarget可以涉及多孔徑光學(xué)器件12和圖像傳感器16之間的距離的任何其他目標(biāo)值。距離目標(biāo)值Gtarget和距離G之間的偏差(例如差)可以被稱為例如由ΔG=G-Gtarget或ΔG=Gtarget-G表示的距離差ΔG。如果距離差具有不同于0的值,則這可能導(dǎo)致可確定的放大率誤差,這意味著對(duì)象區(qū)可能被成像為太大或太小的圖像。
圖6b示出了針對(duì)這種情況的多孔徑光學(xué)器件12和圖像傳感器16的示意性頂視圖。與被正確設(shè)定使得例如距離差ΔG具有大致0的值的距離G相比,包括記號(hào)38a-e的參考對(duì)象可以在太小的距離G并因此具有不同于0(例如,小于0)的值的距離差ΔG的基礎(chǔ)上以放大的方式被表示或成像。這導(dǎo)致在外部圖像區(qū)22a-d中成像的記號(hào)包括相對(duì)于中心內(nèi)部圖像區(qū)22e的中心沿著全局滾動(dòng)軸和俯仰軸增加的徑向距離。關(guān)于相應(yīng)的局部x/y坐標(biāo)系,這意味著記號(hào)38a在圖像區(qū)22a內(nèi)朝向負(fù)x值和正y值移位,記號(hào)38b朝向正x值和正y值移位,記號(hào)38c朝向負(fù)x值和負(fù)y值移位,并且記號(hào)38d朝向正x值和負(fù)y值移位。沿著相應(yīng)x方向分別對(duì)于圖像區(qū)22b和22d及22a和22c,以及沿著相應(yīng)y方向分別對(duì)于圖像區(qū)22a和22b及22c和22d,對(duì)應(yīng)的位移差不多相等,使得在這里也存在關(guān)于局部和/或全局坐標(biāo)原點(diǎn)的對(duì)稱。
參考圖6a,計(jì)算設(shè)備被配置為通過(guò)例如針對(duì)外部圖像區(qū)22a-d中的至少一個(gè)、若干或每一個(gè)確定相應(yīng)記號(hào)38a-d被成像到的徑向局部坐標(biāo)來(lái)確定距離差ΔG的度量。與零值的偏差(這意味著相應(yīng)的記號(hào)38a-d位于相應(yīng)圖像區(qū)22a-d的相應(yīng)中心(x=0,y=0)的外部)可以借助于計(jì)算設(shè)備被確定為圖案偏差的距離差ΔG的度量。計(jì)算設(shè)備被配置為控制定位設(shè)備,以便定位設(shè)備使多孔徑光學(xué)器件12沿著偏轉(zhuǎn)軸移位,使得圖像區(qū)22a-d的距離差ΔG達(dá)到目標(biāo)距離值Gtarget,例如因?yàn)榫嚯x在這樣的時(shí)間內(nèi)變化或改變,直到記號(hào)38a-d在圖像區(qū)22a-d的中心成像為止。距離差目標(biāo)值可以例如在距離差ΔG的容差范圍內(nèi)位于零值附近或在容差范圍內(nèi)位于目標(biāo)值ΔGtarget附近。一旦已經(jīng)補(bǔ)償了任何傾斜誤差,如例如對(duì)于圖4a和圖4b已經(jīng)描述的,距離差ΔG關(guān)于外部圖像區(qū)22a-d可以是相同的。
圖7a示出了與目標(biāo)值Gtarget相比,多孔徑光學(xué)器件12相對(duì)于圖像傳感器16包括太大的距離G(即記號(hào)38a-d在每一種情況下在內(nèi)部圖像區(qū)22d的方向上移位)的情況的示意性橫向截面圖。圖7b示出了圖7a的情況的示意性頂視圖。計(jì)算設(shè)備被配置為控制定位設(shè)備移動(dòng)多孔徑光學(xué)器件12和/或圖像傳感器16,使得距離G以及因此距離差ΔG的度量減小,從而使得距離差ΔG達(dá)到(距離差)目標(biāo)值。
換句話說(shuō),目標(biāo)焦點(diǎn)距離和實(shí)際焦點(diǎn)距離之差要盡可能地減小。為此,可以使用圖像區(qū)22a中的放大率的確定。如果由于制造容差,未精確地達(dá)到目標(biāo)焦距和因此光學(xué)器件的后焦點(diǎn)距離的目標(biāo)值,則可以在粗略對(duì)準(zhǔn)之后測(cè)量圖像區(qū)22e中的放大率,并且可以通過(guò)使用對(duì)所實(shí)現(xiàn)的放大率(或根據(jù)其導(dǎo)出的焦距)的了解來(lái)相應(yīng)地調(diào)整用于精細(xì)對(duì)準(zhǔn)的測(cè)試圖案。后焦點(diǎn)距離的精確數(shù)值可以有可能被忽略。
為此,例如在沿著z軸的平移期間的對(duì)準(zhǔn)(校正距離誤差)過(guò)程中,測(cè)試對(duì)象結(jié)構(gòu)的圖像首先粗略地聚焦在中心光學(xué)通道中(沿著z軸平移),并且隨后通過(guò)沿著z軸和/或y軸移位來(lái)居中在圖像原點(diǎn)O=(0,0)中。在多孔徑物鏡相對(duì)于圖像傳感器的z距離太小的情況下,陣列的拐角中的測(cè)試結(jié)構(gòu)的圖像朝向更大的(在幅度方面)的全局圖像坐標(biāo)移位。在距離太大的情況下,所述移位被反轉(zhuǎn),使得測(cè)試結(jié)構(gòu)的圖像朝向更小(在幅度方面)的全局圖像坐標(biāo)移位。因此,z距離在這樣的時(shí)間內(nèi)變化,直到測(cè)試結(jié)構(gòu)的圖像位于相應(yīng)通道的中心內(nèi)為止和/或直到滿足以下條件(同時(shí)考慮容差范圍)為止:
r′-i max,j max=r′-i max,-j max=r′i max,-j max=r′i max,j max=0
圖8示出了用于通過(guò)如針對(duì)圖3a和圖3b所描述的x平移和/或y平移來(lái)校正多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的偏移的方法800的示意性流程圖。方法800包括兩個(gè)處理階段810和850。借助于處理階段810,可以補(bǔ)償沿著x軸或滾動(dòng)軸的位置誤差。借助于處理階段850,可以通過(guò)沿著y方向或俯仰方向的平移來(lái)補(bǔ)償位置誤差,一旦已經(jīng)執(zhí)行了處理階段810或850,就可以切換到相應(yīng)另一個(gè)處理階段或切換到結(jié)束過(guò)程800。備選地,過(guò)程800可以以處理階段810或處理階段850開始,隨后的圖示通過(guò)示例描述了借助于處理階段810的方法800的開始。這意味著,可以順序地執(zhí)行處理階段810和850,并且因此,順序地執(zhí)行沿著x方向和y方向的位置的校正,并且因此一個(gè)接一個(gè)地順序地達(dá)到目標(biāo)滾動(dòng)值和目標(biāo)俯仰值。
處理階段810的步驟812涉及聚焦中心光學(xué)通道或參考對(duì)象相對(duì)于中心光學(xué)通道的子區(qū)域。在步驟812之后的步驟814涉及例如借助于計(jì)算設(shè)備確定相應(yīng)的測(cè)試結(jié)構(gòu)(即在內(nèi)部圖像區(qū)中成像的記號(hào))離相應(yīng)圖像中的P0,0的位置。因此,該確定基于如針對(duì)圖15所描述的中心光學(xué)通道的全局坐標(biāo)P0,0。
在步驟814之后的步驟816涉及將所確定的沿著滾動(dòng)軸或局部x軸的位置作為起始值x0,0存儲(chǔ)在例如計(jì)算設(shè)備的參考值存儲(chǔ)設(shè)備中。
步驟818涉及在平移步驟中使多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器沿x軸移位。平移步驟的焦點(diǎn)距離可以是例如定位設(shè)備的電機(jī)或致動(dòng)器的焦點(diǎn)距離或用于控制定位設(shè)備的控制量的焦點(diǎn)距離。在步驟818之后的步驟822涉及如針對(duì)步驟814所描述的確定測(cè)試結(jié)構(gòu)離內(nèi)部圖像區(qū)中的P0,0的位置。
在步驟822之后的比較824中,計(jì)算設(shè)備被配置為例如通過(guò)形成差來(lái)對(duì)所確定的位置與全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)O進(jìn)行比較。如果該差在容差范圍內(nèi)具有不同于零的值(判定“否”),則計(jì)算設(shè)備被配置為在步驟826中基于在步驟816中存儲(chǔ)的起始值計(jì)算剩余焦點(diǎn)距離,并且切換到狀態(tài)818,以便沿著x軸執(zhí)行進(jìn)一步的平移步驟。如果在判定824中,該差在容差范圍內(nèi)具有零值(“是”判定),則多孔徑光學(xué)器件可以被稱為相對(duì)于圖像傳感器沿著x軸或滾動(dòng)軸對(duì)準(zhǔn),使得到達(dá)結(jié)束828,可以從該結(jié)束切換到處理階段850。這意味著步驟818可能在這樣的時(shí)間內(nèi)重復(fù),直到達(dá)到目標(biāo)滾動(dòng)值。
處理階段850的步驟852涉及將接收到的圖像(例如記號(hào)38e)相對(duì)于中心光學(xué)通道(例如光學(xué)通道14e)進(jìn)行聚焦。在步驟852之后的步驟854涉及確定測(cè)試結(jié)構(gòu)在圖像中的位置。所確定的沿著俯仰軸或者局部y軸的位置在步驟856中被存儲(chǔ)為起始值y0,0。
在步驟854之后的步驟858涉及沿著y軸或俯仰軸執(zhí)行平移步驟,即沿著y軸改變圖像傳感器和多孔徑光學(xué)器件之間的相對(duì)位置。在步驟858之后的步驟862涉及再次確定測(cè)試結(jié)構(gòu)在內(nèi)部圖像區(qū)中的位置。如針對(duì)判定824所描述的,在步驟862之后的判定864涉及執(zhí)行關(guān)于位置y0,0是否與全局坐標(biāo)系的中心O一致的比較。如果不是這種情況,即如果判定產(chǎn)生答案“否”,則步驟866涉及基于在步驟856中存儲(chǔ)的位置和起始值計(jì)算剩余焦點(diǎn)距離。從步驟866切換回到步驟858并且執(zhí)行沿著y軸的另一平移步驟。這在這樣的時(shí)間內(nèi)繼續(xù),直到判定864提供“是”的結(jié)果為止,使得多孔徑光學(xué)器件可以被認(rèn)為相對(duì)于圖像傳感器沿著y軸對(duì)準(zhǔn),并且使得在步驟868中,可以切換到處理階段810,或者切換到步驟812。備選地,如果判定824或864的答案為“是”,則可以在判定824或864之后終止方法800。這意味著計(jì)算設(shè)備被配置為基于圖像區(qū)的實(shí)際位置與關(guān)于圖像區(qū)的目標(biāo)位置(例如,坐標(biāo)原點(diǎn))的比較來(lái)控制定位設(shè)備。
換句話說(shuō),圖8示出了用于居中目的的精細(xì)對(duì)準(zhǔn)的概括概述。該過(guò)程可以等效地在x或y維度上開始。
圖9示出了可以由計(jì)算設(shè)備執(zhí)行以便補(bǔ)償如參考圖4a和圖4b所描述的楔形誤差的方法900的示意性流程圖。方法900包括處理階段910和處理階段950。借助于處理階段910,可以減少或補(bǔ)償相對(duì)于x軸(即滾動(dòng)軸)的楔形誤差。借助于處理階段950,可以減小或補(bǔ)償相對(duì)于y軸(即俯仰軸)的楔形誤差。處理階段910和950可以彼此獨(dú)立地執(zhí)行,可以從處理階段910切換到處理階段950,或者一旦已經(jīng)執(zhí)行了處理階段950,從處理階段950切換到處理階段910。這意味著方法900可以以處理階段910或以處理階段950開始。
作為示例,下面將以從處理階段910開始的方式來(lái)描述方法900。步驟912涉及相對(duì)于圖像區(qū)22e聚焦中心光學(xué)通道(例如,光學(xué)通道14e)。該步驟可以以與步驟812相同的方式執(zhí)行。在步驟912之后的步驟914涉及通過(guò)在x-y平面中的平移使中心光學(xué)通道居中。步驟914可以以與步驟814相同的方式執(zhí)行。
在步驟914之后的步驟916涉及確定測(cè)試離圖像中的拐角點(diǎn)的位置,這意味著例如外部參考標(biāo)記(例如記號(hào)38a-d)根據(jù)它們相應(yīng)的外部圖像區(qū)及它們?cè)谄渲械奈恢脕?lái)確定。在步驟918中,所確定的位置被存儲(chǔ)為用于后續(xù)定位的起始值。起始值rimax,jmax、rimax,-jmax、r-imax,jmax和r-imax,-jmax可以分別通過(guò)沿著滾動(dòng)軸(i)和俯仰軸(.j)的最大(或負(fù)最大)方向描述外部圖像區(qū)中的測(cè)試結(jié)構(gòu)的位置。
從步驟916開始,步驟922涉及控制定位設(shè)備,使得多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器繞滾動(dòng)軸以角增量旋轉(zhuǎn)。如步驟916中完成的,步驟922之后的步驟924涉及確定測(cè)試結(jié)構(gòu)離圖像中的拐角點(diǎn)的位置。在步驟924中確定位置之后的判定926中,執(zhí)行關(guān)于徑向距離或差rimax,jmax-rimax,-jmax在容差范圍內(nèi)是否包括0的值或者差r-imax,jmax-r-imax,-jmax在容差范圍內(nèi)是否包括0的值的比較,這意味著確定楔形誤差差的度量是否達(dá)到目標(biāo)滾動(dòng)值或目標(biāo)俯仰值。
如果判定926的答案為“否”,即如果沒有達(dá)到目標(biāo)滾動(dòng)值和目標(biāo)俯仰值中的至少一個(gè),則步驟928涉及在考慮在步驟918中存儲(chǔ)的起始值的同時(shí)計(jì)算剩余焦點(diǎn)距離。從步驟928開始,過(guò)程返回到步驟922,以便按角增量執(zhí)行繞滾動(dòng)軸的另一旋轉(zhuǎn)。然而,如果判定926的答案為“是”,即如果達(dá)到兩個(gè)目標(biāo)值,則關(guān)于繞滾動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)的楔形誤差可以被視為已經(jīng)被補(bǔ)償,并且從最終狀態(tài)932開始,過(guò)程可以切換到處理階段950,或者該方法可以被終止。
處理階段950的步驟952涉及聚焦中心光學(xué)通道,如針對(duì)步驟912所述。在步驟952之后的步驟954涉及使中心光學(xué)通道居中,如針對(duì)步驟914所述。步驟954之后的步驟956涉及確定外部測(cè)試結(jié)構(gòu)離圖像中的拐角點(diǎn)的位置,如針對(duì)步驟916所述?;诓襟E946,在步驟958中存儲(chǔ)起始值,如針對(duì)步驟918所描述的。步驟956之后的步驟962涉及控制定位設(shè)備,使得多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于俯仰軸旋轉(zhuǎn)(傾斜)。這意味著該步驟也根據(jù)處理階段910(即步驟922)類推地執(zhí)行,不同之處在于繞俯仰軸執(zhí)行旋轉(zhuǎn)。在步驟962之后的步驟964涉及例如在步驟956中執(zhí)行的確定位置,以便確定由步驟962實(shí)現(xiàn)的位置改變。
判定966涉及驗(yàn)證楔形誤差差是否已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)俯仰值。這可以例如通過(guò)差形成rimax,jmax-r-imax,jmax以及rimax,-jmax-r-imax,-jmax來(lái)實(shí)現(xiàn)??梢愿鶕?jù)它們是否在容差范圍內(nèi)采用值0來(lái)驗(yàn)證該差,這意味著該差形成的相應(yīng)偏差rimax=j(luò)max、r-imax,jmax、rimax,-jmax和r-imax,-jmax在幅度方面相等。如果判定的答案為“否”,則步驟968涉及在考慮來(lái)自步驟958的起始值的同時(shí)計(jì)算剩余焦點(diǎn)距離,并切換回步驟962,以便執(zhí)行多孔徑光學(xué)器件繞俯仰軸的另一旋轉(zhuǎn)。如果在判定966(“是”判定)中,楔形誤差差已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)俯仰值,則可以認(rèn)為該俯仰楔形誤差已經(jīng)被補(bǔ)償,并且該方法可以被終止,或者可以切換到處理階段910。
圖10示出了用于補(bǔ)償繞內(nèi)部圖像區(qū)22e的偏轉(zhuǎn)軸或z軸的扭轉(zhuǎn)的方法1000的示意性流程圖。方法1000可以用于補(bǔ)償如針對(duì)圖5所描述的誤差情況。步驟1002涉及聚焦中心光學(xué)通道,如針對(duì)步驟812、852、912和952所描述的。步驟1004涉及使內(nèi)部圖像區(qū)居中,如針對(duì)步驟814、854、914或954所描述的。在步驟1004之后的步驟1006還涉及確定測(cè)試結(jié)構(gòu)即記號(hào)38a-d離圖像中的拐角點(diǎn)的位置。位置被確定為位于相應(yīng)圖像區(qū)中,例如在外部圖像區(qū)22a-d中的一個(gè)中,并且被存儲(chǔ)為起始值(x,y)imax,jmax、(x,y)imax,-jmax、(x,y)-imax,jmax和(x,y)-imax,-jmax(步驟1008)。
步驟1012涉及控制定位設(shè)備,使得多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于內(nèi)部圖像區(qū)的偏轉(zhuǎn)軸或z軸執(zhí)行關(guān)于至少一個(gè)角增量的旋轉(zhuǎn)。角增量可以是例如移動(dòng)多孔徑光學(xué)器件的電機(jī)或致動(dòng)器的焦點(diǎn)距離,或者可以是定位設(shè)備的控制參數(shù)。
步驟1012之后的步驟1014涉及另一個(gè)定位確定,如針對(duì)步驟1006所描述的。在位置確定1014之后的判定1016涉及例如通過(guò)差形成x-imax,jmax-ximax,jmax=0、x-imax,-jmax-ximax,-jmax=O、y-imax,jmax-y-imax,-jmax=0、和/或yimax,jmax-yimax,-jmax=0來(lái)驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)差是否已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)旋轉(zhuǎn)值,0值也在這里遭受容差。如果不滿足等式中的至少一個(gè),即如果判定1016產(chǎn)生答案“否”,則切換到步驟1018,步驟1018涉及在考慮在步驟1008中存儲(chǔ)的起始值的同時(shí)計(jì)算剩余焦點(diǎn)距離。從步驟1018開始,切換回步驟1012并且執(zhí)行多孔徑光學(xué)器件的另一旋轉(zhuǎn)。然而,如果在判定1016中滿足所有等式,即如果判定產(chǎn)生“是”的結(jié)果,則可以認(rèn)為旋轉(zhuǎn)誤差已經(jīng)被補(bǔ)償,并且方法1000可以在步驟1022中終止。從步驟1022開始,可以通過(guò)沿著z軸或偏轉(zhuǎn)軸平移多孔徑光學(xué)器件來(lái)切換以例如補(bǔ)償放大率誤差。
圖11示出了用于通過(guò)如針對(duì)圖6a、6b、7a和7b所描述的將多孔徑光學(xué)器件沿著z軸或偏轉(zhuǎn)軸平移來(lái)對(duì)準(zhǔn)多孔徑光學(xué)器件的方法1100的示意性流程圖。
步驟1102涉及聚焦中心光學(xué)通道。在步驟1102之后的步驟1104涉及通過(guò)x/y中的平移來(lái)進(jìn)行居中,如例如針對(duì)步驟914所描述的。
在步驟1104之后的步驟1106涉及確定測(cè)試結(jié)構(gòu)離圖像中的拐角點(diǎn)的位置,可以在使用外部圖像區(qū)22a-d的相應(yīng)局部坐標(biāo)系的同時(shí)執(zhí)行位置的確定。在步驟1108中,所確定的位置被存儲(chǔ)為起始值r′-imax,-jmax、r′imax,-jmax、r′-imax,jmax和r′imax,jmax。步驟1112涉及從步驟1106開始執(zhí)行沿著z軸或偏轉(zhuǎn)軸的平移,即驅(qū)動(dòng)定位設(shè)備,使得多孔徑光學(xué)器件沿偏轉(zhuǎn)軸移位。
步驟1112之后的步驟1114涉及執(zhí)行另一位置確定,如針對(duì)步驟1106所描述的。判定1116涉及例如以等式r′-imax,jmax=r′-imax,-jmax=r′imax,-jmax=r′imax,jmax=0的形式來(lái)驗(yàn)證在步驟1114中確定的位置是否對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的局部坐標(biāo)原點(diǎn)。這意味著執(zhí)行關(guān)于距離差是否達(dá)到距離差目標(biāo)值的驗(yàn)證。例如,可以通過(guò)在投影相應(yīng)測(cè)試圖案的所檢測(cè)位置和局部坐標(biāo)原點(diǎn)之間的差(距離)來(lái)獲得這里的距離差的度量。如果判定1116產(chǎn)生“否”的結(jié)果,則步驟1118將涉及在考慮在步驟1108中存儲(chǔ)的起始值的同時(shí)計(jì)算剩余焦點(diǎn)距離。從步驟1118開始,例如,切換回步驟1112,以便執(zhí)行多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的位置的另一改變。如果判定1116產(chǎn)生“是”的結(jié)果,則可以認(rèn)為放大率誤差(即沿偏轉(zhuǎn)軸的偏差ΔG)已經(jīng)被補(bǔ)償,并且方法1100可以被終止。例如,方法1100的最后步驟1122可以涉及開始固定物鏡。
圖11可以被描述為沿著z軸的平移的精細(xì)對(duì)準(zhǔn)的概述的總結(jié)。
圖12示出了可以例如在方法800、900、1000或1100中的任一個(gè)之前執(zhí)行以便實(shí)現(xiàn)所述方法的魯棒流程的方法1200的示意性流程圖。步驟1202涉及多孔徑物鏡(即,多孔徑光學(xué)器件)相對(duì)于圖像傳感器的粗略對(duì)準(zhǔn)。這可以包括例如使圖像傳感器相對(duì)于測(cè)試圖案對(duì)準(zhǔn),使得測(cè)試記號(hào)38被投影到圖像傳感器的對(duì)應(yīng)圖像區(qū)22上。另外,多孔徑光學(xué)器件可以被布置為使得記號(hào)繼續(xù)被投影到圖像區(qū)上。這可以例如通過(guò)在步驟1202之后的步驟1204來(lái)補(bǔ)充,因?yàn)槎嗫讖焦鈱W(xué)器件通過(guò)在x/y平面或滾動(dòng)/俯仰平面中執(zhí)行對(duì)準(zhǔn)來(lái)相對(duì)于圖像傳感器對(duì)準(zhǔn),直到文本記號(hào)在圖像區(qū)中成像為止。步驟1206涉及聚焦中心光學(xué)通道。
在步驟1206之后的步驟1208涉及確定中心光學(xué)通道中的放大率或針對(duì)內(nèi)部圖像區(qū)的放大率。這可以例如通過(guò)測(cè)量測(cè)試對(duì)象(即參考對(duì)象)的圖像大小(實(shí)際大小)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于多孔徑光學(xué)器件的光學(xué)性質(zhì)以及參考對(duì)象和圖像區(qū)之間的距離是已知的,因此這可以基于光學(xué)定律來(lái)執(zhí)行。在步驟1208之后的判定1212涉及驗(yàn)證所確定的放大率是否與測(cè)試圖案的所選擇的設(shè)計(jì)匹配。如果判定1212的答案為“是”,則該方法通過(guò)例如通過(guò)方法800、900、1000和/或1100中的一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的精細(xì)對(duì)準(zhǔn)來(lái)切換到步驟1214。
如果判定1212產(chǎn)生“否”的結(jié)果,則步驟1216涉及調(diào)整測(cè)試圖案,并且隨后,該方法切換到步驟1214。因此,可以確定測(cè)試圖案是否適合于相應(yīng)的圖像傳感器和/或多孔徑光學(xué)器件。測(cè)試圖案的調(diào)整可以包括例如改變圖案的一個(gè)或多個(gè)位置和/或形狀,使得測(cè)試圖案可以被投影到圖像區(qū)中。
換句話說(shuō),通過(guò)評(píng)估圖像矩陣中的圖像的相對(duì)和絕對(duì)位置來(lái)執(zhí)行使多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程,其中通過(guò)各個(gè)光學(xué)通道得到對(duì)象結(jié)構(gòu)的圖像矩陣中的圖像。
對(duì)于實(shí)際實(shí)現(xiàn),光學(xué)器件模塊最初與圖像傳感器粗略對(duì)準(zhǔn),并且所聚焦圖像被設(shè)定在中心光學(xué)通道中。在下一步驟中,根據(jù)已知的公式通過(guò)測(cè)量測(cè)試對(duì)象B的圖像大小(圖像中的對(duì)象尺寸:B=沿著所測(cè)量的對(duì)象邊緣的像素?cái)?shù)量*像素間距)來(lái)確定中心光學(xué)通道中的放大率m。其中量G是對(duì)象的大小,即測(cè)試對(duì)象在對(duì)象平面中的已知擴(kuò)展。根據(jù)對(duì)象距離,利用從光學(xué)器件的結(jié)構(gòu)(例如,光學(xué)通道的視覺范圍的大小)已知的多孔徑物鏡的參數(shù)來(lái)預(yù)定義所述量G。根據(jù)下式,從所計(jì)算的放大率得到中心光學(xué)通道的焦距(f),其實(shí)際上由制造過(guò)程創(chuàng)建:
在這種等式形式中,相機(jī)到對(duì)象距離將被插入有負(fù)號(hào)。
然而,還可以通過(guò)其它方法(例如尤其自動(dòng)準(zhǔn)直方法、光學(xué)掃描或非接觸輪廓測(cè)量)預(yù)先確定中心通道的實(shí)際焦距(f),或者可以已經(jīng)知道中心通道的實(shí)際焦距(f)。在實(shí)際焦距偏離在光學(xué)器件的構(gòu)造中針對(duì)的焦距的情況下,在多孔徑物鏡的聚焦期間發(fā)生對(duì)象平面內(nèi)的平均視線的幾何分布的按比例縮放。因此,在這種情況下,必須調(diào)整作為主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的前提的對(duì)象結(jié)構(gòu)的布置(參見圖7)。光學(xué)通道的平均視線與對(duì)象平面的新的交叉點(diǎn)可以通過(guò)根據(jù)光學(xué)器件的設(shè)計(jì)(例如光線跟蹤模擬軟件)將焦距改變?yōu)閷?shí)際值來(lái)確定。
換句話說(shuō),圖12示出了精細(xì)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程的準(zhǔn)備流程的總結(jié)概述。借助于方法1200,參考對(duì)象被布置成使得參考對(duì)象通過(guò)多孔徑光學(xué)器件在光學(xué)通道中被成像到針對(duì)每個(gè)通道的一個(gè)圖像區(qū)。
圖13示出了方法1300的示意性流程圖,其中以有利的方式減少或補(bǔ)償沿著六個(gè)自由度的定位不準(zhǔn)確度。第一步驟涉及執(zhí)行用于多孔徑光學(xué)器件相對(duì)于圖像傳感器的粗略對(duì)準(zhǔn)的方法1200。在方法1200之后,執(zhí)行方法800,從而執(zhí)行借助于在x-y平面中的平移的居中。在方法800之后,通過(guò)執(zhí)行處理階段910沿著滾動(dòng)軸執(zhí)行楔形誤差補(bǔ)償。在處理階段910之后,執(zhí)行用于補(bǔ)償相對(duì)于俯仰軸的楔形誤差的處理階段950。處理階段910和950也可以以不同的順序執(zhí)行并共同構(gòu)成方法900。在方法900之后,執(zhí)行用于補(bǔ)償z扭轉(zhuǎn)(或偏轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn))的方法1000。在方法1000之后,執(zhí)行用于校正距離誤差的方法1100。在方法1100之后,可以固定1302物鏡。換句話說(shuō),多孔徑物鏡可以在精細(xì)對(duì)準(zhǔn)的整個(gè)過(guò)程之后例如通過(guò)外殼和印刷電路板之間的粘合劑膠接的方式在對(duì)準(zhǔn)位置中固定。
備選地,方法1300可以利用各個(gè)部分方法的修改后的序列來(lái)執(zhí)行。備選地或附加地,還可以僅執(zhí)行方法800、900、1000、1100和/或1200中的一個(gè)或多個(gè)。
換句話說(shuō),在組裝過(guò)程開始時(shí),先前組裝的多孔徑物鏡可能以它集成在氣密外殼中的方式存在,并且存在與其分離的已經(jīng)在印刷電路上接觸并可以被讀出的圖像傳感器(參見圖3的示例性表示)。對(duì)于主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程,圖像傳感器被定位成使得圖像場(chǎng)的中心(=像素矩陣的幾何中心)和對(duì)象平面(=測(cè)試圖案平面)的中心之間的連接線垂直于圖像平面并因此對(duì)應(yīng)于圖像傳感器上的法線。這有利地通過(guò)至少以相當(dāng)好的近似保持圖像傳感器或其上集成有圖像傳感器的印刷電路板來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了執(zhí)行主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程,可能存在對(duì)組裝設(shè)備提出的以下要求。組裝設(shè)備有利地包括用于以相對(duì)于測(cè)試圖案對(duì)準(zhǔn)的方式將圖像傳感器保持在包括讀出接口的印刷電路板上的設(shè)備;用于保持多孔徑物鏡(例如夾持器、機(jī)械、氣動(dòng)、借助于真空等)的設(shè)備;用于在六個(gè)自由度(x,y和z方向上的平移以及x,y和z軸的扭轉(zhuǎn))中改變物鏡相對(duì)于圖像傳感器的相對(duì)位置的設(shè)備,可以針對(duì)所述三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度將共享支點(diǎn)設(shè)定為靠近所述多孔徑物鏡的中心;在離多孔徑物鏡適當(dāng)距離(=對(duì)象距離)處的圖案投影的測(cè)試圖案或屏幕,其以足夠同質(zhì)的方式照明;包括用于驅(qū)動(dòng)用于改變物鏡相對(duì)于圖像傳感器的相對(duì)位置的致動(dòng)器/電機(jī)的接口的圖像讀出和圖像評(píng)估設(shè)備(例如包括評(píng)估和控制軟件的PC);和用于圖像分割、對(duì)象識(shí)別以及借助于多孔徑光學(xué)器件的測(cè)試圖案的成像結(jié)構(gòu)到圖像中心上的位置確定的算法。
圖14示出了用于說(shuō)明例如用于圖像區(qū)22a的全局坐標(biāo)系∑和局部坐標(biāo)系∑’之間的關(guān)系的示意圖。如所描述的,例如,針對(duì)圖3a和圖3b,全局坐標(biāo)系∑包括滾動(dòng)軸、俯仰軸和偏轉(zhuǎn)軸的交叉點(diǎn),共享交叉點(diǎn)也可以是由定位設(shè)備發(fā)起的相對(duì)于多孔徑光學(xué)器件的六個(gè)自由度中的移動(dòng)的共享支點(diǎn)。多孔徑光學(xué)器件的光學(xué)通道14e相對(duì)于圖像區(qū)22e被布置,光學(xué)通道14e包括光學(xué)中心37e。
圖像區(qū)22a-c均包括包含x軸、y軸和z軸的局部坐標(biāo)系∑′,所有這些軸的共享交叉點(diǎn)被布置在圖像區(qū)22a-c的幾何中心處。局部坐標(biāo)系∑′可以是笛卡爾坐標(biāo)系,例如,其中x,y和z軸在中心處相對(duì)于彼此以直角相交。投影到圖像區(qū)22a中的記號(hào)38的位置可以通過(guò)局部坐標(biāo)y’i,j和/或x’i,j以及通過(guò)全局坐標(biāo)yi,j或者xi,j二者來(lái)指示。索引i,j可以是例如指示沿著滾動(dòng)軸和/或俯仰軸的圖像區(qū)22a-d的編號(hào)的索引。
換句話說(shuō),圖14示出了用于在頂視圖中描述多孔徑相機(jī)模塊的圖像平面中的坐標(biāo)的概述圖。圖像平面∑中的全局坐標(biāo)系的原點(diǎn)在圖像場(chǎng)的幾何中心,而局部坐標(biāo)系∑′的原點(diǎn)在相應(yīng)光學(xué)通道的圖像場(chǎng)的幾何中心。示出的是這樣的情況,其中四個(gè)相鄰光學(xué)通道的圖像圓(包括中心標(biāo)記的虛線圓)以與圖像傳感器上與每一個(gè)通道相關(guān)聯(lián)的圖像場(chǎng)(正方形)非最佳的方式對(duì)準(zhǔn)。左上光學(xué)通道中所示的十字表示如由相關(guān)聯(lián)的光學(xué)通道產(chǎn)生的位于圖像平面內(nèi)的對(duì)應(yīng)預(yù)定義位置處的對(duì)象結(jié)構(gòu)的圖像。
圖15示出了由包含光學(xué)通道的二維布置的包括多孔徑光學(xué)器件12和圖像傳感器16的多孔徑物鏡在對(duì)象平面44中進(jìn)行掃描的示意表示。點(diǎn)Pi,j在無(wú)誤差的情況下標(biāo)記相應(yīng)光學(xué)通道(i,j)的相應(yīng)平均視線與對(duì)象平面的交叉點(diǎn)。
例如,對(duì)象平面被描繪為使得使用i方向上的七個(gè)光學(xué)通道以及j方向上的五個(gè)光學(xué)通道對(duì)其進(jìn)行掃描,這意味著imax=3,-imax=-3,jmax=2,-jmax=-2。記號(hào)38可以被布置在位置P-3,2、P3,2、P-3,-2和P3,-2處。記號(hào)38也可以被布置在位置P0,0處。備選地,記號(hào)也可以被布置在對(duì)象區(qū)44中和/或參考對(duì)象上的不同位置處,所描述的記號(hào)之間的最大距離是有利的。
換句話說(shuō),多孔徑物鏡的二維布置由具有x維度上的(2*imax+1)個(gè)通道和y維度上的(2*jmax+1)個(gè)通道的光學(xué)通道陣列組成。如圖15和隨后的圖16中可以看出,多孔徑物鏡的每一個(gè)光學(xué)通道在對(duì)象空間中展示不同的視角(如也從WO201I/045324A2已知的),和/或各種光學(xué)通道使對(duì)象平面的不同區(qū)成像。這意味著每一個(gè)光學(xué)通道的平均視線的軸(=相應(yīng)的光軸)與對(duì)象平面的交叉點(diǎn)產(chǎn)生預(yù)定義分布(從設(shè)計(jì)已知)(隨后的圖16)。例如,在需要不失真成像的情況下使用具有等距離的網(wǎng)格。
特定對(duì)象結(jié)構(gòu)(例如十字、圓形、正方形等)在測(cè)試圖案平面中被放置在與對(duì)象平面的所述交叉點(diǎn)的若干(例如三個(gè)或五個(gè))選定位置中(例如,在點(diǎn)P0,0、P-imax,jmax、P_imax,-jmax、Pimax,-jmax、Pimax,jmax)。對(duì)象結(jié)構(gòu)的中心的選擇在此包括對(duì)象平面的中心(例如P0,0)、相對(duì)于滾動(dòng)軸的至少一對(duì)有利地鏡像對(duì)稱定位的點(diǎn)或區(qū)(例如P-imax,jmax與P-imax,-jmax或Pimax,-jmax與Pimax,jmax)和/或相對(duì)于俯仰軸的至少一對(duì)有利地鏡像對(duì)稱地定位的點(diǎn)或區(qū)(例如P-imax,jmax與Pimax,jmax或P-imax,-jmax與Pimax,-jmax)。
隨后描述的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的各個(gè)步驟的精度水平可以與對(duì)象平面中的兩個(gè)選定點(diǎn)的相應(yīng)距離成正比地增加。
在該上下文中,通過(guò)相關(guān)聯(lián)的點(diǎn)的盡可能大的距離實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)中的最高可能的精度水平。位置Pi,j之間的角度偏差可以由角度θi,j,指示,例如由用于位置P0,0和P0,1之間的偏差的角度θ0,1指示。備選地,例如,角度90,-2包括位置P0,0和P0,-2之間的相應(yīng)光學(xué)通道的視角的偏差和/或差。
圖16示出了用于示出圖15的關(guān)系的包括多孔徑光學(xué)器件12和圖像傳感器16的示意性橫向截面圖。具有y=-2,...,2的角度θi,y包括關(guān)于與所捕獲的對(duì)象空間平行布置的平面相對(duì)于垂直于平面46的法線的角度。
角度αi,j描述圖像區(qū)22a-e處的圖像傳感器16的相應(yīng)表面法線之間的角度。
換句話說(shuō),圖16示出了多孔徑成像系統(tǒng)的簡(jiǎn)化截面圖。在該實(shí)施例中,多孔徑物鏡(在前側(cè)和后側(cè)具有微透鏡的堆疊形成)被集成——使得其在圖像側(cè)連接到用于防止光學(xué)串?dāng)_的板(黑色芯片)——在外殼(灰色,橫向)中,外殼在主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程中被固定在其上設(shè)置接觸的數(shù)字圖像傳感器(棕色)的印刷電路板(綠色,下面)上。對(duì)象空間中的相應(yīng)光學(xué)通道(i,j)的平均視線由角度θi,j指定。相應(yīng)光學(xué)通道的平均視線θi,j由光學(xué)器件的構(gòu)造來(lái)指定,并且是由于各自關(guān)聯(lián)的透鏡系統(tǒng)的光學(xué)性質(zhì)(焦距、材料的折射率等)引起的,在相應(yīng)微圖像的中心處的入射角αi,j。
通過(guò)例如多孔徑物鏡的圖15,不是一般性地表示主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的處理流程的上述描述,多孔徑物鏡包括7×5個(gè)光學(xué)通道和作為在陣列的四個(gè)拐角(P-3,d,P-3,-2,P3,-2,P3,2)中的光學(xué)通道以及中心光學(xué)通道(P0,0)的平均視線的交叉點(diǎn)處的對(duì)象結(jié)構(gòu)的十字。圖17a和17b示出了多孔徑物鏡相對(duì)于圖像傳感器的連續(xù)主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)之后的目標(biāo)位置。
圖17a示出了相對(duì)于圖像傳感器16對(duì)準(zhǔn)(即,調(diào)節(jié))的多孔徑光學(xué)器件12的示意性橫向截面圖。圖17b示出了圖17a的該情況的示意性頂視圖。關(guān)于六個(gè)自由度,記號(hào)38a-e相對(duì)于相應(yīng)的圖像區(qū)22a-e對(duì)準(zhǔn)。記號(hào)38a-d投影到圖像區(qū)22a-e上的位置的偏差相對(duì)于相應(yīng)的局部坐標(biāo)中心最小。換句話說(shuō),圖17a和17b示出了成功主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)之后的目標(biāo)位置。微圖像的光柵(虛線圓)與圖像傳感器的像素場(chǎng)的光柵一致。(正方形),即在每一個(gè)光學(xué)通道中,相關(guān)聯(lián)的圖像圓的中心直接位于對(duì)應(yīng)微圖像場(chǎng)的幾何中心處。所選對(duì)象結(jié)構(gòu)的圖像對(duì)稱地位于相應(yīng)微圖像場(chǎng)的幾何中心處。在左邊:側(cè)視圖;在右邊:頂視圖。
與用于對(duì)準(zhǔn)成像光學(xué)器件,特別是用于小設(shè)計(jì)的器件的多孔徑光學(xué)器件的已建立的方法和機(jī)器的應(yīng)用相比,上述實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了提高的精度水平。實(shí)施例使得能夠使相應(yīng)的精細(xì)對(duì)準(zhǔn)過(guò)程自動(dòng)化,以便在生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)快速的循環(huán)時(shí)間。此外,由于可以以高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)快速對(duì)準(zhǔn),因此可以獲得安裝的相機(jī)模塊的增加的產(chǎn)量,并且因此可以獲得較低的測(cè)試和次品成本。
這意味著用于主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的實(shí)施例可以被具體地配置用于具有分段視覺范圍的多孔徑物鏡的架構(gòu),并且因此使得能夠?qū)崿F(xiàn)上述優(yōu)點(diǎn)。由于其超平的設(shè)計(jì)和潛在的低成本生產(chǎn)和組裝技術(shù),多孔徑成像系統(tǒng)適合于用在消費(fèi)電子產(chǎn)品(例如,膝上型計(jì)算機(jī)、游戲機(jī)或玩具)中,并且特別地適合于用在諸如移動(dòng)電話、平板計(jì)算機(jī)、PDA等(例如,(PDA=個(gè)人數(shù)字助理))的便攜式設(shè)備中。例如,另外的應(yīng)用領(lǐng)域是傳感器技術(shù),例如在生產(chǎn)技術(shù)中的相機(jī)型傳感器、成像傳感器中。此外,例如,在汽車技術(shù)中(例如,在汽車內(nèi)部的光學(xué)安全傳感器中,在諸如倒車攝像頭或用于車道檢測(cè)的駕駛輔助系統(tǒng)中)的應(yīng)用是可行的。實(shí)施例還可以用于安全和監(jiān)視領(lǐng)域,例如用于在建筑物、博物館或?qū)ο筇幒?或內(nèi)部具有大視覺范圍的不顯眼的周圍環(huán)境攝像頭。另外,實(shí)施例可以用于機(jī)器人領(lǐng)域,例如用作用于導(dǎo)航、用于光學(xué)控制夾持器和/或部件拾取設(shè)備的光學(xué)傳感器。上述實(shí)施例的另一應(yīng)用領(lǐng)域可以在醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中找到,例如在使用成像診斷過(guò)程中如在內(nèi)窺鏡檢查中。然而,上述實(shí)施例的應(yīng)用不限于所述應(yīng)用領(lǐng)域。
盡管上述實(shí)施例描述了包括少量光學(xué)通道(例如5×7)的多孔徑光學(xué)器件和/或圖像傳感器,但是所述實(shí)施例也可以應(yīng)用于其它多孔徑光學(xué)器件和/或圖像傳感器,其包括例如多于5個(gè)、多于50個(gè)或多于500個(gè)光學(xué)通道。
盡管上述實(shí)施例被描述為使得其相對(duì)于計(jì)算設(shè)備執(zhí)行圖案被成像到圖像區(qū)中的位置的比較的圖像區(qū)的局部或全局中心,但是相對(duì)于其確定移位或扭轉(zhuǎn)的參考點(diǎn)也可以相對(duì)于任何其他點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。
盡管結(jié)合上述實(shí)施例描述了圖像區(qū)22a-e的二維布置,但是沿著單向線結(jié)構(gòu)布置圖像區(qū)22a-e也是可行的。這意味著兩個(gè)索引i或j中的一個(gè)被認(rèn)為是一維的,并且位置確定可以基于三個(gè)參考區(qū)或圖像區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
即使已在設(shè)備的上下文中描述了一些方面,應(yīng)當(dāng)理解:所述方面還表示了對(duì)對(duì)應(yīng)方法的描述,使得設(shè)備的塊或結(jié)構(gòu)部件還被理解為對(duì)應(yīng)的方法步驟或方法步驟的特征。通過(guò)與之類比,在方法步驟的上下文內(nèi)描述或被描述為方法步驟的方面也表示對(duì)對(duì)應(yīng)設(shè)備的對(duì)應(yīng)塊或細(xì)節(jié)或特征的描述。
一般而言,本發(fā)明的實(shí)施例可被實(shí)現(xiàn)為具有程序代碼的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品,該程序代碼用于在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品時(shí)執(zhí)行任何方法。該程序代碼還可以存儲(chǔ)在例如機(jī)器可讀載體上。
其他實(shí)施例包括用于執(zhí)行本文描述的任何方法的計(jì)算機(jī)程序,所述計(jì)算機(jī)程序存儲(chǔ)在機(jī)器可讀載體上。
換言之,本發(fā)明方法的實(shí)施例從而是具有程序代碼的計(jì)算機(jī)程序,該程序代碼用于在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行計(jì)算機(jī)程序時(shí)執(zhí)行本文描述的任何方法。本發(fā)明方法的另一實(shí)施例從而是數(shù)據(jù)載體(或數(shù)字存儲(chǔ)介質(zhì)或計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)),其上記錄有用于執(zhí)行本文描述的任何方法的計(jì)算機(jī)程序。
另一實(shí)施例包括例如計(jì)算機(jī)或可編程邏輯器件之類的處理裝置,其被配置為或適于執(zhí)行本文描述的任何方法。
另一實(shí)施例包括其上安裝有用于執(zhí)行本文描述的任何方法的計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)。
在一些實(shí)施例中,可編程邏輯器件(例如,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA)可以用于執(zhí)行本文描述的方法的一些或全部功能。在一些實(shí)施例中,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列可以與微處理器協(xié)作,以執(zhí)行本文描述的任何方法。一般而言,在一些實(shí)施例中,方法由任何硬件設(shè)備來(lái)執(zhí)行。所述硬件設(shè)備可以是任何通用硬件,例如計(jì)算機(jī)處理器(CPU),或者可以是方法專用的硬件,例如ASIC。
上述實(shí)施例僅表示對(duì)本發(fā)明的原理的說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解:本領(lǐng)域其他技術(shù)人員將意識(shí)到本文描述的布置和細(xì)節(jié)的修改和變化。這就是為什么本發(fā)明預(yù)期僅由下面權(quán)利要求的范圍來(lái)限制,而非本文借助對(duì)實(shí)施例的描述和討論所提出的具體細(xì)節(jié)來(lái)限制。
文獻(xiàn)
[1]www.aeiboston.com/platform_cmat.htm,2014年5月