CN100370299C - 用来抑制入射波引起的反射波的摄像机透镜装置 - Google Patents
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Abstract
一种摄像机的光学装置,包括:透镜阵列,用于聚焦入射光信号;窗玻璃,位于所述透镜阵列的前面,用来防止外来物质接触所述透镜阵列;镜筒,用来保持所述透镜阵列中的透镜,其中,所述透镜阵列中的每一个透镜都涂有多层薄膜,用来抑制波长不同的多个入射光信号的相应反射波,所述多层薄膜的厚度能够使经所述薄膜反射的反射波的相位与透镜表面反射的反射波的相位反相。
Description
技术领域
本发明涉及摄像机装置中的一种光学装置。尤其是,本发明涉及一种能够抑制入射光信号反射的装置。
背景技术
一般来说,摄像机装置有一个透镜阵列并能够将入射光信号转换为电信号,然后将电信号处理成所需要的图像进行显示或者存储。便携式终端设有这样的摄像机,以提供多功能服务。尤其是,移动电话上经常设有这种摄像机。然而,当摄像机安装在便携式终端上时,摄像机尺寸会受到限制,阻碍了分辨率的提高。
图1示出的示例性结构是用来处理摄像机装置拍摄的图像信号以进行显示或者存储。
参见图1,光学单元10具有透镜阵列并能够生成被拍摄图像的光信号。图像传感器单元20(例如CMOS图像传感器)将被拍摄的光信号转换成电信号。图像处理单元30对图像传感器单元20输出的图像信号进行处理。由图像单元处理单元30处理过的图像数据被输出给显示单元40进行显示,或者输出给存储器50进行保存。
对于象图1所示那样构成的摄像机装置,影响其图像分辨率的因素包括构成光学单元10的透镜的非一致性、光学单元10的闪耀现象、图像传感器单元20的光晕现象、图像处理单元30的白斩波、线性、暗电流以及噪声。其中最关键的因素与光学单元10有关。
如果光学单元10的图像分辨率下降,那么,后面的图像处理单元30改善图像的能力就会受到限制。因此,必须首先解决与光学单元10有关的问题。
图2所示为图1所示光学单元10和图像传感器单元20的一种传统结构。
参见图2。在透镜阵列130的前面有一片窗玻璃110,能够防止外来物质接触到透镜阵列130。镜筒120保持着透镜阵列130的透镜,其内部结构适于保持透镜阵列130中的各个透镜。透镜阵列130的功能是对被拍摄目标的入射光信号进行聚焦。透镜阵列130可包括聚焦透镜、改变器透镜(variatorlens)、补偿器透镜、选择器透镜(elector lens)和中继透镜(relay lens)。每个透镜都可以有一组多个透镜,来完成相应的各个功能。当用于小的便携式终端时,透镜阵列130可以只包括聚焦透镜。聚焦透镜的功能是不管焦距多大都形成同一个焦点。
红外滤光器141的功能是从入射光信号中去除红外线。红外滤光器141可以位于窗玻璃110的前面或者后面。图像传感器143也可以设置在窗玻璃110的后面。
图3A和图3B示出了图1图像传感器143的内部结构。图3A和图3B中所示的图像传感器143包括面板161、微透镜163和光电管165。面板161位于微透镜163和光电管165之间,作为将微透镜163和光电管165连起来的介质。微透镜163的功能是将经过了红外滤光器141的光信号聚焦到光电管165。光信号在经过了微透镜163之后就变成了单个的象素。光电管165的功能是将微透镜163输出的光信号转换成电信号。红外滤光器141、面板161、微透镜163和光电管165构成了图1所示的图像传感器单元20。
光学单元10和图像传感器单元20的功能是对入射光信号进行光学处理,并将处理后的信号转换成电信号。光学单元10的透镜阵列130中各透镜上的涂层不一致以及入射光信号的反射(如闪耀)会产生不想要的光信号特征。图像传感器单元20的光晕也会改变光信号的特征。“闪耀”用在这里指的是光学单元10的透镜之间的光学反射,“光晕”用在这里指的是面板161的光学发散。
现在更详细地描述使光学单元10拍摄的光信号质量下降的原因。从光学单元10入射的光信号受到反射并产生不想要的光信号,主要有三个原因,包括镜筒120和窗玻璃110的结构、透镜阵列130以及镜筒120的内部结构。
第一,如图2所示,窗玻璃110与镜筒120相隔预定距离X。具体地说,窗玻璃110位于保持透镜阵列130的镜筒120的前面,二者之间有一个间隔,防止外来物质接触透镜阵列130。窗玻璃110和镜筒120前部之间的距离X,产生了入射光信号R1的反射波。具体地说,当入射光信号R1通过窗玻璃110时,它会受到镜筒120前表面的反射,并入射到窗玻璃110上。光信号R1再次受到窗玻璃110表面的反射而入射到透镜阵列130上。结果,入射到透镜阵列130上的不想要的光信号R1也会被进行光学处理,因而降低了图像分辨率。
第二,透镜阵列130上涂层的不一致会造成入射光信号的反射。具体地说,透镜阵列130包括多个透镜。图2所示的透镜阵列130可以由包括两个玻璃透镜和两个塑料透镜的聚焦透镜制成。构成透镜阵列130的透镜上不一致的涂层,会改变透光率,因此会产生不想要的反射光信号R2。
第三,透镜阵列130反射的光信号可被反射进镜筒120内并再次入射到透镜阵列130。具体地说,不想要的光信号R3是由于在用来保持透镜阵列130的各个透镜的镜筒120内反射而产生的。
如上所述,构成光学单元10的透镜涂层不一致、镜筒120的内部结构以及镜筒120与窗玻璃110之间的间隔,可以单独地或者结合起来产生不想要的光信号R1-R3,导致在光学单元10的成像系统中的闪耀现象。不想要的光信号R1-R3也使最终处理后的图像分辨率下降。
图像传感器单元20也会产生不想要的反射波。
图3A示出了入射光在光学单元10和图像传感器单元20之间的路径,图3B示出了图3A所示的微透镜163和光电管165的结构。光信号经过透镜阵列130后,经红外滤光器141入射到微透镜163上。被微透镜163聚焦后,光信号入射到相应的光电管165上并被转换成电信号。微透镜163和光电管165构成了一对。对的数目对应于用摄像机拍摄所需的象素数。例如,一百万象素的摄像机需要一百万个微透镜163和一百万个光电管165。
然而,如图4A和图4B所示,图像传感器单元20很容易受到面板161和微透镜163产生的光晕现象的影响。具体地说,面板161内的反射产生了图4A所示的晕,微透镜163造成的不规则反射产生了图4B所示的晕。
如上所述,发生在光学单元10中的闪耀现象和发生在图像传感器单元20中的光晕现象,是使处理后图像的对比度、分辨率和色密度变差的主要因素。这种图像变差限制了使用后面的图像处理单元30对图像的改善。
因此,需要一种系统和方法来抑制发生在摄像机光学系统中的光信号反射。
发明内容
相应地,提出了本发明来解决现有技术中发生的上述以及其他的问题。
本发明的目的是提供一种摄像机装置,能够抑制发生在摄像机光学系统中的光信号反射。
本发明的另一个目的是提供一种装置,能够抑制摄像机装置中透镜的窗玻璃反射的光信号。
本发明的另一个目的是提供一种装置,能够抑制摄像机装置中透镜反射的光信号。
本发明的另一个目的是提供一种装置,能够抑制摄像机装置中保持透镜的镜筒反射的光信号。
本发明的另一个目的是提供一种装置,能够控制摄像机装置的图像传感器中发生的光晕现象。
为实现上述目的,本发明提供了一种摄像机的光学装置,包括:透镜阵列,用于聚焦入射光信号;窗玻璃,位于所述透镜阵列的前面,用来防止外来物质接触所述透镜阵列;镜筒,用来保持所述透镜阵列中的透镜,其中,所述透镜阵列中基本上每一个透镜都涂有多层薄膜,用来抑制波长不同的多个入射光信号的相应反射波,所述多层薄膜的厚度能够使经所述薄膜反射的反射波的相位与透镜表面反射的反射波的相位反相。
本发明还提供了一种摄像机的光学装置,包括:透镜阵列,用于聚焦入射光信号;窗玻璃,用来防止外来物质接触所述透镜阵列;镜筒,用来保持所述透镜阵列中的透镜,所述镜筒包括施加在其内部的吸光材料,所述吸光材料包括微细突起,用来抑制内表面反射;罩,形成在所述镜筒前表面,其前侧用来保持所述窗玻璃,其中,所述罩的内部从接触所述窗玻璃的表面开始按照与入射波的入射角相同的角度倾斜,使经过了所述窗玻璃的入射光直接地入射到所述透镜阵列上,其中,所述透镜阵列中基本上每一个透镜都涂有多层薄膜,用来抑制波长不同的多个入射光信号的相应反射波,所述多层薄膜的厚度能够使经所述薄膜反射的反射波的相位与透镜表面反射的反射波的相位反相。
本发明还提供了一种摄像机的光学装置,包括:镜筒,用来保持透镜阵列中的透镜;窗玻璃,位于所述透镜阵列的前面,用来防止外来物质接触所述透镜阵列;罩,形成在所述镜筒前表面,其前侧用来保持所述窗玻璃,其中,所述罩的内部从接触所述窗玻璃的表面开始按照与入射波的入射角相同的角度倾斜,使经过了所述窗玻璃的入射光直接地入射到所述透镜阵列上。
附图说明
通过下面结合附图所作的详细描述,本发明上述和其他目的、特征和优点将更加清楚。图中,
图1所示为对设有摄像机的装置拍摄的图像信号进行处理的传统过程;
图2所示为图1所示摄像机光学单元的传统结构;
图3A和图3B所示为图2所示传统图像传感器单元的结构;
图4A和图4B所示为图像传感器单元中发生的光晕效果;
图5A到图5D所示为根据本发明一种实施方式的摄像机光学单元的示例性结构;
图6A和图6B所示为根据本发明一种实施方式用来抑制反射的示例性透镜涂层特征;
图7所示为根据本发明一种实施方式用来抑制入射波反射的多层薄膜的示例性特征;
图8A和图8B所示为涂有图7所示多层薄膜的透镜的示例性反射特征;
图9所示为根据本发明一种实施方式用来抑制图像传感器单元的光晕特征的结构。
在全部附图中,相同的附图标记应理解为指代相同的零件、部件和结构。
具体实施方式
下面,将参照附图描述本发明的多种实施方式。在下面描述本发明时,为简洁、清楚起见,省略了对包含在本发明中的公知功能和构造的详细描述。
本发明是用来抑制由光学单元10的不良透镜涂层和镜筒中的表面反射造成的闪耀现象以及发生在图像传感器单元20中的光晕现象,以防止拍摄的图像的对比度、分辨率和色密度变差。“闪耀现象”用在这里指的是一种现象,其中,来自光学单元的反射波使最终处理后的图像中明亮颜色部分的边缘看起来更亮;“光晕现象”用在这里指的是发生在图像传感器单元的象素附近、圆形和椭圆形的白噪声。
图5A到图5D所示为根据本发明一种实施方式用于摄像机的示例性光学单元10结构。具体地说,图5A示出了光学单元10的透镜阵列130和镜筒120的结构。作为聚焦透镜,所示的透镜阵列130包括四个透镜511、513、515和517。图5B示出了根据本发明一种实施方式用来抑制窗玻璃110反射的先信号的示例性元件结构。图5C示出了根据本发明一种实施方式用来抑制镜筒120内表面反射的光信号的示例性元件结构。图5D示出了根据本发明一种实施方式、由图5B和图5C同图5A结合在一起构成的光学单元10的结构。
参见图5A,透镜阵列130中的透镜511-517是聚焦透镜,其功能是聚焦入射光信号。如果聚焦透镜511-517的涂层不一致,那么,入射光信号就会受到反射。根据本发明的一种实施方式,聚焦透镜511-517的表面涂有用来抑制透镜反射的多层薄膜(即抗反射涂层),使入射光信号(入射波)和反射光信号(反射波)之间的相位差是180°。多层薄膜可以由从TiO2、SiO2、MgF和ZnS所构成的组中选出的任意一种物质制成。红外滤光器141和透镜阵列130一起涂有这种多层薄膜时,就会进一步提高对反射波的抑制。
参见图5B,在镜筒120(未示出)的前表面上装有一个罩521,用来保持窗玻璃110。随着离开透镜阵列130最前端透镜511的距离的增加,罩521的内径线性增加。罩521在一端形成有装窗玻璃110的周向槽。按照这种方式来设计罩521时,如图5B所示,罩521的内部从窗玻璃110向着第一透镜511(未示出)以预定方式倾斜,倾斜角等于入射光信号的入射角。当接着将镜筒120连接到窗玻璃110上时,经过了窗玻璃110的光信号,将直接入射到所述透镜阵列130,不会受到镜筒120前表面的反射,因此抑制了入射到透镜阵列130上的反射波。因为安装到镜筒120前表面的罩521内部,其倾斜角度与入射角度相同,所以最大限度地抑制了入射光信号的反射。当窗玻璃110象透镜阵列130那样也涂上多层薄膜时,就可以更加有效地抑制窗玻璃110反射的光信号。
参见图5C,镜筒120保持构成透镜阵列130的透镜511-517。镜筒120具有至少两段,具有不同的直径,沿着其纵向定位。镜筒120还有用来保持透镜阵列130的槽。按照本发明的这种示例性实施方式,为了抑制镜筒120内表面的反射,如图5C所示,施加了一层抗反射材料层531。抗反射材料层531为黑色,用于吸收光,优选地按照喷砂法进行施加以获得粗糙的表面或微细突起。有利的是,也可以将抗反射材料层施加在罩521的倾斜表面上,以吸收入射光信号。
如果象图5A所示那样构造的光学单元10具有装到镜筒120前表面的图5B所示的罩521,并象图5C所示那样在镜筒120内部施加吸光材料层531,那么,就得到了象图5D所示那样构造的光学单元10。具体地说,如图5D所示,根据本发明一种实施方式的光学单元10中,罩521位于镜筒120的前表面上,而窗玻璃110安装在罩521上,这样,光学单元10就能够抑制窗玻璃110和镜筒120产生的反射波。窗玻璃110、透镜阵列120和红外滤光器141的表面涂有用于抑制反射波的多层薄膜,以进一步抑制发生透镜反射的光信号。在镜筒120的内部按照喷砂法施加一层黑色的、优选是粗糙的材料层531,能够进一步抑制镜筒120的内表面反射。
图6A和图6B所示为抗反射涂层,用来抑制透镜阵列130、窗玻璃110和红外滤光器141中的反射波。特别是,图6A示出了根据本发明一种实施方式的抗反射涂层的特征,图6B示出了当形成抗反射涂层时确定薄膜厚度的过程。
在图6A所示的情况中,第一入射波λ1入射到位置A,第二入射波λ2入射到位置C。薄膜涂层的厚度d按如下方式确定:当第一入射波λ1经过薄膜涂层后在位置B受到透镜表面的反射时,使第一入射波λ1的反射波和入射到位置C的第二入射波λ2之间的相位差是180°。如果第一入射波λ1的反射波和第二入射波λ2的反射波在位置C处的相位差是180°,那么,第一入射波λ1的反射波和在位置C处生成的第二入射波λ2的反射波相互抵消,如图6A所示。
如上所述,当相位差是180°时,第一入射波λ1的反射波抵消了第二入射波λ2的反射波。在本示例性实施方式中,窗玻璃110、透镜阵列130、红外滤光器141的表面上涂有抗反射薄膜。对于第一、二入射波λ1、λ2反射波的抵消来说,薄膜材料和涂层厚度是关键的因素。具体地说,薄膜材料决定了入射光信号的反射角和折射角,而涂层厚度决定了在反射波之间获得180°相位差的距离。在本示例性实施方式中,薄膜材料可以是从TiO2、SiO2、MgF和ZnS所构成的组中选出的任意一种物质,涂层的厚度下面给出的方程1来确定。
方程1
A′C=2dtanθ2sinθ1
ABC=2d(cosθ2+tanθ2sinθ2)=2d/cosθ2
4dcosθ2/n=λ1(2k+1)
其中,λ1是第一入射波的波长,λ2是第二入射波的波长,θ1是第一入射波的入射角,θ2是第一入射波的折射角,d是涂层的厚度,n1是空气的折射率,n2是涂层的折射率,A′C是第一入射光的路径,ABC是第二入射光的路径。
如方程1所说明的那样,只有当入射波λ1和λ2的相位θ1和θ2之间的差值是180°×n(n是整数)时,才能够消除反射波之间的干涉。如方程1所示,在上述假设的情况下,通过展开方程得到了涂层的厚度d。
图6A和图6B示出的是用来抑制短波长波的反射波的涂层。在这种情形下,入射光信号包括红外线、紫外线以及可见光。可见光是有多种波长的信号。因此,为了对入射可见光进行光学处理,相应于各信号波长的多层薄膜涂层是必须的。具体地说,相应于构成光信号的各信号波长的薄膜必须按照多层的方式形成,以抑制多种入射光信号的反射波。图7所示的涂层例子,是用来抑制具有多种波长的光信号的输入反射波。
参见图7,入射光信号(在本例中为可见光)是具有多个不同波长的信号。使用相应于每一种信号的材料和厚度来形成薄膜。薄膜涂层的材料与上面的描述相同,涂层的厚度由方程1确定。可见光的波长为大约390nm到780nm。具体地说,可见光的波长如下进行分类:对应于红光的780-622nm,对应于橙光的622-597nm,对应于黄光的597-577nm,对应于绿光的577-492nm,对应于蓝光的492-455nm,和对应于紫光的455-390nm。
为了抑制与入射可见光各波长相关的反射波,透镜阵列130的表面涂有图7所示的多层薄膜。红光、绿光和蓝光在图像处理过程中被作为重要的参数。对红光、绿光和蓝光反射波的抑制是关键。特别是,优选地,透镜阵列130、窗玻璃110和红外滤光器141涂有多层薄膜,使红、绿、蓝信号受到抑制。当象图7中附图标记711-719所指示的那样形成(即按顺序形成或者层叠)多个涂层(即由TiO2、SiO2、MgF和/或ZnS形成的多层薄膜)时,对应于相应涂层的入射波的反射波就会象图8A的附图标记751-759所指示的那样受到抑制。图8A和图8B所示为涂有图7所示多层薄膜的透镜的示例性反射特征。图8A为各个层的曲线,示出了沿着垂直轴的百分比反射率和沿着水平轴的波长。图8B为这些层组合起来的曲线,示出了沿着垂直轴的百分比反射率和沿着水平轴的波长。当透镜阵列130涂有图7所示的多层薄膜时,就能够抑制与可见光波段中的波长相关的反射波。当多层薄膜针对可见光区中的一些波长象图7那样形成(即分多层)时,就可以确定每一种波长的反射率,然后整体上用来抑制所有波长的反射波,如图8B所示。
图9所示的结构用来抑制在图像传感器单元20中发生光晕。
参见图9,构成图像传感器单元20的图像传感器的数目,对应于摄像机拍摄的图像象素的数目。作为图像传感器,微透镜161和光电管165构成了一对,面板161置于二者之间。抗光晕盘911位于面板161的上端,接触微透镜163。在盘911的内部围绕着微透镜163施加有黑色材料层913。于是,如图9所示,微透镜163和面板161反射的光信号被盘911的横向表面吸收,抑制了反射波。
如上所述,本发明的光学单元抑制了摄像机中来自透镜阵列、窗玻璃、镜筒内部、微透镜的入射光线的反射波,因此,提高最终处理后的图像的分辨率、对比度和色密度。当使用上述光学单元的实施方式时,图像处理单元能够处理高质量的光信号,因此有效地提高了最终显示的图像的质量。
虽然本发明参照其某些示例性实施方式进行了表述,但是,本领域技术人员应该清楚,在不脱离权利要求所限定的本发明精神和范围的情况下,可以在形式上和细节上对上述实施方式作出各种改变。
Claims (14)
1.一种摄像机的光学装置,包括:
透镜阵列,用于聚焦入射光信号;
窗玻璃,位于所述透镜阵列的前面,用来防止外来物质接触所述透镜阵列;
镜筒,用来保持所述透镜阵列中的透镜,
其中,所述透镜阵列中每一个透镜都涂有多层薄膜,用来抑制波长不同的多个入射光信号的相应反射波,所述多层薄膜的厚度能够使经所述薄膜反射的反射波的相位与透镜表面反射的反射波的相位反相。
2.如权利要求1所述的光学装置,其中,所述镜筒包括吸光材料,施加在所述镜筒的内部,用来抑制所述镜筒内的反射。
3.如权利要求1所述的光学装置,还包括形成在所述镜筒前表面的罩,其前侧用来保持所述窗玻璃,其中,所述罩的内部从接触所述窗玻璃的表面开始按照与入射波的入射角相同的角度倾斜,使经过了所述窗玻璃的入射光直接地入射到所述透镜阵列上。
4.如权利要求3所述的光学装置,还包括吸光材料,所述吸光材料施加到所述罩的内部倾斜表面并包括微细突起,用来吸收来自窗玻璃和透镜的反射波。
5.如权利要求1所述的光学装置,其中,所述窗玻璃包括涂层,所述涂层包括多层薄膜,用来抑制波长不同的多种入射光信号的相应反射波,所述多层薄膜的厚度能够使经所述薄膜反射的反射波的相位与所述窗玻璃表面反射的反射波的相位反相。
6.如权利要求1所述的光学装置,还包括:
红外滤光器,用来从聚焦在所述透镜阵列上的光信号中去除红外线;
图像传感器单元,包括多个微透镜、多个光电管和作为二者之间的介质的光板,所述多个微透镜用来将所述红外滤光器输出的光信号聚焦成象素尺寸的光信号,所述多个光电管用来将所述微透镜输出的象素尺寸的光信号转换成电信号,其中,所述图像传感器单元构造成按照象素单元的形式将所述红外滤光器输出的光信号转换成电信号。
7.如权利要求6所述的光学装置,其中,所述红外滤光器包括涂层,所述涂层包括多层薄膜,用来抑制波长在可见光波段的多个反射波,所述多层薄膜的厚度能够使经所述薄膜反射的反射波的相位与所述红外滤光器表面反射的反射波的相位反相。
8.如权利要求6所述的光学装置,其中,所述图像传感器单元还包括位于所述微透镜上侧的盘,所述盘横向表面的内部进行了涂覆,以吸收所述微透镜产生的反射波。
9.一种摄像机的光学装置,包括:
透镜阵列,用于聚集入射光信号;
镜筒,用来保持透镜阵列中的透镜;
窗玻璃,位于所述透镜阵列的前面,用来防止外来物质接触所述透镜阵列;
罩,形成在所述镜筒前表面,其前侧用来保持所述窗玻璃,其中,所述罩的内部从接触所述窗玻璃的表面开始按照与入射波的入射角相同的角度倾斜,使经过了所述窗玻璃的入射波直接地入射到所述透镜阵列上。
10.如权利要求9所述的光学装置,其中,
所述镜筒包括施加在其内部的吸光材料,所述吸光材料包括微细突起,用来抑制内表面反射,
所述透镜阵列中每一个透镜都涂有多层薄膜,用来抑制波长不同的多个入射光信号的相应反射波,所述多层薄膜的厚度能够使经所述薄膜反射的反射波的相位与透镜表面反射的反射波的相位反相。
11.如权利要求10所述的光学装置,其中,所述窗玻璃包括涂层,所述涂层包括多层薄膜,用来抑制波长不同的多种入射光信号的相应反射波,所述多层薄膜的厚度能够使经所述薄膜反射的反射波的相位与所述窗玻璃表面反射的反射波的相位反相。
12.如权利要求10所述的光学装置,还包括:
红外滤光器,用来从聚焦在所述透镜阵列上的光信号中去除红外线;
图像传感器单元,包括多个微透镜、多个光电管和作为二者之间的介质的光板,所述多个微透镜用来将所述红外滤光器输出的光信号聚焦成象素尺寸的光信号,所述多个光电管用来将所述微透镜输出的象素尺寸的光信号转换成电信号,其中,所述图像传感器单元构造成按照象素单元的形式将所述红外滤光器输出的光信号转换成电信号。
13.如权利要求12所述的光学装置,其中,所述红外滤光器包括涂层,所述涂层包括多层薄膜,用来抑制波长不同的多种入射光信号的相应反射波,所述多层薄膜的厚度能够使经所述薄膜反射的反射波的相位与所述红外滤光器表面反射的反射波的相位反相。
14.如权利要求12所述的光学装置,其中,所述传感器单元还包括位于所述微透镜上侧的盘,所述盘横向表面的内部进行了涂覆,以吸收所述微透镜产生的反射波。
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