CN101433077B - 具有小高度和高分辨率的光学图像记录设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学图像记录设备，包括外壳(1)，具有相对小的高度(h)和至少一个相对宽的光学图像信息输入表面(2)；光程单元，具有第一透镜阵列(3a，3b)、第二透镜阵列(4a，4b)以及包括图像传感器(5a，5b)的光学图像记录设备，在光程单元中，第一透镜阵列(3a，3b)将输入的光学信息引导到基本上垂直于外壳(1)的高度(h)延伸的第二透镜阵列(4a，4b)的光轴上，以及图像传感器(5a，5b)接收光学图像信息，以及光学图像记录设备进一步包括与图像传感器(5a，5b)相耦合的用于处理和存储图像数据的电子装置。为了最优化设备的机械尺寸和分辨率，其特征在于至少包括两个不同的光程单元(3a，3b，4a，4b，5a，5b)，其中每个光程单元至少处理并记录输入光学信息的相应部分，以及该光学图像记录设备中配备有组合装置，用于将相应光学图像记录设备中记录的信号进行电组合。

Description

具有小高度和高分辨率的光学图像记录设备

技术领域

本发明涉及一种光学图像记录设备，包括：外壳，具有相对小的高度和至少一个相对宽的光学图像信息输入表面；光程单元，包括第一透镜阵列、第二透镜阵列以及包括图像传感器的光学图像记录设备，在光程单元中，第一透镜阵列将输入的光学信息引导到基本上垂直于外壳的高度延伸的第二透镜阵列的光轴上，以及图像传感器接收该光学图像信息，以及光学图像记录设备进一步包括与图像传感器相耦合的用于处理和存储图像数据的电子装置。

背景技术

US 6,850,279 B1公开了一种如上所述的光学图像记录设备。

根据现有技术的光学图像记录设备包括具有“相对”宽的表面和“相对”小的高度的照相机外壳，这里“相对”是指与传统大小的照相机相比，这类照相机具有扁平构造。在这种如上所述根据现有技术的照相机中，透镜系统完全容纳在外壳中，使得光学图像记录系统总是具有较低的高度和鲁棒的结构。这样，这类相机就可以容易地装在皮夹或者设计用来盛装信用卡的小手提包中。与其他现有的照相机例如卡片式照相机相比，这种照相机的优点在于，插入皮夹或手提包之前，不必从外壳上取下透镜系统。

在根据现有技术的上述设备中，通过具有垂直于外壳的宽表面之一延伸的光轴的前透镜阵列来接收光学信息。然后通过反射元件(例如镜子)将输入的光学信息反射例如90度，进入沿着与垂直于外壳高度的方向延伸的第二透镜阵列的光轴中，例如，沿着外壳的长度延伸，其优选为外壳的最大尺寸。图像记录设备接收经过第二透镜阵列处理过的光学信息，该图像记录设备包括具有二维光敏阵列的CCD(电荷耦合器件)或者CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器。光学图像转换成电信号并存储为例如RAW图像信息。电信号可以在数据处理设备中，典型的是在微处理器中进行处理和存储。

US 2005/0111106 A1公开了一种光学元件组件，其中利用棱镜反射来自物体并输入到第二光学元件中的入射光。

发明内容

本发明的目的就是如前文所述改进光学图像记录设备，使得关于其机械结构和光学分辨率都是最优化的。

通过以下特征实现上述目的：至少包括两个不同的光程单元，其中每个光程单元至少处理并记录输入的光信息的相应部分，以及该光学图像记录设备中配备有组合装置，用于将相应的光学图像记录设备中记录的信号进行电组合。

本发明的一个优点在于，因为使用了不同的并行光程单元，每个单元的机械尺寸可以被最优化，并且每个光程单元处理的信息都可以分别在电子层面上进行组合。这可形成对于特定高度具有改进分辨率的光学图像记录设备，或者可替换地相对于给定分辨率具有进一步减少高度的光学图像记录设备。

在本发明的一个实施例中，每个光程单元都包括一个二维图像传感器，其中的一维沿着外壳的高度延伸。这样，第二透镜阵列的光轴就与图像传感器的光轴重合，其结果是不再需要其他的光学或机械装置。本实施例允许每个光程单元都分别使用减小高度的图像传感器，而总光学图像信息可以从每个图像传感器输出的电信号组合。在另一个实施例中，其中包括一对光程单元，与根据现有技术的“单光程单元”设备相比，两个图像传感器中的每一个只有它的横向尺寸的大约一半。由于图像传感器的尺寸是决定照相机大小的一个重要因素，所以减小高度得以实现。

另一个实施例的特征在于，包括至少一对相互反并行布置的光程单元，其中每个光程单元处理沿着分配给相应的第一透镜阵列的各自观察锥体输入的其各自图像，以及组合装置配备用于合成完整的图像信息。这样，可以维持每个光程单元的分辨率，并且可以最小化主要由图像传感器的大小决定的高度。如果根据本实施例的优选的详述，一对光程单元的观察锥体是部分重叠的，这允许恢复在观察锥体的边缘处可能丢失的信息。

本发明实施例的另一可替换方案特征在于，在第一和第二透镜阵列之间具有一个孔径，该孔径优势地是机械快门。

另一个实施例的特征在于，在每个光程单元中都具有自动聚焦单元。

作为一种可选的解决方案，自动聚焦单元包括一个操作装置，用于沿与外壳的高度垂直的方向移动图像传感器，而用于移动图像传感器的操作装置优选地包括压电致动器元件。如果图像传感器本身没有足够的惯量，为了改进机械性能，可以将该压电致动器元件与一个质量块接合。

作为另一种可选的解决方案，每个光程单元中配备的自动聚焦单元包括另一个操作装置，用于相对于外壳内的第一透镜阵列来移动第二透镜阵列或第二透镜阵列的部分，同时保持图像传感器是固定的。

总之，在本发明的所有实施例中，第一透镜阵列包括棱镜或者由棱镜组成。

在本发明的另一个实施例中，图像传感器是平面传感器，特别是CCD或CMOS传感器，该传感器在沿外壳的(决定尺寸的)高度延伸的侧面处包括其电连接。这样，沿着外壳的整个高度有效地利用图像传感器的光有效区域，以及图像传感器侧面的电连接对大小没有影响。

本发明可以用作非常扁平的具有光学变焦和广角的光学相机模块。与移动电话组合是这种相机的一种典型应用。由于该相机模块变得非常薄，所以它可以放置在例如移动电话的电池、引擎、扩音器或者震动器旁边，而不增加电话的厚度。

光学变焦的另一个实施例包括：第一透镜阵列的反光表面可以对应于观察角度而调整它的角度，从而避免观察锥体之间的过多重叠，以及保持宽高比。

下面将结合具体实施例阐述本发明的这些以及其他方面，并且他们将变得明显。

附图说明

图1是根据现有技术的光学图像记录设备的剖面图。

图2是根据本发明一个实施例的光学图像记录设备的剖面图。

图3a是示出了图2的细节的剖面图。

图3b是从上方看到的图2细节的透视图。

图3c是从下方看到的图2细节的透视图。

图4是图3b的细节的透视图。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的光学图像记录设备的结构原理剖面图。光学图像记录设备包括外壳1，下面描述的所有部件都包括在这个外壳内部。

外壳1具有三维外形，其具有相对小的高度h、长度1以及宽度w(未示出)。外壳1具有两个沿外壳1的长度1延伸的相对宽的表面。其中的一个宽表面，上表面2具有开口，通过这个开口沿垂直于表面2延伸的光轴(竖直虚线)接收光学信息。通过镜子将输入的光学信息反射大约90°进入第二透镜阵列4的光轴(水平虚线)中。第二透镜阵列4沿着外壳1的长度1延伸。通过第二透镜阵列4之后，光学信息再次由另一个反射元件反射，之后其由包括光敏电荷耦合器件(CCD)的平面图像传感器5接收。这样，图像传感器5接收光学信息，并将其转换成电信号。还可以进一步处理电信号，例如压缩并存储在半导体存储器中。

图2示出了本发明的实施例的剖面图。

基本上，根据本发明的实施例包括与图1中相似的外壳1，但是其中包括两个不同的独立工作的光程单元，其一般表示为a和b。从图2中可以看出，光程单元a和b具有基本相同的结构，只是以彼此反并行的方式布置在外壳1内部。

在外壳1的宽表面2上配备共同的开口，通过该开口沿着两个不同的观察锥体10a和10b可以看到物体图像，每个观察锥体都从其分配的棱镜或反射元件3a和3b发散。每个棱镜3a和3b都布置在外壳1的表面2的开口附近。图2右边部分(表示为a)示出的光学和电元件进一步处理对应于从棱镜3a发散的观察锥体10a的信息，而由棱镜3b接收的来自观察锥体10b的信息由外壳1左侧所示的部件(表示为b)进一步处理。

通过观察锥体10a和10b进入的各个图像的光轴分别被棱镜3a和3b“折弯”，这样光轴变为水平方向，以及分别进入右侧的第二透镜阵列4a或左侧的第二透镜阵列4b。

每个光学单元基本上以与关于图1描述的现有技术相同的方式工作。

从图像传感器5a和5b接收到的信息在共同的电子处理器中被进一步处理，该电子处理器以以下方式工作，即将从两个光程单元单独接收到的信息按照适当的方式组合，从而合成所期望的总光学信息。由于在电子层面上完成上述组合操作，所以不需要大量空间。由于具有两个独立的光学系统，沿外壳1高度h方向的图像传感器5a和5b中的每个的光有效部分的横向尺寸可以减少至接近一半，但是依然捕捉完整光学信息。仅光有效部分可以减小，并且由于需要重叠，所以光有效部分不能减小至一半，只能非常接近于一半。

作为实现本发明的实践示例，下面的尺寸(设备的高度)和分辨率(像素)实践上可用于光学图像记录设备：

 

像素	高度
		2M	4.0mm
3M	4.4mm
		5M	4.9mm
8M	5.3mm

与现有技术的可选技术方案相比，本发明相机的高度相对于图像传感器的给定分辨率而大大减小。

图3示出了图2中光程单元b的详细剖面图。光学信息输入经过的第一光学透镜是单个棱镜3b，第二透镜阵列具有多种常规光学透镜4b，其中的一个可以是滤光透镜11b。棱镜3b和第二透镜阵列4b的第一个透镜之间设有一个孔径(图中未示出)，该孔径优势地是机械快门。

需要注意的是，图3a至图3c仅示出了图2中描述的根据本发明的图像传感器的细节(“b部分”)。在图2的整个系统中，棱镜3a和3b必须尽可能靠近。它们作用为一个在中间“折弯”的棱镜，用于将一半的图像投射进第二透镜阵列的第二半。典型是有两个棱镜，但是当棱镜3a和3b彼此机械地附着在一起形成一个棱镜单元时也可以实现。

现在关于附图3a、3b和3c描述的另一个特征是光学图像记录设备的自动聚焦功能。

为了实现自动聚焦功能，图像传感器5b布置为沿图3b中所示的光学系统的纵向移动，其对应于外壳1的尺寸1(见图2)。为此，在图像传感器5b后面或侧面设有操作装置。该操作装置包括给定尺寸和重量的质量块8b，其与压电元件9b一起作为用于移动的致动器。正如从图3b中看到的，压电元件9b附接到伸展到外壳1外部的柔性连接6b。这样，通过启动致动器，压电元件9b在水平方向中致动图像传感器5b。

作为上述方案的可替换方案(图中未示出)，针对棱镜3b和图像传感器5b分别是固定元件，通过沿外壳1的长度1的方向移动或部分移动第二透镜阵列4b也可以实现自动聚焦功能。

图4示出了图3b中示出的实施例的细节。详细附图示出了平面传感器5b，其有效区域表示为13b。图像传感器5b固定在外壳内部的印刷电路板(PWB)上或者另一衬底14b上，其通过连接装置7b柔性连接。图像传感器5b的有效区域13b以在沿着外壳1的高度h延伸的尺寸中尽可能远地延伸方式而最优化。为此，任何电连接14b都设置在不影响尺寸的图像传感器侧面处。

Claims (18)

1.一种光学图像记录设备，包括：

外壳(1)，具有相对小的高度(h)，以及至少一个相对宽的光学图像信息输入表面(2)，

光程单元，包括第一透镜阵列(3a，3b)、第二透镜阵列(4a，4b)以及图像传感器(5a，5b)，在光程单元中，第一透镜阵列(3a，3b)将输入的光学信息引导到基本上垂直于外壳(1)的高度(h)延伸的第二透镜阵列(4a，4b)的光轴上，以及由图像传感器(5a，5b)接收所述光学图像信息；以及

所述光学图像记录设备进一步包括与所述图像传感器(5a，5b)相耦合的用于处理和存储图像数据的电子装置，

其特征在于：至少包括两个相互反并行布置的不同的光程单元(3a，3b，4a，4b，5a，5b)，其中每个光程单元至少处理并记录输入的光学信息的相应部分，以及该光学图像记录设备中配备有组合装置，用于将记录在相应光学图像记录设备中的信号进行电组合。

2.根据权利要求1所述的光学图像记录设备，其特征在于：每个光程单元都包括二维图像传感器(5a，5b)，其中的一维沿着外壳的高度(h)延伸。

3.根据权利要求1所述的光学图像记录设备，其特征在于：包括至少一对相互反并行布置的光程单元(3a，3b，4a，4b，5a，5b)，其中的每个光程单元处理其沿着分配给对应第一透镜阵列(3a，3b)的相应观察锥体(10a，10b)输入的相应图像，以及配备有组合装置用于合成完整的图像信息。

4.根据权利要求3所述的光学图像记录设备，其特征在于：所述一对光程单元(3a，3b，4a，4b，5a，5b)的观察锥体(10a，10b)是部分重叠的。

5.根据权利要求1所述的光学图像记录设备，其特征在于：在第一透镜阵列(3a，3b)和第二透镜阵列(4a，4b)之间包括孔径。

6.根据权利要求5所述的光学图像记录设备，其特征在于：所述孔径是机械快门。

7.根据权利要求1所述的光学图像记录设备，其特征在于：每个光程单元(3a，3b，4a，4b，5a，5b)中都包括自动聚焦单元(6b，8b，9b)。

8.根据权利要求7所述的光学图像记录设备，其特征在于：所述自动聚焦单元(6b，8b，9b)包括操作装置，用于沿与外壳(1)的高度(h)垂直的方向移动图像传感器(5b)。

9.根据权利要求8所述的光学图像记录设备，其特征在于：用于移动图像传感器的操作装置包括压电致动器元件(9b)。

10.根据权利要求9所述的光学图像记录设备，其特征在于：上述压电致动器元件(9b)与质量块(8b)接合。

11.根据权利要求7所述的光学图像记录设备，其特征在于：包含在每个光程单元中的所述自动聚焦单元包括另一个操作装置，用于相对于外壳(1)内部的第一透镜阵列(3a，3b)移动第二透镜阵列(4a，4b)或第二透镜阵列(4a，4b)的部分。

12.根据权利要求1所述的光学图像记录设备，其特征在于：所述第一透镜阵列是棱镜(3a，3b)。

13.根据权利要求12所述的光学图像记录设备，其特征在于：在一对互相反并行布置的光程单元(3a，3b，4a，4b，5a，5b)中包括两个不同的棱镜(3a，3b)。

14.根据权利要求13所述的光学图像记录设备，其特征在于：两个棱镜(3a，3b)机械地附接为一个棱镜单元。

15.根据权利要求1所述的光学图像记录设备，其特征在于：所述第二透镜阵列(4a，4b)包括常规光学透镜。

16.根据权利要求1所述的光学图像记录设备，其特征在于：所述图像传感器(5b)是平面传感器，所述图像传感器(5b)在沿外壳(1)的高度(h)延伸的侧面处包括其电连接(14b)。

17.根据权利要求16所述的光学图像记录设备，其特征在于：所述平面传感器是CCD或CMOS传感器。

18.根据上述任何一个权利要求所述的光学图像记录设备，其特征在于：其是能够照相的移动电话的一部分。

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