CN110649051A - 滤光元件、图像传感器、摄像模组及终端设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种滤光元件、图像传感器、摄像模组及终端设备。滤光元件包括：壳体，设置有空腔；电极，与壳体相对固定设置，电极能够于空腔形成电场；以及第一液体和第二液体，互不相溶地设置于空腔中，第一液体和第二液体分别允许透过不同颜色的光线，电极能够驱动第一液体流动，以改变第一液体和第二液体于空腔中的位置，从而能够控制穿过空腔的光线的颜色。上述滤光元件设置有互不相溶的第一液体和第二液体，第一液体和第二液体分别对不同颜色的光线拥有较高的透过率，通过控制电极的电压以对第一液体施加电场力，驱使第一液体和第二液体分布在空腔中的不同位置，进而选择性地滤除入射光线，提高对入射光线的利用效率。
Description
技术领域
本申请涉及电子设备领域，特别是涉及一种滤光元件、图像传感器、摄像模组及终端设备。
背景技术
目前，图像传感器中所使用的色彩滤镜一般是Bayer RGB滤镜，此时整个图像传感器上的滤光器按固定的红、绿、绿、蓝的排列重复，但每种颜色的滤光器只允许相应颜色的光线透过，这使图像传感器对入射光线的利用效率较低。
发明内容
本申请实施例提供一种滤光元件、图像传感器、摄像模组及终端设备，以解决如何提高对入射光线的利用效率的问题。
一种滤光元件，包括：
壳体，设置有空腔；
电极，与所述壳体相对固定设置，所述电极能够于所述空腔形成电场；以及
第一液体和第二液体，互不相溶地设置于所述空腔中，所述第一液体和所述第二液体分别允许透过不同颜色的光线，所述电极能够驱动所述第一液体流动，以改变所述第一液体和所述第二液体于所述空腔中的位置，从而能够控制穿过所述空腔的光线的颜色。
上述滤光元件中设置有两种互不相溶的所述第一液体和所述第二液体，且所述第一液体和所述第二液体分别对不同颜色(如白色、红色、蓝色、绿色等)的光线拥有较高的透过率，从而，通过控制所述电极的电压以对所述第一液体施加电场力，驱使所述第一液体在所述空腔中流动，并被最终限制在所述腔体中吸引力最大的位置，而所述第二液体在所述空腔中的位置将与所述第一液体的位置互补。当控制所述电极的电压以将所述第一液体限制在所述空腔的中间区域，使所述第二液体被限制在所述空腔的边缘区域，此时，大部分外界光线在穿过所述空腔时将仅经过所述第一液体，从而入射光线中与所述第一液体的颜色(在所述第一液体中具有高透过率的颜色)相同的光线将穿过所述空腔；若调节所述电极的电压后，所述第一液体和所述第二液体均位于所述空腔的中间区域时，入射光线将分别经过所述第一液体和所述第二液体，只有同时能够透过所述第一液体和所述第二液体的光线才能穿过所述空腔。因此，通过控制所述电极的电压以改变所述第一液体和所述第二液体于所述空腔中的位置，进而选择性地滤除入射光线，提高对入射光线的利用效率。
在其中一个实施例中，所述壳体包括位于轴线方向上的入光面和出光面，所述第一液体和所述第二液体位于所述入光面和所述出光面之间，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述入光面，所述第二电极设置在所述出光面，所述第一电极和所述第二电极能够驱动所述第一液体流动。
在其中一个实施例中，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个在由中心至边缘的方向上依次设置有中间电极区域和边缘电极区域，所述中间电极区域和所述边缘电极区域之间绝缘设置，且所述中间电极区域和所述边缘电极区域能够被独立控制，以分别于所述空腔形成电场。
在其中一个实施例中，所述壳体包括侧壁，所述侧壁围绕所述滤光元件的轴线设置并形成所述空腔，所述电极包括第三电极，所述第三电极设置在所述侧壁上的，所述第三电极能够驱动所述第一液体流动。
在其中一个实施例中，所述第一液体对白光具有高透过率，所述第二液体对单色光具有高透过率；或者所述第一液体对单色光具有高透过率，所述第二液体对白光具有高透过率。
在其中一个实施例中，所述滤光元件包括微透镜，所述微透镜为平凸透镜，所述微透镜的平面一侧在所述壳体的轴线方向上与所述壳体连接，经过所述微透镜的光线被会聚并进入所述空腔。
在其中一个实施例中，所述滤光元件包括以下至少一种：
所述第二液体的折射率大于等于所述第一液体的折射率；
所述第一液体的密度为ρ1，所述第二液体的密度为ρ2，所述第一液体和所述第二液体满足0.8≤ρ1/ρ2≤1.2。
在其中一个实施例中，所述滤光元件包括以下至少一种：
所述第一液体为离子液体；
所述第二液体为油性液体。
一种图像传感器，包括多个阵列单元和多个光电二极管，多个所述阵列单元呈阵列形式排列在同一平面上，每个所述阵列单元包括多个滤色单元，多个所述滤色单元中的至少一个为上述任一项实施例所述的滤光元件，每一所述滤色单元的轴线上设置有一个所述光电二极管，所述光电二极管能够接收穿过所述滤色单元的光线，每个所述阵列单元能够透过至少三种不同颜色的光线。
通过采用上述滤光元件，入射光线在到达所述光电二极管之前将被所述滤光元件选择性地滤除，只有与所述第一液体的颜色和所述第二液体的颜色中至少一种颜色相同的光线能够穿过所述腔体以到达所述光电二极管。此时，通过控制所述电极的电压以改变所述第一液体和所述第二液体于所述空腔中的位置，进而能够选择性地滤除入射光线，提高对入射光线的利用效率。另外，在不同环境下可通过调节所述电极的电压以使所述排列单元切换不同的滤光排列状态，以提高对入射光线的利用效率(例如从RGB排列切换为RGBW排列)，以此提升在该环境下的成像质量。
在其中一个实施例中，每个所述阵列单元包括四个所述滤色单元，四个所述滤色单元分别为第一滤色单元、第二滤色单元、第三滤色单元及第四滤色单元，所述第一滤色单元能够透过红光，所述第二滤色单元能够透过绿光，所述第三滤色单元能够透过蓝光，所述第四滤色单元为所述滤光元件，所述第四滤色单元通过所述电极调制后能够透过绿光或白光。
一种摄像模组，包括透镜组及上述实施例所述的图像传感器，所述透镜组设置于所述图像传感器的物侧，外界光线经所述透镜组调节后穿过所述滤光元件，并被所述光电二极管接收。
通过采用上述图像传感器，所述摄像模组可控制所述电极的电压以切换所述阵列单元上的滤光排列状态，以提高对入射光线的利用效率来应对不同的摄像环境，从而提高成像质量。
一种终端设备，包括机壳及上述实施例所述的图像传感器，所述摄像模组固定于所述机壳。
上述滤光元件中设置有两种互不相溶的所述第一液体和所述第二液体，且所述第一液体和所述第二液体分别对不同颜色(如白色、红色、蓝色、绿色等)的光线拥有较高的透过率，从而，通过控制所述电极的电压以对所述第一液体施加电场力，驱使所述第一液体在所述空腔中流动，并被最终限制在所述腔体中吸引力最大的位置，而所述第二液体在所述空腔中的位置将与所述第一液体的位置互补。当控制所述电极的电压以将所述第一液体限制在所述空腔的中间区域，使所述第二液体被限制在所述空腔的边缘区域，此时，大部分外界光线在穿过所述空腔时将仅经过所述第一液体，从而入射光线中与所述第一液体的颜色(在所述第一液体中具有高透过率的颜色)相同的光线将穿过所述空腔；若调节所述电极的电压后，所述第一液体和所述第二液体均位于所述空腔的中间区域时，入射光线将分别经过所述第一液体和所述第二液体，只有同时能够透过所述第一液体和所述第二液体的光线才能穿过所述空腔。因此，通过控制所述电极的电压以改变所述第一液体和所述第二液体于所述空腔中的位置，进而能够改变滤光排列状态，以此选择性地滤除入射光线，提高对入射光线的利用效率，改善成像质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例提供的滤光元件的示意图；
图2为本申请一实施例提供的滤光元件的示意图；
图3为本申请一实施例提供的滤光元件的示意图；
图4为本申请一实施例提供的滤光元件的示意图；
图5为本申请一实施例提供的滤光元件中第二电极的示意图；
图6为本申请一实施例提供的滤光元件中第二电极的示意图；
图7为本申请一实施例提供的滤光元件的示意图；
图8为本申请一实施例提供的图像传感器的示意图；
图9为本申请一实施例提供的摄像模组的示意图；
图10为本申请一实施例提供的终端设备的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。
作为在此使用的“终端设备”指包括但不限于经由以下任意一种或者数种连接方式连接的能够接收和/或发送通信信号的装置：
(1)经由有线线路连接方式，如经由公共交换电话网络(Public SwitchedTelephone Networks，PSTN)、数字用户线路(Digital Subscriber Line，DSL)、数字电缆、直接电缆连接；
(2)经由无线接口方式，如蜂窝网络、无线局域网(Wireless Local AreaNetwork，WLAN)、诸如DVB-H网络的数字电视网络、卫星网络、AM-FM广播发送器。
被设置成通过无线接口通信的终端设备可以被称为“移动终端”。移动终端的示例包括但不限于以下电子装置：
(1)卫星电话或蜂窝电话；
(2)可以组合蜂窝无线电电话与数据处理、传真以及数据通信能力的个人通信系统(Personal Communications System，PCS)终端；
(3)无线电电话、寻呼机、因特网/内联网接入、Web浏览器、记事簿、日历、配备有全球定位系统(Global Positioning System，GPS)接收器的个人数字助理(PersonalDigital Assistant，PDA)；
(4)常规膝上型和/或掌上型接收器；
(5)常规膝上型和/或掌上型无线电电话收发器等。
目前，图像传感器中所使用的色彩滤镜一般是Bayer RGB滤镜，此时整个图像传感器上的滤光器按固定的红、绿、绿、蓝的顺序重复排列，每种颜色的滤光器只允许一种颜色的光线透过，而其他颜色的光线将被滤除。因此，当图像传感器制备完成时，该图像传感器上的滤光器的排列方式将固定且唯一，这种图像传感器在特定环境(如环境光线充足)下使用时将拥有优良的成像效果，但当应用于其他环境(如环境光线不足)时，最终所呈现的成像质量较低。因此，由于图像传感器上的滤光器的排列方式将固定且唯一，一般的图像传感器对入射光线的利用效率较低，无法根据环境的变化而做出有效调整，从而难以满足用户在不同环境下对高质量成像的需求。
为了解决上述问题，提高图像传感器对入射光线的利用效率以应对不同的拍摄环境，本申请的实施例提供一种滤光元件、图像传感器、摄像模组及终端设备。
参考图1和图2，本申请一实施例中的滤光元件10包括壳体100、电极200以及第一液体310和第二液体320。壳体100包括侧壁110、上壁120和下壁130，且侧壁110、上壁120和下壁130的材质均不导电，并共同围绕形成封闭的空腔140，上壁120远离腔体的表面为壳体100的入光面121，下壁130远离腔体的表面为出光面131，入射光能够从入光面121进入空腔140，并从出光面131出射。当然，在一些实施例中，滤光元件10中并未设置上壁120和下壁130，此时的空腔140可视为是侧壁110所围绕的空间。上壁120和下壁130具有透明特性，即对可见光具有高透过率。在本申请的实施例中，对某种光线的透过率大于70％即可认为该材料对该种光线具有高透过率。
空腔140中充满了互不相溶的第一液体310和第二液体320，电极200能够驱动第一液体310流动，以改变第一液体310和第二液体320于空腔140中的位置。第一液体310和第二液体320分别允许透过不同颜色的光线。具体地，该实施例中的第一液体310为能够透过白光(各色光的混合)的透明液体，第二液体320为仅能够透过绿光的绿色液体。在本申请的实施例中，可将第一液体310和第二液体320分别允许透过不同颜色的光线理解为：第一液体310和第二液体320所能够透过的光线的波长范围并不完全相同。
另外，第一液体310为离子液体，第二液体320为不带电的油性液体，当第二液体320为油性液体时，第二液体320将具有较好的团聚特性，不易分散，液体的可控性较好。第一液体310于空腔140中的体积大于第二液体320于空腔140中的体积，且第一液体310的密度与第二液体320的密度大致相同，例如第一液体310与第二液体320的密度之比在0.8-1.2之间，例如可以为0.80、0.85、0.90、0.95、1.00、1.05、1.10、1.15或1.20，以此尽可能地消除重力对第一液体310及第二液体320于空腔140中分布位置的影响，使第一液体310对电场的驱动更为敏感。此时，可通过控制电极200以改变第一液体310和第二液体320于空腔140中的位置，从而选择性地让入射光线只通过第一液体310和第二液体320中的至少一个，以此实现不同滤光状态之间的切换。
具体地，电极200包括第一电极210和第二电极220，第一电极210固定在壳体100的入光面121上，第二电极220固定在壳体100的出光面131，且第一电极210和第二电极220分别完整地覆盖上壁120和下壁130。第一电极210和第二电极220同样具有透明特性，第二电极220和第二电极220为ITO膜，或者也可以为具有透明特性和导电特性的材料，或者还可以为金属网格。第一电极210和第二电极220能够在空腔140中形成电场，通过控制第一电极210的电势V1和第二电极220的电势V2以形成的电势差，便能够调节空腔140中的电场分布及强度，从而驱动第一液体310于空腔140中流动，并将第一液体310限制在空腔140中的特定区域。入射光线将依次经过第一电极210、上壁120、第一液体310和第二液体320中的至少一个、下壁130以及第二电极220，但其中只有被第一液体310和第二液体320中至少一个允许通过的光线才能最终从出光面131射出以被光电二极管202接收。
在该实施例中，第一液体310为带正电的离子液体，使第一电极210的电势小于第二电极220的电势此时空腔140中的电场由第二电极220指向第一电极210，从而第一液体310将沿着电场方向移动并聚集在上壁120附近，而第二液体320将被第一液体310排挤并聚集到下壁130附近。且由于空腔140中部的电场强度大于边缘的电场强度，第二液体320将会被排挤至靠近下壁130的中间区域。此时，当白光光线沿壳体100的轴线101方向入射滤光元件10时，白光光线将依次经过第一液体310和第二液体320，并在穿过第二液体320后将仅剩绿光光线，其他颜色的光线被第二液体320滤除，从而达到滤光效果。第一液体310实际上也可以为带负电的离子液体，且进一步地，第一液体310也不一定只能是离子液体，只要是能够被电极200驱动的液体即可。
参考图2，当改变第一电极210和第二电极220，使两者均聚集负电荷，此时第一液体310将被第一电极210和第二电极220吸引并分别靠近上壁120和下壁130，同时将第二液体320排挤至侧壁110附近，当入射光线沿壳体100的轴线101方向入射时，入射光线将只经过第一液体310，从而在穿过空腔140后将不会被滤除光线。例如，图像传感器在正常亮度的拍摄环境下采用RGB阵列，而在暗光环境下按上述方法切换为RGBW阵列，从而提高在暗光环境下的信噪比。为实现上述效果，第一电极210和第二电极220的工作状态并不限于上述状态，只需要能够使第二液体320被排挤到空腔140的边缘即可。
一般地，当滤光元件10与光电二极管202装配时，光电二极管202将位于滤光元件10的轴线101上，且光电二极管202对光线的有效接收面小于壳体100的横截面积，因此在各实施例的讨论中，主要认为壳体100的轴线101附近区域的入射光线能够被光电二极管202接收(可参考图1和图2中用虚线代表的轴线101附近的入射光线)，从而根据轴线101附近区域的入射光线是否被滤除来判断滤光元件10的滤光状态，若轴线101附近的入射光线中仅有红光能透过，则认为滤光元件10此时的滤光状态为仅透过红光。
在图1所体现的实施例中，第二液体320只覆盖了下壁130的部分区域，但在本申请的另一些实施例中，通过提高第二液体320于空腔140中的体积占比，使第二液体320被限制在下壁130附近的区域时能够完整地覆盖下壁130，以使入射光线全部经过第二液体320后才能穿出空腔140，从而提高滤光元件10的滤光质量，避免因为漏光而导致光电二极管202发生错误接收。
在另一些实施例中，电极200与壳体100之间间隔设置。在还有的一些实施例中，电极200也可充当壳体100，但此时电极200靠近第一液体310和第二液体320的一侧应设置绝缘结构，避免电极200中的电子传递至带电液体中，此时该绝缘结构便可充当壳体100的一部分。
需要注意的是，一些实施例中的第一液体310不一定为透明液体，也可以是仅对红色、蓝色、黄色、粉色、青色等任意一种颜色高透过的液体，此时的第一液体310也具备滤光能力。在本申请的实施例中，对某种颜色的光线具有大于70％的透过率便可认为液体对该种颜色的光线高透过，而对某种颜色的光线的透过率低于20％便可认为液体无法透过该种颜色的光线。另外，一些实施例中的第二液体320也不一定为仅对绿光高透过的液体，第二液体320也可是对白光、红色、蓝色、黄色、粉色、青色等任意一种颜色光线高透过的液体。当描述液体可透过白光时，该液体为透明液体。具体地，在一些实施例中，第一液体310仅对红光高透过，第二液体320仅对绿光高透过时，当通过控制电极200的电压以使第一液体310和第二液体320均位于壳体100的轴线101上时(即位于空腔140的中间区域)，入射的光线将分别经过第一液体310和第二液体320，此时入射光线中仅有黄光能够穿过空腔140；当通过控制电极200的电压以仅使第一液体310位于壳体100的轴线101上时，入射光线中仅有红光能够穿过空腔140。
另外，一些实施例中的第二液体320也可为带电液体，此时电极200能够同时驱动第一液体310和第二液体320。具体地，第二液体320可以为与第一液体310的电性相同。例如，第一液体310和第二液体320均为带正电的离子液体，而第二液体320的电荷密度小于第一液体310的电荷密度。另外，第二液体320在一些实施例中为带电的油性液体。
为了简化滤光元件10，减少电性连接结构以降低制备难度，一些实施例中的滤光元件10可仅在上壁120设置第一电极210或仅在下壁130设置第二电极220，即，只通过一个电极200驱动第一液体310，但此时的空腔140于轴线101上的尺寸应相应减小，从而使第一电极210能够对远离上壁120的第一液体310施加有效的作用力，或第二电极220能够对远离下壁130的第一液体310施加有效的作用力，避免因距离过远而无法作用到远处的第一液体310。
同时，在一些实施例中也可使第一电极210和第二电极220分别只覆盖上壁120和下壁130的部分区域，例如分别只覆盖上壁120和下壁130的中间区域，或分别只覆盖上壁120和下壁130的边缘区域，可认为上壁120的中间区域和边缘区域的面积比值为1:1，且上壁120中间区域关于上壁120的中心对称，下壁130的中间区域和边缘区域的定义与上壁120中的相同。从而，第一电极210和第二电极220之间能够形成配合，以在空腔140的中间区域或边缘区域(在壳体100的轴线101方向上对应至上壁120的中间区域和边缘区域)形成电场，以此驱动第一液体310。但中间区域与边缘区域的比值并不限于1:1，也可以是1:2、1:3等任意比例，只要能够有效地对第一液体310施加作用力即可。此时，通过改变第一电极210和第二电极220的电势，以使第一液体310被限制在空腔140的边缘区域(靠近侧壁110的区域)，使第二液体320被排挤至空腔140的中间区域，此时沿壳体100的轴线101入射的光线将只经过第二液体320，此时滤光元件10所能透过的光线的颜色由第二液体320所决定；通过控制电极200的电压，使第一液体310被限制在空腔140的中间区域，而第二液体320被排挤至空腔140的边缘区域，此时沿壳体100的轴线101入射的光线将只经过第一液体310，此时滤光元件10所能透过的光线的颜色由第一液体310所决定；以及通过控制电极200的电压，使第一液体310被第一电极210所施加的电场力限制在空腔140靠近上壁120的区域，而第二液体320被排挤至空腔140靠近下壁130的区域，此时入射光线将分别经过第一液体310和第二液体320，此时滤光元件10所能透过的光线的颜色由第一液体310和第二液体320共同决定。在该实施例中，通过控制第一电极210和第二电极220的电势便可实现三种滤光状态的切换，从而能够在不同拍摄环境下可选择性地切换滤光状态，极大地提高了对入射光线的利用效率，提高在不同拍摄环境下的成像质量。
参考图3，在一些实施例中，第一电极210远离上壁120的一侧设置有微透镜400，微透镜400为对光线具有会聚效果的平凸透镜，微透镜400的平面一侧在轴线101的方向上与第一电极210连接。而在一些没有设置第一电极210的实施例中，微透镜400也可直接固定连接在壳体100的入光面121上。微透镜400的横截面积约等于壳体100的横截面积，即微透镜400能够完整地覆盖上壁120，从而当入射光线从滤光元件10的边缘入射时，微透镜400能够将这些从边缘入射的光线往轴线101上会聚，使从边缘入射的光线在穿过第一液体310和第二液体320中的至少一个后，被位于滤光元件10像侧的光电二极管202吸收，以此充分利用入射光线。特别是在暗光环境下，入射光线不足，图像传感器难以接收到足够的光线，此时微透镜400可以使尽可能多的光线穿过滤光元件10并被光电二极管202接收，从而提升图像传感器在暗光环境下的灵敏度。
参考图3，为了尽可能地会聚入射光线，一些实施例中的第二液体320的折射率大于第一液体310的折射率，从而当第二液体320被限制在空腔140靠近下壁130的中间区域时，第二液体320也能够充当正透镜，以此将入射光线尽可能多的会聚，提高光电二极管202的接收效率。
为了使第二液体320尽可能地被限制在空腔140靠近下壁130的空间，在一些实施例中，下壁130靠近位于空腔140一侧的表面设置有疏水层，使疏水层能够排斥第一液体310，进而使第二液体320能够沿着下壁130移动。当然，在另一些实施例中，当需要将第二液体320限制在上壁120附近时，也可在上壁120位于空腔140的一侧设置疏水层。除了在上壁120或下壁130设置疏水层外，也可在侧壁110、上壁120和下壁130中的至少一个上设置亲水涂层。具体地，可以在侧壁110位于空腔140的表面设置亲水涂层，从而使第二液体320尽可能地被限制在上壁120或下壁130附近。具体地，可采用聚四氟乙烯(PTFE)、氟化聚乙烯、氟碳蜡或其它合成含氟聚合物作为疏水层的材料。
一并参考图3和图4，除了在上壁120和下壁130分别设置第一电极210和第二电极220外，在一些实施例中，侧壁110远离空腔140的表面上也可设置第三电极230，第三电极230同样能够对第一液体310施加作用力。当第一液体310为到正电的离子液体且第一液体310于空腔140中的体积大于第二液体320于空腔140的体积时，例如第一液体310与第二液体320的体积比大于三时，通过在第三电极230上积累正电荷，使第一液体310受到第三电极230的作用后远离第三电极230，同时使第二液体320被排挤到设置有第三电极230的侧壁110附近，从而第一液体310将占据空腔140的中间区域，因此，于壳体100轴线101附近入射的光线将仅经过第一液体310，此时滤光元件10的滤光状态将由第一液体310决定。随后，通过控制第一电极210和第二电极220的电势，第二液体320能够被排挤至空腔140的中间区域，此时滤光元件10的滤光状态将由第一液体310和第二液体320共同决定。
在另一些实施例中，当侧壁110的一个表面上设置有第三电极230时，侧壁110上与该表面相背的另一个表面上还设置有第四电极240。当空腔140于垂直轴线101方向的尺寸较大时，第三电极230可能难以对距离较远的第一液体310产生作用，此时第四电极240能够与第三电极230配合，以便更好地驱动远离第三电极230的第一液体310。例如，当第三电极230排斥第一液体310时，可通过在第四电极240上积累电荷以吸引第一液体310，从而使空腔140中任意区域的第一液体310都能够被有效驱动，同时使第二液体320能够被更快地排挤到靠近第三电极230附近，避免第二液体320游离并覆盖至空腔140的中间区域，进而提高滤光元件10的反应速度及滤光质量。
为使第一液体310能够更快速且更有方向性地移动，一些实施例中的第二电极220可进一步划分多个电极200区域以在空腔140中分布多种强度的电场，进而对第一液体310施加不同的作用力。
参考图5，在本申请的一个实施例中，第二电极220由中心至边缘方向依次包括中间电极区域221、过渡电极区域223及边缘电极区域222，中间电极区域221呈矩形且中间电极区域221的中心与下壁130的中心重叠或几乎重叠，过渡电极区域223环绕中间电极区域221设置，而边缘电极区域222环绕过渡电极区域223设置。通过屏蔽、绝缘等方式使中间电极区域221、过渡电极区域223及边缘电极区域222两两之间不存在电性连接，中间电极区域221、过渡电极区域223及边缘电极区域222能够被独立控制。中间电极区域221、过渡电极区域223及边缘电极区域222能够分别与第一电极210产生不同的电势差，以分别在空腔140中形成不同强度及/或不同方向的电场，第一液体310在该电场中能够更快地沿预期方向流动并被限制在预期位置。另外，第一电极210能够接地设置以与第二电极220的中间电极区域221、过渡电极区域223及边缘电极区域222配合，以在空腔140中形成电场。在一些实施例中，第一电极210由中心至边缘方向也可依次设置中间电极区域221、过渡电极区域223及边缘电极区域222。
此时参考图7，通过在下壁130的内壁面设置疏水层，疏水层对第一液体310表现出疏水性以排斥第一液体310，因此不在第一电极210与第二电极220间施加电压时，第一液体310将靠近上壁120，而第二液体320将靠近下壁130，此时通过调控中间电极区域221与第一电极210之间的电压以及边缘电极区域222与第一电极210之间的电压，可使第一液体310克服疏水层的作用往下壁130的中间区域聚集，而第二液体320被排挤至下壁130的边缘区域，从而大部分入射光线将仅经过第一液体310便被光电二极管202接收。
例如，参考图5和图7，使中间电极区域221的电荷为负，使过渡电极区域223和边缘电极区域222的电荷为正，且使过渡电极区域223中的电荷密度小于边缘电极区域222中的电荷密度，此时带正电的第一液体310将被趋向中间电极区域221附近，而位于边缘电极区域222的第一液体310将被排斥，使得第二液体320被排挤至边缘电极区域222附近(即空腔140靠近下壁130的边缘区域)。又或者，使中间电极区域221和过渡电极区域223的电荷为正，且中间电极区域221的电荷密度大于过渡电极区域223电荷密度，同时使边缘电极区域222的电荷为负时，携带正电的第一液体310将从空腔140的中间区域(对应中间电极区域221)被引导至空腔140的边缘区域(对应边缘电极区域222)，而第二液体320将被排挤至空腔140的中间区域，此时从壳体100轴线101附近区域入射的光线将仅经过第二液体320，此时的滤光元件10的滤光状态将由第二液体320决定。但需要注意的是，当第一液体310的体积占比较高时，空腔140中远离第二电极220的区域中的第一液体310并未全部被引导至空腔140的边缘区域，而是覆盖在空腔140靠近上壁120的中间区域中，而空腔140靠近下壁130的中间区域还是由第二液体320占据，从壳体100轴线101附近区域入射的光线将依次经过第一液体310和第二液体320，此时滤光元件10的滤光状态将由第一液体310和第二液体320共同决定。
参考图6，在另一些实施例中，过渡电极区域223并未完全环绕中间电极区域221设置，而仅是邻近中间电极区域221的一边设置，另外，第二电极220还设置有阻挡电极区域224，阻挡电极区域224和过渡电极区域223共同围绕中间电极区域221，阻挡电极区域224用于阻挡第一液体310流过。此时，通过控制中间电极区域221、过渡电极区域223、边缘电极区域222及阻挡电极区域224的电势，第一液体310将有方向性地流通，从而加快空腔140中第一液体310和第二液体320快速重新分布以达到稳定状态，使滤光元件10能够在不同滤光状态之间快速切换。例如，第一液体310携带正电，中间电极区域221和阻挡电极区域224的电荷为正，阻挡电极区域224的电荷密度远远大于中间电极区域221的电荷密度，而边缘电极区域222和过渡电极区域223的电荷为负，且边缘电极区域222的电荷密度大于过渡电极区域223的电荷密度，此时，第一液体310将从中间电极区域221沿着过渡电极区域223被引导至边缘电极区域222，而第二液体320则能够轻易地从阻挡电极区域224被排挤至中间电极区域221，此时滤光元件10的滤光状态由第二液体320决定。
在以上举例中，中间电极区域221、过渡电极区域223、边缘电极区域222及阻挡电极区域224的电荷正负及电荷密度的大小关系并不限于此，具体地设定也需要根据第一液体310的电性来确定，但只要能够使第一液体310有方向性地快速流动并限制在预期位置即可。需要注意的是，第一电极210和第二电极220中也可仅设置中间电极区域221和边缘电极区域222，而无需设置过渡电极区域223。
参考图9，在一些实施例中，本申请还提供一种图像传感器20，图像传感器20包括多个阵列单元21，多个阵列单元21呈阵列形式排列在同一平面上，每个阵列单元21包括多个(至少两个)滤色单元，多个滤色单元中的至少一个为以上任一项实施例中所述的滤光元件10，每一滤色单元的轴线上设置有一个光电二极管202，光电二极管202能够接收穿过滤色单元的光线，每个阵列单元21能够透过至少三种不同颜色的光线。在一些实施例中，当图像传感器20中的至少两个滤光元件10相邻设置时，相邻的滤光元件10之间能够共用侧壁110，该共用的侧壁110能够作为相邻滤光元件10的壳体100的一部分。
在一些实施例中，图像传感器20可划分为多个方形的阵列单元21，每个阵列单元21包括四个方形的滤色单元，滤色单元均具有滤光效果，且四个滤色单元中至少一个为滤光元件10，每个滤色单元的轴线上设置有一个光电二极管，光电二极管能够接收穿过滤色单元的光线。另外，在同一阵列单元21中，四个滤色单元在一个确定的滤光状态下能够对至少三种颜色的光线透过，例如在电压调节后的一个确定的滤光状态下，第一个滤色单元只允许透过红光，第二个滤色单元只允许透过绿光，第三个滤色单元只允许透过蓝光，第四个滤色单元只允许透过绿光。任一滤色单元可以是仅能透过一种颜色光线的普通的滤光器，或者也可以是滤光元件10，只需保证每个阵列单元21中至少包括一个滤光元件10即可。
例如，在其中一个实施例中，四个滤色单元分别为第一滤色单元2101、第二滤色单元2102、第三滤色单元2103以及第四滤色单元2104，在一个滤光状态(如使电极200保持一固定的电压状态)下的第一滤色单元2101对仅可透过蓝光，第二滤色单元2102仅可透过绿光，第三滤色单元2103也仅可透过红光，而第四滤色单元2104为滤光元件10，且第四滤色单元2104仅可透过绿光。上述滤色单元的排列形式为经典的RGB阵列，当用户需要在暗光环境下拍摄时，可通过改变每一个阵列单元21的滤光状态，使第四滤色单元2104改变为对白光透过(即对所有可见光全透过)，此时每个阵列单元21中的滤色单元排列将变成RGBW阵列，这种阵列则能提高图像传感器20在暗光环境下的信噪比，提高成像质量。当然，在另一些实施例中，根据对滤光元件10中第一液体310和第二液体320的多种不同透光性质的选择，第四滤色单元2104也可对不同颜色的光线透过，此时的滤色单元排列将能够选择性地变为RGB(红、绿、绿、蓝)、RGBE(红、绿、蓝、青)、RGBY(红、绿、蓝、黄)等多种滤色阵列，以此应对不同环境下的拍摄问题。
需要注意的是，在一些实施例中，第一滤色单元2101、第二滤色单元2102、第三滤色单元2103及第四滤色单元2104都可以为滤光元件10，此时的图像传感器20将拥有多种滤色阵列，例如可以是RGB、RGBE、CYYM、RGBY等滤色阵列。具体地，在一些实施例中，当四个滤色单元均为滤光元件10且每种滤光元件10拥有两种不同颜色的滤光状态时，图像传感器20将拥有至少十六种滤色阵列；若每种滤光元件10拥有三种不同颜色的滤光状态，则图像传感器20将拥有至少八十一种滤色阵列。
具体地，在一些实施例中，施加在滤光元件10上的电压能够被独立调制。例如图像传感器20中的一部分滤光元件10能够被统一调制电压以同时呈现同一种滤光状态，而另一部分滤光元件10能够被以另一种形式统一调制电压以同时呈现另一种滤光状态，从而，通过分别调制不同部分的滤光元件10能够使图像传感器20于多种滤色阵列之间切换。上述对滤光元件10的电压统一调制可以是对滤光元件10的电极200统一施加恒定电压，或者是统一不施加电压。
参考上述四个滤色单元均为滤光元件10的实施例，图像传感器20能够对各阵列单元21中的第一滤色单元2101统一施加电压以使第一滤色单元2101仅对红光高透过；对各阵列单元21中的第二滤色单元2102统一不施加电压以使第二滤色单元2102仅对绿光高透过；对各阵列单元21中的第三滤色单元2103统一施加电压以使第三滤色单元2103仅对蓝光高透过；对各阵列单元21中的第四滤色单元2104统一施加电压以使第四滤色单元2104仅对绿光高透过，此时的图像传感器20拥有RGGB的滤色阵列。随后，统一改变对第四滤色单元2104的电压调制方式，消除施加在第四滤色单元2104上的电压，此时第四滤色单元2104将改变滤光状态而能够对白光高透过，从而使图像传感器20具备RGBW的滤色阵列。
在本申请的另一些实施例中，上述图像传感器20中的阵列单元21并不一定呈方形结构，也并不仅限于仅设置有四个滤色单元，每个阵列单元21中可以设置三个、五个、六个、七个或更多个滤色单元，只要保证每个阵列单元21中设置有至少一个滤光元件10即可。
参考图9，本申请的实施例还提供了一种摄像模组30，摄像模组30包括透镜组310和上述任一实施例中的图像传感器20，透镜组310设置在图像传感器20的物侧，外界光线经透镜组310调节后穿过滤光元件10，并被光电二极管202接收。通过采用图像传感器20，摄像模组30可控制电极200的电压以切换阵列单元21上的滤光状态，以提高对入射光线的利用效率来应对不同的摄像环境，从而提高成像质量。
参考图10，本申请的实施例还提供了一种终端设备40，终端设备40包括机壳及上述实施例中的摄像模组30，摄像模组30固定于机壳。在一些实施例中，终端设备40可以为智能手机、笔记本电脑、可穿戴式设备等。当摄像模组30设置于智能手机中时，一些实施例中的摄像模组30可作为智能手机的前置摄像模组或后置摄像模组，此时终端设备40的机壳可视为中框，摄像模组30安装于智能手机的中框。
上述滤光元件10中设置有两种互不相溶的第一液体310和第二液体320，且第一液体310和第二液体320分别对不同颜色(如白色、红色、蓝色、绿色等)的光线拥有较高的透过率，从而，通过控制电极200的电压以对第一液体310施加电场力，驱使第一液体310在空腔140中流动，并被最终限制在腔体中吸引力最大或所受排斥力最小的位置，而第二液体320在空腔140中的位置将与第一液体310的位置互补。当控制电极200的电压以将第一液体310限制在空腔140的中间区域，使第二液体320被排挤到空腔140的边缘区域，此时，大部分外界光线在穿过空腔140时将仅经过第一液体310，从而入射光线中与第一液体310的颜色(在第一液体310中具有高透过率的颜色)相同的光线将穿过空腔140；若调节电极200的电压后，第一液体310和第二液体320均位于空腔140的中间区域时，入射光线将分别经过第一液体310和第二液体320，只有同时能够透过第一液体310和第二液体320的光线才能穿过空腔140。因此，通过控制电极200的电压以改变第一液体310和第二液体320于空腔140中的位置，进而能够改变滤光排列状态，以此选择性地滤除入射光线，提高对入射光线的利用效率，改善终端设备40的成像质量。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (12)
1.一种滤光元件，其特征在于，包括：
壳体，设置有空腔；
电极，与所述壳体相对固定设置，所述电极能够于所述空腔形成电场；以及
第一液体和第二液体，互不相溶地设置于所述空腔中，所述第一液体和所述第二液体分别允许透过不同颜色的光线，所述电极能够驱动所述第一液体流动，以改变所述第一液体和所述第二液体于所述空腔中的位置，从而能够控制穿过所述空腔的光线的颜色。
2.根据权利要求1所述的滤光元件，其特征在于，所述壳体包括位于轴线方向上的入光面和出光面，所述第一液体和所述第二液体位于所述入光面和所述出光面之间，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述入光面，所述第二电极设置在所述出光面，所述第一电极和所述第二电极能够驱动所述第一液体流动。
3.根据权利要求2所述的滤光元件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极中的至少一个在由中心至边缘的方向上依次设置有中间电极区域和边缘电极区域，所述中间电极区域和所述边缘电极区域之间绝缘设置，且所述中间电极区域和所述边缘电极区域能够被独立控制，以分别于所述空腔形成电场。
4.根据权利要求1所述的滤光元件，其特征在于，所述壳体包括侧壁，所述侧壁围绕所述滤光元件的轴线设置并形成所述空腔，所述电极包括第三电极，所述第三电极设置在所述侧壁上的，所述第三电极能够驱动所述第一液体流动。
5.根据权利要求1所述的滤光元件，其特征在于，所述第一液体对白光具有高透过率，所述第二液体对单色光具有高透过率；或者所述第一液体对单色光具有高透过率，所述第二液体对白光具有高透过率。
6.根据权利要求1所述的滤光元件，其特征在于，包括微透镜，所述微透镜为平凸透镜，所述微透镜的平面一侧在所述壳体的轴线方向上与所述壳体连接，经过所述微透镜的光线被会聚并进入所述空腔。
7.根据权利要求1所述的滤光元件，其特征在于，包括以下至少一种：
所述第二液体的折射率大于等于所述第一液体的折射率；
所述第一液体的密度为ρ1，所述第二液体的密度为ρ2，所述第一液体和所述第二液体满足0.8≤ρ1/ρ2≤1.2。
8.根据权利要求1所述的滤光元件，其特征在于，包括以下至少一种：
所述第一液体为离子液体；
所述第二液体为油性液体。
9.一种图像传感器，其特征在于，包括多个阵列单元和多个光电二极管，多个所述阵列单元呈阵列形式排列在同一平面上，每个所述阵列单元包括多个滤色单元，多个所述滤色单元中的至少一个为权利要求1-8任一项所述的滤光元件，每一所述滤色单元的轴线上设置有一个所述光电二极管，所述光电二极管能够接收穿过所述滤色单元的光线，每个所述阵列单元能够透过至少三种不同颜色的光线。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，其特征在于，每个所述阵列单元包括四个所述滤色单元，四个所述滤色单元分别为第一滤色单元、第二滤色单元、第三滤色单元及第四滤色单元，所述第一滤色单元能够透过红光，所述第二滤色单元能够透过绿光，所述第三滤色单元能够透过蓝光，所述第四滤色单元为所述滤光元件，所述第四滤色单元通过所述电极调制后能够透过绿光或白光。
11.一种摄像模组，其特征在于，包括透镜组及权利要求9或10所述的图像传感器，所述透镜组设置于所述图像传感器的物侧，外界光线经所述透镜组调节后穿过所述滤光元件，并被所述光电二极管接收。
12.一种终端设备，其特征在于，包括机壳及权利要求11所述的摄像模组，所述摄像模组固定于所述机壳。
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2019
- 2019-09-02 CN CN201910823654.7A patent/CN110649051A/zh active Pending
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