CN112255818A - 成像校正单元与成像模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种成像校正单元与成像模块，具有小体积、低耗电以及高效能的优点。成像校正单元具有一光轴，且包括一光学转向元件以及二楔形光学元件。光学转向元件具有一出光面，且出光面相对于光轴具有一第一夹角。各楔形光学元件具有一倾斜光学面，倾斜光学面相对于光轴具有一第二夹角。光学转向元件的出光面朝向二楔形光学元件的其中一者，且二楔形光学元件能相对于光轴旋转。

Description

成像校正单元与成像模块
技术领域
本发明涉及一种光学单元与光学模块，尤其涉及一种成像校正单元与成像模块。
背景技术
目前，相机用的手抖校正功能通常是物理性调整光轴的光学式方法，典型的该光学式的手抖校正功能为透镜移动式及拍摄元件移动式。
进一步而言，透镜移动式的手抖校正功能通过用专用的驱动机构使用于形成被摄体的图像光的透镜组的一部分或全部相对于拍摄元件朝消除手抖的方向移动，从而校正光轴，将被摄体的图像光引导向拍摄元件。然而，如此一来，透镜移动式的手抖校正功能每次都必须针对每种相机所构成的透镜组设计与校正用透镜的形状或光学规格相适的驱动机构。
另一方面，拍摄元件移动式的手抖校正功能通过用专用的驱动机构使拍摄元件根据手抖而移动，从而使拍摄元件相对于透镜组光轴的位置保持恒定。但是，拍摄元件移动式的手抖校正功能也是每次都必须根据每种相机的不同的拍摄元件设计专用的驱动机构。
因此，现有一种提出了在该光学透镜的光轴上安装用于校正的光学单元而成的结构，该光学单元包括使入射到光学透镜的光折射的可动棱镜、用于驱动该可动棱镜的致动器及包括用于将致动器的动力传递到可动棱镜的轴的动力传递机构。由此，不需要针对每种相机逐一设计校正用透镜的形状、驱动机构，能够谋求简化设计。然而，为了在二维平面上进行光轴的调整，通常需对应二个维度而在不同的方向上皆配置有致动器。
发明内容
本发明提供一种成像校正单元与成像模块，具有小体积、低耗电以及高效能的优点。
本发明的成像校正单元具有一光轴，且成像校正单元包括一光学转向元件以及二楔形光学元件。光学转向元件具有一出光面，且出光面相对于光轴具有一第一夹角。各楔形光学元件在相对的一第一边缘处与一第二边缘处分别具有一最小厚度尺寸与一最大厚度尺寸，第一边缘处与第二边缘处的连线形成各楔形光学元件的对称轴，且各楔形光学元件具有一倾斜光学面，倾斜光学面相对于光轴具有一第二夹角，光学转向元件的出光面朝向二楔形光学元件的其中一者，且二楔形光学元件能相对于光轴旋转，其中成像校正单元符合下述关系式，
|2np×θw×sinθr|≥|90-θp|
，其中np为光学转向元件的折射率，θp为第一夹角的角度，θw为第二夹角的角度，θr为二楔形光学元件的其中一者的对称轴相对于二楔形光学元件的另一者的对称轴的角度的二分之一倍。
本发明的成像模块包括一前述的成像校正单元以及一镜头单元。镜头单元用以使通过光学转向元件与二楔形光学元件的一光束能成像于一成像面的预定成像区域中。
在本发明的一实施例中，上述的光学转向元件为一三棱镜，还具有一入光面与一反射光学面，反射光学面连接入光面与出光面，入光面与光轴平行，且从入光面入射光学转向元件的光束被反射光学面反射后，经由出光面离开光学转向元件，且出光面与入光面之间的夹角相等于第一夹角的角度。
在本发明的一实施例中，上述的各楔形光学元件的厚度尺寸沿各楔形光学元件的对称轴自最小厚度尺寸渐变至最大厚度尺寸。
在本发明的一实施例中，上述的各楔形光学元件还具有一外侧表面与一圆周端面，外侧表面与倾斜光学面彼此相对，且圆周端面在第二边缘处与倾斜光学面之间的夹角相等于第二夹角的角度。
在本发明的一实施例中，上述的二楔形光学元件相对于光轴的旋转由同一致动器控制。
在本发明的一实施例中，上述的二楔形光学元件包括一第一楔形光学元件与一第二楔形光学元件，且第一楔形光学元件与第二楔形光学元件相对于光轴旋转的旋转方向彼此相反。
基于上述，通过光学转向元件的配置，可改变被摄物所形成的图像光的行进方向，而能使成像校正单元与成像模块具有小体积的优点，并且，通过能够相对于光轴旋转的二楔形光学元件的配置，成像校正单元与成像模块能够由同一致动器控制其相对转动的角度，就达成光学抖动补偿的功能，进而具有低耗电以及高效能的优点。此外，通过光学转向元件的配置，成像校正单元与成像模块也能够配合及提前补正光束经过楔形光学元件后所造成的初始偏移，而能提升成像校正单元与成像模块的光学抖动补偿的功能。
附图说明
图1A是本发明的一实施例的成像模块的示意图；
图1B是图1A的二楔形光学元件的放大示意图；
图2是图1A的成像模块的光路示意图；
图3A是图1A的楔形光学元件相对于光学元件旋转时的光路示意图；
图3B是图1A的其中一楔形光学元件旋转时的正视示意图；
图3C为图1A的二楔形光学元件相对旋转时的旋转方向示意图；
图4是图1A的成像面上的参考校正位置示意图；
图5A至图5C是本发明的不同实施例的二楔形光学元件的相对设置方式示意图。
[附图标记说明]
100：成像校正单元
110：光学转向元件
200：成像模块
210：镜头单元
C1：对称轴
CS：圆周端面
D1：第一方向
D2：第二方向
E1：第一边缘
E2：第二边缘
IS：成像面
IP：成像位置
L：光束
O：光轴
OS：外侧表面
P1：第一位置
P2：第二位置
S111：出光面
S112：反射光学面
S113：入光面
T1：最小厚度尺寸
T2：最大厚度尺寸
TS：倾斜光学面
WE：楔形光学元件
WE1：第一楔形光学元件
WE2：第二楔形光学元件
X’：第一参考轴
Y’：第二参考轴
θp：第一夹角
θw：第二夹角
具体实施方式
图1A是本发明的一实施例的成像模块的示意图。图1B是图1A的二楔形光学元件的放大示意图。图2是图1A的成像模块的光路示意图。请参照图1A与图2，本实施例的成像模块200包括一成像校正单元100以及一镜头单元210。镜头单元210用以使通过光学转向元件110与二楔形光学元件WE的一光束L能成像于一成像面IS的预定成像区域中。举例而言，光束L为形成被摄体的图像光，且该成像面IS为图像传感元件的感测面。举例来说，图像传感元件可包括电荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)、互补式金属氧化物半导体元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)或其他适当种类的光学传感元件。在本实施例及部分其他实施例中，成像模块200还包括一致动器，致动器例如但不限于为一音圈马达。详细而言，致动器能够控制二楔形光学元件WE相对旋转。
具体而言，如图1A、图1B与图2所示，成像校正单元100具有一光轴O，且成像校正单元100包括一光学转向元件110以及二楔形光学元件WE。举例而言，光学转向元件110为一三棱镜，并具有一入光面S113、一出光面S111与一反射光学面S112。反射光学面S112连接入光面S113与出光面S111，入光面S113与光轴O平行，且出光面S111相对于光轴O具有一第一夹角θp，而出光面S111与入光面S113之间的夹角相等于第一夹角θp的角度。并且，如图1A与图2所示，从入光面S113入射光学转向元件110的光束L被反射光学面S112反射后，经由出光面S111离开光学转向元件110。如此，通过光学转向元件110的配置，本发明的成像校正单元100与成像模块200可改变被摄物所形成的图像光的行进方向，而能使其中的光学元件配置紧凑，进而具有小体积的优点。
另一方面，如图1A与图1B所示，各楔形光学元件WE在相对的一第一边缘E1处与一第二边缘E2处分别具有一最小厚度尺寸T1与一最大厚度尺寸T2，第一边缘E1处与第二边缘E2处的连线形成各楔形光学元件WE的对称轴C1，且各楔形光学元件WE的厚度尺寸沿各楔形光学元件WE的对称轴C1自最小厚度尺寸T1渐变至最大厚度尺寸T2。并且，如图1B与图3A所示，各楔形光学元件WE具有一倾斜光学面TS、一外侧表面OS与一圆周端面CS，外侧表面OS与倾斜光学面TS彼此相对，倾斜光学面TS相对于光轴O具有一第二夹角θw，且圆周端面CS在第二边缘E2处与倾斜光学面TS之间的夹角相等于第二夹角θw的角度。
进一步而言，如图1A与图1B所示，二楔形光学元件WE包括一第一楔形光学元件WE1与一第二楔形光学元件WE2，光学转向元件110的出光面S111朝向第一楔形光学元件WE1，第一楔形光学元件WE1的外侧表面OS朝向光学转向元件110，第一楔形光学元件WE1的倾斜光学面TS朝向第二楔形光学元件WE2的倾斜光学面TS，且第二楔形光学元件WE2的外侧表面OS朝向镜头单元210。并且，第一楔形光学元件WE1与一第二楔形光学元件WE2皆能相对于光轴O旋转，进而可使成像校正单元100与镜头单元210达成光学抖动补偿的功能。以下将搭配图3A，针对楔形光学元件WE相对于光学元件旋转时校正过程进行进一步地解说。
图3A是图1A的楔形光学元件WE相对于光学元件旋转时的光路示意图。如图3A所示，当楔形光学元件WE相对于光轴O旋转一角度时，可使通过楔形光学元件WE的光束L入射至成像面IS的成像位置发生变化，而从第一位置P1移动至第二位置P2。进一步而言，在本实施例中，第一楔形光学元件WE1与一第二楔形光学元件WE2相对于光轴O的旋转可由同一致动器控制，且第一楔形光学元件WE1与第二楔形光学元件WE2相对于光轴O旋转的旋转方向彼此相反。举例而言，如图2所示，从二楔形光学元件WE往成像面IS的方向观看时，第一楔形光学元件WE1的旋转方向为逆时针方向，而第二楔形光学元件WE2的方向为顺时针方向。如此，通过能够相对于光轴O旋转的二楔形光学元件WE的配置，成像校正单元100与成像模块200能够由同一致动器控制其相对转动的角度，就达成光学抖动补偿的功能，进而具有低耗电以及高效能的优点。
进一步而言，在本实施例中，成像校正单元100符合下述关系式：
|2np×θw×sinθr|≥|90-θp|
其中np为光学转向元件110的折射率，θp为第一夹角θp的角度，θw为第二夹角θw的角度，θr为二楔形光学元件WE的其中一者的对称轴相对于二楔形光学元件WE的另一者的对称轴的角度的二分之一倍。
进一步而言，请参阅图3B及图3C，图3B是图1A的其中一楔形光学元件旋转时的正视示意图，而图3C是图1A的二楔形光学元件相对旋转时的旋转方向示意图。如图3B及图3C所示，在各楔形光学元件的中心以及相对的第一边缘E1处(或第二边缘E2处)分别对齐后，二楔形光学元件WE会以其中心为原点分别旋转θr以作为初始使用状态。如此，通过光学转向元件110、第一楔形光学元件WE1与第二楔形光学元件WE2的相对角度的匹配，成像校正单元100与成像模块200也能够配合及提前补正光束L经过楔形光学元件WE后所造成的初始偏移，而能提升成像校正单元100与成像模块200的光学抖动补偿的功能。
以下内容将举出成像校正单元100的各种光学参数的实施数据。然而，下文中所列举的数据并非用以限定本发明，任何所属领域中技术人员在参照本发明之后，当可对其参数或设定作适当的更动，惟其仍应属于本发明的范畴内。
图4是图1A的成像面IS上的参考校正位置示意图。举例而言，在本实施例中，np的数值例如为1.6956，θp例如为81.6°，θw的数值例如为84°，θr的数值例如为45°。并且，如图4所示，当第一楔形光学元件WE1与第二楔形光学元件WE2的旋转角度在±6°的范围内，可形成多个参考校正位置。并且，这些参考校正位置会分别沿一第一方向D1与一第二方向D2排列配置，因此，第一方向D1与一第二方向D2可视为能够形成一参考坐标轴的两个维度，此参考坐标轴的两个维度对应于上述θr的数值。进一步而言，在该参考坐标轴的第一参考轴X’上，致动器仅旋转第一楔形光学元件WE1，而不旋转第二楔形光学元件WE2，而在该参考坐标轴的第二参考轴Y’上，致动器仅旋转第二楔形光学元件WE2，而不旋转第一楔形光学元件WE1。并且，在本实施例中，基于前述的实施数据，当第一楔形光学元件WE1不旋转，而第二楔形光学元件WE2旋转6°时，通过楔形光学元件WE的光束L入射至成像面IS的成像位置会位于成像面IS的成像坐标轴的坐标为(0.02963,0.089109)的位置上，其与原点相距0.083909毫米。也就是说，当第一楔形光学元件WE1不旋转，而第二楔形光学元件WE2每旋转1°时，可将在光束L于成像面IS的成像位置调整0.013985毫米的距离。
如此，现若欲将一偏离成像面IS的成像坐标轴的坐标原点的光束L的成像位置调整回坐标原点，则可通过相关计算来获取第一楔形光学元件WE1与第二楔形光学元件WE2所应旋转的角度。举例而言，若此一偏离成像面IS的成像坐标轴的坐标原点的光束L的成像位置IP的坐标为(0.059259,0)，依斜率计算可此一成像位置IP与第一参考轴X’的最短距离为0.041903毫米，且其与第二参考轴Y’的最短距离也为0.041903毫米。据此可得，第一楔形光学元件WE1与第二楔形光学元件WE2皆应旋转3°，即可将此一偏离成像面IS的成像坐标轴的坐标原点的光束L的成像位置IP调整回成像坐标轴的坐标原点，进而能达成光学抖动补偿的功能。
更进一步而言，np的数值范围例如可介于1.52至1.85之间，θp的数值范围例如可介于74°至86.6°之间，θw的数值范围例如可介于80°至86°之间，θr的数值范围例如可介于25°至45°之间。举例而言，如下〈表一〉所示，在其他实施例中，对上述参数作适当的调整后，下述实施例所列举的数据资料亦可达成类似于本发明的成像校正单元与成像模块的成像校正的技术效果。
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
n<sub>p</sub> 1.52 1.6 1.85 1.52 1.7
θ<sub>p</sub> 81.8 86.6 81 74 77.5
θ<sub>w</sub> 83.5 86 82 84 80
θ<sub>r</sub> 40 25 35 30 40
〈表一〉
此外，在前述的实施例中，虽以第一楔形光学元件WE1的倾斜光学面TS朝向第二楔形光学元件WE2的倾斜光学面TS为例示，但本发明不以此为限。举例而言，图5A至图5C是本发明的不同实施例的二楔形光学元件的相对设置方式示意图。如图5A至图5C所示，在其他的实施例中，使用者可根据其机构需求选择合适的组合方式，例如第一楔形光学元件WE1的倾斜光学面TS亦可朝向光学转向元件110(如图5A与图5B所示)，或是第二楔形光学元件WE2的倾斜光学面TS亦可朝向镜头单元210(如图5A与图5C所示)。此外，第一楔形光学元件WE1的第一边缘E1与第二边缘E2的设置方向亦可与第二楔形光学元件WE2的第一边缘E1与第二边缘E2的设置方向相反(如图5B与图5C所示)。简言之，只要第一楔形光学元件WE1与一第二楔形光学元件WE2皆能相对于光轴O旋转，进而可使成像校正单元100与镜头单元210达成光学抖动补偿的功能即可达成本发明的成像校正单元与成像模块的成像校正的技术效果。
综上所述，通过光学转向元件的配置，本发明的成像校正单元与成像模块可改变被摄物所形成的图像光的行进方向，而能具有小体积的优点，并且，通过能够相对于光轴旋转的二楔形光学元件的配置，成像校正单元与成像模块能够由同一致动器控制其相对转动的角度，就达成光学抖动补偿的功能，进而具有低耗电以及高效能的优点。此外，通过光学转向元件的配置，成像校正单元与成像模块也能够配合及提前补正光束经过楔形光学元件后所造成的初始偏移，而能提升成像校正单元与成像模块的光学抖动补偿的功能。

Claims (12)

1.一种成像校正单元，其特征在于，具有光轴，且所述成像校正单元包括：
光学转向元件，具有出光面，且所述出光面相对于所述光轴具有第一夹角；以及
二楔形光学元件，其中各所述楔形光学元件在相对的第一边缘处与第二边缘处分别具有最小厚度尺寸与最大厚度尺寸，所述第一边缘处与所述第二边缘处的连线形成各所述楔形光学元件的对称轴，且各所述楔形光学元件具有倾斜光学面，所述倾斜光学面相对于所述光轴具有第二夹角，所述光学转向元件的所述出光面朝向所述二楔形光学元件的其中一者，且所述二楔形光学元件能相对于所述光轴旋转，其中所述成像校正单元符合下述关系式，
|2np×θw×sinθr|≥|90-θp|
其中np为所述光学转向元件的折射率，θp为所述第一夹角的角度，θw为所述第二夹角的角度，θr为所述二楔形光学元件的其中一者的对称轴相对于所述二楔形光学元件的另一者的对称轴的角度的二分之一倍。
2.根据权利要求1所述的成像校正单元，其特征在于，其中所述光学转向元件为三棱镜，还具有入光面与反射光学面，所述反射光学面连接所述入光面与所述出光面，所述入光面与所述光轴平行，且从所述入光面入射所述光学转向元件的光束被所述反射光学面反射后，经由所述出光面离开所述光学转向元件，且所述出光面与所述入光面之间的夹角相等于所述第一夹角的角度。
3.根据权利要求1所述的成像校正单元，其特征在于，其中各所述楔形光学元件的厚度尺寸沿各所述楔形光学元件的对称轴自所述最小厚度尺寸渐变至所述最大厚度尺寸。
4.根据权利要求1所述的成像校正单元，其特征在于，其中各所述楔形光学元件还具有外侧表面与圆周端面，所述外侧表面与所述倾斜光学面彼此相对，且所述圆周端面在所述第二边缘处与所述倾斜光学面之间的夹角相等于所述第二夹角的角度。
5.根据权利要求1所述的成像校正单元，其特征在于，其中所述二楔形光学元件相对于所述光轴的旋转由同一致动器控制。
6.根据权利要求1所述的成像校正单元，其特征在于，其中所述二楔形光学元件包括第一楔形光学元件与第二楔形光学元件，且所述第一楔形光学元件与所述第二楔形光学元件相对于所述光轴旋转的旋转方向彼此相反。
7.一种成像模块，其特征在于，包括：
成像校正单元，具有光轴，且所述成像校正单元包括：
光学转向元件，具有出光面，且所述出光面相对于所述光轴具有第一夹角；以及
二楔形光学元件，其中各所述楔形光学元件在相对的第一边缘处与第二边缘处分别具有最小厚度尺寸与最大厚度尺寸，所述第一边缘处与所述第二边缘处的连线形成各所述楔形光学元件的对称轴，且各所述楔形光学元件具有倾斜光学面，所述倾斜光学面相对于所述光轴具有第二夹角，所述光学转向元件的所述出光面朝向所述二楔形光学元件的其中一者，且所述二楔形光学元件能相对于所述光轴旋转，其中所述成像校正单元符合下述关系式，
|2np×θw×sinθr|≥|90-θp|
其中np为所述光学转向元件的折射率，θp为所述第一夹角的角度，θw为所述第二夹角的角度，θr为所述二楔形光学元件的其中一者的对称轴相对于所述二楔形光学元件的另一者的对称轴的角度的二分之一倍；以及
镜头单元，用以使通过所述光学转向元件与所述二楔形光学元件的光束能成像于成像面的预定成像区域中。
8.根据权利要求7所述的成像模块，其特征在于，其中所述光学转向元件为三棱镜，还具有入光面与反射光学面，所述反射光学面连接所述入光面与所述出光面，所述入光面与所述光轴平行，且从所述入光面入射所述光学转向元件的所述光束被所述反射光学面反射后，经由所述出光面离开所述光学转向元件，且所述出光面与所述入光面之间的夹角相等于所述第一夹角的角度。
9.根据权利要求7所述的成像模块，其特征在于，其中各所述楔形光学元件的厚度尺寸沿各所述楔形光学元件的对称轴自所述最小厚度尺寸渐变至所述最大厚度尺寸。
10.根据权利要求7所述的成像模块，其特征在于，其中各所述楔形光学元件还具有外侧表面与圆周端面，所述外侧表面与所述倾斜光学面彼此相对，且所述圆周端面在所述第二边缘处与所述倾斜光学面之间的夹角相等于所述第二夹角的角度。
11.根据权利要求7所述的成像模块，其特征在于，还包括致动器，所述二楔形光学元件相对于所述光轴的旋转由所述致动器控制。
12.根据权利要求7所述的成像模块，其特征在于，其中所述二楔形光学元件包括第一楔形光学元件与第二楔形光学元件，且所述第一楔形光学元件与所述第二楔形光学元件相对于所述光轴旋转的旋转方向彼此相反。
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