TW201300911A - 立體取像裝置 - Google Patents

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Abstract

一種立體取像裝置包括兩個取像單元及處理單元，各取像單元包括鏡頭模組及感測器，鏡頭模組包括液晶透鏡及驅動單元，液晶透鏡包括第一透光基板、第二透光基板、第一電極層、第二電極層及液晶層，第一電極層及第二電極層分別設置在第一透光基板及第二透光基板上，第一電極層包括複數環狀電極，液晶層包括分別位於複數環狀電極與第二電極層間的複數環狀區域，驅動單元分別向環狀電極與該第二電極層間施加電壓以沿液晶透鏡徑向改變其折射率，感測器形成圖像，處理單元接收兩個感測器形成的兩個圖像並加以合成立體圖像及控制驅動單元施加電壓。

Description

立體取像裝置
本發明涉及一種立體取像裝置。
立體取像裝置一般包括用於導引入射光線的鏡頭模組。鏡頭模組通過改變鏡頭模組內的各鏡片的相對位置來實現鏡頭模組焦距的變化，從而使得圖像中的景物實現放大或縮小。
然而，各鏡片的移動需要額外採用驅動裝置，如馬達及相關結構來進行驅動，從而使得鏡頭模組的結構較為複雜，不利於立體取像裝置的小型化和輕便化。
有鑒於此，有必要提供一種具有可變焦且結構簡單的鏡頭模組的立體取像裝置，以有利於立體取像裝置的小型化和輕便化。
一種立體取像裝置，其包括兩個相互間隔的取像單元及電性連接與該兩個取像單元的影像處理單元，每個取像單元包括鏡頭模組及位於該鏡頭模組像側的影像感測器，該鏡頭模組包括鏡筒、設置於該鏡筒內的液晶透鏡及電性連接該液晶透鏡的驅動單元，該液晶透鏡包括第一透光基板、第二透光基板、第一電極層、第二電極層及設置於該第一透光基板與該第二透光基板之間的液晶層，該第一電極層設置在該第一透光基板上，該第二電極層設置在該第二透光基板上，該驅動單元電性連接該第一電極層、該第二電極層及該影像處理單元，該第一電極層包括複數相互絕緣的同心環狀電極，該液晶層包括分別位於該複數環狀電極與該第二電極層間的複數環狀液晶區域，該驅動單元用於分別向該複數環狀電極與該第二電極層間施加電壓以沿該液晶透鏡徑向改變該液晶透鏡的折射率，該影像感測器用於接收透過該液晶透鏡的光線以形成圖像，該影像處理單元用於接收該兩個影像感測器所形成的兩個圖像並加以合成立體圖像及用於控制該驅動單元施加電壓。
相比先前技術，本發明所提供的立體取像裝置，可藉由控制施加於複數環狀電極與第二電極層之間的電壓，使第一電極層和第二電極層之間液晶層的折射率能夠呈梯度分佈，從而可形成具有不同折射率梯度的透鏡而實現液晶透鏡的變焦，減少了先前技術中用於驅動透鏡移動的驅動裝置等，使鏡頭模組及立體取像裝置結構簡單，從而有利於立體取像裝置的小型化和輕便化。
下面將結合附圖對本發明所提供的實施方式作進一步詳細說明。
請一併參閱圖1至圖5，本發明第一實施方式提供的立體取像裝置100包括兩個相互間隔的取像單元11、12（下稱第一取像單元11及第二取像單元12）、電性連接與該兩個取像單元11、12的影像處理單元13及電路板14。
該第一取像單元11包括鏡頭模組110及位於該鏡頭模組110像側的影像感測器112。該鏡頭模組110包括鏡筒210、鏡座211、第一間隔片212、第二間隔片213、透鏡組214、紅外線截止濾光片215及驅動單元244。透鏡組214包括液晶透鏡141及光學透鏡142，該驅動單元244電性連接該液晶透鏡141。該光學透鏡142由塑膠或玻璃製成。該鏡筒210與鏡座211相互螺合固定。該鏡筒210頂端開設有通光孔216。
液晶透鏡141、第一間隔片212、光學透鏡142、第二間隔片213及該紅外線截止濾光片215均收容於該鏡筒210內且沿該鏡頭模組110的物側至像側方向依次排列。
該液晶透鏡141包括第一透光基板240、第二透光基板241、第一電極層242、第二電極層243及液晶層245。
液晶層245設置於該第一透光基板240與該第二透光基板241之間。第一透光基板240大致平行於第二透光基板241。第一透光基板240與第二透光基板241的材料均可選自玻璃或透光塑膠。
該第一透光基板240包括位於該第一透光基板240兩相對側的外表面401及內表面402，該第一電極層242設置於該外表面401上。該第一電極層242包括位於該液晶透鏡141中間的中間電極420及與該中間電極420同心的四個環狀電極421、422、423、424（下稱第一環狀電極421，第二環狀電極422，第三環狀電極423及第四環狀電極424）。該中間電極420位於該第一電極層242最內側的環狀電極421內，即第一環狀電極421內。本實施方式中，該中間電極420呈圓形，該四個環狀電極421、422、423、424均呈圓環狀。
該中間電極420的半徑小於該第一環狀電極421的內徑。中間電極420及環狀電極421、422、423、424相互絕緣。中間電極420的半徑及環狀電極421、422、423、424沿該液晶透鏡141徑向的寬度自該液晶透鏡141的中心向邊緣逐漸變小，即R>L1>L2>L3>L4，其中，R代表中間電極420的半徑，L1、L2、L3及L4分別代表第一環狀電極421、第二環狀電極422、第三環狀電極423及第四環狀電極424沿液晶透鏡141徑向的寬度。本實施方式中，相鄰的兩電極緊密排列但又相互絕緣，如藉由絕緣膠水相互隔開。可理解，實際應用中，相鄰的兩電極之間可有微小縫隙，只要不影響液晶透鏡141整體的光學性能即可。
第二透光基板241包括位於該第二透光基板241兩相對側的外表面411及內表面412。該第二電極層243設置於該外表面411上。第二電極層243為平板形電極層。第一電極層242與第二電極層243的材料可選自氧化銦锡（ITO）或奈米碳管膜。該奈米碳管膜包括單壁奈米碳管(Single-walled Carbon Nanotube, SWNT)、多壁奈米碳管(Multi-walled Carbon Nanotube, MWNT)、單壁奈米碳管束(SWNT Bundles)、多壁奈米碳管束(MWNT Bundles)或者超順排多壁奈米碳管長線(Super-aligned MWNT Yarns)等。
液晶層245包括中間液晶區域450及4個環狀液晶區域451、452、453及454（下稱第一環狀液晶區域451，第二環狀液晶區域452，第三環狀液晶區域453及第四環狀液晶區域454）。該中間液晶區域450對應於中間電極420與第二電極層243之間的液晶區域，第一環狀液晶區域451對應於第一環狀電極421與第二電極層243之間的液晶區域，第二環狀液晶區域452對應於第二環狀電極422與第二電極層243之間的液晶區域，第三環狀液晶區域453對應於第三環狀電極423與第二電極層243之間的液晶區域，第四環狀液晶區域454對應於第四環狀電極424與第二電極層243之間的液晶區域。本實施例中，液晶分子於液晶層245的分佈密度由中間液晶區域450向第一環狀液晶區域451、第二環狀液晶區域452、第三環狀液晶區域453、第四環狀液晶區域454逐漸增大。
該驅動單元244電性連接該第一電極層242、該第二電極層243及該影像處理單元13。具體地，驅動單元244分別電性連接中間電極420及4個環狀電極421、422、423及424。該驅動單元244用於中間電極420與第二電極層243間、第一環狀電極421與第二電極層243間、第二環狀電極422與第二電極層243間、第三環狀電極423與第二電極層243間及第四環狀電極424與第二電極層243間施加電壓以沿該液晶透鏡141徑向改變該液晶透鏡141的折射率。
使用時，驅動單元244向中間電極420與第二電極層243間、第一環狀電極421與第二電極層243間、第二環狀電極422與第二電極層243間、第三環狀電極423與第二電極層243間及第四環狀電極424與第二電極層243間分別施加電壓，且各個施加的電壓分別大於液晶層245對應各個電極420、421、422、423、424與第二電極層422間的液晶區域450、451、452、453、454的閾值電壓。中間液晶區域450、第一環狀液晶區域451、第二環狀液晶區域452、第三環狀液晶區域453、第四環狀液晶區域454分別位於相應電壓產生的電場中。因為上述各個電壓均大於對應液晶層245的各液晶區域的閾值電壓，即大於液晶層245內液晶分子的偏轉電壓，所以液晶分子會發生偏轉，適當控制電壓的分佈，可使液晶分子的偏轉角度沿該液晶透鏡141中心向邊緣呈梯度分佈。
當液晶分子的長度方向（lengthwise orientation）相對於光的傳播方向具有上述偏轉角度時，偏轉角度不同，折射率也不同。液晶分子的長度方向於平行於光的傳播方向向垂直於光的傳播方向變化時，液晶層的折射率逐漸變大；當液晶分子的長度方向平行於光的傳播方向時，液晶層的折射率最小，當液晶分子的長度方向垂直於光的傳播方向時，液晶層的折射率最大。因此，向中間電極420與第二電極層243間、第一環狀電極421與第二電極層243間、第二環狀電極422與第二電極層243間、第三環狀電極423與第二電極層243間及第四環狀電極424與第二電極層243間分別施加適當的電壓可使中間液晶區域450、第一環狀液晶區域451、第二環狀液晶區域452、第三環狀液晶區域453及第四環狀液晶區域454的液晶分子的長度方向與光的傳播方向所形成的夾角（即偏轉角度）發生相對應的變化，進而使中間液晶區域450的折射率、第一環狀液晶區域451的折射率、第二環狀液晶區域452的折射率、第三環狀液晶區域453的折射率與第四環狀液晶區域454的折射率呈現相應的分佈。
如果需要形成沿中心向邊緣具有梯度折射率的液晶透鏡141（GRIN Lens），驅動單元244於中間電極420與第二電極層243間、第一環狀電極421與第二電極層243間、第二環狀電極422與第二電極層243間、第三環狀電極423與第二電極層243間及第四環狀電極424與第二電極層243間上施加相應的電壓，使中間液晶區域450的折射率、第一環狀液晶區域451的折射率、第二環狀液晶區域452的折射率、第三環狀液晶區域453的折射率及第四環狀液晶區域454的折射率呈梯度分佈。因此，液晶透鏡141的折射率可以係自該液晶透鏡141中心向邊緣逐漸變大，或自該液晶透鏡141中心向邊緣逐漸變小。
由上可知，液晶透鏡141的焦距可通過施加於中間電極420與第二電極層243間、第一環狀電極421與第二電極層243間、第二環狀電極422與第二電極層243間、第三環狀電極423與第二電極層243間及第四環狀電極424與第二電極層243間上施加的電壓來控制。
鏡座211與影像感測器112均設置於電路板14上，鏡座211與電路板14將影像感測器112封裝。影像感測器112電性連接電路板14。該影像感測器112用於接收通過通光孔216及透鏡組214的光線以形成圖像。影像感測器112可選自電荷耦合器件(CCD)或互補金屬氧化物半導體器件(CMOS)，其具有5百萬、8百萬、12百萬、16百萬、20百萬或100百萬畫素（Mega pixel），而畫素尺寸(Pixel size)可以係1.75、1.4、1.1、0.9、0.8或0.6微米。另外，互補金屬氧化物半導體器件(CMOS)類型的影像感測器112具有省電特性。
第二取像單元12的結構與第一取像單元11的結構相同，在此不再贅述。請結合圖4-5，以下僅列出後續說明中用到的第二取像單元12的各元件及其標號：鏡頭模組510、影像感測器512、驅動單元544、第二電極層543、中間電極520、第一環狀電極521、第二環狀電極522、第三環狀電極523、第四環狀電極524。
兩個鏡頭模組110、510的光軸O1、O2之間的距離H範圍為25-40毫米（mm），本實施方式中，該距離H為32.5mm。
該影像處理單元13及驅動單元244設置於電路板14上並電性連接電路板14。該影像處理單元13還電性連接兩個影像感測器112、512並用於接收該兩個影像感測器112、512所形成的兩個圖像並加以合成立體圖像及用於控制該驅動單元244、544於中間電極420、520與第二電極層243、543間，第一環狀電極421、521與第二電極層243、543間，第二環狀電極422、522與第二電極層243、543間，第三環狀電極423、523與第二電極層243、543間及第四環狀電極424、524與第二電極層243、543間施加電壓。其中，第二取像單元12包括驅動單元544、中間電極520、第二電極層543、第一環狀電極521、第二環狀電極522、第三環狀電極523及第四環狀電極524。
該影像處理單元13的立體圖像合成可採用習知的立體圖像合成方法，該影像處理單元13的立體圖像輸出格式可為並排格式(side-by-side format)或其它格式。
本發明所提供的立體取像裝置100，可藉由控制施加於複數環狀電極與第二電極層之間的電壓，使第一電極層和第二電極層之間液晶層的折射率能夠呈梯度分佈，從而可形成具有不同折射率梯度的透鏡而實現液晶透鏡的變焦，減少了先前技術中用於驅動透鏡移動的驅動裝置及結構，如馬達等，使鏡頭模組及立體取像裝置100結構簡單，有利於立體取像裝置100的小型化和輕便化。另外，相比於先前的驅動裝置的電能消耗，液晶透鏡的電能消耗要小得多，該立體取像裝置100可將更多的電能應用於其它方面，如更多的電能允許立體取像裝置100在拍攝立體視頻時的拍攝幀頻（frame rate）有較大的動態範圍，如可達10-90fps，較佳為20-40fps。
請參閱圖6及圖7並結合圖1，本發明第二實施方式提供的一種立體取像裝置600與第一實施方式的立體取像裝置100不同之處在於，第一電極層642設置於第一透光基板640的內表面602上，第二電極層643設置於第二透光基板641的內表面612上。
請參閱圖8，本發明第三實施方式提供的一種立體取像裝置700與第一實施方式的立體取像裝置100不同之處在於，鏡筒710只設置一個液晶透鏡741而可不設置其它光學透鏡。在這種情況下，可取消第二間隔片，該液晶透鏡741、第一間隔片712及紅外線截止濾光片715沿鏡頭模組810的物側至像側方向依次排列。
另外，可以理解，在其它實施方式中，第一電極層可設置於第一透光基板的內表面上，而第二電極層設置於第二透光基板的外表面上；第一電極層可設置於第一透光基板的外表面上，而第二電極層設置於第二透光基板的內表面上。環狀電極的數量也可為2，3，5或以上，環狀電極可為方形環狀或其它形狀；中間電極可以省略而使第一透光基板中間位置的內表面及外表面均不設置電極，使得液晶透鏡與該中間位置對應的液晶區域具有恒定的折射率。液晶分子於液晶層的分佈密度可由中間液晶區域向第一環狀液晶區域、第二環狀液晶區域、第三環狀液晶區域、第四環狀液晶區域逐漸減小。電路板的數量可以為2個，每個電路板上對應設置一個影像感測器。影像處理單元與影像感測器可分開設置於不同電路板上，只要保證影像處理單元與影像感測器之間能進行影像的傳輸即可。驅動單元也可放置於除電路板外的地方，如設置於鏡筒或鏡座上等其它地方，只需保證該驅動單元可均與液晶透鏡、影像處理單元及其它元件的電性連接即可。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100，600，700．．．立體取像裝置
11，12．．．取像單元
13．．．影像處理單元
14．．．電路板
110，510，810．．．鏡頭模組
112，512．．．影像感測器
210，710．．．鏡筒
211．．．鏡座
212，712．．．第一間隔片
213．．．第二間隔片
214．．．透鏡組
215，715．．．紅外線截止濾光片
244，544．．．驅動單元
141，741．．．液晶透鏡
142．．．光學透鏡
216．．．通光孔
240，640．．．第一透光基板
241，641．．．第二透光基板
242，642．．．第一電極層
243，643．．．第二電極層
245．．．液晶層
401，411．．．外表面
402，412，602，612．．．內表面
420，520．．．中間電極
421，422，423，424，521，522，523，524．．．環狀電極
450．．．中間液晶區域
451，452，453，454．．．環狀液晶區域
圖1為本發明第一實施方式提供的包括液晶透鏡的立體取像裝置的結構示意圖。
圖2為圖1的一個液晶透鏡的結構示意圖。
圖3為沿圖2的液晶透鏡的俯視圖。
圖4為圖1的另一個液晶透鏡的結構示意圖。
圖5為沿圖4的液晶透鏡的俯視圖。
圖6為本發明第二實施方式提供的包括液晶透鏡的立體取像裝置的結構示意圖。
圖7為圖6的液晶透鏡的結構示意圖。
圖8為本發明第三實施方式提供的立體取像裝置的結構示意圖。
100．．．立體取像裝置
11，12．．．取像單元
13．．．影像處理單元
14．．．電路板
110，510．．．鏡頭模組
112，512．．．影像感測器
210．．．鏡筒
211．．．鏡座
212．．．第一間隔片
213．．．第二間隔片
214．．．透鏡組
215．．．紅外線截止濾光片
244，544．．．驅動單元
141．．．液晶透鏡
142．．．光學透鏡
216．．．通光孔

Claims (10)

  1. 一種立體取像裝置，其包括兩個相互間隔的取像單元及電性連接與該兩個取像單元的影像處理單元，每個取像單元包括鏡頭模組及位於該鏡頭模組像側的影像感測器，該鏡頭模組包括鏡筒、設置於該鏡筒內的液晶透鏡及電性連接該液晶透鏡的驅動單元，該液晶透鏡包括第一透光基板、第二透光基板、第一電極層、第二電極層及設置於該第一透光基板與該第二透光基板之間的液晶層，該第一電極層設置在該第一透光基板上，該第二電極層設置在該第二透光基板上，該驅動單元電性連接該第一電極層、該第二電極層及該影像處理單元，該第一電極層包括複數相互絕緣的同心環狀電極，該液晶層包括分別位於該複數環狀電極與該第二電極層間的複數環狀液晶區域，該驅動單元用於向該複數環狀電極分別與該第二電極層間施加電壓以沿該液晶透鏡徑向改變該液晶透鏡的折射率，該影像感測器用於接收透過該液晶透鏡的光線以形成圖像，該影像處理單元用於接收該兩個影像感測器所形成的兩個圖像並加以合成立體圖像及用於控制該驅動單元施加電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的立體取像裝置，其中，該第一電極層進一步包括位於該第一電極層最內側的環狀電極內的中間電極，該中間電極與該複數環狀電極同心且與複數環狀電極相互絕緣，該中間電極的半徑小於該最內側的環狀電極的內徑。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的立體取像裝置，其中，該中間電極的半徑及該複數同心環狀電極沿該液晶透鏡徑向的寬度自該液晶透鏡的中心向邊緣逐漸變小。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的立體取像裝置，其中，該複數液晶區域的折射率自該液晶透鏡中心向邊緣逐漸變大。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的立體取像裝置，其中，該複數液晶區域的折射率自該液晶透鏡中心向邊緣逐漸變小。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的立體取像裝置，其中，該影像感測器為電荷耦合器件或互補金屬氧化物半導體器件。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的立體取像裝置，其中，該兩個鏡頭模組的光軸之間的距離範圍為25至40毫米。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的立體取像裝置，其中，該鏡頭模組包括位於該鏡筒內的紅外截止濾光片及間隔體，該液晶透鏡、該間隔體及該紅外截止濾光片沿該鏡頭模組的物側至像側方向依次排列。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的立體取像裝置，其中，該第一透光基板包括位於該第一透光基板兩相對側的外表面及內表面，該第一電極層設置於該外表面上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的立體取像裝置，其中，該第一透光基板包括位於該第一透光基板兩相對側的外表面及內表面，該第一電極層設置於該內表面上。
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