TW424397B - Digital camera field lens - Google Patents

Description

a 2^3 97 4 at __B7_ 五、發明説明（1 ) 本發明一般係有關數位相機之領域，尤其是將影像光 照向數位相機内的一個光學感測器陣列上之系統及方法。 第1及2圈之數位相機102通常包括有一個供將物艘影 像投射並聚焦在一電子威測器116表面上之透鏡系統1〇6, 以下專利中敘述了若干種數位相機，該等專利特此列作參 考：美國專利4,131，919、美國專利4,420,773以及美國專利 4,541,010 »數位相機102可能具有一個含類似顯示器112 這種元件以表示數位相機102狀態之外殼1〇4,、一個可供 按下令數位相機102拍照之按紐110、以及一個照明被攝物 體之閃光燈114 *數位相機102内之電子感測器116包括有 一個區域陣列感測器，亦即二維的獨立光學感測器陣列者 像素 126、127、129、131、133 等 <* 數位相機102的影像品質部分是由”空間解析度，，或電 子感測器116中的像素126等數目所決定的，其亦由像素〗26 等之位元深度及信雜比、或者像素測量及將投射於其上之 影像光如118、120以及122量化的能力加以決定。 像素126可由各種不同的已知方式構成，通常像素126 係由某種能將影像光120轉換成電信號的材質構咸，接著 能加以處理並儲存於數位相機102的電路中。從第3圈中可 最清楚看出，像素126含有一個感光區128和一個或更多個 非感光區130及132，感光區或主動區128對非感光區130及 132的比值稱為填充係數。感光區可由矽晶圓134的某一部 份組成，該矽晶圓係由像多晶矽栅極136、138、142以及144 這種支撐電路、金屬導種、通道阻斷裝置、遮光板140及146 本纸用 tBB家料（CNS ) ( 21GX 297公羞) 一' - (請先：8讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ' ^ _—__B7_ 五、發明説明（2 ) 等包圍著，而形成一個凹洞148»影像光120必須像下行經 凹洞148而至感光區128所在的底部。. ' 隨著數位相機102被設計成更高解析度，其需要更多 / 的像素126,像素尺寸必須更小以降低數位相機102的整體 尺寸和成本，然而縮小構成非感光區130及132的電子支撐 電路卻比縮小感光區128更為困難，因此隨著像素（例如126) 變小，填充係數會變的更小，而像素中感光區128尺寸和

I 非感光區130及132尺寸的比值降低。換言之，若像素126 的尺寸縮小一半，則縮小像素之感光性會比較大像素之感 光性的一半還小》 吾人已利用第3及4圖之微透銳166、168增加非常小像 素之填充係數，黴透鏡如166係一面積約與整個連帶像素 126相同之小型透鏡，並可利用石版印刷法形成微透鏡166 乃配置於像素126上方，幾乎聚集了所有照射在像素126上 面的影像光120,並將其導向像素126之感光區128，可從 第3圖中最清楚地看出。 由於填充係數對上述之尺寸呈非線性特性，位於凹洞 148底部之威光區128隨著像素尺寸減少而變的相當小，而 凹洞之壁150高則增加，降低了影像光120的容許入射角（ 例如第4圖之162)。若影像光120之入射角162太大，其將 终止於凹洞之壁上，例如遮光板140及146上，而非往下照 射在凹洞148底部5之感光區128上。 現在參看第2、3及4圖，將微透鏡168配置於像素152 中心上方之優點在於僅靠近數位相機102透銳系統106之光 本紙張ΛΑ逋用18國家樑準（CNS ) Α4ΐΜί· ( 210X297公羞） ~ ----------装 —------#------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 ____B7_ 五、發明説明（3 ) 學轴108中心處效果較佳，若某一像素（例如i52)位於電子 感測器116周圍，並遠離第4圖之透銳系統106的光學軸108 ，則影像光122之入射角162大於第3圖之光學轴108附近諸 像素（例如126)的入射角162。於第4圖中繪示之外園像素 位置内，影像光122通過微透鏡168,但非聚焦於感光區128 上面，反而聚焦在非感光區130上，例如一塊遮光板140上 面·於是，靠近電子感測器116周圍的這些像素（例如152) 比更集中之像素偵測到較少的影像光122，且數位相機102 的影像品質會降低。 現在參看第5圖，上述問題的一個習知解決方案在於 將電子感測器216周圍處之微透銳264及268朝光學軸208移 動，而使其等不再集中於各自的像素224及252上面》微透 鏡264、266及268被以對應像素224、226及252距光學轴208 之距離的一個函數朝光學軸208移動》對於靠近光學轴208 附近之像素226而言，對應之微透鏡226並不移動或不會朝 光學軸208移動非常遠；至於距光學轴208更遠之像素224 及252，對應的微透鏡264及268被朝光學軸208移動較大的 一個距離。微透鏡264、266及268係配置成使影像光218、 220及222具有最大之聚焦董，並輛諸感光區228、254及270 照射。 這種移動微透銳264、266及268之方法具有若干缺點 ，首先，微透銳264、266及268於入射角262較大處較無法 有效地聚焦成界限分明之光黠；第二，凹洞148之壁高150 限制了影像光218、220及222的入射角、例如262，而讓影 本紙張尺度逋用肀國國家榡率（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） _ 6 (請先聞讀背面之注$項再填寫本莧) 訂 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 經濟部智慧財產局员工消旁合作杜印製- A7 ." __;___B7 五、發明説明（4 ) 像光218、220及222抵達感光區228、254及270 *當彩色濾 光片272、274及276被放置在影像光218、220及222的路徑 中以產生彩色影像時會引起第三個問題，由於入射角262 τ 較高的影像光線218及222係以某個角度通過彩色濾光片 272及276，其等通過彩色濾光片内之染料的路徑較長，因 而被大量地過濾掉，這可能導致所得到的影像從中心朝邊 緣產生不希望的色偏》 … 上述問題的另一個習知解決方案為使用一面_心透鏡 378,並例示於第6圖中〇由遠心透鏡378產生的影像光線318 、320及322以一致的入射角向下聚焦於像素324、3 26及3 52 上面，而與影像光線318、320及322通過遠心透鏡378之前 的原始入射角無關。第6囷例示了影像光線318、320及322 是如何被導入大艘上與光學軸308平行的路徑中。然而在 數位相機102内使用遠心透銳378會使其變的更大、更複雜 而且更昂贵。設計用於數位相機102之典型遠心透鏡的長 ^ 度、直徑以及成本可能為設計用於傳統膠卷相機之同等非 遠心透鏡的兩倍。 因此對於能將大量影像光聚焦於電子感測器之感光區 上面的一部數位相機而言就產生了小型'簡單以及廉償透 鏡與電子感測系統之需求。 為了幫助達到前述需求，發明者已經想出一個在數位 相機内使用一面向場透銳的系統與方法，以將影像光聚焦 並朝向一電子感測器之像素。 用以檢測數位相機内之影像光的一個光學系統具有本 ----------^1-----—1T------^ (请先Μ讀背面之注$項再填寫本莧) 本紙張从通用中BIS家揉準（CNS ) ( 2IGX297公釐) ί a? ___Β7 五、發明説明（5 ) 發明之若干特色，其包括了一個具有檢測影像光用之像素 區域陣列的電子感測器，有一面或更多面向場透鏡與電子 感測器相鄰配置，或位於電子感測器前方，而使其等大髏 上位於影像光的路徑上β該一面或更多面向場透鏡矯正影 像光並將其導向該像素區域陣列，若使用一面以上的向場 透銳，則其每個均排列於光學系統之光學軸上而形成一組 複合透鏡》 電子感測器係裝於數位相機内舆光學系統之光學軸垂 直的影像光徑上，向場透鏡通常具有一個相當平坦且和電 子感測器相鄰的底面和一個凸起之上表面。 向場透鏡最好是安裝於電子感測器上作為電子感測器 的蓋子，或者若電子感測器已配置了一個蓋子的話，向場 透鏡可安裝在電子感測器的蓋子上方或直接安裝於電子感 測器之蓋子上。 本發明亦可包括減低影像光線照射在數位相機内的一 個電子感測器上之入射角的方法，包括配置一面向場透銳 以矯正影像光線，並將向場透銳裝於電子感測器上面，使 其大體上位於影像光線的路徑上》 經濟部智慧財產局負工消#合作社印製 諸®中例示了本發明的一個較佳實施例，其中： 第1圖為數位相機的一個透視圖； 第2圖為第1圖之數位相機沿線段115所取的一個橫截 面上視圖； 第3囷為數位相機電子感測器内之某個像素的橫載面 圈； 本纸張尺度逋用中國•家橾準（CNS > Α4規^ ( 210X297公釐） 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 A7 • _B7_ 五、發明説明（6 ) 第4圖為數位相機電子感測器内之某個像素的橫截面 圖，圖中例示了一道具有高入射角的影像光線； 第5圖為一透鏡系統及電子感測器的一個橫截面圖， 其中諸面微透鏡已經朝光學軸移動過，以修正具有高入射 f 角的影像光線； 第6圚為一透鏡系統及電子感測器的一個橫截面囷， 其内有一面遠心透鏡用以修正具有高入射角的影像光線； ^ 第7圖為在一較佳實施例中之透鏡系統及電子感測器 的一個橫截面圖，其包括有一面與近端遠心透鏡一起始用 之向場透鏡，其中向場透鏡包括了電子感測器之蓋子； 第8圖為第7圊實施例中的某個像素和一面用以修正具 有高入射角影像光線之向場透銳的橫截面圖； 第9囷為一透鏡系統及電子感測器的一個橫裁面圖， 其内有一面透~'鏡安裝於電子感測器之蓋子上； 第10圈為一透鏡系統及電子感測器的一個橫截面圚， 其内有一面向場透鏡安裝於電子感測器之蓋子上方；以及 第11圖為二維感光器陣列的某一部分之囷解。 較佳實施例之說明 數位相機102係將所拍照片以電信號形式透過數位方 式加以儲存，而非將照片以視覺方式利用化學藥品儲存於 相紙中。由數位相機'102產生之數位影像必須經過電腦處 理方能觀看或列印，隨著數位相機102變的越來越普遍與 更精巧，透銳系統106及電子感測器116必須作的更小且更 便宜。 本紙遴用中HH家鮮（CNS ) A4«us· ( 21GX297公嫠) ~ _ ----------^1------ir------0 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) f ^ ^13 97 ^ at ____B7_ 五、發明説明（7 ) 用於數位相機102之向場透鏡482明類降低了數位相機 102的尺寸和成本，如第7圖中所示，.較佳實施例包括了一 面供將影像光418、420及422聚焦並朝向一電子感測器416 之近端遠心透鏡480，以及一面配置於近端遠心透鍊480與 電子感測器416之間的向場透鏡482。向場透銳482係一正 向或收斂形的透鏡，其利用折射改變通過其内之光徑方向 。正向透鏡具有正的焦距，因而導致平行其轴之光線收斂 ，而入射角462不為零之光線418及422則大體上平行於其 軸。向場透銳482最好安裝於電子感測器416附近，使其對 光學系統其餘部分之性能僅有些微之影響，於是，向場透 鏡482可作成簡單的單元模製塑膠透鏡。向場透銳482通常 具有一個平坦或幾乎平坦之底面和一個凸狀頂面，且對預 期之影像光418,420及422波長幾乎呈透明狀。向場透鏡482 可利用目前已知的任何方法製造，或者於未來加以開發， 例如研磨及拋光玻璃或壓製塑膠。 較佳實施例之近端遠心透銳480比第6圖t繪示之較完 整遠心透銳378的償格較低且更小，然而近端遠心透銳480 卻無法像逮心透鏡378—樣完全地矯正影像光418、420及 422。向場透銳482乃配置於近端遠心透鏡480與電子感測 器416之間，以在影像光418、420及422通過向場透銳482 時充分地矯正。 通過數位相機102之光徑的入射角因此被近端遠心透 鏡480略為減少，並由向場透銳482進一步減至容許程度。 電子感測器416包括有一個在矽晶圃434上面形成之測 本纸依/^逋用中困《家棣率（仁奶>八4«^(21〇><297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消#合作社印製· 10 經濟部智慧財產局員工消费合·作社印製- A7 B7_ 五、發明说明（8) 光像素（例如424、426及452)區域陣列或二維陣列，下文 將對第8圖作更詳細之敘述，其中影像光418、420及422大 - 體上必須平行數位相機的光學軸408，以抵達像素424 、426及452之感光區470、428及454。 若需要彩色影像的話，則電子感測器416更可包括有 彩色濾光片472、474及476。彩色濾光片472、474及476通 常不是紅色、藍色就是綠色，並吸收所有波長之入射光而 非某一特定範圍内的入射光*舉例而言，紅色濾光片除了 紅色之外幾乎吸收所有的光波長，因此紅色濾光片能夠傳 遞影像光之紅色部分。欲產生一個彩色影像，則電子感測 器416内之像素（例如424、426及452)由濾光片472、474及 476之交替色彩復蓋，以檢測影像光418、420及422的紅色 、藍色或綠色波長，所形成之紅色、藍色及綠色影像接著 在用以顯示或列印影像之處理設備中加以重組。多餘之光 波長在彩色濾光片472、474及476中過濾掉的程度係與通 ^ 過濾光片472、474及476之光徑長度有關，向場透鏡482藉 使通過電子感測器416中央及其周圍處之濾光片472、474 及476的光彳k長度大體上相等而大大地改善了所形成之彩 色影像的品質，因而避免在形成之影像周圍處產生多餘的 色偏。 電子感測器416更可包括有若干面配置於各像素424、 426及452中央上方之微透鏡464、466及468,以匯集照射 在各像素424、426及452之整個區域上的影像光418、420 及422，並將其聚焦於各自的感光區470、42 8及454上面。 本紙張尺度適用中81¾家榡率（C.NS ) A4规格（210X297公釐） .. ----------^1------1T------β (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（9 ) 在一項較佳實施例中，向場透鏡482係接至電子感測 ψ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 器416頂端，作為其内之精密電子及光學元件的一個保護 蓋，並完成矯正影像光418、420及422之光學任務》 現在參看第8圖，更詳細繪示了第7圖之電子感測器416 内的一個像素452。有一面向場透鏡482安裝於電子感測器 416頂端，而有一面高度494大約1.5卩m之彩色濾光片472 配置於像素452中央上方，其介於微透銳468與像素452之 間，且位於微透鏡468下方大約1.5仁m之距離492與像素 452上方大約1.5/zra之距離496處。 經濟部智慧財產局兵工消費合作社印製 像素452包括有一個位於矽晶圊434上面之感光區454 ，由非感光區430及432圍繞著。非感光區430及432由類似 多晶矽柵極436、438、442和444以及其他未示出的積體電 路這種電子電路組成。電子電路如多晶矽柵極436、438、 442及444可由遮光板440及446予以覆蓋，這些元件（例如 440及446)形成了一個凹洞448，影像光422必須經此抵達 感光區454,這需要較低的一個入射角。在一項較佳實施 例中，像素高度450可能大約為2# in,而感光區454寬度488 則大約為4仁m，像素寬度486大約為6仁m »微透鏡468因 而將影像光422聚集在像素的整個寬度486上方，並將其聚 焦在感光區454之更小寬度488上。具有相當高入射角的影 像路徑484因而被向場透鏡482矯正，並充分地垂直導入像 素452内。 於第9圖例示之另一項實施例中，電子感測器416更包 括有一個蓋子598，供將向場透鏡582裝於其上，向場透鏡 本紙張尺度適用中國«家揉準(CNS >八4規<格（210 X 297公釐） A7 _B7_ 五、發明説明（10 ) 582可利用任何適當方式安裝於電子感測器516的蓋子598 上，例如使用能夠傳遞影像光518、520及522之接合劑或 - 以機械夾（未示出）接於邊緣。 在此實施例中，影像光518、520及522通過一面近端 遠心透鏡580並聚焦於向場透鏡582上面，向場透鏡582將 影像光518、520及522矯正，使其幾乎垂直地向下照射在 像素524、526及552上。 另外，如第10圖中所示，向場透鏡682可安裝於一電 子感測器616上方相當小的一個距離699處，其範圍從大約 0.1 mm到大約2 mm *向場透鏡682可利用任何適當方式安 裝於數位相機102内之電子感測器616上方，例如安裝支柱 697。 雖然本文已經詳述過本發明目前之較佳實施例，然而 必須了解的是，除了習知技藝的限制外，發明構想可從各 方面具體表現並加以利用，且希望說明依附項申請專利範 和圍能夠包括這種變化。 ----------^1---ίΐτ--^-----^ (請先閲讀背面之注意^項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國圃家椹準（CNS ) Α4规格（210X297公釐） 13 4243 97 a? B7 五、發明说明（11 ) 元件標號對照 經濟部智慧财產局員工消費合作社印製- 102.. .數位相機 104.. .外殼 106.. ，透鏡系統 108、208, 308、408,··光學軸110.. .按叙 112.. .顯示器 114.. .閃光燈 115.. .線段 116、 216、 416 、 616“.電 子感測器 118、 120、 122、 218、 220 、222、 318、 320、 322、 418、 420、 422、 518、 520 、522…影像光 126、 127、 129、 131、 133、 152 、224、 226、 252、 324、 326、 352、524、526、552…像素 128、228、254、270、428 、454、470...感光區 130、132、430、432··.非感光區 134、434…矽晶圓 136、 138、 142、 144、 436 、438、442、444…多晶 矽栅極 140、146、440、446...遮光板 148、448...凹洞 150.. .壁高 162、262、462..·入射角 166、 168、 264、 266、 268 、464、466、468...微透鏡 272、274、276、472、474 、476...彩色濾光片 378.. .遠心透銳 434 …晶 B) 4 5 0...像素高度 480、580...近端遠心透鏡 482、582、682..·向場透鏡 484…影像路徑 486…像素寬度 488…感光區寬度 492、496、699…距離 494.. .高度 598.. .蓋子 697.. .支柱 (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁)

本紙乐尺度逍用中國國家揉準（CNS > A4规格（210X297公簸） 14

Claims (1)

1. A8 BS C8 08 趄濟部中央櫺率AWC工消费合作社印装 π、申請專利範圍 L 一種供將光線成像於數位相機之光學系統，其包括有： 一個具有如126及127之用以檢測該影像光的一個 H素區域陣列之電子感測器； 一面供將該影像光聚焦於該電子感測器上之透銳 ;以及 一面或更多面緊鄰該電子感測器而配置之向場透 銳，使其大體上位於該影像光之路徑上，供將該影像 L------ 光導向該像素區域陣列上· 2. 如申請專利範園第1項之光學系統，其更包括有： 一面或更多面配置在和126及127之該像素區域陣 列與該一面或更多面向場透鏡間之該影像光中的彩色 濾光片，以及 一個配置在如126及127之該像素區域陣列與該一 多面向場透鏡間之該影像光中的微透鏡陣列。 3. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其更包括有一個裝 於該像素區域陣列126及127上方之扁平蓋，其中該一 面或更多面向場透銳係裝於該扁平蓋上。 ) 4. 如申請專利範圍第1項之光學系統，其中該一面或更多 面向場透鏡係整合成一個组件而用於該電子感測器， 並充當蓋子以提供實質保護給該電子感測器。 5. 如申請專利範圍苐1項之光學系統，其中該像素區域陣 列如126及127包括有一個中心區和一個外圍區，且其 ------- - 中當該影像光已通過該一面或更多面向場透銳之後， ·-. ... 該影像光於該像素區域陣列126及127上的一個入射角 本紙張尺度逋用中國»家搞準（<^5)戍4洗格（210><297公釐） t請先M.tA.之注意事項 --裝-- Γ 本頁) 訂 •線—

   經濟部中央樣丰局貝工消費合作社印策 '申請專利範圍 在該中心區及該外圍區内大體上相等β 6. —種用以降低影像光線落在數位相機内的一個電子感 測器上之入射角的方法，其包括有： 配置一面向場透銳，以矯正該影像光線；以及 將該向場透鏡裝於該電子感測器上，使其大體上 位於該影像光線之路徑上。 7·如申請專利範圍第6項之方法，其中該電子感測器更包 括有一個蓋子，且其中將該向場透鏡裝於該電子感測 .......... ... ^上面包括了將該向場透銳接至該蓋子上。 8‘一種裝於數位相機内之光學裝置，該裝置包括有： 一個裝於該數位相機内、大艘上位於該光學裝置 的一條光徑上且大體上與該數位相機之光學轴垂直的 二維測光像素陣列，例如126及127 ;以及 一面具有平底表面及凸起上表面與正焦距之向場 透銳，該向場透鏡係裝於該數位相機内，位於該二維 測光像素陣列如126及127前方，而使該大體上平坦之 底面與該二維測光像素陣列平行，且光徑於抵達該二 維測光像素陣列如126及127之前會通過該向場透鏡。 9.如申請專利範圍第8項之裝置，其更包括有一個大體上 為透明之蓋子，以平行方式接於該二維測光像素陣列 如126及127上’而位於該二維測光像素陣列如126及127 與該向場透鏡之間，且其中該向場透鏡係裝於該大體 上透明之蓋子J，且其中該向場透銳係裝於該大體上 透明之蓋子上方並與其平行。 本紙張ΛΑ逍用t两躏家料（CNS )八斗狀（210X297公釐） II— n n ^ nn n I 訂 I 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本vac) 16 8 8 οσ 0〇 ABCD 六、申請專利範圍 10.如申請專利範圍第8項之裝置，其中該向場透鏡係裝於 該二維測光像素陣列如126及127之面光侧而作為一個 蓋子。 (請先Μ讀背面之注f項再洗窝本頁) 線 經濟部中央搮隼局貝工消费合作社印*. 17 本紙張尺度逋用中困國家梯準（CNS > A4规格（210X297公釐）