TWI446014B - 成像系統及其光學模組 - Google Patents

Description

成像系統及其光學模組

本發明有關於一種光學模組，尤指一種具有複數折射層之光學模組，可增加成像系統於低照度時的影像分辨力。

習知成像系統如第一圖所示，一成像系統1包括一光學鏡頭10及一感光元件12，藉由光學鏡頭10將外界的光線導向感光元件12上，感光元件12利用光電效應將所偵測到的光轉換成電訊號，再透過放大與解碼成數位資料，以二維陣列方式記錄資料，得到完整的影像畫面。

其中感光元件12如電荷接合元件(charge coupled device,CCD)或互補式金氧半導體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)，其中CMOS相較於CCD其優勢在於成本低、耗電量小及便於製造，可以與影像處理電路處於同一個晶片上，因此具有高整合度的特性，然而由於製程的限制，CMOS在每一個畫素120上具有可吸收光的感光受體121以及不吸收光的放大器(圖未示)與A/D轉換電路(圖未示)，其中感光受體121面積佔整個畫素120的比例為Fill Factor，也就是在每一個畫素120中電路部份為無效感光區域122，使通過光學鏡頭10的光能並非100%被轉換成電能，因此CMOS感光效率低於CCD，影像分辨力亦較低。

在光線不足的情況下，即低照度的環境下，微弱的影像訊號與雜訊均被混合放大，造成影像失真現象，傳統改善方法有外加輔助照明，如感應式探照燈或紅外線光源等，來彌補照度的不足，然而外加輔助照明不僅需要耗費較多的電能，也因額外的設備增加了成本，若使用紅外線光源來照明還會因此喪失成像的色彩。另外，也可改進感光元件的積體電路設計以增加Fill Factor，然而改變積體電路的設計較為困難且複雜，亦提高了製造成本。

本發明所欲解決的技術問題，在於提供一種光學模組，以解決習知低照度時成像系統之雜訊比大的問題。因此本發明之目的係增加感光元件偵測到光的機率，避免因低照度而造成影像失真。

有鑑於此，本發明提供一種光學模組，以達到調整入射光指向的效果。

為了解決上述技術問題，本發明之一技術方案係提供一種光學模組，適用於成像系統，其中每一光學元件包括一成像透鏡單元及一折射透鏡單元，成像透鏡單元與折射透鏡單元連接，且成像透鏡單元具有一第一上表面及一第一下表面；而折射透鏡單元包括複數第一折射層及複數第二折射層，且折射透鏡單元具有一第二上表面及一第二下表面，第二上表面與第一下表面接合。

當入射光從第一上表面入射時，經由成像透鏡單元的一次折射，再經由折射透鏡單元裡複數第一折射層與複數第二折射層的多次折射，使光線較不易發散到光學元件外，並調整入射光的導向，使入射光導向感光受體。

藉此，透過光學模組，因而可以達到於低照度時增加感光受體接收到入射光的機會。如此，可以解決感光受體佔整個畫素的比例限制而降低感光元件感光的效率，且得以減少影像失真的情況發生。

以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

本發明係以複數光學元件，供成像系統調整入射光的導向，以達到增加感光元件感光效率的效果。

為了提供更詳盡的說明與解釋，以下將配合方塊圖及示意圖針對本發明進行解說，以便更為明確而清楚地揭露本發明所使用的技術及手段，以彰顯本發明所具有的優點及其所能達成的功效。

請參考第二圖，為本發明所提供的一種成像系統之一實施例之示意圖。如第二圖所示，一成像系統2包括一感光元件22及一光學模組20。其中感光元件22具有複數畫素220，每一個畫素220具有感光受體221及無效感光區域223；光學模組20包括複數光學元件20a₁ 、20a₂ ...20a_n ，該些複數光學元件20a₁ 、20a₂ ...20a_n 彼此緊密排列，藉由複數光學元件20a₁ 、20a₂ ...20a_n 調整入射光的指向，其中感光受體221與至少一光學元件相對應，以增加入射光進入感光受體221的機會。

為了更詳細說明每一個光學元件的結構，請配合參考第三A圖，為本發明所提供的一種光學元件之一實施例之剖面圖。如第三A圖所示，本發明之一光學元件30包括一成像透鏡單元31及一折射透鏡單元32，成像透鏡單元31與折射透鏡單元32連接。其中成像透鏡單元31具有一第一上表面311及一第一下表面313，折射透鏡單元32具有一第二上表面321及一第二下表面323，藉由第二上表面321與第一下表面313接合來達成連接成像透鏡單元31與折射透鏡單元32，其中第一上表面311及第一下表面313可為凹面或凸面，即第一上表面311及第一下表面313其中一個為凹面而另一個為凸面，或第一上表面311及第一下表面313兩者皆為凹面，或第一上表面311及第一下表面313兩者皆為凸面；第二上表面321及第二下表面323可為凹面或凸面，即第二上表面321及第一下表面323其中一個為凹面而另一個為凸面，或第二上表面321及第二下表面323兩者皆為凹面，或第二上表面321及第二下表面323兩者皆為凸面，實際實施時第二上表面321與第一下表面313其中一個為凸面另一個為凹面且可互相緊密接合無縫隙即可，如第三A圖所示，第一下表面313為凸面而第二上表面321為凹面，其曲率可為球面、非球面或拋物面。

其中成像透鏡單元31具有第一光軸(圖未標)，第一光軸為第一上表面311的曲率中心與第一下表面313的曲率中心所連成的一條軸；折射透鏡單元32具有第二光軸(圖未標)，第二光軸為第二上表面321的曲率中心與第二下表面323的曲率中心所連成的一條軸，且第一光軸與第二光軸形成在同一線上。

其中成像透鏡單元31與折射透鏡單元32皆為透光材質，且成像透鏡單元31的材質與折射透鏡單元32的材質相異，即具有不同的介電質，如塑膠(Plastic)、壓克力(Acrylic)、玻璃(Glass)、聚碳酸酯(Polycarbonate)、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly methyl-methacrylate,PMMA)或聚對二甲基矽氧烷(poly-dimethylsiloxane,PDMS)。

復參考第三A圖，其中折射透鏡單元32包括複數第一折射層327a₁ 、327a₂ ...327a_n 及複數第二折射層329a₁ 、329a₂ ...329a_n ，且複數第一折射層327a₁ 、327a₂ ...327a_n 的材質與複數第二折射層329a₁ 、329a₂ ...329a_n 的材質相異，具有不同的介電質，即折射率不同，其中每一個第一折射層具有第一內側面(圖未標)及第一外側面(圖未標)，每一個第二折射層具有第二內側面(圖未標)及第二外側面(圖未標)，其中第一內側面及第一外側面可為凹面或凸面，第二內側面及第二外側面可為凹面或凸面，實際實施時第二上表面321為凹面而第一下表面313為凸面且可互相緊密接合無縫隙即可，其曲率可為球面、非球面或拋物面。藉由第二內側面與第一外側面接合，使該些第一折射層327a₁ 、327a₂ ...327a_n 與該些第二折射層329a₁ 、329a₂ ...329a_n 互相交疊。

其中每一第一折射層具有第三光軸(圖未標)，第三光軸為每一第一折射層的內側面的曲率中心與每一第一折射層的外側面的曲率中心所連成的一條軸；每一第二折射層具有第四光軸(圖未標)，第四光軸為每一第二折射層的內側面的曲率中心與第二折射層的外側面的曲率中心所連成的一條軸，且第三光軸與第四光軸形成在同一線上，且與第二光軸在同一線上。

光學模組20的製造方法可利用微影製程製作出各種不同曲率的母模，利用鑄模、壓印及熱轉印來製作出具有複數成像透鏡單元31及複數折射透鏡單元32，藉由設計該些第一折射層327a₁ 、327a₂ ...327a_n 的每一個第一外側面與第一內側面與該些第二折射層329a₁ 、329a₂ ...329a_n 的第二外側面與第二內側面的曲率來調整入射光的光程路徑，使打在其中之一光學元件之入射光保持在該光學元件中折射而不會偏折到鄰近的光學元件，並增加入射光進入相對應之感光受體221的機會，經由感光受體221將入射光轉為電訊號，再由無效感光區域223之電路將電訊號放大。

請參考第三B圖，為本發明所提供的一種光學元件之一實施例之光軌跡示意圖。如第三B圖所示，當入射光33從光學元件30之第一上表面311入射時，入射光經由成像透鏡單元31的一次折射，再經由折射透鏡單元32的多次折射，使入射光33被限制在光學元件30內，較不易發散到光學元件外。

第一上表面311、第一下表面313、第二上表面321及第二下表面323的尺寸及幾何形狀皆相同，實際實施時尺寸大小約10~50μm，幾何形狀可為六角形如第四圖所示，此僅為其中一種實施例而已，其他形狀或尺寸皆可隨使用需求做設計，第四圖為本發明之光學模組之一實施例之上視圖，本發明之光學模組40包括複數光學元件40₁ 、40₂ ...40_n ，該些光學元件40₁ 、40₂ ...40_n 彼此緊密排列，為了避免入射光在單一光學元件內部偏折到鄰近的光學元件，該些光學元件40₁ 、40₂ ...40_n 之間的間隙40_b 包括一光阻隔層42，即間隙40_b 填滿了吸光物質或不透光物質。

請參考第五圖，為本發明之光學模組之另一實施例之上視圖，如第五圖所示，本發明之光學模組50包括複數具有圓形的光學元件50₁ 、50₂ ...50_n ，該些光學元件50₁ 、50₂ ...50_n 彼此以六角形排列作最緊密排列，該些光學元件50₁ 、50₂ ...50_n 之間的間隙50_b 包括一光阻隔層52，即間隙50_b 填滿吸光物質或不透光物質；另參考第六圖，為本發明之光學模組之另一實施例之上視圖，如第六圖所示，本發明之光學模組60包括複數具有三角形的光學元件60₁ 、60₂ ...60_n ，該些光學元件60₁ 、60₂ ...60_n 彼此緊密排列，該些光學元件60₁ 、60₂ ...60_n 之間的間隙60_b 包括一光阻隔層62，即間隙60_b 填滿吸光物質或不透光物質。

請參考第七A圖，為本發明所提供的一種光學元件之一另實施例之剖面圖。如第七A圖所示，本發明之一光學元件30'包括一成像透鏡單元31'及一折射透鏡單元32'，成像透鏡單元31'與折射透鏡單元32'連接。其中成像透鏡單元31'具有一第一上表面311'及一第一下表面313'，折射透鏡單元32'具有一第二上表面321'及一第二下表面323'，藉由第二上表面321'與第一下表面313'接合來連接成像透鏡單元31'與折射透鏡單元32'；折射透鏡單元32'包括複數第一折射層327a₁ '、327a₂ '...327a_n '與複數第二折射層329a₁ '、329a₂ '...329a_n '。其與第三A圖的結構大致相同，其差異在於第七A圖中第二上表面321'為凸面而第一下表面313'為凹面且可互相緊密接合無縫隙，其曲率可為球面、非球面或拋物面。

請參考第七B圖，為本發明所提供的一種光學元件之另一實施例之光軌跡示意圖。如第七B圖所示，當入射光33'從光學元件30'之第一上表面311'入射時，入射光經由成像透鏡單元31'的一次折射，再經由折射透鏡單元32'的多次折射，使入射光33'被限制在光學元件30'內，較不易發散到光學元件外。

綜合上述所列舉實施方式之作法，配合感光元件的畫素個數，設計光學模組的光學元件個數及複數上表面、下表面、內側面及外側面的曲率，可知當入射光從光學模組之第一上表面入射時，入射光經由成像透鏡單元的一次折射，再經由折射透鏡單元的多次折射，使光線被限制在每一個光學元件內，較不易發散到光學元件外，並藉由在光學模組中的每一個光學元件之間加上吸光材質或不透光材質，使入射光打入單一一個光學元件後不會偏折到鄰近的光學元件，以調整入射光的導向，增加入射光導向感光受體的機會，以解決習知低照度時成像系統之雜訊比大的問題，不必使用額外輔助光源，進而增加影像分辨力。

此外，透過選擇不同光學元件的材質可用來過濾不同光譜，作為光譜選擇器，更可以在同一光學模組裡包含具有不同光譜選擇功能之複數光學元件，使擷取單一影像時過濾出不同光譜，增加使用上的彈性。

惟上述所揭露之圖式及說明，僅為本發明之實施例而已，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，當可依據上述之說明做各種之更動與潤飾，如有其他符合本發明之精神與未實質改變本發明之技術手段者，皆屬本發明所涵蓋保護之範圍。

習知：

1．．．成像系統

10．．．光學鏡頭

12．．．感光元件

120．．．畫素

121．．．感光受體

122．．．無效感光區域

本發明：

2．．．成像系統

20．．．光學模組

20a₁ 、20a₂ ...20a_n ．．．複數光學元件

22．．．感光元件

220．．．畫素

221．．．感光受體

223．．．無效感光區域

40、50、60．．．光學模組

30、30'、40₁ 、40₂ ...40_n 、50₁ 、50₂ ...50n、601、60₂ ...60_n ．．．光學元件

31、31'．．．成像透鏡單元

311、311'．．．第一上表面

313、313'‧‧‧第一下表面

32、32'‧‧‧折射透鏡單元

321、321'‧‧‧第二上表面

323、323'‧‧‧第二下表面

327a₁ 、327a₂ ...327a_n ，327a₁ '、327a₂ '...327a_n '‧‧‧第一折射層

329a₁ 、329a₂ ...329a_n ，329a₁ '、329a₂ '...329a_n '‧‧‧第二折射層

33、33'‧‧‧入射光

40_b 、50_b 、60_b ‧‧‧間隙

第一圖為習知成像系統之示意圖；

第二圖為本發明之成像系統之一實施例之示意圖；

第三A圖為本發明之光學元件之一實施例之剖面圖；

第三B圖為本發明之光學元件之一實施例之光軌跡示意圖；

第四圖為本發明之光學模組之一實施例之上視圖；

第五圖為本發明之光學模組之另一實施例之上視圖；

第六圖為本發明之光學模組之另一實施例之上視圖；

第七A圖為本發明之光學元件之另一實施例之剖面圖；及

第七B圖為本發明之光學元件之一另實施例之光軌跡示意圖。

2‧‧‧成像系統

20‧‧‧光學模組

20a₁ 、20a₂ ...20a_n ‧‧‧複數光學元件

22‧‧‧感光元件

220‧‧‧畫素

221‧‧‧感光受體

223‧‧‧無效感光區域

Claims (16)

1. 一種光學模組，包括複數光學元件，且該些光學元件彼此緊密排列，其中每一光學元件包括：一成像透鏡單元，具有一第一上表面及一第一下表面；及一折射透鏡單元，與該成像透鏡單元連接，該折射透鏡單元具有一第二上表面及一第二下表面，該第二上表面與該第一下表面接合；其中該折射透鏡單元包括複數第一折射層及複數第二折射層，且該些第一折射層與該些第二折射層互相交疊，以使入射於該第一上表面的一光線從該第二下表面出射，在該光線入射於該第一上表面之前，該光線與該光學元件的一光軸相交，其中該光線通過所有該些第一折射層與所有該些第二折射層。
2. 如請求項第1項所述之光學模組，其中該成像透鏡單元及該折射透鏡單元的材質皆為透光材質，且該些第一折射層與該些第二折射層之材質具有相異之介電質。
3. 如請求項第2項所述之光學模組，其中每一第一折射層具有一第一內側面與一第一外側面，每一第二折射層具有一第二內側面與一第二外側面，該第二內側面與該第一外側面接合。
4. 如請求項第3項所述之光學模組，其中該第一上表面、每一第一內側面、每一第二內側面及該第一下表面係為凹面或凸面，且該第二上表面、每一第二內側面、每一第二外側面及該第二下表面係為凹面或凸面。
5. 如請求項第3項所述之光學模組，其中該第一上表面、該第一下表面、每一第一內側面、每一第一外側面、每一第二內側面、每一第二外側面、該第二上表面及該第二下表面係為非球面。
6. 如請求項第3項所述之光學模組，其中該第一上表面、該第一下表面、每一第一內側面、每一第一外側面、每一第二內側面、每一第二外側面、該第二上表面及該第二下表面係為球面。
7. 如請求項第3項所述之光學模組，其中該第一上表面、該第一下表面、每一第一內側面、每一第一外側面、每一第二內側面、每一第二外側面、該第二上表面及該第二下表面係為拋物面。
8. 如請求項第1項所述之光學模組，其中該成像透鏡單元具有一第一光軸，該折射透鏡單元具有一第二光軸，且該第一光軸與該第二光軸形成在同一線上。
9. 如請求項第8項所述之光學模組，其中每一個第一折射層具有一第三光軸，每一個第二折射層具有一第四光軸，且每一個第三光軸、每一個第四光軸與第二光軸形成在同一線上。
10. 如請求項第1項所述之光學模組，其中該第一上表面、該第一下表面、該第二上表面及該第二下表面的尺寸及幾何形狀皆相同。
11. 如請求項第10項所述之光學模組，其中該第一上表面、該第一下表面、該第二上表面及該第二下表面係為圓形。
12. 如請求項第10項所述之光學模組，其中該第一上表面、該第一下表面、該第二上表面及該第二下表面係為多角形。
13. 如請求項第1項所述之光學模組，其中該些光學元件之間包括一光阻隔層。
14. 如請求項第1項所述之光學模組，其中該光阻隔層的材質為不透光或吸光材質。
15. 一種成像系統，包括：一如請求項第1項之光學模組，用以對入射光進行折射；及一感光元件，位於該光學模組的下方，用以接收經由該光學 模組折射之一入射光。
16. 如請求項第15項所述之成像系統，其中該感光元件包括複數畫素(pixels)，每一個畫素包括：一感光受體，與至少一光學元件相對應，用以將該入射光轉換為電訊號；及一無效感光區域，與該感光受體相鄰，用以將該感光受體之電訊號做放大。