TWI739557B - 摩爾紋成像裝置 - Google Patents

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Abstract

一種摩爾紋成像裝置，包括透光薄膜與光感測器。透光薄膜包括複數個微透鏡及相對的入光面與出光面，多個微透鏡設置於入光面、出光面或其組合，多個微透鏡二維排列形成微透鏡陣列。光感測器包括感光面，感光面朝向透光薄膜之出光面，感光面上具有複數個像素，多個像素二維排列形成像素陣列。其中微透鏡陣列與像素陣列對應形成摩爾紋效應以產生成像放大效果，光感測器之感光面並感光形成摩爾紋放大影像。

Description

摩爾紋成像裝置
本發明係關於一種成像裝置，特別是指一種摩爾紋成像裝置。
隨著多媒體技術之飛速發展，許多電子裝置（例如智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦或數位相機等）都會搭載有光學鏡頭，例如光學鏡頭可為廣角鏡頭、魚眼鏡頭或變焦鏡頭等，以支援攝影、網路視訊或臉部辨識等功能。
然而，目前市面上的光學鏡頭通常是由多片光學透鏡所組成，例如光學透鏡為凹透鏡或凸透鏡等，導致光學鏡頭的厚度無法進一步薄形化，舉例來說，智慧型手機與平板電腦之光學透鏡的厚度大多都超過5mm，數位相機的光學鏡頭的厚度大多都超過50mm，從而不利於電子裝置之薄形化發展。
鑑於上述，於一實施例中，提供一種摩爾紋成像裝置，包括透光薄膜與光感測器。透光薄膜包括複數個微透鏡及相對的入光面與出光面，多個微透鏡設置於入光面、出光面或其組合，多個微透鏡二維排列形成微透鏡陣列。光感測器包括感光面，感光面朝向透光薄膜之出光面，感光面上具有複數個像素，多個像素二維排列形成像素陣列。其中微透鏡陣列與像素陣列對應形成摩爾紋效應以產生成像放大效果，光感測器之感光面並感光形成摩爾紋放大影像。
綜上，本發明實施例之摩爾紋成像裝置通過在透光薄膜設置微透鏡陣列，使微透鏡陣列與光感測器的像素陣列之間可形成摩爾紋（moiré pattern）效應，從而達到影像放大的效果。藉此，摩爾紋成像裝置整體設計能夠大幅薄形化，例如透光薄膜的厚度可分別在5μm～1000μm而大幅小於目前市面上的光學鏡頭的厚度，上述透光薄膜的厚度範圍僅為舉例，實際上透光薄膜的厚度視摩爾紋成像裝置應用的產品而定。
以下提出各種實施例進行詳細說明，然而，實施例僅用以作為範例說明，並不會限縮本發明欲保護之範圍。此外，實施例中的圖式省略部份元件，以清楚顯示本發明的技術特點。在所有圖式中相同的標號將用於表示相同或相似的元件。
圖1為本發明摩爾紋成像裝置第一實施例之立體圖，圖2為本發明摩爾紋成像裝置第一實施例之成像示意圖，圖3為本發明摩爾紋成像裝置第一實施例之平面示意圖。如圖1至圖3所示，本發明實施例之摩爾紋成像裝置1包括透光薄膜10與光感測器20，其中摩爾紋成像裝置1可應用於各式電子產品（例如智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、數位相機或攝影機等），用以感測取得影像。
如圖1至圖3所示，摩爾紋成像裝置1之透光薄膜10上具有微透鏡陣列MLA1，光感測器20上具有像素陣列PA，其中透光薄膜10之微透鏡陣列MLA1與光感測器20之像素陣列PA可對應形成摩爾紋（moiré pattern）效應以產生成像放大效果。舉例來說，微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間可通過排列周期不同、夾設特定角度或進行相對運動等多種方式形成上述摩爾紋效應，此分別詳細說明如下。
如圖1至圖3所示，透光薄膜10可為透光材料所製成之薄膜或薄片，舉例來說，透光材料可為聚碳酸酯（PC）或壓克力塑膠（PMMA），透光薄膜10的厚度可介於5um～1000μm之間，但上述透光材料與透光薄膜10之厚度僅為舉例，實際上並不以此為限。
如圖1至圖3所示，透光薄膜10包括多個微透鏡11及相對二表面（入光面12與出光面13），入光面12用以接收外部傳來之光線（例如外部物體所產生的物光）並能從出光面13出光。多個微透鏡11可設置在入光面12、出光面13、或者入光面12與出光面13皆設有多個微透鏡11。例如在本實施例中，多個微透鏡11設置於透光薄膜10之入光面12與出光面13，且入光面12上的多個微透鏡11與出光面13上的多個微透鏡11彼此對應並分別二維排列，而在入光面12與出光面13上各別形成微透鏡陣列MLA1。
在一些實施例中，上述微透鏡陣列MLA1之各微透鏡11的尺寸可介於2μm～2000μm之間；各微透鏡11的材質為透明材質，例如熔融石英（Fused Silica）、光學玻璃（Optical Glass）或透明塑料（Transparent Plastic）等；各微透鏡11可為柱狀透鏡、凸透鏡或凹透鏡等各式光學透鏡，例如在圖3之實施例中，各微透鏡11為凸透鏡；微透鏡陣列MLA1之多個微透鏡11具有第一排列周期P1（如圖1所示），其中第一排列周期P1可指的是多個微透鏡11之間的間隔距離（例如相鄰之二個微透鏡11之中心的間距），在一些實施例中，第一排列周期P1可介於2μm～2000μm之間；微透鏡陣列MLA1之多個微透鏡11可與透光薄膜10一體製造成型，或者多個微透鏡11亦可通過其他加工方式形成，例如加工方式可為網版印刷、浮雕鑄造、光阻迴流、微射出成型或熱壓成型（hot embossing）等。然而，上述微透鏡11的尺寸、排列周期或加工方式僅為舉例，具體上應視摩爾紋成像裝置1所應用的產品而定。
如圖1至圖3所示，光感測器20具有一感光面21，其中光感測器20與透光薄膜10保持間距，且感光面21朝向透光薄膜10之出光面13，使從出光面13出光的光線能夠傳遞至光感測器20的感光面21。在本實施例中，光感測器20之感光面21上具有多個像素22（pixel），且多個像素22二維排列形成像素陣列PA。在一些實施例中，上述光感測器20具體上可為感光元件，例如感光耦合元件（charge-coupled device, CCD）、互補式金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS）、或互補式金屬氧化物半導體主動像素傳感器（CMOS Active pixel sensor）。
如圖1至圖3所示，光感測器20之感光面21的多個像素22具有第二排列周期P2，其中第二排列周期P2可指的是多個像素22之間的間隔距離（例如相鄰之二個像素22之中心的間距），且光感測器20上的像素陣列PA與透光薄膜10之微透鏡陣列MLA1可彼此同軸對應。例如在本實施例中，透光薄膜10具有一光軸A，光感測器20與透光薄膜10是以光軸A彼此同軸設置，使像素陣列PA與微透鏡陣列MLA1彼此同軸對應。
再如圖2所示，在本實施例中，透光薄膜10的微透鏡陣列MLA1與光感測器20的像素陣列PA之間夾設一特定角度θ，以使微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間產生周期差而形成摩爾紋效應以產生成像放大效果，進而使光感測器20之感光面21感光形成摩爾紋放大影像Im，此詳述如下。
如圖1所示，在本實施例中，微透鏡陣列MLA1之多個微透鏡11的第一排列周期P1是與像素陣列PA之多個像素22的第二排列周期P2相同，使微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA具有相同或相近的空間頻率。當微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間夾設特定角度θ（例如0.1°、1°或2°）時，微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間即產生差頻（beat frequency）而形成摩爾紋效應。請對照圖1與圖2所示，透光薄膜10係以光軸A為中心相對於光感測器20旋轉特定角度θ，使微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間夾設特定角度θ。
在一些實施例中，上述微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間所夾設的特定角度θ可使微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間產生周期差，且周期差小於像素陣列PA的排列周期。舉例來說，如圖1所示，在透光薄膜10未旋轉前，微透鏡陣列MLA1之多個微透鏡11的第一排列周期P1與像素陣列PA之多個像素22的第二排列周期P2相同，構成微透鏡陣列MLA1於單軸方向（在此為X軸方向，但亦可為Y軸方向）之多個第一排列周期P1的周期總合T1等於像素陣列PA於單軸方向（在此為X軸方向，但亦可為Y軸方向）之多個第二排列周期P2的周期總合T2。接著，如圖2所示，當透光薄膜10以光軸A為中心相對於光感測器20旋轉特定角度θ，使微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間夾設特定角度θ時，微透鏡陣列MLA1之多個微透鏡11於單軸方向（在此為X軸方向）的第一排列周期P1’則會變小，使微透鏡陣列MLA1之多個第一排列周期P1’的周期總合T1’相對變小而不同於像素陣列PA之周期總合T2，上述周期差可指的是微透鏡陣列MLA1之周期總合T1’與像素陣列PA之周期總合T2的差值，且周期差小於上述像素陣列PA之第二排列周期P2或微透鏡陣列MLA1之第一排列周期P1，使微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間形成摩爾紋效應以產生成像放大效果。
承上，如圖1與圖3所示，摩爾紋成像裝置1在影像拍攝或擷取過程中，外部物體O（在本例中，外部物體O是以笑臉表示）所產生之物光L可從透光薄膜10之入光面12進入透光薄膜10內部，由於透光薄膜10設有微透鏡陣列MLA1，因此，如圖3所示，物光L會分別經由多個微透鏡11的折射而由出光面13出光並分別傳遞至多個像素22上，使多個像素22分別感光而取得多個感光值，在本例中，各像素22所取得之感光值是以小笑臉表示，實際上，上述各感光值指的是灰階值、RGB值或CMYK值等。再請對照圖2與圖3所示，當微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間夾設特定角度θ而形成摩爾紋效應時，多個像素22分別感光取得的多個感光值可共同形成對應於外部物體O之摩爾紋放大影像Im（如圖2所示，在此摩爾紋放大影像Im為放大笑臉影像而達到影像放大的效果），舉例來說，若各像素22所感光取得之感光值為灰階值時，各感光值可以由0(黑)到255(白)的亮度值(Intensity)表示，其中0～255之間表示不同的灰度級，通過不同亮度之多個感光值排列組合而共同形成摩爾紋放大影像Im。同理，當各像素22所感光取得之感光值為RGB值時，即可通過不同顏色之多個感光值排列組合而共同形成彩色的摩爾紋放大影像Im。具體而言，上述摩爾紋放大影像Im是指物光L由入光面12進入透光薄膜10、並經由摩爾紋效應後從透光薄膜10之出光面13出光至光感測器20之感光面21而產生對應於外部物體O的放大影像。
在一些實施例中，上述摩爾紋放大影像Im可為正立或倒立影像，視微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA所夾設特定角度θ而定，舉例來說，當微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間夾設的特定角度θ為正值時（例如0.1°、1°或2°），所對應產生之摩爾紋放大影像Im為正立影像，當微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間夾設的特定角度θ為負值時（例如-0.1°、-1°或-2°），所對應產生之摩爾紋放大影像Im則為倒立影像。
如圖3所示，摩爾紋成像裝置1可包括一驅動裝置40，驅動裝置40連接於透光薄膜10以驅動透光薄膜10相對於光軸A旋轉，使微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間能夠夾設不同角度而形成不同的摩爾紋效應，以產生不同放大倍率之摩爾紋放大影像Im。舉例來說，驅動裝置40可包括一驅動馬達且驅動裝置40與透光薄膜10之間可設有相應的傳動機構，例如傳動機構為齒輪傳動機構、蝸輪蝸桿機構或凸輪機構並且與驅動馬達連結，以通過驅動馬達與傳動機構驅動透光薄膜10相對於光軸A與光感測器20旋轉。
如圖4所示，為本發明摩爾紋成像裝置第二實施例之平面示意圖。本實施例與上述第一實施例的差異至少在於，本實施例之摩爾紋成像裝置2之透光薄膜10上的多個微透鏡11具有第一排列周期P3，光感測器20之感光面21上的多個像素22具有第二排列周期P4，且第一排列周期P3不同於第二排列周期P4（例如在本實施例中，第一排列周期P3大於第二排列周期P4，但此並不侷限），使微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA具有不同的空間頻率，因此，微透鏡陣列MLA1與像素陣列PA之間不需夾設角度或相對運動即可產生差頻而形成摩爾紋效應，達到成像放大效果。
如圖5所示，為本發明摩爾紋成像裝置第三實施例之平面示意圖。本實施例與上述第一實施例的差異至少在於，本實施例之摩爾紋成像裝置3更包括至少一個透光膜片30（在此是以一個透光膜片30表示，實際上亦可為多個透光膜片30），且透光膜片30與透光薄膜10彼此同軸設置。在本實施例，透光薄膜10是介於透光膜片30與光感測器20之間，且透光膜片30上設有多個透鏡單元31，多個透鏡單元31二維排列形成陣列透鏡組MLA2，且陣列透鏡組MLA2之多個透鏡單元31分別對應於微透鏡陣列MLA1之多個微透鏡11，舉例來說，多個透鏡單元31與多個微透鏡11的排列周期相同而彼此對應。
在一些實施例中，上述透光膜片30的結構與透光薄膜10的結構可彼此相同或不同。例如圖5所示，在本實施例中，透光膜片30與透光薄膜10的結構相同，具體而言，透光膜片30與透光薄膜10同樣為透光材料所製成之薄膜或薄片，多個透鏡單元31為微型透鏡並設置在透光膜片30的相對二表面上，藉此，通過透光膜片30與透光薄膜10的疊置可產生不同的光線折射效果，使像素陣列PA、微透鏡陣列MLA1及陣列透鏡組MLA2之間形成摩爾紋效應後，能夠產生不同光學放大效果之摩爾紋放大影像Im。在一些實施例中，透光膜片30與透光薄膜10的結構亦可不同，例如透光膜片30之各透鏡單元31可為凹透鏡或其他透鏡，或者透光膜片30亦可僅其中一個表面設有多個透鏡單元31，以產生不同的光學放大效果。
請對照圖5、圖6及圖7所示，在一些實施例中，透光膜片30與透光薄膜10彼此可軸向相對移動，以使摩爾紋放大影像Im進一步產生縮放效果（zoom in / out）。舉例來說，當透光膜片30朝遠離光感測器20與透光薄膜10的方向移動至一第一位置時，摩爾紋放大影像Im可具有第一放大倍率，當透光膜片30朝接近光感測器20與透光薄膜10的方向移動至一第二位置時，摩爾紋放大影像Im則具有不同於上述第一放大倍率之第二放大倍率。舉例來說，如圖6所示，在透光膜片30朝遠離光感測器20與透光薄膜10的方向移動過程中，摩爾紋放大影像Im的放大倍率會逐漸增加，如圖7所示，在透光膜片30朝接近光感測器20與透光薄膜10的方向移動過程中，摩爾紋放大影像Im的放大倍率會逐漸減少，從而產生縮放效果。
再如圖6與圖7所示，在本實施例中，摩爾紋成像裝置3更包括有驅動裝置41，驅動裝置41連接於透光膜片30與透光薄膜10中的至少其中一者（在此驅動裝置41連接於透光膜片30），以驅動透光膜片30與透光薄膜10彼此軸向相對移動。舉例來說，驅動裝置41可包括一驅動馬達且驅動裝置41與透光膜片30之間可設有相應的傳動機構，例如傳動機構為齒輪傳動機構、蝸輪蝸桿機構或凸輪機構並且與驅動馬達連結，以通過驅動馬達與傳動機構驅動透光膜片30相對於透光薄膜10軸向移動，使透光薄膜10與透光膜片30彼此接近或遠離，而產生上述摩爾紋放大影像Im之縮放效果。
如圖8所示，為本發明摩爾紋成像裝置第四實施例之平面示意圖。本實施例與上述第一實施例的差異至少在於，本實施例之摩爾紋成像裝置4更包括光學透鏡50，光學透鏡50與透光薄膜10彼此同軸設置，舉例來說，光學透鏡50可為一般傳統透鏡，例如光學透鏡50為凸透鏡、凹透鏡或其他透鏡，且光學透鏡50的尺寸可大致與透光薄膜10相同，但此並不侷限。藉此，通過光學透鏡50與透光薄膜10的疊置可產生不同的光線折射效果，使像素陣列PA與微透鏡陣列MLA1之間形成摩爾紋效應後，能夠產生不同光學放大效果之摩爾紋放大影像Im。
綜上，本發明實施例之摩爾紋成像裝置1通過在透光薄膜10設置微透鏡陣列MLA1，並使微透鏡陣列MLA1與光感測器20的像素陣列PA之間形成摩爾紋（moiré pattern）效應，以達到影像放大的效果，而能保持既有影像拍攝與擷取功能。此外，摩爾紋成像裝置1整體設計能夠大幅薄形化而遠小於目前市面上光學鏡頭的厚度。
1～4:摩爾紋成像裝置 10:透光薄膜 11:微透鏡 12:入光面 13:出光面 MLA1:微透鏡陣列 P1,P1’,P3:第一排列周期 A:光軸 20:光感測器 21:感光面 22:像素 PA:像素陣列 P2,P4:第二排列周期 Im:摩爾紋放大影像 30:透光膜片 31:透鏡單元 MLA2:陣列透鏡組 40,41:驅動裝置 50:光學透鏡 O:物體 L:物光 T1,T1’,T2:周期總合 θ:特定角度
[圖1] 係本發明摩爾紋成像裝置第一實施例之立體圖。 [圖2] 係本發明摩爾紋成像裝置第一實施例之成像示意圖。 [圖3] 係本發明摩爾紋成像裝置第一實施例之平面示意圖。 [圖4] 係本發明摩爾紋成像裝置第二實施例之平面示意圖。 [圖5] 係本發明摩爾紋成像裝置第三實施例之平面示意圖。 [圖6] 係本發明摩爾紋成像裝置第三實施例之作動圖。 [圖7] 係本發明摩爾紋成像裝置第三實施例之另一作動圖。 [圖8] 係本發明摩爾紋成像裝置第四實施例之平面示意圖。
1:摩爾紋成像裝置
10:透光薄膜
11:微透鏡
12:入光面
13:出光面
MLA1:微透鏡陣列
P1’:第一排列周期
A:光軸
20:光感測器
21:感光面
22:像素
PA:像素陣列
P2:第二排列周期
Im:摩爾紋放大影像
O:物體
T1’,T2:周期總合
θ:特定角度

Claims (10)

  1. 一種摩爾紋成像裝置，包括：一透光薄膜，包括複數個微透鏡及相對的一入光面與一出光面，該些微透鏡設置於該入光面、該出光面或其組合，該些微透鏡二維排列形成一微透鏡陣列；以及一光感測器，包括一感光面，該感光面朝向該透光薄膜之該出光面，其中該感光面上具有複數個像素，該些像素二維排列形成一像素陣列；其中，該微透鏡陣列與該像素陣列對應形成一摩爾紋效應以產生成像放大效果，該光感測器之該感光面並感光形成一摩爾紋放大影像；其中該微透鏡陣列之該些微透鏡具有一第一排列周期，該像素陣列之該些像素具有一第二排列周期，該第一排列周期不同於該第二排列周期以使該微透鏡陣列與該像素陣列形成該摩爾紋效應。
  2. 如請求項1所述之摩爾紋成像裝置，其中該光感測器之該感光面的該些像素對應該些微透鏡分別感光取得複數個感光值，該些感光值共同形成該摩爾紋放大影像。
  3. 一種摩爾紋成像裝置，包括：一透光薄膜，包括複數個微透鏡及相對的一入光面與一出光面，該些微透鏡設置於該入光面、該出光面或其組合，該些微透鏡二維排列形成一微透鏡陣列；以及 一光感測器，包括一感光面，該感光面朝向該透光薄膜之該出光面，其中該感光面上具有複數個像素，該些像素二維排列形成一像素陣列；其中，該微透鏡陣列與該像素陣列對應形成一摩爾紋效應以產生成像放大效果，該光感測器之該感光面並感光形成一摩爾紋放大影像；其中該透光薄膜具有一光軸，該光感測器與該透光薄膜以該光軸同軸設置，且該微透鏡陣列與該像素陣列之間夾設一特定角度，以使該微透鏡陣列與該像素陣列形成該摩爾紋效應。
  4. 如請求項3所述之摩爾紋成像裝置，其中該特定角度使該微透鏡陣列與該像素陣列之間產生一周期差，且該周期差小於該像素陣列的一排列周期，該排列周期為相鄰之該二像素的中心間距。
  5. 如請求項3所述之摩爾紋成像裝置，更包括一驅動裝置，該驅動裝置連接於該透光薄膜以驅動該透光薄膜相對於該光軸旋轉。
  6. 如請求項3所述之摩爾紋成像裝置，其中該微透鏡陣列之該些微透鏡具有一第一排列周期，該像素陣列之該些像素具有一第二排列周期，該第一排列周期不同於該第二排列周期。
  7. 一種摩爾紋成像裝置，包括：一透光薄膜，包括複數個微透鏡及相對的一入光面與一出光面，該些微透鏡設置於該入光面、該出光面或其組合，該些微透鏡二維排列形成一微透鏡陣列； 一光感測器，包括一感光面，該感光面朝向該透光薄膜之該出光面，其中該感光面上具有複數個像素，該些像素二維排列形成一像素陣列；以及一透光膜片，該透光膜片與該透光薄膜彼此同軸設置，且該透光膜片上設有複數個透鏡單元，該些透鏡單元二維排列形成一陣列透鏡組，該陣列透鏡組對應於該微透鏡陣列；其中，該微透鏡陣列與該像素陣列對應形成一摩爾紋效應以產生成像放大效果，該光感測器之該感光面並感光形成一摩爾紋放大影像。
  8. 如請求項7所述之摩爾紋成像裝置，其中該透光膜片與該透光薄膜彼此可選擇性地軸向相對移動於一第一位置或一第二位置，該第一位置使該摩爾紋放大影像具有一第一放大倍率，該第二位置使該摩爾紋放大影像具有一第二放大倍率，該第一放大倍率不同於該第二放大倍率。
  9. 如請求項8所述之摩爾紋成像裝置，更包括一驅動裝置，該驅動裝置連接於該透光膜片與該透光薄膜的至少其中一者，以驅動該透光膜片與該透光薄膜彼此軸向相對移動。
  10. 如請求項1或3或7所述之摩爾紋成像裝置，更包括一光學透鏡，該光學透鏡與該透光薄膜彼此同軸設置。
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