TWI740712B - 成像校正單元與成像模組 - Google Patents

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TWI740712B
TWI740712B TW109139253A TW109139253A TWI740712B TW I740712 B TWI740712 B TW I740712B TW 109139253 A TW109139253 A TW 109139253A TW 109139253 A TW109139253 A TW 109139253A TW I740712 B TWI740712 B TW I740712B
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Abstract

一種成像校正單元與成像模組。成像校正單元具有一光軸，且包括一光學轉向元件以及二楔形光學元件。光學轉向元件具有一出光面，且出光面相對於光軸具有一第一夾角。各楔形光學元件具有一傾斜光學面，傾斜光學面相對於光軸具有一第二夾角。光學轉向元件的出光面朝向二楔形光學元件的其中一者，且二楔形光學元件能相對於光軸旋轉。

Description

成像校正單元與成像模組
本發明是有關於一種光學單元與光學模組，且特別是有關於一種成像校正單元與成像模組。
目前，相機用的手抖校正功能通常是物理性調整光軸的光學式方法，典型的該光學式的手抖校正功能為透鏡移動式及拍攝元件移動式。
進一步而言，透鏡移動式的手抖校正功能通過用專用的驅動機構使用於形成被攝體的影像光的透鏡組的一部分或全部相對於拍攝元件朝消除手抖的方向移動，從而校正光軸，將被攝體的影像光引導向拍攝元件。然而，如此一來，透鏡移動式的手抖校正功能每次都必須針對每種相機所構成的透鏡組設計與校正用透鏡的形狀或光學規格相適的驅動機構。
另一方面，拍攝元件移動式的手抖校正功能通過用專用的驅動機構使拍攝元件根據手抖而移動，從而使拍攝元件相對於透鏡組光軸的位置保持恆定。但是，拍攝元件移動式的手抖校正功能也是每次都必須根據每種相機的不同的拍攝元件設計專用的驅動機構。
因此，現有一種提出了在該光學透鏡的光軸上安裝用於校正的光學單元而成的結構，該光學單元包括使入射到光學透鏡的光折射的可動棱鏡、用於驅動該可動棱鏡的致動器及包括用於將致動器的動力傳遞到可動棱鏡的軸的動力傳遞機構。由此，不需要針對每種相機逐一設計校正用透鏡的形狀、驅動機構，能夠謀求簡化設計。然而，為了在二維平面上進行光軸的調整，通常需對應二個維度而在不同的方向上皆配置有致動器。
本發明提供一種成像校正單元與成像模組，具有小體積、低耗電以及高效能的優點。
本發明的成像校正單元具有一光軸，且成像校正單元包括一光學轉向元件以及二楔形光學元件。光學轉向元件具有一出光面，且出光面相對於光軸具有一第一夾角。各楔形光學元件在相對的一第一邊緣處與一第二邊緣處分別具有一最小厚度尺寸與一最大厚度尺寸，第一邊緣處與第二邊緣處的連線形成各楔形光學元件的對稱軸，且各楔形光學元件具有一傾斜光學面，傾斜光學面相對於光軸具有一第二夾角，光學轉向元件的出光面朝向二楔形光學元件的其中一者，且二楔形光學元件能相對於光軸旋轉，其中成像校正單元符合下述關係式，
Figure 02_image001
，其中np 為光學轉向元件的折射率，θp 為第一夾角的角度，θw 為第二夾角的角度，θr 為二楔形光學元件的其中一者的對稱軸相對於二楔形光學元件的另一者的對稱軸的角度的二分之一倍。
本發明的成像模組包括一前述的成像校正單元以及一鏡頭單元。鏡頭單元用以使通過光學轉向元件與二楔形光學元件的一光束能成像於一成像面的預定成像區域中。
在本發明的一實施例中，上述的光學轉向元件為一三稜鏡，還具有一入光面與一反射光學面，反射光學面連接入光面與出光面，入光面與光軸平行，且從入光面入射光學轉向元件的光束被反射光學面反射後，經由出光面離開光學轉向元件，且出光面與入光面之間的夾角相等於第一夾角的角度。
在本發明的一實施例中，上述的各楔形光學元件的厚度尺寸沿各楔形光學元件的對稱軸自最小厚度尺寸漸變至最大厚度尺寸。
在本發明的一實施例中，上述的各楔形光學元件還具有一外側表面與一圓周端面，外側表面與傾斜光學面彼此相對，且圓周端面在第二邊緣處與傾斜光學面之間的夾角相等於第二夾角的角度。
在本發明的一實施例中，上述的二楔形光學元件相對於光軸的旋轉由同一致動器控制。
在本發明的一實施例中，上述的二楔形光學元件包括一第一楔形光學元件與一第二楔形光學元件，且第一楔形光學元件與第二楔形光學元件相對於光軸旋轉的旋轉方向彼此相反。
基於上述，通過光學轉向元件的配置，可改變被攝物所形成的影像光的行進方向，而能使成像校正單元與成像模組具有小體積的優點，並且，通過能夠相對於光軸旋轉的二楔形光學元件的配置，成像校正單元與成像模組能夠由同一致動器控制其相對轉動的角度，就達成光學抖動補償的功能，進而具有低耗電以及高效能的優點。此外，通過光學轉向元件的配置，成像校正單元與成像模組也能夠配合及提前補正光束經過楔形光學元件後所造成的初始偏移，而能提升成像校正單元與成像模組的光學抖動補償的功能。
圖1A是本發明的一實施例的成像模組的示意圖。圖1B是圖1A的二楔形光學元件的放大示意圖。圖2是圖1A的成像模組的光路示意圖。請參照圖1A與圖2，本實施例的成像模組200包括一成像校正單元100以及一鏡頭單元210。鏡頭單元210用以使通過光學轉向元件110與二楔形光學元件WE的一光束L能成像於一成像面IS的預定成像區域中。舉例而言，光束L為形成被攝體的影像光，且該成像面IS為影像感測元件的感測面。舉例來說，影像感測元件可包括電荷耦合元件(Charge Coupled Device, CCD)、互補式金屬氧化物半導體元件(Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS)或其他適當種類的光學感測元件。在本實施例及部分其他實施例中，成像模組200還包括一致動器，致動器例如但不限於為一音圈馬達。詳細而言，致動器能夠控制二楔形光學元件WE相對旋轉。
具體而言，如圖1A、圖1B與圖2所示，成像校正單元100具有一光軸O，且成像校正單元100包括一光學轉向元件110以及二楔形光學元件WE。舉例而言，光學轉向元件110為一三稜鏡，並具有一入光面S113、一出光面S111與一反射光學面S112。反射光學面S112連接入光面S113與出光面S111，入光面S113與光軸O平行，且出光面S111相對於光軸O具有一第一夾角θp ，而出光面S111與入光面S113之間的夾角相等於第一夾角θp 的角度。並且，如圖1A與圖2所示，從入光面S113入射光學轉向元件110的光束L被反射光學面S112反射後，經由出光面S111離開光學轉向元件110。如此，通過光學轉向元件110的配置，本發明的成像校正單元100與成像模組200可改變被攝物所形成的影像光的行進方向，而能使其中的光學元件配置緊湊，進而具有小體積的優點。
另一方面，如圖1A與圖1B所示，各楔形光學元件WE在相對的一第一邊緣E1處與一第二邊緣E2處分別具有一最小厚度尺寸T1與一最大厚度尺寸T2，第一邊緣E1處與第二邊緣E2處的連線形成各楔形光學元件WE的對稱軸C1，且各楔形光學元件WE的厚度尺寸沿各楔形光學元件WE的對稱軸C1自最小厚度尺寸T1漸變至最大厚度尺寸T2。並且，如圖1B與圖3A所示，各楔形光學元件WE具有一傾斜光學面TS、一外側表面OS與一圓周端面CS，外側表面OS與傾斜光學面TS彼此相對，傾斜光學面TS相對於光軸O具有一第二夾角θw ，且圓周端面CS在第二邊緣E2處與傾斜光學面TS之間的夾角相等於第二夾角θw 的角度。
進一步而言，如圖1A與圖1B所示，二楔形光學元件WE包括一第一楔形光學元件WE1與一第二楔形光學元件WE2，光學轉向元件110的出光面S111朝向第一楔形光學元件WE1，第一楔形光學元件WE1的外側表面OS朝向光學轉向元件110，第一楔形光學元件WE1的傾斜光學面TS朝向第二楔形光學元件WE2的傾斜光學面TS，且第二楔形光學元件WE2的外側表面OS朝向鏡頭單元210。並且，第一楔形光學元件WE1與一第二楔形光學元件WE2皆能相對於光軸O旋轉，進而可使成像校正單元100與鏡頭單元210達成光學抖動補償的功能。以下將搭配圖3A，針對楔形光學元件WE相對於光學元件旋轉時校正過程進行進一步地解說。
圖3A是圖1A的楔形光學元件WE相對於光學元件旋轉時的光路示意圖。如圖3A所示，當楔形光學元件WE相對於光軸O旋轉一角度時，可使通過楔形光學元件WE的光束L入射至成像面IS的成像位置發生變化，而從第一位置P1移動至第二位置P2。進一步而言，在本實施例中，第一楔形光學元件WE1與一第二楔形光學元件WE2相對於光軸O的旋轉可由同一致動器控制，且第一楔形光學元件WE1與第二楔形光學元件WE2相對於光軸O旋轉的旋轉方向彼此相反。舉例而言，如圖2所示，從二楔形光學元件WE往成像面IS的方向觀看時，第一楔形光學元件WE1的旋轉方向為逆時針方向，而第二楔形光學元件WE2的方向為順時針方向。如此，通過能夠相對於光軸O旋轉的二楔形光學元件WE的配置，成像校正單元100與成像模組200能夠由同一致動器控制其相對轉動的角度，就達成光學抖動補償的功能，進而具有低耗電以及高效能的優點。
進一步而言，在本實施例中，成像校正單元100符合下述關係式：
Figure 02_image001
其中np 為光學轉向元件110的折射率，θp 為第一夾角θp 的角度，θw 為第二夾角θw 的角度，θr 為二楔形光學元件WE的其中一者的對稱軸相對於二楔形光學元件WE的另一者的對稱軸的角度的二分之一倍。
進一步而言，請參閱圖3B及圖3C，圖3B是圖1A的其中一楔形光學元件旋轉時的正視示意圖，而圖3C是圖1A的二楔形光學元件相對旋轉時的旋轉方向示意圖。如圖3B及圖3C所示，在各楔形光學元件的中心以及相對的第一邊緣E1處(或第二邊緣E2處)分別對齊後，二楔形光學元件WE會以其中心為原點分別旋轉θr以作為初始使用狀態。如此，通過光學轉向元件110、第一楔形光學元件WE1與第二楔形光學元件WE2的相對角度的匹配，成像校正單元100與成像模組200也能夠配合及提前補正光束L經過楔形光學元件WE後所造成的初始偏移，而能提升成像校正單元100與成像模組200的光學抖動補償的功能。
以下內容將舉出成像校正單元100的各種光學參數的實施數據。然而，下文中所列舉的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明的範疇內。
圖4是圖1A的成像面IS上的參考校正位置示意圖。舉例而言，在本實施例中，np 的數值例如為1.6956，θp 例如為81.6°，θw 的數值例如為84°，θr 的數值例如為45°。並且，如圖4所示，當第一楔形光學元件WE1與第二楔形光學元件WE2的旋轉角度在±6°的範圍內，可形成多個參考校正位置。並且，這些參考校正位置會分別沿一第一方向D1與一第二方向D2排列配置，因此，第一方向D1與一第二方向D2可視為能夠形成一參考座標軸的兩個維度，此參考座標軸的兩個維度對應於上述θr 的數值。進一步而言，在該參考座標軸的第一參考軸X’上，致動器僅旋轉第一楔形光學元件WE1，而不旋轉第二楔形光學元件WE2，而在該參考座標軸的第二參考軸Y’上，致動器僅旋轉第二楔形光學元件WE2，而不旋轉第一楔形光學元件WE1。並且，在本實施例中，基於前述的實施數據，當第一楔形光學元件WE1不旋轉，而第二楔形光學元件WE2旋轉6°時，通過楔形光學元件WE的光束L入射至成像面IS的成像位置會位於成像面IS的成像座標軸的座標為(0.02963,0.089109)的位置上，其與原點相距0.083909毫米。也就是說，當第一楔形光學元件WE1不旋轉，而第二楔形光學元件WE2每旋轉1°時，可將在光束L於成像面IS的成像位置調整0.013985毫米的距離。
如此，現若欲將一偏離成像面IS的成像座標軸的座標原點的光束L的成像位置調整回座標原點，則可透過相關計算來獲取第一楔形光學元件WE1與第二楔形光學元件WE2所應旋轉的角度。舉例而言， 若此一偏離成像面IS的成像座標軸的座標原點的光束L的成像位置IP的座標為(0.059259,0)，依斜率計算可此一成像位置IP與第一參考軸X’的最短距離為0.041903毫米，且其與第二參考軸Y’的最短距離也為0.041903毫米。據此可得，第一楔形光學元件WE1與第二楔形光學元件WE2皆應旋轉3°，即可將此一偏離成像面IS的成像座標軸的座標原點的光束L的成像位置IP調整回成像座標軸的座標原點，進而能達成光學抖動補償的功能。
更進一步而言， np 的數值範圍例如可介於1.52至1.85之間，θp 的數值範圍例如可介於74°至86.6°之間，θw 的數值範圍例如可介於80°至86°之間，θr 的數值範圍例如可介於25°至45°之間。舉例而言，如下〈表一〉所示，在其他實施例中，對上述參數作適當的調整後，下述實施例所列舉的數據資料亦可達成類似於本發明的成像校正單元與成像模組的成像校正的技術效果。
  實施例1 實施例2 實施例3 實施例4 實施例5
np 1.52 1.6 1.85 1.52 1.7
θp 81.8 86.6 81 74 77.5
θw 83.5 86 82 84 80
θr 40 25 35 30 40
〈表一〉
此外，在前述的實施例中，雖以第一楔形光學元件WE1的傾斜光學面TS朝向第二楔形光學元件WE2的傾斜光學面TS為例示，但本發明不以此為限。舉例而言，圖5A至圖5C是本發明的不同實施例的二楔形光學元件的相對設置方式示意圖。如圖5A至圖5Ｃ所示，在其他的實施例中，使用者可根據其機構需求選擇合適的組合方式，例如第一楔形光學元件WE1的傾斜光學面TS亦可朝向光學轉向元件110（如圖5A與圖5B所示），或是第二楔形光學元件WE2的傾斜光學面TS亦可朝向鏡頭單元210（如圖5A與圖5C所示）。此外，第一楔形光學元件WE1的第一邊緣E1與第二邊緣E2的設置方向亦可與第二楔形光學元件WE2的第一邊緣E1與第二邊緣E2的設置方向相反（如圖5B與圖5C所示）。簡言之，只要第一楔形光學元件WE1與一第二楔形光學元件WE2皆能相對於光軸O旋轉，進而可使成像校正單元100與鏡頭單元210達成光學抖動補償的功能即可達成本發明的成像校正單元與成像模組的成像校正的技術效果。
綜上所述，通過光學轉向元件的配置，本發明的成像校正單元與成像模組可改變被攝物所形成的影像光的行進方向，而能具有小體積的優點，並且，通過能夠相對於光軸旋轉的二楔形光學元件的配置，成像校正單元與成像模組能夠由同一致動器控制其相對轉動的角度，就達成光學抖動補償的功能，進而具有低耗電以及高效能的優點。此外，通過光學轉向元件的配置，成像校正單元與成像模組也能夠配合及提前補正光束經過楔形光學元件後所造成的初始偏移，而能提升成像校正單元與成像模組的光學抖動補償的功能。
100:成像校正單元 110:光學轉向元件 200:成像模組 210:鏡頭單元 C1:對稱軸 CS:圓周端面 D1:第一方向 D2:第二方向 E1:第一邊緣 E2:第二邊緣 IS:成像面 IP:成像位置 L:光束 O:光軸 OS:外側表面 P1:第一位置 P2:第二位置 S111:出光面 S112:反射光學面 S113:入光面 T1:最小厚度尺寸 T2:最大厚度尺寸 TS:傾斜光學面 WE:楔形光學元件 WE1:第一楔形光學元件 WE2:第二楔形光學元件 X’:第一參考軸 Y’:第二參考軸 θp :第一夾角 θw :第二夾角
圖1A是本發明的一實施例的成像模組的示意圖。 圖1B是圖1A的二楔形光學元件的放大示意圖。 圖2是圖1A的成像模組的光路示意圖。 圖3A是圖1A的楔形光學元件相對於光學元件旋轉時的光路示意圖。 圖3B是圖1A的其中一楔形光學元件旋轉時的正視示意圖。 圖3C為圖1A的二楔形光學元件相對旋轉時的旋轉方向示意圖。 圖4是圖1A的成像面上的參考校正位置示意圖。 圖5A至圖5C是本發明的不同實施例的二楔形光學元件的相對設置方式示意圖。
100:成像校正單元
110:光學轉向元件
200:成像模組
210:鏡頭單元
IS:成像面
L:光束
O:光軸
S111:出光面
S112:反射光學面
S113:入光面
WE:楔形光學元件
WE1:第一楔形光學元件
WE2:第二楔形光學元件

Claims (10)

  1. 一種成像校正單元，具有一光軸，且該成像校正單元包括：一光學轉向元件，具有一出光面，且該出光面相對於該光軸具有一第一夾角；以及二楔形光學元件，其中各該楔形光學元件在相對的一第一邊緣處與一第二邊緣處分別具有一最小厚度尺寸與一最大厚度尺寸，該第一邊緣處與該第二邊緣處的連線形成各該楔形光學元件的對稱軸，且各該楔形光學元件具有一傾斜光學面，該傾斜光學面相對於該光軸具有一第二夾角，該光學轉向元件的該出光面朝向該二楔形光學元件的其中一者，且該二楔形光學元件能相對於該光軸旋轉，各該楔形光學元件還具有一外側表面與一圓周端面，該外側表面與該傾斜光學面彼此相對，且該圓周端面在該第二邊緣處與該傾斜光學面之間的夾角相等於該第二夾角的角度，其中該成像校正單元符合下述關係式，
    Figure 109139253-A0305-02-0016-1
     其中np為該光學轉向元件的折射率，θp為該第一夾角的角度，θw為該第二夾角的角度，θr為該二楔形光學元件的其中一者的對稱軸相對於該二楔形光學元件的另一者的對稱軸的角度的二分之一倍。
  2. 如請求項1所述的成像校正單元，其中該光學轉向元件為一三稜鏡，還具有一入光面與一反射光學面，該反射光學 面連接該入光面與該出光面，該入光面與該光軸平行，且從該入光面入射該光學轉向元件的該光束被該反射光學面反射後，經由該出光面離開該光學轉向元件，且該出光面與該入光面之間的夾角相等於該第一夾角的角度。
  3. 如請求項1所述的成像校正單元，其中各該楔形光學元件的厚度尺寸沿各該楔形光學元件的對稱軸自該最小厚度尺寸漸變至該最大厚度尺寸。
  4. 如請求項1所述的成像校正單元，其中該二楔形光學元件相對於該光軸的旋轉由同一致動器控制。
  5. 如請求項1所述的成像校正單元，其中該二楔形光學元件包括一第一楔形光學元件與一第二楔形光學元件，且該第一楔形光學元件與該第二楔形光學元件相對於該光軸旋轉的旋轉方向彼此相反。
  6. 一種成像模組，包括：一成像校正單元，具有一光軸，且該成像校正單元包括：一光學轉向元件，具有一出光面，且該出光面相對於該光軸具有一第一夾角；以及二楔形光學元件，其中各該楔形光學元件在相對的一第一邊緣處與一第二邊緣處分別具有一最小厚度尺寸與一最大厚度尺寸，該第一邊緣處與該第二邊緣處的連線形成各該楔形光學元件的對稱軸，且各該楔形光學元件具有一傾斜光學面，該傾斜光學面相對於該光軸具有一第二夾角，該光學 轉向元件的該出光面朝向該二楔形光學元件的其中一者，且該二楔形光學元件能相對於該光軸旋轉，各該楔形光學元件還具有一外側表面與一圓周端面，該外側表面與該傾斜光學面彼此相對，且該圓周端面在該第二邊緣處與該傾斜光學面之間的夾角相等於該第二夾角的角度，其中該成像校正單元符合下述關係式，
    Figure 109139253-A0305-02-0018-2
     其中np為該光學轉向元件的折射率，θp為該第一夾角的角度，θw為該第二夾角的角度，θr為該二楔形光學元件的其中一者的對稱軸相對該二楔形光學元件的另一者的對稱軸的角度的二分之一倍；以及一鏡頭單元，用以使通過該光學轉向元件與該二楔形光學元件的一光束能成像於一成像面的預定成像區域中。
  7. 如請求項6所述的成像模組，其中該光學轉向元件為一三稜鏡，還具有一入光面與一反射光學面，該反射光學面連接該入光面與該出光面，該入光面與該光軸平行，且從該入光面入射該光學轉向元件的該光束被該反射光學面反射後，經由該出光面離開該光學轉向元件，且該出光面與該入光面之間的夾角相等於該第一夾角的角度。
  8. 如請求項6所述的成像模組，其中各該楔形光學元件的厚度尺寸沿各該楔形光學元件的對稱軸自該最小厚度尺寸漸變至該最大厚度尺寸。
  9. 如請求項6所述的成像模組，還包括一致動器，該二楔形光學元件相對於該光軸的旋轉由該致動器控制。
  10. 如請求項6所述的成像模組，其中該二楔形光學元件包括一第一楔形光學元件與一第二楔形光學元件，且該第一楔形光學元件與該第二楔形光學元件相對於該光軸旋轉的旋轉方向彼此相反。
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