TWI773070B - 影像擷取模組 - Google Patents

Abstract

一種影像擷取模組，包括濾光片、超穎透鏡層以及感光元件。濾光片包括相對的入光面與出光面。超穎透鏡層與濾光片彼此並排設置，超穎透鏡層包括透光薄膜與複數個微結構，各微結構排列設置於透光薄膜上。感光元件包括感光面，感光面朝向超穎透鏡層與濾光片之出光面，其中感光面上具有複數個像素，各像素分別對應於各微結構。

Description

影像擷取模組

本發明係關於一種光學模組，特別是指一種影像擷取模組。

隨著多媒體技術之快速發展，許多電子產品(例如智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦或數位相機等)都會搭載影像擷取模組，以支援攝影、網路視訊或臉部辨識等功能。

然而，目前已知的影像擷取模組的鏡頭通常是由多片光學透鏡所堆疊組成，例如各光學透鏡為具有一定厚度之凹透鏡或凸透鏡，且對於高畫質需求之影像擷取模組，光學透鏡堆疊的數量也會隨之增加，導致影像擷取模組的厚度與重量無法進一步降低。

鑒於上述，於一實施例中，提供一種影像擷取模組，包括濾光片、超穎透鏡層以及感光元件。濾光片包括相對的入光面與出光面。超穎透鏡層與濾光片彼此並排設置，超穎透鏡層包括透光薄膜與複數個微結構，各微結構排列設置於透光薄膜上。感光元件包括感光面，感光面朝向超穎透鏡層與濾光片之出光面，其中感光面上具有複數個像素，各像素分別對應於各微結構。

綜上，根據本發明實施例之影像擷取模組，透過感光元件 之感光面朝向超穎透鏡層與濾光片之出光面，且超穎透鏡層具有多個微結構分別對應於感光元件的多個像素，使光線通過濾光片與超穎透鏡層時，光線能夠經由多個微結構的導引而分別聚焦至多個像素，以感測取得清晰的影像，且影像擷取模組可不需使用光學透鏡或者減少光學透鏡的使用數量，以降低影像擷取模組的重量與厚度而更加輕薄化。

1,1a,1b,1c,1d:影像擷取模組

10:濾光片

11:入光面

12:出光面

13,13a:環形支撐件

131:中央通孔

20,20a,20b,20c,20d:超穎透鏡層

21:透光薄膜

22,22a,22b,22c,22d:微結構

221,221b,221c,221d:第一微結構

222,222b,222c,222d:第二微結構

30,30a,30b,30c,30d:感光元件

31,31a,31b,31c,31d:感光面

40:電線

50:電路板

60:透鏡

d:間距

L1,L2:光線

P:像素

P₁:紅外光感測像素

R:紅色感測像素

G:綠色感測像素

B:藍色感測像素

P₂:可見光感測像素

[圖1]係本發明影像擷取模組第一實施例之剖視圖。

[圖2]係本發明影像擷取模組第一實施例之光線路徑示意圖。

[圖3]係本發明影像擷取模組第二實施例之剖視圖。

[圖4]係本發明影像擷取模組第二實施例之光線路徑示意圖。

[圖5]係本發明影像擷取模組第三實施例之剖視圖。

[圖6]係本發明影像擷取模組第四實施例之剖視圖。

[圖7]係本發明影像擷取模組第五實施例之剖視圖。

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為本發明影像擷取模組第一實施例之剖視圖。如圖1所示，本發明實施例之影像擷取模組1包括濾光片10、超穎透鏡層20及感光元件30，其中影像擷取模組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)，用以取得物體的影像。

圖2為本發明影像擷取模組第一實施例之光線路徑示意圖。如圖1至圖2所示，濾光片10包括相對的入光面11與出光面12。在一些實施例中，濾光片10為透光材料(例如透明塑膠或玻璃)所製成之單層或多層片體並且可濾除不需要的光線，例如當外部光線(如光線L1)由入光面11進入濾光片10內部後，濾光片10可濾除光線L1中特定波長之光線(如紫外光、紅外光或可見光)，使其他波長的光線(如光線L2)通過出光面12而達到濾光效果。舉例來說，濾光片10可為可見光濾光片，只讓可見光通過出光面12、或者濾光片10也可為紅外光濾光片，只讓紅外光通過出光面12、又或者濾光片10也可為可見光濾光片與紅外光濾光片的組合，僅讓可見光與紅外光通過出光面12。

如圖1所示，超穎透鏡層20與濾光片10彼此並排設置。上述超穎透鏡層20包括透光薄膜21與複數個微結構22，且各微結構22排列設置於透光薄膜21上，超穎透鏡層20可為超穎材料(metamaterials)所製成，其中超穎材料為一種具有特殊性質的人造材料，並可藉由透光薄膜21上之各微結構22的設計或安排，任意控制光的傳播路徑。

如圖1所示，超穎透鏡層20之透光薄膜21可為透光材料所製成之薄膜或薄片，舉例來說，透光材料可選自氧化銦錫(ITO)、摻鋁氧化鋅(Al：ZnO；AZO)、摻鎵氧化鋅(Ga：ZnO；GZO)、氟化鎂(MgF₂)、二氧化鉿(HfO₂)、氮化矽(Si₃N₄)、二氧化矽(SiO₂)及氧化鋁(Al₂O₃)所組成群組之介電質材料等。在一些實施例中，透 光薄膜21的厚度可介於5μm~1000μm之間，但上述透光材料與透光薄膜21之厚度僅為舉例，實際上並不以此為限。

如圖1所示，超穎透鏡層20之各微結構22可為一種奈米等級的人造結構，具有在遠小於波長尺度下操控光特性的能力。具體來說，透過改變各微結構22的參數，例如，各微結構22的形狀、彼此排列方式、大小分布等，達到操控光行進的模式，進而改變光的等效折射率(neff)。

如圖1所示，上述多個微結構22可為透明材料，例如氮化鎵(GaN)、磷化鎵(GaP)、砷化鋁(AlAs)、矽(Si)或氧化矽(SiO₂)等，多個微結構22也可為金屬材料，例如鋁、銀、銅、金或銠等。多個微結構22可透過蝕刻、光刻、奈米壓印(nanoimprint lithography)、或微影等慣用手段在透光薄膜21上成型，故不再此贅述。

如圖1至圖2所示，感光元件30與超穎透鏡層20之間保持一間距d，感光元件30包括一感光面31，且感光面31朝向濾光片10之出光面12，使由出光面12出光的光線L2能夠傳遞至感光元件30的感光面31。舉例來說，如圖1所示，在本實施例中，影像擷取模組1具有環形支撐件13與電路板50，環形支撐件13具有一中央通孔131，濾光片10與超穎透鏡層20固定於環形支撐件13並對應於中央通孔131，電路板50位於環形支撐件13內，感光元件30固定於電路板50上且不接觸濾光片10與超穎透鏡層20，使感光元件30與超穎透鏡層20保持間距d。此外，感光元件30透過電線40與電路板50電連接，因此當感光元件30的感光面31接收到光，並將光訊號轉換為電訊號後，感光元件30能將電訊號傳遞至 電路板50，以儲存圖像資訊。

在一些實施例，上述感光元件30可為感光耦合元件(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感測器(CMOS Active pixel sensor)。在本實施例中，感光元件30之感光面31上具有多個像素P(pixel)用以感光取得影像，且多個像素P分別對應於上述多個微結構22，舉例來說，當像素P為可見光感測像素時，微結構22可對應可見光感測像素設計，使外部光線通過超穎透鏡層20的過程中可藉由微結構22的導引而聚焦至可見光感測像素、或者當像素P為紅外光感測像素時，微結構22可對應紅外光感測像素設計，使外部光線通過超穎透鏡層20的過程中可藉由微結構22的導引而聚焦至紅外光感測像素。

綜上，根據本發明實施例之影像擷取模組1，透過感光元件30之感光面31朝向超穎透鏡層20與濾光片10之出光面12，且超穎透鏡層20具有多個微結構22分別對應於感光元件30的多個像素P，使外部光線通過濾光片10與超穎透鏡層20時，外部光線能夠經由多個微結構22的導引而分別聚焦至多個像素P，以感測取得清晰的影像，且影像擷取模組1可不需使用光學透鏡或者減少光學透鏡的使用數量，以降低影像擷取模組1的重量與厚度而更加輕薄化。

在一些實施例中，感光元件30可為RGB-IR感光元件、RGB感光元件或IR感光元件，超穎透鏡層20之多個微結構22可根據不同種類之感光元件30作設計，此分別配合圖式說明如下。如圖1至圖2所示，在 第一實施例中，影像擷取模組1之濾光片10位於超穎透鏡層20與感光元件30的感光面31之間。舉例來說，影像擷取模組1之感光元件30可為RGB-IR感光元件，感光元件30的感光面31上具有多個像素P，多個像素P包括多個可見光感測像素P₂與多個紅外光感測像素P₁，多個可見光感測像素P₂包括多個紅色感測像素R、多個綠色感測像素G以及多個藍色感測像素B。影像擷取模組1之超穎透鏡層20接合於濾光片10與環形支撐件13之間，超穎透鏡層20的多個微結構22包括至少一第一微結構221與至少一第二微結構222，在本實施例中，多個微結構22包括多個第一微結構221與多個第二微結構222，多個第一微結構221分別對應於上述多個可見光感測像素P₂，多個第二微結構222分別對應於上述多個紅外光感測像素P₁且各第一微結構221與各第二微結構222不同，各第一微結構221彼此可相同也可不同。

例如，在本實施例中，由於紅外光與可見光之波長不同且聚焦位置也不相同，因此透過超穎透鏡層20之不同的多個微結構22(如多個第一微結構221與多個第二微結構222)，多個第一微結構221之結構、形狀或排列是對應紅外光做設計，多個第二微結構222之結構、形狀或排列是對應可見光做設計，使紅外光與可見光分別藉由多個第一微結構221與多個第二微結構222的導引而分別聚焦至各可見光感測像素P₂與各紅外光感測像素P₁，避免影像擷取模組1產生相位延遲的問題。

再請參照圖2，具體而言，當外部光線L1射入超穎透鏡層20，並穿經超穎透鏡層20之透光薄膜21與各微結構22，由於各第一微結構221以及各第二微結構222分別對應各可見光感測像素P₂與各紅外 光感測像素P₁(例如各第一微結構221之形狀與排列對應各可見光感測像素P₂，各第二微結構222之形狀與排列對應各紅外光感測像素P₁)，使外部光線L1能夠經由多個第一微結構221與多個第二微結構222的導引而分別由濾光片10之入光面11朝出光面12之方向匯聚(如光線L2)，最後分別聚焦至各可見光感測像素P₂與各紅外光感測像素P₁。

圖3為本發明影像擷取模組第二實施例之剖視圖，圖4為本發明影像擷取模組第二實施例之光線路徑示意圖。再請參照圖3與圖4，第二實施例與第一實施例不同的地方在於，在第二實施例中，影像擷取模組1a之感光元件30a為RGB感光元件，在感光元件30a之感光面31a的多個像素P包括多個可見光感測像素P₂，超穎透鏡層20a的多個微結構22a之結構、排列或形狀可類似上述多個第一微結構221之結構、排列或形狀。因此當外部光線L1射入超穎透鏡層20a，並穿經超穎透鏡層20a之透光薄膜21與各微結構22a，由於各微結構22a對應各可見光感測像素P₂，使外部光線L1能夠經由多個微結構22a的導引而分別由濾光片10之入光面11朝出光面12之方向匯聚(如光線L2)，最後分別聚焦至各可見光感測像素P₂。

承上，在一些實施例中，感光元件30a也可為IR感光元件，在感光元件30a之感光面31a的多個像素P包括多個紅外光感測像素P₁，且超穎透鏡層20a的多個微結構22a之結構、排列或形狀可類似上述多個第二微結構222之結構、排列或形狀。因此當外部光線L1射入超穎透鏡層20a，並穿經超穎透鏡層20a之透光薄膜21與各微結構22a，由於各第二微結構22a對應各紅外光感測像素P₁，使外部光線L1能夠經由多個第 二微結構22a的導引而分別由濾光片10之入光面11朝出光面12之方向匯聚，最後分別聚焦至各紅外光感測像素P₁。

圖5為本發明影像擷取模組第三實施例之剖視圖。在第三實施例中，超穎透鏡層20b與濾光片10之排序不同於第一實施例。如圖5所示，在本實施例中，影像擷取模組1b之超穎透鏡層20b位於濾光片10的出光面12與感光元件30b的感光面31b之間。因此，本實施例之超穎透鏡層20b上之多個微結構22b的各第一微結構221b以及各第二微結構222b會不同於第一實施例之超穎透鏡層20上之多個微結構22的各第一微結構221以及各第二微結構222。

承上，例如在本實施例中，由於外部光線會先穿經濾光片10後才通過超穎透鏡層20b，因此光線行走的路徑會不同於第一實施例。因此本實施例之各第一微結構221b以及各第二微結構222b的結構、排列或形狀會不同於第一實施例之各第一微結構221與各第二微結構222，使各第一微結構221b以及各第二微結構222b分別對應各可見光感測像素P₂與各紅外光感測像素P₁，因而外部光線能夠經由多個第一微結構221b與多個第二微結構222b的導引而分別由超穎透鏡層20b朝各像素P之方向匯聚，最後分別聚焦至各可見光感測像素P₂與各紅外光感測像素P₁。

承上，如同第二實施例，在第三實施例中，感光元件30b也可為RGB感光元件或為IR感光元件，並透過不同的微結構22b配置，使外部光線能夠分別聚焦至各可見光感測像素P₂或各紅外光感測像素P₁。

習知技術往往需要透過多片光學透鏡使外部光線聚焦至感光元件上的多個像素，以感測取得清晰的影像。根據本發明實施例之影像擷取模組1,1a,1b，透過超穎透鏡層20,20a,20b具有多個微結構22,22a,22b分別對應於感光元件30,30a,30b的多個像素P，使外部光線通過濾光片10與超穎透鏡層20,20a,20b時，外部光線能夠經由多個微結構22,22a,22b的導引而分別聚焦至多個像素P，以感測取得清晰的影像，因此影像擷取模組1,1a,1b可不需使用光學透鏡，以降低影像擷取模組1,1a,1b的重量與厚度而更加輕薄化。

在一些實施例，上述實施例也可以搭配一般光學透鏡使用，如圖6所示，其中圖6為本發明影像擷取模組第四實施例之剖視圖，在本實施例中，影像擷取模組1c更包括至少一透鏡60，影像擷取模組1c之濾光片10與超穎透鏡層20c位於至少一透鏡60與感光元件30c之間，且至少一透鏡60對應於感光元件30c。例如在第四實施例中，影像擷取模組1c之濾光片10位於超穎透鏡層20c與感光元件30c的感光面31c之間，超穎透鏡層20c位於濾光片10之入光面11與至少一透鏡60之間。

承上，舉例來說，如圖6所示，影像擷取模組1c具有環形支撐件13a、多個彼此並排的透鏡60(在此為四個透鏡60，但此並不侷限)以及電路板50。舉例來說，在本實施例中，四個透鏡60透過螺紋固定於環形支撐件13a且與超穎透鏡層20c彼此並排。由於本實施例相較於上述第一實施例更裝配有多個透鏡60，因此，本實施例之超穎透鏡層20c上之多個微結構22c的各第一微結構221c以及各第二微結構222c會不同於第一實施例之超穎透鏡層20上之多個微結構22的各第一微結構221以 及各第二微結構222。

承上，例如，在本實施例中，由於外部光線會先穿經多個透鏡60後才通過超穎透鏡層20c，因此光線行走的路徑會不同於第一實施例。因此本實施例之各第一微結構221c以及各第二微結構222c的結構、排列或形狀會不同於第一實施例之各第一微結構221與各第二微結構222，使各第一微結構221c以及各第二微結構222c分別對應各可見光感測像素P₂與各紅外光感測像素P₁，因而外部光線能夠經由多個第一微結構221c與多個第二微結構222c的導引而分別由濾光片10之入光面11朝出光面12之方向匯聚，最後分別聚焦至各可見光感測像素P₂與各紅外光感測像素P₁。

承上，在其他實施例中，感光元件30c也可為RGB感光元件或為IR感光元件，並透過不同的微結構22c配置，使外部光線能夠分別聚焦至各可見光感測像素P₂或各紅外光感測像素P₁，不再此贅述。

圖7為本發明影像擷取模組第五實施例之剖視圖。再請參閱圖7，在第五實施例中，超穎透鏡層20d與濾光片10之排序不同於第四實施例，如圖7所示，在本實施例中，影像擷取模組1d之超穎透鏡層20d位於濾光片10的該出光面12與感光元件30d的感光面31d之間。因此，本實施例之超穎透鏡層20d上之多個微結構22d的各第一微結構221d以及各第二微結構222d會不同於第四實施例之超穎透鏡層20c上之多個微結構22c的各第一微結構221c以及各第二微結構222c。

承上，例如在本實施例中，由於外部光線穿過多個透鏡60後會再穿經濾光片10後才會通過超穎透鏡層20d，因此光線行走的路徑 會不同於第四實施例。因此本實施例之各第一微結構221d以及各第二微結構222d的結構、排列或形狀會不同於第四實施例之各第一微結構221c與各第二微結構222c，使各第一微結構221d以及第二微結構222d分別對應各可見光感測像素P₂與各紅外光感測像素P₁，因而外部光線能夠經由多個第一微結構221d與多個第二微結構222d的導引而分別由超穎透鏡層20d朝各像素P之方向匯聚，最後分別聚焦至各可見光感測像素P₂與各紅外光感測像素P₁。如同第四實施例，在第五實施例中，感光元件30d也可為RGB感光元件或為IR感光元件，並透過不同的微結構22d配置，使外部光線能夠分別聚焦至各可見光感測像素P₂或各紅外光感測像素P₁。

根據本發明實施例之影像擷取模組1c,1d，透過超穎透鏡層20c,20d具有多個微結構22c,22d分別對應於感光元件30c,30d的多個像素P，使外部光線通過濾光片10與超穎透鏡層20c,20d時，外部光線能夠經由多個微結構22c,22d的導引而分別聚焦至多個像素P，以感測取得清晰的影像，因此影像擷取模組1c,1d可減少光學透鏡60的使用數量，以降低影像擷取模組1c,1d的重量與厚度而更加輕薄化。例如習知技術所製成之影像擷取模組需要多個光學透鏡達到高畫質影像等級，而本發明實施例之影像擷取模組1c,1d透過超穎透鏡層20c,20d可取代習知技術所使用之部份光學透鏡數量，使影像擷取模組1c,1d在減少光學透鏡的情況下，仍能達到擷取高畫質影像的需求。

1:影像擷取模組

10:濾光片

11:入光面

12:出光面

13:環形支撐件

131:中央通孔

20:超穎透鏡層

21:透光薄膜

22:微結構

221:第一微結構

222:第二微結構

30:感光元件

31:感光面

40:電線

50:電路板

d:間距

P:像素

P₁:紅外光感測像素

R:紅色感測像素

G:綠色感測像素

B:藍色感測像素

P₂:可見光感測像素

Claims (7)

1. 一種影像擷取模組，包括：一濾光片，包括相對的一入光面與一出光面；一超穎透鏡層，與該濾光片彼此並排設置，該超穎透鏡層包括一透光薄膜與複數個微結構，該些微結構排列設置於該透光薄膜上；以及一感光元件，包括一感光面，該感光面朝向該超穎透鏡層與該濾光片之該出光面，其中該感光面上具有複數個像素，該些像素分別對應於該些微結構，該些像素包括一可見光感測像素與一紅外光感測像素；其中，一外部光線通過該濾光片與該超穎透鏡層時，該外部光線能夠經由該些微結構的導引而分別聚焦至該些像素；該超穎透鏡層之該些微結構包括一第一微結構與一第二微結構，該第一微結構對應於該可見光感測像素，該第二微結構對應於該紅外光感測像素，且該第一微結構不同於該第二微結構；當該外部光線進入該超穎透鏡層之該透光薄膜時，該外部光線係經由該第一微結構聚焦至該可見光感測像素以及經由該第二微結構聚焦至該紅外光感測像素。
2. 如請求項1所述之影像擷取模組，其中該濾光片包括一可見光濾光片、一紅外光濾光片或其組合。
3. 如請求項1所述之影像擷取模組，其中該超穎透鏡層位於該濾光片的該出光面與該感光元件的該感光面之間。
4. 如請求項1所述之影像擷取模組，其中該濾光片位於該超穎透鏡層與該感光元件的該感光面之間。
5. 如請求項1所述之影像擷取模組，更包括至少一透鏡，該濾光片與該超穎透鏡層位於該至少一透鏡與該感光元件之間，且該至少一透鏡對應於該感光元件。
6. 如請求項5所述之影像擷取模組，其中該超穎透鏡層位於該濾光片之該入光面與該至少一透鏡之間。
7. 如請求項1所述之影像擷取模組，其中該超穎透鏡層與該感光元件之間保持一間距。

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