TWI790005B - 數位全場域取像裝置 - Google Patents

Abstract

一種適於時序地使透鏡組的後焦距在多個固定後焦距中改變的數位全場域取像裝置。數位全場域取像裝置包括第一電路基板、分段式波浪板、齒輪模組、影像感測器以及控制器。分段式波浪板包括多個段差表面。段差表面沿第一電路基板的中心排列成環形波浪狀。齒輪模組的接觸桿抵靠至分段式波浪板的段差表面上。控制器控制齒輪模組旋轉，使影像感測器沿透鏡組的光軸移動，以改變透鏡組的後焦距，並使後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態，使不同物距的影像清楚。本裝置的目的在於：在一個簡諧運動的週期中多次取像，並經過比對演算法，合成出清楚的影像，使得全場域的影像都是清楚的。

Description

數位全場域取像裝置

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種數位全場域取像裝置。

景深是指光學鏡頭在焦點前後相對清晰的成像範圍，而所有的光學鏡頭都有其對應的景深。當取景的對象移動時，拍攝的物距也隨之改變。一但物距超出景深的範圍，所拍攝的影像就不會清晰。由於沒有無限景深的光學鏡頭，因此，一般來說，光學對焦裝置在偵測到影像模糊時，會利用改變光學鏡頭的後焦距來取得清晰的影像。

依據高斯成像公式：

可得到以下公式(1)

其中△p為物距改變量，△p=p’-p，△q為像距改變量，以及△q=q’-q。

圖22是根據高斯成像公式，透鏡組的像距隨物距變化的示意圖。圖23是根據高斯成像公式，透鏡組的像距隨物距變化的另一示意圖。請參考圖22與圖23，在圖22與圖23中，曲線C1為焦距f1的透鏡組的像距(縱軸)隨物距(橫軸)變化的關係圖，以及曲線C2為焦距f2的透鏡組的像距隨物距變化的關係圖，其中f1>f2。而且，在圖17中，當物距變化量固定為△p時，長焦距f1的透鏡組的像距變化量(等同後焦距變化量)△q1大於短焦距f2的透鏡組的像距變化量△q2。在圖18中，當物距分別為p1與p2，且物距變化量皆為△p時，較大的物距p2所對應的像距變化量△q2’小於較小的物距p1所對應的像距變化量△q1’。

舉例來說，下面表1示意了焦距分別為3.29、3.57與1.2毫米的鏡頭1至3在1000毫米至100毫米的後焦距時的後焦距變化量。因此，對於短焦距的鏡頭而言，物距改變而引起的後焦距調焦問題幾乎可忽略。反之，對於長焦距的鏡頭而言，其後焦距調焦能力則會反應到成像效果。

下面表2示意了焦距分別為3.29與3.57毫米的透鏡組A與透鏡組B在1000毫米至100毫米的後焦距時，各物距所對應的 後焦距變化量。相似於表1，表2中透鏡組B的後焦距變化量大於透鏡組A的後焦距變化量。而且，當物距落在50至100毫米的範圍內時，其後焦距變化量呈非線性關係。

此外，改變後焦距的方法在機制上通常是利用音圈馬達(Voice Coil Motor,VCM)來調整光學鏡頭的後焦距。然而，從偵測到影像模糊到調整到正確的後焦距而使影像清晰的時間通常無法讓人忽視。尤其是在攝影時，這樣的對焦方法總是會讓錄影的影片存在一些模糊的影像片段。當錄影的對象處在持續移動的狀態時，清晰影像的時間反而比模糊影像的時間短，因此造成實質上有意義的影像片段太短。

本發明提供一種數位全場域取像裝置，其可有效地取得清晰的影像，並使錄影影像中的清晰影像的時間提高。

本發明的一實施例提供一種適於時序地使透鏡組的後焦距在多個固定後焦距中改變的數位全場域取像裝置。數位全場域取像裝置包括第一電路基板、分段式波浪板、齒輪模組、影像感測器以及控制器。分段式波浪板包括多個段差表面。這些段差表面設置在第一電路基板上，且沿第一電路基板的中心排列成環形波浪狀。齒輪模組包括多個接觸桿。齒輪模組設置在分段式波浪板與透鏡組之間。影像感測器設置在第一電路基板的中心處。控制器藉由第一電路基板與影像感測器電性連接。這些接觸桿抵靠至分段式波浪板的這些段差表面上。控制器控制齒輪模組旋轉，使影像感測器沿透鏡組的光軸移動，以改變透鏡組的後焦距，並使後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態。

本發明的一實施例提供一種適於時序地使一透鏡組的後焦距在多個固定後焦距中改變的數位全場域取像裝置。數位全場域取像裝置包括一分段式波浪板、一夾持件、一影像感測器以及一控制器。分段式波浪板包括多個段差表面，且這些段差表面沿分段式波浪板的中心排列成環形波浪狀。夾持件圍繞透鏡組的光軸夾持透鏡組。影像感測器在沿著透鏡組的光軸的方向上設置在透鏡組的一側。分段式波浪板設置在影像感測器與夾持件之間，且夾持件的一端或影像感測器的一端抵靠至分段式波浪板的這些段差表面上。控制器電性連接至影像感測器。控制器控制分段式 波浪板旋轉，以改變透鏡組的後焦距，並使後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態。

基於上述，在本發明的一實施例中，由於藉由齒輪模組的旋轉改變透鏡組的後焦距，使後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態，因此，數位全場域取像裝置可有效地取得清晰的影像，並使錄影影像中的清晰影像的時間提高。

在本發明的另一實施例中，由於藉由分段式波浪板的旋轉改變透鏡組的後焦距，使後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態，因此，數位全場域取像裝置可有效地取得清晰的影像，並使錄影影像中的清晰影像的時間提高。

10、10’:數位全場域取像裝置

12:第一上蓋

14:第二上蓋

16:基板

20、20’、20”:透鏡組

20A:光軸

21、21”、22、22”、23、23”、24、24”、25、26:透鏡

30:紅外濾光器

100:第一電路基板

100C:中心

200:分段式波浪板

210、210A、210B、210C、210D、210E:段差表面

210A:波谷表面

210E:波峰表面

300:齒輪模組

310:齒輪基板

320:齒輪

330:接觸桿

340:半球狀凸起

400:影像感測器

500:控制器

600:螺桿齒輪

600C:中心軸

700:馬達

800:反射片

900:位置感測模組

910:光源

920:光感測器

1000:晶片座

1100:第二電路基板

1200:收發傳輸器

1300:導電彈簧

1400:夾持件

1402、1404:端

1500:彈簧

A、B、C、D、E:相位

C1、C2:曲線

L:光束

O、O’:開口

OX、OY、P:觀察物

R:反射光束

S:串列式訊號

SI:清晰合成影像

T:時間

圖1A是根據本發明的第一實施例的數位全場域取像裝置的立體示意圖。

圖1B是圖1A的剖視圖。

圖1C是圖1B省略影像感測器的示意圖。

圖2是圖1A省略第一上蓋的示意圖。

圖3是圖2省略第二上蓋的示意圖。

圖4是圖3省略螺桿齒輪、位置感測模組及齒輪的示意圖。

圖5是圖4省略齒輪基板的示意圖。

圖6是圖5省略分段式波浪板的示意圖。

圖7是根據本發明的第一實施例的數位全場域取像裝置的第一電路基板及第二電路基板的示意圖。

圖8是圖7的第一電路基板的仰視圖。

圖9是圖7的第二電路基板的俯視圖。

圖10A是根據本發明的第一實施例的數位全場域取像裝置的齒輪模組、分段式波浪板、第一電路基板及第二電路基板的剖視圖。

圖10B是圖10A在另一視角的示意圖。

圖11是圖3省略螺桿齒輪、位置感測模組及齒輪基板的示意圖。

圖12是根據本發明的實施例的數位全場域取像裝置的後焦距隨時間改變的關係的曲線圖。

圖13是根據本發明的實施例的數位全場域取像裝置取像的示例。

圖14A為圖13取像後在相位A時所取得的影像的示例。

圖14B為圖14A的影像在統計後的分布示意圖。

圖15A為圖13取像後在相位C時所取得的影像的示例。

圖15B為圖15A的影像在統計後的分布示意圖。

圖16A為圖13取像後在相位E時所取得的影像的示例。

圖16B為圖16A的影像在統計後的分布示意圖。

圖17A是將圖14B、圖15B及圖16B繪示在一起的分布示意圖。

圖17B是根據本發明的實施例的數位全場域取像裝置對圖13輸出清晰合成影像的示意圖。

圖18A是根據本發明的第二實施例的數位全場域取像裝置，且夾持件抵靠至波谷表面的剖面示意圖。

圖18B是根據本發明的第二實施例的數位全場域取像裝置，且夾持件抵靠至波峰表面的剖面示意圖。

圖19繪示光源相對於反射片及光感測器的示意圖。

圖20是一示例性實施例的透鏡組的示意圖。

圖21A是另一示例性實施例的透鏡組的示意圖。

圖21B是圖21A在透鏡組放大示意圖。

圖22是根據高斯成像公式，透鏡組的像距隨物距變化的示意圖。

圖23是根據高斯成像公式，透鏡組的像距隨物距變化的另一示意圖。

圖1A是根據本發明的第一實施例的數位全場域取像裝置的立體示意圖。圖1B是圖1A的剖視圖。圖1C是圖1B省略影像感測器的示意圖。圖2是圖1A省略第一上蓋的示意圖。圖3是圖2省略第二上蓋的示意圖。圖4是圖3省略螺桿齒輪、位置感測模組及齒輪的示意圖。圖5是圖4省略齒輪基板的示意圖。圖6是圖5省略分段式波浪板的示意圖。圖7是根據本發明的第一實 施例的數位全場域取像裝置的第一電路基板及第二電路基板的示意圖。圖8是圖7的第一電路基板的仰視圖。圖9是圖7的第二電路基板的俯視圖。圖10A是根據本發明的第一實施例的數位全場域取像裝置的齒輪模組、分段式波浪板、第一電路基板及第二電路基板的剖視圖。圖10B是圖10A在另一視角的示意圖。圖11是圖3省略螺桿齒輪、位置感測模組及齒輪基板的示意圖。其中，數位全場域取像裝置10中的各元件皆設置在第一上蓋12與基板16之間或第二上蓋14與基板16之間。圖1A至圖6由外而內依序省略數位全場域取像裝置10中的部分元件。圖7至圖9示意第一電路基板及第二電路基板的連接關係。圖10A至圖11示意接觸桿330抵接至段差表面210上而帶動影像感測器400沿透鏡組20的光軸20A移動。

請同時參考圖1A至圖11，本發明的一實施例提供一種適於時序地使透鏡組20的後焦距在多個固定後焦距中改變的數位全場域取像裝置10。數位全場域取像裝置10包括第一電路基板100、分段式波浪板200、齒輪模組300、影像感測器400以及控制器500。分段式波浪板200包括多個段差表面210。段差表面210設置在第一電路基板100上，且沿第一電路基板100的中心100C排列成環形波浪狀。齒輪模組300設置在分段式波浪板200與透鏡組20之間。齒輪模組300包括多個接觸桿330。影像感測器400設置在第一電路基板100的中心100C處。控制器500藉由第一電路基板100與影像感測器400電性連接。接觸桿330抵靠至分段 式波浪板200的段差表面210上。控制器500控制齒輪模組300旋轉，使影像感測器400沿透鏡組20的光軸20A移動，以改變透鏡組20的後焦距，並使後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態。

詳細來說，影像感測器400設置在透鏡組20的成像面。外界影像穿過透鏡組20而被影像感測器400接收。當齒輪模組300旋轉時，接觸桿330隨著齒輪模組300的旋轉而在分段式波浪板200上滑動。分段式波浪板200及影像感測器400皆設置在第一電路基板100上，且段差表面210相對於第一電路基板100具有不同的高度。齒輪模組300旋轉時因此會帶動並改變影像感測器400的位置。再者，由於後焦距是透鏡組20與影像感測器400之間的距離，因此，齒輪模組300的旋轉也使透鏡組20的後焦距改變。

在本實施例中，影像感測器400隨齒輪模組300的旋轉而沿光軸20A產生分段式移動。而且，接觸桿330在相同時間所抵靠的段差表面210與第一電路基板100之間具有相同的距離。

在本實施例中，分段式波浪板200的段差表面210包括3n個波峰表面及3n個波谷表面，其中n為大於等於1的正整數。簡單來說，3n個波峰表面對應固定後焦距中的最大後焦距，且3n個波谷表面對應固定後焦距中的最小後焦距。在本實施例中，n的數值可為大於等於1且小於等於機制上的上限的正整數。圖5示意了n=1，也就是多個段差表面210包括三個波峰表面210E及三個波谷表面210A。而且，當n=1時，上述接觸桿330的數量較 佳是設計為3個。也就是說，接觸桿330抵靠至段差表面210中的三個段差表面210，使接觸桿330之間的連線形成三角形狀。如此一來，齒輪模組300可穩固地抵靠在分段式波浪板200，使影像感測器400可穩定地沿透鏡組20的光軸20A移動。依此類推，當n=2時，接觸桿330的數量較佳是設計為6個。

此外，為了使接觸桿330可在分段式波浪板200上順利地滑動，在一實施例中，接觸桿330抵靠在分段式波浪板200的一側呈子彈頭狀。

圖12是根據本發明的實施例的數位全場域取像裝置的後焦距隨時間改變的關係的曲線圖。在圖12中，橫軸為時間，且縱軸為相對於波谷表面210A，接觸桿330分別抵靠至分段式波浪板200的段差表面210A、210B、210C、210D、210E時數位全場域取像裝置10的後焦距的改變量(μm)。

請參考圖5與圖12，詳細來說，接觸桿330分別抵靠至分段式波浪板100的段差表面210A、210B、210C、210D、210E時，系統會分別維持在相位為A、B、C、D、E的簡諧運動狀態，且在各個相位A、B、C、D、E維持的時間為T。例如，接觸桿330從抵靠在段差表面210A進入至抵靠在段差表面210B，數位全場域取像裝置10的後焦距隨時間改變的曲線圖會呈現如圖12的相位B的曲線。齒輪模組300經控制而持續旋轉，使接觸桿330從抵靠在段差表面210A，再依序抵靠在段差表面210B、210C、210D。接觸桿330接著從抵靠在段差表面210D再抵靠在段差表 面210E。依此類推，齒輪模組300持續旋轉，使接觸桿330再依序抵靠在段差表面210D、210C、210B、210A...。

在本實施例中，任兩個相鄰的波峰表面210E與波谷表面210A之間設有m個段差表面210B、210C、210D。在圖5中，m=3。此任兩個相鄰的波峰表面210E與波谷表面210A及m個段差表面210B、210C、210D對應m+2個固定後焦距，使影像感測器400取得m+2個影像。m+2個影像中總色階值最大的影像對應m+2個固定後焦距中的對焦後焦距，其中對焦後焦距對應m+2個影像中的一最清晰影像。

在一實施例中，控制器500在上述的m+2個影像的每一個像素位置中，選取像素值與一中間色階之間的差值的絕對值為最大的那一個，以輸出一清晰合成影像，其中中間色階為影像感測器400的任一畫素的最大色階與最小色階的中間值。

圖13是根據本發明的實施例的數位全場域取像裝置取像的示例。圖14A為圖13取像後在相位A時所取得的影像的示例。圖14B為圖14A的影像在統計後的分布示意圖。圖15A為圖13取像後在相位C時所取得的影像的示例。圖15B為圖15A的影像在統計後的分布示意圖。圖16A為圖13取像後在相位E時所取得的影像的示例。圖16B為圖16A的影像在統計後的分布示意圖。圖17A是將圖14B、圖15B及圖16B繪示在一起的分布示意圖。圖17B是根據本發明的實施例的數位全場域取像裝置對圖13輸出清晰合成影像的示意圖。

請參考圖13至圖17B，在圖13中，數位全場域取像裝置10的取像範圍內存在物距較小的觀察物OX以及物距較大的觀察物OY。因此，在圖14A、圖15A及圖16A的影像中各自存在對應於觀察物OX的X區及對應於觀察物OY的Y區。在圖14A與圖14B中，由於相位A對應了m+2個固定後焦距中最小的後焦距(如圖12所示)，因此數位全場域取像裝置10所取得的影像在X區較清晰，但在Y區較不清晰。如此一來，X區影像的色階值相較於Y區影像的色階值較高或較低，且Y區影像的色階值會較接近中間色階。其中，影像感測器400的最低色階設定為0，最高色階設定為255，因此中間色階為128。但本發明不以此為限，影像感測器400的色階範圍及中間色階應以設計需求而定。而為了方便示意色階分布的所有可能性，圖14B在X區同時繪示了高色階與低色階的分布。但在實際取得的影像中，X區或Y區只會存在高色階或低色階的其中一個分布。依此類推，圖15B及圖16B則不再贅述。

在圖15A與圖15B中，由於相位C對應了m+2個固定後焦距中的中間值，因此數位全場域取像裝置10所取得的影像在X區或Y區都較不清晰，且影像的色階值會接近中間色階。同理，在圖16A與圖16B中，由於相位E對應了m+2個固定後焦距中最大的後焦距，因此數位全場域取像裝置10所取得的影像在Y區較清晰，但在X區較不清晰。如此一來，Y區影像的色階值相較於X區影像的色階值較高或較低，且X區影像的色階值會較接近中 間色階。

在圖17A的分布圖中的X區，數位全場域取像裝置10在相位A時所取得的影像的色階與中間色階之間的差值的絕對值最大。而在Y區，數位全場域取像裝置10在相位E時所取得的影像的色階與中間色階之間的差值的絕對值最大。據此，如圖17B所示，控制器500選擇相位A的X區影像作為清晰合成影像SI的X區，並選擇相位E的Y區影像作為清晰合成影像SI的Y區。

在另一實施例中，數位全場域取像裝置10更可輸出一錄影影像，其中錄影影像中的每一幀影像為上述的最清晰影像或清晰合成影像。因此，不管是單一影像或是錄影影像，本發明實施例的數位全場域取像裝置10可藉由上述的影像輸出機制來產生最清晰影像或清晰合成影像，使得每一個影像或錄影影像的每一幀都保持在清晰的畫面。

除此之外，在本實施例中，齒輪模組300的齒輪基板310的中心具有一開口O，且開口O使影像感測器400顯露，如圖3所示。齒輪模組300更包括齒輪基板310以及齒輪320。齒輪基板310設置在分段式波浪板200與透鏡組20之間，齒輪320設置在齒輪基板310的外圍，且接觸桿330設置在齒輪基板310朝向分段式波浪板200的表面上。數位全場域取像裝置10更包括螺桿齒輪600以及馬達700。螺桿齒輪600設置在齒輪模組300旁並與齒輪320契合。馬達700與螺桿齒輪600連接，且與控制器500電性連接。控制器500控制馬達700運轉，以帶動齒輪模組300旋 轉。

在本實施例中，齒輪模組300沿光軸20A旋轉，且馬達700的運轉軸(即轉子的運轉軸)垂直於光軸20A，如圖1B與圖3所示。例如馬達700的運轉軸相同於垂直於光軸20A的螺桿齒輪600的中心軸600C。

在本實施例中，馬達700的每分鐘轉速(Revolution Per Minute,RPM)為20×f×m’×p，以及螺桿齒輪600與齒輪320之間的齒輪比為p=D/L，其中f為數位全場域取像裝置10的錄影幀數，m’為固定後焦距的數量，D為齒輪320的圓周，且L為齒輪320每轉一圈所對應的螺桿齒輪600的移動長度。舉例來說，當f=30，m’=5，以及p=1，馬達700的每分鐘轉速應較佳被設計為3000。

在本實施例中，數位全場域取像裝置10更包括第二電路基板1100以及多個導電彈簧1300，如圖5至圖10B所示。第二電路基板1100電性連接至控制器500，其中第一電路基板100設置在第二電路基板1100與分段式波浪板200之間。導電彈簧1300設置在第一電路基板100朝向第二電路基板1100的表面上。導電彈簧1300具有一等效彈性係數k。第二電路基板1100藉由導電彈簧1300與第一電路基板100電性連接，且控制器500藉由第二電路基板1100與第一電路基板100電性連接。

在本實施例中，透鏡組20的後焦距隨時間的改變量等於導電彈簧1300隨時間的形變量，且導電彈簧1300的形變量提供透鏡組20的後焦距的改變過程中的阻尼效應。而且，在一較佳的 實施例中，等效彈性係數k的數值可被設計為：齒輪模組300旋轉時，導電彈簧1300對影像感測器400產生制動力，使阻尼效應維持在臨界阻尼(critical damping)。而阻尼效應維持在臨界阻尼使透鏡組20在後焦距的改變過程中維持較佳的穩定度。

在本實施例中，導電彈簧1300的最大形變量大於等於透鏡組20的後焦距的最大改變量。

在本實施例中，數位全場域取像裝置10更包括反射片800以及位置感測模組900，如圖2與圖3所示。反射片800設置在齒輪基板310背對分段式波浪板200的表面上。位置感測模組900設置在齒輪模組300旁，與控制器500電性連接，且包括光源以及光感測器(如圖19的光源910與光感測器920)。其中，光源可為雷射二極體(Laser Diode)或發光二極體(light-emitting diode,LED)。光感測器可為光電二極體(photodiode)等光感測器，但本發明不以為限。光源朝齒輪模組300的齒輪基板310發出光束(如圖19的光束L)。光感測器用以接收光束被反射片800反射後的一反射光束(如圖19的反射光束R)。控制器500根據光感測器接收到反射光束的時間取得齒輪模組300的旋轉位置。

在本實施中，上述旋轉位置對應固定後焦距中的最大後焦距或最小後焦距。也就是說，反射片800的設置位置較佳是被設計為使控制器500可取得接觸桿330抵靠在段差表面210中的波峰表面210E或波谷表面210A的時間。

在本實施中，數位全場域取像裝置10更包括一收發傳輸 器1200，如圖2所示。收發傳輸器1200電性連接至控制器500與光感測器，其中在光感測器接收到反射光束時，收發傳輸器1200同時發送一串列式訊號S至控制器500，使控制器500取得接觸桿330抵靠的段差表面210的位置。

在本實施例中，齒輪模組300更包括多個半球狀凸起340，如圖3所示。半球狀凸起340設置在齒輪基板310背對分段式波浪板200的表面上，且用以抵接在第二上蓋14，使齒輪模組300能穩定地轉動。

除此之外，在本實施例中，透鏡組20例如包括雙凹透鏡、雙凸透鏡、凹凸透鏡、凸凹透鏡、平凸透鏡以及平凹透鏡等非平面鏡片的各種組合。本發明對透鏡組20的型態及其種類並不加以限制。

在本實施例中，影像感測器400可為薄膜電晶體(thin film transistor,TFT)、互補金氧半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)或電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)等光感測器。

在本實施例中，控制器500例如是包括微控制器單元(Microcontroller Unit，MCU)、中央處理單元(central processing unit，CPU)、微處理器(microprocessor)、數位訊號處理器(digital signal processor，DSP)、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置(programmable logic device，PLD)或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。此外，在一實施例中，控制器500 的各功能可被實作為多個程式碼。這些程式碼會被儲存在一個記憶體中，由控制器500來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，控制器500的各功能可被實作為一或多個電路。本發明並不限制用軟體或硬體的方式來實作控制器500的各功能。

基於上述，在本發明的一實施例中，數位全場域取像裝置10包括了具有多個段差表面210的分段式波浪板200，並藉由齒輪模組300的接觸桿330抵靠至分段式波浪板200上。由於藉由齒輪模組300的旋轉改變透鏡組20的後焦距，且使後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態，因此，數位全場域取像裝置10可有效地取得清晰的影像，並使錄影影像中的清晰影像的時間提高。

圖18A是根據本發明的第二實施例的數位全場域取像裝置，且夾持件抵靠至波谷表面的剖面示意圖。圖18B是根據本發明的第二實施例的數位全場域取像裝置，且夾持件抵靠至波峰表面的剖面示意圖。

請參考圖18A與圖18B，本發明的另一實施例提供一種適於時序地使一透鏡組20的後焦距在多個固定後焦距中改變的數位全場域取像裝置10’。數位全場域取像裝置10’包括分段式波浪板200、夾持件1400、影像感測器400以及控制器500。分段式波浪板200包括多個段差表面210，且段差表面210沿分段式波浪板200的中心排列成環形波浪狀。夾持件1400圍繞透鏡組20的光軸20A夾持透鏡組20。影像感測器400在沿著透鏡組20的光軸20A 的方向上設置在透鏡組20的一側。分段式波浪板200設置在影像感測器400與夾持件1400之間，且夾持件1400的一端1402或影像感測器400的一端抵靠至分段式波浪板200的段差表面210上。控制器500電性連接至影像感測器400。控制器500控制分段式波浪板200旋轉，以改變透鏡組20的後焦距，並使後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態。

在本實施例中，夾持件1400的該端1402或影像感測器400的該端抵靠至段差表面210中的三個段差表面。也就是說，夾持件1400靠近分段式波浪板200的底部或影像感測器400靠近分段式波浪板200的一側呈三角形，使夾持件1400或影像感測器400可穩固地抵靠在分段式波浪板200上。在一較佳的實施例中，前述的夾持件1400的底部或影像感測器400的該側呈正三角形。

在本實施例中，數位全場域取像裝置10’更包括至少一彈簧1500。彈簧1500具有一等效彈性係數k，其中夾持件1400的另一端1404或影像感測器400的另一端抵靠至彈簧1500，以提供透鏡組20的後焦距的改變過程中的阻尼效應(damping effect)。在圖13A中，夾持件1400的該另一端1404抵靠至彈簧1500，且夾持件1400設置在彈簧1500與分段式波浪板200之間。

在本實施例中，分段式波浪板200旋轉而使夾持件1400沿光軸20A產生分段式移動時，彈簧1500對夾持件1400產生制動力，使上述的阻尼效應維持在臨界阻尼。由於彈簧1500產生的制動力使呈現為簡諧運動狀態的後焦距隨時間改變的關係進一步 維持在臨界阻尼下，使數位全場域取像裝置10’在調焦過程的位置穩定度提高，因此使取像效果提高。

圖19繪示光源相對於反射片及光感測器的示意圖。請同時參考圖18A與圖19，在本實施例中，數位全場域取像裝置10’更包括反射片800、光源910以及光感測器920。光感測器920設置在光源910旁。

在本實施例中，反射片800設置在分段式波浪板200的外圍。光源910朝分段式波浪板200的外圍發出一光束L，其中反射片800反射光束L以產生一反射光束R。光感測器920與控制器500電性連接，其中控制器500根據光感測器920接收到反射光束R的時間取得分段式波浪板200的旋轉位置。

在本實施中，上述旋轉位置對應固定後焦距中的最大後焦距或最小後焦距。也就是說，反射片800較佳是設置在對應於波峰表面210E處或波谷表面210A處。

在本實施中，數位全場域取像裝置10’更包括一收發傳輸器1200。收發傳輸器1200電性連接至控制器500與光感測器920，其中在光感測器920接收到反射光束R時，收發傳輸器1200同時發送一串列式訊號S至控制器500，使控制器500取得分段式波浪板200的旋轉位置。

基於上述，在本發明的一實施例中，數位全場域取像裝置10’包括了具有多個段差表面210的分段式波浪板200，並藉由使夾持件1400或影像感測器400抵靠至分段式波浪板200上。由 於藉由分段式波浪板200的旋轉改變透鏡組20的後焦距，且使後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態，因此，數位全場域取像裝置10’可有效地取得清晰的影像，並使錄影影像中的清晰影像的時間提高。

圖20是一示例性實施例的透鏡組的示意圖。在圖20中，透鏡組20’被設計為超景深顯微鏡，且透鏡組20’包括透鏡21、22、23、24、25、26。其中，透鏡組20’的有效焦距為84.7毫米，物端數值孔徑(NAO)為0.15，物距(即透鏡21至觀察物P之間的距離)為10毫米，系統長度(即透鏡21靠近觀察物P的表面至透鏡25靠近影像感測器400的表面在光軸上的距離)為50毫米，以及影像感測器400的直徑(image circle diameter)選擇為6毫米(例如1/3英吋的CMOS)。

下面表3示意了觀察物P在不同位置處，數位全場域取像裝置10可對應的後焦距改變量，其中表3中後焦距改變量由上至下依序為接觸桿330抵靠在分段式波浪板200段差表面210E、210D、210C、210B及210A時所對應的後焦距改變量。

圖21A是另一示例性實施例的透鏡組的示意圖。圖21B是圖21A在透鏡組放大示意圖。

在圖21A與圖21B中，透鏡組20”被設計為超景深望遠鏡，透鏡組20”包括(玻璃)透鏡21”、22”、23”、24”，且透鏡組20”與影像感測器400之間設有紅外濾光器30。其中，透鏡組20”的有效焦距為13.55毫米，光圈值為5.6，後焦距為11.98毫米，視角(field of view)為32度，物距(即透鏡21”至觀察物P之間的距離)為100毫米，影像感測器400的直徑選擇為8.4毫米(例如1/2.3英吋的感測器)，以及透鏡組20”在160 lp/mm下的光學調變轉換函數(Modulation Transfer Function,MTF)數值大於40%。

同理，下面表4示意了觀察物P在不同位置處，數位全場域取像裝置10可對應的後焦距改變量，其中表4中後焦距改變量由上至下依序為接觸桿330抵靠在分段式波浪板200段差表面210E、210D、210C、210B及210A時所對應的後焦距改變量。

綜上所述，在本發明的一實施例中，由於數位全場域取像裝置包括了具有多個段差表面的分段式波浪板，藉由齒輪模組的旋轉改變透鏡組的後焦距，使後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態，因此，數位全場域取像裝置可有效地取得清晰的影像，並使錄影影像中的清晰影像的時間提高。

在本發明的另一實施例中，由於數位全場域取像裝置包括了具有多個段差表面的分段式波浪板，藉由分段式波浪板的旋轉改變透鏡組的後焦距，使後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態，因此，數位全場域取像裝置可有效地取得清晰的影像，並使錄影影像中的清晰影像的時間提高。

此外，本發明的實施例的數位全場域取像裝置可具有以下應用範圍：

一、焦距比較長、焦距大於像高(大約是EFL>d)或是視角比較小(FOV<60度)的光學成像裝置。例如，汽車的電子後視鏡(FOV約50-60度)。

二、物距比較短的光學成像裝置(大約是小於像高的10倍)。例如，工業用近照的照相機(物距大約是10-50mm)。

16:基板

100:第一電路基板

200:分段式波浪板

210:段差表面

300:齒輪模組

310:齒輪基板

320:齒輪

330:接觸桿

340:半球狀凸起

400:影像感測器

500:控制器

600:螺桿齒輪

600C:中心軸

700:馬達

800:反射片

900:位置感測模組

1000:晶片座

O:開口

Claims (20)

1. 一種數位全場域取像裝置，適於時序地使一透鏡組的後焦距在多個固定後焦距中改變，包括：一第一電路基板；一分段式波浪板，包括多個段差表面，該些段差表面設置在該第一電路基板上，且沿該第一電路基板的中心排列成環形波浪狀：一齒輪模組，包括多個接觸桿，該齒輪模組設置在該分段式波浪板與該透鏡組之間；一影像感測器，設置在該第一電路基板的該中心處；以及一控制器，藉由該第一電路基板與該影像感測器電性連接；其中該些接觸桿抵靠至該分段式波浪板的該些段差表面上，該控制器控制該齒輪模組旋轉，使該影像感測器沿該透鏡組的光軸移動，以改變該透鏡組的該後焦距，並使該後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態。
2. 如請求項1所述的數位全場域取像裝置，其中該些接觸桿在相同時間所抵靠的該段差表面與該第一電路基板之間具有相同的距離。
3. 如請求項1所述的數位全場域取像裝置，其中該些接觸桿分別抵靠至該些段差表面中的三個該段差表面。
4. 如請求項1所述的數位全場域取像裝置，其中該些段差表面包括3n個波峰表面及3n個波谷表面，其中n為大於等於1的正整數。
5. 如請求項4所述的數位全場域取像裝置，其中該3n個波峰表面對應該些固定後焦距中的最大後焦距，且該3n個波谷表面對應該些固定後焦距中的最小後焦距。
6. 如請求項4所述的數位全場域取像裝置，其中任兩個相鄰的波峰表面與波谷表面之間設有m個段差表面，該任兩個相鄰的波峰表面與波谷表面及該m個段差表面對應m+2個固定後焦距，使該影像感測器取得m+2個影像，該m+2個影像中總色階值最大的影像對應該m+2個固定後焦距中的對焦後焦距，其中該對焦後焦距對應該m+2個影像中的一最清晰影像。
7. 如請求項6所述的數位全場域取像裝置，其中該控制器在該m+2個影像的每一個像素位置中，選取像素值與一中間色階之間的差值的絕對值為最大的那一個，以輸出一清晰合成影像，該中間色階為該影像感測器的任一畫素的最大色階與最小色階的中間值。
8. 如請求項7所述的數位全場域取像裝置，其中該數位全場域取像裝置輸出一錄影影像，該錄影影像中的每一幀影像為該最清晰影像或該清晰合成影像。
9. 如請求項1所述的數位全場域取像裝置，該齒輪模組更包括一齒輪基板以及一齒輪，該齒輪基板設置在該分段式波浪 板與該透鏡組之間，該齒輪設置在該齒輪基板的外圍，且該些接觸桿設置在該齒輪基板朝向該分段式波浪板的表面上，該數位全場域取像裝置更包括：一螺桿齒輪，設置在該齒輪模組旁並與該齒輪契合；以及一馬達，與該螺桿齒輪連接，且與該控制器電性連接，其中該控制器控制該馬達運轉，以帶動該齒輪模組旋轉。
10. 如請求項9所述的數位全場域取像裝置，其中該齒輪模組沿該光軸旋轉，該馬達的運轉軸垂直於該光軸。
11. 如請求項9所述的數位全場域取像裝置，其中該馬達的每分鐘轉速為20×f×m’×p，以及該螺桿齒輪與該齒輪之間的齒輪比為p=D/L，其中f為該數位全場域取像裝置的錄影幀數，m’為該些固定後焦距的數量，D為該齒輪的圓周，且L為該齒輪每轉一圈所對應的該螺桿齒輪的移動長度。
12. 如請求項1所述的數位全場域取像裝置，其中該影像感測器隨該齒輪模組的旋轉而沿該光軸產生分段式移動。
13. 如請求項1所述的數位全場域取像裝置，更包括：一第二電路基板，電性連接至該控制器，其中該第一電路基板設置在該第二電路基板與該分段式波浪板之間；以及多個導電彈簧，設置在該第一電路基板朝向該第二電路基板的表面上，該些導電彈簧具有一等效彈性係數k，其中該第二電路基板藉由該些導電彈簧與該第一電路基板電性連接，且該控制器藉由該第二電路基板與該第一電路基板電性 連接，該透鏡組的該後焦距隨時間的改變量等於該些導電彈簧隨時間的形變量，且該些導電彈簧的該形變量提供該透鏡組的該後焦距的改變過程中的阻尼效應。
14. 如請求項13所述的數位全場域取像裝置，其中該些導電彈簧的最大形變量大於等於該透鏡組的該後焦距的最大改變量。
15. 如請求項13所述的數位全場域取像裝置，其中該齒輪模組旋轉時，該些導電彈簧對該影像感測器產生制動力，使該阻尼效應維持在臨界阻尼。
16. 如請求項9所述的數位全場域取像裝置，更包括：一反射片，設置在該齒輪基板背對該分段式波浪板的表面上；以及一位置感測模組，設置在該齒輪模組旁，與該控制器電性連接，且包括一光源以及一光感測器，其中該光源朝該齒輪模組的該齒輪基板發出一光束，該光感測器用以接收該光束被該反射片反射後的一反射光束，該控制器根據該光感測器接收到該反射光束的時間取得該齒輪模組的旋轉位置。
17. 如請求項16所述的數位全場域取像裝置，其中該旋轉位置對應該些固定後焦距中的最大後焦距或最小後焦距。
18. 如請求項17所述的數位全場域取像裝置，更包括：一收發傳輸器，電性連接至該控制器與該位置感測模組，其中在該光感測器接收到該反射光束時，該收發傳輸器同時發送一串列式訊號至該控制器，使該控制器取得該些接觸桿抵靠的段差表面的位置。
19. 一種數位全場域取像裝置，適於時序地使一透鏡組的後焦距在多個固定後焦距中改變，包括：一分段式波浪板，包括多個段差表面，且該些段差表面沿該分段式波浪板的中心排列成環形波浪狀；一夾持件，圍繞該透鏡組的光軸夾持該透鏡組；一影像感測器，在沿著該透鏡組的該光軸的方向上設置在該透鏡組的一側，其中該分段式波浪板設置在該影像感測器與該夾持件之間，且該夾持件的一端或該影像感測器的一端抵靠至該分段式波浪板的該些段差表面上；以及一控制器，電性連接至該影像感測器；其中該控制器控制該分段式波浪板旋轉，以改變該透鏡組的該後焦距，並使該後焦距隨時間改變的關係維持在簡諧運動狀態。
20. 如請求項19所述的數位全場域取像裝置，其中該夾持件的該端抵靠至該分段式波浪板的該些段差表面上，該透鏡組隨該分段式波浪板的旋轉而沿該光軸產生分段式移動。

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