TWI693441B

TWI693441B - 組合式透鏡模組以及應用此模組的攝像感測組件

Info

Publication number: TWI693441B
Application number: TW103137853A
Authority: TW
Inventors: 陳志隆; 顏智敏
Original assignee: 英屬開曼群島商高準國際科技有限公司
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2020-05-11
Also published as: TW201616166A

Abstract

本案提供一種組合式透鏡模組，其包括容置於一殼體中的複數個透鏡模組，此些透鏡模組包括複數片透鏡並且具有複數個光圈，任一該透鏡包括分別提供可見光通過的一主透鏡單元和紅外光通過的一關聯透鏡單元。此組合式透鏡模組配合可同時接收可見光和紅外光的感測器，形成攝像感測組件，不但具有高解析度，並可應用於紅外光結構光源的環境、薄型行動裝置或體感互動的光掃描器等方面。

Description

組合式透鏡模組以及應用此模組的攝像感測組件

本案是關於一種組合透鏡模組的領域，特別是一種應用於薄型化電子裝置的透鏡模組和其攝像裝置領域。

在現在的技術發展中，人類與機器的互動技術為人所關注，並且發展出用來增進人類日常生活與健康的各種平台。人類與機器互動所仰賴的輸出入介面已經不再侷限於傳統實體的裝置，例如鍵盤、滑鼠或觸控板等，更包括利用人類自有的聲音、動作或手勢來作為輸入元素。因此，用於偵測互動手勢、姿勢或3D掃描式的元件、裝置或設備是近年來非常蓬勃發展的領域，例如紅外光可用於上述的偵側，其優點在於其不可見光性、避免干擾使用者的動作以及在許多情況下可增進訊雜比，因此成為辨識互動動作重要的結構光元素。

另一方面，現代人使用照相手機攝像的習慣愈來愈普及，對於配備高解析度攝像模組的裝置的需求亦有增無減。除了攝像功能外，若能整合偵測互動手勢的偵側功能，將使得照相手機等的行動裝置的運用更為廣泛。因此，發展精簡尺寸且多功能的攝像模組對於手機配備結構裝產生裝置而言是重要課題之一。

為解決上述問題，本案提供一種組合式透鏡模組，其包括複數片透鏡，每一透鏡上具有一或多個透鏡單元，使得組合透鏡模組的視角增加。

為解決上述問題，本案提供一種組合式透鏡模組以及其攝像感測組件，其包括複數片透鏡，每一透鏡上具有可通過紅外光和可見光的透鏡單元，配合可同時感測可見光和紅外光的感測器，可以同時接收外界的可見光和紅外光訊號。

為解決上述問題，本案提供一種組合式透鏡模組以及其攝像感測組件，其包括複數片透鏡並容置於一殼體中，殼體的尺寸可以非常精簡，適合於輕薄的行動裝置。

依據上述，一種組合式透鏡模組，包括：一殼體；以及容置於該殼體中的複數個透鏡模組，該些透鏡模組包括複數片透鏡並且具有複數個光圈，其中，外界的光訊號到達該殼體上並通過該些透鏡模組，任一該透鏡包括分別提供可見光通過的一主透鏡單元和紅外光通過的一關聯透鏡單元。

較佳地，該主透鏡單元位於該透鏡的一中心區域，以及該關聯透鏡單元位於該透鏡的一周圍區域。

較佳地，該些透鏡的數量為3並且堆疊於該殼體中，且該組合式透鏡模組更包括一光欄。

較佳地，該些主透鏡單元包括一第一主透鏡單元、一第二主透鏡單元和一第三主透鏡單元，並且該光欄位於該第一主透鏡單元和該第二主透鏡單元之間，外界的可見光依序通過該主透鏡單元、該光欄、該第二主透鏡單元和該第三主透鏡單元後到達一感測器，該第三主透鏡單元的屈光力為正數。

較佳地，該第一主透鏡單元和該第二主透鏡單元的屈光力皆為正數。

較佳地，其中，該些主透鏡單元包括一第一主透鏡單元、一第二主透鏡單元和一第三主透鏡單元，並且該光欄位於該第一主透鏡單元和該殼體之間，外界的可見光依序通過該光欄、該第一主透鏡單元、該第二主透鏡單元和該第三主透鏡單元後到達一感測器，該第三主透鏡單元的屈光力為正數。

較佳地，該第一主透鏡單元的屈光力為正數，該第二主透鏡單元的屈光力為負數。

較佳地，該些光圈包括對應該些主透鏡單元的一主光圈，以及對應該些關聯透鏡單元的至少一關聯光圈，該關聯光圈的影像圈與該主光圈的影像圈至少一部分重疊。

依據上述，一種攝像感測組件，包括：一殼體；容置於該殼體中的複數個透鏡模組，該些透鏡模組包括複數片透鏡並且具有複數個光圈，其中，該些光圈包括對應進入殼體內的外界可見光通過的一主光圈以及對應外界紅外光通過的一關聯光圈；以及一感測器，其感測通過該些光圈的外界可見光和外界紅外光。

較佳地，該感測器包括一非貝爾感測器(non-Bayer sensor)。

較佳地，每一該透鏡包括複數個透鏡單元，位於每一該透鏡的一中心區域的一主透鏡單元堆疊形成該主光圈，並且位於該中心區域的周圍的至少一關聯透鏡單元堆疊形成該關聯光圈。

較佳地，攝像感測組件更包括一光欄，其中，該些主透鏡單元包括一第一主透鏡單元、一第二主透鏡單元和一第三主透鏡單元，該光欄位於該第一主透鏡單元和該第二主透鏡單元之間，或是該光欄位於該第一主透鏡單元和該殼體之間。

較佳地，該第一主透鏡單元和該第三主透鏡單元的屈光力分別為正數。

一種組合式透鏡模組，其包括容置於一殼體中的複數個透鏡模組，此些透鏡模組包括複數片透鏡並且具有複數個光圈，任一該透鏡包括分別提供可見光通過的一主透鏡單元和紅外光通過的一關聯透鏡單元。此組合式透鏡模組配合可同時接收可見光和紅外光的感測器，形成攝像感測組件，不但具有高解析度，並可應用於紅外光結構光源的環境、薄型行動裝置或體感互動的光掃描器等方面。

為了能進一步了解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明的詳細說明及附圖。本發明的目的、特徵或特點，當可由此得到一深入且具體的瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用以對本發明加以限制者。

10‧‧‧組合式透鏡模組

11‧‧‧座體

13‧‧‧殼體

12‧‧‧透鏡組件

120‧‧‧第一透鏡模組

122‧‧‧第二透鏡模組

124‧‧‧第三透鏡模組

126‧‧‧第四透鏡模組

128‧‧‧第五透鏡模組

201‧‧‧主光軸

203‧‧‧關聯光軸

22‧‧‧長

24‧‧‧寬

23、25‧‧‧影像圈

232、234、236、238‧‧‧關聯光圈

252、254、256、258‧‧‧關聯光圈

32、34、36‧‧‧透鏡

31‧‧‧第一主透鏡單元

41‧‧‧第一關聯透鏡單元

42‧‧‧第二關聯透鏡單元

33‧‧‧第二主透鏡單元

43‧‧‧第三關聯透鏡單元

44‧‧‧第四關聯透鏡單元

35‧‧‧第三主透鏡單元

45‧‧‧第五關聯透鏡單元

46‧‧‧第六關聯透鏡單元

311‧‧‧第一表面

331‧‧‧第一表面

351‧‧‧第一表面

30‧‧‧光欄

40‧‧‧感測器

52、54、56‧‧‧透鏡

51‧‧‧第一主透鏡單元

71、72、73‧‧‧光影像訊號

74‧‧‧感測像素

75、76、77、78‧‧‧像素單位

61‧‧‧第一關聯透鏡單元

62‧‧‧第二關聯透鏡單元

53‧‧‧第二主透鏡單元

63‧‧‧第三關聯透鏡單元

64‧‧‧第四關聯透鏡單元

55‧‧‧第三主透鏡單元

65‧‧‧第五關聯透鏡單元

66‧‧‧第六關聯透鏡單元

27‧‧‧影像圈

272、274、276、278‧‧‧影像圈

圖1為一組合式透鏡模組的立體示意圖。

圖2為本案之關聯光圈的一影像圈實施例的示意圖。

圖3為本案之關聯光圈的另一影像圈實施例的示意圖。

圖4為本案之一第一實施例之透鏡組件的剖面部分和其他元件剖面的示意圖。

圖5為本案之一感測器的感測單元示意圖。

圖6為本案之一第二實施例之透鏡組件的剖面部分和其他元件剖面的示意圖。

圖7為圖6的影像圈示意圖。

本案以下所稱的透鏡組件(lens assembly)包括複數個光圈，每個光圈(aperture)可以具有自己的透鏡模組(lens module)。每一透鏡模組可以包括一或複數個透鏡單元(lens element)，其中複數個透鏡單元可沿著透鏡模組的光軸方向上堆疊(staggered)，即此些透鏡單元距離物面(objective plane)或像面(image plane)的距離不同。而不同的透鏡模組間的透鏡單元是可以為分離成複數個透鏡(lenses)或是整合成單一透鏡(single lens)，例如以塑膠成型的方式將透鏡單元一起做成一片透鏡。同一透鏡上的不同透鏡單元可以有各自的功能，待後再敘。

圖1為一組合式透鏡模組的立體示意圖。請參考圖1，組合式透鏡模組10包括一座體11、設置於座體11中的一殼體13以及設置於殼體13中的一透鏡組件12。於此實施例中，座體11容置和固定具有透鏡組件12的殼體13外，亦可包括若干可以固定於其他像電路板的結構或可和他物組裝的結構。在實際設計中，亦可省略座體11的設計。其次，殼體13用以將透鏡組件12整合成單一部件，例如具有將透鏡組件12固定於其中的上下蓋板和側壁。當然，圖1中座體11和殼體13的比例、設置位置、尺寸和幾何形狀僅用以例示而非用以限制本案的設計。

其次，透鏡組件12包括複數個透鏡模組，例如第一透鏡模組120、第二透鏡模組122、第三透鏡模組124、第四透鏡模組126和第五透鏡模組128。於本實施例中，第一透鏡模組120位於殼體13的中心區域，被第二透鏡模組122、第三透鏡模組124、第四透鏡模組126和第五透鏡模組128所包圍，其中，此些透鏡模組之間的排列可以是規則或不規則的，以規則或對稱為佳，圖1僅例示而非限制本案的設計。又，透鏡組件12具有複數個光圈分別由上述透鏡模組對應，為方便說明，第一透鏡模組120實現一主光圈(main aperture)(主光軸201)，第二透鏡模組122、第三透鏡模組124、第四透鏡模組126(關聯光軸203)和第五透鏡模組128則分別實現不同的關聯光圈(associate aperture)。於本實施例中，主光圈的第一透鏡模組120負責關於可見光感測區域所偵側的可見光影像穿經，關聯光圈的其他透鏡模組則負責關於紅外光感測區域所偵測的紅外影像或光信號擷取，例如波長為830nm、850nm或920nm者。再者，本案雖以一第一透鏡模組120作為實現可見光影像擷取，但在設計上，並不以單一第一透鏡模組120為限，亦可為複數個分布於殼體13的中心區域的透鏡模組皆負責可見光影像穿經。

圖2和圖3分別表示本案之關聯光圈的不同影像圈實施例的示意圖，藉以說明本案的透鏡模組可以有不同的排列態樣。以一般格式為16：9的4百萬像素(4MP)感測器而言，其長22約為5.376毫米(mm)，寬24約為3.040毫米(mm)，為了利用感測器的最大攝像能力，影像圈23、25至少需有直徑6.176毫米(mm)。是以，如圖2中，關聯光圈232、234、236和238為各自獨立且完全不重疊地設計於影像圈23內且位於感測器的長22和寬24的範圍內。如圖3中所示，關聯光圈252、254、256和258為各自獨立但可部分重疊地設計於影像圈23內而涵蓋了感測器的長22和寬24的範圍外的若干區域。依據上述，本案的主光圈和關聯光圈的配合，基本上滿足涵蓋所使用感測器的最大攝像能力的影像圈，主光圈和關聯光圈的範圍可以是各自獨立且完全不重疊，或是可部分重疊，其安排形式是所需設計，並不受限於對稱、非對稱、相同或不同光圈大小等因素。又，本案的主光圈和複數個關聯光圈可包括不同方向的可視區(viewing)，故本案的透鏡組件可以為一多重視區(multiple view)透鏡組件，各光圈的特性則可由光圈的對應視場(field of view,FOV)和場角(field angle,FA)和光圈大小來界定。

圖4為本案之一第一實施例之透鏡組件的剖面部分和其他元件剖面的示意圖，圖5為本案之一感測器的感測單元示意圖。同時參考圖1和圖4，透鏡組件12包括三個透鏡32、34和36，每一透鏡32、34和36可包括一或多的透鏡單元。於第一實施例中，透鏡32包括一第一主透鏡單元31和設置於第一主透鏡單元31周圍的第一關聯透鏡單元41和第二關聯透鏡單元42。類似的，透鏡34包括第二主透鏡單元33和設置於第二主透鏡單元33周圍的第三關聯透鏡單元43和第四關聯透鏡單元44；透鏡36包括第三主透鏡單元35和設置於第三主透鏡單元35周圍的第五關聯透鏡單元45和第六關聯透鏡單元46，其中各關聯透鏡單元可為獨立或是屬於同一透鏡中連續的區域。其次，對照圖1，第一透鏡模組120包括第一主透鏡單元31、第二主透鏡單元33和第三主透鏡單元35；第三透鏡模組124包括第二關聯透鏡單元42、第四關聯透鏡單元44和第六關聯透鏡單元46；第四透鏡模組126包括第一關聯透鏡單元41、第三關聯透鏡單元43和第五關聯透鏡單元45。可以理解的，第二透鏡模組122和第五透鏡模組128則在此剖面角度下未繪於圖4 上。再者，透鏡34設置於透鏡32和透鏡36之間，其中透鏡32以一第一表面311朝向物面，透鏡34以一第一表面331朝向物面和透鏡32，透鏡36以一第一表面351朝向物面和透鏡32、34，透鏡34的一第一表面331前方(物面)尚設置一光欄30，透鏡36的後方則為一感測器40。

續參考圖1和圖4，於第一實施例中，可以以”XAXP”來表示包括主透鏡單元的第一透鏡模組120的透鏡組態(lens configuration)；其中，”X”表示透鏡朝向物面的表面的屈光力或光強度(Optical Power,OP)可以為正或負；”A”則表示光欄30所在位置；”P”表示透鏡朝向物面的表面的屈光力為正；”N”則表示透鏡朝向物面的表面的屈光力為負。是以，第一實施例的第一主透鏡單元31的屈光力可為接近0的正數，較佳為0.1038，如此可使得對應視場接近80-90度。其次，第二主透鏡單元33和第三主透鏡單元35的屈光力為大於第一主透鏡單元31的正數，較佳分別為0.1497和0.7552，但本案不以此為限，主要的考量是，第一透鏡模組120的透鏡組態能夠提供足夠的空間讓光線在穿經第一透鏡模組120和周圍的其他透鏡模組後能夠不相互干擾地到達後方的感測器40即可，故第一實施例的第一透鏡模組120的透鏡組態中，只要最接近感測器40為正屈光力，若有設置光欄30的必要時，將光欄30設置於最接近物面的透鏡單元的後方。

是以，續參考圖1和圖4，舉例來說，在透鏡組件前方有一人平舉雙臂(圖上未繪)，人的軀幹的光影像訊號72由透鏡組件12的正前方、以平行主光軸201的方向進入透鏡組件，人的平舉左手的光影像訊號71和平舉右手的光影像訊號73則分別以一夾角(與主光軸201不平行而成一角度)進入透鏡組件後到達感測器40。第一實施例的第一透鏡模組120可提供足夠的空間讓光影像訊號72、光影像訊號71和光影像訊號73不互相干擾地抵達感測器40後由感測器40接收。

再者，本案的組合式透鏡模組可搭配一感測器40而成為一攝像組件。因本案的組合式透鏡模組可允許殼體外的可見光和紅外光通過透鏡模組後到達感測器40(見圖4和圖5)，感測器40可以是可同時感測可見光和紅外光的一非貝爾感測器(non-Bayer sensor)。請參考圖4和圖5，感測器40可由複數個感測像素74排列成一維或二維陣列。每個感測像素74可包括四個像素單位75、76、77和78，其中，像素單位75感測紅光(R)、像素單位76感測綠光(G)、像素單位77感測藍光(B)，以及像素單位78感測紅外光或其他不可見光。依據上述，每個感測像素74的像素單位75、76、77為感測器40的可見光感測區域的一部分，像素單位78則為感測器40的紅外光感測區域的一部分。

是以，本案之通過主透鏡單元的可見光影像訊號到達非貝爾感測器的可見光感測區域，通過關連透鏡單元的紅外光訊號到達非貝爾感測器的紅外光感測區域，因而可以使用單一感測器即可，如此可以簡化攝像組件的部件。當然，可以理解的，若設計者有其他考量，亦可使用分離的二或多個感測器，負責接收可見光影像訊號可利用一般的貝爾感測器(Bayer sensor)，接收紅外光或其他不可見光者則可利用專門對應的感測器即可。

再者，如圖4的透鏡組態的影像圈可如圖3所示，影像圈25即為第一透鏡模組120的影像圈，依據”XAXP”的透鏡組態規則，能夠使得所有關聯透鏡模組的影像圈皆可在第一透鏡模組120的影像圈範圍內，並且第一透鏡模組的透鏡設計較有自由度和較高的解析能力。

圖6為本案之一第二實施例之透鏡組件的剖面部分和其他元件剖面的示意圖。參考圖1和圖6，透鏡組件12包括三個透鏡52、54和56，透鏡52包括一第一主透鏡單元51和設置於第一主透鏡單元51周圍的第一關聯透鏡單元61和第二關聯透鏡單元62。類似的，透鏡54包括第二主透鏡單元53和設置於第二主透鏡單元53周圍的第三關聯透鏡單元63和第四關聯透鏡單元64；透鏡56包括第三主透鏡單元55和設置於第三主透鏡單元55周圍的第五關聯透鏡單元65和第六關聯透鏡單元66。再者，透鏡54設置於透鏡52和透鏡56之間，光欄30則設置於最接近物面的透鏡52，形成了透鏡組態為”AXXP”的第一透鏡模組120，透鏡56的後方則為一感測器40。要說明的是，圖6中的光影像訊號是類似圖4的，於圖6中係省略一部份的光影像訊號，並非用以限制本案之第二實施例。

相較於第一實施例，第二實施例的設置於最接近物面的位置，並且最接近感測器的透鏡56的第三主透鏡單元55屈光力為正數，較佳為0.6924，透鏡52、54的第一主透鏡單元51和第二主透鏡單元53的屈光力則分別可為正或負，較佳者例如，第一主透鏡單元51的OP為3.964，第二主透鏡單元53的OP為-0.789，但本案不以此為限。

圖7為圖6的影像圈示意圖。請參考圖1、6和圖7，第一透鏡模組120(主透鏡模組)的影像圈為影像圈27，其餘屬於關聯透鏡模組的影像圈則分別為影像圈272、274、276和278，其中，影像圈272、274、276和278分別與影像圈27有部分重疊之處，可擷取影像範圍28則落於上述所有影像圈的範圍內。

依據上述，本案的透鏡模組組合多個透鏡，每個透鏡上皆可有分別負責可見光影像穿經和紅外光訊號通過的不同透鏡單元，相較於使用單一透鏡，使用組合透鏡可以大大地提高視場(FOV)，進而提高由關聯視野的影像品質。其次，負責可見光影像穿經的透鏡單元可位於任一透鏡的中心區域，負責紅外光訊號的透鏡單元則可位於任一透鏡的周圍區域。從一角度來看，負責紅外光訊號的透鏡單元在實作上為負責可見光的透鏡單元的延伸，可增加整個透鏡的機械強度，又可使紅外光訊號通過到達後方的感測器，兼顧機械和光學的性質；另一方面，則由於任單一透鏡上皆可有分別負責可見光影像穿經和紅外光訊號通過的不同透鏡單元，因此本案的透鏡模組適合用於多重光圈的攝像裝置。再者，此多個透鏡可被同時置放於一殼體中，使得整體的體積精小，適合薄型化電子裝置，例如智慧型手機。又，由於本案的組合式透鏡模組可同時接收可見光和紅外光影像訊號，因此，可應用於若干使用或需要紅外光作為偵測、掃描或其他用途的場合，例如人體互動裝置或場合。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並非用以限定本發明的權利要求範圍，因此凡其他未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含于本發明的範圍內。