TWI769465B - 光學成像裝置 - Google Patents

Abstract

一種光學成像裝置，包含多個光學鏡片、一第一鏡片架以及一第二鏡片架。多個光學鏡片沿一光軸配置，以朝向一取像方向進行取像，並成像於一成像面。多個光學鏡片區分為至少一組固定鏡片組以及至少一組可動鏡片組。第一鏡片架用於承載固定鏡片組，且第二鏡片架用於承載可動鏡片組。其中，固定鏡片組以及第一鏡片架為固定設置，且可動鏡片組以及第二鏡片架用以相對於固定鏡片組以及第一鏡片架位移，以對光學鏡片進行變焦。

Description

光學成像裝置

本發明有關於光學鏡片群組的配置，特別是關於一種光學成像裝置。

如圖1以及圖2所示，攝影裝置的光學鏡片組是由多個光學鏡片沿一光軸L依序排列設置而成，以在有限空間中得到較長的有效焦距(Effect Focal Length，EFL)，以成像於一成像面I。所述成像面I係為用於設置影像感測器140’的假想平面。前述光學鏡片群組的多個光學鏡片，通常會固定於一鏡片架上，而形成單一的光學鏡片組120’。

如圖1以及圖2所示，當物距改變，前述的光學鏡片組120’需要前後位移改變後焦長(back focal length)以對物體進行對焦，而讓不同物距的物體能清晰成像於成像面I。或是，攝影裝置不穩定時，光學鏡片組120’上下左右位移以進行光學防手震(Optical Image Stabilization，OIS)。多個光學鏡片群組成的光學鏡片組120’重量大，需要以尺寸較大的音圈馬達(Voice Coil Motor,VCM)或其他的致動元件130’來驅動位移。智慧型手機或平板電腦等可攜式電子裝置，通常較為輕薄而內部空間有限。大尺寸的致動元件130’佔用空間，不利於將光學鏡 片組120’配置於空間有限的可攜式電子裝置中。同時，大驅動力的致動元件130’消耗較大的驅動電流，而將耗損較多的電力。

鑑於上述問題，本發明提出一種光學成像裝置，降低進行光學特性調整時所需要的驅動力大小。

在本發明至少一實施例中，光學成像裝置包含多個光學鏡片、一第一鏡片架以及一第二鏡片架。多學鏡片沿一光軸配置，以朝向一取像方向進行取像，並成像於一成像面。

該些光學鏡片區分為至少一組固定鏡片組以及至少一組可動鏡片組。第一鏡片架用於承載固定鏡片組，且第二鏡片架用於承載可動鏡片組。固定鏡片組以及第一鏡片架為固定設置，且可動鏡片組以及第二鏡片架用以相對於固定鏡片組以及第一鏡片架位移。

在至少一實施例中，可動鏡片組用以相對於固定鏡片組，在光軸上前後位移。

在至少一實施例中，可動鏡片組用以相對於固定鏡片組，在垂直於光軸的一平面上位移。

在至少一實施例中，光學成像裝置更包含一影像感測器，位於成像面。

在至少一實施例中，光學成像裝置更包含一濾光片，位於該些光學鏡片以及影像感測器之間。

在至少一實施例中，光學成像裝置更包含一固定架，影像感測器以及濾光片設置在固定架上。

在至少一實施例中，光學成像裝置更包含一致動元件，連接於可動鏡片組，致動元件用以驅動可動鏡片組相對於固定鏡片組位移。

在至少一實施例中，致動元件連接於第二鏡片架。

在至少一實施例中，致動元件為一音圈馬達、一記憶金屬馬達、一壓電馬達或者其中兩者以上之組合。

在至少一實施例中，光學成像裝置更包含一光路改變元件，位於該些光學鏡片的取像方向，光路改變元件用以將平行於一實際取像方向行進之光線改變為平行於取像方向行進。

在至少一實施例中，光路改變元件為一反射片，反射片與取像方向之間形成一夾角。

在至少一實施例中，光路改變元件為一稜鏡，稜鏡具有一入光面以及一出光面，入光面朝向實際取像方向，出光面朝向該些光學鏡片，且入光面以及出光面之間具有一夾角。

在至少一實施例中，光學成像裝置具有二組以上的固定鏡片組，且各固定鏡片組的有效焦距不同。

在至少一實施例中，光學成像裝置具有二組以上的可動鏡片組，且各可動鏡片組的有效焦距不同。

本發明將多個光學鏡片區分為多個群組。在進行光學特性調整時，例如對焦、變焦、光學防手震時，僅移動多個光學鏡片中的可動鏡片組。可動鏡片組的重量或是進行光學特性調整所需要的位移行程小於整個光學鏡片群組的重量或所需要的位移行程。因此，用於移動可動鏡片組的致動元件所需要提供的驅動力小於移動整個光學鏡片群組所需要的 驅動力，可以有效縮小致動元件的尺寸，進而縮小光學成像裝置的整體尺寸以及重量。同時，因為致動元件需要提供的驅動力下降，使得致動元件所需要的驅動電流也可以降低，改善光學成像裝置的電力消耗狀況。

100:光學成像裝置

110:固定鏡片組

112:第一鏡片架

120:可動鏡片組

120’:光學鏡片組

122:第二鏡片架

130,130’:致動元件

140,140’:影像感測器

150:濾光片

160:固定架

170:光路改變元件

172:入光面

174:出光面

180:基座

300:殼體

310:窗口

C:取像方向

C’:實際取像方向

I:成像面

L:光軸

P1:第一位置

P2:第二位置

△P:初始位移行程

圖1是先前技術中，攝影裝置的上視示意圖。

圖2是先前技術中，光學鏡片組位移進行對焦的示意圖。

圖3是本發明第一實施例中，光學成像裝置的上視示意圖。

圖4是本發明第一實施例中，光學成像裝置的剖面示意圖。

圖5是本發明第一實施例中，光學成像裝置進行對焦的示意圖。

圖6是本發明第二實施例中，光學成像裝置的剖面示意圖。

圖7是本發明第二實施例中，另一光學成像裝置的剖面示意圖。

圖8以及圖9是本發明第一、第二實施例中，固定鏡片組以及可動鏡片組的排列示意圖。

圖10是本發明第三實施例中，固定鏡片組以及可動鏡片組的排列示意圖。

圖11是本發明第四實施例中，固定鏡片組以及可動鏡片組的排列示意圖。

圖12以及圖13是本發明第五實施例中，固定鏡片組以及可動鏡片組的排列示意圖。

請參閱圖3以及圖4所示，為本發明第一實施例所揭露的一種光學成像裝置100，用於朝向一取像方向C取像，並成像於一成像面I；前述成像面I為一假想平面。

參閱圖3及圖4所示，光學成像裝置100包含多個光學鏡片、一致動元件130、一影像感測器140以及一濾光片150。光學成像裝置100用於設置於電子裝置中；電子裝置可為但不限於智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、顯示器或獨立攝影機。

如圖3以及圖4所示，多個光學鏡片沿一光軸L配置，以朝向取像方向C進行取像，並成像於成像面I。多個光學鏡片區分為一組或多組固定鏡片組110以及一組或多組可動鏡片組120；第一實施例以一組固定鏡片組110以及一組可動鏡片組120作為例示說明，但固定鏡片組110以及可動鏡片組120的組數可以任意變化。

如圖3以及圖4所示，固定鏡片組110為固定設置，且可動鏡片組120用以相對於固定鏡片組110位移。於第一實施例中，可動鏡片組120係配置於固定鏡片組110以及成像面I之間，而可改變多個光學鏡片至成像面I的後焦長，以對具有不同物距的物體進行對焦，在成像面I清晰地成像；但本發明不排除固定鏡片組110以及可動鏡片組120的位置互相交換；亦即，固定鏡片組110以及可動鏡片組120於光軸L上的排列次序並不受限制，而可任意改變。

如圖3以及圖4所示，相對於固定鏡片組110，可動鏡片組120可於光軸L上前後位移，或是於垂直於光軸L的一平面上進行上下左右位移。可動鏡片組120相對於固定鏡片組110位移的方向取決於所要執行的 功能。當執行對焦功能時，可動鏡片組120是相對於固定鏡片組110於光軸L上前後位移。當執行光學防手震功能時，可動鏡片組120是相對於固定鏡片組110於垂直於光軸L的平面上進行上下左右位移。當然，前述兩種功能可以同時執行，使得可動鏡片組120進行三軸移動。

如圖3所示，影像感測器140以及濾光片150構成一影像感測模組。影像感測器140是位於成像面I，使多個光學鏡片的成像可以落在影像感測器140。影像感測器140進行影像擷取，並且編碼產生影像訊號。濾光片150位於該些光學鏡片以及影像感測器140之間，用以調整進入影像感測器140的光線波長分佈。

如圖3以及圖4所示，致動元件130直接地或間接地連接於可動鏡片組120，使可動鏡片組120結合致動元件130而形成調整模組。致動元件130用以驅動可動鏡片組120相對於固定鏡片組110位移，以執行對焦功能或光學防手震功能。致動元件130可為但不限定於音圈馬達(Voice Coil Motor,VCM)、記憶金屬馬達(Shape Memory Alloys,SMA)、壓電馬達(Piezo)，或者其中兩者以上之組合。致動元件130可為音圈馬達(Voice Coil Motor,VCM)、記憶金屬馬達(Shape Memory Alloys,SMA)、壓電馬達(Piezo)或者其中兩者以上之組合。同時，以音圈馬達為例，音圈馬達中的線圈數量可以根據需求配置，使得可動鏡片組120可以於光軸L上單軸移動進行對焦、垂直於光軸L進行二軸線性移動以達成光學防手震，或是同時進行三軸線性移動達成對焦以及光學防手震。除了在三軸線性移動之外，透過可動鏡片組120相對兩側邊的驅動 行程差異配置，可動鏡片組120也可以適度的傾斜或旋轉以進行光軸L校正。

如圖4所示，固定鏡片組110、致動元件130、濾光片150以及影像感測器140直接或間接地固定於一基座180，使固定鏡片組110、調整模組以及影像感測模組可以依序組裝連接。基座180可為一獨立的基板，例如印刷電路板，以使光學成像裝置100形成單一模組，以利於安裝於電子裝置。基座180也可以是電子裝置的殼體300的一部分。

再參閱圖4所示，光學成像裝置100可進一步包含一第一鏡片架112、一第二鏡片架122以及一固定架160。第一鏡片架112以及固定架160設置於基座180，第一鏡片架112承載固定鏡片組110，且影像感測器140以及濾光片150固定於固定架160，以使得固定鏡片組110、濾光片150以及影像感測器140間接地固定於基座180。第二鏡片架122承載可動鏡片組120，且致動元件130連接於第二鏡片架122並且固定於基座180，以使可動鏡片組120間接地連接於致動元件130。前述的固定結構僅為例示，本發明不限定以前述固定結構設置該些光學鏡片、致動元件130以及影像感測器140。在一些實施例中，光學成像裝置100可包括一鏡筒，固定鏡片組110、可動鏡片組120以及致動元件130設置於鏡筒中。在一些實施例中，固定鏡片組110設置於一鏡筒中，可動鏡片組120以及致動元件130設置於另一鏡筒，且該二鏡筒彼此連接。

如圖4以及圖5所示，通常，固定鏡片組110及可動鏡片組120所具有的光學鏡片的數量，是盡量地使可動鏡片組120可以擁有較小的重量，使得較小的驅動力就可以驅動可動鏡片組120位移，而使得致動元件 130的尺寸可以有效地被縮小。通常，長焦距的光學鏡片群組中的多個光學鏡片的尺寸會依序縮小，使得成像端的光學鏡片會有較小的重量；此時可以選取靠近成像面I的光學鏡片作為可動鏡片組120，使得可動鏡片組120位於固定鏡片組110與成像面I之間，並且可動鏡片組120的重量小於固定鏡片組110，此種可動鏡片組120的選取僅為一種方案，並非用於限定本發明中可動鏡片組120的選取。

如圖5所示，當光學鏡片群組要進行對焦，例如將拍攝距離由無限(Infinity)改變為近距離時，需要改變光學鏡片群組至成像面I的後焦長，以完成對焦而讓成像的影像清晰。於本發明一或多個實施例中的光學成像裝置100中，只需要移動可動鏡片組120就能改變後焦長以進行對焦，而不需移動整個光學鏡片群組。由於可動鏡片組120的光學鏡片數量以及佔用的空間小於整個光學鏡片群組，致動元件130不論是重量或尺寸都可以縮小，並且致動元件130所需要的驅動電流也可以降低。

先前技術以圖2為例，並以圖5為本發明的一例示進行比較。可動鏡片組120的有效焦距(Effect Focal Length，EFL)實際上會小於整個光學鏡片群組的有效焦距。達成相同對焦效果時，可動鏡片組120由第一位置P1移動至第二位置P2所需要位移行程(後焦長的變化量)，將會小於移動整個光學鏡片群組進行對焦所需要的初始位移行程△P。

在小尺寸的可攜式電子裝置中，例如具有照相功能的手機或可攜式攝影裝置，成像裝置通常會具有5~8個光學鏡片，該些光學鏡片的有效焦距為20~35mm。依據本發明所提出的光學成像裝置100，可動鏡片組120的數量可以配置為為3~4個光學鏡片組成，且可動鏡片組120有效 焦距配置為小於20~35mm；此時，移動可動鏡片組120進行對焦，所需要移動的位移行程就可以縮小。

參閱圖2以及圖5所示，舉例而言，當光學鏡片群組的有效焦距為26.6mm，且物距由無限遠改變為1.2m的距離時，移動整個光學鏡片群組進行對焦所需要初始位移行程△P為0.619mm。若光學鏡片群組的有效焦距仍為26.6mm，但如圖5所示區分為有效焦距為13.311mm的固定鏡片組110以及有效焦距為-8.213mm的可動鏡片組120時，對焦時僅需要移動可動鏡片組120，且可動鏡片組120由第一位置P1移動至第二位置P2所需要的位移行程可以下降至0.2mm。

請參閱圖6以及圖7所示，為本發明第二實施例所揭露的一種光學成像裝置100。在第二實施例與第一實施例的差別在於，第二實施例的光學成像裝置100更包含一光路改變元件170，位於該些光學鏡片的取像方向C，用以將平行一實際取像方向C’行進之光線改變為平行於取像方向C行進。亦即，光學成像裝置100可以配置為潛望鏡式結構，使得該些光學鏡片的光軸L不需要沿著電子裝置的厚度方向配置，有利於在輕薄的電子裝置中應用。

如圖6所示，在一具體實施例中，光路改變元件170是一反射片，反射片與取像方向C之間形成一夾角。取像方向C與反射片之間的夾角，以及實際取像方向C’與反射片的夾角設定為相同，使得通過電子裝置殼體300的窗口310行進的光線，可以經過反射片後改變行進方向而通過固定鏡片組110以及可動鏡片組120，並在影像感測器140上成像。

如圖7所示，在一具體實施例中，光路改變元件170是一稜鏡。稜鏡具有一入光面172以及一出光面174。入光面172朝向實際取像方向C’，出光面174朝向多個光學鏡片，且入光面172以及出光面174之間具有一夾角，以將沿實際取像方向C’行進之光線改變至取像方向C。

參閱圖8以及圖9所示，於第一實施例以及第二實施例中，固定鏡片組110以及可動鏡片組120的相對位置可以有多種變化。圖中所示的光路改變元件170在取像方向C以及實際取像方向C’相同時可以省略。

如圖8所示，可動鏡片組120可以是位於固定鏡片組110與成像面I之間，亦即可動鏡片組120位於固定鏡片組110與影像感測器140之間。因此，進行對焦時，是以接近影像感測器140的光學鏡片群組進行移動而改變後焦長。

如圖9所示，固定鏡片組110可以位於可動鏡片組120與成像面I之間，亦即固定鏡片組110位於可動鏡片組120與影像感測器140之間。因此，進行對焦時，是以遠離影像感測器140的光學鏡片群組進行移動而改變前焦長。

請參閱圖10所示，為本發明第三實施例所揭露的一種光學成像裝置100。光學成像裝置100包含二組固定鏡片組110以及一組可動鏡片組120。圖中所示的光路改變元件170在取像方向C以及實際取像方向C’相同時可以省略。可動鏡片組120位於二組固定鏡片組110之間。可動鏡片組120進行移動時，是以位於多個光學鏡片中段的光學鏡片群組進行移 動，因此此時的可動鏡片組120可以進行變焦。前述二組固定鏡片組110不需要具有相同光學鏡片組成，也不需要具有相同的有效焦距。

如圖11所示，為本發明第四實施例所揭露的一種光學成像裝置100。光學成像裝置100包含一組固定鏡片組110以及二組可動鏡片組120。圖中所示的光路改變元件170在取像方向C以及實際取像方向C’相同時可以省略。固定鏡片組110位於二組可動鏡片組120之間。進行對焦時，是以位於多個光學鏡片前段以及後段的光學鏡片群組進行移動，同時改變前焦長以及後焦長。前述二組可動鏡片組120不需要具有相同光學鏡片組成，也不需要具有相同的有效焦距。

如圖12以及圖13所示，為本發明第五實施例所揭露的一種光學成像裝置100。光學成像裝置100包含多組固定鏡片組110以及多組可動鏡片組120。圖中所示的光路改變元件170在取像方向C以及實際取像方向C’相同時可以省略。圖中所示固定鏡片組110以及可動鏡片組120的排列僅為例示，亦可為其他的排列次序。進行對焦時，僅有可動鏡片組120需要移動，而不需同時移動所有的光學鏡片。此外，多組可動鏡片組120中，也可以依據實際取像需求，僅移動其中位於兩組固定鏡片組110之間的可動鏡片組120，而達成變焦效果，不必然是多組可動鏡片組120同時移動以進行對焦或變焦。前述多組可動鏡片組120不需要具有相同光學鏡片組成，也不需要具有相同的有效焦距。

在本發明一或多個實施例中，固定鏡片組110以及可動鏡片組120的數量，或者是在光軸L上的排列次序可以任意變化，不限定於如圖8至圖13所示的數量以及排列次序。特別是，移動位於不同位置的可動 鏡片組120，可以達成不同的光學調整效果；例如改變前焦長(front focal length)或後焦長可以對具有不同物距的物體進行對焦，而改變可動鏡片組120於二個固定鏡片組110之間的相對位置可以進行變焦。

本發明將多個光學鏡片區分為多個群組。在進行光學特性調整時，僅移動多個光學鏡片中的可動鏡片組120。可動鏡片組120的重量或是進行光學特性調整所需要的位移行程小於整個光學鏡片群組的重量或所需要的位移行程。因此，用於移動可動鏡片組120的致動元件130所需要提供的驅動力小於移動整個光學鏡片群組所需要的驅動力，可以有效縮小致動元件130的尺寸，進而縮小光學成像裝置100的整體尺寸以及重量。同時，致動元件130需要提供的驅動力下降，使得致動元件130所需要的驅動電流也可以降低，改善光學成像裝置100的電力消耗狀況。

100:光學成像裝置

110:固定鏡片組

120:可動鏡片組

130:致動元件

140:影像感測器

150:濾光片

C:取像方向

I:成像面

L:光軸

Claims (12)

1. 一種光學成像裝置，包含：一基座；至少一組固定鏡片組以及一第一鏡片架，其中，該至少一組固定鏡片組結合於該第一鏡片架，並且該第一鏡片架固定地設置於該基座；至少一組可動鏡片組以及一第二鏡片架，其中，該至少一組可動鏡片組結合於該第二鏡片架，並且該第二鏡片架可移動地設置在該基座；至少一組固定鏡片組以及該至少一組可動鏡片組分別由多個光學鏡片組成，該些光學鏡片沿一光軸配置，以朝向一取像方向進行取像，並成像於一成像面；以及一固定架以及一影像感測器，其中，該影像感測器結合於該固定架上，該固定架固定地設置於該基座並且該影像感測器位於該成像面；其中，該至少一組可動鏡片組以及該第二鏡片架用以相對於該至少一組固定鏡片組以及該第一鏡片架位移。
2. 如請求項1所述的光學成像裝置，其中，該至少一組可動鏡片組用以相對於該至少一組固定鏡片組，在該光軸上前後位移。
3. 如請求項1所述的光學成像裝置，其中，該至少一組可動鏡片組用以相對於該至少一組固定鏡片組，在垂直於該光軸的一平面上位移。
4. 如請求項1所述的光學成像裝置，更包含一濾光片，位於該些光學鏡片以及該影像感測器之間。
5. 如請求項4所述的光學成像裝置，其中，該濾光片設置在該固定架上。
6. 如請求項1所述的光學成像裝置，更包含一致動元件，連接該第二鏡片架至該基座，該致動元件用以驅動該第二鏡片架以及該可動鏡片組相對於該第一鏡片架以及該固定鏡片組位移。
7. 如請求項6所述的光學成像裝置，其中，該致動元件為一音圈馬達、一記憶金屬馬達、一壓電馬達或者其中兩者以上之組合。
8. 如請求項1所述的光學成像裝置，更包含一光路改變元件，位於該些光學鏡片的該取像方向，該光路改變元件用以將平行於一實際取像方向行進之光線改變為平行於該取像方向行進。
9. 如請求項8所述的光學成像裝置，其中，該光路改變元件為一反射片，該反射片與該取像方向之間形成一夾角。
10. 如請求項8所述的光學成像裝置，其中，該光路改變元件為一稜鏡，該稜鏡具有一入光面以及一出光面，該入光面朝向該實際取像方向，該出光面朝向該些光學鏡片，且該入光面以及該出光面之間具有一夾角。
11. 如請求項1所述的光學成像裝置，其中，該光學成像裝置具有二組以上的該固定鏡片組，且各該固定鏡片組的有效焦距不同。
12. 如請求項1所述的光學成像裝置，其中，該光學成像裝置具有二組以上的該可動鏡片組，且各該可動鏡片組的有效焦距不同。

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