TWI495335B - 取像模組及其運作方法 - Google Patents

Description

取像模組及其運作方法

本發明涉及一種取像模組，尤其係一種兼具擴展景深(extended depth of focus，EDoF)模式與自動對焦(auto focus，AF)模式之取像模組。

一般取像的功能需要把影像投影成像在電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)感測器或互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)感測器上。由於取像會有所謂景深的問題，因此對於定焦式取像模組而言，只有與取像之距離在特定範圍內的物體可以清楚成像。

自動對焦技術係使取像模組可根據物體之遠近，自動調整取像模組之對焦透鏡組之位置，以使得取像模組之成像平面上之成像清晰。因此，自動對焦式取像模組需要有一定的致動機械結構，由致動機械結構不斷調整對焦透鏡組之位置，以提供不同距離物體的成像對焦，導致自動對焦式取像模組消耗較多能量。

擴展景深式取像模組採用的是數學運算輔助，當目標光點並非放在可以清楚成像的位置，會在電荷耦合器件感測器或互補金屬氧化物半導體感測器上投影成一個模糊的光斑，這時擴展景深式取像模組可以利用軟體進行數學運算，將光斑反運算還原成原來的光點，而形成清晰的影像。換言之，原先沒有完美對焦成像的模 糊光斑，可以藉由數學運算還原成清晰的影像。然而，擴展景深式取像模組之缺點為無法將近拍的被攝物體影像還原成清晰的影像，所以當取像模組接近被攝物體時，擴展景深式取像模組會產生影像模糊的問題。

由於自動對焦式取像模組與擴展景深式取像模組各自具有迥異的裝置結構與運作方式，因此傳統之取像模組難以兼具兩者之優點，仍會具有耗能較大或無法近拍的問題。有鑑於此，如何提供一種具有更加對焦方式與節能功能的取像模組，仍為本領域之一大課題。

本發明提供一種取像模組及其運作方法，以解決習知問題。

一種取像模組包括透鏡組、影像感測元件、影像處理單元、致動器與控制單元。透鏡組用以進行光學成像而形成影像。影像感測元件設置於透鏡組之一側，用以感測影像而輸出影像訊號。影像處理單元電性連接至影像感測元件，用以對影像訊號進行運算處理，藉以實現擴展景深功能。致動器連接至透鏡組，以調整透鏡組之景深。控制單元電性連接至影像感測元件、致動器與影像處理單元。控制單元用以接收影像訊號，並據以控制影像處理單元與致動器兩者至少其一進行運作，以獲得清晰影像。

一種取像模組之運作方法，包括以下步驟：首先提供取像模組，取像模組包括透鏡組、設置於透鏡組之一側之影像感測元件，與連接至透鏡組之致動器；其後，利用透鏡組對被攝物體進行光學成像而形成影像；接著，利用影像感測元件感測前述影像而輸出影像訊號；當影像訊號之清晰度高於預定值時，對影像訊號進行 擴展景深處理，當影像訊號之清晰度低於預定值時，控制致動器調整透鏡組之景深，藉以獲得清晰影像。

相較於先前技術，所述取像模組可藉由控制單元判斷是否啟動致動器。當影像訊號之清晰度較高時，取像模組可直接利用影像處理單元進行擴展景深處理即可獲得清晰影像，節省能量消耗；而當影像訊號之清晰度較低時，取像模組可利用致動器而調整透鏡組之位置或焦距，進而獲得清晰影像。因此，本發明之取像模組可同時兼具節能與擴展景深等特點。

2‧‧‧被攝物體

10‧‧‧透鏡組

12、14、16‧‧‧透鏡

15‧‧‧抗反射層

18‧‧‧間隔體

20‧‧‧影像感測元件

22‧‧‧基底

30‧‧‧影像感處理單元

40‧‧‧致動器

50‧‧‧控制單元

60‧‧‧晶片

17‧‧‧鏡筒

17a‧‧‧階梯孔

74‧‧‧光軸

80‧‧‧底座

13‧‧‧濾光片

94‧‧‧透明蓋板

100‧‧‧取像模組

圖1係本發明實施例之取像模組之功能方塊示意圖。

圖2係本發明實施例之取像模組之結構剖視示意圖。

圖3係本發明實施例之取像模組之運作方法示意圖。

下面將結合附圖對本發明實施例作進一步之詳細說明。

請參照圖1與圖2，本實施例所提供之取像模組100包括透鏡組10、影像感測元件20、影像處理單元30、致動器40與控制單元50。此外，取像模組100更可包括底座80與基底22，但不限於此。

透鏡組10用於對被攝物體2進行光學成像。透鏡組10可包括複數個透鏡12、14與16、濾光片13、鏡筒(lens barrel)17與間隔體18。透鏡組10中透鏡之數目不限於本實施例中之三個，其可為單一個、兩個、四個或更多。各透鏡12、14與16可選自塑膠透鏡與玻璃透鏡等定焦透鏡，亦可選自液態透鏡(liquid lens)或液晶透鏡等變焦透鏡。優選的，透鏡12、14與16均為非球面透鏡，且 透鏡12、14與16之表面均設置有抗反射層(anti-reflective coating)15。

鏡筒17用以收容透鏡12、14與16與濾光片13等光學元件，使取像模組100之中心軸實質上可與透鏡組10之光軸(optical axis)74重合，但不限於此。本實施例之鏡筒17外表面可不需設置螺紋，例如為平滑表面，方便致動器40可控制鏡筒17之滑動。鏡筒17之位於透鏡組10物側一端可設置階梯孔17a，用於控制由被攝物體2而入射至鏡筒17內之光線之入射角。間隔體18設置於透鏡12、14與16中相鄰兩者之間，藉以防止相鄰兩個透鏡之間因接觸或碰撞而導致元件損傷。濾光片13例如為紅外線截止濾光片。鏡筒17之一端可嵌入至底座80之開口內，使鏡筒17、透鏡組10與濾光片13均設置於底座80上。

影像感測元件20設置於透鏡組10之像側，用以感測經由透鏡組10之光學成像，並將光學成像轉換成相應之影像訊號作為輸出訊號。影像感測元件20可為電荷耦合器件元件或互補金屬氧化物半導體感測元件。通常的，當影像感測元件20之解析度為3百萬畫素及以上時，相應的，透鏡組10可設置有4片或更多片非球面透鏡。

控制單元50電性連接至影像感測元件20、致動器40與影像處理單元30。控制單元50接收影像感測元件20產生之影像訊號，並據以控制影像處理單元30與致動器40兩者至少其一進行運作，以獲得清晰影像。更具體地說，控制單元50亦可測試出影像感測元件20所感測到之影像清晰度，例如解像力(resolution)或對比度。控制單元50可包括一調制轉換函數(modulation transfer function，MTF)測試功能或對比度量測功能，用以測試影像訊號之解像力或對比度。當影像訊號之清晰度高於一預定值時，例如調制轉換函數之解像力數值大於15%時，控制單元50可將影像訊號傳送至影像處理單元30進行擴展景深處理，即取像模組100係採用擴展景深模式(Extend Depth of Field)進行運作；當影像訊號之清晰度低於一預定值時，例如調制轉換函數之解像力數值小於15%時，控制單元50可控制致動器40而調整透鏡組10之景深，即取像模組100係採用自動對焦模式進行運作。

需注意的是，前述之影像清晰度預定值可根據產品需求而調整。當前述影像清晰度預定值設定較高時，取像模組100於近拍狀況下較容易啟動自動對焦模式，因此可呈現較清晰之影像；當前述影像清晰度預定值設定較低時，啟動自動對焦模式之機會較少，因此有較佳節能效果。舉例而言，本發明之調制轉換函數之解像力預定值可介於10%與20%之間。

影像處理單元30電性連接至影像感測元件20，用以對影像訊號進行運算處理以實現擴展景深功能。影像處理單元30具有擴展景深功能，當取像模組100係採用擴展景深模式進行運作時，影像處理單元30將成像在影像感測元件20上的影像反運算，進而還原成清晰影像。此時，取像模組100不需啟動致動器40，大幅減少了機械運作的能量消耗。於本實施例之實際運作中，當被攝物體2與取像模組100之距離實質上大於40公分時，取像模組100會採用擴展景深模式獲得清晰影像，而不需啟動致動器40。

致動器40機械連接至透鏡組10，以調整透鏡組10之景深。更具體地說，當取像模組100係採用自動對焦模式進行運作時，致動器 40接受控制單元50的控制，可驅動透鏡組10至目標對焦位置，或是改變透鏡組10之焦距，進而可實現取像模組100之自動對焦。舉例來說，致動器40可選自音圈馬達(voice coil motor，VCM)致動器、壓電(piezoelectric)致動器、微機電系統(micro electro mechanical systems，MEMS)致動器與形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)致動器其中之一，用以調整透鏡組10之位置。當透鏡組10選自液態透鏡或液晶透鏡等變焦透鏡時，致動器40可對應地選自液晶致動器與一液體鏡頭(liquid lens)致動器其中之一，用以改變透鏡組10之焦距。

此時，致動器40藉由調整透鏡組10而彌補了影像處理單元30之不足，使得取像模組100在近拍的情況下仍具有優異的影像品質。於本實施例中，當被攝物體2與取像模組100之距離實質上小於40公分時，取像模組100可採用自動對焦模式獲得清晰影像，尤其當被攝物體2與取像模組100之距離實質上介於10公分與40公分之間時效果更佳。

於本實施例中，影像感測元件20、影像處理單元30與控制單元50可整合於一晶片60中，例如為電荷耦合器件感測器與互補金屬氧化物半導體感測器其中之一。晶片60可利用金凸塊(Au bump)以覆晶封裝(flip chip package)方式與陶瓷基底22電性連接，並收容於底座80之開口內。為避免灰塵或其他污染物污染影像感測元件20，底座80更可於影像感測元件20之一側設置透明蓋板94，如透明玻璃板，但不限於此。

於本發明之其他實施例中，取像模組100亦可進一步包含定位元件(未標示)，電性連接至控制單元50，用以將透鏡組10實際位置 之訊號輸出至控制單元50，但不限於此。據此，控制單元50可比較透鏡組10之目標位置與透鏡組10之實際位置，並將差值作為控制訊號輸出至致動器40。

如圖3所示，其為本實施例中取像模組100之運作方法示意圖。首先，提供前述之取像模組100，利用透鏡組10將被攝物體2聚焦至影像感測元件20並產生被攝物體2之光學成像；接著，利用影像感測元件20感測前述影像，並將其轉換成影像訊號而輸出；利用控制單元50來測試影像訊號之清晰度；當影像訊號之清晰度高於預定值時，對影像訊號進行擴展景深處理，當影像訊號之清晰度低於預定值時，控制致動器調整透鏡組之景深，藉以獲得清晰影像。

具體而言，前述影像訊號之清晰度預定值可根據需要而調整，例如解像力預定值介於調制轉換函數之10%至20%。據此，當被攝物體2與取像模組100之距離實質上大於40公分時，取像模組100均可採用擴展景深模式獲得清晰影像，而不需啟動致動器40；當被攝物體2與取像模組100之距離實質上小於40公分時，取像模組100可採用自動對焦模式獲得清晰影像，且尤以其間距介於10公分與40公分時為佳。

本發明之取像模組可兼具擴展景深模式與自動對焦模式，克服了習知自動對焦式取像模組與擴展景深式取像模組難以相互整合之問題。本領域具通常知識者可於本發明精神內做其他變化，例如根據產品需求而調整透鏡組、影像感測元件、影像處理單元、致動器與控制單元的結構或配置。

綜上所述，本發明之取像模組可藉由控制單元判斷是否啟動致動 器。當影像訊號之清晰度較高時，取像模組可直接利用影像處理單元進行擴展景深處理即可獲得清晰影像，節省能量消耗；而當影像訊號之清晰度較低時，取像模組可利用致動器而調整透鏡組之位置或焦距，進而獲得清晰影像。因此，本發明之取像模組可同時兼具節能與擴展景深等特點。

以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，於援依本案發明精神所作之等效修飾或變化，皆應包含於以下之申請專利範圍內。

10‧‧‧透鏡組

20‧‧‧影像感測元件

30‧‧‧影像感處理單元

40‧‧‧致動器

50‧‧‧控制單元

100‧‧‧取像模組

Claims (8)

1. 一種取像模組，包括：一透鏡組，用以進行光學成像而形成一影像；一影像感測元件，設置於該透鏡組之一側，用以感測該影像而輸出一影像訊號；一影像處理單元，電性連接至該影像感測元件，用以對該影像訊號進行運算處理以實現擴展景深功能；一致動器，連接至該透鏡組，用以調整該透鏡組之景深；以及一控制單元，電性連接至該影像感測元件、該致動器與該影像處理單元，該控制單元用以接收該影像訊號並測試該影像訊號之解像力，當該影像訊號之解像力高於一預定值時，該控制單元將該影像訊號傳送至該影像處理單元進行擴展景深處理，以獲得一清晰影像，當該影像訊號之解像力低於一預定值時，該控制單元控制該致動器而調整該透鏡組之位置或焦距，以獲得一清晰影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之取像模組，其中該致動器係選自一音圈馬達致動器、一壓電致動器、一微機電系統致動器與一形狀記憶合金致動器其中之一。
3. 如申請專利範圍第1項所述之取像模組，其中該致動器係選自一液晶致動器與一液體鏡頭(liquid lens)致動器其中之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之取像模組，其中該影像感測元件、該影像處理單元與該控制單元係整合於一電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)感測器與一互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)感測器其中之一。
5. 如申請專利範圍第1項所述之取像模組，其中該透鏡組包括複數個非球面透鏡。
6. 如申請專利範圍第5項所述之取像模組，其中該等非球面透鏡中每一個非球面透鏡之透鏡表面設置有一抗反射層。
7. 一種取像模組之運作方法，包括：提供一取像模組，該取像模組包括一透鏡組、一設置於該透鏡組之一側之影像感測元件，與一連接至該透鏡組之致動器；利用該透鏡組對一被攝物體進行光學成像而形成一影像；利用該影像感測元件感測該影像而輸出一影像訊號；以及當該影像訊號之清晰度高於一預定值時，對該影像訊號進行擴展景深處理，當該影像訊號之清晰度低於一預定值時，控制該致動器調整該透鏡組之景深，以獲得一清晰影像。
8. 如申請專利範圍第7項所述之運作方法，其中該影像訊號之清晰度選自解像力或對比度兩者至少其一。