使用低像素值感光元件撷取高分辨率影像画面的照相装置

摘要

本发明涉及一种使用低像素值感光元件撷取高分辨率影像画面的照相装置。该照相装置包括：一镜头模块，用以接收外部光线；一感光元件，由具有第一像素值的至少一个像素感应器组成；以及一微机电系统反射镜，可将该外部光线反射至该感光元件，以形成具有第二像素值的一数字影像画面；其中，该微机电系统反射镜可摆动至不同的角度，以接收来自不同角度的该外部光线，从而使得该第二像素值高于该第一像素值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种照相装置，尤其是涉及一种使用低分辨率感光元件撷取高分辨率数字影像画面的照相装置。

背景技术

由于市场对数字相机分辨率的要求愈来愈高，同时又要求机身轻薄短小，造成每一像素的感光单元的面积愈作愈小，使得其受光度不足而导致灵敏度下降。也就是说，在缩小相机体积的考虑下，使得感光元件如电耦合装置(CCD，Charge Coupled Device)，互补式金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)等元件的面积受到限制，但在市场高画素的需求下，又不得不在有限的面积里提高感光像素元件的数目，以致于每一像素元件所能分得的进光量大幅降低。且高画素感光元件原本价格即居高不下，而今同时要考虑缩小面积及提高灵敏度的问题，将增高其制作难度及成本。

因此，如何同时满足相机的高分辨率、小面积感光元件及足够像素受光度的需求，同时又能节省成本，是数字相机制造上亟待解决的课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术存在的上述不足，提供一种使用低像素值感光元件撷取高分辨率影像画面的照相装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种照相装置，该照相装置包括：一镜头模块，用以接收一外部光线；一感光元件，包括具一第一像素值的至少一个像素感应器；以及一微机电系统反射镜，可将该外部光线反射至该感光元件，以形成具一第二像素值的一数字影像画面；其中，该微机电系统反射镜可摆动至不同的角度，以接收来自不同角度的外部光线，从而使得该第二像素值高于该第一像素值。

该微机电系统反射镜具有一第一转轴，以使该微机电系统反射镜可作一维摆动。该感光元件可为一线性感光元件。

该微机电系统反射镜还具有一第二转轴，以使该微机电系统反射镜可作二维摆动。此时，该至少一个像素感应器可为一光二极管，或是排列成一二维数组的多个像素感应器。该多个像素感应器可形成于一芯片上。

本发明照相装置可为独立使用的照相机，亦可为应用于一手持装置的照相模块。

前述外部光线可沿一光学路径自该镜头装置经过该反射镜到达该感光元件，该照相装置还可包括一遮光结构，包覆于该光学路径之外，以防止除该外部光线之外的其它光线进入该感光元件。

从另一个角度来看，本发明亦提供了一种照相系统，用以将一待照范围内的一景像转为一数字影像画面，其包括：一镜头，用以收集来自该景像的光线；一光感应装置，由多个像素传感器，以二维排列的方式组成，用以接收该光线并将其转为一电子信号，其中，该光感应装置一次曝光可处理的景像范围小于该待照范围；一反射镜，其可作二维转动，以将该景像分次反映至该光感应装置，由该光感应装置转换为多个数字影像次画面；以及一处理器，组合该多个数字影像次画面成为该数字影像画面。

在这样的照相系统中，该反射镜可为一微机电系统反射镜。为了提供二维摆动的功能，该反射镜可具有二个不同方向的转轴。

在某些应用中，该照相系统还包括一机壳，以容置该镜头、该光感应装置以及该反射镜。

在较高级的机种里，组合数字影像次画面的处理器由容置于该机壳内的照相机本身的处理器来担任。而该照相系统还包括一存储装置，以储存该数字影像画面；以及一内存，以暂存该多个数字影像次画面。在某些应用中，该存储装置可安装入该机壳内，亦可被拆卸而与该机壳分离。

当然，合并数字影像次画面的工作，亦可由一个人计算机的中央处理器来完成。

感光元件的曝光原则上是使用电子快门曝光的方式来完成，然而在某些高级机种中，仍可使用额外的快门装置，安装于该镜头与该光感应装置之间，其可开合以控制该光线进入该光感应装置的时间，其中，该多个数字影像次画面在该快门装置开合一次的时间内转换形成。

本发明的技术概念亦可应用于手持装置的照相模块之中。该照相模块包括：至少一个光二极管像素感应器；一第一透镜装置，用以接收一外部光线；一微机电系统反射镜，将该外部光线反射至该至少一个光二极管像素感应器，并进行摆动，以形成一数字影像画面。

在这样的照相模块里，该微机电系统反射镜可具有二个不同方向的转轴，以进行二维摆动。此时，该至少一个光二极管像素感应器可为单一个光二极管，亦可为多个光感应器，该多个光感应器形成在一芯片上，并呈一二维数组排列。

在另一个实施中，该至少一个光二极管像素感应器为呈一线性排列的多个光感应器，且该微机电系统反射镜具有一转轴，以进行一维摆动。

本发明照相模块还可包括一第二透镜装置，安装于该微机电系统反射镜与该至少一个光二极管像素感应器之间，以调整自该微机电系统反射镜所反射的该外部光线。

本发明照相模块还可包括：一印刷电路板，用来固定该至少一个光二极管像素感应器；以及一透镜固定装置，与该印刷电路板结合，用来固定该第二透镜装置。该照相模块还可包括一壳体，用来包覆并固定该第一透镜装置、该微机电系统反射镜以及该印刷电路板。

本发明利用反射镜改变曝光角度，配合感光元件的多次曝光，以获得比感光元件本身像素值更高的数字影像画面，因而可使用较低像素值且成本较低的感光元件，做出高像素值的照相装置，同时也解决了高分辨率照相装置于小尺寸设计时所遇到的单一像素感光器进光量不足的问题，极具产业价值。

附图说明

图1为根据本发明照相装置第一实施例的立体透视示意图。

图2为图1所示照相装置所使用的反射镜的具体结构示意图。

图3为本发明照相装置所使用的另一种反射镜的具体结构示意图。

图4为图1所示照相装置的光学成像路径示意图。

图5为根据本发明照相装置第二实施例的光学成像路径示意图。

图6为根据本发明照相装置第三实施例的光学成像路径示意图。

图7为根据本发明照相模块实施例的剖面图。

图8为根据本发明照相系统实施例的电路方块图。

图9为根据本发明照相系统所撷取的数字影像画面实施例的示意图。

具体实施方式

图1显示了一个以低分辨率感光元件来撷取高分辨率数字影像的照相装置。照相装置1包括了镜头装置11，微机电系统反射镜(MEMS Mirror；Micro-Electro-Mechanical-Systems Mirror)12，快门装置13，透镜装置14，感光元件15，以及机壳16。当用户按下外门按钮131时，外部光线5自镜头装置11进入照相装置1内部，经由微机电系统反射镜12的反射，通过透镜装置14到达感光元件15，经由感光元件15转换为电子信号形成数字影像。其中，微机电系统反射镜12可作二维的摆动，而在其摆动的同时，感光元件15可作多次的撷取影像的动作，因而照相装置1可产生一像素值比感光元件15更高的数字影像画面。

请参阅图4，感光元件15一般可使用CMOS或CCD芯片，通过其上呈一二维数组150排列的像素感应器151来进行影像撷取。再请参阅图1，感光元件15的一次曝光动作，可在用户按下快门按钮131后，快门装置13上的开口132的一次开合动作之间来完成。而在使用诸如CMOS或CCD芯片的感光元件15时，快门装置13也可省略，而使用电子快门来完成曝光动作。在一次的曝光动作中，每一像素感应器151上因光电作用所产生的电荷，在一外加电压的电压控制下被送至一电荷储存器(图中未示)储存起来，而每个电荷储存器内所储存的电荷信号因相对应的像素感应器151受光情况不同而有不同的强弱，这些电荷信号再经过适当的转换即可以形成一数字影像画面。传统上，CCD或CMOS芯片一次曝光后即形成一数字影像画面，因此该数字影像画面的分辨率完全受限于芯片上像素感应器的数目。在本发明中，通过微机电系统反射镜12的摆动，配合感光元件15的多次曝光，形成像素值比感光元件15的像素值更高的数字影像画面。举例来说，若要得到一270万像素的数字影像画面，只要使用一30万像素的CMOS芯片作为感光元件15，而在用户按下快门按钮131时，让感光元件15在9个不同的时间点、微机电系统反射镜12呈现9种不同的反射角度时各进行一次曝光，每次的曝光都可得一个30万像素的数字影像次画面，再将这9个数字影像次画面合并，即可得一270万画素的数字影像画面。当然，这九个时间点的选定，和微机电系统反射镜12摆动到某些特定角度的时间点必须配合，以使各数字影像次画面得以顺利的拼合。使用30万像素的感光元件即可制作出可拍270万像素画面规格的数字相机。而在相同尺寸下，30万像素的CMOS芯片单位像素平均面积比270万画素的CMOS芯片高9倍，据此可解决在小尺寸设计时像素元件进光量不足的问题。

图2为微机电系统反射镜12的具体结构示意图。微机电系统反射镜12以半导体制造技术制成，其中央部分为一镜面123，其表面溅镀有例如铝等金属以增加其反射度。镜面123以转轴122连接至一中框124，使镜面123得以绕y轴转动。沿x轴方向则有转轴121，连接中框124与外框125，使得中框124连同镜面123得以绕x轴转动。靠着微机电系统反射镜12内部线路(图中未示)所产生的磁场变化，可控制镜面123在x轴及y轴方向的摆动频率及角度。反射镜亦可使用如图3所示的一维反射镜32，其镜面323以转轴321连接至外框324，可绕z轴转动。当然，在使用一维方向转动的反射镜时，感光元件的选用也需随之调整，才能达到以低像素值感光元件得到高像素值数字影像画面的效果。

由图4所示的光学路径可观察到，自待照景像范围6内的物体表面所反射的光线，经过镜头装置11映至微机电系统反射镜12反射，再由透镜装置14集光后传送至感光元件15。待照景像范围6即为用户在照相装置1的观景窗(可为机械式或电子式，图中未示)所观察到的景像的范围，其被分为多个次景像范围61，每个次景像范围61恰为感光元件15一次曝光所可撷取的影像范围。由于次景像范围61小于待照景像范围6，即可利用微机电系统反射镜12的二维摆动加上感光元件15的多次曝光，得到一比感光元件15本身像素值高出许多的数字影像画面。当用户按下快门按钮131后，微机电系统反射镜12即在可反映到各次景像范围61的各角度间摆动，当其摆动至可以反映某个次景像范围61的对应角度时，感光元件15即进行一次曝光，而得到一数字影像次画面，之后再摆动至下一个适当角度，并对下一个次景像范围61进行曝光，如此逐步完成所有次景像范围61的曝光之后，再将所有得到的数字影像次画面合并，即可得到一高分辨率的数字影像画面。

合并数字影像画面的工作，可由一处理器来完成。该处理器，可为照相装置本身内建的处理器，也可为其它计算机系统如个人计算机中的处理器。图8显示了可以完成数字影像次画面的撷取及合并的照相系统的部分方块图，其中有关镜头、快门控制及反射镜等的部分在此省略。照相装置200内含有感光元件202、处理器203、内存204，以及存储装置205。照相装置200可与具有处理器303及内存304的个人计算机300通过输入输出接口(I/O接口)206、305相连接。连接的方式可利用通用串行总线(USB，Universal Serial Bus)或其它输入输出接口。当使用照相装置200内部的处理器203来进行数字影像次画面的合并时，照相装置200本身即可视为一照相系统。但有时在成本考虑下，可以将合并数字影像次画面的工作交给个人计算机300来完成，此时即可将照相装置200与个人计算机300一并视为一完整的照相系统，而负责进行数字影像次画面合并的处理器在此即为个人计算机300内的处理器303(一般即为该个人计算机的中央处理器)，而照相装置200内部的处理器203即可选用价格较便宜的产品。数字影像次画面可先暂存在照相装置200的内存204、存储装置205，或个人计算机303的内存304中，再由处理器203或303读取并进行合并。当存储装置205为如存储卡等可与如图1的机壳16分离的可卸式装置时，照相装置200也可不需直接连接个人计算机300，而是先将各数字影像次画面储存于存储装置205中，再将存储装置205拿到个人计算机300处，以输入输出接口305或其它输入输出接口(图中未示)读取处理。合并完成的数字影像画面，则可储存于存储装置205、内存304或个人计算机300的其它存储装置(图中未示)中。

图9显示了一个典型的数字影像画面60，其由9个数字影像次画面601所组合而成。当用户按下快门按钮后，数字影像次画面601即在感光元件202的数次曝光中形成，并依序被存入存储装置205中。由于目前的数字相机均可以使用韧体等方式来控制数字影像档案文件名的格式，因此，若欲形成一数字影像画面60的档案IMG_01.jpg，可以让数字影像次画面601在依序曝光形成后以档名IMG_01-1.jpg、IMG_01-2.jpg、........IMG_01-9.jpg存盘，再依编码顺序中各数字影像次画面601彼此间相互的几何位置关系来拼合成为数字影像画面60，并存盘为IMG_01.jpg。

本发明所使用的感光元件并不限于使用二维数组排列像素感应器的感光芯片，也可在不同考虑下使用不同型式的感光元件。如图5所示的照相装置2，由待照景像范围7内物体所反射的光线经镜头装置21映至可二维摆动的反射镜22，反射至透镜装置24后再被集中至感光元件25。不像前一实施例是由形成于芯片上的多个光二极管(photodiode)来进行感光动作，感光元件25由单一个光二极管构成，通过可二维摆动的反射镜22的反射及透镜装置24的集光，可将由待照景像范围7内物体所反射的光线完整的收集至感光元件25，此一动作为模拟操作，再通过模拟/数字转换器转成数字信号，最后形成数字影像画面。由于单一光二极管感应器的价格比芯片便宜许多，本实施例在降低产品的成本方面会有非常好的效果。

图6示出了本发明的另外一个实施例。照相装置3自待照景像范围7内物体所反射的光通过镜头装置31的集光后，映至微机电系统反射镜32，再反射到透镜装置34，最后被集中投射至感光元件35。与前述各实施例不同的是，感光元件35是一线性感光元件，可由呈一维数组排列的光二极管组成。由于使用线性感光元件，因此微机电系统反射镜32只需使用以半导体技术制造出来的一维微机电系统反射镜即可。而线性感光元件35每次曝光，仅形成次景像范围71内景物的一条状数字影像次画面，再由各次画面组合成可呈现待照景像范围7内完整景像的数字影像画面。

由于手持装置轻、薄、短、小的市场需求，本发明的技术应用于设计制造搭配于手持装置内的照相模块时，将会有非常良好的效果。图7显示一内建于手持装置9中的一照相模块8。手持装置9可为手机、个人数字助理、笔记型计算机，或任何其它可搭配照相模块使用的携带式装置。照相模块8包括印刷电路板80、壳体86、感光元件85、反射镜82、第一透镜装置81及第二透镜装置84等。传统的手持装置照相模块是以堆栈的方式，将元件依印刷电路板、镜头固定装置、镜头等元件依次组合固定而成。而照相模块8因为多了用来改变光学路径的反射镜82，而在元件的结构及配置上必需有所改变与调整。感光元件85固定于印刷电路板80上，感光元件85上迭有透镜固定元件(Lens Holder)83。值得注意的是，在图7中为表示方便而以直接相迭的方式呈现感光元件85及透镜固定元件83，但实际上透镜固定元件85的底面积通常会比感光元件85的面积大，而把感光元件85罩于其底部。透镜固定元件85本身是直接固定在印刷电路板80上的。反射镜82可为一维或二维摆动，可以是微机电系统或其它型式的反射镜，只要能改变反射角度而增加照相模块8的取景范围，并通过在不同反射角度的多次曝光，使所得到的数字影像画面的像素值高于感光元件85即可。为了能固定反射镜82，支柱87由印刷电路板80向上延伸并支撑斜面88，反射镜82固定于斜面88上。支柱87除了支撑的功能外，其上还设有连接印刷电路板80与反射镜82的导线装置(图中未示)，用以对反射镜82的摆动提供电源及控制。第一透镜装置81固定于壳体86上。传统的照相模块的镜头装置为一个镜筒内含有数个不同功能的透镜，而整个镜头装置通过透镜固定元件固定在印刷电路板上。因照相模块8多了改变光学路径的反射镜82，故靠近感光元件85一侧的第二透镜装置84以类似传统照相模块中镜头装置的固定方法，使用透镜固定装置83固定于印刷电路板80之上，而反射镜82及第一透镜装置81，则需视其在手持装置9中的配置方式、尺寸，整体构造特性等，来决定其配置位置及固定方法。壳体86可为包覆所有照相模块8其它元件的完整结构，也可为可与其它既有元件，例如印刷电路板80、支柱87，甚至部分手持装置9的壳体拼合的部件。壳体86除提供模块元件固定支撑功能外，还需有遮光的功能，使照相模块8的光学成像路径受到良好的环绕遮蔽，以避免除自第一透镜装置81进入照相模块8之外的其它外部光线进入感光元件85而形成噪声。也即，壳体86可为包覆所有照相模块8其它元件的一完整遮光结构，也可为可与其它既有元件，例如印刷电路板80、支柱87，甚至部分手持装置9的壳体拼合成一遮光结构的部件。例如，可在印刷电路板80上延伸出独立的结构来固定反射镜82及第一透镜装置81，而以黑色的赛璐片填补各元件间的空隙而达到遮光效果。

综上所述，本发明提供了一种照相装置、系统或模块，其利用反射镜改变曝光角度，配合感光元件的多次曝光，以获得比感光元件本身像素值更高的数字影像画面，因而可使用较低像素值且成本较低的感光元件，做出高像素值的照相装置，同时也解决了高分辨率照相装置于小尺寸设计时所遇到的单一像素感光器进光量不足的问题，实为一极具产业价值的发明。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的申请专利范围，因此凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含于本发明的申请专利范围内。