折叠照相机透镜系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 优先权彳目息
[0002] 该申请要求于2014年3月7日提交的题为"FOLDED LENS SYSTEMS (折叠透镜系 统）"的美国临时申请序列号No. 61/949, 898的优先权的权益，其内容通过引用而完全合并 到此。
技术领域
[0003] 本公开总体涉及照相机系统，更具体地说，涉及用于小形状因数照相机的透镜系 统。
【背景技术】
[0004] 小的移动多用途设备（如智能电话和平板或平板设备）的出现已经导致对于用于 在设备中的集成的高分辨率、小形状因数照相机的需要。然而，由于传统照相机技术的限 制，在这些设备中所使用的传统小照相机倾向于以比使用更大、更高质量照相机可以实现 的更低分辨率和/或更低图像质量来捕获图像。通过小封装尺寸照相机来实现较高分辨率 通常要求使用具有小像素尺寸的光电传感器以及良好的紧凑成像透镜系统。技术的发展已 经实现了光电传感器中的像素尺寸的减少。然而，由于光电传感器变得更紧凑并且强大，因 此对于具有改进的成像质量性能的紧凑成像透镜系统的需求已经增加。
【发明内容】
[0005] 本公开的实施例可以提供一种小封装尺寸中的高分辨率照相机。描述包括光电传 感器和紧凑折叠透镜系统的照相机。在实施例中，折叠所述照相机透镜系统的光路可以促 进实现用于照相机透镜组装的小形状因数，并且还可以通过使用相对少数量的小形状因数 的透镜元件来促进实现高分辨率光学透镜系统。可以在仍然捕获尖锐高分辨率图像的同时 在小封装尺寸中实现包括折叠透镜系统的照相机的实施例，使得照相机的实施例适合于在 小型和/或移动多用途设备（如蜂窝电话、智能电话、平板或平板计算设备、膝上型设备、网 本、笔记本、小笔记本和超级本计算机）中的使用。在一些实施例中，可以连同一个或多个 其它照相机（例如望远和/或广角小格式照相机）在设备中包括在此所描述的照相机，其 它照相机将例如当使用该设备来捕获图像时允许用户在不同的照相机格式（正常、望远或 广角）之间进行选择。
[0006] 描述可以减少用于对于1/3英寸（6. 12_对角线）传感器照相机的潜在应用的透 镜系统的封装体积的宽度的折叠透镜系统的实施例。所述折叠透镜系统的示例实施例可以 具有14-mm EFL(有效焦距长度）、F/2. 8和26-度对角线视场（DF0V) (6. 46mm图像圈直径、 3. 232_图像圈半径）。在至少一些实施例中，图像平面或传感器可以移动以将物体场景从 无限远聚焦到〈1000mm物距。至少一些实施例可以使用棱镜作为光路折叠机构，以用于对 光的光路进行折叠。在一些实施例中，透镜-棱镜组合（例如铸模到合成单元元件中的一 个或多个透镜和棱镜）可以用作光路折叠机构，以用于对光的光路进行折叠。
[0007] 描述包括具有折光力的五个透镜元件的折叠透镜系统的实施例。然而，在一些实 施例中可以使用更多或更少的透镜元件。在各个实施例中，平面镜或棱镜元件可以用于对 光的光路进行折叠。在至少一些实施例中，所述透镜元件中的至少一个的物侧表面和图像 侧表面中的至少一个是非球面的。
[0008] 在至少一些实施例中，所述折叠透镜系统包括折叠光轴（在此被称为AX)、第一组 (在此被称为GR1)光学元件、光路折叠元件（例如棱镜或平面镜）、第二组（在此被称为 GR2)光学元件以及在所述图像平面处的光电传感器。至少一些实施例可以还包括红外滤 波器和/或窗口元件。折叠透镜系统的至少一些实施例可以包括变焦能力，用于将在无限 远处（距照相机的物距多20米）的物体场景聚焦到近物距（〈1米）。例如，在各个实施例 中，第一组（GR1)、第二组GR2和/或在所述图像平面处的光电传感器可以变焦、移动或平 移，以用于将物体场景从远距离（多20米）聚焦到近距离（〈1米）。
[0009] 在至少一些实施例中，所述透镜系统可以是固定折叠透镜系统，被配置使得所述 透镜系统的有效焦距长度f的绝对值处于14毫米（mm)或其左右（例如在8mm至大约14_ 的范围内）、F数（聚焦比）处于从大约2. 4到大约10的范围内，视场（FOV)处于26度或 其左右，非折叠透镜系统的总轨迹长度（TTL)处于~8mm至~16mm的范围内。然而，注意， 在一些实施例中可以获得在此所给出的范围之上或之下的值。所述透镜系统的总轨迹长度 (TTL)是在第一（物侧）光学元件的物侧表面处的前顶点与所述图像平面之间在光轴（AX) 上的距离。在所述折叠透镜系统的实施例中，所述透镜系统的非折叠总轨迹长度（TTL)可 以定义为在所述第一（物侧）光学元件的物侧表面处的前顶点与图像平面之间在折叠光轴 (AX)上的距离。换言之，用于折叠透镜系统的TTL是在第一（物侧）透镜元件的物侧表面 处的前顶点与光路折叠元件（镜面或棱镜）的反射表面之间在折叠轴AX上的距离的绝对 值、和所述反射表面与图像平面之间的距离的绝对值之和。由于通过光学设计惯例，光学参 数（如曲率半径、距离、焦距长度等）的代数符号跟随反射表面而改变符号，因此在此可以 使用距离的绝对值之和。
[0010] 于在此所描述的至少一些实施例中，折叠透镜系统可以被配置为使得望远比率 ITL/f | 大于 1 :
[0011] TTL/f |>1, 0
[0012] 其中，f是有效焦距长度的绝对值。为了归类为望远透镜系统，|lTL/f| (望远比 率）应小于或等于1。因此，在此所描述的折叠透镜系统的实施例通常可以提供非望远透镜 系统。然而，注意，在一些实施例中，折叠透镜系统可以被配置或可以是可调整的，以使得望 远比率小于或等于1 :
[0013] TTL/f | ^ 1. 0,
[0014] 并且因此，实施例可以囊括可在望远范围与非望远范围之间调整的折叠望远透镜 系统和/或折叠透镜系统。例如，在一些实施例中，折叠透镜系统可以是可调整的，以提供 0. 8至1. 2的范围内的望远比率。
[0015] 在至少一些实施例中，所述折叠透镜系统可以被配置为使得透镜系统的有效焦距 长度f?是14mm，F数是2. 8。然而，注意，焦距长度（和/或其它参数）可以缩放或调整，以 满足用于其它照相机系统应用（例如用于较大封装尺寸照相机）的光学、成像和/或封装 约束的规范。此外，在一些实施例中，折叠透镜系统可以是可调整的。例如，在一些实施例 中，折叠透镜系统可以包括可调整虹膜或孔径光阑。使用可调整的孔径光阑，F数（聚焦比 或F/#)可以例如在2. 8至10或更高的范围内动态地变化。此外，在一些实施例中，折叠透 镜系统可以还包括变焦机构，用于动态地将物体场景从在无限远处的远距离（即多20米） 聚焦到近物距（即〈1米）。
[0016] 各个实施例中的折射透镜元件可以由塑料材料构成。在至少一些实施例中，折射 透镜元件可以由注塑成型光学塑料材料构成。各个实施例中的折叠镜面或棱镜元件可以由 玻璃材料或塑料材料构成。在具有窗口元件和/或红外滤波器（IR)元件的实施例中，这些 元件可以由玻璃材料或塑料材料构成。然而，可以使用其它合适的透明光学材料。此外，注 意，在给定实施例中，透镜元件中的不同元件可以由具有不同光学特性（例如不同阿贝数 和/或不同折射率）的材料构成。此外，注意，虽然各个实施例中的透镜元件通常示出为圆 形透镜，但在一些实施例中，所述透镜中的一个或多个可以是其它形状（例如椭圆、矩形、 正方形或具有圆角的矩形）。
[0017] 在折叠透镜系统的至少一些实施例中，可以选择透镜元件材料或可以计算透镜 元件的折光力分布，以满足透镜系统有效焦距长度要求并且校正色差和场曲率或Petzval 和。可以通过调整透镜元件和轴向分离的曲率半径和非球面系数或几何形状来减少光学像 差的单色变化和色度变化，以产生良好校正的平衡最小残余像差，而且在小形状因数透镜 系统照相机中减少总轨迹长度（TTL)并且实现图像高质量光学性能和高分辨率。
【附图说明】
[0018] 图1A和图1B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路的方向进行折叠或改变的 光路折叠元件的折叠透镜系统的紧凑照相机的示例实施例的截面图示。
[0019] 图2A和图2B是用于如图1A和图1B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至650nm 的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线。
[0020] 图3A和图3B示出用于如图1A和图1B所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从 470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
[0021] 图4A和图4B示出用于4.9mmX3.7mm图像格式紧凑照相机的如图1A和图1B所 示的折叠透镜系统中的示例透镜定向。
[0022] 图5A和图5B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件 的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示。
[0023] 图6A和图6B是用于如图5A和图5B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至650nm 的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线。
[0024] 图7A和图7B示出用于如图5A和图5B所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从 470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
[0025] 图8A和图8B示出用于4. 9mmX3. 7mm图像格式紧凑照相机的如图5A和图5B所 示的折叠透镜系统中的示例透镜定向。
[0026] 图9A和图9B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件 的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示。
[0027] 图10A和图10B是用于如图9A和图9B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至 650nm的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线。
[0028] 图11A和图11B示出用于如图9A和图9B所示的折叠透镜系统的半视场上和范围 从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
[0029] 图12A和图12B示出用于4.9mmX3.7mm图像格式紧凑照相机的如图9A和图9B 所示的折叠透镜系统中的示例透镜定向。
[0030] 图13是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠 透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示，并且是如图9A和图9B所示的折叠 透镜系统的变型。
[0031] 图14A和图14B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元 件的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示。
[0032] 图15A和图15B是用于如图14A和图14B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至 650nm的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线。
[0033] 图16A和图16B示出用于如图14A和图14B所示的折叠透镜系统的半视场上和范 围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
[0034] 图17A和图17B示出用于4. 9mmX3. 7mm图像格式紧凑照相机的如图14A和图14B 所示的折叠透镜系统中的示例透镜定向。
[0035] 图18是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠 透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示，并且是如图14A和图14B所示的折 叠透镜系统的变型。
[0036] 图19A至图19E是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元 件并且还包含可调整的孔径光阑的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面 图示。
[0037] 图20A至图20D示出用于如图19B至图19E所示的折叠透镜系统的半视场上和范 围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
[0038] 图21是根据至少一些实施例的用于使用包括图1A至图19所示的折叠透镜系统 的照相机来捕获图像的方法的高级流程图。
[0039] 图22示出可以用在实施例中的示例计算机系统。
【具体实施方式】
[0040] 本说明书包括对"一个实施例"或"实施例"的引用。短语"在一个实施例中"或 "在实施例中"的出现并不一定指代同一实施例。可以通过与本公开一致的任何合适方式来 组合特定特征、结构或特性。
[0041] "包括"。该术语是开放式的。如在所附权利要求中所使用的那样，该术语并不 排除附加结构或步骤。考虑如此陈述的【主权项】
"一种包括一个或多个处理器单元的装 置……"。该权利要求并不使得所述装置排除包括附加组件（例如网络接口单元、图形电路 等）。
[0042] "被配置为"。各个单元、电路或其它组件可以描述或要求为"被配置为"执行一个 或多个任务。在这些上下文中，"被配置为"用于通过指示单元/电路/组件包括在操作期 间执行这一个或多个任务的结构（例如电路）来暗示结构。故此，甚至当所指定的单元/ 电路/组件当前并不可操作（例如不打开）时，单元/电路/组件也可以被称为被配置为 执行任务。关于"被配置为"语言所使用的单元/电路/组件包括硬件一一例如电路、存储 可执行以实现操作的程序指令的存储器等。陈述单元/电路/组件"被配置为"执行一个 或多个任务明确地并非意图对于该单元/电路/组件援引35U.S.C. §112,第六段。此外， "被配置为"可以包括由软件和/或固件（例如FPGA或执行软件的通用处理器）操控以通 过能够执行所讨论的任务的方式而操作的普通结构（例如普通电路）。"被配置为"可以还 包括将制造工艺（例如半导体生产设施）适配为生产适用于实现或执行一个或多个任务的 设备（例如集成电路）。
[0043] "第一"、"第二"等。如在此使用的那样，这些术语用作用于它们前置于的名词的标 签，但不暗指任何类型的排序（例如空间、时间、逻辑等）。例如，缓冲电路可以在此描述为 执行用于"第一"值和"第二"值的写入操作。术语"第一"和"第二"不一定暗指第一值必 须在第二值之前写入。
[0044] "基于"。如在此使用的那样，该术语用于描述影响确定操作的一个或多个因素。该 术语不排除可以影响确定操作的附加因素。即，确定操作可以仅基于这些因素或至少部分 地基于这些因素。考虑短语"基于B确定A"。虽然在此情况下，B是影响A的确定操作的 因素，但该短语并不排除还基于C确定A。在其它实例中，可以仅基于B确定A。
[0045] 描述包括光电传感器和紧凑折叠透镜系统的小形状因数照相机的实施例。描述包 括五个透镜元件的紧凑折叠透镜系统的各个实施例。然而，注意，在实施例中可以使用更多 或更少的光学元件。可以在仍然捕获尖锐高分辨率图像的同时在小封装尺寸中实现照相 机，使得照相机的实施例适合于在小型和/或移动多用途设备（如蜂窝电话、智能电话、平 板或平板计算设备、膝上型设备、网本、笔记本、小笔记本、超级本计算机、监控设备等）中 的使用。然而，注意，照相机的各方面（例如透镜系统和光电传感器）可以增大或减小以提 供具有更大或更小封装尺寸的照相机。此外，照相机系统的实施例可以实现为单机数码照 相机。此外，对于其它（单帧捕获）照相机应用，照相机系统的实施例可以适用于在视频照 相机应用中的使用。
[0046] 描述可以减少用于对于1/3英寸（6. 12_对角线）传感器照相机的潜在应用的透 镜系统的封装体积的宽度的折叠透镜系统的实施例。折叠透镜系统的示例实施例可以具有 14-mm EFL(有效焦距长度）、F/2. 8和26-度对角线视场（DFOV) (6. 46-mm图像圈直径）。 在至少一些实施例中，图像平面或传感器可以移动以将物体场景从无限远聚焦到〈1000_ 物距。至少一些实施例可以使用棱镜作为光路折叠机构，以用于对光的光路进行折叠。在 一些实施例中，透镜-棱镜组合（例如铸模到合成单元元件中的一个或更多个透镜和棱镜） 可以用作光路折叠机构，以用于对光的光路进行折叠。
[0047] 描述紧凑折叠透镜系统的若干示例实施例，包括具有光路折叠元件和五个折射透 镜元件的实施例。图1A和图1B、图5A和图5B、图9A和图9B、图13、图14A和图14B、图18 以及图19A-图19E示出包括作为用于对光的光路进行折叠的光路折叠元件的棱镜以及五 个折射透镜元件的示例实施例。在一些实施例中，透镜元件中的一个或更多个可以与棱