包括折叠式广角成像透镜系统的紧凑型成像装置的制作方法

1.本公开涉及光学成像装置。更具体地，本公开涉及一种包括折叠式广角成像透镜系统的紧凑型光学成像装置，例如，用于诸如智能电话、平板电脑等的电子便携式设备的相机。


背景技术：

2.当前用于智能电话的超广角成像系统具有通常小于130度(degree)的全视场(field of view，fov)。增加传统的紧凑型直立透镜架构的fov会导致朝向图像边缘的相对照度大幅衰减。由于衍射极限，这种降低的相对照度限制了透镜的最大可实现调制传递函数(modulation transfer function，mtf)，从而限制了图像质量。为了在整个fov上实现良好的mtf，成像系统的相对照度应该比由照度的自然余弦四次幂定律预测的相对照度大几倍。图1示出了125线对/mm处的衍射极限mtf与系统f数为1.8(上面的曲线)和2.0(下面的曲线)的相对照度的函数。
3.可以通过允许显著量的失真或者通过减小图像表面上以及系统的孔径光阑的平面中的主光线角度增加相对照度。
4.然而，引入失真是非常有限的，因为这将对透镜的图像质量产生负面影响。为了避免图像或视频中几何细节的不自然外观，失真通常在后处理步骤中通过软件算法进行补偿。然而，这对画面和视频质量具有负面影响。此外，这会导致更小的可用图像圈，从而导致减小的fov。此外，补偿失真的后处理步骤非常耗时，因此通常不能用于具有高帧速率的视频。此外，后处理还可以生成非真实的图像伪影。
5.主光线角度的减小通常会导致透镜系统的总轨道长度(total track length，ttl)增加，其无法容纳在智能电话的外壳中。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种具有折叠式广角成像透镜系统的紧凑型光学成像装置，例如，用于诸如智能电话、平板电脑等的电子便携式设备的相机。
7.前述和其它目的通过独立权利要求的主题实现。根据从属权利要求、说明书和附图，其他实现方式是明显的。
8.根据第一方面，提供了一种成像装置，包括具有第一光轴的第一光学器件(即，第一光学组件)、具有第二光轴的第二光学器件(即，第二光学组件)、以及放置在所述第一光轴与所述第二光轴的相交处的棱镜。所述第一光学器件用于将光传输到所述棱镜，所述棱镜用于将来自所述第一光学器件的光反射到所述第二光学器件，并且所述第二光学器件用于将来自所述棱镜的光传输到图像表面。所述第一光学器件具有负光学光焦度，所述第二光学器件具有正光学光焦度，并且所述棱镜具有用于接收来自所述第一光学器件的光的入射表面和用于将光反射到所述第二光学器件的反射内表面。所述棱镜的入射表面包括凹的近轴区域。
9.因此，提供了一种超广角成像装置，其中，光轴被折叠至少一次(通过棱镜)。这使得增加了装置的光路长度以减小在光阑平面和图像表面中的主光线角度，因此，极大地提高了相对照度并因此提高了图像质量，而不牺牲例如智能电话的相机必须满足的严格的深度要求。
10.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述第一光轴和所述第二光轴垂直相交。
11.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述第二光学器件包括所述成像装置的孔径光阑。在一种实现方式中，所述第二光学器件可以包括作为所述孔径光阑的光阑。在另一实现方式中，所述孔径光阑由所述第二光学器件的一个或多个透镜定义。
12.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述成像装置包括所述棱镜与所述第二光学器件之间的孔径光阑。在一种实现方式中，所述孔径光阑可以是光阑。
13.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述成像装置的孔径光阑由所述棱镜的出射表面定义。
14.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述棱镜具有平坦的出射表面。
15.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述棱镜的出射表面包括凹的或凸的近轴区域。
16.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述棱镜包括基础棱镜和胶粘粘合到所述基础棱镜的出射表面的透镜。基础棱镜的出射表面可以是平的。透镜可以例如粘结或压印到基础棱镜的出射表面上。因此，棱镜的出射表面，或至少其凹的或凸近轴区域可以由粘合到基础棱镜的透镜提供。
17.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述棱镜包括基础棱镜和胶粘粘合到所述基础棱镜的入射表面的透镜。基础棱镜的入射表面可以是平的。透镜可以例如粘结或压印到基础棱镜的入射表面上。因此，棱镜的非球面入射表面，或至少其在近轴区域的凹形可以由粘合到基础棱镜的透镜提供。
18.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述第一光学器件包括所述第一透镜和放置在所述第一透镜之后的第二透镜，其中，所述第一透镜具有负光学光焦度，所述第二透镜具有正光学光焦度。应理解的是，在本文中使用相对“术语”具有以下理解。如果进入光学系统的光经由a到达b，即如果b被放置在a的出射侧，例如放置在a的后面(例如，如果放置在同一光轴上)，则认为光学系统中的光学元件b放置在光学元件a“之后”。
19.在第一方面的另一可能的实现形式中，所述第二光学器件包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜以此顺序依次放置，其中，所述第一透镜具有正光学光焦度，所述第二透镜具有正光学光焦度，所述第三透镜具有负光学光焦度，所述第四透镜具有正光学光焦度。
20.在第一方面的另一个可能的实现形式中，所述棱镜用于通过全内反射将来自所述第一光学器件的光反射到所述第二光学器件，或者其中，所述棱镜的反射内表面由反射涂层提供。
21.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述棱镜的反射内表面是平坦的或具有自由形状。
22.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述第二光学器件包括一个或多个透镜，并且其中，所述第二光学器件的所述一个或多个透镜中的每一个具有旋转对称的弧垂轮
廓，在其线性侧的一侧或两侧具有截断的通光孔。有利地，这使得可以进一步减小空间尺寸，特别是成像装置的ttl。
23.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述第一光学器件与所述第二光学器件之间的间隙大于0.3mm。
24.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述第二光学器件包括一个或多个透镜，所述一个或多个透镜沿所述第二光轴是可移动的以用于内部聚焦，例如，用于针对不同物距在固定图像表面上生成清晰图像。
25.在第一方面的另一可能的实现形式中，所述成像装置的全视场在130
°
与180
°
之间。
26.在第一方面的另一可能的实现形式中，在所述成像装置的整个视场上，所述成像装置在所述孔径光阑的平面中具有在-40度和+40度内的主光线角度范围。
27.在第一方面的另一可能的实现形式中，在所述成像装置的整个视场上，所述成像装置的图像表面中具有在-37度和+37度内的主光线角度范围。
28.在第一方面的另一可能的实现形式中，在所述成像装置的整个视场上，所述成像装置的透镜畸变在-30％和+30％的范围内。
29.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述成像装置还包括近红外截止滤光器和/或盖玻片，其中，所述近红外截止滤光器和/或盖玻片被放置在所述第二光学器件之后的所述第二光轴上。
30.在第一方面的另一可能的实现形式中，所述第二光学器件包括一个或多个透镜，其中，所述第二光学器件的所述一个或多个透镜的最靠近所述棱镜的透镜的入射表面在距所述棱镜小于或等于所述第一光学器件的最大通光孔半直径的距离处被放置所述第二光轴上。
31.在第一方面的另一可能的实现方式中，所述成像装置还包括图像传感器，所述图像传感器被放置在所述第二光学器件之后的所述第二光轴上，用于感测所述图像表面上的光。
32.根据第二方面，提供了一种便携式设备，包括根据上述第一方面所述的成像装置。
33.在第二方面的另一可能的实现形式中，所述便携式设备是智能电话或平板电脑。
34.在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施例的细节。根据说明书、附图和权利要求书，其它特征、目的和优点将是明显的。
附图说明
35.在下文中，参照附图更详细地描述了本发明的实施例，其中：
36.图1是示出125线对/mm处的衍射极限mtf与系统f数为1.8(上面的曲线)和2.0(下面的曲线)的相对照度的函数的图。
37.图2是示出根据实施例的成像装置的示意性截面图的图；
38.图3是根据实施例的成像装置的具有截断的通光孔的透镜的透视图；
39.图4是列出图2的成像装置的示例性透镜参数的表；
40.图5是列出图2的成像装置的透镜的非球面系数的表；
41.图6是示出图2的成像装置的图像表面和光阑平面处的主光线角度与图像高度的
函数的图；
42.图7是示出图2的成像装置对于无限物距的轴上和离轴场的调制传递函数的图；
43.图8是示出畸变与图2的成像装置的视场角的函数的图；
44.图9是示出相对照度与图2的成像装置的视场角的函数的图；
45.图10是示出根据实施例的成像装置的示意性截面图的图；
46.图11是列出图10的成像装置的示例性透镜参数的表；
47.图12是列出图10的成像装置的透镜的非球面系数的表；
48.图13是示出图10的成像装置的图像表面和光阑平面处的主光线角度与图像高度的函数的图；
49.图14是示出图10的成像装置对于无限物距的轴上和离轴场的调制传递函数的图；
50.图15是示出畸变与图10的成像装置的视场角的函数的图；以及
51.图16是示出相对照度与图10的成像装置的视场角的函数的图；
52.在下文中，相同的附图标记表示相同或至少功能上等同的特征。
具体实施方式
53.在以下的描述中，参考附图，这些附图形成本公开的一部分，并且通过说明的方式示出了本发明的实施例的具体方面或可以使用本发明的实施例的具体方面。应当理解，本发明的实施例可以用于其它方面，并且包括图中未示出的结构或逻辑变化。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义，并且本发明的范围由所附权利要求限定。
54.例如，应当理解，与所描述的方法相关的公开也可以适用于被配置为执行该方法的相应设备或系统，反之亦然。例如，如果描述了一个或多个特定的方法步骤，则相应的设备可以包括一个或多个单元，例如功能单元，以执行所描述的一个或多个方法步骤(例如，一个单元执行一个或多个步骤，或者多个单元中的每个单元执行多个步骤中的一个或多个)，即使这样的一个或多个单元没有在附图中明确地描述或示出。另一方面，例如，如果基于一个或多个单元(例如，功能单元)描述特定装置，则相应的方法可以包括一个步骤，以执行一个或多个单元的功能(例如，一个步骤执行一个或多个单元的功能的，或多个步骤各自执行多个单元中的一个或多个的功能)，即使这样的一个或多个步骤没有在附图中明确地描述或示出。此外，应理解，除非另有特别说明，否则本文中描述的各示例性实施例和/或方面的特征可以彼此组合。
55.图2是示出根据实施例的成像装置200的图。在一个实施例中，成像装置是用于诸如智能电话、平板电脑等的电子设备的相机的一部分。
56.成像装置200包括第一光学器件210，即具有第一光轴a的第一组光学元件210、第二光学器件，即具有第二光轴b的第二组光学元件230、以及放置在第一光轴a和第二光轴b的相交处的棱镜220。从图2可以看出，具有第一光轴a的第一光学器件210和具有第二光轴b的第二光学器件230被布置成折叠构造。在图2所示的实施例中，第一光轴a和第二光轴b垂直相交，即定义90
°
的角度。在其他实施例中，第一光轴a和第二光轴b可以以不同的角度相交，例如80
°
或100
°
。
57.从图2中可以看出，第一光学器件210具有负光学光焦度并且用于将光传输到棱镜220，棱镜220用于将来自第一光学器件210的光反射到第二光学器件230，并且第二光学器
件230具有正光学光焦度并且用于将来自棱镜220的光传输到图像表面250。棱镜220包含倾斜的反射表面223，其将光学系统折叠90度。在图2所示的实施例中，成像装置200还包括图像传感器，该图像传感器被放置在第二光学器件230之后，用于感测图像表面250上的光。在图2所示的实施例中，成像装置200还包括设置在第二光轴b上的第二光学器件230的透镜l3、l4、l5和l6与图像表面250之间的近红外截止滤光器240。在另一实施例中，成像装置200还可以包括盖玻片，该盖玻片被放置在第二光学器件230的透镜l3、l4、l5和l6之后的第二光轴b上。在一个实施例中，近红外截止滤光器240可以是盖玻片上的涂层。
58.在一个实施例中，棱镜220用于通过全内反射将来自第一光学器件210的光反射到第二光学器件230。在一个实施例中，棱镜220的反射内表面223可以包括反射涂层。棱镜220的反射内表面223可以是平坦的，如图2所示，或者可以具有自由形状，例如，具有旋转非对称的弧垂轮廓的自由形状。
59.如图2所示，棱镜220具有用于接收来自第一光学器件210的光的入射表面221和用于将光反射到第二光学器件230的反射内表面223。棱镜220的入射表面221包括凹的近轴区域。
60.在图2所示的实施例中，成像装置200沿图像表面250的对角线具有140
°
的全视场(field of view，fov)。在一个实施例中，成像装置200的fov可以在130
°
与180
°
之间的范围内。图2所示的成像装置200的f数是1.95。整个系统深度为6.23mm。
61.在图2所示的实施例中，第一光学器件210包括第一透镜l1和放置在该第一透镜l1之后的第二透镜l2，其中，第一透镜l1具有负光学光焦度，第二透镜l2具有正光学光焦度。第二光学器件230包括第一透镜l3、第二透镜l4、第三透镜l5和第四透镜l6，该第一透镜l3、第二透镜l4、第三透镜l5和第四透镜l6以此顺序依次放置。第一透镜l3具有正光学光焦度，第二透镜l4具有正光学光焦度，第三透镜l5具有负光学光焦度，第四透镜l6具有正光学光焦度。在图2所示的实施例中，第一光学器件210，即透镜l1和l2的焦距为-4.605mm，其中，第一透镜l1的焦距为-2.581mm，第二透镜l2的焦距为9.985mm(如本文所使用的，负焦距对应于具有负光学光焦度的透镜)。第二光学器件230，即透镜l3、l4、l5和l5的焦距为4.370mm，其中，第二光学器件230的第一透镜l3、第二透镜l4、第三透镜l5和第四透镜l6的焦距分别为2.721mm、4.927mm、-2.835mm和3.192mm。
62.如图2所示，成像装置200还可以包括孔径光阑227。在一个实施例中，第二光学器件230包括作为孔径光阑227的光阑227。在另一实施例中，所述孔径光阑由所述第二光学器件230的一个或多个透镜定义。如图2所示，孔径光阑227可以位于棱镜220和第二光学器件230的透镜之间。在另一实施例中(如图10所示)，成像装置200的孔径光阑227由棱镜220的出射表面225定义。
63.在图2所示的实施例中，棱镜220具有出射表面225，该出射表面225具有凸的近轴区域。在其他实施例中，棱镜220可以具有平坦的出射表面225或包括凹的近轴区域的出射表面225。
64.在一个实施例中，图2中所示的成像装置200的棱镜220可以由基础棱镜提供，透镜胶粘粘合到基础棱镜的出射表面。基础棱镜的出射表面可以是平坦的。透镜可以例如粘结或压印到基础棱镜的出射表面上。因此，棱镜220的出射表面225，或至少其凹的或凸的近轴区域可以由粘合到基础棱镜的透镜提供。
65.同样地，透镜可以粘接到基础棱镜的平坦入射表面，用于提供图2所示的成像装置的棱镜220的入射表面221。透镜可以例如粘接或压印到基础棱镜的入射表面上。因此，棱镜220的非球面入射表面221，或至少其在近轴区域的凹形可以由粘合到基础棱镜的透镜提供。
66.在一个实施例中，第二光学器件230的透镜l3、l4、l5和l6可以具有非球形表面，即具有旋转对称的弧垂轮廓的表面，在其线性侧的一侧或两侧具有截断的通光孔，如图3所示(其中，通光透镜元件孔在其两侧在垂直方向上被向下截断)。这使得第一光学器件210的透镜和第二光学器件230的透镜之间的间隙最大化，在图2所示的实施例中该间隙为1.14mm。在一个实施例中，第一光学器件210与第二光学器件230之间的间隙大于0.3mm。在一个实施例中，第二光学器件230的最靠近棱镜220的透镜的入射表面(例如，在图2所示的实施例中，透镜l3的入射表面s1)在距棱镜220(更具体地，距棱镜220的出射表面)小于或等于第一光学器件210的透镜l1和l2的最大通光孔半直径的距离处被放置在第二光轴b上。这在图2中通过以下事实被示出，由透镜l1(其比透镜l2具有更大的通光孔半直径)的边缘定义的线c沿光轴b到棱镜220的出射表面的距离比到透镜l3的入射表面s1的距离大。换句话说，在图2所示的实施例中，透镜l3的入射表面s1位于线c的“左方”。
67.在一个实施例中，成像装置200的第二光学器件230的透镜l3、l4、l5、l6中的一个或多个可以用于例如通过音圈电机沿第二光轴b移动，用于聚焦成像装置200。例如，在图2所示的实施例中，第二光学器件230的第三透镜l5沿第二光轴b是移动的，用于聚焦成像装置200。因此，成像装置200可以针对不同的物距实现清晰的图像。
68.图4示出了列出图2的成像装置200的示例性透镜参数的表格，包括每个透镜l1-l6的表面类型、曲率半径、轴向厚度、折射率、阿贝数、二次曲线常数以及通光孔的半水平和半垂直宽度，而图5示出了列出图2的成像装置200的不同透镜表面的非球面系数的表格。如本领域技术人员将理解的，s1表示入射表面，而s2表示在由成像装置200的光路定义的方向上相应的透镜l1-l6的出射表面。在图4所示的表中，标记有“*”的通光孔具有相应的半直径的圆形形状，而所有其他通光孔具有矩形形状。在图4所示的表格中列出的非球面的弧垂高度z(h)轮廓可以基于以下公式计算：
69.z(h)＝ch2/{1+[1-(k+1)c2h2]
1/2
}+a4h4+a6h6+a8h8+a
10h10
+a
12h12
+a
14h14
+a
16h16
，
[0070]
其中，c是曲率半径的倒数，h是相对于光轴的横向距离，k是二次曲线常数，并且a4、a6、a8、a10、a12、a14和a16是非球面系数，其在图5所示的表格中提供。
[0071]
图6是示出图2的成像装置200的图像表面250和光阑平面处的主光线角度(chief ray angle，cra)与图像高度的函数的图。从图6可以看出，对于图2的成像装置200，cra在图像平面中的整个fov上的范围在-34
°
和+34
°
之间，并且在光阑平面中的范围在-30
°
和+30
°
之间。在一个实施例中，第一光学器件210，例如透镜l1和l2以及棱镜220用于在成像装置200的整个视场上在孔径光阑227的平面中提供-40
°
和+40
°
内的主光线角度范围。在实施例中，在成像装置200的整个视场上，成像装置200在图像平面中具有在-37
°
和+37
°
内的主光线角度范围。
[0072]
图7是示出图2的成像装置200对于无限物距的轴上和离轴场的调制传递函数的图。从图8可以看出，图8示出了畸变与视场角的函数，图2的成像装置200提供了在-25％和+20％范围内的畸变。在一个实施例中，在成像装置200的整个视场上，成像装置200的透镜畸
变在-30％和+30％的范围内。从图9可以看出，图9示出了相对照度与视场角的函数以及自然余弦四次幂定律函数以进行比较，图2的成像装置200在整个fov上具有大于24％的相对照度。
[0073]
成像装置200的另一实施例在图10中示出。可以理解，图11至16为图10所示的成像装置200的实施例提供了与图4至9为图2所示的成像装置200的实施例提供的相同类型的信息。
[0074]
图10所示的成像装置200沿图像表面250的对角线具有140
°
的视场(field of view，fov)。图10的成像装置200的f数为1.92。整个系统深度为6.50mm。在图10所示的实施例中，第一光学器件210的焦距为-3.474mm，其中，第一透镜l1的焦距为-2.701mm，第二透镜l2的焦距为14.967mm。
[0075]
与图2所示的实施例不同，在图10所示的实施例中，孔径光阑227由棱镜220的出射表面223定义，其在近轴区域中具有凸形的非球面弧垂轮廓。从图13可以看出，在整个fov上，图10的成像装置200的主光线角度(cra)在光阑平面中的范围在-17度和+17度之间。
[0076]
在图10所示的实施例中，第二光学器件230的焦距为3.750mm，其中，第二光学器件230的第一透镜l3、第二透镜l4、第三透镜l5和第四透镜l6的焦距分别为7.705mm、4.910mm、-2.960mm和2.694mm。如在图2所示的实施例的情况下，第二光学器件230的透镜l3-l6的所有表面都是非球面的，意味着它们具有旋转对称的弧垂轮廓。它们的通光孔由两个线性侧向下截断，以使第一光学器件210的透镜l1、l2和第二光学器件的透镜l3-l6之间的间隙最大化，在图10所示的实施例中，该间隙为0.9mm。通光孔的半水平和半垂直宽度在图11所示的表中给出。如图2所示的实施例，图10所示的成像装置200的第二光学器件230的第三透镜l5可以沿第二光轴b移动，用于内部聚焦。在图像平面中，cra在图10的成像装置200的整个fov上的范围在-20度和+20度之间，如图13所示。图14示出了图10中所示的成像装置200对于无限远的物距的调制传递函数(modulation transfer function，mtf)。从图15可以看出，图15示出了畸变与视场角的函数，图10的成像装置200提供了在-28.3％和+15％范围内的畸变。在一个实施例中，在成像装置200的整个视场上，成像装置200的透镜畸变在-30％和+30％的范围内。从图16可以看出，图16示出了相对照度与视场角的函数以及自然余弦四次幂定律函数以进行比较，图10的成像装置200在整个fov上具有大于24％的相对照度。
[0077]
本领域技术人员将理解，各种图(方法和装置)的“块”(“单元”)表示或描述了实施例的功能(而不一定是硬件或软件中的单个“单元”)，因此同样描述了装置实施例以及方法实施例的功能或特征(单元＝步骤)。
[0078]
在本技术所提供的几个实施例中，应当理解，所公开的系统、装置和方法可以通过其它的方式实现。例如，所描述的装置实施例仅仅是示例性的。例如，单元划分仅仅是一种逻辑功能划分，在实际实现方式中可以是其他划分。例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。此外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以通过使用一些接口来实现。设备或单元之间的间接耦合或通信连接可以以电子、机械或其他形式实现。
[0079]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个
网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0080]
另外，在各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。