像差减小的可控光偏转设备的制作方法

本发明涉及光偏转设备，诸如棱镜偏转设备，涉及旨在减小像差和畸变的设计，涉及包含这样的光偏转设备的相机系统，特别是其中使用可控偏转性质来实现光学图像稳定的相机系统。

背景技术：

1、光学图像稳定(optical image stabilization)用于补偿相机的非预期运动，以获得改善的图像清晰度。已知的方法包括成像系统的透镜的受控移动或图像传感器的受控移动。

2、虽然这些已知的解决方案可以适合于传统相机，但是发明人发现，改进的解决方案对于紧凑型相机诸如智能手机中的相机是有益的。

3、图像质量非常重要，因此针对光学图像稳定的解决方案应该仍然能够提供可接受的图像像差水平。

4、为了尝试解决这样的问题和其他问题，发明人设计了本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供用于适合于紧凑型相机的光学图像稳定的解决方案。特别地，目的是提供在改善的图像像差特性方面(包括低图像畸变和低色像差(chromaticaberration))具有改善的成像质量的解决方案。此外，目的是对于大的图像稳定校正而言实现减小的图像畸变和减小的色像差。

2、在本发明的第一方面，提供了一种可变光偏转设备，包括：

3、-棱镜，该棱镜具有至少第一面、第二面和第三面，其中第一面用于将入射光线折射成入射折射光线，

4、-与第二面相对布置的反射构件，用于将入射折射光线通过第二面偏转回棱镜中成为偏转光线，

5、-与第三面相对布置的折射构件，用于将透射穿过第三面的偏转光线折射成折射输出光线，

6、-第一透明形状可变主体和第二透明形状可变主体，其被布置在第二面和第三面与相应的反射构件和折射构件之间，

7、-第一致动器系统和第二致动器系统，其中第一致动器系统被布置为使反射构件倾斜，以改变折射输出光线在第一输出平面中的第一传播偏差角，并且其中第二致动器系统被布置为使折射构件倾斜，以改变折射输出光线在所述第一输出平面中的第一传播偏差角。

8、有利地，倾斜的反射构件和折射构件以及将棱镜与反射构件和折射构件连接起来的非流体主体提供了适用于光学图像稳定系统的可变光偏转设备的改善的像差特性。

9、特别地，当存在对大的图像稳定校正的需求时，将需要较大的倾斜角，例如大于1度的倾斜角(诸如高达10度的倾斜角)。这样的显著的倾斜角在普通的单倾斜配置中通常会产生显著的图像畸变和色像差，但是在本配置中，其中两个独立的倾斜调整装置被布置为在输出平面中独立地调整相同的传播偏差角，有可能使图像畸变和色像差最小化。

10、第一致动器系统和第二致动器系统被布置为相互独立地改变反射构件和折射构件的倾斜。也就是说，反射构件的倾斜角a1和折射构件的倾斜角a2(两者都在输出平面中定义)可以独立地调整。

11、wo 2020/074711a1公开了一种用于紧凑型相机模块的光学组件。该光学组件包括：布置为偏转穿过光学元件的光的光学反射表面、透明弹性非流体主体和致动器系统，该致动器系统包括一个或多个致动器和致动器部件，该致动器部件被布置为由一个或多个致动器进行弯曲和/或位移。致动器部件的取向可以通过致动器的致动来改变以提供可调整的光学功率(optical power)或光束偏转。

12、尽管wo2020/074711a1也公开了光束偏转器，但是wo2020/074711a1没有公开第一致动器系统和第二致动器系统，这两者都被布置为控制两个偏转装置(诸如偏转构件和折射构件)的倾斜。

13、然而，尽管控制两个独立的倾斜系统的复杂性增加，但是这两个可控倾斜系统使能够减小图像像差，诸如图像畸变和色像差。

14、根据实施例，反射构件被布置成与第二面成第一锐角a1，并且折射构件被布置成与第三面成第二锐角a2，其中该可变光偏转设备还包括：控制系统，该控制系统被布置为根据针对第一锐角a1和第二锐角a2的预定数学表达式来控制由第一致动器系统和第二致动器系统提供的倾斜。

15、有利地，反射构件和折射构件可以被控制为根据预定数学表达式(诸如根据针对a1和a2的等式)调整第一锐角a1和第二锐角a2，以便减小图像畸变和/或色像差，以及还通过根据取决于抖动角的等式控制第一锐角a1和第二锐角a2的变化来实现光学图像稳定。

16、根据实施例，预定数学表达式取决于抖动角，其中抖动角是轴向主光线在第一面处的入射角，其中轴向主光线是将物点和位于第三面下游的成像系统的入瞳(entrancepupil)中心连接起来的入射光线，其中物点在零抖动的情况下位于物空间中的光学轴线上。

17、可替选地，但等效地，抖动角可以在成像系统(即，将会被放置在棱镜下游的成像系统)的轴向主光线的基础上定义。轴向主光线是将轴线上的物点和成像系统的入瞳中心连接起来的基准光线。由于包含可变光偏转设备的电子设备的旋转或平移或者由于物体的平移而引入抖动时，轴线上的物体变得偏离轴线，并且轴向主光线相对于光学轴线的角度根据抖动而改变。轴线上的物体所位于的轴线是成像系统在被棱镜折叠的物空间中的光学轴线。因此，在基准轴向主光线的基础上，抖动角可以被定义为轴向主光线和棱镜的第一面或入射面的法向量之间的角度。

18、通常，抖动角βi描述了入射光线的入射角相对于基准入射角的偏差。

19、抖动角(诸如抖动角旋转)可以通过例如加速度计或陀螺仪以及通过取决于加速度测量结果而确定容纳可变光偏转设备的电子设备的旋转来测量。电子设备的旋转等同于入射光线的入射角相对于基准入射角的偏差或改变。抖动角平移(例如，由于移动物体而引起的)可以通过使用电子设备所包括的处理器和被布置为由处理器执行的算法来确定，其中该算法被布置为例如通过来自图像传感器的数字图像中的跟踪特征(即，像素跟踪)来确定抖动平移。所确定的抖动平移可以被转换为相应的抖动角，用于控制反射构件和折射构件的倾斜角。

20、根据实施例，预定数学表达式还取决于相应的棱镜以及第一透明形状可变主体和第二透明形状可变主体的两个或更多个阿贝数v1、v2、v3和/或两个或更多个折射率n1、n2、n3。

21、也就是说，对于其中两个形状可变主体以及棱镜的折射率n1、n2、n3不同的一般情况，针对第一锐角a1和第二锐角a2的预定数学表达式可以基于以下表达式来确定：

22、

23、

24、应当理解，第一锐角a1和第二锐角a2不需要完全等于表达式，而是可以偏离表达式，并且在还必须满足其他条件时，可以基于上述表达式(例如，基于优化算法)来确定。

25、在其中仅第二形状可变主体和棱镜的折射率n1和n3不同的配置中，针对第一锐角a1和第二锐角a2的预定数学表达式可以基于以下表达式来确定：

26、

27、

28、其中“基于”暗示着与确切等式的偏差在一定范围内是可接受的，诸如与理想数学表达式的偏差高达+/-30％。

29、有利地，通过将棱镜和一个或两个形状可变主体配置成具有不同的折射率和阿贝数，可以进一步减小色像差。

30、根据实施例，预定数学表达式规定了对于第一锐角和第二锐角的不同值，第二锐角a2与第一锐角a1之间的比率是恒定或基本恒定的。

31、有利地，对于其中形状可变主体和棱镜的折射率相等或基本相等的可变光偏转设备，可以以2的比率减小图像畸变和色像差，并且通过调整倾斜角a1、a2(受倾斜角的比率的约束)，可以同时实现图像稳定。

32、根据实施例，第二锐角a2与第一锐角a1之间的恒定或基本恒定的比率取决于相应的棱镜以及第一透明形状可变主体和第二透明形状可变主体的两个或更多个阿贝数和/或两个或更多个折射率。

33、因此，第一透明形状可变主体和第二透明形状可变主体以及棱镜中的两个或全部具有不同的折射率和/或不同的阿贝数。

34、也就是说，对于其中两个形状可变主体以及棱镜的折射率n1、n2、n3不同的一般情况，针对第二锐角a2与第一锐角a1之间的恒定或基本恒定的比率由下式给出：

35、

36、在其中仅棱镜和第二形状可变主体的折射率n1和n3不同的配置中，针对第二锐角a2与第一锐角a1之间的恒定或基本恒定的比率由下式给出：

37、

38、再次，第二锐角a2与第一锐角a1之间的比率只需要基于上述等式，因此可能偏离确切的等式，诸如与理想数学表达式的偏差高达+/-30％。

39、有利地，对于其中形状可变主体和棱镜的折射率不都相等的可变光偏转设备，在满足由预定数学表达式指定的比率时，也可以减小图像畸变和色像差，并且通过根据针对倾斜角a1、a2的预定等式调整倾斜角a1、a2，可以同时实现图像稳定。

40、棱镜可以是三角棱镜，或由相连接的三角棱镜组成的棱镜，或具有相连接的三角棱镜形状的棱镜，诸如两个相连接的三角棱镜。

41、折射构件位于反射构件的下游，即，使得入射光在经由折射构件折射出去之前被反射构件反射。

42、反射构件被布置成与第二面成第一锐角a1，并且折射构件被布置成与第三面成第二锐角a2，其中由第一致动器系统和第二致动器系统提供的倾斜是可控的，使得对于不同的倾斜值，第二锐角a2与第一锐角a1之间的比率是恒定或基本恒定的。

43、致动器系统控制倾斜值，即，改变倾斜值以补偿抖动，但是受比率a2/a1是恒定或基本恒定的约束，其中该恒定可以取决于棱镜和形状可变主体的折射率和阿贝数。

44、可变光偏转设备还包括被布置为控制第一锐角和第二锐角的控制系统。

45、在实施例中，第一透明形状可变主体和棱镜分别具有不同的折射率n2、n1和阿贝数v2、v1，并且第一透明形状可变主体和棱镜的不同折射率n2、n1和阿贝数v2、v1分别基于条件v2＝2v1(n2-1)/(n1-1)。

46、在示例中，第二透明形状可变主体和棱镜具有不同的折射率n3、n1和不同的阿贝数v3、v1。在本示例中，第二锐角a2与第一锐角a1之间的恒定或基本恒定的比率由a2/a1＝2(n1-1)/(n3-1)*v3/v1给出。

47、在满足或部分满足条件a2/a1＝2(n1-1)/(n3-1)*v3/v1时，当第二透明形状可变主体和棱镜具有不同的折射率n3、n1时，会导致低色像差。通过根据等式a1＝βi/2[(n1-1)v3/v1-n1]和a2＝βi(n1-1)/(n3-1)[(n1-1)-v1/v3 n1]进一步控制取决于入射角βi的倾斜角a1、a2，由于受控的倾斜角引起的所得的输出光束方向的改变将补偿抖动角。

48、本发明的第二方面涉及一种可变光偏转设备，包括：

49、-棱镜，该棱镜具有至少第一面、第二面和第三面，其中第一面用于将入射光线折射成入射折射光线，

50、-与第二面相对布置的反射构件，用于将入射折射光线通过第二面偏转回棱镜中成为偏转光线，

51、-第一透明形状可变主体，该第一透明形状可变主体被布置在第二面和反射构件之间，

52、-第一致动器系统，该第一致动器系统被布置为使反射构件倾斜，以改变折射输出光线在第一输出平面中的第一传播偏差角，

53、-其中第一透明形状可变主体和棱镜分别具有不同的折射率n2、n1和阿贝数v2、v1，并且其中第一透明形状可变主体和棱镜的不同的折射率n2、n1和阿贝数v2、v1分别基于条件v2＝2v1(n2-1)/(n1-1)。

54、在满足条件v2＝2v1(n2-1)/(n1-1)时，或者在基于最小化差值δ＝v2-2v1(n2-1)/(n1-1)来选择折射率和阿贝数时，棱镜和第一透明形状可变主体的不同的折射率和阿贝数导致低色像差。

55、与第二方面相似，可变光偏转设备通过以下获得：

56、-提供具有至少第一面、第二面和第三面的棱镜，其中第一面用于将入射光线折射成入射折射光线，

57、-提供与第二面相对布置的反射构件，用于将入射折射光线通过第二面偏转回棱镜中成为偏转光线，

58、-提供被布置在第二面和反射构件之间的第一透明形状可变主体，

59、-提供第一致动器系统，该第一致动器系统被布置为使反射构件倾斜，以改变折射输出光线在第一输出平面中的第一传播偏差角，

60、-其中，提供棱镜和第一透明形状可变主体包括基于条件v2＝2v1(n2-1)/(n1-1)确定棱镜的折射率n1和阿贝数v1，使得棱镜和第一透明形状可变主体分别具有不同的折射率n2、n1和阿贝数v2、v1。

61、此外，与第二方面相似，提供了一种用于制造可变光偏转设备的方法，该方法包括：

62、-提供具有至少第一面、第二面和第三面的棱镜，其中第一面用于将入射光线折射成入射折射光线，

63、-提供与第二面相对布置的反射构件，用于将入射折射光线通过第二面偏转回棱镜中成为偏转光线，

64、-提供被布置在第二面和反射构件之间的第一透明形状可变主体，

65、-提供第一致动器系统，该第一致动器系统被布置为使反射构件倾斜，以改变折射输出光线在第一输出平面中的第一传播偏差角，

66、-其中，提供棱镜和第一透明形状可变主体包括基于条件v2＝2v1(n2-1)/(n1-1)确定棱镜的折射率n1和阿贝数v1，使得棱镜和第一透明形状可变主体(241)分别具有不同的折射率n2、n1和阿贝数v2、v1。

67、根据实施例，可变光偏转设备包括偏转装置，该偏转装置被布置为改变折射输出光线在垂直于或基本垂直于第一输出平面的第二输出平面中的第二传播偏差角。

68、由此，该系统能够补偿二维抖动。

69、根据实施例，偏转装置包括第一致动器系统或第二致动器系统，该第一致动器系统或第二致动器系统被布置为使反射构件或折射构件进一步倾斜，以改变折射输出光线在第二输出平面中的第二传播偏差角。

70、因此，第二致动器系统被布置为产生折射构件关于两个垂直或基本垂直的轴线的倾斜。

71、根据实施例，偏转装置包括另一反射构件，该另一反射构件被布置用于将偏转光线偏转成另一偏转光线，以改变折射输出光线在第二输出平面中的第二传播偏差角。

72、有利地，独立于第一反射构件的受控的附加反射构件在与由第一反射构件提供的偏转方向不同的方向(诸如垂直于第一反射构件提供的偏转方向)上提供对光线的偏转。

73、另一折射构件可以位于反射构件的下游和折射构件的上游。第一输出平面和/或第二输出平面可以被布置成垂直或基本垂直于第三面。

74、根据实施例，棱镜包括：

75、-第四面，其中另一反射构件与第四面相对布置，用于将偏转光线偏转成另一偏转光线，并且被布置成使得折射构件被布置用于折射另一偏转光线，

76、-第三透明形状可变主体，其被布置在第四面和另一反射构件之间，以及

77、-第三致动器系统，其被布置为使另一反射构件倾斜，以改变折射输出光线在垂直于第一输出平面的第二输出平面中的第二传播偏差角。

78、另一反射构件被布置成与第四面成第三锐角。第三致动器系统被布置为改变第三锐角，以实现折射输出光线的第二传播偏差角的改变。

79、根据实施例，可变光偏转设备还包括：至少一个倾斜传感器，该至少一个倾斜传感器被布置为测量反射构件、另一反射构件和折射构件中的任何一个的倾斜。

80、根据实施例，第一透明形状可变主体和/或第二透明形状可变主体是第一透明可变形非流体主体和第二透明可变形非流体主体，其中棱镜包括与第一透明可变形非流体主体和第二透明可变形非流体主体相同的可变形非流体材料，使得棱镜的第二面和第三面中的至少一个面被形成在非流体材料中。

81、有利地，通过由相同的可变形的非流体材料形成棱镜和第一形状可变主体和/或第二形状可变主体，不同的部件具有相同的折射率。

82、本发明的第五方面涉及一种相机模块，包括根据第一、第二和第三方面中任一项所述的光学可变光偏转设备以及图像传感器。

83、根据第五方面的相机模块可以包括用于控制一个或多个致动器系统的处理器，以便执行光学图像稳定和/或图像聚焦。

84、本发明的第六方面涉及一种包括根据第五方面所述的相机模块的电子设备。电子设备可以是电话诸如智能手机、手表诸如智能手表、平板电脑、膝上型电脑、相机或其他装置中的任何一种。

85、本发明的第七方面涉及根据第六方面所述的电子设备用于获取图像的用途。

86、总之，本发明涉及一种可变光偏转设备，包括：棱镜；与棱镜的一个面相对布置的反射构件，用于将入射折射光线通过所述面偏转回该棱镜中成为偏转光线；与棱镜的另一个面相对布置的折射构件，用于将透射穿过所述另一个面的偏转光线折射成折射输出光线；在棱镜面与反射构件和折射构件之间布置的第一透明形状可变主体和第二透明形状可变主体；第一致动器系统和第二致动器系统，其被布置为使反射构件倾斜以改变折射输出光线在第一输出平面中的第一传播偏差角，并且其中第二致动器系统被布置为使折射构件倾斜以改变折射输出光线在所述第一输出平面中的相同的第一传播偏差角。

87、一般而言，本发明的各个方面和实施例可以在本发明的范围内以任何可能的方式进行组合和耦合。本发明的这些和其他方面、特征和/或优点从下文所描述的实施例中将是显而易见的，并参照下文所描述的实施例加以阐明。