带有折叠式透镜的变焦双孔径相机的制作方法

当前公开的主题一般涉及数字相机领域，并且特别地，涉及多孔径数字相机。

背景技术：

1、近年来，诸如蜂窝电话(特别地，智能电话)、平板电脑和膝上型计算机之类的移动设备已经变得普遍存在。这样的设备通常包括一个或两个紧凑型数字相机，例如，主后向相机(即，背向用户并且经常用于休闲摄影的在设备后侧上的相机)和次要前向相机(即，位于设备的前侧上并且经常用于视频会议的相机)。

2、这些相机中的许多相机的设计类似于数字静态相机的传统结构，即，它们包括放置在图像传感器(以下也被简称为“传感器”)的顶部上的光学部件(或者一连串的几个光学元件和主孔径)。光学部件(也被称为“光学部件”)使入射光线折射并且使它们弯曲以在传感器上产生场景的图像。

3、这些相机的尺寸主要由传感器的尺寸和光学器件的高度确定。这些通常通过透镜的焦距(f)及其视场(fov)结合在一起，必须在特定大小的传感器上成像特定fov的透镜具有特定的焦距。保持fov恒定，传感器尺寸越大(例如，在x-y平面中)，焦距和光学器件高度越大。

4、随着移动设备的尺寸(并且特别地，诸如智能电话之类的设备的厚度)不断减小，紧凑的相机尺寸正在变得越来越成为设备厚度的限制因素。已经提出了几种途径来减小紧凑的相机厚度以便减轻这种约束。最近，为此目的已经提出了多孔径系统。在这样的系统中，代替具有一个带有一连串的光学元件的孔径，相机被分成几个孔径，每个孔径具有专用光学元件，并且全部共享相似视场。在下文中，每个这样的孔径与其上形成有图像的光学器件和传感器区域一起被定义为“子相机”。来自子相机的图像被融合在一起以创建单个输出图像。

5、在一些多孔径相机设计中，与由参考单孔径相机创建的图像相比较，每个子相机在图像传感器上产生更小的图像。因此，每个子相机的高度可以小于单孔径相机的高度，从而减小相机的总高度并且允许移动设备的更薄的设计。

6、已知其中一个子相机具有宽fov(“广角子相机”)而另一个具有窄fov(“长焦子相机”)的双孔径变焦相机。双孔径变焦相机的一个问题涉及变焦长焦子相机的高度。长焦(“t”)和广角(“w”)子相机的高度(也被称为“总轨道长度”或“ttl”)存在显着差异。ttl通常被定义为第一透镜元件的对象侧表面与相机图像传感器平面之间的最大距离。在大多数微型透镜中，ttl大于透镜有效焦距(efl)。给定透镜(或透镜单元)的典型ttl/efl比率为约1.3。在具有1/3至1/4"传感器的单孔径智能手机相机中，efl通常分别在3.5mm和4.5mm之间，从而导致70°至80°的fov。

7、例如，假定人们希望在智能手机中实现双孔径x2光学变焦，则使用eflw＝3.5mm和eflt＝2xeflw＝7mm是自然的。然而，在没有空间约束的情况下，广角透镜将具有eflw＝3.5mm和ttlw为3.5×1.3＝4.55mm，而长焦透镜将具有eflt＝7mm和ttlt等于7×1.3＝9.1mm。在智能手机相机中结合9.1mm透镜可能导致相机高度为约10mm，其对于许多智能手机制造商是不可接受的。

8、在题为“dual-aperture zoom digital camera”的共同发明的和共同拥有的pct专利申请pct/ib2014/062180中描述了对上述问题的解决方案的示例。该解决方案的一些原理在图1中示出，该图1示意性地图示了具有自动对焦(af)并且编号为100的双孔径变焦相机的实施例，其中，(a)为一般等距视图，并且(b)为剖视等距视图。相机100包括标记为102和104的两个子相机，每个子相机具有其自己的光学器件。因此，子相机102包括具有孔径108和光学透镜模块110以及传感器112的光学器件块106。类似地，子相机104包括具有孔径116和光学透镜模块118以及传感器120的光学器件块114。每个光学透镜模块可以包括几个透镜元件以及红外(ir)滤光器122a和122b。可选地，属于不同孔径的一些或所有透镜元件可以形成在同一基板上。两个子相机彼此相邻定位，其中小基线在两个孔径108和116的中心之间的124中。每个子相机还可以包括分别由控制器(未示出)控制的af机构126和128。对于每个子相机，相机100是由ttl/efl表示的“薄”。典型地，ttlw/eflw>1.1和ttlt/eflt<1.0(例如，0.85)。

9、尽管相机100中的变焦范围大约为x2，但是进一步增加该范围可能是有利的。然而，这需要进一步增加长焦透镜efl(eflt)，其将导致相机高度的增加。eflt增加到示例性的12mm将导致不期望的相机高度，例如，0.85×12+0.9＝11.l mm。

技术实现思路

1、如上文所指出的，用于便携式电子设备的数字相机的要求与相机的尺寸和图像质量有关。而且，当将相机安装在便携式设备内时，与可附接到便携式设备的其它外部相机单元不同，这些要求变得更加重要。

2、在内部(整体)相机单元的情况下，相机需要具有尽可能小的尺寸，以便适应相机安装在其中的设备的厚度(优选地，而不从设备的外壳突出)，同时适合于与常用的图像传感器一起操作。当使用具有长有效焦距(efl)的长焦透镜以获得相对高的变焦效果时，这个问题甚至更重要。

3、因此，根据当前公开的主题的一个方面，提供了一种包括广角子相机和长焦子相机的变焦数字相机。广角子相机包括广角透镜模块和广角图像传感器，广角透镜模块具有沿着对象侧和广角图像传感器之间的第一光学路径的广角透镜对称轴。广角子相机被配置成提供广角图像。

4、长焦子相机包括长焦透镜模块和长焦图像传感器。长焦透镜模块具有沿着第二光学路径的长焦透镜对称轴，长焦透镜对称轴基本上垂直于广角透镜对称轴定位。长焦子相机被配置成提供长焦图像。

5、该相机还包括第一反射元件，该第一反射元件具有第一反射元件对称轴，该第一反射元件对称轴相对于广角透镜对称轴和长焦透镜对称轴基本上倾斜45度，并且可以操作以在物体和长焦图像传感器之间提供折叠光学路径。因此，长焦子相机被认为是折叠的，并且在本文中被称为“折叠式长焦子相机”。

6、广角透镜具有广角视场(fovw)，并且长焦透镜具有比fovw窄的长焦视场(fovt)。根据一个非限制性示例，与广角子相机相比较，长焦子相机提供x5变焦效果。

7、数字相机可操作地连接到被配置成将长焦图像和广角图像处理为输出图像的至少一个图像处理器。将通过不同光学路径接收的图像融合成单个输出图像的方法例如在题为“high-resolution thin multi-aperture imaging systems”的共同发明的和共同拥有的pct专利申请第14/365,711号和题为“dual aperture zoom digital camera”的共同发明的并且共同拥有的美国专利申请第14/365,711号中提供，并且公开了一种多孔径成像系统，其包括具有捕获第一图像的第一传感器的第一相机和具有捕获第二图像的第二传感器的第二相机。基于变焦因数，任一图像可以被选择为主图像或辅助图像。通过将辅助图像配准到主图像获得具有由主图像确定的视点的输出图像。

8、为了进一步适应折叠式长焦子相机的尺寸与电子便携式设备的趋势，尽可能地减小它们的厚度，折叠式长焦子相机的各种特征被特别地配置成使得能够实现高度减少的折叠式长焦子相机。减少长焦子相机高度使得能够减少双孔径相机的总高度。此外，在维持期望的图像质量的同时实现折叠式长焦子相机高度的减少。

9、因此，除了上述特征之外，根据本公开的主题的各种示例，变焦数字相机可以以任何期望的组合和排列包括下文特征(1)至(32)中的一个或多个特征。

10、(1)其中，折叠式长焦子相机的长焦透镜模块包括一组至少3个透镜元件，并且其中，该组中的透镜元件被设计成具有基本上不超过长焦子相机的孔径的直径。如下文所解释的，这与常规透镜模块不同，其中，透镜的直径被设计成朝向传感器越来越宽。

11、(2)其中，折叠式长焦子相机的长焦透镜模块包括一组3至5个透镜元件。

12、(3)其中，长焦子相机还包括基板、用于保持透镜元件在适当位置的结构、以及相机外壳。

13、(4)其中，长焦子相机的孔径被设计成提供足够低的f#(例如，等于或小于3)以增加落在长焦图像传感器上的光。

14、(5)其中，长焦透镜模块被设计成使得能够在长焦图像传感器的整个区域上生成图像。长焦图像传感器可以是例如1/3"图像传感器或1/4"图像传感器。

15、(6)其中，该组中的透镜元件被设计成使得阻挡的光不超过进入长焦透镜模块的特定百分比的光(例如，不超过进入长焦透镜模块的25％的光被阻挡)。

16、(7)其中，根据一个示例，长焦子相机被配置成具有以下技术参数：efl>9mm，f#≤3，并且对于所有视角，光阻挡不超过进入长焦子相机孔径的大于25％的光。

17、(8)其中，长焦子相机的特征在于高度不超过6.5mm。

18、(9)其中，长焦子相机的特征在于高度不超过5.7mm。

19、(10)其中，长焦图像传感器位于基本上垂直于长焦透镜对称轴的平面中。

20、(11)其中，长焦子相机包括长焦自动对焦(af)机构，其被配置成沿着长焦对称轴移动长焦透镜；af机构被设计成使得其高度基本上不超过长焦透镜模块的高度。

21、(12)其中，af机构包括耦合到相应线圈的一个或多个磁体，该磁体侧向地定位在长焦透镜模块的一侧或两侧上，该磁体的高度基本上不超过长焦透镜模块的高度。

22、(13)其中，af机构仅包括耦合到相应线圈的一个磁体。

23、(14)其中，相机还包括定位在长焦透镜模块和长焦图像传感器之间的第二光学路径中的第二反射元件，该第二反射元件被配置成将平行于第二光学路径传播的光引导到第一光学路径，其中，长焦图像传感器位于基本上垂直于广角透镜对称轴的平面中。

24、(15)其中，相机还包括长焦自动对焦(af)机构，其被配置成沿着第二反射元件对称轴移动第二反射元件。

25、(16)其中，广角图像传感器和长焦图像传感器安装在单个印刷电路板上。

26、(17)其中，操作地连接到相机的至少一个处理器被配置成使用变焦因数(zf)来确定相应的输出视场。

27、(18)其中，广角透镜模块具有广角视场fovw，并且长焦透镜模块具有比fovw窄的远视场fovt；相机还包括中焦子相机，其包括具有满足fovw>fovm>fovt的视场fovm的中焦透镜模块和中焦图像传感器，中焦透镜具有中焦透镜对称轴；中焦相机被配置成提供中焦图像。

28、(19)其中，中焦子相机配置有等于广角子相机的efl和长焦子相机的efl的几何平均值的efl。

29、(20)其中，操作地连接到相机的至少一个处理器被配置成将中焦图像连同长焦图像或广角图像一起处理为输出图像。

30、(21)其中，中焦透镜对称轴基本上垂直于广角透镜对称轴，并且中焦图像传感器位于基本上垂直于中焦透镜对称轴的平面中；并且其中，长焦像传感器位于基本上垂直于长焦透镜对称轴的平面中。

31、(22)其中，相机还包括中焦自动对焦(af)机构，其被配置成沿着基本上垂直于广角透镜对称轴的中焦对称轴移动中焦透镜模块；和长焦af机构，其被配置成沿着长焦对称轴移动长焦透镜模块；中焦af机构和长焦af机构中的任一个机构的高度基本上不超过长焦透镜模块的高度。

32、(23)其中，中焦af机构包括耦合到相应线圈的一个或多个磁体，该磁体侧向定位在长焦透镜模块的一侧或两侧上，该磁体的高度基本上不超过长焦透镜模块的高度。

33、(24)其中，中焦af机构仅包括耦合到相应线圈的一个磁体。

34、(25)其中，相机还包括相对于广角透镜对称轴和中焦透镜对称轴大致成45度倾斜的第三反射元件；第三反射元件被配置成在对象侧和中焦图像传感器之间提供折叠式光学路径。

35、(26)其中，相机还包括定位在中焦透镜和中焦图像传感器之间的第四光学路径中的第四反射元件，该第四反射元件被配置成将平行于第二光学路径传播的光引导到第一光学路径，中焦图像传感器位于基本上平行于中焦透镜对称轴的平面中。

36、(27)其中，相机还包括中焦自动对焦(af)机构，其被配置成沿着第四反射元件对称轴移动第四反射元件。

37、(28)其中，中焦子相机的中焦透镜对称轴基本上平行于广角透镜对称轴，并且广角图像传感器和中焦图像传感器安装在单个印刷电路板上。

38、(29)其中，中焦子相机的中焦透镜对称轴基本上垂直于广角透镜对称轴，并且广角图像传感器和中焦图像传感器安装在单个印刷电路板上。

39、(30)其中，操作地连接到相机的至少一个处理器被配置成使用变焦因数(zf)来确定相应的输出视场。

40、(31)其中，操作地连接到相机的至少一个处理器被配置成输出通过使用用于设置fovw和fovm之间的fov的zf的广角图像和中焦图像形成的输出图像。

41、(32)其中，操作地连接到相机的至少一个处理器被配置成输出通过使用用于设置fovm和fovt之间的fov的zf的中焦图像和长焦图像形成的输出图像。

42、根据一个示例，当前公开的主题包括被配置成集成在电子设备的外壳内的数字相机。该相机包括广角子相机、长焦子相机和长焦自动对焦(af)机构；

43、广角子相机包括广角透镜模块和广角图像传感器，该广角透镜模块具有沿着在对象侧和广角图像传感器之间的第一光学路径的广角透镜对称轴；广角子相机被配置成提供广角图像；长焦子相机包括长焦透镜模块和长焦像传感器以及第一反射镜；该长焦透镜模块具有沿着第二光学路径的长焦透镜对称轴，长焦透镜对称轴被定位成基本上垂直于广角透镜对称轴；该长焦相机被配置成提供长焦图像；第一反射镜具有相对于广角透镜对称轴和长焦透镜对称轴基本上倾斜45度的第一反射镜对称轴，并且可以操作以在对象和长焦图像传感器之间提供折叠式光学路径；

44、其中，长焦透镜模块包括一组3至5个透镜元件，并且其中，该组中的透镜元件被设计成直径基本上不超过长焦子相机的孔径的直径，以使得能够在长焦图像传感器的整个区域上生成图像，并且使得能够进入长焦透镜模块的至少75％的光朝向长焦图像传感器通过；

45、其中，长焦af机构被配置成沿着长焦对称轴移动长焦透镜；af机构包括耦合到相应线圈的一个或多个磁体，该磁体侧向地定位在长焦透镜模块的一侧或两侧上，该磁体的高度基本上不超过长焦透镜模块的高度。

46、本公开的主题还设想了诸如蜂窝电话(例如，智能电话)、便携式计算机、记事本、平板电脑、手表、任何类型的电子可穿戴设备(例如，手镯、手表、头盔、眼镜等)等之类的移动电子设备，其配备有如本文中所公开的数字相机。根据一些示例，数字相机完全集成在电子设备内(即，而不从电子设备的外壳突出)。

47、本公开的主题还构想了具有如上文所公开的低相机轮廓的折叠式长焦子相机。