照相機(jī)、折疊透鏡系統(tǒng)及相關(guān)計(jì)算設(shè)備的制造方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 優(yōu)先權(quán)?目息
[0002] 該申請(qǐng)要求于2014年3月7日提交的題為"FOLDED LENS SYSTEMS (折疊透鏡系 統(tǒng)）"的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)No. 61/949, 898的優(yōu)先權(quán)的權(quán)益，其內(nèi)容通過(guò)引用而完全合并 到此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開(kāi)總體涉及照相機(jī)系統(tǒng)，更具體地說(shuō)，涉及用于小形狀因數(shù)照相機(jī)的透鏡系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 小的移動(dòng)多用途設(shè)備（如智能電話和平板或平板設(shè)備）的出現(xiàn)已經(jīng)導(dǎo)致對(duì)于用于 在設(shè)備中的集成的高分辨率、小形狀因數(shù)照相機(jī)的需要。然而，由于傳統(tǒng)照相機(jī)技術(shù)的限 制，在這些設(shè)備中所使用的傳統(tǒng)小照相機(jī)傾向于以比使用更大、更高質(zhì)量照相機(jī)可以實(shí)現(xiàn) 的更低分辨率和/或更低圖像質(zhì)量來(lái)捕獲圖像。通過(guò)小封裝尺寸照相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)較高分辨率 通常要求使用具有小像素尺寸的光電傳感器以及良好的緊湊成像透鏡系統(tǒng)。技術(shù)的發(fā)展已 經(jīng)實(shí)現(xiàn)了光電傳感器中的像素尺寸的減少。然而，由于光電傳感器變得更緊湊并且強(qiáng)大，因 此對(duì)于具有改進(jìn)的成像質(zhì)量性能的緊湊成像透鏡系統(tǒng)的需求已經(jīng)增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本公開(kāi)的實(shí)施例可以提供一種小封裝尺寸中的高分辨率照相機(jī)。描述包括光電傳 感器和緊湊折疊透鏡系統(tǒng)的照相機(jī)。在實(shí)施例中，折疊所述照相機(jī)透鏡系統(tǒng)的光路可以促 進(jìn)實(shí)現(xiàn)用于照相機(jī)透鏡組裝的小形狀因數(shù)，并且還可以通過(guò)使用相對(duì)少數(shù)量的小形狀因數(shù) 的透鏡元件來(lái)促進(jìn)實(shí)現(xiàn)高分辨率光學(xué)透鏡系統(tǒng)?？梢栽谌匀徊东@尖銳高分辨率圖像的同時(shí) 在小封裝尺寸中實(shí)現(xiàn)包括折疊透鏡系統(tǒng)的照相機(jī)的實(shí)施例，使得照相機(jī)的實(shí)施例適合于在 小型和/或移動(dòng)多用途設(shè)備（如蜂窩電話、智能電話、平板或平板計(jì)算設(shè)備、膝上型設(shè)備、網(wǎng) 本、筆記本、小筆記本和超級(jí)本計(jì)算機(jī)）中的使用。在一些實(shí)施例中，可以連同一個(gè)或多個(gè) 其它照相機(jī)（例如望遠(yuǎn)和/或廣角小格式照相機(jī)）在設(shè)備中包括在此所描述的照相機(jī)，其 它照相機(jī)將例如當(dāng)使用該設(shè)備來(lái)捕獲圖像時(shí)允許用戶在不同的照相機(jī)格式（正常、望遠(yuǎn)或 廣角）之間進(jìn)行選擇。
[0006] 描述可以減少用于對(duì)于1/3英寸（6. 12_對(duì)角線）傳感器照相機(jī)的潛在應(yīng)用的透 鏡系統(tǒng)的封裝體積的寬度的折疊透鏡系統(tǒng)的實(shí)施例。所述折疊透鏡系統(tǒng)的示例實(shí)施例可以 具有14-mm EFL (有效焦距長(zhǎng)度）、F/2. 8和26-度對(duì)角線視場(chǎng)（DFOV) (6. 46mm圖像圈直徑、 3. 232_圖像圈半徑）。在至少一些實(shí)施例中，圖像平面或傳感器可以移動(dòng)以將物體場(chǎng)景從 無(wú)限遠(yuǎn)聚焦到〈1000mm物距。至少一些實(shí)施例可以使用棱鏡作為光路折疊機(jī)構(gòu)，以用于對(duì) 光的光路進(jìn)行折疊。在一些實(shí)施例中，透鏡-棱鏡組合（例如鑄模到合成單元元件中的一 個(gè)或多個(gè)透鏡和棱鏡）可以用作光路折疊機(jī)構(gòu)，以用于對(duì)光的光路進(jìn)行折疊。
[0007] 描述包括具有折光力的五個(gè)透鏡元件的折疊透鏡系統(tǒng)的實(shí)施例。然而，在一些實(shí) 施例中可以使用更多或更少的透鏡元件。在各個(gè)實(shí)施例中，平面鏡或棱鏡元件可以用于對(duì) 光的光路進(jìn)行折疊。在至少一些實(shí)施例中，所述透鏡元件中的至少一個(gè)的物側(cè)表面和圖像 側(cè)表面中的至少一個(gè)是非球面的。
[0008] 在至少一些實(shí)施例中，所述折疊透鏡系統(tǒng)包括折疊光軸（在此被稱為AX)、第一組 (在此被稱為GR1)光學(xué)元件、光路折疊元件（例如棱鏡或平面鏡）、第二組（在此被稱為 GR2)光學(xué)元件以及在所述圖像平面處的光電傳感器。至少一些實(shí)施例可以還包括紅外濾 波器和/或窗口元件。折疊透鏡系統(tǒng)的至少一些實(shí)施例可以包括變焦能力，用于將在無(wú)限 遠(yuǎn)處（距照相機(jī)的物距多20米）的物體場(chǎng)景聚焦到近物距（〈1米）。例如，在各個(gè)實(shí)施例 中，第一組（GRl)、第二組GR2和/或在所述圖像平面處的光電傳感器可以變焦、移動(dòng)或平 移，以用于將物體場(chǎng)景從遠(yuǎn)距離（多20米）聚焦到近距離（〈1米）。
[0009] 在至少一些實(shí)施例中，所述透鏡系統(tǒng)可以是固定折疊透鏡系統(tǒng)，被配置使得所述 透鏡系統(tǒng)的有效焦距長(zhǎng)度f(wàn)的絕對(duì)值處于14毫米（mm)或其左右（例如在8mm至大約14_ 的范圍內(nèi)）、F數(shù)（聚焦比）處于從大約2. 4到大約10的范圍內(nèi)，視場(chǎng)（FOV)處于26度或 其左右，非折疊透鏡系統(tǒng)的總軌跡長(zhǎng)度（TTL)處于~8mm至~16mm的范圍內(nèi)。然而，注意， 在一些實(shí)施例中可以獲得在此所給出的范圍之上或之下的值。所述透鏡系統(tǒng)的總軌跡長(zhǎng)度 (TTL)是在第一（物側(cè)）光學(xué)元件的物側(cè)表面處的前頂點(diǎn)與所述圖像平面之間在光軸（AX) 上的距離。在所述折疊透鏡系統(tǒng)的實(shí)施例中，所述透鏡系統(tǒng)的非折疊總軌跡長(zhǎng)度（TTL)可 以定義為在所述第一（物側(cè)）光學(xué)元件的物側(cè)表面處的前頂點(diǎn)與圖像平面之間在折疊光軸 (AX)上的距離。換言之，用于折疊透鏡系統(tǒng)的TTL是在第一（物側(cè)）透鏡元件的物側(cè)表面 處的前頂點(diǎn)與光路折疊元件（鏡面或棱鏡）的反射表面之間在折疊軸AX上的距離的絕對(duì) 值、和所述反射表面與圖像平面之間的距離的絕對(duì)值之和。由于通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)慣例，光學(xué)參 數(shù)（如曲率半徑、距離、焦距長(zhǎng)度等）的代數(shù)符號(hào)跟隨反射表面而改變符號(hào)，因此在此可以 使用距離的絕對(duì)值之和。
[0010] 于在此所描述的至少一些實(shí)施例中，折疊透鏡系統(tǒng)可以被配置為使得望遠(yuǎn)比率 TTL/f I 大于 1 :
[0011] TTL/f I >1. 0
[0012] 其中，f是有效焦距長(zhǎng)度的絕對(duì)值。為了歸類為望遠(yuǎn)透鏡系統(tǒng)，|TTL/f| (望遠(yuǎn)比 率）應(yīng)小于或等于1。因此，在此所描述的折疊透鏡系統(tǒng)的實(shí)施例通?？梢蕴峁┓峭h(yuǎn)透鏡 系統(tǒng)。然而，注意，在一些實(shí)施例中，折疊透鏡系統(tǒng)可以被配置或可以是可調(diào)整的，以使得望 遠(yuǎn)比率小于或等于1 :
[0013] TTL/f I ^ 1. 0,
[0014] 并且因此，實(shí)施例可以囊括可在望遠(yuǎn)范圍與非望遠(yuǎn)范圍之間調(diào)整的折疊望遠(yuǎn)透鏡 系統(tǒng)和/或折疊透鏡系統(tǒng)。例如，在一些實(shí)施例中，折疊透鏡系統(tǒng)可以是可調(diào)整的，以提供 0. 8至1. 2的范圍內(nèi)的望遠(yuǎn)比率。
[0015] 在至少一些實(shí)施例中，所述折疊透鏡系統(tǒng)可以被配置為使得透鏡系統(tǒng)的有效焦距 長(zhǎng)度f(wàn)是14mm，F(xiàn)數(shù)是2. 8。然而，注意，焦距長(zhǎng)度（和/或其它參數(shù)）可以縮放或調(diào)整，以 滿足用于其它照相機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用（例如用于較大封裝尺寸照相機(jī)）的光學(xué)、成像和/或封裝 約束的規(guī)范。此外，在一些實(shí)施例中，折疊透鏡系統(tǒng)可以是可調(diào)整的。例如，在一些實(shí)施例 中，折疊透鏡系統(tǒng)可以包括可調(diào)整虹膜或孔徑光闌。使用可調(diào)整的孔徑光闌，F(xiàn)數(shù)（聚焦比 或F/#)可以例如在2. 8至10或更高的范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)地變化。此外，在一些實(shí)施例中，折疊透 鏡系統(tǒng)可以還包括變焦機(jī)構(gòu)，用于動(dòng)態(tài)地將物體場(chǎng)景從在無(wú)限遠(yuǎn)處的遠(yuǎn)距離（即多20米） 聚焦到近物距（即〈1米）。
[0016] 各個(gè)實(shí)施例中的折射透鏡元件可以由塑料材料構(gòu)成。在至少一些實(shí)施例中，折射 透鏡元件可以由注塑成型光學(xué)塑料材料構(gòu)成。各個(gè)實(shí)施例中的折疊鏡面或棱鏡元件可以由 玻璃材料或塑料材料構(gòu)成。在具有窗口元件和/或紅外濾波器（IR)元件的實(shí)施例中，這些 元件可以由玻璃材料或塑料材料構(gòu)成。然而，可以使用其它合適的透明光學(xué)材料。此外，注 意，在給定實(shí)施例中，透鏡元件中的不同元件可以由具有不同光學(xué)特性（例如不同阿貝數(shù) 和/或不同折射率）的材料構(gòu)成。此外，注意，雖然各個(gè)實(shí)施例中的透鏡元件通常示出為圓 形透鏡，但在一些實(shí)施例中，所述透鏡中的一個(gè)或多個(gè)可以是其它形狀（例如橢圓、矩形、 正方形或具有圓角的矩形）。
[0017] 在折疊透鏡系統(tǒng)的至少一些實(shí)施例中，可以選擇透鏡元件材料或可以計(jì)算透鏡 元件的折光力分布，以滿足透鏡系統(tǒng)有效焦距長(zhǎng)度要求并且校正色差和場(chǎng)曲率或Petzval 和。可以通過(guò)調(diào)整透鏡元件和軸向分離的曲率半徑和非球面系數(shù)或幾何形狀來(lái)減少光學(xué)像 差的單色變化和色度變化，以產(chǎn)生良好校正的平衡最小殘余像差，而且在小形狀因數(shù)透鏡 系統(tǒng)照相機(jī)中減少總軌跡長(zhǎng)度（TTL)并且實(shí)現(xiàn)圖像高質(zhì)量光學(xué)性能和高分辨率。
[0018] 本公開(kāi)的目的是在小形狀因數(shù)照相機(jī)中實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量光學(xué)性能和高分辨率。
[0019] 根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，一種照相機(jī)包括：光電傳感器，被配置為捕獲投影到光電 傳感器的表面上的光；以及折疊透鏡系統(tǒng)，包括沿著照相機(jī)的第一光軸和第二光軸布置的 多個(gè)光學(xué)元件并且被配置為：沿著第一光軸折射來(lái)自位于照相機(jī)的前面的物場(chǎng)的光；將光 重定向到第二光軸上；以及在第二光軸上折射所述光以在光電傳感器的表面處的圖像平面 處形成場(chǎng)景的圖像；其中，折疊透鏡系統(tǒng)具有有效焦距長(zhǎng)度f(wàn)和總軌跡長(zhǎng)度TTL，并且折疊 透鏡系統(tǒng)的望遠(yuǎn)比率I TTL/f I大于1.0。
[0020] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，折疊透鏡系統(tǒng)包括被配置為將來(lái)自第一光軸的光反射到第二光 軸上的光路折疊元件，以將所述光重定向到第二光軸上。
[0021] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，光路折疊元件是棱鏡。
[0022] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述多個(gè)光學(xué)元件包括沿著照相機(jī)的第一光軸和第二光軸布置 的多個(gè)折射透鏡。
[0023] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述多個(gè)透鏡中的至少一個(gè)的至少一個(gè)表面是非球面的。
[0024] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述多個(gè)透鏡中的至少一個(gè)由第一塑料材料組成，并且所述多 個(gè)透鏡中的至少另一個(gè)由具有與第一塑料材料不同的光學(xué)特性的第二塑料材料組成。
[0025] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述多個(gè)光學(xué)元件中的至少一個(gè)被配置為沿著相應(yīng)的光軸平移 或移動(dòng)以調(diào)整場(chǎng)景的圖像在光電傳感器處的聚焦。
[0026] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，光電傳感器被配置為沿著相應(yīng)的光軸平移或移動(dòng)以調(diào)整場(chǎng)景的 圖像在光電傳感器處的聚焦。
[0027] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，折疊透鏡系統(tǒng)的總軌跡長(zhǎng)度TTL是16. 0毫米或更小。
[0028] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，折疊透鏡系統(tǒng)的有效焦距長(zhǎng)度f(wàn)處于8. 0毫米至14毫米的范圍 內(nèi)，并且折疊透鏡系統(tǒng)的聚焦比處于2. 4至10的范圍內(nèi)。
[0029] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述多個(gè)光學(xué)元件按從照相機(jī)的物側(cè)到照相機(jī)的圖像側(cè)沿著第 一光軸和第二光軸的順序包括：第一折射透鏡，在第一光軸上；光路折疊元件，被配置為將 所述光從第一光軸重定向到第二光軸上，其中，光路折疊元件是棱鏡或鏡面之一；以及一個(gè) 或更多個(gè)折射透鏡，在第二光軸上。
[0030] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，折疊透鏡系統(tǒng)還包括孔徑光闌，該孔徑光闌位于第一折射透鏡 的前面或在第一折射透鏡與光路折疊元件的反射表面之間。
[0031] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，孔徑光闌是能調(diào)整以提供從2. 4至10的范圍內(nèi)的聚焦比的孔徑 光闌。
[0032] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述多個(gè)光學(xué)元件按從照相機(jī)的物側(cè)到照相機(jī)的圖像側(cè)沿著第 一光軸和第二光軸的順序包括：具有正折光力的第一透鏡，具有凸物側(cè)表面；光路折疊元 件，被配置為將所述光從第一光軸重定向到第二光軸上；第二折射透鏡；第三折射透鏡；第 四折射透鏡；以及第五折射透鏡。
[0033] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一透鏡的焦距長(zhǎng)度Π 滿足條件0. 5〈 I fl/f I〈0. 8,第二透鏡 的焦距長(zhǎng)度f(wàn)2滿足條件0. 3〈 I f2/f I〈2. 0,第三透鏡的焦距長(zhǎng)度f(wàn)3滿足條件0. 2〈 I f3/ f I〈0. 6,第四透鏡的焦距長(zhǎng)度f(wàn)4滿足條件0. 4〈 I f4/f I〈1. 5,以及第五透鏡的焦距長(zhǎng)度f(wàn)5滿 足條件 0.3〈|f5/f|〈3.0。
[0034] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，光路折疊元件是棱鏡，所述第一透鏡或第二透鏡中的至少一個(gè) 與棱鏡組合以形成單個(gè)光學(xué)元件。
[0035] 根據(jù)本公開(kāi)的另一方面，一種折疊透鏡系統(tǒng)，包括：多個(gè)折射透鏡元件，沿著折疊 透鏡系統(tǒng)的折疊光軸布置，其中，多個(gè)透鏡元件中的至少一個(gè)的至少一個(gè)表面是非球面的； 其中，折疊透鏡系統(tǒng)具有有效焦距長(zhǎng)度f(wàn)和總軌跡長(zhǎng)度TTL，并且其中，折疊透鏡系統(tǒng)是能 調(diào)整以提供從〇. 8至1. 2范圍內(nèi)的望遠(yuǎn)比率I TTL/f I的折疊透鏡系統(tǒng)；以及其中，多個(gè)透鏡 元件中的至少一個(gè)由第一塑料材料組成，并且多個(gè)透鏡元件中的至少另一個(gè)由具有與第一 塑料材料不同的光學(xué)特性的第二塑料材料組成。
[0036] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，折疊透鏡系統(tǒng)的總軌跡長(zhǎng)度TTL是16毫米或更小，并且f處于 8. 0毫米至14毫米的范圍內(nèi)。
[0037] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述多個(gè)透鏡元件按從折疊透鏡系統(tǒng)的物側(cè)到折疊透鏡系統(tǒng)的 圖像側(cè)沿著折疊光軸的順序包括：具有正折光力的第一透鏡元件，在折疊光軸的第一光路 上，并具有凸物側(cè)表面；鏡面或棱鏡，被配置為將所述光從折疊光軸的第一光路重定向到折 疊光軸的第二光路上；第二透鏡元件，在第二光路上；第三透鏡元件，在第二光路上；第四 透鏡元件，在第二光路上；以及第五透鏡元件，在第二光路上。
[0038] 根據(jù)本公開(kāi)的又一方面，一種計(jì)算設(shè)備包括：一個(gè)或更多個(gè)處理器；一個(gè)或更多 個(gè)照相機(jī)；以及存儲(chǔ)器，包括能由所述一個(gè)或更多個(gè)處理器中的至少一個(gè)執(zhí)行以控制所述 一個(gè)或更多個(gè)照相機(jī)的操作的程序指令；其中，所述一個(gè)或更多個(gè)照相機(jī)中的至少一個(gè)是 小形狀因數(shù)照相機(jī)，包括：光電傳感器，被配置為捕獲投影到光電傳感器的表面上的光；以 及折疊透鏡系統(tǒng)，被配置為：沿著第一光軸折射來(lái)自位于照相機(jī)的前面的物場(chǎng)的光；將所 述光重定向到第二光軸上；以及在第二光軸上折射所述光以在光電傳感器的表面處的圖像 平面處形成場(chǎng)景的圖像；以及其中，折疊透鏡系統(tǒng)具有有效焦距長(zhǎng)度f(wàn)，折疊透鏡系統(tǒng)的總 軌跡長(zhǎng)度TTL是16. 0毫米或更小，并且折疊透鏡系統(tǒng)的望遠(yuǎn)比率I TTL/f I大于1. 0。
[0039] 本公開(kāi)的實(shí)施例的技術(shù)效果是實(shí)現(xiàn)在小形狀因數(shù)照相機(jī)中的高質(zhì)量光學(xué)性能和 高分辨率。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖IA和圖IB是包括包含折射透鏡元件和工作為對(duì)光路的方向進(jìn)行折疊或改變的 光路折疊元件的折疊透鏡系統(tǒng)的緊湊照相機(jī)的示例實(shí)施例的截面圖示。
[0041] 圖2A和圖2B是用于如圖IA和圖IB所示的折疊透鏡系統(tǒng)的范圍從470nm至650nm 的可見(jiàn)帶上的球面像差、像散和畸變的多色曲線的圖線。
[0042] 圖3A和圖3B示出用于如圖IA和圖IB所示的折疊透鏡系統(tǒng)的半視場(chǎng)上和范圍從 470nm至650nm的可見(jiàn)譜帶上的多色射線像差曲線的圖線。
[0043] 圖4A和圖4B示出用于4. 9mmX 3. 7mm圖像格式緊湊照相機(jī)的如圖IA和圖IB所 示的折疊透鏡系統(tǒng)中的示例透鏡定向。
[0044] 圖5A和圖5B是包括包含折射透鏡元件和工作為對(duì)光路進(jìn)行折疊的光路折疊元件 的折疊透鏡系統(tǒng)的緊湊照相機(jī)的另一示例實(shí)施例的截面圖示。
[0045] 圖6A和圖6B是用于如圖5A和圖5B所示的折疊透鏡系統(tǒng)的范圍從470nm至650nm 的可見(jiàn)帶上的球面像差、像散和畸變的多色曲線的圖線。
[0046] 圖7A和圖7B示出用于如圖5A和圖5B所示的折疊透鏡系統(tǒng)的半視場(chǎng)上和范圍從 470nm至650nm的可見(jiàn)譜帶上的多色射線像差曲線的圖線。
[0047] 圖8A和圖8B示出用于4. 9mmX3. 7mm圖像格式緊湊照相機(jī)的如圖5A和圖5B所 示的折疊透鏡系統(tǒng)中的示例透鏡定向。
[0048] 圖9A和圖9B是包括包含折射透鏡元件和工作為對(duì)光路進(jìn)行折疊的光路折疊元件 的折疊透