折疊照相機透鏡系統的制作方法
【專利說明】
[0001] 優先權彳目息
[0002] 該申請要求于2014年3月7日提交的題為"FOLDED LENS SYSTEMS (折疊透鏡系 統）"的美國臨時申請序列號No. 61/949, 898的優先權的權益，其內容通過引用而完全合并 到此。
技術領域
[0003] 本公開總體涉及照相機系統，更具體地說，涉及用于小形狀因數照相機的透鏡系 統。
【背景技術】
[0004] 小的移動多用途設備（如智能電話和平板或平板設備）的出現已經導致對于用于 在設備中的集成的高分辨率、小形狀因數照相機的需要。然而，由于傳統照相機技術的限 制，在這些設備中所使用的傳統小照相機傾向于以比使用更大、更高質量照相機可以實現 的更低分辨率和/或更低圖像質量來捕獲圖像。通過小封裝尺寸照相機來實現較高分辨率 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。技術的發展已 經實現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大，因 此對于具有改進的成像質量性能的緊湊成像透鏡系統的需求已經增加。
【發明內容】
[0005] 本公開的實施例可以提供一種小封裝尺寸中的高分辨率照相機。描述包括光電傳 感器和緊湊折疊透鏡系統的照相機。在實施例中，折疊所述照相機透鏡系統的光路可以促 進實現用于照相機透鏡組裝的小形狀因數，并且還可以通過使用相對少數量的小形狀因數 的透鏡元件來促進實現高分辨率光學透鏡系統。可以在仍然捕獲尖銳高分辨率圖像的同時 在小封裝尺寸中實現包括折疊透鏡系統的照相機的實施例，使得照相機的實施例適合于在 小型和/或移動多用途設備（如蜂窩電話、智能電話、平板或平板計算設備、膝上型設備、網 本、筆記本、小筆記本和超級本計算機）中的使用。在一些實施例中，可以連同一個或多個 其它照相機（例如望遠和/或廣角小格式照相機）在設備中包括在此所描述的照相機，其 它照相機將例如當使用該設備來捕獲圖像時允許用戶在不同的照相機格式（正常、望遠或 廣角）之間進行選擇。
[0006] 描述可以減少用于對于1/3英寸（6. 12_對角線）傳感器照相機的潛在應用的透 鏡系統的封裝體積的寬度的折疊透鏡系統的實施例。所述折疊透鏡系統的示例實施例可以 具有14-mm EFL(有效焦距長度）、F/2. 8和26-度對角線視場（DF0V) (6. 46mm圖像圈直徑、 3. 232_圖像圈半徑）。在至少一些實施例中，圖像平面或傳感器可以移動以將物體場景從 無限遠聚焦到〈1000mm物距。至少一些實施例可以使用棱鏡作為光路折疊機構，以用于對 光的光路進行折疊。在一些實施例中，透鏡-棱鏡組合（例如鑄模到合成單元元件中的一 個或多個透鏡和棱鏡）可以用作光路折疊機構，以用于對光的光路進行折疊。
[0007] 描述包括具有折光力的五個透鏡元件的折疊透鏡系統的實施例。然而，在一些實 施例中可以使用更多或更少的透鏡元件。在各個實施例中，平面鏡或棱鏡元件可以用于對 光的光路進行折疊。在至少一些實施例中，所述透鏡元件中的至少一個的物側表面和圖像 側表面中的至少一個是非球面的。
[0008] 在至少一些實施例中，所述折疊透鏡系統包括折疊光軸（在此被稱為AX)、第一組 (在此被稱為GR1)光學元件、光路折疊元件（例如棱鏡或平面鏡）、第二組（在此被稱為 GR2)光學元件以及在所述圖像平面處的光電傳感器。至少一些實施例可以還包括紅外濾 波器和/或窗口元件。折疊透鏡系統的至少一些實施例可以包括變焦能力，用于將在無限 遠處（距照相機的物距多20米）的物體場景聚焦到近物距（〈1米）。例如，在各個實施例 中，第一組（GR1)、第二組GR2和/或在所述圖像平面處的光電傳感器可以變焦、移動或平 移，以用于將物體場景從遠距離（多20米）聚焦到近距離（〈1米）。
[0009] 在至少一些實施例中，所述透鏡系統可以是固定折疊透鏡系統，被配置使得所述 透鏡系統的有效焦距長度f的絕對值處于14毫米（mm)或其左右（例如在8mm至大約14_ 的范圍內）、F數（聚焦比）處于從大約2. 4到大約10的范圍內，視場（FOV)處于26度或 其左右，非折疊透鏡系統的總軌跡長度（TTL)處于~8mm至~16mm的范圍內。然而，注意， 在一些實施例中可以獲得在此所給出的范圍之上或之下的值。所述透鏡系統的總軌跡長度 (TTL)是在第一（物側）光學元件的物側表面處的前頂點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的實施例中，所述透鏡系統的非折疊總軌跡長度（TTL)可 以定義為在所述第一（物側）光學元件的物側表面處的前頂點與圖像平面之間在折疊光軸 (AX)上的距離。換言之，用于折疊透鏡系統的TTL是在第一（物側）透鏡元件的物側表面 處的前頂點與光路折疊元件（鏡面或棱鏡）的反射表面之間在折疊軸AX上的距離的絕對 值、和所述反射表面與圖像平面之間的距離的絕對值之和。由于通過光學設計慣例，光學參 數（如曲率半徑、距離、焦距長度等）的代數符號跟隨反射表面而改變符號，因此在此可以 使用距離的絕對值之和。
[0010] 于在此所描述的至少一些實施例中，折疊透鏡系統可以被配置為使得望遠比率 ITL/f | 大于 1 :
[0011] TTL/f |>1, 0
[0012] 其中，f是有效焦距長度的絕對值。為了歸類為望遠透鏡系統，|lTL/f| (望遠比 率）應小于或等于1。因此，在此所描述的折疊透鏡系統的實施例通常可以提供非望遠透鏡 系統。然而，注意，在一些實施例中，折疊透鏡系統可以被配置或可以是可調整的，以使得望 遠比率小于或等于1 :
[0013] TTL/f | ^ 1. 0,
[0014] 并且因此，實施例可以囊括可在望遠范圍與非望遠范圍之間調整的折疊望遠透鏡 系統和/或折疊透鏡系統。例如，在一些實施例中，折疊透鏡系統可以是可調整的，以提供 0. 8至1. 2的范圍內的望遠比率。
[0015] 在至少一些實施例中，所述折疊透鏡系統可以被配置為使得透鏡系統的有效焦距 長度f?是14mm，F數是2. 8。然而，注意，焦距長度（和/或其它參數）可以縮放或調整，以 滿足用于其它照相機系統應用（例如用于較大封裝尺寸照相機）的光學、成像和/或封裝 約束的規范。此外，在一些實施例中，折疊透鏡系統可以是可調整的。例如，在一些實施例 中，折疊透鏡系統可以包括可調整虹膜或孔徑光闌。使用可調整的孔徑光闌，F數（聚焦比 或F/#)可以例如在2. 8至10或更高的范圍內動態地變化。此外，在一些實施例中，折疊透 鏡系統可以還包括變焦機構，用于動態地將物體場景從在無限遠處的遠距離（即多20米） 聚焦到近物距（即〈1米）。
[0016] 各個實施例中的折射透鏡元件可以由塑料材料構成。在至少一些實施例中，折射 透鏡元件可以由注塑成型光學塑料材料構成。各個實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成。在具有窗口元件和/或紅外濾波器（IR)元件的實施例中，這些 元件可以由玻璃材料或塑料材料構成。然而，可以使用其它合適的透明光學材料。此外，注 意，在給定實施例中，透鏡元件中的不同元件可以由具有不同光學特性（例如不同阿貝數 和/或不同折射率）的材料構成。此外，注意，雖然各個實施例中的透鏡元件通常示出為圓 形透鏡，但在一些實施例中，所述透鏡中的一個或多個可以是其它形狀（例如橢圓、矩形、 正方形或具有圓角的矩形）。
[0017] 在折疊透鏡系統的至少一些實施例中，可以選擇透鏡元件材料或可以計算透鏡 元件的折光力分布，以滿足透鏡系統有效焦距長度要求并且校正色差和場曲率或Petzval 和。可以通過調整透鏡元件和軸向分離的曲率半徑和非球面系數或幾何形狀來減少光學像 差的單色變化和色度變化，以產生良好校正的平衡最小殘余像差，而且在小形狀因數透鏡 系統照相機中減少總軌跡長度（TTL)并且實現圖像高質量光學性能和高分辨率。
【附圖說明】
[0018] 圖1A和圖1B是包括包含折射透鏡元件和工作為對光路的方向進行折疊或改變的 光路折疊元件的折疊透鏡系統的緊湊照相機的示例實施例的截面圖示。
[0019] 圖2A和圖2B是用于如圖1A和圖1B所示的折疊透鏡系統的范圍從470nm至650nm 的可見帶上的球面像差、像散和畸變的多色曲線的圖線。
[0020] 圖3A和圖3B示出用于如圖1A和圖1B所示的折疊透鏡系統的半視場上和范圍從 470nm至650nm的可見譜帶上的多色射線像差曲線的圖線。
[0021] 圖4A和圖4B示出用于4.9mmX3.7mm圖像格式緊湊照相機的如圖1A和圖1B所 示的折疊透鏡系統中的示例透鏡定向。
[0022] 圖5A和圖5B是包括包含折射透鏡元件和工作為對光路進行折疊的光路折疊元件 的折疊透鏡系統的緊湊照相機的另一示例實施例的截面圖示。
[0023] 圖6A和圖6B是用于如圖5A和圖5B所示的折疊透鏡系統的范圍從470nm至650nm 的可見帶上的球面像差、像散和畸變的多色曲線的圖線。
[0024] 圖7A和圖7B示出用于如圖5A和圖5B所示的折疊透鏡系統的半視場上和范圍從 470nm至650nm的可見譜帶上的多色射線像差曲線的圖線。
[0025] 圖8A和圖8B示出用于4. 9mmX3. 7mm圖像格式緊湊照相機的如圖5A和圖5B所 示的折疊透鏡系統中的示例透鏡定向。
[0026] 圖9A和圖9B是包括包含折射透鏡元件和工作為對光路進行折疊的光路折疊元件 的折疊透鏡系統的緊湊照相機的另一示例實施例的截面圖示。
[0027] 圖10A和圖10B是用于如圖9A和圖9B所示的折疊透鏡系統的范圍從470nm至 650nm的可見帶上的球面像差、像散和畸變的多色曲線的圖線。
[0028] 圖11A和圖11B示出用于如圖9A和圖9B所示的折疊透鏡系統的半視場上和范圍 從470nm至650nm的可見譜帶上的多色射線像差曲線的圖線。
[0029] 圖12A和圖12B示出用于4.9mmX3.7mm圖像格式緊湊照相機的如圖9A和圖9B 所示的折疊透鏡系統中的示例透鏡定向。
[0030] 圖13是包括包含折射透鏡元件和工作為對光路進行折疊的光路折疊元件的折疊 透鏡系統的緊湊照相機的另一示例實施例的截面圖示，并且是如圖9A和圖9B所示的折疊 透鏡系統的變型。
[0031] 圖14A和圖14B是包括包含折射透鏡元件和工作為對光路進行折疊的光路折疊元 件的折疊透鏡系統的緊湊照相機的另一示例實施例的截面圖示。
[0032] 圖15A和圖15B是用于如圖14A和圖14B所示的折疊透鏡系統的范圍從470nm至 650nm的可見帶上的球面像差、像散和畸變的多色曲線的圖線。
[0033] 圖16A和圖16B示出用于如圖14A和圖14B所示的折疊透鏡系統的半視場上和范 圍從470nm至650nm的可見譜帶上的多色射線像差曲線的圖線。
[0034] 圖17A和圖17B示出用于4. 9mmX3. 7mm圖像格式緊湊照相機的如圖14A和圖14B 所示的折疊透鏡系統中的示例透鏡定向。
[0035] 圖18是包括包含折射透鏡元件和工作為對光路進行折疊的光路折疊元件的折疊 透鏡系統的緊湊照相機的另一示例實施例的截面圖示，并且是如圖14A和圖14B所示的折 疊透鏡系統的變型。
[0036] 圖19A至圖19E是包括包含折射透鏡元件和工作為對光路進行折疊的光路折疊元 件并且還包含可調整的孔徑光闌的折疊透鏡系統的緊湊照相機的另一示例實施例的截面 圖示。
[0037] 圖20A至圖20D示出用于如圖19B至圖19E所示的折疊透鏡系統的半視場上和范 圍從470nm至650nm的可見譜帶上的多色射線像差曲線的圖線。
[0038] 圖21是根據至少一些實施例的用于使用包括圖1A至圖19所示的折疊透鏡系統 的照相機來捕獲圖像的方法的高級流程圖。
[0039] 圖22示出可以用在實施例中的示例計算機系統。
【具體實施方式】
[0040] 本說明書包括對"一個實施例"或"實施例"的引用。短語"在一個實施例中"或 "在實施例中"的出現并不一定指代同一實施例。可以通過與本公開一致的任何合適方式來 組合特定特征、結構或特性。
[0041] "包括"。該術語是開放式的。如在所附權利要求中所使用的那樣，該術語并不 排除附加結構或步驟。考慮如此陳述的【主權項】
"一種包括一個或多個處理器單元的裝 置……"。該權利要求并不使得所述裝置排除包括附加組件（例如網絡接口單元、圖形電路 等）。
[0042] "被配置為"。各個單元、電路或其它組件可以描述或要求為"被配置為"執行一個 或多個任務。在這些上下文中，"被配置為"用于通過指示單元/電路/組件包括在操作期 間執行這一個或多個任務的結構（例如電路）來暗示結構。故此，甚至當所指定的單元/ 電路/組件當前并不可操作（例如不打開）時，單元/電路/組件也可以被稱為被配置為 執行任務。關于"被配置為"語言所使用的單元/電路/組件包括硬件一一例如電路、存儲 可執行以實現操作的程序指令的存儲器等。陳述單元/電路/組件"被配置為"執行一個 或多個任務明確地并非意圖對于該單元/電路/組件援引35U.S.C. §112,第六段。此外， "被配置為"可以包括由軟件和/或固件（例如FPGA或執行軟件的通用處理器）操控以通 過能夠執行所討論的任務的方式而操作的普通結構（例如普通電路）。"被配置為"可以還 包括將制造工藝（例如半導體生產設施）適配為生產適用于實現或執行一個或多個任務的 設備（例如集成電路）。
[0043] "第一"、"第二"等。如在此使用的那樣，這些術語用作用于它們前置于的名詞的標 簽，但不暗指任何類型的排序（例如空間、時間、邏輯等）。例如，緩沖電路可以在此描述為 執行用于"第一"值和"第二"值的寫入操作。術語"第一"和"第二"不一定暗指第一值必 須在第二值之前寫入。
[0044] "基于"。如在此使用的那樣，該術語用于描述影響確定操作的一個或多個因素。該 術語不排除可以影響確定操作的附加因素。即，確定操作可以僅基于這些因素或至少部分 地基于這些因素。考慮短語"基于B確定A"。雖然在此情況下，B是影響A的確定操作的 因素，但該短語并不排除還基于C確定A。在其它實例中，可以僅基于B確定A。
[0045] 描述包括光電傳感器和緊湊折疊透鏡系統的小形狀因數照相機的實施例。描述包 括五個透鏡元件的緊湊折疊透鏡系統的各個實施例。然而，注意，在實施例中可以使用更多 或更少的光學元件。可以在仍然捕獲尖銳高分辨率圖像的同時在小封裝尺寸中實現照相 機，使得照相機的實施例適合于在小型和/或移動多用途設備（如蜂窩電話、智能電話、平 板或平板計算設備、膝上型設備、網本、筆記本、小筆記本、超級本計算機、監控設備等）中 的使用。然而，注意，照相機的各方面（例如透鏡系統和光電傳感器）可以增大或減小以提 供具有更大或更小封裝尺寸的照相機。此外，照相機系統的實施例可以實現為單機數碼照 相機。此外，對于其它（單幀捕獲）照相機應用，照相機系統的實施例可以適用于在視頻照 相機應用中的使用。
[0046] 描述可以減少用于對于1/3英寸（6. 12_對角線）傳感器照相機的潛在應用的透 鏡系統的封裝體積的寬度的折疊透鏡系統的實施例。折疊透鏡系統的示例實施例可以具有 14-mm EFL(有效焦距長度）、F/2. 8和26-度對角線視場（DFOV) (6. 46-mm圖像圈直徑）。 在至少一些實施例中，圖像平面或傳感器可以移動以將物體場景從無限遠聚焦到〈1000_ 物距。至少一些實施例可以使用棱鏡作為光路折疊機構，以用于對光的光路進行折疊。在 一些實施例中，透鏡-棱鏡組合（例如鑄模到合成單元元件中的一個或更多個透鏡和棱鏡） 可以用作光路折疊機構，以用于對光的光路進行折疊。
[0047] 描述緊湊折疊透鏡系統的若干示例實施例，包括具有光路折疊元件和五個折射透 鏡元件的實施例。圖1A和圖1B、圖5A和圖5B、圖9A和圖9B、圖13、圖14A和圖14B、圖18 以及圖19A-圖19E示出包括作為用于對光的光路進行折疊的光路折疊元件的棱鏡以及五 個折射透鏡元件的示例實施例。在一些實施例中，透鏡元件中的一個或更多個可以與棱