折疊式攝遠照相機透鏡系統的制作方法
【專利說明】
[0001] 優先權信息
[0002] 本申請要求2014年3月7日遞交的標題為"FOLDED TELEPHOTO LENS SYSTEMS"的 美國臨時申請序號No. 61/949, 861的優先權的利益，其內容通過引用被全部結合在這里。
技術領域
[0003] 本公開主要涉及照相機系統，并且更準確地說涉及用于小形狀因數的照相機的透 鏡系統。
【背景技術】
[0004] 小型的、移動式的多用途的裝置（諸如智能電話和平板或板式（pad)裝置）的出 現已經導致對于集成在該裝置中的高分辨率的、小形狀因數照相機的需要。然而，由于傳統 的照相機技術的限制，用于這樣的裝置中的傳統的小型照相機傾向于相比于用更大的、更 高的質量照相機能實現的分辯率和/或圖像質量在更低的分辯率下和/或以更低的圖像質 量捕獲圖像。用小封裝尺寸照相機實現更高的分辯率通常要求使用具有小的象素尺寸的光 電傳感器和好的、緊湊的成象透鏡系統。技術的發展已經實現了減小光傳感器中的像素尺 寸。然而，隨著光傳感器變得更加緊湊和強大，對于具有改善的成像質量性能的緊湊的成像 透鏡系統的要求在增加。
【發明內容】
[0005] 本公開的實施例可以提供小封裝尺寸的高分辨率的攝遠照相機。照相機被描述 為包括光電傳感器和緊湊的折疊式攝遠透鏡系統。在實施例中，折疊照相機透鏡系統的光 路可以有利于對于照相機透鏡組件實現小形狀因數，并且可以也有利于實現使用相對小數 目的透鏡元件的小形狀因數的高分辨率光學透鏡系統。折疊式攝遠透鏡系統的實施例被描 述為可以提供比在傳統的小形狀因數照相機中已經實現的圖像和焦距更大的圖像和具有 更長的有效焦距。包括折疊式攝遠透鏡系統的攝遠照相機的實施例可能是實施在小封裝尺 寸中，同時仍捕獲銳利的、高分辨率的圖像，使得本照相機的實施例適合于用在小的和/或 移動式的多用途的裝置中，諸如蜂窩電話、板式或平板計算裝置、膝上計算機、網絡本、筆記 本、小型筆記本計算機和超極本計算機。
[0006] 折疊式攝遠透鏡系統的實施例被描述為可以包括具有屈光力的四個透鏡元件。然 而，更多或更少的透鏡元件可以被用在一些實施例中。在各種實施方式中，諸如平面反射鏡 或者棱鏡元件的光路折疊元件可以通過將光從第一光軸重定向或者反射到第二光軸來折 疊光的光路。在至少一些實施方式中，四個透鏡元件中的至少一個的對象側和像側表面中 的至少一個是非球面的。
[0007] 在至少一些實施方式中，折疊式攝遠透鏡系統包括：包括第一（對象側）光軸和第 二（像側）光軸的折疊光軸（在這里被稱作AX)，第一組折射元件（在這里被稱作GR 1)，通 過將光從第一光軸重定向或者反射到第二光軸上來折疊光的光路的光路折疊元件（例如， 棱鏡或者平面反光鏡），第二組折射元件（在這里被稱作GR 2)，以及在像平面處的光傳感 器。至少一些實施方式也可以包括紅外濾光片。折疊式攝遠透鏡系統的至少一些實施方式 可以包括變焦能力，用于聚焦在無限遠處（對象距離>20米）到近側對象距離（〈1米）的 對象場景。例如，在各種實施方式中，第一組（GR 1)、第二組GR2和/或該在像平面處的光 傳感器可以被縮放、移動或者平移，用于聚焦從遠距離（320米）到近距離（〈1米）的對 象場景。
[0008] 在至少一些實施方式中，折疊式攝遠透鏡系統可能是固定的攝遠透鏡系統，其被 配置為使得透鏡系統的有效焦距f的絕對值為或約為14毫米（mm)(例如，在8mm到大約 14mm的范圍內），焦距比數（焦距比）在從約2. 4到大約10的范圍內，視野（F0V)為或約 為26度，并且展開的透鏡系統的總光程（Total track length, TTL)在大約8mm到大約14 的范圍之內。攝遠透鏡系統的總光程（TTL)是在光軸（AX)上在第一（對象側）透鏡元件 的對象側表面處的正面頂點與像平面之間的距離。在折疊式攝遠透鏡系統的實施方式中， 透鏡系統的展開的總光程（TTL)可以被定義為在折疊光軸（AX)上在第一（對象側）透鏡 元件的對象側表面處的正面頂點與像平面之間的距離。換言之，折疊式攝遠透鏡系統的TTL 是在折疊軸AX上的、在第一（對象側）透鏡元件的對象側表面處的正面頂點與光路折疊元 件（反射鏡或者棱鏡）的反射面之間的距離的絕對值，與在反射面和像平面之間的距離的 絕對值的總和。距離的絕對值的總和可以被使用在這里，因為通過光學設計規定，光學參數 (諸如曲率半徑、距離、焦距等等）在反射面之后改變符號。一般地說透鏡系統可以被配置 為使得折疊透鏡系統的攝遠的絕對值比率（TTL/f)滿足以下關系：
[0009] 0. 8<TTL/f^ 1. 0,
[0010] 其中f是有效焦距的絕對值。為了分類為攝遠透鏡系統，TTL/f小于或者等于1。 因而，實施方式可以提供攝遠透鏡系統。然而，注意在一些實施方式中，折疊透鏡系統可以 被配置或者可以是可調節的，以使得攝遠比大于一（TTL/f>l. 0)，并且因而實施方式可以包 括非攝遠的折疊透鏡系統和/或可在攝遠的范圍與非攝遠的范圍之間調節的折疊透鏡系 統。
[0011] 在至少一些實施方式中，折疊式攝遠透鏡系統可以被配置為使得透鏡系統的有效 焦距f?是14mm，并且焦距比數是2.8。然而，注意焦距（和/或其它的參數）可以被縮放或 者調整以對于其它的照相機系統應用（例如對于更大形狀因數的照相機應用）滿足光學 的、成像的和/或封裝的約束的各個規格。另外，在一些實施方式中，該折疊式攝遠透鏡系 統可以是可調節的。例如，在一些實施方式中，折疊式攝遠透鏡系統可以包括可調節的光圈 或者孔徑光闌。利用可調的孔徑光闌，焦距比數（焦距比，或者F/#F/#)可以在2.8到10 以上的范圍之內動態地改變。在一些實施方式中，折疊透鏡系統也可以包括聚焦機構，用于 動態地聚焦在無限遠（即，彡20米）到近側對象距離（即，< 1米）處的對象場景。
[0012] 在各個實施方式中的有折射力的透鏡元件可以由塑性材料構成。在至少一些實施 方式中，有折射力的透鏡元件可以由注射成型的光學塑性材料構成。在各個實施方式中，折 疊反射鏡以及棱鏡元件可以由玻璃或者塑性材料構成。然而，其它合適透明光學材料可以 被使用。還注意，在給定實施方式中，不同的透鏡元件可以由具有不同的光學特性（例如不 同的色散系數和/或不同的折射率）的材料構成。還注意，雖然在各個實施方式中的透鏡元 件一般圖解為圓形的透鏡，但是在一些實施方式中，一個或多個透鏡可以具有其它的形狀， 例如橢圓形、矩形、正方形或者具有圓角的矩形。
[0013] 在折疊式攝遠透鏡系統的至少一些實施方式中，透鏡元件材料可以被選擇并且透 鏡元件的折光力分布可以被計算以滿足透鏡系統焦距要求以及校正色差和場曲或者佩茲 伐曲率。通過調整透鏡元件的曲率半徑和非球面系數或者幾何形狀以及軸向間隔，光學像 差的單色和彩色的變化可以被減少，以產生良好校正并均衡的最小剩余像差，并且減小總 光程（TTL)并且在小形狀因數透鏡系統照相機中實現圖像質量光學性能和高分辨率。
【附圖說明】
[0014] 圖1A和1B是包括折疊式攝遠透鏡系統的緊湊的攝遠照相機的示例實施例的截面 圖，該折疊式攝遠透鏡系統包括四個折射透鏡元件和用來折疊光路的折疊反射鏡。
[0015] 圖2示出了對于在圖1A和圖1B中圖解的折疊式攝遠透鏡系統，相對于半視野和 相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶的多色的光線像差曲線圖1。
[0016] 圖3A和3B是包括折疊式攝遠透鏡系統的緊湊的攝遠照相機的另一個示例實施例 的截面圖，該折疊式攝遠透鏡系統包括四個折射透鏡元件和用來折疊光路的折疊反射鏡。
[0017] 圖4A和4B不出了對于在圖3A和圖3B中圖解的折置式攝遠透鏡系統，相對于半 視野和相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶多色的光線像差曲線圖的圖表3。
[0018] 圖5A和5B是包括折疊式攝遠透鏡系統的緊湊的攝遠照相機的另一個示例實施例 的截面圖，該折疊式攝遠透鏡系統包括四個折射透鏡元件和用來折疊光路的棱鏡。
[0019] 圖6A和6B示出了對于在圖5A和圖5B中圖解的折疊式攝遠透鏡系統，相對于半 視野和相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶多色的光線像差曲線圖的圖表5。
[0020] 圖7A和7B是包括折疊式攝遠透鏡系統的緊湊的攝遠照相機的另一個示例實施例 的截面圖，該折疊式攝遠透鏡系統包括四個具有屈光力的透鏡元件和用來折疊光路的折疊 反射鏡。
[0021] 圖8A和8B示出了對于在圖7A和圖7B中圖解的折疊式攝遠透鏡系統，相對于半 視野和相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶多色的光線像差曲線圖的圖表7。
[0022] 圖9A和9B是包括折疊式攝遠透鏡系統的緊湊的攝遠照相機的另一個示例實施 例的截面圖，該折疊式攝遠透鏡系統包括四個具有屈光力的透鏡元件和用來折疊光路的棱 鏡。
[0023] 圖10A和10B示出了對于在圖9A和圖9B中圖解的折疊式攝遠透鏡系統，相對于 半視野和相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶多色的光線像差曲線圖的圖表9。
[0024] 圖11A和11B是包括折疊式攝遠透鏡系統的緊湊型照相機的另一個示例實施例的 截面圖，該折疊式攝遠透鏡系統包括四個具有屈光力的透鏡元件和用來折疊光路的棱鏡。
[0025] 圖12A和12B示出了對于在圖11A和圖11B中圖解的折疊式攝遠透鏡系統，相對 于半視野和相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶多色的光線像差曲線圖的圖表1。
[0026] 圖13A和13B是包括折疊式攝遠透鏡系統的緊湊型照相機的另一個示例實施例的 截面圖，該折疊式攝遠透鏡系統包括四個具有屈光力的透鏡元件和用來折疊光路的棱鏡。
[0027] 圖14A和14B示出了對于在圖13A和圖13B中圖解的折疊式攝遠透鏡系統，相對 于半視野和相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶多色的光線像差曲線圖的圖表1。
[0028] 圖15A是包括圖13A和13B的折疊式攝遠透鏡系統的變化形式的緊湊型照相機的 截面圖1。
[0029] 圖15B和15C示出了對于在圖15A中圖解的折疊式攝遠透鏡系統，相對于半視野 和相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶多色的光線像差曲線圖的圖表1其中第一透 鏡元件的第一表面是錐面。
[0030] 圖16A是包括圖13A和13B的折疊式攝遠透鏡系統的另一個變化形式的緊湊型照 相機的截面圖1。
[0031] 圖16B和16C示出了對于在圖16A中圖解的折疊式攝遠透鏡系統，相對于半視野 和相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶多色的光線像差曲線圖的圖表1其中第一透 鏡兀件的第一表面是球面。
[0032] 圖17A和17B是包括折疊式攝遠透鏡系統的緊湊型照相機的另一個示例實施例 的截面圖，該折疊式攝遠透鏡系統包括四個具有屈光力的透鏡元件和用來折疊光路的反射 鏡。
[0033] 圖18A和18B示出了對于在圖17A和圖17B中圖解的折疊式攝遠透鏡系統，相對 于半視野和相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶多色的光線像差曲線圖的圖表1。
[0034] 圖19A和19B是包括折疊式攝遠透鏡系統的緊湊型照相機的另一個示例實施例的 截面圖，該折疊式攝遠透鏡系統包括四個具有屈光力的透鏡元件，其中第一透鏡元件在外 形上是平凸的并且其中孔徑光闌定位在第一透鏡元件處并在透鏡系統的正面頂點后方。
[0035] 圖20A和20B示出了對于在圖19A和圖19B中圖解的折疊式攝遠透鏡系統，相對 于半視野和相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶多色的光線像差曲線圖的圖表1。
[0036] 圖21A和21B是包括折疊式攝遠透鏡系統的緊湊型照相機的另一個示例實施例的 截面圖，該折疊式攝遠透鏡系統包括四個具有屈光力的透鏡元件，其中第一透鏡元件在外 形上是平凸的并且其中孔徑光闌定位在第一和第二透鏡元件之間。
[0037] 圖22A和22B示出了對于在圖21A和圖21B中圖解的折疊式攝遠透鏡系統，相對 于半視野和相對于范圍從470nm到650nm的可見光譜帶多色的光線像差曲線圖的圖表2。
[0038] 圖23是根據至少一些實施例的用于使用如圖1A到22B所示的、包括折疊式攝遠 透鏡系統的照相機捕獲圖像的方法的高等級的流程圖。
[0039] 圖24示出可以被用在實施例中的示例計算機系統。
[0040] 本說明書包括提到" 一個實施例"或"實施例"。在"一個實施例"或"實施例"中 出現的字句未必是關于同一個實施例。具體特征、構造或特征可以被以與本公開一致的任 何適當的方式結合。
[0041] "包括"。該術語是開放的。如同用于所附權利要求的，該術語并非排除另外的結 構或者步驟。考慮陳訴以下內容的【主權項】
"一種儀器，包括一個或多個處理器單元…"。 這樣的權利要求不排除該裝置包括另外的組件（例如，網絡接口單元、圖形電路等等）。
[0042] "被配置為"。各種單位、電路或者其它的組件可能被描述或者主張為"被配置為" 執行一個任務或者多個任務。在這樣的上下文中，"被配置為"被用于通過指示該單位/電 路/組件包括在操作期間執行那些任務或者許多任務的結構（例如，電路）而包含這樣的 結構。同樣地，該單位/電路/元件可以據說是被配置為即使當該指定的單位/電路/元 件不是當前運行的（例如，不是正起作用的）時仍執行該任務。隨著"被配置為"語言使用 的單元/電路/組件包括硬件一例如，電路、儲存可執行以實現該操作的存儲器，等等。單 元/電路/元件被"被配置為"執行一個或多個任務的敘述明確地意圖對于該單位/電路/ 元件不援引35U.S.C. §112,第六段。另外地，"被配置為"可以包括一般的結構（例如，一 般的電路），也就是說通過軟設備和/或固件（例如，執行軟件的FPGA或者一般-目的處理 器）操縱來以能執行待解決的（多個）任務的方式操作。"被配置為"也可以包括使制造過 程（例如，半導體制造設備）適合制造適合來實現或者執行一個或多個任務的裝置（例如， 集成電路）。
[0043] "第一"，"第二"等等。如同在這里使用的，這些術語用作對于它們位于其之前的名 詞標記，并且不暗示任何的順序（例如，空間性的、時間的、邏輯上的等等）。例如，緩沖電路 可能在這里被描述為對于"第一"和"第二"值執行寫入操作。術語"第一"和"第二"未必 是暗示第一值必須在第二值之前寫入。
[0044] "根據"。如同在這里使用的，該術語被用于描述影響決定的一個或多個因素。該 術語不排除可以影響決定的附加因素。也就是說，決定可以單獨地基于那些因素或者至少 部分地基于那些因素。考慮短語"根據A決定B"。雖然在這種情況下，B是影響A的確定 的因素，這樣的短語不排除A也根據C確定。在其它的情況下，A可能單獨地基于B確定。
【具體實施方式】
[0045] 描述了包括光傳感器和緊湊的折疊式攝遠透鏡系統的小形狀因數照相機的實施 方式。包括四個透鏡元件的緊湊的折疊式攝遠透鏡系統的各種實施方式被描述為可以用于 該照相機而且相比于在傳統的緊湊型照相機中所實現的圖像和有效焦距，提供更大的圖像 和具有更長的有效焦距。照相機可以實現在小的封裝尺寸中同時仍捕獲銳利的、高分辨率 圖像，使得照相機的實施方式適合于用在小型的和/或移動的多用途的裝置中，比如蜂窩 電話、智能電話、墊式或平板計算裝置、膝上型計算機、網絡本、筆記本、小型筆記本計算機、 超極本計算機、監視裝置、等等。然而，注意照相機的方面（例如，透鏡系統和光傳感器）可 以比例增大或者比例減小以給照相機提供大的或者小的封裝尺寸。另外，照相機系統的實 施方式可以實現為獨立的數字式攝象機。另外，對靜止（單幀捕捉）照相機應用來說，照相 機系統的實施方式可以適合于用在攝影機應用中。
[0046] 描述了緊湊的折疊式攝遠透鏡系統的若干示例實施方式，包括具有平面反射鏡或 者棱鏡以及四個折射透鏡元件的實施方式。圖1A-1B、3A-3B、7A-7B以及17A-17示出在包 括用于折疊光的光路的平面反射鏡元件以及四個折射透鏡元件的示例實施方式上的變化。 圖5六-58、9六-98、1認-118、13六-138、19六-198以及2認-218示出在包括用于折疊光的光路的 棱鏡以及四個折射透鏡元件的示例實施方式上的變化。注意，但是這些例子不是意圖進行 限制，而且在仍實現實現相似的結果的同時，對于透鏡系統的各種參數的變化是可能的。
[0047] 在各個實施方式中的折射透鏡元件可以由塑性材料構成。在至少一些實施方式 中，折射透鏡元件可以由塑性材料構成。在各個實施方式中，折疊反射鏡以及棱鏡元件可以 由玻璃或者塑性材料構成。然而，其它的透明光學材料可以被使用。還注意，在給定實施方 式中，不同的透鏡元件可以由具有不同的光學特性（例如不同的色散系數（Abbe Number) 和/或不同的折射率）的材料構成。還注意，雖然在各個實施方式中的透鏡元件一般圖解為 圓形的透鏡，但是在一些實施方式中，一個或多個透鏡可以具有其它的形狀，例如橢圓形、 矩形，、正方形或者具有圓角的矩形。
[0048] 在附圖中圖解的每一個示例照相機中，示例照相機至少包括折疊式攝遠透鏡系統 以及光傳感器。該光傳感器可以是集成電路（1C)技術芯片或者根據任何各種形式的光傳 感器技術實施的芯片。可以使用的光傳感器技術的例子是電荷耦合裝置（CCD)技術以及互 補金屬氧化物半導體（CMOS)技術。在至少一些實施方式中，該光傳感器的像素尺寸可以是 1.2微米以下，但是也可以使用更大的像素尺寸。在非限制性的示例實施方式中，該光傳感 器可以根據1280x720像素圖像格式來制造以捕捉1兆象素圖像。然而，其它更大或者更小 的像素格式可以用于實施方式，例如5兆象素、10兆象素或者更大或更小的格式。
[0049] 該照相機可以也包括位于第一透鏡元件的正面（即，在其對象側上）的孔徑光闌 (AS)。雖然圖3A、5A、7A、9A、17A、以及19A示出位于透鏡系統的正面頂點或者附近的正面 孔徑光闌，該孔徑光闌的位置可以更接近或者遠離透鏡元件的頂點。此外，在一些實施方式 中，孔徑光闌可以位于折疊式攝遠透鏡系統中的其它地方。例如，孔徑光闌可以位于第一與 第二透鏡元件之間，如圖11A、13A和21A所示。
[0050] 照相機也可以但是未必包括位于該攝遠透鏡系統的最后的透鏡元件與光傳感器 之間的紅外（IR)濾光片。該紅外濾光片可以例如由玻璃纖維材料構成。然而，其它的材料 可以被使用。注意，紅外濾光片不影響攝遠透鏡系統的有效焦距f。此外，注意照相機也可 以包括除在這里圖解和描述的那些組件外的其它的組件。
[0051] 在照相機中，折疊式攝遠透鏡系統在光傳感器的表面上或附近的像平面（IP)處 形成圖像。對于遠距離目標的圖像尺寸與透鏡系統的有效焦距f成正比。攝遠透鏡系統的 總光程（TTL)是在光軸（AX)上在第一（對象側）透鏡元件的對象側表面處的正面頂點與 像平面之間的距離。對于攝遠透鏡系統，總光程（TTL)小于該透鏡系統有效焦距（f)，并且 總光程與焦距的比率（TTL/f)是攝遠比。為了被分類為攝遠透鏡系統，TTL/f小于或者等 于1。
[0052] 在折疊式攝遠透鏡系統中，具有反射面的光路折疊元件（例如反射鏡或者棱鏡） 將射入的光的方向從第一光軸（AX 1)改變到第二光軸（AX 2)。來自物場（object field) 的射入的光穿過位于第一光軸（AX1)上的光學元件的折射光學面。反射面將射入的光的方 向從第一光軸（AX 1)改變到第二光軸（AX 2)，并且射入的光在第二光軸上穿過折射元件 到達在第二光軸上的像平面。第二光軸AX 2可以由折疊反射鏡或者棱鏡的反射面相對于 第一光軸AX 1定向到某一角度，以容納期望的緊湊形狀因素的照相機系統。該角度一般地 可以是90度以因此提供光軸的直角折疊，但是小于或者大于90度的其它角度可以用在一 些實施方式中。在以下討論中，折疊式攝遠透鏡系統（TTL)的總光程可以被定義為等于在 AX 1上的在第一（對象側）透鏡元件的對象側表面處的正面頂點與折疊反射鏡或者棱鏡 的反射面之間的距離（光程1，由TL 1表示）以及在AX 2上的在折疊反射鏡或者棱鏡的 反射面到像平面之間的距離（被表示為光程2,由TL 2表示）的總和；即，TTL = TL 1+TL 2。由于在反射面之后參數的代數符號的改變，距離TL 2的絕對值將要被用于確定上述定 義中的TTL。
[0053] 在至少一些實施方式中，折疊式攝遠透鏡系統可能是固定的攝遠透鏡系統，其被 配置為