折叠式摄远照相机透镜系统的利记博彩app
【专利说明】
[0001] 优先权信息
[0002] 本申请要求2014年3月7日递交的标题为"FOLDED TELEPHOTO LENS SYSTEMS"的 美国临时申请序号No. 61/949, 861的优先权的利益，其内容通过引用被全部结合在这里。
技术领域
[0003] 本公开主要涉及照相机系统，并且更准确地说涉及用于小形状因数的照相机的透 镜系统。
【背景技术】
[0004] 小型的、移动式的多用途的装置（诸如智能电话和平板或板式（pad)装置）的出 现已经导致对于集成在该装置中的高分辨率的、小形状因数照相机的需要。然而，由于传统 的照相机技术的限制，用于这样的装置中的传统的小型照相机倾向于相比于用更大的、更 高的质量照相机能实现的分辩率和/或图像质量在更低的分辩率下和/或以更低的图像质 量捕获图像。用小封装尺寸照相机实现更高的分辩率通常要求使用具有小的象素尺寸的光 电传感器和好的、紧凑的成象透镜系统。技术的发展已经实现了减小光传感器中的像素尺 寸。然而，随着光传感器变得更加紧凑和强大，对于具有改善的成像质量性能的紧凑的成像 透镜系统的要求在增加。
【发明内容】
[0005] 本公开的实施例可以提供小封装尺寸的高分辨率的摄远照相机。照相机被描述 为包括光电传感器和紧凑的折叠式摄远透镜系统。在实施例中，折叠照相机透镜系统的光 路可以有利于对于照相机透镜组件实现小形状因数，并且可以也有利于实现使用相对小数 目的透镜元件的小形状因数的高分辨率光学透镜系统。折叠式摄远透镜系统的实施例被描 述为可以提供比在传统的小形状因数照相机中已经实现的图像和焦距更大的图像和具有 更长的有效焦距。包括折叠式摄远透镜系统的摄远照相机的实施例可能是实施在小封装尺 寸中，同时仍捕获锐利的、高分辨率的图像，使得本照相机的实施例适合于用在小的和/或 移动式的多用途的装置中，诸如蜂窝电话、板式或平板计算装置、膝上计算机、网络本、笔记 本、小型笔记本计算机和超极本计算机。
[0006] 折叠式摄远透镜系统的实施例被描述为可以包括具有屈光力的四个透镜元件。然 而，更多或更少的透镜元件可以被用在一些实施例中。在各种实施方式中，诸如平面反射镜 或者棱镜元件的光路折叠元件可以通过将光从第一光轴重定向或者反射到第二光轴来折 叠光的光路。在至少一些实施方式中，四个透镜元件中的至少一个的对象侧和像侧表面中 的至少一个是非球面的。
[0007] 在至少一些实施方式中，折叠式摄远透镜系统包括：包括第一（对象侧）光轴和第 二（像侧）光轴的折叠光轴（在这里被称作AX)，第一组折射元件（在这里被称作GR 1)，通 过将光从第一光轴重定向或者反射到第二光轴上来折叠光的光路的光路折叠元件（例如， 棱镜或者平面反光镜），第二组折射元件（在这里被称作GR 2)，以及在像平面处的光传感 器。至少一些实施方式也可以包括红外滤光片。折叠式摄远透镜系统的至少一些实施方式 可以包括变焦能力，用于聚焦在无限远处（对象距离>20米）到近侧对象距离（〈1米）的 对象场景。例如，在各种实施方式中，第一组（GR 1)、第二组GR2和/或该在像平面处的光 传感器可以被缩放、移动或者平移，用于聚焦从远距离（320米）到近距离（〈1米）的对 象场景。
[0008] 在至少一些实施方式中，折叠式摄远透镜系统可能是固定的摄远透镜系统，其被 配置为使得透镜系统的有效焦距f的绝对值为或约为14毫米（mm)(例如，在8mm到大约 14mm的范围内），焦距比数（焦距比）在从约2. 4到大约10的范围内，视野（F0V)为或约 为26度，并且展开的透镜系统的总光程（Total track length, TTL)在大约8mm到大约14 的范围之内。摄远透镜系统的总光程（TTL)是在光轴（AX)上在第一（对象侧）透镜元件 的对象侧表面处的正面顶点与像平面之间的距离。在折叠式摄远透镜系统的实施方式中， 透镜系统的展开的总光程（TTL)可以被定义为在折叠光轴（AX)上在第一（对象侧）透镜 元件的对象侧表面处的正面顶点与像平面之间的距离。换言之，折叠式摄远透镜系统的TTL 是在折叠轴AX上的、在第一（对象侧）透镜元件的对象侧表面处的正面顶点与光路折叠元 件（反射镜或者棱镜）的反射面之间的距离的绝对值，与在反射面和像平面之间的距离的 绝对值的总和。距离的绝对值的总和可以被使用在这里，因为通过光学设计规定，光学参数 (诸如曲率半径、距离、焦距等等）在反射面之后改变符号。一般地说透镜系统可以被配置 为使得折叠透镜系统的摄远的绝对值比率（TTL/f)满足以下关系：
[0009] 0. 8<TTL/f^ 1. 0,
[0010] 其中f是有效焦距的绝对值。为了分类为摄远透镜系统，TTL/f小于或者等于1。 因而，实施方式可以提供摄远透镜系统。然而，注意在一些实施方式中，折叠透镜系统可以 被配置或者可以是可调节的，以使得摄远比大于一（TTL/f>l. 0)，并且因而实施方式可以包 括非摄远的折叠透镜系统和/或可在摄远的范围与非摄远的范围之间调节的折叠透镜系 统。
[0011] 在至少一些实施方式中，折叠式摄远透镜系统可以被配置为使得透镜系统的有效 焦距f?是14mm，并且焦距比数是2.8。然而，注意焦距（和/或其它的参数）可以被缩放或 者调整以对于其它的照相机系统应用（例如对于更大形状因数的照相机应用）满足光学 的、成像的和/或封装的约束的各个规格。另外，在一些实施方式中，该折叠式摄远透镜系 统可以是可调节的。例如，在一些实施方式中，折叠式摄远透镜系统可以包括可调节的光圈 或者孔径光阑。利用可调的孔径光阑，焦距比数（焦距比，或者F/#F/#)可以在2.8到10 以上的范围之内动态地改变。在一些实施方式中，折叠透镜系统也可以包括聚焦机构，用于 动态地聚焦在无限远（即，彡20米）到近侧对象距离（即，< 1米）处的对象场景。
[0012] 在各个实施方式中的有折射力的透镜元件可以由塑性材料构成。在至少一些实施 方式中，有折射力的透镜元件可以由注射成型的光学塑性材料构成。在各个实施方式中，折 叠反射镜以及棱镜元件可以由玻璃或者塑性材料构成。然而，其它合适透明光学材料可以 被使用。还注意，在给定实施方式中，不同的透镜元件可以由具有不同的光学特性（例如不 同的色散系数和/或不同的折射率）的材料构成。还注意，虽然在各个实施方式中的透镜元 件一般图解为圆形的透镜，但是在一些实施方式中，一个或多个透镜可以具有其它的形状， 例如椭圆形、矩形、正方形或者具有圆角的矩形。
[0013] 在折叠式摄远透镜系统的至少一些实施方式中，透镜元件材料可以被选择并且透 镜元件的折光力分布可以被计算以满足透镜系统焦距要求以及校正色差和场曲或者佩兹 伐曲率。通过调整透镜元件的曲率半径和非球面系数或者几何形状以及轴向间隔，光学像 差的单色和彩色的变化可以被减少，以产生良好校正并均衡的最小剩余像差，并且减小总 光程（TTL)并且在小形状因数透镜系统照相机中实现图像质量光学性能和高分辨率。
【附图说明】
[0014] 图1A和1B是包括折叠式摄远透镜系统的紧凑的摄远照相机的示例实施例的截面 图，该折叠式摄远透镜系统包括四个折射透镜元件和用来折叠光路的折叠反射镜。
[0015] 图2示出了对于在图1A和图1B中图解的折叠式摄远透镜系统，相对于半视野和 相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带的多色的光线像差曲线图1。
[0016] 图3A和3B是包括折叠式摄远透镜系统的紧凑的摄远照相机的另一个示例实施例 的截面图，该折叠式摄远透镜系统包括四个折射透镜元件和用来折叠光路的折叠反射镜。
[0017] 图4A和4B不出了对于在图3A和图3B中图解的折置式摄远透镜系统，相对于半 视野和相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带多色的光线像差曲线图的图表3。
[0018] 图5A和5B是包括折叠式摄远透镜系统的紧凑的摄远照相机的另一个示例实施例 的截面图，该折叠式摄远透镜系统包括四个折射透镜元件和用来折叠光路的棱镜。
[0019] 图6A和6B示出了对于在图5A和图5B中图解的折叠式摄远透镜系统，相对于半 视野和相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带多色的光线像差曲线图的图表5。
[0020] 图7A和7B是包括折叠式摄远透镜系统的紧凑的摄远照相机的另一个示例实施例 的截面图，该折叠式摄远透镜系统包括四个具有屈光力的透镜元件和用来折叠光路的折叠 反射镜。
[0021] 图8A和8B示出了对于在图7A和图7B中图解的折叠式摄远透镜系统，相对于半 视野和相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带多色的光线像差曲线图的图表7。
[0022] 图9A和9B是包括折叠式摄远透镜系统的紧凑的摄远照相机的另一个示例实施 例的截面图，该折叠式摄远透镜系统包括四个具有屈光力的透镜元件和用来折叠光路的棱 镜。
[0023] 图10A和10B示出了对于在图9A和图9B中图解的折叠式摄远透镜系统，相对于 半视野和相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带多色的光线像差曲线图的图表9。
[0024] 图11A和11B是包括折叠式摄远透镜系统的紧凑型照相机的另一个示例实施例的 截面图，该折叠式摄远透镜系统包括四个具有屈光力的透镜元件和用来折叠光路的棱镜。
[0025] 图12A和12B示出了对于在图11A和图11B中图解的折叠式摄远透镜系统，相对 于半视野和相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带多色的光线像差曲线图的图表1。
[0026] 图13A和13B是包括折叠式摄远透镜系统的紧凑型照相机的另一个示例实施例的 截面图，该折叠式摄远透镜系统包括四个具有屈光力的透镜元件和用来折叠光路的棱镜。
[0027] 图14A和14B示出了对于在图13A和图13B中图解的折叠式摄远透镜系统，相对 于半视野和相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带多色的光线像差曲线图的图表1。
[0028] 图15A是包括图13A和13B的折叠式摄远透镜系统的变化形式的紧凑型照相机的 截面图1。
[0029] 图15B和15C示出了对于在图15A中图解的折叠式摄远透镜系统，相对于半视野 和相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带多色的光线像差曲线图的图表1其中第一透 镜元件的第一表面是锥面。
[0030] 图16A是包括图13A和13B的折叠式摄远透镜系统的另一个变化形式的紧凑型照 相机的截面图1。
[0031] 图16B和16C示出了对于在图16A中图解的折叠式摄远透镜系统，相对于半视野 和相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带多色的光线像差曲线图的图表1其中第一透 镜兀件的第一表面是球面。
[0032] 图17A和17B是包括折叠式摄远透镜系统的紧凑型照相机的另一个示例实施例 的截面图，该折叠式摄远透镜系统包括四个具有屈光力的透镜元件和用来折叠光路的反射 镜。
[0033] 图18A和18B示出了对于在图17A和图17B中图解的折叠式摄远透镜系统，相对 于半视野和相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带多色的光线像差曲线图的图表1。
[0034] 图19A和19B是包括折叠式摄远透镜系统的紧凑型照相机的另一个示例实施例的 截面图，该折叠式摄远透镜系统包括四个具有屈光力的透镜元件，其中第一透镜元件在外 形上是平凸的并且其中孔径光阑定位在第一透镜元件处并在透镜系统的正面顶点后方。
[0035] 图20A和20B示出了对于在图19A和图19B中图解的折叠式摄远透镜系统，相对 于半视野和相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带多色的光线像差曲线图的图表1。
[0036] 图21A和21B是包括折叠式摄远透镜系统的紧凑型照相机的另一个示例实施例的 截面图，该折叠式摄远透镜系统包括四个具有屈光力的透镜元件，其中第一透镜元件在外 形上是平凸的并且其中孔径光阑定位在第一和第二透镜元件之间。
[0037] 图22A和22B示出了对于在图21A和图21B中图解的折叠式摄远透镜系统，相对 于半视野和相对于范围从470nm到650nm的可见光谱带多色的光线像差曲线图的图表2。
[0038] 图23是根据至少一些实施例的用于使用如图1A到22B所示的、包括折叠式摄远 透镜系统的照相机捕获图像的方法的高等级的流程图。
[0039] 图24示出可以被用在实施例中的示例计算机系统。
[0040] 本说明书包括提到" 一个实施例"或"实施例"。在"一个实施例"或"实施例"中 出现的字句未必是关于同一个实施例。具体特征、构造或特征可以被以与本公开一致的任 何适当的方式结合。
[0041] "包括"。该术语是开放的。如同用于所附权利要求的，该术语并非排除另外的结 构或者步骤。考虑陈诉以下内容的【主权项】
"一种仪器，包括一个或多个处理器单元…"。 这样的权利要求不排除该装置包括另外的组件（例如，网络接口单元、图形电路等等）。
[0042] "被配置为"。各种单位、电路或者其它的组件可能被描述或者主张为"被配置为" 执行一个任务或者多个任务。在这样的上下文中，"被配置为"被用于通过指示该单位/电 路/组件包括在操作期间执行那些任务或者许多任务的结构（例如，电路）而包含这样的 结构。同样地，该单位/电路/元件可以据说是被配置为即使当该指定的单位/电路/元 件不是当前运行的（例如，不是正起作用的）时仍执行该任务。随着"被配置为"语言使用 的单元/电路/组件包括硬件一例如，电路、储存可执行以实现该操作的存储器，等等。单 元/电路/元件被"被配置为"执行一个或多个任务的叙述明确地意图对于该单位/电路/ 元件不援引35U.S.C. §112,第六段。另外地，"被配置为"可以包括一般的结构（例如，一 般的电路），也就是说通过软设备和/或固件（例如，执行软件的FPGA或者一般-目的处理 器）操纵来以能执行待解决的（多个）任务的方式操作。"被配置为"也可以包括使制造过 程（例如，半导体制造设备）适合制造适合来实现或者执行一个或多个任务的装置（例如， 集成电路）。
[0043] "第一"，"第二"等等。如同在这里使用的，这些术语用作对于它们位于其之前的名 词标记，并且不暗示任何的顺序（例如，空间性的、时间的、逻辑上的等等）。例如，缓冲电路 可能在这里被描述为对于"第一"和"第二"值执行写入操作。术语"第一"和"第二"未必 是暗示第一值必须在第二值之前写入。
[0044] "根据"。如同在这里使用的，该术语被用于描述影响决定的一个或多个因素。该 术语不排除可以影响决定的附加因素。也就是说，决定可以单独地基于那些因素或者至少 部分地基于那些因素。考虑短语"根据A决定B"。虽然在这种情况下，B是影响A的确定 的因素，这样的短语不排除A也根据C确定。在其它的情况下，A可能单独地基于B确定。
【具体实施方式】
[0045] 描述了包括光传感器和紧凑的折叠式摄远透镜系统的小形状因数照相机的实施 方式。包括四个透镜元件的紧凑的折叠式摄远透镜系统的各种实施方式被描述为可以用于 该照相机而且相比于在传统的紧凑型照相机中所实现的图像和有效焦距，提供更大的图像 和具有更长的有效焦距。照相机可以实现在小的封装尺寸中同时仍捕获锐利的、高分辨率 图像，使得照相机的实施方式适合于用在小型的和/或移动的多用途的装置中，比如蜂窝 电话、智能电话、垫式或平板计算装置、膝上型计算机、网络本、笔记本、小型笔记本计算机、 超极本计算机、监视装置、等等。然而，注意照相机的方面（例如，透镜系统和光传感器）可 以比例增大或者比例减小以给照相机提供大的或者小的封装尺寸。另外，照相机系统的实 施方式可以实现为独立的数字式摄象机。另外，对静止（单帧捕捉）照相机应用来说，照相 机系统的实施方式可以适合于用在摄影机应用中。
[0046] 描述了紧凑的折叠式摄远透镜系统的若干示例实施方式，包括具有平面反射镜或 者棱镜以及四个折射透镜元件的实施方式。图1A-1B、3A-3B、7A-7B以及17A-17示出在包 括用于折叠光的光路的平面反射镜元件以及四个折射透镜元件的示例实施方式上的变化。 图5六-58、9六-98、1认-118、13六-138、19六-198以及2认-218示出在包括用于折叠光的光路的 棱镜以及四个折射透镜元件的示例实施方式上的变化。注意，但是这些例子不是意图进行 限制，而且在仍实现实现相似的结果的同时，对于透镜系统的各种参数的变化是可能的。
[0047] 在各个实施方式中的折射透镜元件可以由塑性材料构成。在至少一些实施方式 中，折射透镜元件可以由塑性材料构成。在各个实施方式中，折叠反射镜以及棱镜元件可以 由玻璃或者塑性材料构成。然而，其它的透明光学材料可以被使用。还注意，在给定实施方 式中，不同的透镜元件可以由具有不同的光学特性（例如不同的色散系数（Abbe Number) 和/或不同的折射率）的材料构成。还注意，虽然在各个实施方式中的透镜元件一般图解为 圆形的透镜，但是在一些实施方式中，一个或多个透镜可以具有其它的形状，例如椭圆形、 矩形，、正方形或者具有圆角的矩形。
[0048] 在附图中图解的每一个示例照相机中，示例照相机至少包括折叠式摄远透镜系统 以及光传感器。该光传感器可以是集成电路（1C)技术芯片或者根据任何各种形式的光传 感器技术实施的芯片。可以使用的光传感器技术的例子是电荷耦合装置（CCD)技术以及互 补金属氧化物半导体（CMOS)技术。在至少一些实施方式中，该光传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。在非限制性的示例实施方式中，该光传感 器可以根据1280x720像素图像格式来制造以捕捉1兆象素图像。然而，其它更大或者更小 的像素格式可以用于实施方式，例如5兆象素、10兆象素或者更大或更小的格式。
[0049] 该照相机可以也包括位于第一透镜元件的正面（即，在其对象侧上）的孔径光阑 (AS)。虽然图3A、5A、7A、9A、17A、以及19A示出位于透镜系统的正面顶点或者附近的正面 孔径光阑，该孔径光阑的位置可以更接近或者远离透镜元件的顶点。此外，在一些实施方式 中，孔径光阑可以位于折叠式摄远透镜系统中的其它地方。例如，孔径光阑可以位于第一与 第二透镜元件之间，如图11A、13A和21A所示。
[0050] 照相机也可以但是未必包括位于该摄远透镜系统的最后的透镜元件与光传感器 之间的红外（IR)滤光片。该红外滤光片可以例如由玻璃纤维材料构成。然而，其它的材料 可以被使用。注意，红外滤光片不影响摄远透镜系统的有效焦距f。此外，注意照相机也可 以包括除在这里图解和描述的那些组件外的其它的组件。
[0051] 在照相机中，折叠式摄远透镜系统在光传感器的表面上或附近的像平面（IP)处 形成图像。对于远距离目标的图像尺寸与透镜系统的有效焦距f成正比。摄远透镜系统的 总光程（TTL)是在光轴（AX)上在第一（对象侧）透镜元件的对象侧表面处的正面顶点与 像平面之间的距离。对于摄远透镜系统，总光程（TTL)小于该透镜系统有效焦距（f)，并且 总光程与焦距的比率（TTL/f)是摄远比。为了被分类为摄远透镜系统，TTL/f小于或者等 于1。
[0052] 在折叠式摄远透镜系统中，具有反射面的光路折叠元件（例如反射镜或者棱镜） 将射入的光的方向从第一光轴（AX 1)改变到第二光轴（AX 2)。来自物场（object field) 的射入的光穿过位于第一光轴（AX1)上的光学元件的折射光学面。反射面将射入的光的方 向从第一光轴（AX 1)改变到第二光轴（AX 2)，并且射入的光在第二光轴上穿过折射元件 到达在第二光轴上的像平面。第二光轴AX 2可以由折叠反射镜或者棱镜的反射面相对于 第一光轴AX 1定向到某一角度，以容纳期望的紧凑形状因素的照相机系统。该角度一般地 可以是90度以因此提供光轴的直角折叠，但是小于或者大于90度的其它角度可以用在一 些实施方式中。在以下讨论中，折叠式摄远透镜系统（TTL)的总光程可以被定义为等于在 AX 1上的在第一（对象侧）透镜元件的对象侧表面处的正面顶点与折叠反射镜或者棱镜 的反射面之间的距离（光程1，由TL 1表示）以及在AX 2上的在折叠反射镜或者棱镜的 反射面到像平面之间的距离（被表示为光程2,由TL 2表示）的总和；即，TTL = TL 1+TL 2。由于在反射面之后参数的代数符号的改变，距离TL 2的绝对值将要被用于确定上述定 义中的TTL。
[0053] 在至少一些实施方式中，折叠式摄远透镜系统可能是固定的摄远透镜系统，其被 配置为