CN100406948C - 更薄的移动摄像机光学透镜系统和使用该系统的图像形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动摄像机光学透镜系统，该系统通过将视角分为两个或更多个视角确保了宽视角，同时通过提供分别对应于分离视角的分离离轴透镜系统实现了移动摄像机光学透镜系统的薄度。

Description

更薄的移动摄像机光学透镜系统和使用该系统的图像形成方法

技术领域

本发明一般地涉及移动摄像机光学透镜系统，更具体地说，涉及这样的移动摄像机光学透镜系统：其通过将原始视角分解为多个视角以确保宽视角并提供与分离视角对应的分离离轴(off-axis)透镜系统，由此实现了更薄的移动摄像机光学透镜系统。

背景技术

最近，随着数字技术的发展、图像压缩的改善以及多媒体产品的复原技术以及外围技术的进步，正在进行实现移动摄像机的薄且微型化的研究。为了满足这种趋势，要求在更薄的摄像机透镜光学系统方面具有较高便携性和良好性能的摄像机。

传统上，多个旋转对称型透镜相对于光学轴的方向垂直设置的同轴摄像机透镜系统一般被用作移动摄像机的光学系统。这种同轴摄像机透镜系统在图1中示出。参考图1，由于几个旋转对称型透镜垂直设置，这种同轴摄像机透镜系统一般在其光学轴的方向上减小其长度具有局限性。具体地，由于移动摄像机透镜系统的总体长度被确定为与图像传感器的对角线长度大致相同，因此存在的问题是难以实现移动设备的微型化。

因此，为了解决这种问题，已经提出了使用棱镜透镜实现移动设备的微型化的光学透镜系统和使用转接(relay)型离轴聚焦透镜实现移动设备的微型化的光学透镜系统。

美国专利US6,084,715公开了使用棱镜透镜的光学系统。其结构参考图2描述。可以看出，移动摄像机光学透镜系统包括第一棱镜10、第二棱镜20、低通虑光器4和图像平面3。然而，如图所示，虽然这种移动摄像机光学透镜系统使用棱镜透镜系统构造，但是光学系统的总长度与图像传感器的对角线长度的比例(图像传感器的总长度/对角线长度)落在2.4至4.3的范围内，因此在光学系统的总长度的减小方面存在局限性。

另一实例是日本未审查专利特开2000-292371，它公开了一种使用离轴聚焦透镜的光学系统，其结构参考图3描述。可以看到，移动摄像机光学系统包括是隔膜的第一表面R1、作为与第一表面同轴的折射表面的第二表面R2、作为相对于第二表面R2倾斜的反射表面的第三表面R3、第四表面R4、作为相对于对应的表面平移并倾斜的反射表面的第五表面R5和作为相对于第五表面R5平移并倾斜的折射表面的第六表面R6。

然而，即使在集成的离轴聚焦透镜光学系统的情况下，光学系统的总长度与图像传感器的对角线长度的比例(图像传感器的总长度/对角线长度)仍然落在2.4至4.3的范围内，如上文所述。虽然存在光学轴的长度短于常规同轴移动摄像机透镜系统的长度的优点，但是如上文所述，在单个图像传感器上实现宽视角方面以及在光学系统的总体厚度减小方面都仍然存在较大的局限性。

此外，虽然在上文所述的常规光学系统中，已经考虑了通过减小图像传感器的尺寸来减小光学系统的总厚度的方法，但是该方法几乎没有效果，即在减小图像传感器的尺寸方面仍然存在局限性。

结果，为了在移动摄像机光学透镜系统中使用单个图像传感器实现宽视角，同时减小光学系统的总厚度，还需要一种除了上述使用棱镜透镜的透镜系统和整体离轴聚焦透镜系统之外的光学透镜系统。

发明内容

因此，本发明着眼于现有技术中发生的这些问题，本发明的一个目的是通过将一个视角划分为两个或更多个角度确保宽视角并通过提供对应于分离视角的离轴透镜系统而减小光学透镜系统的总长度。

本发明的另一目的是通过集成多个离轴透镜系统减小元件数量来降低制造成本，以及通过集成元件透镜降低在组装过程中的缺陷率。

为了实现上述目的，本发明提供一种更薄的移动摄像机光学透镜系统，包括两个或更多个离轴透镜系统，用于传输通过由移动摄像机光学透镜系统的一个视角分解成的两个或更多个相同的分离视角进入的光束，该离轴透镜系统对应于分离视角；和单个图像传感器，用于接收穿过两个或更多个离轴透镜系统的光束。

通过执行分解以使进入移动摄像机的光束具有不同的光轴来实施视角的分解。

离轴透镜系统通过使用注入成型形成或者以晶片级(wafer scale)形成。

单个图像传感器被分解以对应于分离视角的数量，因此穿过离轴透镜系统的光束在图像传感器的各区域形成图像。

此外，本发明提供了一种使用更薄的移动摄像机光学透镜系统形成图像的方法，该方法包括：将移动摄像机光学透镜系统的一个视角分解为两个或更多个相同的视角；使通过分离视角进入的光束穿过与其对应的各离轴透镜系统；在图像传感器对应区域上形成穿过各离轴透镜系统的光束；以及，组合在图像传感器各区域上形成的图像。

在透镜系统形成倒像时，使用照片拼接法(photo stitching)或全景图拼嵌法(panorama mosaic)组合在图像传感器各区域上形成的图像。

附图说明

从下文结合附图的详细描述中将会更加清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点。

图1所示为传统同轴光学系统图；

图2所示为使用棱镜透镜的传统光学系统图；

图3所示为使用整体棱镜透镜的传统光学系统图；

图4A至4C所示为根据本发明的视角分解原理图；

图5A至5D所示为使用根据本发明的光学系统的图像形成方法图；

图6所示为根据本发明的一个实施例的包括两个离轴透镜系统的移动摄像机光学透镜系统的透视图；

图7所示为图6的剖视图；

图8所示为说明图7的离轴透镜的中的一个的放大视图；

图9A和9B所示为基于根据本发明的更薄的移动光学透镜系统的各区域的相同坐标的横向光像差图。

具体实施方式

现在参考附图，在不同的附图中相同的参考标号用于指示相同或相似的部件。

图4A至4C所示为传统摄像机和具有分离视角的摄像机。图5A至5D所示为说明使用根据本发明的光学系统的图像形成方法图。图6所示为根据本发明的一个实施方式的包括两个离轴透镜系统的移动摄像机光学透镜系统的透视图。图7所示为图6的剖视图。图8所示为图7的离轴透镜中的一个的放大图。图9A和9B所示为横向像差图。

如上文所述，本发明具有这样的技术特征：性能等于或优于传统同轴摄像机光学透镜系统、使用棱镜透镜的传统摄像机光学透镜系统和使用整体离轴透镜的常规摄像机光学透镜系统的性能，视角较宽和摄像机光学透镜系统的总长度极大地减小。为了实现这种技术特征，本发明需要使用不同于上文所述的移动摄像机光学透镜系统的移动摄像机光学透镜系统。

即，减小图像传感器本身的尺寸的方法被认为是减小摄像机光学透镜系统总长度的最典型方法。然而，如上文所述，在维持常规光学系统的同时减小图像传感器的尺寸是相当困难的，因此，在传统的光学系统中，公知的是，这种方法不能有效地减小摄像机光学透镜系统的总长度。

然而，本发明提供了这样的效果：通过提供一种非上述传统光学系统的光学系统，减小了图像传感器的尺寸，由此实现光学系统的总长度的减小。

即，申请人已经设计了一种更薄的移动光学透镜系统，只要可以极大地减小图像传感器本身的尺寸就可以实质性地实现减小光学系统的总长度的效果，以及通过彼此组合具有减小尺寸的图像传感器维持与传统图像传感器相同的尺寸。

具体地，本发明可以通过分解进入摄像机光学透镜系统的视角并提供对应于分离视角的分离透镜系统来实施上述更薄的移动光学透镜系统，由此实现了与传统光学透镜不同的光学透镜系统。

首先，为了实施根据本发明的光学透镜系统，要求分解摄像机的视角。视角分解的原理参考图4A，4B和4C进行描述。图4A所示为典型的移动摄像机光学透镜系统的视角(大约60°的情况)的附图，这个视角是指摄像机透镜可以捕获的对象的角度(视角)。如图4B和4C原理性地所示，视角分解表示：使用多个具有如图4B所示的不同光轴和窄角度的摄像机，通过将其各分离视角维持在大约30°以实现原始的视角60°，如图4C所示。具体地，可以看出，需要从具有不同光轴的摄像机中获取半像并使用分离程序组合该图像的处理。

即，参考图5，简要描述了使用根据本发明分解视角的原理和利用移动摄像机获取目标图像的程序。在图5A中示出的目标图像的视角被分解为大约30°。因此，大约半个目标图像通过分离视角分别入射到根据图5B所示的本发明的多个移动光学透镜系统100上。通过各分离视角进入的光束分别穿过分别对应于分离视角的第一离轴透镜系统110a和第二离轴透镜系统110b。穿过各离轴透镜系统110的光束在对应的图像传感器120的区域上形成图像。

即，已经穿过第一离轴透镜系统110a的光束在图像传感器120的图像传感器部分120a的区域上形成图像，已经穿过第二离轴透镜系统110b的光束在图像传感器120的图像传感器部分120b的区域上形成图像。目标图像通过上述的处理形成在图像传感器120上的情况在图5C中示出。如上文所述，本发明分解视角，并具有两个或更多个带有不同光轴的分离透镜系统，因此与其对应的各图像传感器部分120a和120b的尺寸极大地减小，由此极大地减小了光学透镜系统的总厚度。

在本实施例中，在图5C中所示对象的半像形成在各图像传感器部分120a和120b上，因此需要将相应的图像组合成一个图像的处理。在本实施例中，在两个透镜形成倒像的情况下，使用照片拼接法或全景图拼嵌法将两个图像组合成一个图像，如图5B所示。同时，在两个透镜形成正像的情况下，可以通过透镜的细微调节组合相应的图像。

参考图6和7详细地描述根据本发明的更薄的移动摄像机光学透镜系统100(根据上述的原理形成的)。本发明的特征在于，更薄的移动摄像机光学透镜系统包括两个或更多个透镜系统110a和110b，用于传输通过已经分解为两个或更多个的视角范围进入的光束；和单个图像传感器120，用于接收已经穿过两个或更多个透镜系统110a和110b的光束。

在附图中，示出了穿过分离角度的光束分别入射在第一离轴透镜系统110a和第二离轴透镜系统110b上的情况。视角的分解通过分解由移动摄像机接收的并具有不同的光轴的光束实现。此外，本发明使用如附图中所示的多个透镜系统。使用传统的同轴系统在技术上难以实施本发明，因此，使用离轴透镜系统实现了该技术目的。

虽然在本发明的这个实施例中，该视角分解为两个并使用两个与其对应的离轴透镜系统，但是本发明并不限于这个数量，如果需要的话，视角可以分解为比这个数量更大的数量。在这种情况下，离轴透镜系统的数量也增加。上述的视角分解是用于实现本发明移动摄像机的宽视角的另一技术优点。

具体地，作为本发明，在使用多个具有较小视角的透镜构造透镜系统的情况下，存在的优点是，在其上形成的图像的面积减小到面积/N(透镜的数量)的大小并且视角变得更小，因此在设计方面具有优点。此外，本发明具有的技术优点在于，通过组合多个透镜它可以实现与传统透镜的视角相同或比其更大的视角，以及使用具有相同尺寸的图像传感器实现长度更短的光学系统。

现在详细描述根据本发明的离轴透镜系统110的结构。在本发明的实施例中，每个离轴透镜系统110包括四个表面130，140，150和160，由此形成了一个离轴透镜系统。在包括两个离轴透镜系统的情况下，如在本实施例中，两个离轴透镜系统110a和110b形成为彼此对称。此外，根据本发明的离轴透镜系统100可以通过使用注入成型整体地或分离地形成。此外，离轴透镜系统100可以在晶片级上形成，因此存在的优点是可以批量生产。如上文所述，根据本发明的离轴透镜系统110整体地形成，因此存在的优点是，由于制造过程的简化而降低了在组装过程中的缺陷率，并且通过减少元件数量降低了成本。

图8所示为根据本发明的离轴透镜系统110的一部分的放大图。参考图8描述根据本发明的离轴透镜系统110的各透镜的特性。如上文所述的各透镜表面130，140，150和160具有使用满足下式1的XY多项式自由形态表面形成的技术特征：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\mathrm{SQRT}[1-(1+k)c^2{r}^2]}+\underset{j=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{x}^m{y}^n,$ 这里j＝[(m+n)²+m+3n]/2+1(1)

在这种情况下，z轴是自由形态表面的轴，c是顶点曲率，k是锥形常数，以及Cj(这里j是等于或大于2的整数)是系数。

根据本发明的离轴透镜系统110的透镜表面不只限于XY多项式自由形态表面，即它们可以使用自由形态表面的其它方程式形成。

在下表1中，给出了XY多项式自由形态表面的系数和别名。

表1

系数	别名	定义
			C1	K	锥形常数
C2	X	x
			C3	Y	y
C4	X2	x2
			C5	XY	xy
C6	Y2	y2
			C7	X3	x3
C8	X2Y	x2y
			C9	XY2	xy2
C10	Y3	y3
			C11	X4	x4
C12	X3Y	x3y
			C13	X2Y2	x2y2
C14	XY3	xy3
			C15	Y4	y4
C16	X5	x5
			C17	X4Y	x4y
C18	X3Y2	x3y2
			C19	X2Y3	x2y3
C20	XY4	xy4
			C21	Y5	y5
C22	X6	x6
			C23	X5Y	x5y
C24	X4Y2	x4y2

C25	X3Y3	x3y3
			C26	X2Y4	x2y4
C27	XY5	xy5
			C28	Y6	y6

此外，如图8所示的离轴透镜系统110的各透镜表面130，140，150和160被设计成具有如下表2中所示的值。即，下表2表示中心坐标、各透镜梯度和相关表面的非球面系数。在这种情况下，作为基准的(0，0，0)的位置是终点表面(stop surface)。

表2

此外，图9A和9B中所示的附图表示基于根据本发明的更薄的移动摄像机光学透镜系统的各区域的相同坐标的横向光像差图。

参考图7描述包括根据上述表1和2设计的各透镜表面130，140，150和160的每个离轴透镜系统110。基于视角的各分解角度进入的光束穿过离轴透镜系统110的入射表面130，并反射离开第一和第二反射表面140和150，穿过出口表面160，达到图像传感器120，由此形成图像。

图像传感器120被分解为相应的图像传感器120a和120b，因此它们对应于分离视角的数量并被构造成使穿过多个离轴透镜系统110的光束在图像传感器的传感器部分的区域上形成图像。如上文所述，本发明的技术特征在于，通过分解图像传感器以对应于各分离视角而极大地减小了图像传感器的尺寸，由此极大地减小了整个光学系统的尺寸，并且通过分解视角实现了宽视角。

即，使用根据本发明的光学透镜系统，该光学透镜系统可以被构造成满足L/ID≤0.6(这里L是总长度，ID是图像传感器的对角线长度)的条件，因此存在的优点是，与传统同轴光学系统、传统整体离轴透镜系统和使用棱镜的传统光学系统相比，极大地减小了总长度。

如上文所述，通过更薄的移动摄像机光学透镜系统形成图像的方法的特征是，该方法包括如下步骤：将移动摄像机光学透镜系统的一个视角分解为两个或更多个相同的视角；使通过分离视角进入的光束通过与其对应的各透镜系统；在图像传感器的相应的区域上形成穿过各透镜系统的光束；以及组合在图像传感器各区域上形成的图像，最后使用照片拼接法和全景图拼嵌法组合在图像传感器各区域上形成的图像，由此获得该图像。

在使用如上文所述的根据本发明的更薄的移动摄像机的情况下，存在的优点是通过将一个视角分解为多个视角确保了宽视角，同时通过提供对应于分离视角的离轴透镜系统极大地减小了光学透镜系统的总长度并极大地减小了与其对应的图像传感器部分的尺寸。

此外，本发明具有的其它优点是通过整体地形成多个离轴透镜系统的方式来降低元件的数量而降低制造成本以及通过集成部件透镜减小了在组装过程中的缺陷率。

虽然为了说明的目的已经公开了本发明的优选实施例，但是本领域普通技术人员将会理解的是在不脱离附加的权利要求所公开的本发明的范围和精神的前提下各种改进、增加和替代都是可能的。

Claims (14)

1.一种更薄的移动摄像机光学透镜系统，包括：

两个或更多个离轴透镜系统，用于传输通过由移动摄像机光学透镜系统的视角分解成的两个或更多个相同的分离视角进入的光束，该离轴透镜系统对应于所述分离视角；和

单个图像传感器，用于接收穿过所述两个或更多个离轴透镜系统的光束。

2.如权利要求1所述的更薄的移动摄像机光学透镜系统，其中视角的分解通过如下方式实施：执行分解以使进入移动摄像机的光束具有不同的光轴。

3.如权利要求1所述的更薄的移动摄像机光学透镜系统，其中所述两个或更多个离轴透镜系统中的任何一个形成为包括光束入射到其上的入射表面、两个反射表面、和出口表面，所述的两个反射表面相对于参考轴倾斜。

4.如权利要求1或3所述的更薄的移动摄像机光学透镜系统，其中所述的两个或更多个离轴透镜系统形成为彼此对称。

5.如权利要求4所述的更薄的移动摄像机光学透镜系统，其中离轴透镜系统具有使用通过下式表达的XY多项式自由形态表面形成的表面：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\mathrm{SQRT}[1-(1+k)c^2{r}^2]}+\underset{j=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{x}^m{y}^n,$ 其中j＝[(m+n)²+m+3n]/2+1

其中z是自由形态表面的轴，c是顶点曲率，k是锥形常数，以及C_j是系数，其中j是等于或大于2的整数。

6.如权利要求1所述的更薄的移动摄像机光学透镜系统，其中离轴透镜系统通过使用注入成型整体地或分离地形成或者形成在晶片级上。

7.如权利要求1所述的更薄的移动摄像机光学透镜系统，其中所述单个图像传感器被分解为对应于分离视角的数量，以使穿过离轴透镜系统的光束在图像传感器的各区域上形成图像。

8.如权利要求7所述的更薄的移动摄像机光学透镜系统，其中在图像传感器的各区域上形成的图像通过使用照片拼接法或全景图拼嵌法而被组合。

9.如权利要求1所述的更薄的移动摄像机光学透镜系统，其中所述光学透镜系统满足如下的条件：

L/ID≤0.6

其中L是总长度，ID是图像传感器的对角线长度。

10.一种使用更薄的移动摄像机光学透镜系统形成图像的方法，该方法包括：

将移动摄像机光学透镜系统的视角分解为两个或更多个相同的视角；

使通过分离视角进入的光束穿过与其对应的各离轴透镜系统；

在图像传感器的对应区域上形成穿过各离轴透镜系统的光束；以及

将在图像传感器各区域上形成的图像进行组合。

11.如权利要求10所述的方法，其中通过执行分解以使进入移动摄像机的光束具有不同的光轴来实现视角的分解。

12.如权利要求11所述的方法，其中离轴透镜系统具有使用通过下式表示的XY多项式自由形态表面形成的表面：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\mathrm{SQRT}[1-(1+k)c^2{r}^2]}+\underset{j=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j{x}^m{y}^n,$ 其中j＝[(m+n)²+m+3n]/2+1

其中z是自由形态表面的轴，c是顶点曲率，k是锥形常数，以及C_j是系数，其中j是等于或大于2的整数。

13.如权利要求10所述的方法，其中所述离轴透镜系统通过使用注入成型整体地或分离地形成或者形成在晶片级上。

14.如权利要求10所述的方法，其中当离轴透镜系统形成倒像时，使用照片拼接法或全景图拼嵌法将在图像传感器的各区域上形成的图像进行组合。

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