CN104898352B - 折叠照相机透镜系统 - Google Patents

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Abstract

一种折叠照相机透镜系统。折叠透镜系统可以包括具有折光力的多个透镜以及光路折叠元件。在第一光路或轴上通过透镜进入照相机的光折射到折叠元件，该折叠元件使用对光进行折射的透镜将光的方向改变到第二光路或轴上，以在光电传感器处形成图像平面。透镜元件中的至少一个的物侧表面和图像侧表面中的至少一个可以是非球面的。透镜系统的总轨迹长度TTL可以是16.0mm或更小。透镜系统可以被配置为使得望远比率|TTL/f|大于1.0。可以选择光学元件的材料、曲率半径、形状、尺寸、间隔和非球面系数以在小形状因数照相机中实现高质量光学性能和高图像分辨率。

Description

折叠照相机透镜系统
优先权信息
该申请要求于2014年3月7日提交的题为“FOLDED LENS SYSTEMS(折叠透镜系统)”的美国临时申请序列号No.61/949,898的优先权的权益，其内容通过引用而完全合并到此。
技术领域
本公开总体涉及照相机系统，更具体地说，涉及用于小形状因数照相机的透镜系统。
背景技术
小的移动多用途设备(如智能电话和平板或平板设备)的出现已经导致对于用于在设备中的集成的高分辨率、小形状因数照相机的需要。然而，由于传统照相机技术的限制，在这些设备中所使用的传统小照相机倾向于以比使用更大、更高质量照相机可以实现的更低分辨率和/或更低图像质量来捕获图像。通过小封装尺寸照相机来实现较高分辨率通常要求使用具有小像素尺寸的光电传感器以及良好的紧凑成像透镜系统。技术的发展已经实现了光电传感器中的像素尺寸的减少。然而，由于光电传感器变得更紧凑并且强大，因此对于具有改进的成像质量性能的紧凑成像透镜系统的需求已经增加。
发明内容
本公开的实施例可以提供一种小封装尺寸中的高分辨率照相机。描述包括光电传感器和紧凑折叠透镜系统的照相机。在实施例中，折叠所述照相机透镜系统的光路可以促进实现用于照相机透镜组装的小形状因数，并且还可以通过使用相对少数量的小形状因数的透镜元件来促进实现高分辨率光学透镜系统。可以在仍然捕获尖锐高分辨率图像的同时在小封装尺寸中实现包括折叠透镜系统的照相机的实施例，使得照相机的实施例适合于在小型和/或移动多用途设备(如蜂窝电话、智能电话、平板或平板计算设备、膝上型设备、网本、笔记本、小笔记本和超级本计算机)中的使用。在一些实施例中，可以连同一个或多个其它照相机(例如望远和/或广角小格式照相机)在设备中包括在此所描述的照相机，其它照相机将例如当使用该设备来捕获图像时允许用户在不同的照相机格式(正常、望远或广角)之间进行选择。
描述可以减少用于对于1/3英寸(6.12mm对角线)传感器照相机的潜在应用的透镜系统的封装体积的宽度的折叠透镜系统的实施例。所述折叠透镜系统的示例实施例可以具有14-mm EFL(有效焦距长度)、F/2.8和26-度对角线视场(DFOV)(6.46mm图像圈直径、3.232mm图像圈半径)。在至少一些实施例中，图像平面或传感器可以移动以将物体场景从无限远聚焦到<1000mm物距。至少一些实施例可以使用棱镜作为光路折叠机构，以用于对光的光路进行折叠。在一些实施例中，透镜-棱镜组合(例如铸模到合成单元元件中的一个或多个透镜和棱镜)可以用作光路折叠机构，以用于对光的光路进行折叠。
描述包括具有折光力的五个透镜元件的折叠透镜系统的实施例。然而，在一些实施例中可以使用更多或更少的透镜元件。在各个实施例中，平面镜或棱镜元件可以用于对光的光路进行折叠。在至少一些实施例中，所述透镜元件中的至少一个的物侧表面和图像侧表面中的至少一个是非球面的。
在至少一些实施例中，所述折叠透镜系统包括折叠光轴(在此被称为AX)、第一组(在此被称为GR1)光学元件、光路折叠元件(例如棱镜或平面镜)、第二组(在此被称为GR2)光学元件以及在所述图像平面处的光电传感器。至少一些实施例可以还包括红外滤波器和/或窗口元件。折叠透镜系统的至少一些实施例可以包括变焦能力，用于将在无限远处(距照相机的物距≥20米)的物体场景聚焦到近物距(<1米)。例如，在各个实施例中，第一组(GR1)、第二组GR2和/或在所述图像平面处的光电传感器可以变焦、移动或平移，以用于将物体场景从远距离(≥20米)聚焦到近距离(<1米)。
在至少一些实施例中，所述透镜系统可以是固定折叠透镜系统，被配置使得所述透镜系统的有效焦距长度f的绝对值处于14毫米(mm)或其左右(例如在8mm至大约14mm的范围内)、F数(聚焦比)处于从大约2.4到大约10的范围内，视场(FOV)处于26度或其左右，非折叠透镜系统的总轨迹长度(TTL)处于～8mm至～16mm的范围内。然而，注意，在一些实施例中可以获得在此所给出的范围之上或之下的值。所述透镜系统的总轨迹长度(TTL)是在第一(物侧)光学元件的物侧表面处的前顶点与所述图像平面之间在光轴(AX)上的距离。在所述折叠透镜系统的实施例中，所述透镜系统的非折叠总轨迹长度(TTL)可以定义为在所述第一(物侧)光学元件的物侧表面处的前顶点与图像平面之间在折叠光轴(AX)上的距离。换言之，用于折叠透镜系统的TTL是在第一(物侧)透镜元件的物侧表面处的前顶点与光路折叠元件(镜面或棱镜)的反射表面之间在折叠轴AX上的距离的绝对值、和所述反射表面与图像平面之间的距离的绝对值之和。由于通过光学设计惯例，光学参数(如曲率半径、距离、焦距长度等)的代数符号跟随反射表面而改变符号，因此在此可以使用距离的绝对值之和。
于在此所描述的至少一些实施例中，折叠透镜系统可以被配置为使得望远比率|TTL/f|大于1：
|TTL/f|>1.0
其中，f是有效焦距长度的绝对值。为了归类为望远透镜系统，|TTL/f|(望远比率)应小于或等于1。因此，在此所描述的折叠透镜系统的实施例通常可以提供非望远透镜系统。然而，注意，在一些实施例中，折叠透镜系统可以被配置或可以是可调整的，以使得望远比率小于或等于1：
|TTL/f|≤1.0，
并且因此，实施例可以囊括可在望远范围与非望远范围之间调整的折叠望远透镜系统和/或折叠透镜系统。例如，在一些实施例中，折叠透镜系统可以是可调整的，以提供0.8至1.2的范围内的望远比率。
在至少一些实施例中，所述折叠透镜系统可以被配置为使得透镜系统的有效焦距长度f是14mm，F数是2.8。然而，注意，焦距长度(和/或其它参数)可以缩放或调整，以满足用于其它照相机系统应用(例如用于较大封装尺寸照相机)的光学、成像和/或封装约束的规范。此外，在一些实施例中，折叠透镜系统可以是可调整的。例如，在一些实施例中，折叠透镜系统可以包括可调整虹膜或孔径光阑。使用可调整的孔径光阑，F数(聚焦比或F/#)可以例如在2.8至10或更高的范围内动态地变化。此外，在一些实施例中，折叠透镜系统可以还包括变焦机构，用于动态地将物体场景从在无限远处的远距离(即≥20米)聚焦到近物距(即<1米)。
各个实施例中的折射透镜元件可以由塑料材料构成。在至少一些实施例中，折射透镜元件可以由注塑成型光学塑料材料构成。各个实施例中的折叠镜面或棱镜元件可以由玻璃材料或塑料材料构成。在具有窗口元件和/或红外滤波器(IR)元件的实施例中，这些元件可以由玻璃材料或塑料材料构成。然而，可以使用其它合适的透明光学材料。此外，注意，在给定实施例中，透镜元件中的不同元件可以由具有不同光学特性(例如不同阿贝数和/或不同折射率)的材料构成。此外，注意，虽然各个实施例中的透镜元件通常示出为圆形透镜，但在一些实施例中，所述透镜中的一个或多个可以是其它形状(例如椭圆、矩形、正方形或具有圆角的矩形)。
在折叠透镜系统的至少一些实施例中，可以选择透镜元件材料或可以计算透镜元件的折光力分布，以满足透镜系统有效焦距长度要求并且校正色差和场曲率或Petzval和。可以通过调整透镜元件和轴向分离的曲率半径和非球面系数或几何形状来减少光学像差的单色变化和色度变化，以产生良好校正的平衡最小残余像差，而且在小形状因数透镜系统照相机中减少总轨迹长度(TTL)并且实现图像高质量光学性能和高分辨率。
附图说明
图1A和图1B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路的方向进行折叠或改变的光路折叠元件的折叠透镜系统的紧凑照相机的示例实施例的截面图示。
图2A和图2B是用于如图1A和图1B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至650nm的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线。
图3A和图3B示出用于如图1A和图1B所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
图4A和图4B示出用于4.9mm×3.7mm图像格式紧凑照相机的如图1A和图1B所示的折叠透镜系统中的示例透镜定向。
图5A和图5B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示。
图6A和图6B是用于如图5A和图5B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至650nm的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线。
图7A和图7B示出用于如图5A和图5B所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
图8A和图8B示出用于4.9mm×3.7mm图像格式紧凑照相机的如图5A和图5B所示的折叠透镜系统中的示例透镜定向。
图9A和图9B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示。
图10A和图10B是用于如图9A和图9B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至650nm的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线。
图11A和图11B示出用于如图9A和图9B所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
图12A和图12B示出用于4.9mm×3.7mm图像格式紧凑照相机的如图9A和图9B所示的折叠透镜系统中的示例透镜定向。
图13是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示，并且是如图9A和图9B所示的折叠透镜系统的变型。
图14A和图14B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示。
图15A和图15B是用于如图14A和图14B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至650nm的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线。
图16A和图16B示出用于如图14A和图14B所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
图17A和图17B示出用于4.9mm×3.7mm图像格式紧凑照相机的如图14A和图14B所示的折叠透镜系统中的示例透镜定向。
图18是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示，并且是如图14A和图14B所示的折叠透镜系统的变型。
图19A至图19E是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件并且还包含可调整的孔径光阑的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示。
图20A至图20D示出用于如图19B至图19E所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
图21是根据至少一些实施例的用于使用包括图1A至图19所示的折叠透镜系统的照相机来捕获图像的方法的高级流程图。
图22示出可以用在实施例中的示例计算机系统。
具体实施方式
本说明书包括对“一个实施例”或“实施例”的引用。短语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现并不一定指代同一实施例。可以通过与本公开一致的任何合适方式来组合特定特征、结构或特性。
“包括”。该术语是开放式的。如在所附权利要求中所使用的那样，该术语并不排除附加结构或步骤。考虑如此陈述的权利要求：“一种包括一个或多个处理器单元的装置……”。该权利要求并不使得所述装置排除包括附加组件(例如网络接口单元、图形电路等)。
“被配置为”。各个单元、电路或其它组件可以描述或要求为“被配置为”执行一个或多个任务。在这些上下文中，“被配置为”用于通过指示单元/电路/组件包括在操作期间执行这一个或多个任务的结构(例如电路)来暗示结构。故此，甚至当所指定的单元/电路/组件当前并不可操作(例如不打开)时，单元/电路/组件也可以被称为被配置为执行任务。关于“被配置为”语言所使用的单元/电路/组件包括硬件——例如电路、存储可执行以实现操作的程序指令的存储器等。陈述单元/电路/组件“被配置为”执行一个或多个任务明确地并非意图对于该单元/电路/组件援引35U.S.C.§112，第六段。此外，“被配置为”可以包括由软件和/或固件(例如FPGA或执行软件的通用处理器)操控以通过能够执行所讨论的任务的方式而操作的普通结构(例如普通电路)。“被配置为”可以还包括将制造工艺(例如半导体生产设施)适配为生产适用于实现或执行一个或多个任务的设备(例如集成电路)。
“第一”、“第二”等。如在此使用的那样，这些术语用作用于它们前置于的名词的标签，但不暗指任何类型的排序(例如空间、时间、逻辑等)。例如，缓冲电路可以在此描述为执行用于“第一”值和“第二”值的写入操作。术语“第一”和“第二”不一定暗指第一值必须在第二值之前写入。
“基于”。如在此使用的那样，该术语用于描述影响确定操作的一个或多个因素。该术语不排除可以影响确定操作的附加因素。即，确定操作可以仅基于这些因素或至少部分地基于这些因素。考虑短语“基于B确定A”。虽然在此情况下，B是影响A的确定操作的因素，但该短语并不排除还基于C确定A。在其它实例中，可以仅基于B确定A。
描述包括光电传感器和紧凑折叠透镜系统的小形状因数照相机的实施例。描述包括五个透镜元件的紧凑折叠透镜系统的各个实施例。然而，注意，在实施例中可以使用更多或更少的光学元件。可以在仍然捕获尖锐高分辨率图像的同时在小封装尺寸中实现照相机，使得照相机的实施例适合于在小型和/或移动多用途设备(如蜂窝电话、智能电话、平板或平板计算设备、膝上型设备、网本、笔记本、小笔记本、超级本计算机、监控设备等)中的使用。然而，注意，照相机的各方面(例如透镜系统和光电传感器)可以增大或减小以提供具有更大或更小封装尺寸的照相机。此外，照相机系统的实施例可以实现为单机数码照相机。此外，对于其它(单帧捕获)照相机应用，照相机系统的实施例可以适用于在视频照相机应用中的使用。
描述可以减少用于对于1/3英寸(6.12mm对角线)传感器照相机的潜在应用的透镜系统的封装体积的宽度的折叠透镜系统的实施例。折叠透镜系统的示例实施例可以具有14-mm EFL(有效焦距长度)、F/2.8和26-度对角线视场(DFOV)(6.46-mm图像圈直径)。在至少一些实施例中，图像平面或传感器可以移动以将物体场景从无限远聚焦到<1000mm物距。至少一些实施例可以使用棱镜作为光路折叠机构，以用于对光的光路进行折叠。在一些实施例中，透镜-棱镜组合(例如铸模到合成单元元件中的一个或更多个透镜和棱镜)可以用作光路折叠机构，以用于对光的光路进行折叠。
描述紧凑折叠透镜系统的若干示例实施例，包括具有光路折叠元件和五个折射透镜元件的实施例。图1A和图1B、图5A和图5B、图9A和图9B、图13、图14A和图14B、图18以及图19A-图19E示出包括作为用于对光的光路进行折叠的光路折叠元件的棱镜以及五个折射透镜元件的示例实施例。在一些实施例中，透镜元件中的一个或更多个可以与棱镜融合、合成、铸模、集成或另外组合，例如图13、图18和图19A-图19E的实施例所示。然而，注意，这些示例并非意图限制，在仍然实现相似结果的同时，对光学组件的布置和数量以及对于透镜系统所给定的其它各个参数的变化是可能的。此外，注意，虽然图中未示出，但除了棱镜之外的其它机构可以用作光路折叠元件。例如，在一些实施例中，可以使用镜面而非棱镜。
各个实施例中的折射透镜元件可以由塑料材料构成。在至少一些实施例中，所述折射透镜元件可以由注塑成型塑料材料构成。各个实施例中的棱镜(或折叠镜面)可以由玻璃材料或塑料材料构成。至少一些实施例可以还包括红外滤波器和/或窗口元件。在具有窗口元件和/或红外滤波器(IR)元件的实施例中，这些元件可以由玻璃材料或塑料材料构成。然而，可以使用其它透明光学材料。此外，注意，在给定实施例中，所述透镜元件中的不同元件可以由具有不同光学特性(例如不同阿贝数和/或不同折射率)的材料构成。此外，注意，虽然各个实施例中的透镜元件通常示出为圆形透镜，但在一些实施例中，所述透镜中的一个或多个可以是其它形状(例如椭圆、矩形、正方形或具有圆角的矩形)。
在图中所示的示例照相机中的每一个中，示例照相机至少包括折叠透镜系统和光电传感器。光电传感器可以是根据任何各种类型的光电传感器技术实现的集成电路(IC)技术芯片或芯片集。可以使用的光电传感器技术的示例是电荷耦合器件(CCD)技术和互补金属氧化物半导体(CMOS)技术。在至少一些实施例中，光电传感器的像素尺寸可以是1.2微米或更小，但可以使用更大的像素尺寸。在非限定性示例实施例中，可以根据1280×720像素图像格式来制造光电传感器，以捕获1兆像素图像。然而，在实施例中可以使用其它更大或更小的像素格式，例如5兆像素、10兆像素或更大或更小的格式。
照相机可以还包括位于第一透镜元件处或在第一透镜元件前面(即在第一透镜元件的物侧上)的前端孔径光阑(AS)。注意，孔径光阑可以比图中所示更靠近或更远离透镜元件。此外，在一些实施例中，孔径光阑可以位于折叠透镜系统中的其它地方。例如，孔径光阑可以位于第一透镜元件与光路折叠元件之间。
照相机也可以但不一定包括位于透镜系统的最后透镜元件与光电传感器之间的红外(IR)滤波器。IR滤波器可以例如由玻璃材料构成。然而，可以使用其它材料。注意，IR滤波器不影响透镜系统的有效焦距长度f。照相机也可以但不一定包括位于透镜系统的物场与第一透镜元件之间的窗口。窗口可以例如由玻璃材料构成。然而，可以使用其它材料。注意，窗口可以不影响透镜系统的有效焦距长度f。此外，注意，照相机可以还包括除了在此所示出并且描述的组件之外的其它组件。
在折叠透镜系统中，具有反射表面的光路折叠元件(例如棱镜或镜面)将到来光的方向从第一光轴(AX1)改变为第二光轴(AX2)。来自物场的到来光穿过位于第一光轴AX1上的光学元件的折射光学表面。反射表面将到来光的方向从第一光轴AX1改变为第二光轴AX2，第二光轴上的到来光穿过折射元件在第二光轴上到达图像平面。第二光轴AX2可以按关于折叠镜面或棱镜的反射表面的角度相对于第一光轴AX1而定向，以容纳期望的紧凑形状因数照相机系统。该角度通常可以是90度，以因此提供光轴的正确角度折叠，但在一些实施例中可以使用小于或大于90度的其它角度。在以下讨论中，折叠透镜系统的总轨迹长度(TTL)可以定义为等于在第一(物侧)透镜元件的物侧表面处的前顶点与折叠镜面或棱镜的反射表面之间在AX1上的距离(轨迹长度1，表示为TL1)、和在折叠镜面或棱镜的反射表面到图像平面之间在AX2上的距离(轨迹长度2，表示为TL2)之和，即TTL＝TL1+TL2。由于参数的代数符号跟随反射表面而改变，距离TL2的绝对值将用于确定上述定义中的TTL。
在照相机中，折叠透镜系统在光电传感器的表面处或其附近在图像平面(IP)处形成图像。用于远距物体的图像尺寸直接与透镜系统的有效焦距长度f成正比。透镜系统的总轨迹长度(TTL)是在第一(物侧)透镜元件的物侧表面处的前顶点与所述图像平面之间在光轴(AX)上的距离。对于望远透镜系统，总轨迹长度(TTL)小于透镜系统有效焦距长度(f)，总轨迹长度对于焦距长度的比率|TTL/f|是望远比率。为了归类为望远透镜系统，TTL/f小于或等于1。于在此所描述的至少一些实施例中，所述折叠透镜系统可以被配置为：所述望远比率(TTL/f)大于1：
|TTL/f|>1.0
其中，f是有效焦距长度的绝对值。为了归类为望远透镜系统，|TTL/f|(望远比率)应小于或等于1。因此，实施例通常可以提供非望远透镜系统。然而，注意，在一些实施例中，折叠透镜系统可以被配置或可以是可调整的，以使得所述望远比率小于或等于1：
|TTL/f|≤1.0，
并且因此，实施例可以囊括可在望远范围与非望远范围之间调整的望远折叠透镜系统和/或折叠透镜系统。例如，在一些实施例中，所述折叠透镜系统可以是可调整的，以提供0.8至1.2的范围内的望远比率。然而，注意，焦距长度f、F数和/或其它参数可以缩放或调整，以满足用于其它照相机系统应用的光学、成像和/或封装约束的各种规范。可以指定为用于特定照相机系统应用的要求和/或可以对于不同的照相机系统应用而变化的对于照相机系统的约束包括但不限于焦距长度f、有效孔径、F数、视场(FOV)、成像性能要求以及封装体积或尺寸约束。
在一些实施例中，所述折叠透镜系统可以是可调整的。例如，在一些实施例中，在此所描述的折叠透镜系统可以包括可调整虹膜(入)瞳或孔径光阑。使用可调整的孔径光阑，F数(聚焦比或F/#)可以在范围内动态地变化。例如，假设孔径光阑可以调整为期望的F数设置，如果透镜以给定的焦距长度f和FOV按F/2.8得以良好地校正，则通过调整孔径光阑，聚焦比可以在2.8(或更低)至10(或更高)的范围内变化。在一些实施例中，可以通过按相同FOV(例如26度)以降级的图像质量性能或按更小的FOV以合理良好的性能来调整孔径光阑而按更快的聚焦比(F/#<2.8)使用透镜系统。
在一些实施例中，折叠透镜系统可以还包括手动和/或自动聚焦机构，以提供用于将在无限远(距照相机的物体场景距离≥20米)处的物体场景聚焦到近物距(≤1米)的变焦能力。例如，在一些实施例中，在此所描述的折叠透镜系统可以包括可调整聚焦机构，以平移或移动一组透镜元件，以在范围从无限远(≥20米)到(≤1米)的距离聚焦物体。在一些实施例中，折叠透镜系统可以包括可调整聚焦机构，经由该可调整聚焦机构，光电传感器可以变焦或移动或受激励，以用于在范围从大于20米到小于1米的距离处聚焦物体场景。注意，一些实施例可以被配置为移动或平移光电传感器和一个或更多个透镜元件，以实现聚焦。
虽然值的范围可以在此给出为用于其中一个或更多个光学参数可以动态地变化(例如通过使用可调整的孔径光阑和/或可调整聚焦)的可调整照相机和折叠透镜系统的示例，但可以实现包括其中用于光学参数和其它参数的值处于这些范围内的固定(不可调整)折叠透镜系统的照相机系统的实施例。
参照图中所示的实施例，照相机(例如100、200、300、400或500)的紧凑折叠透镜系统(例如110、210、310、410或510)可以包括从物侧(AX1)到图像侧(AX2)沿着折叠光轴AX所布置的具有折光力以及f的透镜系统有效焦距长度的五个透镜元件(图1A-图1B的透镜系统110中的101-105、图5A和图5B的透镜系统210中的201-205、图9A、图9B和图13的透镜系统300中的301-305、图14A、图14B和图18的透镜系统410中的401-405以及图19A-图19E的透镜系统510中的501-505)：
－具有焦距长度f1的第一透镜元件L1(101、201、301、401或501)；
－从AX1到AX2对光轴进行折叠的光路折叠棱镜(140、240、340、440或540)；
－具有焦距长度f2的第二透镜元件L2(102、202、302、402或502)；
－具有焦距长度f3的第三透镜元件L3(103、203、303、403或503)；
－具有焦距长度f4的第四透镜元件L4(104、204、304、404或504)；以及
－具有焦距长度f5的第五透镜元件L5(105、205、305、405或505)。
此外，在至少一些实施例中，所述透镜元件中的至少一个的物侧表面和图像侧表面中的至少一个是非球面。此外，至少一些实施例可以包括例如位于第五透镜元件与光电传感器之间的IR滤波器。此外，至少一些实施例可以包括例如位于第一透镜元件与物体平面之间的窗口元件。此外，至少一些实施例可以包括例如位于第一透镜元件的前面的孔径光阑(AS)。在一些实施例中，例如图13和图19A所示，第一透镜元件和棱镜可以铸模为单个组合单元或元件。在一些实施例中，例如图18所示，第一透镜元件、棱镜和第二透镜元件可以铸模为单个组合单元或元件。
在此所描述的折叠照相机透镜系统的实施例可以被配置为使得：具有折光力或焦距长度f1-f5的透镜元件L1-L5的屈光光焦度分布满足以下条件：
0.5<|f1/f|<0.8，
0.3<|f2/f|<2.0，
0.2<|f3/f|<0.6，
0.4<|f4/f|<1.5，
0.3<|f5/f|<3.0，
其中，f是折叠透镜系统的有效焦距长度。
图1A和图1B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路的方向进行折叠或改变的光路折叠元件的折叠透镜系统的紧凑照相机的示例实施例的截面图示。图1A示出在聚焦位置1处(在无限远处的物距)的照相机100，而图1B示出在聚焦位置2处(在1000mm处的物距，距聚焦位置1的图像平面位移大约195.5微米)的照相机100。透镜系统110包括具有折光力的五个透镜元件(101-105)。从物侧(AX1)到图像侧(AX2)沿着照相机100的光轴AX布置的是孔径光阑AS、具有凸物侧表面和焦距长度f1的第一透镜元件L1(101)、定向为改变到来光路的方向并且因此从AX1到AX2对光轴进行折叠的棱镜140、具有焦距长度f2的第二透镜元件L2(102)、具有焦距长度f3的第三透镜元件L3(103)、具有焦距长度f4的第四透镜元件L4(104)以及具有焦距长度f5的第五透镜元件L5(105)。透镜系统110在光电传感器120的表面处形成图像。在一些实施例中，红外(IR)滤波器可以位于第五透镜元件L5与光电传感器120之间。在一些实施例中，窗口150可以位于第一透镜元件L1与物场之间。图1B还示出在对应表1A-表1E中使用的照相机100和透镜系统110中的元件的表面的表面编号(S#)。
透镜系统110的有效焦距长度由f给出。紧凑折叠透镜系统110的总轨迹长度(TTL)是在第一元件L1的物侧表面与图像平面之间或替代地在窗口150的物侧表面与图像平面之间沿着光轴AX1和AX2的距离。参照图1A和图1B，TTL是TL1和TL2之和，其中，TL1是L1的物侧表面的前顶点与棱镜140的反射表面之间的轴向距离，TL2是棱镜140的反射表面与在光电传感器120处的图像平面之间的轴向距离。可以例如位于透镜元件L1的前表面处的孔径光阑AS确定透镜系统110的入射光瞳。f数F/#的透镜系统110聚焦比被定义为透镜系统110有效焦距长度f除以入射光瞳直径。IR滤波器可以工作为阻挡可能损坏或不利地影响光电传感器的红外辐射，并且可以被配置为对透镜系统110有效焦距长度f没有影响。相似地，窗口可以工作为保护透镜系统，并且可以被配置为对透镜系统110有效焦距长度f几乎没有或没有影响。
在至少一些实施例中，照相机100和折叠透镜系统110被配置为提供14-mm EFL(有效焦距长度)、F/2.8、26-度对角线视场(DFOV)以及3.232-mm图像圈半径。在透镜系统110的示例非限定性实施例中，TL1＝～4.15mm，TL2＝～12.0mm，TTL＝～16.15mm。在至少一些实施例中，折叠透镜系统110包括沿着光轴AX1和AX2所布置的折射透镜元件L1、L2、L3、L4和L5(透镜元件101-105)、棱镜140；窗口150以及IR滤波器。在至少一些实施例中，L1(透镜元件101)、棱镜140、窗口150以及IR滤波器由光学玻璃材料构成，L2、L3、L4和L5(透镜元件102-105)由两种类型的光学塑料材料构成。在一些实施例中，L1(101)和棱镜140元件可以粘合或以空气间隔。在至少一些实施例中，窗口150是0.4mm厚，IR滤波器是0.3mm厚。然而，注意，以上给出的值和参数是示例，而非意图限制。
图4A和图4B示出用于4.9mm×3.7mm(6.14mm对角线)图像格式紧凑照相机100A的图1A和图1B所示的折叠透镜系统中的示例透镜定向，并且分别示出在聚焦位置1(在无限远处的物距)和聚焦位置2(在1000mm处的物距)处的照相机100A的透镜系统110A。图4A中的光电传感器的左边的矩形表示4.9mm×3.7矩形图像场相对于所示的照相机的定向。
表1A-表1E提供图1A和图1B所示的照相机100和透镜系统110的示例实施例的各个光学参数和物理参数的示例值。表1A-表1E可以被称为提供用于透镜系统110的光学配方。参照表1A-表1E，透镜系统110的实施例覆盖具有在555nm处的基准波长的从470纳米(nm)到650nm的谱的可见区域中的应用。表1A-表1E中的光学配方提供在覆盖26度视场(FOV)(13度半FOV)的用于14.0毫米(mm)的有效焦距长度f的470nm到650nm谱上在F/2.8处的高图像质量。图1A和图1B所示的并且具有表1A-表1E所示的光学配方的折叠透镜系统110具有15.7mm的总轨迹长度(TTL＝TL1+TL2)以及1.1214的望远比率|TTL/f|。透镜系统110是对于覆盖470nm至650nm的可见谱所设计的紧凑折叠成像系统。
在至少一些实施例中，透镜系统110的光学元件可以由具有表1B中所列出的折射率Nd和阿贝数Vd的材料构成。在折叠透镜系统110的该示例实施例中，透镜元件L1可以由具有折射率1.603和65.4的阿贝数的玻璃材料构成，透镜元件L2和L4可以由具有1.544的折射率和V1＝56.1的阿贝数的塑料材料构成，透镜元件L3和L5可以由具有1.632的折射率和阿贝数V2＝23.3的塑料材料构成。表1B中还给出用于窗口150、棱镜140和IR滤波器的材料、折射率和阿贝数。用于透镜系统110中的元件的这些材料的选取和应用可以使得透镜系统110能够在可见区域上关于色差得以优化并且校正。可以选取材料，并且可以计算透镜元件的折光力分布，以满足有效焦距长度f以及场曲率或Petzval和的校正。可以通过调整例如表1C所示的透镜元件的曲率半径和非球面系数或几何形状以及轴向分离度来减少光学像差的单色变化或色度变化，以产生良好校正的平衡最小残余像差。
图2A和图2B是用于如图1A和图1B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至650nm的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线，并且分别示出在照相机100的聚焦位置1(在无限远处的物距)和聚焦位置2(在1000mm处的物距)处的值。图3A和图3B示出用于如图1A和图1B所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
参照表1D，列出透镜系统110的棱镜元件中的反射表面的离心常数。棱镜的反射表面可以相对于L1的光轴(AX1)45度定向，并且因此，L2-L5的折叠光轴(AX2)被配置为相对于AX1为90度。然而，折叠镜面或棱镜元件的反射表面的角度定向可以被配置为期望的值，以适合于期望的光路方向和透镜系统封装要求。
在至少一些实施例中，照相机100可以包括变焦机构，用于动态地将物体场景从无限远(物距≥20米)聚焦到近物距<1000mm。例如，在一些实施例中，包括IR滤波器的透镜系统110可以相对于光电传感器120沿着AX2移动，或替代地，光电传感器120可以相对于透镜系统110/IR滤波器移动，以用于在光电传感器120处将物体场景从无限远聚焦到近距离(<1米)。参照表1B和图1B，在表1E中列出用于透镜系统110的变焦参数。表1E所示的用于位置1的变焦参数是当物体场景距离处于无限远处(表1B中所列出的光学配方)时在IR滤波器(表面18或S18)与在光电传感器120处的图像平面(表面19或S19)之间沿着AX2的轴向厚度或空间分离度。除了表面#0中的物距由1000mm替代并且表1B中给出的S18与S19之间的空间分离度(-0.4677mm)由-0.6632mm替代之外，用于在1000mm(位置2)处的物体场景的对应光学配方与表1B中所列出的配方相同。在表1E中可见，光电传感器120与透镜系统/IR滤波器之间的距离改变对于透镜系统110达大约0.1955mm(195.5微米)，以将物体场景从无限远变焦并且聚焦到<1000mm。
表1A-表1E中的光学配方描述图1A和图1B所示的透镜系统110的示例实施例，其中，透镜元件的折光力分布如此：透镜元件L1-L5的焦距长度f1-f5相对于有效焦距长度f的比率是|f1/f|＝0.591，|f2/f|＝1.632，|f3/f|＝0.506，|f4/f|＝1.181，以及|f5/f|＝2.416。表1C中列出用于示例实施例中的透镜系统110中的透镜元件的表面的非球面系数。根据透镜元件的光焦度分布的布置来配置透镜系统110并且如表1A-表1E所示调整曲率半径和非球面系数，可以减少透镜系统110的总轨迹长度(TTL)，并且可以有效地校正系统的像差，以在小形状因数照相机100中对于在无限远处的物体场景并且对于位于<1000mm距离的物体场景获得高图像质量分辨率的光学性能。
图5A和图5B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示。图5A示出在聚焦位置1处(在无限远处的物距)的照相机200，而图5B示出在聚焦位置2处(在1000mm处的物距，距聚焦位置1的图像平面位移大约197.8微米)的照相机200。透镜系统210包括具有折光力的五个透镜元件(201-205)。从物侧(AX1)到图像侧(AX2)沿着照相机200的光轴AX布置的是孔径光阑AS、具有凸物侧表面和焦距长度f1的第一透镜元件L1(201)、定向为改变到来光路的方向并且因此从AX1到AX2对光轴进行折叠的棱镜240、具有焦距长度f2的第二透镜元件L2(202)、具有焦距长度f3的第三透镜元件L3(203)、具有焦距长度f4的第四透镜元件L4(204)以及具有焦距长度f5的第五透镜元件L5(205)。透镜系统210在光电传感器220的表面处形成图像。在一些实施例中，红外(IR)滤波器可以位于第五透镜元件L5与光电传感器220之间。在一些实施例中，窗口250可以位于第一透镜元件L1与物场之间。图5B还示出在对应表2A-表2E中使用的照相机200和透镜系统210中的元件的表面的表面编号(S#)。
透镜系统210的有效焦距长度由f给出。紧凑折叠透镜系统210的总轨迹长度(TTL)是在第一元件L1的物侧表面与图像平面之间或替代地在窗口250的物侧表面与图像平面之间沿着光轴AX1和AX2的距离。参照图5A和图5B，TTL是TL1和TL2之和，其中，TL1是L1的物侧表面的前顶点与棱镜240的反射表面之间的轴向距离，TL2是棱镜240的反射表面与在光电传感器220处的图像平面之间的轴向距离。可以例如位于透镜元件L1的前面表面处的孔径光阑AS确定透镜系统210的入射光瞳。f数F/#的透镜系统210聚焦比被定义为透镜系统210有效焦距长度f除以入射光瞳直径。IR滤波器可以工作为阻挡可能损坏或不利地影响光电传感器的红外辐射，并且可以被配置为对透镜系统210有效焦距长度f没有影响。相似地，窗口可以工作为保护透镜系统，并且可以被配置为对透镜系统210有效焦距长度f几乎没有或没有影响。
在至少一些实施例中，照相机200和折叠透镜系统210被配置为提供14-mm EFL(有效焦距长度)、F/2.8、26-度对角线视场(DFOV)以及3.232-mm图像圈半径。在作为透镜系统210的示例非限定性实施例的示例中，TL1＝～4.054mm，TL2＝～11.861mm，TTL＝～15.915mm。在一些实施例中，折叠透镜系统210包括沿着光轴AX1和AX2所布置的折射透镜元件L1、L2、L3、L4和L5(透镜元件201-205)、棱镜240；窗口250以及IR滤波器。在至少一些实施例中，窗口250以及IR滤波器由光学玻璃材料构成，L1、L2、L3、L4和L5(透镜元件201-205)以及棱镜240由两种类型的光学塑料材料构成。在一些实施例中，L1(201)元件和棱镜240元件可以由相同类型的塑料材料构成，并且可以铸模为单个组合单元或元件。在至少一些实施例中，窗口250是0.4mm厚，IR滤波器是0.3mm厚。然而，注意，以上给出的值和参数是示例，而非意图限制。
图8A和图8B示出用于4.9mm×3.7mm(6.14mm对角线)图像格式紧凑照相机200A的图5A和图5B所示的折叠透镜系统中的示例透镜定向，并且分别示出在聚焦位置1(在无限远处的物距)和聚焦位置2(在1000mm处的物距)处的照相机200A的透镜系统210A。图8A中的光电传感器的左边的矩形表示4.9mm×3.7矩形图像场相对于所示的照相机的定向。
表2A-表2E提供图5A和图5B所示的照相机200和透镜系统210的示例实施例的各个光学参数和物理参数的示例值。表2A-表2E可以被称为提供用于透镜系统210的光学配方。参照表2A-表2E，透镜系统210的实施例覆盖具有在555nm处的基准波长的从470纳米(nm)到650nm的谱的可见区域中的应用。表2A-表2E中的光学配方提供在覆盖26度视场(FOV)(13度半FOV)的用于14.0毫米(mm)的有效焦距长度f的470nm到650nm谱上在F/2.8处的高图像质量。图5A和图5B所示的并且具有表2A-表2E所示的光学配方的折叠透镜系统210具有15.465mm的总轨迹长度(TTL＝TL1+TL2)以及1.105的望远比率|TTL/f|。透镜系统210是对于覆盖470nm至650nm的可见谱所设计的紧凑折叠成像系统。
表2B中给出透镜元件L1-L5(201-205)、窗口250、棱镜240和IR滤波器的材料、折射率和阿贝数。用于透镜系统210中的元件的材料和光学特性的选取和应用可以使得透镜系统210能够在可见区域上对于色差得以优化并且校正。可以选取材料，并且可以计算元件的折光力分布，以满足有效焦距长度f以及场曲率或Petzval和的校正。可以通过调整例如表2C所示的透镜元件的曲率半径和非球面系数或几何形状以及轴向分离度来减少光学像差的单色变化或色度变化，以产生良好校正的平衡最小残余像差。
图6A和图6B是用于如图5A和图5B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至650nm的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线，并且分别示出在照相机200的聚焦位置1(在无限远处的物距)和聚焦位置2(在1000mm处的物距)处的值。图7A和图7B示出用于如图5A和图5B所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
参照表2D，列出透镜系统210的棱镜元件中的反射表面的离心常数。棱镜的反射表面可以相对于L1的光轴(AX1)45度定向，并且因此，L2-L5的折叠光轴(AX2)被配置为相对于AX1为90度。然而，折叠镜面或棱镜元件的反射表面的角度定向可以被配置为期望的值，以适合于期望的光路方向和透镜系统封装要求。
在至少一些实施例中，照相机200可以包括变焦机构，用于动态地将物体场景从无限远(物距≥20米)聚焦到近物距<1000mm。例如，在一些实施例中，包括IR滤波器的透镜系统210可以相对于光电传感器220沿着AX2移动，或替代地，光电传感器220可以相对于透镜系统210/IR滤波器移动，以用于在光电传感器220处将物体场景从无限远聚焦到近距离(<1米)。参照表2B和图5B，在表2E中列出用于透镜系统210的变焦参数。表2E所示的用于位置1的变焦参数是当物体场景距离处于无限远处时在IR滤波器(表面18或S18)与在光电传感器220处的图像平面(表面19或S19)之间沿着AX2的轴向厚度或空间分离度(表2B中所列出的光学配方)。除了表面#0中的物距由1000mm替代并且表2B中给出的S18与S19之间的空间分离度(-0.6343mm)由-0.8321mm替代之外，用于在1000mm(位置2)处的物体场景的对应光学配方与表2B中所列出的配方相同。在表2E中可见，光电传感器220与透镜系统/IR滤波器之间的距离改变对于透镜系统210达大约0.1978mm(197.8微米)，以将物体场景从无限远变焦并且聚焦到<1000mm。
表2A-表2E中的光学配方描述图5A和图5B所示的透镜系统210的示例实施例，其中，透镜元件的折光力分布使得：透镜元件L1-L5的焦距长度f1-f5相对于有效焦距长度f的比率是|f1/f|＝0.729，|f2/f|＝0.402，|f3/f|＝0.218，|f4/f|＝0.451，|f5/f|＝0.381。表2C中列出用于示例实施例中的透镜系统210中的透镜元件的表面的非球面系数。根据透镜元件的光焦度分布的布置来配置透镜系统210并且如表2A-表2E所示调整曲率半径和非球面系数，可以减少透镜系统210的总轨迹长度(TTL)，并且可以有效地校正系统的像差，以在小形状因数照相机200中对于在无限远处的物体场景并且对于位于<1000mm距离的物体场景获得高图像质量分辨率的光学性能。
图9A和图9B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示。图9A示出在聚焦位置1处(在无限远处的物距)的照相机300，而图9B示出在聚焦位置2处(在1000mm处的物距，距聚焦位置1的图像平面位移大约198.6微米)的照相机300。透镜系统310包括具有折光力的五个透镜元件(301-305)。从物侧(AX1)到图像侧(AX2)沿着照相机300的光轴AX布置的是孔径光阑AS、具有凸物侧表面和焦距长度f1的第一透镜元件L1(301)、定向为改变到来光路的方向并且因此从AX1到AX2对光轴进行折叠的棱镜340、具有焦距长度f2的第二透镜元件L2(302)、具有焦距长度f3的第三透镜元件L3(303)、具有焦距长度f4的第四透镜元件L4(304)以及具有焦距长度f5的第五透镜元件L5(305)。透镜系统310在光电传感器320的表面处形成图像。在一些实施例中，红外(IR)滤波器可以位于第五透镜元件L5与光电传感器320之间。在一些实施例中，窗口350可以位于第一透镜元件L1与物场之间。图9B还示出在对应表3A-表3E中使用的照相机300和透镜系统310中的元件的表面的表面编号(S#)。
透镜系统310的有效焦距长度由f给出。紧凑折叠透镜系统310的总轨迹长度(TTL)是在第一元件L1的物侧表面与图像平面之间或替代地在窗口350的物侧表面与图像平面之间沿着光轴AX1和AX2的距离。参照图9A和图9B，TTL是TL1和TL2之和，其中，TL1是L1的物侧表面的前顶点与棱镜340的反射表面之间的轴向距离，TL2是棱镜340的反射表面与在光电传感器320处的图像平面之间的轴向距离。可以例如位于透镜元件L1的前面表面处的孔径光阑AS确定透镜系统310的入射光瞳。f数F/#的透镜系统310聚焦比被定义为透镜系统310有效焦距长度f除以入射光瞳直径。IR滤波器可以工作为阻挡可能损坏或不利地影响光电传感器的红外辐射，并且可以被配置为对透镜系统310有效焦距长度f没有影响。相似地，窗口可以工作为保护透镜系统，并且可以被配置为对透镜系统310有效焦距长度f几乎没有或没有影响。
在至少一些实施例中，照相机300和折叠透镜系统310被配置为提供14-mm EFL(有效焦距长度)、F/2.8、26-度对角线视场(DFOV)以及3.232-mm图像圈半径。在透镜系统310的示例非限定性实施例中，TL1＝～3.75mm，TL2＝～11.77mm，TTL＝～15.52mm。在一些实施例中，折叠透镜系统310包括沿着光轴AX1和AX2所布置的折射透镜元件L1、L2、L3、L4和L5(透镜元件301-305)、棱镜340；窗口350以及IR滤波器。在至少一些实施例中，窗口350以及IR滤波器由光学玻璃材料构成，L1、L2、L3、L4和L5(透镜元件301-305)以及棱镜340由两种类型的光学塑料材料构成。在一些实施例中，L1(301)元件和棱镜340元件可以由相同类型的塑料材料构成，并且可以铸模为单个组合单元或元件(见例如图13)。在至少一些实施例中，窗口350和IR滤波器均为0.3mm厚。然而，注意，以上给出的值和参数是示例，而非意图限制。
图12A和图12B示出用于4.9mm×3.7mm(6.14mm对角线)图像格式紧凑照相机300A的图9A和图9B所示的折叠透镜系统中的示例透镜定向，并且分别示出在聚焦位置1(在无限远处的物距)和聚焦位置2(在1000mm处的物距)处的照相机300A的透镜系统310A。图12A中的光电传感器的左边的矩形表示4.9mm×3.7矩形图像场相对于所示的照相机的定向。
表3A-表3E提供图9A和图9B所示的照相机300和透镜系统310的示例实施例的各个光学参数和物理参数的示例值。表3A-表3E可以被称为提供用于透镜系统310的光学配方。参照表3A-表3E，透镜系统310的实施例覆盖具有在555nm处的基准波长的从470纳米(nm)到650nm的谱的可见区域中的应用。表3A-表3E中的光学配方提供在覆盖26度视场(FOV)(13度半FOV)的用于14.0毫米(mm)的有效焦距长度f的470nm到650nm谱上在F/2.8处的高图像质量。图9A和图9B所示的并且具有表3A-表3E所示的光学配方的折叠透镜系统310具有15.166mm的总轨迹长度(TTL＝TL1+TL2)以及1.083的望远比率|TTL/f|。透镜系统310是对于覆盖470nm至650nm的可见谱所设计的紧凑折叠成像系统。
表3B中给出透镜元件L1-L5(301-305)、窗口350、棱镜340和IR滤波器的材料、折射率和阿贝数。用于透镜系统310中的元件的材料和光学特性的选取和应用可以使得透镜系统310能够在可见区域上对于色差得以优化并且校正。可以选取材料，并且可以计算元件的折光力分布，以满足有效焦距长度f以及场曲率或Petzval和的校正。可以通过调整例如表3C所示的透镜元件的曲率半径和非球面系数或几何形状以及轴向分离度来减少光学像差的单色变化或色度变化，以产生良好校正的平衡最小残余像差。
图10A和图10B是用于如图9A和图9B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至650nm的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线，并且分别示出在照相机300的聚焦位置1(在无限远处的物距)和聚焦位置2(在1000mm处的物距)处的值。图11A和图11B示出用于如图9A和图9B所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
参照表3D，列出透镜系统310的棱镜元件中的反射表面的离心常数。棱镜的反射表面可以相对于L1的光轴(AX1)45度定向，并且因此，L2-L5的折叠光轴(AX2)被配置为相对于AX1为90度。然而，折叠镜面或棱镜元件的反射表面的角度定向可以被配置为期望的值，以适合于期望的光路方向和透镜系统封装要求。
在至少一些实施例中，照相机300可以包括变焦机构，用于动态地将物体场景从无限远(物距≥20米)聚焦到近物距<1000mm。例如，在一些实施例中，包括IR滤波器的透镜系统310可以相对于光电传感器320沿着AX2移动，或替代地，光电传感器320可以相对于透镜系统310/IR滤波器移动，以用于在光电传感器320处将物体场景从无限远聚焦到近距离(<1米)。参照表3B和图9B，在表3E中列出用于透镜系统310的变焦参数。表3E所示的用于位置1的变焦参数是当物体场景距离处于无限远处(表3B中所列出的光学配方)时在IR滤波器(表面18或S18)与在光电传感器320处的图像平面(表面19或S19)之间沿着AX2的轴向厚度或空间分离度。除了表面#0中的物距由1000mm替代并且表3B中给出的S18与S19之间的空间分离度(-1.0762mm)由-1.2748mm替代之外，用于在1000mm(位置2)处的物体场景的对应光学配方与表3B中所列出的配方相同。在表3E中可见，光电传感器320与IR滤波器/透镜系统310之间的距离改变对于透镜系统310达大约0.1986mm(198.6微米)，以将物体场景从无限远变焦并且聚焦到<1000mm。
表3A-表3E中的光学配方描述图9A和图9B所示的透镜系统310的示例实施例，其中，透镜元件的折光力分布使得：透镜元件L1-L5的焦距长度f1-f5相对于有效焦距长度f的比率是|f1/f|＝0.716，|f2/f|＝0.390，|f3/f|＝0.221，|f4/f|＝0.417，|f5/f|＝0.373。表3C中列出用于示例实施例中的透镜系统310中的透镜元件的表面的非球面系数。根据透镜元件的光焦度分布的布置来配置透镜系统310并且如表3A-表3E所示调整曲率半径和非球面系数，可以减少透镜系统310的总轨迹长度(TTL)，并且可以有效地校正系统的像差，以在小形状因数照相机300中对于在无限远处的物体场景并且对于位于<1000mm距离的物体场景获得高图像质量分辨率的光学性能。
图13是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠透镜系统310B的紧凑照相机300B的另一示例实施例的截面图示，并且是如图9A和图9B所示的折叠透镜系统310的变型。在一些实施例中，透镜元件中的一个或多个可以与棱镜融合或集成。在图13中，例如透镜301B和棱镜340B铸模为合成单元元件(L1-棱镜)，并且用作光路折叠机构，以用于对照相机300B的光的光路进行折叠。图13还示出在对应表4A-表4E中使用的照相机300B和透镜系统310B中的元件的表面的表面编号(S#)。
表4A-表4E提供图13所示的照相机300B和透镜系统310B的示例实施例的各个光学参数和物理参数的示例值。表4A-表4E可以被称为提供用于透镜系统310B的光学配方。表4A-表4E中的光学配方描述图13所示的透镜系统310B的示例实施例，其中，透镜元件的折光力分布如此：透镜元件L1-L5的焦距长度f1-f5相对于有效焦距长度f的比率是|f1/f|＝0.716，|f2/f|＝0.390，|f3/f|＝0.221，|f4/f|＝0.417，|f5/f|＝0.373。注意，由于图13的透镜系统310B是其中透镜L1与棱镜融合或集成以形成L1-棱镜的图9A-图9B的透镜系统310的变型，因此表4A-表4E基本上与表3A-表3E相似，并且透镜系统310和310B的光学特性将基本上相同。表4A-表4E与表3A-表3E之间的差异在于：图9B所示的表面S5和S6不出现在图13中，并且图13中的表面已经如表4A-表4E中所反映的那样而重新编号。
图14A和图14B是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示。图14A示出在聚焦位置1处(在无限远处的物距)的照相机400，而图14B示出在聚焦位置2处(在1000mm处的物距，距聚焦位置1的图像平面位移大约195.6微米)的照相机400。透镜系统410包括具有折光力的五个透镜元件(401-405)。从物侧(AX1)到图像侧(AX2)沿着照相机300的光轴AX布置的是孔径光阑AS、具有凸物侧表面和焦距长度f1的第一透镜元件L1(401)、定向为改变到来光路的方向并且因此从AX1到AX2对光轴进行折叠的棱镜440、具有焦距长度f2的第二透镜元件L2(302)、具有焦距长度f3的第三透镜元件L3(403)、具有焦距长度f4的第四透镜元件L4(404)以及具有焦距长度f5的第五透镜元件L5(405)。透镜系统410在光电传感器420的表面处形成图像。在一些实施例中，红外(IR)滤波器可以位于第五透镜元件L5与光电传感器420之间。在一些实施例中，窗口450可以位于第一透镜元件L1与物场之间。图14B还示出在对应表5A-表5E中使用的照相机400和透镜系统410B中的元件的表面的表面编号(S#)。
透镜系统410的有效焦距长度由f给出。紧凑折叠透镜系统410的总轨迹长度(TTL)是在第一元件L1的物侧表面与图像平面之间或替代地在窗口450的物侧表面与图像平面之间沿着光轴AX1和AX2的距离。参照图14A和图14B，TTL是TL1和TL2之和，其中，TL1是L1的物侧表面的前顶点与棱镜440的反射表面之间的轴向距离，TL2是在棱镜440的反射表面与在光电传感器420处的图像平面之间的轴向距离。可以例如位于透镜元件L1的前面表面处的孔径光阑AS确定透镜系统410的入射光瞳。f数F/#的透镜系统410聚焦比被定义为透镜系统410有效焦距长度f除以入射光瞳直径。IR滤波器可以工作为阻挡可能损坏或不利地影响光电传感器的红外辐射，并且可以被配置为对透镜系统410有效焦距长度f没有影响。相似地，窗口可以工作为保护透镜系统，并且可以被配置为对透镜系统410有效焦距长度f几乎没有或没有影响。
在至少一些实施例中，照相机400和折叠透镜系统410被配置为提供14-mm EFL(有效焦距长度)、F/2.8、26-度对角线视场(DFOV)以及3.232-mm图像圈半径。在透镜系统410的至少一些实施例中，透镜系统410的TTL处于～8mm至～16mm的范围内。在至少一些实施例中，折叠透镜系统410包括沿着光轴AX1和AX2所布置的折射透镜元件L1、L2、L3、L4和L5(透镜元件401-405)、棱镜440；窗口450以及IR滤波器。在至少一些实施例中，窗口450以及IR滤波器由光学玻璃材料构成，L1、L2、L3、L4和L5(透镜元件401-405)以及棱镜440由两种类型的光学塑料材料构成。在一些实施例中，L1(401)和L2(402)在形状和尺寸方面可以基本上是相同的。在一些实施例中，L1(401)元件、L2(402)元件和棱镜440元件可以由相同类型的塑料材料构成，并且可以铸模为单个组合单元或元件(见例如图18)。在至少一些实施例中，L1(401)、L2(402)和棱镜440的合成铸模工件可以被看作修正的半球透镜。在至少一些实施例中，窗口450和IR滤波器均为0.3mm厚。然而，注意，以上给出的值和参数是示例，而非意图限制。
图17A和图17B示出用于4.9mm×3.7mm(6.14mm对角线)图像格式紧凑照相机400A的图14A和图14B所示的折叠透镜系统中的示例透镜定向，并且分别示出在聚焦位置1(在无限远处的物距)和聚焦位置2(在1000mm处的物距)处的照相机400A的透镜系统410A。图17A中的光电传感器的左边的矩形表示4.9mm×3.7矩形图像场相对于所示的照相机的定向。
表5A-表5E提供图14A和图14B所示的照相机400和透镜系统410的示例实施例的各个光学参数和物理参数的示例值。表5A-表5E可以被称为提供用于透镜系统410的光学配方。参照表5A-表5E，透镜系统410的实施例覆盖具有在555nm处的基准波长的从470纳米(nm)到650nm的谱的可见区域中的应用。表5A-表5E中的光学配方提供在覆盖26度视场(FOV)(13度半FOV)的用于14.0毫米(mm)的有效焦距长度f的470nm到650nm谱上在F/2.8处的高图像质量。图14A和图14B所示的并且具有表5A-表5E所示的光学配方的折叠透镜系统410具有15.4mm的总轨迹长度(TTL＝TL1+TL2)以及1.100的望远比率|TTL/f|。透镜系统410是对于覆盖470nm至650nm的可见谱所设计的紧凑折叠成像系统。
表5B中给出透镜元件L1-L5(401-405)、窗口450、棱镜440和IR滤波器的材料、折射率和阿贝数。用于透镜系统410中的元件的材料和光学特性的选取和应用可以使得透镜系统410能够在可见区域上关于色差得以优化并且校正。可以选取材料，并且可以计算元件的折光力分布，以满足有效焦距长度f以及场曲率或Petzval和的校正。可以通过调整例如表5C所示的透镜元件的曲率半径和非球面系数或几何形状以及轴向分离度来减少光学像差的单色变化或色度变化，以产生良好校正的平衡最小残余像差。
图15A和图15B是用于如图14A和图14B所示的折叠透镜系统的范围从470nm至650nm的可见带上的球面像差、像散和畸变的多色曲线的图线，并且分别示出在照相机100的聚焦位置1(在无限远处的物距)和聚焦位置2(在1000mm处的物距)处的值。图16A和图16B示出用于如图14A和图14B所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
参照表5D，列出透镜系统410的棱镜元件中的反射表面的离心常数。棱镜的反射表面可以相对于L1的光轴(AX1)45度定向，并且因此，L2-L5的折叠光轴(AX2)被配置为相对于AX1为90度。然而，折叠镜面或棱镜元件的反射表面的角度定向可以被配置为期望的值，以适合于期望的光路方向和透镜系统封装要求。
在至少一些实施例中，照相机400可以包括变焦机构，用于动态地将物体场景从无限远(物距≥20米)聚焦到近物距<1000mm。例如，在一些实施例中，包括IR滤波器的透镜系统410可以相对于光电传感器420沿着AX2移动，或替代地，光电传感器420可以相对于透镜系统410/IR滤波器移动，以用于在光电传感器420处将物体场景从无限远聚焦到近距离(<1米)。参照表5B和图14B，在表5E中列出用于透镜系统410的变焦参数。表5E所示的用于位置1的变焦参数是当物体场景距离处于无限远处(表5B中所列出的光学配方)时在IR滤波器(表面18或S18)与在光电传感器420处的图像平面(表面19或S19)之间沿着AX2的轴向厚度或空间分离度。除了表面#0中的物距由1000mm替代并且表5B中给出的S18与S19之间的空间分离度(-1.4854mm)由-1.6810mm替代之外，用于在1000mm(位置2)处的物体场景的对应光学配方与表5B中所列出的配方相同。在表3E中可见，光电传感器320与IR滤波器/透镜系统310之间的距离改变对于透镜系统310达大约0.1956mm(195.6微米)，以将物体场景从无限远变焦并且聚焦到<1000mm。
表5A-表5E中的光学配方描述图14A和图14B所示的透镜系统410的示例实施例，其中，透镜元件的折光力分布如此：透镜元件L1-L5的焦距长度f1-f5相对于有效焦距长度f的比率是|f1/f|＝0.693，|f2/f|＝0.693，|f3/f|＝0.400，|f4/f|＝0.515，|f5/f|＝0.614。表5C中列出用于示例实施例中的透镜系统410中的透镜元件的表面的非球面系数。根据透镜元件的光焦度分布的布置来配置透镜系统410并且如表5A-表5E所示调整曲率半径和非球面系数，可以减少透镜系统410的总轨迹长度(TTL)，并且可以有效地校正系统的像差，以在小形状因数照相机400中对于在无限远处的物体场景并且对于位于<1000mm距离的物体场景获得高图像质量分辨率的光学性能。
图18是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件的折叠透镜系统410B的紧凑照相机400B的另一示例实施例的截面图示，并且是如图14A和图14B所示的折叠透镜系统410的变型。在一些实施例中，透镜元件中的一个或多个可以与棱镜融合或集成。在图18中，透镜401B、402B和棱镜440B铸模为合成单元元件，并且用作光路折叠机构，以用于对光的光路进行折叠。在至少一些实施例中，L1(401B)和L2(402B)在形状和尺寸方面可以基本上是相同的。在一些实施例中，L1(401B)元件、L2(402B)元件和棱镜440B元件可以由相同类型的塑料材料构成，并且可以铸模为单个组合单元或元件。在至少一些实施例中，L1(401B)、L2(402B)和棱镜440B的合成铸模工件可以被看作修正的半球形透镜。图18还示出在对应表6A-表6E中使用的照相机400B和透镜系统410B中的元件的表面的表面编号(S#)。
表6A-表6E提供图18所示的照相机400B和透镜系统410B的示例实施例的各个光学参数和物理参数的示例值。表6A-表6E可以被称为提供用于透镜系统410B的光学配方。表6A-表6E中的光学配方描述如图18所示的透镜系统410B的示例实施例，其中，透镜元件的折光力分布如此：透镜元件L1-L5的焦距长度f1-f5相对于有效焦距长度f的比率是|f1/f|＝0.693，|f2/f|＝0.693，|f3/f|＝0.400，|f4/f|＝0.515，|f5/f|＝0.614。注意，由于图18的透镜系统410B是其中L1、L2和棱镜融合以形成L1-棱镜-L2的图14A-图14B的透镜系统410的变型，因此表6A-表6E基本上与表5A-表5E相似，并且透镜系统410和410B的光学特性将基本上相同。表6A-表6E与表5A-表5E之间的差异在于：图14B所示的表面S5、S6、S8和S9不出现在图18中，并且图18中的表面已经如表6A-表6E中所反映的那样而重新编号。
图19A至图19E是包括包含折射透镜元件和工作为对光路进行折叠的光路折叠元件并且还包含可调整孔径光阑的折叠透镜系统的紧凑照相机的另一示例实施例的截面图示。如图19A至图19E中的示例照相机500所示，折叠透镜系统510的一些实施例可以包括例如位于第一透镜元件(L1)的前面的可调整孔径(在图19A至图19E中标记为AA)。在图19A至图19E所示的示例照相机500中，孔径可以是可调整的，以提供F/2.8至F/4的范围内的F/#。然而，F/#范围可以取决于由可调整孔径提供的虹膜开孔的范围而不同。例如，在一些实施例中，孔径可以是可调整的，以提供比F/4更高的F/#。
图19A通常示出具有可调整孔径AA的示例照相机500和透镜系统510，并且示出对应表7A-表7E所示的照相机500和透镜系统510中的元件的表面的表面编号(S#)。图19B示出在F/2.8聚焦位置1处(在无限远处的物距)设置的照相机500，而图19C示出在F/2.8聚焦位置2处(在1000mm处的物距，距F/2.8聚焦位置1的图像平面位移大约198.2微米)设置的照相机500。图19D示出在F/4聚焦位置1处(在无限远处的物距)设置的照相机500，而图19E示出在F/4聚焦位置2处(在1000mm处的物距，距F/4聚焦位置1的图像平面位移大约198.2微米)设置的照相机500。注意，通过示例的方式给出用于图19B至图19E所示的照相机500的F/#设置。可以通过适当地调整孔径光阑以照相机500来获得其它F/#设置(例如F/3.11和F/3.5)。
如图19A-图19E所示，透镜系统510包括具有折光力的五个透镜元件(501-505)。从物侧(AX1)到图像侧(AX2)沿着照相机500的光轴AX布置的是可调整孔径AA、具有凸物侧表面和焦距长度f1的第一透镜元件L1(501)、定向为改变到来光路的方向并且因此从AX1到AX2对光轴进行折叠的棱镜540、具有焦距长度f2的第二透镜元件L2(502)、具有焦距长度f3的第三透镜元件L3(503)、具有焦距长度f4的第四透镜元件L4(504)以及具有焦距长度f5的第五透镜元件L5(505)。透镜系统510在光电传感器520的表面处形成图像。在一些实施例中，红外(IR)滤波器可以位于第五透镜元件L5与光电传感器520之间。在一些实施例中，窗口550可以位于第一透镜元件L1与物场之间。在一些实施例中，如图19A-图19E所示，L1(501)元件和棱镜540元件可以由相同类型的材料(例如塑料材料)构成，并且可以铸模为单个组合单元或元件，如图19A-图19E中的L1-棱镜所示。
透镜系统510的有效焦距长度由f给出。紧凑折叠透镜系统510的总轨迹长度(TTL)是在第一元件L1的物侧表面与图像平面之间或替代地在窗口550的物侧表面与图像平面之间沿着光轴AX1和AX2的距离。可以例如位于透镜元件L1的前面的可调整孔径AA确定透镜系统510的入射光瞳。f数F/#的透镜系统310聚焦比被定义为透镜系统310有效焦距长度f除以入射光瞳直径。在图19A所示的示例照相机500中，孔径可以是可调整的，以提供F/2.8至F/4的范围内的F/#。然而，F/#范围可以取决于由可调整孔径光阑提供的虹膜开孔的范围而不同。例如，在一些实施例中，孔径可以是可调整的，以提供比F/4更高的F/#。IR滤波器可以工作为阻挡可能损坏或不利地影响光电传感器的红外辐射，并且可以被配置为对透镜系统510有效焦距长度f没有影响。相似地，窗口可以工作为保护透镜系统，并且可以被配置为对透镜系统510有效焦距长度f几乎没有或没有影响。
在至少一些实施例中，照相机500和折叠透镜系统510被配置为提供14-mm EFL(有效焦距长度)、F/2.8至F/4的范围内的F/#、26-度对角线视场(DFOV)以及3.232-mm图像圈半径。在一些实施例中，折叠透镜系统510包括沿着光轴AX1和AX2所布置的折射透镜元件L1、L2、L3、L4和L5(透镜元件501-505)、棱镜540；窗口550以及IR滤波器。在至少一些实施例中，窗口550以及IR滤波器由光学玻璃材料构成，L1、L2、L3、L4和L5(透镜元件501-505)以及棱镜540由两种类型的光学塑料材料构成。在一些实施例中，如图19A-图19E所示，L1(501)元件和棱镜540元件可以由相同类型的塑料材料构成，并且可以铸模为单个组合单元或元件(L1-棱镜)。在至少一些实施例中，窗口550和IR滤波器均为0.3mm厚。然而，注意，以上给出的值和参数是示例，而非意图限制。
图20A至图20D分别示出用于如图19B至图19E所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
表7A-表7E提供图19A至图19E所示的照相机500和透镜系统510的示例实施例的各个光学参数和物理参数的示例值。表7A-表7E可以被称为提供用于透镜系统500的光学配方。参照表7A-表7E，透镜系统510的实施例覆盖具有在555nm处的基准波长的从470纳米(nm)到650nm的谱的可见区域中的应用。表7A-表7E中的光学配方提供在覆盖26度视场(FOV)(13度半FOV)的用于14.0毫米(mm)的有效焦距长度f的470nm到650nm谱上在从F/2.8到F/4.0的范围上的高图像质量。图19A-图19E所示的并且具有表7A-表7E所示的光学配方的示例折叠透镜系统510具有15.404mm的总轨迹长度(TTL＝TL1+TL2)以及1.100的望远比率|TTL/f|。透镜系统510是对于覆盖470nm至650nm的可见谱所设计的紧凑折叠成像系统。
表7B中给出透镜元件L1-L5(501-505)、窗口550、棱镜540和IR滤波器的材料、折射率和阿贝数。用于透镜系统710中的元件的材料和光学特性的选取和应用可以使得透镜系统710能够在可见区域上关于色差得以优化并且校正。可以选取材料，并且可以计算元件的折光力分布，以满足有效焦距长度f以及场曲率或Petzval和的校正。可以通过调整例如表7C所示的透镜元件的曲率半径和非球面系数或几何形状以及轴向分离度来减少光学像差的单色变化或色度变化，以产生良好校正的平衡最小残余像差。
图20A至图20D分别示出用于如图19B至图19E所示的折叠透镜系统的半视场上和范围从470nm至650nm的可见谱带上的多色射线像差曲线的图线。
参照表7D，列出透镜系统510的棱镜元件中的反射表面的离心常数。棱镜的反射表面可以相对于L1的光轴(AX1)45度定向，并且因此，L2-L5的折叠光轴(AX2)被配置为相对于AX1为90度。然而，棱镜元件540的反射表面的角度定向可以被配置为期望的值，以适合于期望的光路方向和透镜系统封装要求。
在至少一些实施例中，照相机500可以包括变焦机构，用于动态地将物体场景从无限远(物距≥20米)聚焦到近物距<1000mm。例如，在一些实施例中，包括IR滤波器的透镜系统510可以相对于光电传感器520沿着AX2移动，或替代地，光电传感器520可以相对于透镜系统510/IR滤波器移动，以用于在光电传感器520处将物体场景从无限远聚焦到近距离(<1米)。参照表7B和图19A-图19E，在表7E中列出用于透镜系统510的变焦参数。表7E所示的用于F/2.8变焦位置1和F/4变焦位置1的变焦参数是当物体场景距离处于无限远处(表7B中所列出的光学配方)时在IR滤波器(表面16或S16)与在光电传感器520处的图像平面(表面17或S17)之间沿着AX2的轴向厚度或空间分离度。表7E所示的用于F/2.8变焦位置2和F/4变焦位置2的变焦参数是当物体场景距离处于1000mm或更小时在IR滤波器(表面16或S16)与在光电传感器520处的图像平面(表面17或S17)之间沿着AX2的轴向厚度或空间分离度。在表7E中可见，光电传感器520与透镜系统/IR滤波器之间的距离改变对于透镜系统510达大约0.1982mm(198.2微米)，以将物体场景从无限远变焦并且聚焦到<1000mm。注意，光电传感器520与透镜系统/IR滤波器之间的距离可以按不同的F/#设置而变化。
表7A-表7E中的光学配方描述图19A-图19E所示的透镜系统510的示例实施例，其中，透镜元件的折光力分布如此：透镜元件L1-L5的焦距长度f1-f5相对于有效焦距长度f的比率是|f1/f|＝0.727，|f2/f|＝0.383，|f3/f|＝0.209，|f4/f|＝0.457，以及|f5/f|＝0.365。表7C中列出用于示例实施例中的透镜系统510中的透镜元件的表面的非球面系数。根据透镜元件的光焦度分布的布置来配置透镜系统510并且如表7A-表7E所示调整曲率半径和非球面系数，可以减少透镜系统510的总轨迹长度(TTL)，并且可以有效地校正系统的像差，以在小形状因数照相机500中对于在无限远处的物体场景并且对于位于<1000mm距离的物体场景获得高图像质量分辨率的光学性能。
图21是根据至少一些实施例的用于使用具有图1A至图18所示的折叠透镜系统的照相机来捕获图像的方法的高级流程图。如在1100所指示的那样，在照相机的第一透镜组处接收来自照相机前面的物场的光。在至少一些实施例中，第一透镜组包括第一透镜元件L1。然而，第一透镜组可以还包括例如位于第一透镜元件与物体平面之间的窗口元件。在一些实施例中，孔径光阑可以位于第一透镜元件处或在其前面。然而，光阑可以位于透镜系统中的其它地方，例如在第一透镜元件与棱镜之间。在一些实施例，孔径光阑可以是固定的。然而，在一些实施例中，孔径光阑在例如从F/2.8到F/4.0或更高的范围上可以是可调整的，如图19A至图19E中的照相机500和透镜系统510所示。如在1102所指示的那样，第一透镜组使用反射表面(例如棱镜或平面镜)将光折射到光路折叠元件。如在1104所指示的那样，光路折叠元件改变光的方向以将光导向到第二透镜组。在至少一些实施例中，第二透镜组包括第二透镜元件L2至第五透镜元件L5。在一些实施例中，第二透镜组可以还包括例如位于第五透镜元件与光电传感器之间的IR滤波器。如在1106所指示的那样，光受第二透镜组折射，以在光电传感器的表面处或其附近在图像平面处形成图像。如在1108所指示的那样，光电传感器可以捕获图像。
总之，来自物场的到来光穿过位于第一光轴AX1上的光学元件(第一透镜组)的折射光学表面。光路折叠元件(例如棱镜)的反射表面将到来光的方向从第一光轴AX1改变到第二光轴AX2，第二光轴上的到来光在第二光轴上穿过第二透镜组中的光学元件到达在光电传感器处或其附近的图像平面。
在一些实施例中，可以如图1A和图1B所示来配置光学元件。替代地，可以如图5A和图5B所示来配置光学元件。作为又一替选，可以如图9A和图9B所示来配置光学元件。作为又一替选，可以如图13所示来配置光学元件。作为又一替选，可以如图14A和图14B所示来配置光学元件。作为又一替选，可以如图18所示来配置光学元件。然而，注意，在实现相似光学结果的同时，在图中给出的示例的变化是可能的。
示例透镜系统表
下表提供参照图1A至图18在此所描述的折叠透镜系统和照相机的示例实施例的各个光学参数和物理参数的示例值。表1A-表1E与图1A–图4B所示的折叠透镜系统110-110A的示例实施例对应。表2A-表2E与图5A–图8B所示的折叠透镜系统210-210A的示例实施例对应。表3A-表3E与图9A–图12B所示的折叠透镜系统310-310A的示例实施例对应。表4A-表4E与图13所示的折叠透镜系统310B的示例实施例对应。表5A-表5E与图14A–图17B所示的折叠透镜系统410-410A的示例实施例对应。表6A-表6E与图18所示的折叠透镜系统410B的示例实施例对应。表7A-表7E与图19A–图19E所示的折叠透镜系统510的示例实施例对应。
在表中，所有尺寸以毫米(mm)为单位，除非另外声明。“S#”代表表面编号。正半径指示曲率的中心是在表面的右边。负半径指示曲率的中心是在表面的左边。“INF”代表无限远(如在光器件中所使用的那样)。“ASP”指示非球面表面，“FLT”指示平坦表面。厚度(或分离度)是到下一表面的轴向距离。设计波长表示成像光学系统的谱带中的波长。
在表中，注意当在从镜表面或棱镜表面反射之后光路的方向改变时关于光学参数(例如曲率半径和轴向厚度或分离度、焦距长度)的以下符号惯例。在反射表面元件之后，正半径指示曲率的中心在表面的左边，负半径指示曲率的中心在表面的右边，并且厚度或轴向分离度具有负号。这种符号惯例是光学设计领域技术人员公知的。在表中，列出系统有效焦距长度f的绝对值。
对于透镜元件和IR滤波器的材料，提供在氦d线波长处的折射率Nd以及相对于氢的C线和F线以及d线的阿贝数Vd。阿贝数Vd可以由以下公式定义：
Vd＝(Nd–1)/(NF–NC)，
其中，NF和NC分别是在氢的F线和C线处的材料的折射率值。
参照非球面常数的表，描述非球面表面的非球面公式可以由以下公式给出：
其中，Z是与Z轴平行的表面的垂度(对于所有实施例，Z轴与光轴一致)，c是表面的曲率(表面的曲率半径的倒数)，K是圆锥常数，A、B、C、D、E、F、G和H是非球面系数。在表中，“E”表示指数记号(10的幂次)。
参照离心常数的表，对于示例实施例列出光路折叠元件(例如棱镜)中的反射表面的离心常数。如表1D-7D所示，光路折叠元件(例如棱镜)的反射表面相对于L1的光轴45度定向，并且因此，L2-L5的折叠光轴被配置为相对于L1的光轴为90度。然而，光路折叠元件的反射表面的角度定向可以被配置为期望的值，以适合于期望的光路方向和透镜系统封装要求。
注意，以下表中对于折叠透镜系统的各个实施例中的各个参数给出的值是通过示例的方式给出的，而并非意图限制。例如，在仍对于透镜系统提供相似的性能的同时，用于示例实施例中的透镜元件中的一个或多个的表面中的一个或多个的参数中的一个或多个以及用于构成元件的材料的参数可以被给予不同的值。具体地说，注意，表中的一些值可以增大或减小，以用于使用在此所描述的折叠透镜系统的实施例来实现更大或更小的照相机。
此外，注意，从在物体平面处的第一表面0到在图像平面处的最后表面列出表中所示并且在对应图中示出的折叠透镜系统的各个实施例中的元件的表面编号(S#)。由于元件的编号和位置在实施例中可以变化，因此与一些元件对应的表面编号在不同的表和图中可以变化。具体地说，注意，在该文献中引用透镜元件的表面(L#)的曲率半径(R#)的情况下，与使用的引用(R#)(例如用于透镜元件L1的表面的R1和R2)对于所有实施例是相同的，但可以不一定与在表和附图中给出的透镜元件的表面编号对应。
在至少一些实施例中，折叠透镜系统是装配或配置有可移动透镜组、透镜元件和/或光电传感器的变焦系统，以用于聚焦/变焦。示例实施例的变焦参数在表1B-7B中由星号(*)表示，并且也在用于变焦参数的表(表1E-7E)中列出。变焦参数是当透镜系统受变焦以从在此被称为位置1的无限远(例如物距≥20米)处的物体场景聚焦到在此被称为位置2的例如距照相机位于<1米处的附近物体场景时改变的轴向分离度或空间分离度。注意，聚焦透镜组的物距或聚焦位移范围可以增大或减小，以用于使用在此所描述的折叠透镜系统的实施例来实现更大或更小的照相机。
表1A
焦距(f) 14.0mm
F数 2.8
半FOV 13.0
总轨迹长度TTL 15.700
望远比率|TTL/f| 1.1214
设计波长 650nm，610nm，555nm，510nm，470nm
表1B
表1C-非球面约束
表1D—离心常数
表1E—变焦参数
*变焦参数 位置：1 位置：2
*1 INF 1000mm
*2 -0.4677mm -0.6632mm
表2A
焦距长度(f) 14.0mm
F数 2.8
半FOV 13.0
总轨迹长度TTL 15.465
望远比率|TTL/f| 1.105
设计波长 650nm，610nm，555nm，510nm，470nm
表2B
表2C-非球面约束
表2D—离心常数
表2E—变焦参数
*变焦参数 位置：1 位置：2
*1 INF 1000mm
*2 -0.6343mm -0.8321mm
表3A
焦距长度(f) 14.0mm
F数 2.8
半FOV 13.0
总轨迹长度TTL 15.166
望远比率|TTL/f| 1.083
设计波长 650nm，610nm，555nm，510nm，470nm
表3B
表3C-非球面约束
表3D—离心常数
表3E—变焦参数
*变焦参数 位置：1 位置：2
*1 INF 1000mm
*2 -1.0762mm -1.2748mm
表4A
焦距长度(f) 14.0mm
F数 2.8
半FOV 13.0
总轨迹长度TTL 15.166
望远比率|TTL/f| 1.083
设计波长 650nm，610nm，555nm，510nm，470nm
表4B
表4C-非球面约束
表4D—离心常数
表4E—变焦参数
*变焦参数 位置：1 位置：2
*1 INF 1000mm
*2 -1.0762mm -1.2748mm
表5A
焦距长度(f) 14.0mm
F数 2.8
半FOV 13.0
总轨迹长度TTL 15.40
望远比率|TTL/f| 1.100
设计波长 650nm，610nm，555nm，510nm，470nm
表5B
表5C-非球面约束
表5D—离心常数
表5E—变焦参数
*变焦参数 位置：1 位置：2
*1 INF 1000mm
*2 -1.4854mm -1.6810mm
表6A
焦距长度(f) 14.0mm
F数 2.8
半FOV 13.0
总轨迹长度TTL 15.40
望远比率|TTL/f| 1.100
设计波长 650nm，610nm，555nm，510nm，470nm
表6B
表6C-非球面约束
表6D—离心常数
表6E—变焦参数
*变焦参数 位置：1 位置：2
*1 INF 1000mm
*2 -1.4854mm -1.6810mm
表7A
表7B
表7C-非球面约束
表7D—离心常数
表7E—变焦参数
示例计算设备
图22示出可以包括图1A至图19所示的照相机的主机实施例的被称为计算机系统2000的示例计算设备。此外，计算机系统2000可以实现用于控制照相机的操作和/或用于执行用照相机所捕获的图像的图像处理的方法。在不同的实施例中，计算机系统2000可以是任何各种类型的设备，包括但不限于个人计算机系统、台式计算机、膝上型计算机、笔记本、平板或平板设备、片式或笔记本计算机、大型计算机系统、手持计算机、工作站、网络计算机、照相机、机顶盒、移动设备、无线电话、智能电话、消费设备、视频游戏控制台、手持视频游戏设备、应用服务器、存储设备、电视、视频记录设备、外围设备(如交换机、调制解调器、路由器)或普通任何类型的计算设备或电子设备。
在所示实施例中，计算机系统2000包括一个或多个处理器2010，其经由输入/输出(I/O)接口2030耦合到系统存储器2020。计算机系统2000还包括耦合到I/O接口2030的网络接口2040以及一个或多个输入/输出设备2050(如光标控制设备2060、键盘2070和显示器2080)。计算机系统2000可以还包括一个或多个照相机2090，例如也可以耦合到I/O接口2030的以上关于图1A至图19所描述的一个或多个照相机或连同一个或多个其它照相机(如广角照相机和/或望远照相机)一起以上关于图1A至图19所描述的一个或多个照相机。
在各个实施例中，计算机系统2000可以是包括一个处理器2010的单处理器系统或包括若干处理器2010(例如两个、四个、八个或另一合适的数量)的多处理器。处理器2010可以是能够执行指令的任何合适的处理器。例如，在各个实施例中，处理器2010可以是实现各种指令集架构(ISA)(如x86、PowerPC、SPARC或MIPS ISA)或任何其它合适的ISA的通用处理器或嵌入式处理器。在多处理器系统中，处理器2010中的每一个可以共同但不一定实现相同ISA。
系统存储器2020可以被配置为存储可由处理器2010存取的程序指令2022和/或数据2032。在各个实施例中，可以使用任何合适的存储器技术(如静态随机存取存储器(SRAM)、同步动态RAM(SDRAM)、非易失性/闪速式存储器)或任何其它类型的存储器来实现系统存储器2020。在所示实施例中，程序指令2022可以被配置为实现用于控制照相机2090的操作并且通过集成照相机2090来捕获并且处理图像的各种接口、方法和/或数据或其它方法或数据(例如用于捕获、显示、处理并且存储用照相机2090所捕获的图像的接口和方法)。在一些实施例中，可以在不同类型的计算机可存取介质上或在与系统存储器2020或计算机系统2000分离的相似介质上接收、发送或存储程序指令和/或数据。
在一个实施例中，I/O接口2030可以被配置为在处理器2010、系统存储器2020与包括网络接口2040或其它外围接口(如输入/输出设备2050)的设备中的任何外围设备之间对I/O业务进行协调。在一些实施例中，I/O接口2030可以执行任何必要协议、定时或其它数据变换，以将来自一个组件(例如系统存储器2020)的数据信号转换为适合于由另一组件(例如处理器2010)使用的格式。在一些实施例中，例如，I/O接口2030可以包括用于通过各种类型的外围总线(如外围组件互连(PCI)总线标准或通用串行总线(USB)标准)附连的设备的支撑部。在一些实施例中，例如，I/O接口2030的功能可以划分为两个或更多个分离组件(如北桥和南桥)。此外，在一些实施例中，I/O接口2030(如对于系统存储器2020的接口)的一些或所有功能可以直接合并到处理器2010中。
网络接口2040可以被配置为允许数据在计算机系统2000与附连到网络2085的其它设备(例如载体或代理设备)之间或在计算机系统2000的各节点之间交换。在各个实施例中，网络2085可以包括一个或多个网络，包括但不限于局域网(LAN)(例如以太网或公司网)、广域网(WAN)(例如互联网)、无线数据网络、一些其它电子数据网络或其某种组合。在各个实施例中，网络接口2040可以经由有线或无线通用数据网络(如任何合适类型的以太网)、经由电信/电话网络(如模拟语音网络或数字光纤通信网络)、经由存储域网络(如光纤信道SAN)、或经由任何其它合适类型的网络和/或协议来支持通信。
在一些实施例中，输入/输出设备2050可以包括一个或多个显示终端、键盘、键区、触摸板、扫描设备、语音或光学识别设备或任何其它适合于由计算机系统2000录入或存取数据的设备。多个输入/输出设备2050可以出现在计算机系统2000中，或可以分布在计算机系统2000的各个节点上。在一些实施例中，相似的输入/输出设备可以与计算机系统2000分离，并且可以通过有线或无线连接(如通过网络接口2040)与计算机系统2000的一个或多个节点进行交互。
如图22所示，存储器2020可以包括程序指令2022，其可以是处理器可执行的，以实现用于支持集成照相机2090的任何元件或动作，包括但不限于图像处理软件和用于控制照相机2090的接口软件。在至少一些实施例中，照相机2090所捕获的图像可以存储到存储器2020。此外，用于照相机2090所捕获的图像的元数据可以存储到存储器2020。
本领域技术人员应理解，计算机系统2000仅是说明性的，而并非意图限制实施例的范围。具体地说，计算机系统和设备可以包括可以执行所指示的功能的硬件或软件的组合，包括计算机、网络设备、互联网器件、PDA、无线电话、寻呼机、视频或静止照相机等。计算机系统2000也可以连接到未示出的其它设备，或另外可以操作为单机系统。此外，所示组件所提供的功能在一些实施例中可以组合在更少的组件中或分布在附加组件中。相似地，在一些实施例中，可以不提供一些所示组件的功能，和/或其它附加功能是可用的。
本领域技术人员应理解，虽然各个项示出为在被使用的同时存储在存储器中或在存储件上，但这些项或它们的各部分可以在存储器与其它存储设备之间传送，目的是存储器管理和数据完整性。替代地，在其它实施例中，一些或所有软件组件可以在另一设备上的存储器中执行并且经由计算机间通信与所示计算机系统2000进行通信。一些或所有系统组件或数据结构也可以存储(例如作为指令或结构化数据)在计算机可存取介质或便携式物品上，以供适当的驱动器读取，其各个示例如上所述。在一些实施例中，与计算机系统2000分离的计算机可存取介质上所存储的指令可以经由传输介质或经由通信介质(例如网络和/或无线链路)所传送的信号(如电信号、电磁信号或数字信号)发送到计算机系统2000。各个实施例可以还包括：在计算机可存取介质上接收、发送或存储根据前面描述所实现的指令和/或数据。一般来说，计算机可存取介质可以包括非易失性计算机可读存储介质或存储器介质，如磁介质或光学介质(例如盘或DVD/CD-ROM)易失或非易失性介质(如RAM(例如SDRAM、DDR、RDRAM、SRAM等)、ROM)等。在一些实施例中，计算机可存取介质可以包括传输介质或经由通信介质(如网络和/或无线链路)所传送的信号(如电信号、电磁信号或数字信号)。
在不同的实施例中，可以在软件、硬件或其组合中实现在此所描述的方法。此外，方法的块的顺序可以改变，并且各个元件可以被添加、重排、组合、省略、修改等。对于具有本公开的利益的本领域技术人员显见，可以进行各种修改和改变。在此所描述的各个实施例意图是说明性而非限制性的。很多变化、修改、添加和改进是可能的。相应地，多个实例可以作为单个实例提供给在此所描述的组件。各个组件、操作和数据存储之间的界限是有些随意的，并且在特定说明性配置的上下文中示出特定操作。功能的其它分配是预期的，并且可以落入所附权利要求的范围内。最后，在示例配置中作为分立式组件呈现的结构和功能可以实现为组合结构或组件。这些和其它变化、修改、添加和改进可以落入所附权利要求所限定的实施例的范围内。

Claims (18)

1.一种照相机，包括：
光电传感器，被配置为捕获投影到所述光电传感器的表面上的光；以及
折叠透镜系统，包括沿着所述照相机的第一光轴和第二光轴布置的多个光学元件，并且被配置为：
沿着所述第一光轴折射来自位于所述照相机的前面的物场的光；
将所述光重定向到所述第二光轴上；以及
在所述第二光轴上折射所述光以在所述光电传感器的表面处的图像平面处形成场景的图像；
其中，所述多个光学元件包括五个折射透镜元件，其中该折射透镜元件包括：
位于第一光轴上的第一折射透镜元件；和
位于第二光轴上的四个折射透镜元件，以及
其中，所述折叠透镜系统具有有效焦距长度f和总轨迹长度TTL，并且其中，所述折叠透镜系统的望远比率|TTL/f|在0.8到1.2的范围内。
2.如权利要求1所述的照相机，其中，所述折叠透镜系统包括被配置为将来自所述第一光轴的光反射到所述第二光轴上的光路折叠元件，以将所述光重定向到所述第二光轴上。
3.如权利要求2所述的照相机，其中，所述光路折叠元件是棱镜。
4.如权利要求1所述的照相机，其中，该折射透镜元件中的至少一个的至少一个表面是非球面的。
5.如权利要求1所述的照相机，其中，该折射透镜元件中的至少一个由第一塑料材料组成，并且其中，该折射透镜元件中的至少另一个由具有与所述第一塑料材料不同的光学特性的第二塑料材料组成。
6.如权利要求1所述的照相机，其中，所述多个光学元件中的至少一个被配置为沿着相应的光轴移动以调整所述场景的图像在所述光电传感器处的聚焦。
7.如权利要求1所述的照相机，其中，所述光电传感器被配置为沿着相应的光轴移动以调整所述场景的图像在所述光电传感器处的聚焦。
8.如权利要求1所述的照相机，其中，所述折叠透镜系统的总轨迹长度TTL是16.0毫米或更小。
9.如权利要求1所述的照相机，其中，所述折叠透镜系统的有效焦距长度f处于8.0毫米至14毫米的范围内，并且其中，所述折叠透镜系统的聚焦比处于2.4至10的范围内。
10.如权利要求2所述的照相机，其中，所述折叠透镜系统还包括孔径光阑，该孔径光阑位于所述第一折射透镜元件的前面或在所述第一折射透镜元件与所述光路折叠元件的反射表面之间。
11.如权利要求10所述的照相机，其中，所述孔径光阑是能调整的，以提供从2.4至10的范围内的聚焦比。
12.如权利要求1所述的照相机，其中，所述多个光学元件按从所述照相机的物侧到所述照相机的图像侧沿着所述第一光轴和所述第二光轴的顺序包括：
位于第一光轴上的具有正折光力的所述第一折射透镜元件，具有凸物侧表面；
光路折叠元件，被配置为将所述光从所述第一光轴重定向到所述第二光轴上；
位于第二光轴上的第二折射透镜元件；
位于第二光轴上的第三折射透镜元件；
位于第二光轴上的第四折射透镜元件；以及
位于第二光轴上的第五折射透镜元件。
13.如权利要求12所述的照相机，
其中，所述第一折射透镜元件的焦距长度f1满足条件0.5＜|f1/f|＜0.8，
其中，所述第二折射透镜元件的焦距长度f2满足条件0.3＜|f2/f|＜2.0，
其中，所述第三折射透镜元件的焦距长度f3满足条件0.2＜|f3/f|＜0.6，
其中，所述第四折射透镜元件的焦距长度f4满足条件0.4＜|f4/f|＜1.5，以及
其中，所述第五折射透镜元件的焦距长度f5满足条件0.3＜|f5/f|＜3.0。
14.如权利要求12所述的照相机，其中，所述光路折叠元件是棱镜，所述第一折射透镜元件或所述第二折射透镜元件中的至少一个与所述棱镜组合以形成单个光学元件。
15.一种折叠透镜系统，包括：
多个折射透镜元件，沿着所述折叠透镜系统的折叠光轴布置，其中，所述多个折射透镜元件中的至少一个的至少一个表面是非球面的；
其中，所述多个折射透镜元件包括：
位于所述折叠光轴的第一光路上的第一折射透镜元件；和
位于所述折叠光轴的第二光路上的四个折射透镜元件，以及
其中，所述折叠透镜系统具有有效焦距长度f和总轨迹长度TTL，并且其中，所述折叠透镜系统是能调整的以提供在0.8至1.2的范围内的望远比率|TTL/f|；以及
其中，所述多个折射透镜元件中的至少一个由第一材料组成，并且其中，所述多个折射透镜元件中的至少另一个由具有与所述第一材料不同的光学特性的第二材料组成。
16.如权利要求15所述的折叠透镜系统，其中，所述折叠透镜系统的总轨迹长度TTL是16毫米或更小，并且f处于8.0毫米至14毫米的范围内。
17.如权利要求15所述的折叠透镜系统，其中，所述多个折射透镜元件按从所述折叠透镜系统的物侧到所述折叠透镜系统的图像侧沿着所述折叠光轴的顺序包括：
在所述折叠光轴的所述第一光路上的具有正折光力的所述第一折射透镜元件，具有凸物侧表面；
光路折叠元件，被配置为将光从所述折叠光轴的所述第一光路重定向到所述折叠光轴的所述第二光路上；
第二折射透镜元件，在所述第二光路上；
第三折射透镜元件，在所述第二光路上；
第四折射透镜元件，在所述第二光路上；以及
第五折射透镜元件，在所述第二光路上。
18.一种计算设备，包括：
一个或更多个处理器；
一个或更多个照相机；以及
存储器，包括能由所述一个或更多个处理器中的至少一个执行以控制所述一个或更多个照相机的操作的程序指令；
其中，所述一个或更多个照相机中的至少一个是小形状因数照相机，包括：
光电传感器，被配置为捕获投影到所述光电传感器的表面上的光；以及
折叠透镜系统，被配置为：
沿着第一光轴折射来自位于所述照相机的前面的物场的光；
将所述光重定向到第二光轴上；以及
在所述第二光轴上折射所述光以在所述光电传感器的表面处的图像平面处形成场景的图像；以及
其中，所述折叠透镜系统包括五个折射透镜元件，其中该折射透镜元件包括：
位于第一光轴上的第一折射透镜元件；和
位于第二光轴上的四个折射透镜元件，以及
其中，所述折叠透镜系统具有有效焦距长度f，其中，所述折叠透镜系统的总轨迹长度TTL是16.0毫米或更小，并且其中，所述折叠透镜系统的望远比率|TTL/f|在0.8到1.2的范围内。
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