CN105917254B - 双焦镜头和包括双焦镜头的成像装置 - Google Patents

双焦镜头和包括双焦镜头的成像装置 Download PDF

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Abstract

提供一种具有用于短距离和长距离摄影的两个焦距的可被纤薄地制造的双焦镜头，以及包括该双焦镜头的图像拾取设备。所述双焦镜头可包括：至少一个折射透镜元件；折射光学系统，具有第一焦距；反射光学系统，具有与第一焦距不同的第二焦距并包括多个反射面。由于折射光学系统和反射光学系统具有不同的焦距，所以通过使用双焦镜头执行短距离和长距离摄影是可能的。

Description

双焦镜头和包括双焦镜头的成像装置
技术领域
本公开的一个或多个实施例涉及一种具有两种焦距的双焦镜头和包括双焦镜头的图像拾取设备，更加具体地，涉及一种具有用于近距离和远距离的两种焦距的可被纤薄地制造的双焦镜头，以及包括该双焦镜头的图像拾取设备。
背景技术
由于最近在不仅减小紧凑摄像机和移动装置中的摄像机的大小而且减小无反光镜摄像机和单镜头反光照像机的大小上的趋势，有针对小型摄像机镜头的发展的需求。一般情况下，小型摄像机镜头被设计为单焦透镜。然而，由于单焦镜头具有固定的视角，所以通过使用单焦镜头来捕获具有各种摄影效果的图像是困难的。具体地，紧凑摄像机和移动装置中的摄像机主要被设计为适于短距离摄影，而不是长距离摄影。
在用于短距离和长距离摄影的镜头中，具有多个焦距的多焦镜头或具有可变焦距的变焦镜头被主要使用。然而，在紧凑摄像机中使用的变焦镜头通常包括至少6个透镜，因而造成摄像机又长又重。虽然可通过改变具有不同焦距的各种单焦透镜来使用无反光镜摄像机和单镜头反光照像机，但是用于长距离摄影的长焦镜头又长又大仍然是问题所在，而且不得不改变镜头也不方便。此外，由于移动装置中的摄像机相对小，所以在移动装置中的摄像机中应用变焦镜头是困难的。即使当可通过使用适配器将额外的透镜外部地附于移动装置中的摄像机以便执行长距离摄影，移动装置中的摄像机也可增加大小。最近，正在发展集成具有不同焦距的两个光学系统的镜头。然而，这样的镜头需要两个图像传感器，因而造成摄像机的制造成本和尺寸的增加。
发明内容
技术问题
一个或多个实施例包括具有用于短距离和长距离拍摄的两个焦距的可被纤薄地制造的双焦镜头，以及包括该双焦镜头的图像拾取设备。
技术方案
根据一个或多个实施例，双焦镜头包括：折射光学系统，具有第一焦距，所述折射光学系统包括至少一个折射透镜元件；反射光学系统，具有与第一焦距不同的第二焦距，所述反射光学系统包括多个反射面。折射光学系统和反射光学系统分别具有第一像平面和第二像平面，而且折射光学系统和反射光学系统均位于相对于第一像平面和第二像平面的物方。
折射光学系统和反射光学系统可被定位为在中心具有共同的光轴。
折射光学系统可位于物方，反射光学系统可位于像方，而且反射光学系统的中央可包括：第一光入射区域，从折射光学系统发射的光入射在第一光入射区域上；光发射区域，将入射在第一光入射区域上的光发射到像方。
双焦镜头还可包括：至少一个共有透镜元件，位于相对于折射光学系统和反射光学系统的像方，所述至少一个共有透镜元件将从折射光学系统发射的光聚焦在第一像平面上，并将从反射光学系统发射的光聚焦在第二像平面上。
可将所述至少一个共有透镜元件设计为在光轴的方向或垂直于光轴的方向上可移动。
在从物方到像方的方向上，折射光学系统可包括：弯月形透镜，具有负屈光力，所述弯月形透镜包括面向物方的凹面和面向像方的凸面；双凸透镜。所述至少一个共有透镜元件可包括：弯月形透镜，具有负屈光力，所述弯月形透镜包括面向物方的凹面和面向像方的凸面。
在从物方到像方的方向上，折射光学系统可包括：弯月形透镜，具有负屈光力，所述弯月形透镜包括面向物方的凸面和面向像方的凹面；双凸透镜。在从物方到像方的方向上，所述至少一个共有透镜元件可包括：第一弯月形透镜和第二弯月形透镜，均具有正屈光力，所述第一弯月形透镜和第二弯月形透镜包括面向物方的凹面和面向像方的凸面；第三弯月形透镜，具有负屈光力，所述第三弯月形透镜包括面向物方的凹面和面向像方的凸面。
第一像平面和第二像平面相对于光轴的各自的位置可以是相同的。
第一像平面和第二像平面相对于光轴的各自的位置可以是不同的。
反射光学系统可具有折叠的光学结构，其中，在该光学结构中，光路径在多个反射面之间弯曲多次。
反射光学系统可包括：第二光入射区域，在反射光学系统的圆周周围以环形形成。所述多个反射面可光学地面向彼此，以便将通过第二光入射区域入射的光发射到光发射区域。
例如，可以以圆环形状形成多个反射面，所述圆环形状在中心具有光轴，此外，在通过第二光入射区域入射的光行进的方向上，相对于光轴的多个反射面的半径可减小。
双焦镜头还可包括：第一涂层，位于第一光入射区域中，所述第一涂层透射具有第一波长的光并遮挡具有其他波长的光；第二涂层，位于所述多个反射面中的至少一个反射面上，所述第二涂层反射具有与第一波长不同的第二波长的光，并吸收或透射具有其他波长的光。
例如，第一波长和第二波长中的任意一个可以是在可见光范围内，而另一个是在红外光范围内。
双焦镜头还可包括：透明基底，多个反射面被固定在所述透明基底上。
第一光入射区域、第二光入射区域和光发射区域可在透明基底的表面上形成。
分别与第一光入射区域和光发射区域对应的透明基底的表面区域可以是弯曲表面。
多个反射面可以是弯曲的，而且其上固定多个反射面的透明基底的表面区域可具有与多个反射面的各自的弯曲形状对应的形状。
透明基底可包括第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面彼此面对并彼此平行。
双焦镜头还可包括：第一快门，透射或遮挡入射到折射光学系统上的光；第二快门，透射或遮挡入射到反射光学系统上的光。
可构造第一快门和第二快门，以便选择性地，一个快门透射光而另一个快门遮挡光。
第一快门和第二快门中的至少一个快门可沿圆周方向被划分成被独立驱动的两个部分。
例如，第二焦距可长于第一焦距。
双焦镜头还可包括：至少一个光源，位于围绕折射光学系统的空间中。
根据一个或多个实施例，一种图像拾取设备包括：双焦镜头，具有上述的结构；图像传感器，位于双焦镜头的像方。
图像传感器可被分割成至少两个独立的部分。
第一像平面和第二像平面相对于光轴的各自的位置可以不同。当折射光学系统在拍摄时，图像传感器可移动到第一像平面，当反射光学系统在拍摄时，图像传感器移动到第二像平面。
图像传感器被设计为在光轴的方向或垂直于光轴的方向上可移动。
从折射光学系统和反射光学系统中选择的至少一个光学系统可被构造为具有变焦功能。
折射光学系统可被构造为形成具有第一放大倍率的第一图像，而反射光学系统可被构造为形成具有大于第一放大倍率的第二放大倍率的第二图像。
图像拾取设备可被构造为通过裁剪和放大第一图像、缩小第二图像以及合成第一图像和第二图像，以形成具有第一放大倍率与第二放大倍率之间的放大倍率的第三图像。
附图说明
图1是根据实施例的双焦镜头和包括双焦镜头的图像拾取设备的示意性剖面图；
图2是被包括在图1中的双焦镜头中的折射光学系统的中心和与折射光学系统邻近的反射光学系统的放大局部剖视图；
图3是位于反射光学系统的光透射区域的透射涂层的每个波长的透射率的示例性曲线图；
图4是位于反射光学系统的反射区域的反射涂层的每个波长的反射率的示例性曲线图；
图5是当折射光学系统的快门是开着，而反射光学系统的快门是关着时的双焦镜头的示图；
图6是在图5的情况下入射到双焦镜头上的光的路径的示例性示图；
图7是当折射光学系统的快门是关着，而反射光学系统的快门是开着时的双焦镜头的示图；
图8是在图7的情况下入射到双焦镜头上的光的路径的示例性示图；
图9是根据另一个示例实施例的双焦镜头和包括双焦镜头的图像拾取设备的示意剖面图；
图10A至图10D是各种被分开的图像传感器的示例性示图；
图11A至图11E是快门的各种操作的示例性示图；
图12是根据第一实施例的双焦镜头的折射光学系统的详细光学数据的表格；
图13是根据第一实施例的双焦镜头的折射光学系统的非球面的非球面系数的表格；
图14是根据第一实施例的双焦镜头的反射光学系统的详细光学数据的表格；
图15是根据第一实施例的双焦镜头的反射光学系统的非球面的非球面系数的表格；
图16是根据第一实施例的双焦镜头的反射光学系统的多个反射面的直径的表格；
图17是根据第二实施例的双焦镜头的示意性剖面图；
图18是根据第二实施例的双焦镜头的折射光学系统的剖面图；
图19是根据第二实施例的双焦镜头的折射光学系统的详细光学数据的表格；
图20是根据第二实施例的双焦镜头的折射光学系统的非球面的非球面系数的表格；
图21是根据第二实施例的双焦镜头的反射光学系统的剖面图；
图22是根据第二实施例的双焦镜头的反射光学系统的详细光学数据的表格；
图23是根据第二实施例的双焦镜头的反射光学系统的非球面的非球面系数的表格；
图24是根据第二实施例的双焦镜头的反射光学系统的多个反射面中的每个的直径的表格；
图25是根据另一实施例的双焦镜头和包括双焦镜头的图像拾取设备的示意剖面图；
图26至图27是描述通过使用分别从双焦镜头的折射光学系统和反射光学系统获得的两个图像的数字变焦功能的原理的概念图。
具体实施方式
以下，将参照附图对双焦镜头和包括双焦镜头的图像拾取设备进行详细描述，其中，相同的参考标记始终表示相同的元件。为了说明的方便，可能夸大附图中的组件的大小。因此，本实施例可具有不同的形式，而且不应被视为被限制到这里所阐述的描述。此外，在使用术语“在…上”和“在…之上”等描述两个项目之间的位置关系的情况下，可将一个或单个项目插入到它们之间，除非在表达中使用术语“直接地”。
图1是根据实施例的双焦镜头100和包括双焦镜头100的图像拾取设备的示意剖面图。参照图1，根据本实施例的双焦镜头100可包括：折射光学系统110，具有第一焦距；反射光学系统120，具有与第一焦距不同的第二焦距。折射光学系统110和反射光学系统120可分别具有第一像平面IP1和第二像平面IP2。虽然图1示出第一像平面IP1和第二像平面IP2相对于光轴OX的各自位置不同的示例，但是第一像平面IP1和第二像平面IP2相对于光轴OX的各自位置可根据折射光学系统110和反射光学系统120的各自设计是相同的。
双焦镜头100还可包括被用在折射光学系统110和反射光学系统120两者中的至少一个共有透镜元件130。折射光学系统110的第一焦距是通过折射光学系统110和共有透镜元件130的功能操作形成，而反射光学系统120的第二焦距是通过反射光学系统120和共有透镜元件130的功能操作形成。共有透镜元件130可位于相对于折射光学系统110和反射光学系统120的像方。虽然图1示出仅有一个共有透镜元件130的示例，但是可根据双焦镜头的设计使用两个或更多个共有透镜元件130。可设计共有透镜元件130，以便从折射光学系统110发射的光被聚焦在第一像平面IP1上，而从反射光学系统120发射的光被聚焦在第二像平面IP2上。
根据本实施例的图像拾取设备可包括：双焦透镜100；图像传感器140，位于第一像平面IP1和第二像平面IP2中的任意一个。例如，图像传感器140可以是电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。覆盖层141可额外地位于图像传感器140的光入射表面上以便保护图像传感器140的滤色器和像素。
如在图1中示出，折射光学系统110和反射光学系统120均可位于相对于第一像平面IP1和第二像平面IP2的物方。换言之，折射光学系统110的第一像平面IP1和反射光学系统120的第二像平面IP2可位于相对于折射光学系统110和反射光学系统120的相同方向。因此，由于折射光学系统110和反射光学系统120可在相同的图像传感器140上形成像，图像拾取设备可通过只使用图像传感器140且不使用针对具有不同焦距的折射光学系统110和反射光学系统120中的每一个的单独图像传感器，以不同的视角捕获图像。
折射光学系统110可包括沿光轴OX放置的至少一个折射透镜元件。虽然图1示出两个折射透镜元件111和折射透镜元件112，但是折射光学系统110可根据折射光学系统110的设计包括仅一个或三个或更多个折射透镜元件。第一折射透镜元件111和第二折射透镜元件112可由具有不同的折射率的材料形成，以便抑制双焦镜头100的色差。
第一快门119透射或阻挡向折射光学系统110入射的光，它可位于折射光学系统110的光路径。虽然图1示出第一快门119位于折射光学系统110的前面，但是第一快门119的位置不限于此。例如，第一快门119可位于第一折射透镜元件111与第二折射透镜元件112之间，或第二折射透镜元件112与反射光学系统120之间。
反射光学系统120可沿着与折射光学系统110的光轴相同的光轴OX定位。换言之，折射光学系统110和反射光学系统120可被定位为具有位于中心的共同的光轴OX。例如，如在图1中示出，折射光学系统110位于靠近相对于光轴OX的物方，而反射光学系统120位于靠近相对于光轴OX的像方。因此，相对于从物方到像方的方向，折射光学系统110可位于前侧，而反射光学系统120可位于后侧。
参照图1，反射光学系统120可包括：第一光入射区域125，从折射光学系统110发出的光入射在第一光入射区域125上；光发射区域127，将入射到第一光入射区域125的光发射到像方；第二光入射区域126，在反射光学系统120的圆周周围以圆环形状形成的区域；第一反射面121至第四反射面124，以沿着具有在中心的光轴OX的半径方向被放置在第一光入射区域125与第二光入射区域126之间。可安置第一光入射区域125和光发射区域127，以便他们在反射光学系统120的中心面向彼此。第一光入射区域125是将由折射光学系统110成像的光入射的区域，而第二光入射区域126是将由反射光学系统120成像的光入射的区域。均可通过光发射区域127将入射到第一光入射区域125的光和入射到第二光入射区域126的光发射到像方。
反射光学系统120的第一反射面121至第四反射面124可光学地面向彼此，以便入射到第二光入射区域126的光向着光发射区域127被发射。术语“光学地面向”表示第一反射面121至第四反射面124不是物理地面向彼此，而是被安置以便从反射面反射的光前进到另一个反射面。例如，第一反射面121将入射到第二光入射区域126的光反射到第二反射面122。然后，第二反射面122将光反射到第三反射面123，第三反射面123将光反射到第四反射面124。最后，来自第四反射面124的反射光通过光发射区域127前进到像方。虽然图1示出四个反射面121至124的示例，但是本实施例不限于此，而且可根据双焦镜头的设计使用至少两个反射面。
第一反射面121至第四反射面124可具有圆环形状，所述圆环形状在中心具有光轴OX。此外，如在图1中示出，相对于光轴OX的第一反射面121至第四反射面124的半径可在通过第二光入射区域126入射的光前进的方向上减小。例如，第一反射面121可具有相对于光轴OX的最大半径，而第四反射面124可具有最小半径。
如上所述，根据本实施例的双焦镜头100的反射光学系统120可具有折叠的光学结构，其中，在该光学结构中，光路径在第一反射面121至第四反射面124之间弯曲多次。在折叠的光学结构中，可通过使用第一反射面121至第四反射面124来延伸光路径，以便无论反射光学系统120的第二焦距如何，都可极大地减小反射光学系统120的厚度(或光轴OX方向上的长度)。因此，当反射光学系统120的第二焦距长于折射光学系统110的第一焦距时，双焦镜头100可具有两个不同的焦距，而且也可被薄地制造。通过有选择地使用具有第一焦距的折射光学系统110和具有第二焦距的反射光学系统120，可将根据本实施例的双焦镜头100用于短距离摄影和长距离摄影。例如，可将具有短焦距的折射光学系统110用于短距离摄影(广角)，可将具有长焦距的反射光学系统120用于长距离摄影(远摄)。如果通过使用图像拾取设备的图像信号处理器(未示出)进行数字变焦来获得折射光学系统110的广角位置与反射光学系统120的远摄位置之间的放大倍率，则从广角位置连续变焦到远摄位置是可能的。
可在图像拾取设备中单独地组装和固定第一反射面121至第四反射面124。然而在这种情况下，制造过程可能复杂，而且将第一反射面121至第四反射面124准确地安置在它们各自的位置可能需要大量的时间。因此，可将第一反射面121至第四反射面124固定到透明基底128上，然后将其安置在图像拾取设备中。例如，透明基底128可由玻璃或诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的透明材料形成。根据本实施例，为了抑制双焦镜头100的色差，透明基底128的折射率可与共有透镜元件130的折射率不同。例如，透明基底128可由PMMA形成，而共有透镜元件130可由具有与PMMA的折射率不同的折射率的玻璃材料形成。当使用其上固定第一反射面121至第四反射面124的透明基底128时，可在透明基底128的表面上形成第一光入射区域125、第二光入射区域126和光发射区域127。
如在图1中示出，透明基底128的形状可根据第一反射面121至第四反射面124、第一光入射区域125、第二光入射区域126和光发射区域127的各自位置和形状而变得复杂。例如，当第一反射面121至第四反射面124具有各自的弯曲形状时，其上固定第一反射面121至第四反射面124的透明基底128的表面区域可具有分别对应于第一反射面121至第四反射面124的各自的弯曲形状的形状。第一反射面121至第四反射面124可以是通过对透明基底128的相应表面区域进行镀膜(涂覆)形成的反射涂层。为了帮助折射光学系统110和反射光学系统120的图像形成的操作，分别对应于第一光入射区域125和光发射区域127的透明基底128的表面区域可以是具有屈光力的弯曲表面。虽然图1示出与第二光入射区域126对应的透明基底128的表面区域是平面，但是与第二光入射区域126对应的透明基底128的表面区域也可以是具有屈光力的弯曲表面。
双焦镜头100可额外地包括：第二快门129，透射或阻挡入射到反射光学系统120上的光。例如，第二快门129可面向第二光入射区域126。透射或阻挡入射到折射光学系统110上的光的第一快门119以及透射或阻挡入射到反射光学系统120上的光的第二快门129可位于相对于光轴OX的不同位置，但是在相同的平面上。当第一快门119和第二快门129是位于相同的平面上时，可在单个基底上形成第一快门119和第二快门129。可设计第一快门119和第二快门129，以便当有需要时一个快门输出光，另一个快门阻挡光。例如，第一快门119可以开着，而第二快门129可以关着，或反之亦然。例如，第一快门119和第二快门129可以是机械地打开和关闭的机械快门、通过使用偏振光或液晶打开和关闭的电子快门或通过使用非透射油墨层打开和关闭的静电快门。
图2是被包括在图1中的双焦镜头100中的折射光学系统110的中心和与折射光学系统110邻近的反射光学系统120的放大局部示意图。参照图2，反射光学系统120的光入射区域125是面向折射光学系统110。此外，第四反射面124是位于第一光入射区域125的周围。例如，第一光入射区域125和第四反射面124可位于透明基底128的相同的表面区域。即，第一光入射区域125和第四反射面124可分别位于透明基底128的面向折射光学系统110的表面区域的中心和周围。由于第一光入射区域125是针对折射光学系统110的区域，而第四反射面124是针对反射光学系统120的区域，所以第一光入射区域125和第四反射面124可具有不同的表面特性。例如，第一光入射区域125和第四反射面124可以是具有不同的曲率半径的弯曲表面。可选地，第一光入射区域125和第四反射面124可以是具有相同的曲率半径但具有不同的非球面系数的非球面。
可在第一光入射区域125中形成高透射涂层，以便从折射光学系统110发射的光可透射第一光入射区域125。此外，可在第四反射面124上形成高反射涂层，以便反射从第三反射面123反射的光。可形成高透射涂层和高反射涂层以透射或反射具有相同波长的光(例如，可见光)。然而，折射光学系统110和反射光学系统120可通过使用具有不同的波长的光来形成像。在这种情况下，可形成高透射涂层和高反射涂层以透射或反射具有不同波长的光。可不只在第四反射面124上形成高反射涂层，也可在第一反射面121至第三反射面123的任意一个反射面上形成高反射涂层。
例如，如在图3的每个波长的透射率的示图中示出，高透射涂层可透射具有可见光范围中的波长的光和阻挡具有其他波长的光。此外，如在图4的每个波长的反射率的曲线图中示出，高反射涂层可反射具有红外光范围中的波长的光以及吸收或透射具有其他波长的光。可选择地，高透射涂层可透射具有红外光范围中的波长或紫外光范围中的波长的光，而高反射涂层可反射具有可见光范围中的波长的光。例如，当折射光学系统110使用可见光而反射光学系统120使用红外光以形成像时，折射光学系统110可捕获通常的彩色图像，而反射光学系统120可提供诸如虹膜识别、血管识别、对象距离估计、红外信号检测、红外热成像和夜视的功能。
以下，将参照图5至图8对根据本实施例的双焦镜头100的操作进行描述。
图5是当折射光学系统110的第一快门119是开着，而反射光学系统120的第二快门129是关着时的双焦镜头100的示图。图6是在图5的情况下入射到双焦镜头100上的光的路径的示例性示图。在图6示出仅仅与折射光学系统110相关的元件，而省略与反射光学系统120相关的元件。如在图5中示出，在中心以圆形形状形成的第一快门119是开着，而在周边区域以圆环形状形成的第二快门129是关着。在这种情况下，光只入射到折射光学系统110上。因此，只有折射光学系统110有助于在图像传感器140上成像。然后，图像拾取设备可执行短距离摄影。图像拾取设备的图像传感器140可位于第一像平面IP1。
图7是当折射光学系统110的第一快门119是关着，而反射光学系统120的第二快门129是开着时的双焦镜头100的示图。图8是在图7的情况下入射到双焦镜头100上的光的路径的示例性示图。在图8中，仅示出与反射光学系统120相关的元件，而省略与折射光学系统110相关的元件。如在图7中示出，在中心以圆形形状形成的第一快门119是关着，而在周边区域以圆环形状形成的第二快门129是开着。在这种情况下，光只入射到反射光学系统120上。因此，只有反射光学系统120可有助于通过图像传感器140成像。然后，图像拾取设备可执行长距离摄影。图像拾取设备的图像传感器140可位于第二像平面IP2。因此，当折射光学系统110在摄影时，图像传感器140可移动至第一像平面IP1，并当反射光学系统120在摄影时，图像传感器140可移动至第二像平面IP2。然而，根据实施例，当第一像平面IP1和第二像平面IP2相同时，可固定图像传感器140。
图9是根据另一个示例实施例的双焦镜头200和包括双焦镜头200的图像拾取设备的示意剖面图。参照图9，根据本实施例的双焦镜头200可包括：折射光学系统110，具有第一焦距；反射光学系统150，具有与第一焦距不同的第二焦距。与图1的双焦镜头100不同，被包括在图9的双焦镜头200中的反射光学系统150具有平坦形状。
在本实施例中，反射光学系统150可包括：第一光入射区域155，从折射光学系统110发射的光入射在第一光入射区域155上；光发射区域157，将入射到第一光入射区域155的光发射到像方；第二光入射区域156，在反射光学系统150的圆周的周围以圆环形状形成；第一反射面151至第四反射面154，以在中心具有光轴OX的半径方向被放置在第一光入射区域155与第二光入射区域156之间。可将第一反射面151至第四反射面154固定到平坦的透明基底158上。例如，第二反射面152和第四反射面154可位于透明基底158的第一表面上，而第三反射面153可位于透明基底158的第二表面上。透明基底158的第一表面和第二表面面向彼此，而且第一表面和第二表面的垂直方向可与光轴OX平行。位于反射光学系统150的中心的第一光入射区域155和光发射区域157可具有弯曲表面。此外，面向第二光入射区域156的第一反射面151可以是倾斜的，以便由第一反射面151反射的光是倾斜的并因此前进到第二反射面152。
可将图像传感器140分成至少两个单独的部分，并可将第一快门119和第二快门129中的至少一个快门分成独立驱动的至少两个单独的部分。例如，图10A至图10D是各种分割的图像传感器140的示例性示图，而图11A至图11E是第一快门119和第二快门129的各种操作的示例性示图。
参照图10A，图像传感器140可包括被垂直分割的两个部分140a和部分140b。可将部分140a和部分140b物理地分割，或通过使用图像拾取设备的图像信号处理器对其进行逻辑地分割。例如，图像信号处理器可单独处理从部分140a和部分140b生成的信号，并因此形成两个图像；或可选地，融合并处理信号，并因而形成一个图像。可选地，如在图10B中，图像传感器140可包括被水平分割的两个部分140a和部分140b。或者，如在图10C中，图像传感器140可包括被垂直和水平分割的四个部分140a、部分140b、部分140c和部分140d。
当图像传感器140被分割成部分140a、部分140b、部分140c和部分140d时，图像拾取设备可获得具有不同视差的立体图像。例如，当图像传感器140被垂直地分割时，可获得具有水平方向的视差的立体图像；当图像传感器140被水平地分割时，可获得具有垂直方向的视差的立体图像；并当图像传感器140被水平和垂直地分割时，可获得具有水平和垂直方向的视差的立体图像。
如在图7中示出，为了获得这样的立体图像，可通过关闭位于中心的第一快门119和打开位于周边区域的第二快门129来使用反射光学系统120。在这种情况下，图像拾取设备的图像信号处理器可分别处理从部分140a、部分140b、部分140c和部分140d生成的信号，并因此生成多个图像。可选地，如在图5中示出，为了获得常规图像，可通过打开第一快门119和关闭第二快门129来使用折射光学系统110。在这种情况下，图像拾取设备的图像信号处理器可融合和处理从部分140a、部分140b、部分140c和部分140d生成的信号，并因此形成一个图像。
可在圆周方向将第一快门119和第二快门129中的至少一个快门分割成独立驱动的至少两个部分。例如，如在图11A和图11B中示出，可将第二快门129垂直分割成两个部分129a和部分129b，或如在图11C和图11D中示出，将其水平分割成部分129a和部分129b。当第二快门129被分割成部分129a和部分129b时，在中心的第一快门119是关着的期间，可对第二快门129的部分129a和部分129b进行操作，以便一个部分是开着而另一个部分是关着。如在图5中示出，在第一快门119是开着的期间，第二快门129的部分129a和部分129b均可关着。
可选地，参照图10D，可将图像传感器140分割成五个部分140a、部分140b、部分140c、部分140d和部分140e。例如，图像传感器140可包括：顶部的部分140a、底部的部分140b、右边的部分140c、左边的部分140d和中心的部分140e。在这种情况下，图像拾取设备可不只通过使用反射光学系统120获得立体图像，也可通过使用折射光学系统110获得广角图像。因此，如在图11E中示出，均可将第一快门119和第二快门129水平分割成上面的部分119a、下面的部分119b、上面的部分129a和下面的部分129b。第一快门119的部分119a和部分119b以及第二快门129的部分129a和部分129b可在相反的方向打开。例如，第一快门119的上面的部分119a和第二快门129的下面的部分129b可同时打开。可选地，第一快门119的下面的部分119b和第二快门129的上面的部分129a可同时打开。虽然图11E示出第一快门119和第二快门129均被水平分割，但是本实施例不限于此，而且第一快门119和第二快门129可被垂直分割。
第一实施例
具有在图1中示出的结构的双焦镜头100是根据第一实施例来制造。根据第一实施例，图12是双焦镜头100的折射光学系统110的详细光学数据的表格。在图12中，表面S0和表面S1表示第一快门119的两个表面。在图6中示出表面S2至表面S12。例如，表面S2和表面S3表示第一折射透镜元件111的两个表面，表面S4和表面S5表示第二折射透镜元件112的两个表面，表面S6和表面S7分别表示第一光入射区域125和光发射区域127，表面S8和表面S9表示共有透镜元件130的两个表面，表面S10和表面S11表示覆盖层141的两个表面，表面S12表示图像传感器140的表面。
如在图12中示出，第一折射透镜元件111是具有负屈光力的弯月形透镜，包括面向物方的凹面和面向像方的凸面。第二折射透镜元件112是双凸面透镜。第一光入射区域125和光发射区域127均具有凹面。此外，共有透镜元件130是具有负屈光力的弯月形透镜，包括面向物方的凹面和面向像方的凸面。
表面S2至表面S9是非球面。图13是根据第一实施例的双焦镜头100的折射光学系统110的非球面的非球面系数的表格。非球面系数可满足公式1。
<公式1>
在根据第一实施例的双焦镜头100的折射光学系统110中，有效焦距(EFL)是5.967mm，入瞳直径(EPD)是0.88mm，和f数是6.7。
图14是根据第一实施例的双焦镜头100的反射光学系统120的详细光学数据的表格。在图14中，表面S20和表面S21表示第二快门129的两个表面。在图8中示出表面S22至表面S25以及表面S6至表面S12。例如，表面S22表示第二光入射区域126，表面S23至表面S25分别表示第一反射面121、第二反射面122和第三反射面123。表面S6至表面S12是折射光学系统110和反射光学系统120的共同表面。在表面S6上形成第四反射面124。如在图14中示出，表面S23至表面S25和表面S6至表面S9是非球面。图15是根据第一实施例的双焦镜头100的反射光学系统120的非球面的非球面系数的表格。由于在图13中已经示出表面S6至表面S9的非球面系数，所以将省略其详细的描述。
如在图14中示出，可以以不同的材料形成透明基底128和共有透镜元件130，以便抑制双焦镜头100的色差。在图14中，通过使用PMMA形成透明基底128，和通过使用具有1.744992的折射率和42.404％的色散率的玻璃形成共有透镜元件130。
图16是根据第一实施例的双焦镜头100的反射光学系统120的第二光入射区域126以及第一反射面121至第三反射面123的有效外部直径和有效内部直径的表格。相对于距光轴OX的距离，确定在图16的表格中示出的有效外部直径和有效内部直径。以“mm”示出图16的值。
在根据第一实施例的双焦镜头100的反射光学系统120中，EFL是27.65mm，EPD是10.64mm，f数是2.6。
第二实施例
根据第二实施例，图17是双焦镜头300的示意剖面图。根据第二本实施例的双焦镜头300包括：折射光学系统110，具有第一焦距；反射光学系统120，具有与第一焦距不同的第二焦距；第一共有透镜元件131、第二共有透镜元件132和第三共有透镜元件133。第一实施例与第二实施例的不同之处在于：根据第二实施例的双焦镜头300包括第一共有透镜元件131、第二共有透镜元件132和第三共有透镜元件133，以及折射光学系统110和反射光学系统120的像平面是相同的。
图18是根据第二实施例的双焦镜头300的折射光学系统110的剖面图。图19是根据第二实施例的双焦镜头300的折射光学系统110的详细光学数据的表格。在图19的表格中，表面S0和表面S1表示第一快门119的两个表面。在图18中示出表面S2至表面S15。例如，表面S2和表面S3表示第一折射透镜元件111的两个表面，表面S4和表面S5表示第二折射透镜元件112的两个表面，表面S6和表面S7分别表示第一光入射区域125和光发射区域127，表面S8和表面S9表示第一共有透镜元件131的两个表面，表面S10和表面S11表示第二共有透镜元件132的两个表面，表面S12和表面S13表示第三共有透镜元件133的两个表面，表面S14和表面S15表示覆盖层141的两个表面。
如在图19中示出，第一折射透镜元件111是具有负屈光力的弯月形透镜，包括面向物方的凸面和面向像方的凹面。第二折射透镜元件112是双凸透镜。第一光入射区域125和光发射区域127均具有凹面。此外，第一共有透镜元件131和第二共有透镜元件132是具有正屈光力的弯月形透镜，包括面向物方的凹面和面向像方的凸面。此外，第三共有透镜元件133是具有负屈光力的弯月形透镜，包括面向物方的凹面和面向像方的凸面。
表面S2至表面S13是非球面。图20是根据第二实施例的双焦镜头300的折射光学系统110的非球面的非球面系数的表格。非球面系数可满足等式1。
在根据第二实施例的双焦镜头300的折射光学系统110中，EFL是8mm，EPD是2.3mm，f数是3.4。
图21是根据第二实施例的双焦镜头300的反射光学系统120的剖面图。图22是根据第二实施例的双焦镜头300的反射光学系统120的详细光学数据的表格。在图22的表格中，表面S20和表面S21表示第二快门129的两个表面。在图21中示出表面S22至表面S25以及表面S6至表面S15。例如，表面S22表示第二光入射区域126，表面S23至表面S25分别表示第一反射面121、第二反射面122和第三反射面123。表面S6至表面S15是折射光学系统110和反射光学系统120的共有表面。在表面S6上形成第四反射面124。如在图22中示出，表面S23至表面S25以及表面S6至表面S13是非球面。图23是根据第二实施例的双焦镜头300的反射光学系统120的非球面的非球面系数的表格。由于在图20中已经示出表面S6至表面S13的非球面系数，所以将省略其详细的描述。
如在图19和图22中示出，可以以不同的材料形成第一折射透镜元件111和第二折射透镜元件112、透明基底128、第一共有透镜元件131、第二共有透镜元件132和第三共有透镜元件133，以便抑制双焦镜头300的色差。在图19和图22中，通过使用具有1.65的折射率和33.44％的色散率的玻璃材料形成第一折射透镜元件111，通过使用具有1.67的折射率和52.27％的色散率的玻璃材料形成第二折射透镜元件112，通过使用PMMA形成透明基底128，通过使用聚碳酸酯(PC)形成第一共有透镜元件131和第三共有透镜元件133，以及通过使用PMMA形成第二共有透镜元件132。然而，本实施例不限于上面的描述，而且可根据双焦镜头300的设计来使用各种材料。
图24是根据第二实施例的双焦镜头300的反射光学系统120的第一反射面121、第二反射面122和第三反射面123的有效外部直径和有效内部直径的表格。以“mm”示出图24的值。
在根据第二实施例的双焦镜头300的反射光学系统120中，EFL是25.2mm，EPD是22mm，f数是1.1。
通常，图像拾取设备可使用照明光来在黑暗的地方拍照或估计距离。然而，使用照明光可增加图像拾取设备的体积。由于根据上述实施例的双焦镜头100、双焦镜头200和双焦镜头300中的折射光学系统110与反射光学系统120和反射光学系统150之间存在空间，所以通过将光源布置在折射光学系统110与反射光学系统120和反射光学系统150之间的空间来节省图像拾取设备的内部空间是可能的。
图25是根据另一实施例的双焦镜头300'和包括双焦镜头300'的图像拾取设备的示意性剖面图。参照图25，双焦镜头300'可额外包括：光源160，位于沿着垂直于光轴OX的方向在折射光学系统110与反射光学系统120之间的空间，在该方向上，所述空间围绕折射光学系统110。例如，光源160可以是发光二极管(LED)。光源160可以是以圆环形状形成和被定位为具有在中心的光轴的线光源。可选择地，可将一个或多个光源160定位在折射光学系统110的圆周周围。图25示出光源160位于图17的双焦镜头300中的示例。然而，本实施例不限于此，可将光源160安置在分别在图1和图9中示出的双焦镜头100和双焦镜头200的折射光学系统110的周围。
由于反射光学系统120具有长焦距，所以反射光学系统120可对振动敏感。为了补偿振动，可以沿着垂直于光轴OX的方向驱动位于反射光学系统120与图像传感器140之间的共有透镜元件131、共有透镜元件132和共有透镜元件133中的至少一个共有透镜元件或者图像传感器140。例如，可以沿着垂直于光轴OX的方向驱动共有透镜元件131、共有透镜元件132和共有透镜元件133中的任意一个共有透镜元件或共有透镜元件131、共有透镜元件132和共有透镜元件133的全部或图像传感器140，以补偿振动。也可以沿垂直于光轴OX的方向驱动在图1和图9中示出的共有透镜元件130。
当物体的位置变化时(即，当物体与图像拾取设备之间的距离变化时)，可以沿光轴OX的方向驱动共有透镜元件131、共有透镜元件132和共有透镜元件133中的至少一个共有透镜元件或者图像传感器140，以便控制焦点。例如，为了在图像传感器140中准确地形成物体的图像，可以沿光轴OX的方向驱动共有透镜元件131、共有透镜元件132和共有透镜元件133中的任意一个共有透镜元件或者共有透镜元件131、共有透镜元件132和共有透镜元件133的全部。可选择地，可以沿光轴OX的方向驱动图像传感器140。也可以沿光轴OX的方向驱动在图1和图9示出的共有透镜元件130。
可集成用于沿光轴OX的方向或沿垂直于光轴OX的方向移动共有透镜元件130、共有透镜元件131、共有透镜元件132和共有透镜元件133或图像传感器140的多个机械装置。换言之，均可设计共有透镜元件130、共有透镜元件131、共有透镜元件132和共有透镜元件133或图像传感器140，以便他们移动到光轴OX的方向或垂直于光轴OX的方向。
目前为止，双焦镜头100、双焦镜头200、双焦镜头300和双焦镜头300'的折射光学系统110以及反射光学系统120和反射光学系统150被描述为具有固定的放大倍率。然而，根据设计，可将折射光学系统110以及反射光学系统120和反射光学系统150中的任意一个光学系统或全部光学系统构造为执行具有可变放大倍率的变焦功能。例如，可设计折射光学系统110，以便第一透镜元件111和第二透镜元件112被用于执行变焦功能，或以便折射光学系统110的共有透镜元件130、共有透镜元件131、共有透镜元件132、共有透镜元件133、第一折射透镜元件111和第二折射透镜元件112被一起用于执行变焦功能。此外，折射光学系统110可包括除了透镜元件111和透镜元件112之外的额外透镜元件以执行变焦功能。
可构造图1和图17的反射光学系统120，以便第一反射面121至第四反射面124之间的距离是可变的，或将其设计以便第一反射面121至第四反射面124之间的距离是可变的，而且第一共有透镜元件131、第二共有透镜元件132和共有透镜元件133被用于执行变焦功能。可构造图9的反射光学系统150，以便从第一反射面151至第四反射面154选择的至少一个反射面是变形反射镜。可变形反射镜是具有可变曲率的反射镜，以便可改变焦距并通过机械或电气操纵将其修改成各种形式。例如，可变形反射镜可包括用柔性材料形成的柔性的反射面，和被二维地布置以局部推或拉柔性反射面的多个电气或机械微调制动器(fineactuatro，精细致动器)，并因此修改其形式。此外，图1和图17的反射光学系统120的第一反射面121至第四反射面124可以是可变形反射镜。
可通过使用从双焦镜头100、双焦镜头200、双焦镜头300和双焦镜头300'的折射光学系统110和反射光学系统120以及反射光学系统150获得的两个图像来实现数字变焦功能。换言之，如果通过使用图像拾取设备的图像信号处理器(未示出)进行数字变焦来获得折射光学系统110的广角位置与反射光学系统120和反射光学系统150的远摄位置之间的相应的放大倍率，则可从广角位置到远摄位置的连续变焦。图26至图27是描述通过使用从双焦镜头100、双焦镜头200、双焦镜头300和双焦镜头300'的折射光学系统110和反射光学系统120以及反射光学系统150获得的两个图像的数字变焦功能的原理的概念图。
参照图26，假定折射光学系统110形成例如1×(1倍)变焦图像11，而反射光学系统120和反射光学系统150形成例如5×变焦图像15。可通过裁剪从折射光学系统110获得的1×变焦图像的中心部分并且之后进行数字放大，来获得2×变焦图像12。如果只有1×变焦图像11的中心部分被放大，则2×变焦图像12的整个图像质量可降低。因此，从反射光学系统120和反射光学系统150获得的5×变焦图像15被缩小，与2×变焦图像12的中心部分12a对应的视角区域被5×变焦图像15的缩小版替代。作为结果，可通过缩小5×变焦图像15来获得2×变焦图像12的中心部分12a，以及可通过放大1×变焦图像11来获得周边部分12b。然后，由于2×变焦图像12的中心部分12a的至少一个图像质量未降低，所以可根据本实施例在降低图像质量劣化的同时，实现数字变焦功能。
根据该方法，如在图27中示出，可通过组合经由对从折射光学系统110获得的1×变焦图像11的中心部分进行裁剪和放大而获得的图像与经由对从反射光学系统120和反射光学系统150获得的5×变焦图像15进行缩小而获得的图像，来获得3×变焦图像13或4×变焦图像14。可选择地，除了通过根据整数倍率(即，2×、3×和4×)进行变焦获得的变焦图像之外，可以以任意放大倍率形成变焦图像。此外，可裁剪和放大5×变焦图像15的中心部分，以获得具有大于5×变焦水平的变焦图像。通过使用一般图像拾取设备进行数字变焦获得的10×变焦图像可具有很低的图像质量。然而，根据本实施例，由于5×变焦图像15被放大，所以10×变焦图像的质量未被大大降低。此外，可通过将与5×变焦图像15的视角对应的1×变焦图像11的中心部分替换为5×变焦图像15，或通过参照5×变焦图像15对1×变焦图像11进行校正，来提高1×变焦图像11的整体清晰度。
当合成1×变焦图像11和5×变焦图像15时，有几个方面要注意。例如，由于折射光学系统110与反射光学系统120和反射光学系统150具有不同的光学属性(例如，像差和亮度)，所以1×变焦图像11和5×变焦图像15可具有不同程度的畸变、像差和亮度。因此，合成的图像的中心部分和周边部分可具有不同程度的畸变、像差和亮度。此外，由于1×变焦图像11被放大和5×变焦图像15被缩小，所以合成的图像的中心部分和周边部分的各自的分辨率可能彼此不同。因此，可执行图像处理，以便合成的图像的中心部分和周边部分被平滑地彼此连接。
在上面的图像处理的执行中，基于与从折射光学系统110和反射光学系统120以及反射光学系统150的光学属性获得的1×变焦图像11和5×变焦图像15的畸变、像差、亮度和分辨率的程度有关的信息，可通过使用插值方法来校正将被合成的图像，以使将被合成的图像的中心部分和周边部分可被平滑地校正。例如，为了通过合成1×变焦图像11和5×变焦图像15来获得2×变焦图像12，首先，计算1×变焦图像11的中心部分与周边部分之间的亮度比以及5×变焦图像15的中心部分与周边部分之间的亮度比。接着，参照1×变焦图像11和5×变焦图像15的两个亮度比，来确定2×变焦图像12的中心部分与周边部分之间的亮度比。然后，当通过合成生成2×变焦图像12时，可执行图像处理，以使位于2×变焦图像12的中心部分的缩小的5×变焦图像15的亮度与将位于2×变焦图像12的周边部分的经裁剪和放大的1×变焦图像11的亮度等于确定的亮度比。也可通过与上述方法类似的以下方法针对将被合成的图像的畸变、像差、和分辨率的程度来执行图像处理。
需理解，这里描述的实施例应只被视为描述性意义，而不是限制的目的。每个实施例内的特征或方面的描述通常应该被认为可用于其他实施例的其他类似的特征或方面。虽然已参照附图对本发明的一个或多个实施例进行描述，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由上面的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对实施例做出形式和细节上的各种改变。

Claims (12)

1.一种双焦镜头，包括：
折射光学系统，具有第一焦距，所述折射光学系统包括至少一个折射透镜元件；
反射光学系统，具有与第一焦距不同的第二焦距，所述反射光学系统包括多个反射面；
至少一个共有透镜元件，位于相对于折射光学系统和反射光学系统的像方，所述至少一个共有透镜元件被配置为将从折射光学系统发射的光聚焦在第一像平面上和将从反射光学系统发射的光聚焦在第二像平面上，
其中，折射光学系统和反射光学系统分别具有第一像平面和第二像平面，
折射光学系统和反射光学系统均位于相对于第一像平面和第二像平面的物方，
折射光学系统和反射光学系统被定位为具有位于中央的共同的光轴，
其中，第一像平面和第二像平面相对于光轴的各自的位置是不同的，
其中，第一像平面和第二像平面均位于相对于折射光学系统和反射光学系统的像方。
2.如权利要求1所述的双焦镜头，其中，折射光学系统位于物方，反射光学系统位于像方，其中，反射光学系统的中央包括：第一光入射区域，从折射光学系统发射的光入射到第一光入射区域上；光发射区域，将入射到第一光入射区域的光发射到像方。
3.如权利要求1所述的双焦镜头，其中，所述至少一个共有透镜元件被设计为在光轴的方向或垂直于光轴的方向上可移动。
4.如权利要求2所述的双焦镜头，其中，反射光学系统具有折叠的光学结构，在该光学结构中，光路在多个反射面之间弯曲多次，而且反射光学系统包括在反射光学系统的圆周周围以圆环形状形成的第二光入射区域，
所述多个反射面光学地互相面对，以便将通过第二光入射区域入射的光发射到光发射区域，
多个反射面以圆环形状形成，所述圆环形状具有在中心的光轴，
在通过第二光入射区域入射的光行进的方向上，所述多个反射面的相对于光轴的半径减小。
5.如权利要求4所述的双焦镜头，还包括：
第一涂层，位于第一光入射区域中，所述第一涂层让具有第一波长的光透射并阻挡具有其他波长的光；
第二涂层，位于多个反射面中的至少一个反射面上，所述第二涂层反射具有与第一波长不同的第二波长的光，并吸收具有其他波长的光或让具有其他波长的光透射。
6.如权利要求4所述的双焦镜头，还包括固定多个反射面的透明基底，
其中，第一光入射区域、第二光入射区域和光发射区域在透明基底的表面上形成，
分别与第一光入射区域和光发射区域对应的透明基底的表面区域是弯曲表面。
7.如权利要求1所述的双焦镜头，还包括：第一快门，透射或阻挡入射到折射光学系统上的光；第二快门，透射或阻挡入射到反射光学系统上的光。
8.如权利要求7所述的双焦镜头，其中，第一快门和第二快门被构造，从而选择性地让一个快门透射光而另一个快门阻挡光，
第一快门和第二快门中的至少一个快门沿圆周方向被划分成被独立驱动的至少两个部分。
9.如权利要求1所述的双焦镜头，其中，还包括：至少一个光源，位于围绕折射光学系统的空间中。
10.一种图像拾取设备包括：
如权利要求1所述的双焦镜头；
图像传感器，位于双焦镜头的像方。
11.如权利要求10所述的图像拾取设备，其中，图像传感器被构造为在光轴的方向或垂直于光轴的方向上可移动，
当折射光学系统拍摄时，图像传感器移动到第一像平面，而当反射光学系统拍摄时，图像传感器移动到第二像平面。
12.如权利要求10所述的图像拾取设备，其中，折射光学系统被构造为形成具有第一放大倍率的第一图像，
反射光学系统被构造为形成具有大于第一放大倍率的第二放大倍率的第二图像，
通过裁剪和放大第一图像、缩小第二图像以及合成第一图像和第二图像，形成具有第一放大倍率与第二放大倍率之间的放大倍率的第三图像。
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