CN106576138A - 带有折叠式透镜的变焦双孔径相机 - Google Patents

带有折叠式透镜的变焦双孔径相机 Download PDF

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Abstract

包括广角子相机和折叠式固定长焦子相机的变焦数字相机。折叠式长焦子相机可以通过移动其透镜或插入在其透镜和相应的图像传感器之间的光学路径中的反射元件来自动对焦。折叠式长焦子相机被配置成具有低轮廓，以使得其能够集成在便携式电子设备内。

Description

带有折叠式透镜的变焦双孔径相机
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年5月20日提交的美国专利申请号14/717,258和于2014年8月10日提交的美国专利申请号14/455,906的优先权，这两个申请的标题均为“带有折叠式透镜的变焦双孔径相机(Zoom dual-aperture camera with folded lens)”。
技术领域
当前公开的主题一般涉及数字相机领域，并且特别地，涉及多孔径数字相机。
背景技术
近年来，诸如蜂窝电话(特别地，智能电话)、平板电脑和膝上型计算机之类的移动设备已经变得普遍存在。这样的设备通常包括一个或两个紧凑型数字相机，例如，主后向相机(即，背向用户并且经常用于休闲摄影的在设备后侧上的相机)和次要前向相机(即，位于设备的前侧上并且经常用于视频会议的相机)。
这些相机中的许多相机的设计类似于数字静态相机的传统结构，即，它们包括放置在图像传感器(以下也被简称为“传感器”)的顶部上的光学部件(或者一连串的几个光学元件和主孔径)。光学部件(也被称为“光学部件”)使入射光线折射并且使它们弯曲以在传感器上产生场景的图像。
这些相机的尺寸主要由传感器的尺寸和光学器件的高度确定。这些通常通过透镜的焦距(f)及其视场(FOV)结合在一起，必须在特定大小的传感器上成像特定FOV的透镜具有特定的焦距。保持FOV恒定，传感器尺寸越大(例如，在X-Y平面中)，焦距和光学器件高度越大。
随着移动设备的尺寸(并且特别地，诸如智能电话之类的设备的厚度)不断减小，紧凑的相机尺寸正在变得越来越成为设备厚度的限制因素。已经提出了几种途径来减小紧凑的相机厚度以便减轻这种约束。最近，为此目的已经提出了多孔径系统。在这样的系统中，代替具有一个带有一连串的光学元件的孔径，相机被分成几个孔径，每个孔径具有专用光学元件，并且全部共享相似视场。在下文中，每个这样的孔径与其上形成有图像的光学器件和传感器区域一起被定义为“子相机”。来自子相机的图像被融合在一起以创建单个输出图像。
在一些多孔径相机设计中，与由参考单孔径相机创建的图像相比较，每个子相机在图像传感器上产生更小的图像。因此，每个子相机的高度可以小于单孔径相机的高度，从而减小相机的总高度并且允许移动设备的更薄的设计。
已知其中一个子相机具有宽FOV(“广角子相机”)而另一个具有窄FOV(“长焦子相机”)的双孔径变焦相机。双孔径变焦相机的一个问题涉及变焦长焦子相机的高度。长焦(“T”)和广角(“W”)子相机的高度(也被称为“总轨道长度”或“TTL”)存在显着差异。TTL通常被定义为第一透镜元件的对象侧表面与相机图像传感器平面之间的最大距离。在大多数微型透镜中，TTL大于透镜有效焦距(EFL)。给定透镜(或透镜单元)的典型TTL/EFL比率为约1.3。在具有1/3至1/4"传感器的单孔径智能手机相机中，EFL通常分别在3.5mm和4.5mm之间，从而导致70°至80°的FOV。
例如，假定人们希望在智能手机中实现双孔径X2光学变焦，则使用EFLW＝3.5mm和EFLT＝2xEFLw＝7mm是自然的。然而，在没有空间约束的情况下，广角透镜将具有EFLW＝3.5mm和TTLW为3.5×1.3＝4.55mm，而长焦透镜将具有EFLT＝7mm和TTLT等于7×1.3＝9.1mm。在智能手机相机中结合9.1mm透镜可能导致相机高度为约10mm，其对于许多智能手机制造商是不可接受的。
在题为“Dual-aperture zoom digital camera”的共同发明的和共同拥有的PCT专利申请PCT/IB2014/062180中描述了对上述问题的解决方案的示例。该解决方案的一些原理在图1中示出，该图1示意性地图示了具有自动对焦(AF)并且编号为100的双孔径变焦相机的实施例，其中，(a)为一般等距视图，并且(b)为剖视等距视图。相机100包括标记为102和104的两个子相机，每个子相机具有其自己的光学器件。因此，子相机102包括具有孔径108和光学透镜模块110以及传感器112的光学器件块106。类似地，子相机104包括具有孔径116和光学透镜模块118以及传感器120的光学器件块114。每个光学透镜模块可以包括几个透镜元件以及红外(IR)滤光器122a和122b。可选地，属于不同孔径的一些或所有透镜元件可以形成在同一基板上。两个子相机彼此相邻定位，其中小基线在两个孔径108和116的中心之间的124中。每个子相机还可以包括分别由控制器(未示出)控制的AF机构126和128。对于每个子相机，相机100是由TTL/EFL表示的“薄”。典型地，TTLW/EFLW>1.1和TTLT/EFLT<1.0(例如，0.85)。
尽管相机100中的变焦范围大约为X2，但是进一步增加该范围可能是有利的。然而，这需要进一步增加长焦透镜EFL(EFLT)，其将导致相机高度的增加。EFLT增加到示例性的12mm将导致不期望的相机高度，例如，0.85×12+0.9＝11.1mm。
发明内容
如上文所指出的，用于便携式电子设备的数字相机的要求与相机的尺寸和图像质量有关。而且，当将相机安装在便携式设备内时，与可附接到便携式设备的其它外部相机单元不同，这些要求变得更加重要。
在内部(整体)相机单元的情况下，相机需要具有尽可能小的尺寸，以便适应相机安装在其中的设备的厚度(优选地，而不从设备的外壳突出)，同时适合于与常用的图像传感器一起操作。当使用具有长有效焦距(EFL)的长焦透镜以获得相对高的变焦效果时，这个问题甚至更重要。
因此，根据当前公开的主题的一个方面，提供了一种包括广角子相机和长焦子相机的变焦数字相机。广角子相机包括广角透镜模块和广角图像传感器，广角透镜模块具有沿着对象侧和广角图像传感器之间的第一光学路径的广角透镜对称轴。广角子相机被配置成提供广角图像。
长焦子相机包括长焦透镜模块和长焦图像传感器。长焦透镜模块具有沿着第二光学路径的长焦透镜对称轴，长焦透镜对称轴基本上垂直于广角透镜对称轴定位。长焦子相机被配置成提供长焦图像。
该相机还包括第一反射元件，该第一反射元件具有第一反射元件对称轴，该第一反射元件对称轴相对于广角透镜对称轴和长焦透镜对称轴基本上倾斜45度，并且可以操作以在物体和长焦图像传感器之间提供折叠光学路径。因此，长焦子相机被认为是折叠的，并且在本文中被称为“折叠式长焦子相机”。
广角透镜具有广角视场(FOVW)，并且长焦透镜具有比FOVW窄的长焦视场(FOVT)。根据一个非限制性示例，与广角子相机相比较，长焦子相机提供X5变焦效果。
数字相机可操作地连接到被配置成将长焦图像和广角图像处理为输出图像的至少一个图像处理器。将通过不同光学路径接收的图像融合成单个输出图像的方法例如在题为“HIGH-RESOLUTION THIN MULTI-APERTURE IMAGING SYSTEMS”的共同发明的和共同拥有的PCT专利申请第14/365,711号和题为“DUAL APERTURE ZOOM DIGITAL CAMERA”的共同发明的并且共同拥有的美国专利申请第14/365,711号中提供，并且公开了一种多孔径成像系统，其包括具有捕获第一图像的第一传感器的第一相机和具有捕获第二图像的第二传感器的第二相机。基于变焦因数，任一图像可以被选择为主图像或辅助图像。通过将辅助图像配准到主图像获得具有由主图像确定的视点的输出图像。
为了进一步适应折叠式长焦子相机的尺寸与电子便携式设备的趋势，尽可能地减小它们的厚度，折叠式长焦子相机的各种特征被特别地配置成使得能够实现高度减少的折叠式长焦子相机。减少长焦子相机高度使得能够减少双孔径相机的总高度。此外，在维持期望的图像质量的同时实现折叠式长焦子相机高度的减少。
因此，除了上述特征之外，根据本公开的主题的各种示例，变焦数字相机可以以任何期望的组合和排列包括下文特征(1)至(32)中的一个或多个特征。
(1)其中，折叠式长焦子相机的长焦透镜模块包括一组至少3个透镜元件，并且其中，该组中的透镜元件被设计成具有基本上不超过长焦子相机的孔径的直径。如下文所解释的，这与常规透镜模块不同，其中，透镜的直径被设计成朝向传感器越来越宽。
(2)其中，折叠式长焦子相机的长焦透镜模块包括一组3至5个透镜元件。
(3)其中，长焦子相机还包括基板、用于保持透镜元件在适当位置的结构、以及相机外壳。
(4)其中，长焦子相机的孔径被设计成提供足够低的F#(例如，等于或小于3)以增加落在长焦图像传感器上的光。
(5)其中，长焦透镜模块被设计成使得能够在长焦图像传感器的整个区域上生成图像。长焦图像传感器可以是例如1/3"图像传感器或1/4"图像传感器。
(6)其中，该组中的透镜元件被设计成使得阻挡的光不超过进入长焦透镜模块的特定百分比的光(例如，不超过进入长焦透镜模块的25％的光被阻挡)。
(7)其中，根据一个示例，长焦子相机被配置成具有以下技术参数：EFL>9mm，F#≤3，并且对于所有视角，光阻挡不超过进入长焦子相机孔径的大于25％的光。
(8)其中，长焦子相机的特征在于高度不超过6.5mm。
(9)其中，长焦子相机的特征在于高度不超过5.7mm。
(10)其中，长焦图像传感器位于基本上垂直于长焦透镜对称轴的平面中。
(11)其中，长焦子相机包括长焦自动对焦(AF)机构，其被配置成沿着长焦对称轴移动长焦透镜；AF机构被设计成使得其高度基本上不超过长焦透镜模块的高度。
(12)其中，AF机构包括耦合到相应线圈的一个或多个磁体，该磁体侧向地定位在长焦透镜模块的一侧或两侧上，该磁体的高度基本上不超过长焦透镜模块的高度。
(13)其中，AF机构仅包括耦合到相应线圈的一个磁体。
(14)其中，相机还包括定位在长焦透镜模块和长焦图像传感器之间的第二光学路径中的第二反射元件，该第二反射元件被配置成将平行于第二光学路径传播的光引导到第一光学路径，其中，长焦图像传感器位于基本上垂直于广角透镜对称轴的平面中。
(15)其中，相机还包括长焦自动对焦(AF)机构，其被配置成沿着第二反射元件对称轴移动第二反射元件。
(16)其中，广角图像传感器和长焦图像传感器安装在单个印刷电路板上。
(17)其中，操作地连接到相机的至少一个处理器被配置成使用变焦因数(ZF)来确定相应的输出视场。
(18)其中，广角透镜模块具有广角视场FOVW，并且长焦透镜模块具有比FOVw窄的远视场FOVT；相机还包括中焦子相机，其包括具有满足FOVw>FOVM>FOVT的视场FOVM的中焦透镜模块和中焦图像传感器，中焦透镜具有中焦透镜对称轴；中焦相机被配置成提供中焦图像。
(19)其中，中焦子相机配置有等于广角子相机的EFL和长焦子相机的EFL的几何平均值的EFL。
(20)其中，操作地连接到相机的至少一个处理器被配置成将中焦图像连同长焦图像或广角图像一起处理为输出图像。
(21)其中，中焦透镜对称轴基本上垂直于广角透镜对称轴，并且中焦图像传感器位于基本上垂直于中焦透镜对称轴的平面中；并且其中，长焦像传感器位于基本上垂直于长焦透镜对称轴的平面中。
(22)其中，相机还包括中焦自动对焦(AF)机构，其被配置成沿着基本上垂直于广角透镜对称轴的中焦对称轴移动中焦透镜模块；和长焦AF机构，其被配置成沿着长焦对称轴移动长焦透镜模块；中焦AF机构和长焦AF机构中的任一个机构的高度基本上不超过长焦透镜模块的高度。
(23)其中，中焦AF机构包括耦合到相应线圈的一个或多个磁体，该磁体侧向定位在长焦透镜模块的一侧或两侧上，该磁体的高度基本上不超过长焦透镜模块的高度。
(24)其中，中焦AF机构仅包括耦合到相应线圈的一个磁体。
(25)其中，相机还包括相对于广角透镜对称轴和中焦透镜对称轴大致成45度倾斜的第三反射元件；第三反射元件被配置成在对象侧和中焦图像传感器之间提供折叠式光学路径。
(26)其中，相机还包括定位在中焦透镜和中焦图像传感器之间的第四光学路径中的第四反射元件，该第四反射元件被配置成将平行于第二光学路径传播的光引导到第一光学路径，中焦图像传感器位于基本上平行于中焦透镜对称轴的平面中。
(27)其中，相机还包括中焦自动对焦(AF)机构，其被配置成沿着第四反射元件对称轴移动第四反射元件。
(28)其中，中焦子相机的中焦透镜对称轴基本上平行于广角透镜对称轴，并且广角图像传感器和中焦图像传感器安装在单个印刷电路板上。
(29)其中，中焦子相机的中焦透镜对称轴基本上垂直于广角透镜对称轴，并且广角图像传感器和中焦图像传感器安装在单个印刷电路板上。
(30)其中，操作地连接到相机的至少一个处理器被配置成使用变焦因数(ZF)来确定相应的输出视场。
(31)其中，操作地连接到相机的至少一个处理器被配置成输出通过使用用于设置FOVW和FOVM之间的FOV的ZF的广角图像和中焦图像形成的输出图像。
(32)其中，操作地连接到相机的至少一个处理器被配置成输出通过使用用于设置FOVM和FOVT之间的FOV的ZF的中焦图像和长焦图像形成的输出图像。
根据一个示例，当前公开的主题包括被配置成集成在电子设备的外壳内的数字相机。该相机包括广角子相机、长焦子相机和长焦自动对焦(AF)机构；
广角子相机包括广角透镜模块和广角图像传感器，该广角透镜模块具有沿着在对象侧和广角图像传感器之间的第一光学路径的广角透镜对称轴；广角子相机被配置成提供广角图像；长焦子相机包括长焦透镜模块和长焦像传感器以及第一反射镜；该长焦透镜模块具有沿着第二光学路径的长焦透镜对称轴，长焦透镜对称轴被定位成基本上垂直于广角透镜对称轴；该长焦相机被配置成提供长焦图像；第一反射镜具有相对于广角透镜对称轴和长焦透镜对称轴基本上倾斜45度的第一反射镜对称轴，并且可以操作以在对象和长焦图像传感器之间提供折叠式光学路径；
其中，长焦透镜模块包括一组3至5个透镜元件，并且其中，该组中的透镜元件被设计成直径基本上不超过长焦子相机的孔径的直径，以使得能够在长焦图像传感器的整个区域上生成图像，并且使得能够进入长焦透镜模块的至少75％的光朝向长焦图像传感器通过；
其中，长焦AF机构被配置成沿着长焦对称轴移动长焦透镜；AF机构包括耦合到相应线圈的一个或多个磁体，该磁体侧向地定位在长焦透镜模块的一侧或两侧上，该磁体的高度基本上不超过长焦透镜模块的高度。
本公开的主题还设想了诸如蜂窝电话(例如，智能电话)、便携式计算机、记事本、平板电脑、手表、任何类型的电子可穿戴设备(例如，手镯、手表、头盔、眼镜等)等之类的移动电子设备，其配备有如本文中所公开的数字相机。根据一些示例，数字相机完全集成在电子设备内(即，而不从电子设备的外壳突出)。
本公开的主题还构想了具有如上文所公开的低相机轮廓的折叠式长焦子相机。
附图说明
本文中所公开的实施例的非限制性示例在下文中参考本文所附的附图进行描述，其在本段后面列出。附图和描述意在说明和阐明本文中所公开的实施例，并且不应被认为以任何方式限制。不同附图中的相同元件可以由相同的附图标记指示。
图1示意性地示出了具有变焦和AF的双孔径相机的设计；
图2A以(a)一般等距视图和(b)侧视图示意性地示出了根据当前公开的主题的示例的具有折叠式长焦透镜模块的变焦和自动对焦双孔径相机；
图2B以一般等距视图示意性地示出了根据当前公开的主题的示例的具有折叠式长焦透镜模块的变焦和自动对焦双孔径相机；
图3以(a)一般等距视图和(b)侧视图示意性地示出了根据当前公开的主题的示例的具有折叠式长焦透镜模块的变焦和自动对焦双孔径相机；
图4以(a)一般等轴测视图和(b)侧视图示意性地示出了根据当前公开的主题的示例的具有折叠式长焦透镜模块的变焦和自动对焦双孔径相机；
图5以(a)一般等距视图和(b)通过剖面A-A的剖面图示意性地示出了用于在图4所示的示例中移动第二反射镜的自动对焦机构的细节。
图6A以一般等距视图示意性地示出了根据当前公开的主题的示例的具有一个折叠式长焦透镜的变焦和自动对焦三孔径相机；
图6B以一般等距视图示意性地示出了根据当前公开的主题的示例的具有一个折叠式长焦透镜的变焦和自动对焦三孔径相机；
图6C以一般等距视图示意性地示出根据当前公开的主题的示例的具有一个折叠式长焦透镜的变焦和自动对焦三孔径相机；
图7以一般等距视图示意性地示出了根据当前公开的主题的示例的具有两个折叠式透镜的变焦和自动对焦三孔径相机；
图8以一般等距视图示意性地示出了根据当前公开主题的示例的具有两个折叠式长焦透镜的变焦和自动对焦三孔径相机；
图9示出了根据当前公开的主题的示例的在(a)在理想连续变焦中的分辨率增益对变焦因数的用户体验；(b)包括两个具有13兆像素传感器和2兆像素观察器的广角和长焦子相机的相机的分辨率增益对变焦因数的用户体验；和(c)包括三个具有13兆像素传感器和2兆像素观察器的广角、中焦和长焦子相机的相机的分辨率增益对变焦因数的用户体验中说明的图；
图10A示出了根据当前公开的主题的示例的具有可以用于相机的五元件长焦透镜单元的长焦透镜模块；
图10B示出了根据当前公开的主题的示例的具有可以用于本文中所公开的相机中的四元件长焦透镜单元的长焦透镜模块的实施例；
图10C示出了根据当前公开的主题的示例的具有可以用于相机中的三元件长焦透镜单元的长焦透镜模块；
图11A示出了根据当前公开的主题的示例的用于四元件透镜单元的每个透镜元件的术语“透镜光学高度”H/2；
图11B示出了根据当前公开的主题的示例的阻挡的光的效果；
图12以(a)等轴测图和(b)外部视图示意性地示出了根据当前公开的主题的示例的相机模块；
图13以(a)等距视图和(b)外部视图示意性地示出了根据当前公开的主题的示例的另一相机模块；和
图14示意性地示出了根据当前公开的主题的示例的具有带有折叠式长焦透镜模块的集成双孔径相机的便携式电子设备。
具体实施方式
应当理解，当在本文中给出了特定方向和/或角度值时，它们意在包括在相关领域中已知的实际公差内可接受的值的范围。
此外，为了清楚起见，术语“基本上”在本文中用于暗指值在可接受范围内变化的可能性。根据一个示例，本文中所使用的术语“基本上”应当被解释为暗指在任何指定值之上或之下可能的变化高达10％。根据另一示例，本文中所使用的术语“基本上”应当被解释为暗指在任何指定值之上或之下可能的变化高达5％。根据另一示例，本文中所使用的术语“基本上”应当被解释为暗指在任何指定值之上或之下可能的变化高达2.5％。指定值可以是绝对值(例如，基本上不超过45°、基本上垂直等)或相对(例如，基本上不超过x的高度等)。
注意，在当前的讨论中，“孔径直径”是指具有恒定孔径大小的相机中的孔径的直径或具有可变孔径大小的相机中的最大孔径直径。
如本文中所使用的，短语“例如”、“诸如”、“比如”、“在实施例中”及其变型描述了当前公开的主题的非限制性示例。应当领会，为了清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的当前公开的主题的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为了简洁起见，而在单个实施例的上下文中描述的当前公开的主题的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合提供。
注意，如本文中所使用的术语“光学块”是指与自动对焦机构一起的透镜模块。
现在转到图2A，其以(a)一般等距视图和(b)剖视等距视图示意性地示出了在本文中所公开的具有折叠式长焦透镜的变焦和自动对焦双孔径相机200的实施例。等距视图被示为与XYZ坐标系相关。相机200包括两个子相机、常规广角子相机202和长焦子相机204。
广角相机202包括具有相应的孔径208(指示相机的对象侧)和在Y方向上具有对称(和光学)轴212的光学透镜模块210(或被简称为“透镜模块”)的广角光学块、以及广角图像传感器214。长焦相机204包括具有相应孔径218的长焦光学块和具有长焦透镜对称(和光学)轴222a的光学透镜模块220、以及长焦图像传感器224。
相机200还包括插入“长焦”光学路径中的第一平坦反射元件(例如，反射镜或棱镜)226。长焦光学路径从对象(未示出)通过长焦透镜模块(或被简称为“长焦透镜”)延伸到长焦传感器并且由箭头222b和222a标记。箭头222b指示从相机的对象侧的方向，并且基本上平行于广角子相机的对称轴212。为了简单起见，下文中将反射元件称为“反射镜”，然而，这仅是示例性的并且不应被解释为以任何方式限制。
根据一个示例，广角图像传感器214位于X-Z平面中，而长焦图像传感器位于基本上垂直于长焦透镜对称轴222a的X-Y平面。各种相机元件可以安装在基板232上，例如，印刷电路板(PCB)。可以说，长焦传感器是“直立的”，因为它位于基本上垂直于广角传感器214和基板232的平面的平面中。
值得注意的是，如下文参照图3所描述的，与位于X-Z平面中的长焦传感器相比较，使用具有处于直立位置的长焦传感器的长焦子相机有助于减少长焦子相机的长度，并且因此减少整个相机覆盖区(footprint)。
根据一个示例，反射镜226相对于长焦透镜对称轴(222a)和箭头222b基本上倾斜45°。因此，长焦光学路径被“折叠”。在下文中，具有穿过其中的折叠式光学路径的长焦透镜被称为“折叠式长焦透镜”，并且具有这种折叠式透镜的长焦子相机被称为“折叠式长焦子相机”。
广角和长焦子相机可以是固定对焦(FF)或自动对焦(AF)。当存在时，用于广角相机的AF机构通常由数字206指示，并且在一个示例中，其可以类似于图1所示的机构。下文参考图12和图13对新的低轮廓AF机构进行描述。
如果在长焦子相机中包括AF机构，则应用AF机构使得自动对焦移动沿着Z轴。AF机构可以耦合到并且可以操作以在由箭头230所示的方向(即，平行于其对称轴222a)上沿着Z轴移动长焦透镜。长焦透镜移动范围可以例如在100μm至500μm之间。相机200还可以包括(或者可操作地连接到)包括一个或多个适当配置的处理器(未示出)的处理单元，用于将长焦图像和广角图像处理成输出图像。
处理单元可以包括专门用于与数字相机一起操作的硬件(HW)和软件(SW)。可替代地，其中安装有相机的电子设备(例如，其本地CPU)的处理器可以适于执行与数字相机相关的各种处理操作(包括但不限于将长焦图像和广角图像处理成输出图像)。
根据一些非限制性示例，相机200(以及下文所提及的其它相机)可以具有如表1所示的尺寸和/或参数。这些尺寸(以毫米给出)和参数包括相机宽度W、相机长度L、相机高度H、广角子相机有效焦距EFLW、广角F数F#W、长焦子相机有效焦距EFLT和长焦F数F#T。
图 W L H EFLw EFLM EFLT F#w F#M F#T
2A 5-12 20-50 4-8 2-8 5-25 2-3 2-5
2B 10-25 10-40 4-8 2-8 5-25 2-3 2-5
3 5-12 20-50 4-8 2-8 5-25 2-3 2-5
4 5-12 20-50 4-8 2-8 5-25 2-3 2-5
6A 5-12 25-60 4-8 2-5 4-10 8-30 2-3 2-3 2-5
6B 5-12 20-50 4-8 2-5 4-10 8-30 2-3 2-3 2-5
6C 10-25 10-40 4-8 2-5 4-10 8-30 2-3 2-3 2-5
7 5-12 25-60 4-8 2-5 4-10 8-30 2-3 2-3 2-5
8 10-25 20-50 4-8 2-8 4-20 8-30 2-3 2-5 2-5
表1
例如，在相机200(以及在下文的相机300至600)中折叠长焦透镜模块使得能够使用EFLT为12mm的长焦透镜模块，同时维持整个相机高度显着低于利用具有相同EFLT的正常直立长焦透镜的相机(例如，在上文背景部分中提及的11.1mm)。
为了在以下附图中提供更清楚和避免混乱，可以提及与相机200中的元件相似或相同的一些元件，但是没有用附图标记示出。
图2B以一般等距视图示意性地示出了具有本文中所公开的折叠式长焦透镜模块的变焦和自动对焦双孔径相机(200′)的另一实施例。相机200′包括与相机200基本上相同的元件，并且这样的元件(当编号时)相应地用相同的数字编号。两个相机主要区别在于长焦和广角子相机和反射镜226的相对定位(例如，在基板232′上)。
如图所示，这些元件被布置成使得相机200′具有比相机200更“方”的覆盖区。特别地，相机200′中的宽度W大于相机200中的宽度W，而相机200′中的长度L小于相机200中的L。注意，所示的配置(其中广角子相机的侧面分别平行于X和Z轴，而长焦透镜基本上沿着Z轴对准)仅通过示例的方式示出，并且在其它实施例中，每个子相机可以不同地定位。例如，广角子相机可以具有不平行于X，Y轴的侧面，并且长焦透镜可以在与Z不同的方向上对准，只要在折叠之前的光轴平行于广角相机对称轴。相机200'可以具有表1中所示的示例性尺寸和/或参数。
图3以(a)一般等距视图和(b)剖视等距视图示意性地示出了具有本文中所公开的折叠式长焦透镜并且编号为300的变焦和自动对焦双孔径相机的又一实施例。除了相机300包括插入在长焦透镜和长焦传感器224之间的光学路径中的第二反射镜302之外，相机300基本上与相机200相同，该路径这里由箭头304a和304b标记。另外，并且与相机200和200'不同(但是如与在相机100中相同)，长焦传感器224位于X-Z平面(与广角传感器相同)。根据一个示例，广角传感器和长焦传感器可以放置在相同基板上，例如，PCB。可替代地，每个传感器可以安装在单独的PCB上。两个反射镜可以相对于长焦透镜对称轴222a基本上倾斜45°。
如与在相机200中相同，广角和长焦子相机可以是固定对焦(FF)或自动对焦(AF)。如与在相机200中相同，AF机构(未示出)耦合到并且可以操作以沿着由箭头230所示的方向(即，平行于对称轴222a)沿着Z轴移动长焦透镜。相机300可以具有例如与相机200相同的尺寸和/或参数，或者沿着Z轴会更大(例如，大约5mm至10mm)。
相机300要求长焦透镜模块被设计成使得其后焦距(BFL)，即，沿着从长焦透镜镜筒的左手侧到反射镜的以及从那里到长焦图像传感器(箭头304a和304b的组合长度)的光学路径的距离，足够大以使得能够包括第二反射镜。另外，相机300中折叠的长焦几何形状允许将广角图像传感器和长焦图像传感器直接安装在单个公共PCB上。可替代地，每个传感器可以安装在单独的PCB上。相机300可以具有例如表1中所示的尺寸和/或参数。
图4以(a)一般等距视图和(b)剖视等距视图示意性地示出了具有本文中所公开的折叠式长焦透镜并且编号为400的变焦和自动对焦双孔径相机的实施例。除了通过使用耦合到其的AF机构(见图5)402移动第二反射镜来自动对焦长焦子相机之外，相机400基本上与相机300相同。机构402在垂直于由箭头430所示的其平面(例如，与X-Y和X-Z平面成45°)的方向上移动第二反射镜302。反射镜移动范围可以例如在100μm至500μm之间。可替代地，第二反射镜302可以在其它方向上移动，以聚焦由长焦传感器捕获的长焦图像，例如，沿着Z轴或Y轴。相机400可以具有例如表1所示的尺寸和/或参数。
图5以(a)一般等距视图和(b)通过截面A-A的截面图示意性地示出了机构402的细节。机构402包括电磁致动器，其包括固定构件404和移动构件406。固定构件404包括四个永磁体408a至408d。这里示出为具有对称轴线410的圆柱形形状的移动构件406包括至少部分地由线圈414围绕的芯412。移动构件406在一端416处机械地耦合到反射镜302，并且在相对端418处耦合到四个弹簧420a至420d，其又刚性地耦合到固定框架422。所示弹簧的数量仅通过示例提供，并且可以使用更少(例如，一个)或多于四个的弹簧。在使用中，通过线圈414的电流导致磁力，其导致移动构件406和反射镜302沿着对称轴410移动，如箭头430所指示的。
图6A以一般等距视图示意性地示出了具有本文中所公开的一个折叠式长焦透镜的变焦和自动对焦三孔径相机600的实施例。相机600包括例如相机200的元件和功能。也就是说，相机600包括具有广角透镜210和广角传感器214的广角子相机202、具有折叠长焦透镜220的长焦子相机204、反射镜226和“直立”长焦传感器224。
在该示例中，三个子相机沿着公共轴线在Z方向上基本上对准。如与在相机200中相同，通过在由箭头230所示的方向上沿着Z轴移动长焦透镜来实现长焦透镜自动对焦。然而，除了相机200的元件之外，相机600还包括具有中焦透镜604和中焦传感器606的第二长焦(被称为“中焦”或“M”)子相机602。中焦子相机602具有与广角子相机和长焦子相机的EFL和FOV紧邻的EFLM和FOVM，(见表1中的示例)。中焦子相机的对称(和光学)轴612基本上平行于广角子相机202的轴212和长焦子相机204中的方向222b。注意，虽然广角和中焦子相机被示出为特定布置(中焦子相机602更靠近长焦子相机204)，可以改变该顺序，使得广角和中焦子相机交换位置。相机600可以具有例如表1所示的尺寸和/或参数。
在使用中，相机600(以及相机600'、600"、700和800)的输出FOV由变焦因数ZF定义。这样的FOV可以标记为“FOVZF”。例如，在放大高达ZF＝ZFM时，相机输出与仅具有广角和中焦子相机的双孔径变焦相机的输出相同，其中，中焦子相机代替长焦子相机。当从ZFM放大到ZFT时，相机输出与仅具有中焦和长焦子相机的双孔径变焦相机的输出相同，其中，中焦子相机代替广角子相机。这提供了“连续变焦”(即，分辨率增益对ZF)体验。关于图8提供了本文中所使用的术语“连续变焦”的更详细的解释和利用本文中所公开的相机获得的连续变焦体验的示例。
图6B以一般等距视图示意性地示出了具有本文中所公开的一个折叠式长焦透镜并且编号为600'的变焦和自动对焦三孔径相机的另一实施例。相机600'包括与相机600基本上相同的元件，但是广角和中焦子相机沿着Z方向对准，而长焦子相机具有Z方向作为其对称轴。如与在相机600中相同，广角和中焦子相机的位置是可互换的。相机600'可以具有例如表1中所示的尺寸和/或参数。
图6C以一般等距视图示意性地示出了具有本文中所公开的一个折叠式长焦透镜并且编号为600"的变焦和自动对焦三孔径相机的又一实施例。相机600"包括与相机600和600'基本相同的元件，但是改变三个子相机的定位，使得折叠式长焦透镜邻近并且平行于广角子相机202的侧面608和中焦子相机602的侧面610。如与在相机600和600'中相同，广角和中焦子相机的位置是可互换的。相机600"可以具有例如表1所示的尺寸和/或参数。
注意，尽管具有图6A至图6C的一个折叠式长焦透镜实施例的三孔径相机被示出为包括“直立”长焦传感器224，但是具有一个折叠式长焦透镜实施例的其它三孔径相机可以包括如在相机300中相同的定位在X-Z平面中的第二反射镜和长焦传感器。图7示出了一个这样的实施例。图7以一般等距视图示意性地示出了具有本文中所公开的一个折叠式长焦透镜并且编号为700的变焦和自动对焦三孔径相机的又一实施例。相机700本质上可以看作其中中焦子相机602被添加到相机300的元件的相机。可替代地，它可以被视为其中第二反射镜302被插入在折叠式长焦透镜220和长焦传感器224之间的光学路径中的相机。长焦自动对焦可以通过(如箭头430所示)移动第二反射镜302(如与在相机400中相同)，或者可替代地，通过移动长焦透镜(如与在相机300中相同)来实现。相机700可以具有例如表1中所示的尺寸和/或参数。
图8以一般等距视图示意性地示出具有本文中所公开的两个折叠式透镜并且编号为800的变焦和自动对焦三孔径相机的实施例。相机800可以被视为存在于具有添加的“折叠式”中焦子相机802的相机200中的组合元件。因此，如与在相机200中相同，相机800可以包括具有广角透镜和广角传感器的广角子相机202、具有折叠式长焦透镜的长焦子相机204、直立长焦传感器224和反射镜226。折叠式中焦子相机802包括中焦透镜804和直立中焦传感器806。添加的反射镜808将在平行于方向222b和轴线212的方向810从对象侧到达的辐射沿着中焦透镜对称轴812反射通过中焦透镜804到中焦传感器，从而提供中焦图像数据，其可以与广角和长焦子相机图像数据组合。在一些示例中，中焦透镜804可以在Z方向上沿着其轴线812通过AF机构(未示出)移动(由箭头830示出的移动)，以提供中焦自动对焦，类似于上文由箭头230图示的长焦自动对焦移动。
具有折叠式中焦和长焦透镜的相机的备选实施例(未示出)可以包括附加的反射镜和“平坦”中焦和长焦传感器(类似于用于长焦透镜的图3、图4和图7中所示的实施例)。此外，根据该示例，可以通过移动这些反射镜而不是透镜来实现自动对焦。相机800可以具有例如表1所示的尺寸和/或参数。相机800的这种配置例如使得能够实现EFLM＝3*EFLW和EFLT＝9*EFLW，同时维持相机高度小于7mm。
图9a图示了在理想光学变焦情况下分辨率增益对ZF的用户体验。图9b图示了在两个13兆(13M)像素子相机(一个广角和一个长焦)和一个2兆(2M)像素观察器(例如，显示器)的共同情况下分辨率增益对ZF的实际用户体验。
例如，假定广角和长焦子相机具有满足EFLT＝5*EFLW的EFLS。在这种情况下，起始分辨率(ZF＝1)将是观察器的2M。当ZF通过子相机数字变焦增加时，观察器2M个像素将采样较小的“新”FOV(有助于更高的分辨率)。这个新的FOV是ZF的函数，即，FOVZF＝FOVW/ZF。根据PXC＝13M/(ZF)2，新的FOVZF由广角子相机中的较小数量的像素(PXC)采样(有助于较低的分辨率)。只要PXC>2M(或ZF<(13/2)0.5＝DZC)，所感知的分辨率将随ZF增加。对于接近1的ZF，分辨率增加将类似于光学变焦的分辨率增加。对于接近DZC的数字ZF，分辨率增加将低得多。对于数字ZF>DZC，分辨率将保持恒定。描述作为ZF的函数的广角子相机的数字变焦实现的分辨率增益(RG)的公式可以写为：
RG＝RG(W)*(1+CQ*(ZFC-1)*sqrt(tanh(((ZF-1)/CQ*(ZFC-1))2)))
其中，CQ(典型地，在0.7至0.8之间)表示最大分辨率下的相机质量，RG(W)是没有任何数字变焦的广角子相机图像的所感知的对象分辨率。
在图9b中，RG遵循该公式1<ZF<5。在ZF＝5(定义为“转换ZF”或ZFt)，输出切换到具有对应的RG(T)＝5的T子相机，其中，RG(T)是没有任何数字变焦的T子相机图像的所感知的对象分辨率。以类似的方式，在子相机切换之后具有ZF的连续分辨率增益遵循：
RG＝RG(T)*(1+CQ*(DZC-1)*sqrt(tanh(((ZF/ZFT-1)/CQ*(DZC-l))2)))
从图9b可以看出，具有ZF的分辨率增益的用户体验与理想光学变焦情况下的用户体验非常不同。
图9c图示了在13M子相机和具有三孔径相机的2M观察器的常见情况下的分辨率增益对ZF的用户体验，该三孔径相机包括具有EFLW的广角子相机、具有EFLM＝2.35×EFLW的中间中焦子相机和具有EFLT＝5*EFLW的长焦子相机。在这种情况下，存在两个子相机转换ZFt1＝2.35和ZFt2＝5。对应地，存在三个分辨率增益RG(W)＝1，RG(M)＝2.35和RG(T)＝5。该图图示了以下RG行为：
从ZF＝1到ZF＝2.35，
RG＝RG(W)*(1+CQ*(DZC-1)*sqrt(tanh(((ZF/l-1)/CQ*(DZC-1))2)))；
从ZF＝2.35到ZF＝5，
RG＝RG(M)*(1+CQ*(DZC-1)*sqrt(tanh(((ZF/ZFT1-1)/CQ*(DZC-1))2)))；
从ZF＝5开始，
RG＝RG(T)*(1+CQ*(DZC-1)*sqrt(tanh(((ZF/ZFT2-1)/CQ*(DZC-1))2)))。
可以看出，在这种情况下，分辨率增益对ZF的用户体验非常接近理想光学变焦中的用户体验。
因此，根据当前公开的主题的示例，给定EFLW和EFLT，可以基于EFLW值和EFLT值的几何平均值来选择具有相应EFLM的中焦子相机。根据该示例，基于等式选择EFLM，其中，在一些情况下，EFLM等于
如上文所提及的，期望设计具有尽可能小的尺寸的相机，以便适合于与常用的图像传感器一起操作并且适配其中安装有相机(优选地，而不从设备的外壳突出)的电子设备(例如，智能手机)的厚度。因此，在本文中所公开的多孔径(例如，双孔径)相机中，期望将折叠式长焦子相机的高度维持尽可能低。与普通相机(例如，直立子相机)不同，在如本文中所公开的折叠式长焦子相机中，相机的高度与例如如图2所示的模块在y轴上的尺寸相关，并且很大程度上取决于相应透镜模块中的透镜中最大透镜的直径。
同时，还期望在提供高的变焦效果(例如，ZF＝X5或更大)的同时实现良好的图像分辨率，因此折叠式长焦子相机中的孔径必须维持足够大，以使得能够实现足够小的F#(例如，F#＝3或更小)。值得注意的是，长焦子相机的EFL越大，孔径必须越大以维持给定F#。
此外，在具有大于孔径的传感器的许多常规透镜模块(例如，直立广角或长焦透镜模块)中，透镜的直径被设计成朝向传感器越来越宽，使得它适合进入相机孔径的光的视场角，其旨在落在传感器的整个区域上。在折叠式透镜单元中，这种增加透镜直径的常规设计将导致更大的相机高度，因此是不期望的。
因此，本文中公开了一种新的折叠式长焦子相机，其具有带有一组透镜元件的透镜模块，该组透镜元件被设计成高度减少，同时将光阻挡维持在特定值以下，并且允许将入射光投影在图像传感器的整个区域上。
根据当前公开的主题的示例，透镜模块中的透镜元件不被设计成直径朝向传感器越来越大。相反，折叠式长焦子相机的透镜模块中的每个透镜元件的直径在尺寸上减少。每个透镜的直径被确定为尽可能小，同时维持足够的光通过透镜朝向传感器以获得期望的相机特性(例如，分辨率和SNR)并且使得能够在图像传感器的整个区域(即，传感器的活动像素区域)上继续并且提供图像。图像传感器可以是例如1/3"图像传感器和1/4"图像传感器。
根据某些示例，长焦透镜模块(包括至少3个透镜元件)中的最大透镜元件的直径基本上不超过用于允许光进入长焦子相机的孔径(218)(即，长焦子相机孔径)的直径。因此，长焦子相机孔径的直径可以有助于定义长焦透镜模块中的透镜元件的最大直径。
根据一个示例，长焦透镜模块中的最大透镜元件的直径小于或等于长焦子相机孔径的直径。根据另一示例，长焦透镜模块中的最大透镜元件的直径不超过长焦子相机孔径的直径超过10％。根据另一个示例，长焦透镜模块中的最大透镜元件的直径不超过长焦子相机孔径的直径超过5％。根据又一示例，长焦透镜模块中的最大透镜元件的直径不超过长焦子相机孔径的直径超过2.5％。下文参照图10和图11和表2至表7对根据这些原理的折叠式长焦子相机设计参数的示例进行描述。
图10A至图10C示出了可以在本文中所公开的变焦双孔径相机中使用的各种示例性长焦透镜模块(编号为220a、220b或220c)，包括折叠式长焦透镜。每个模块包括相应组的透镜元件。图10A还示出的是孔径光阑218、在“z”方向上的对称轴222a、长焦传感器224和附加盖板223。
透镜模块220a、220b或220c分别包括5，4和3个透镜元件(或被简称为“元件”)。透镜元件标记为L1，L2，L3，L4和L5(在透镜模块220a中)，L1，L2，L3和L4(在透镜模块220b中)以及L1，L2和L3(在透镜模块220c中)。值得注意的是，本文中所描述的示例包括至少3个透镜元件，其可以提供足够的成像质量。
在透镜模块220a的表2和表3、在透镜模块220b的表4和表5和在透镜模块220c的表6和表7中给出了详细的光学数据和非球面表面数据。曲率半径(R)、透镜元件厚度和/或沿着对称轴的元件之间的距离以及直径的单位以mm表达。“Nd”是折射率。“Vd”是指示透镜材料颜色差别的参数。大Vd指示小颜色差别，反之亦然。“BKZ”是Nd和Vd已知的已知的玻璃，非球面表面轮廓的等式由下式表达：
其中“r”是距对称轴的距离(并且垂直于)，k是圆锥系数，c＝1/R，其中，R是曲率半径，α是表3、表5和表7中给出的系数。注意，r的最大值(“max r”)等于直径/2。还要注意，在表2中(以及在下文的表4和表6中)，在对称轴Z上测量各种元件(和/或表面)之间的距离，其中，光阑在Z＝0处。从先前表面测量每个数。
表2
# α1 α2 α3 α4 α5 α6 α7 α8
2 0 -2.5699E-03 -6.5546E-04 -2.4933E-05 -1.9717E-05 9.1450E-07 1.8986E-08 0.0000E+00
3 0 4.7508E-04 -4.3516E-04 -6.5166E-05 -4.2148E-07 1.0572E-06 4.4021E-08 0.0000E+00
4 0 -9.1395E-03 2.5655E-04 -4.5210E-05 7.4472E-06 -1.1011E-06 2.8410E-07 0.0000E+00
5 0 -1.0827E-02 1.0372E-03 5.0554E-05 -9.5710E-06 1.1448E-05 -2.2474E-06 0.0000E+00
6 0 -9.5074E-03 1.0268E-03 2.4209E-04 1.1234E-04 3.9355E-06 -9.7194E-06 7.9430E-07
7 0 -3.6269E-03 8.7662E-04 7.0010E-04 6.5578E-05 -2.0053E-05 -4.1923E-06 0.0000E+00
8 0 -1.2355E-02 1.8611E-03 1.5007E-04 -9.4899E-05 -8.0223E-06 -3.1794E-06 0.0000E+00
9 0 -7.3112E-03 9.3354E-04 2.5951E-06 -4.0614E-06 -8.8752E-06 -1.6836E-06 6.2706E-07
10 0 -2.7777E-03 7.1318E-04 3.0673E-05 -2.6126E-06 -2.9513E-06 5.1524E-07 0.0000E+00
11 0 -3.8232E-03 4.8687E-04 4.8505E-05 2.2064E-06 -4.0755E-06 5.8813E-07 0.0000E+00
表3
表4
# α1 α2 α3 α4 α5 α6 α7
2 0 3.1365E-04 -2.4756E-04 -3.2950E-05 -3.1474E-06 -6.6837E-07 -9.3198E-08
3 0 1.1887E-03 -5.1479E-04 -7.0886E-06 -6.6567E-06 7.3082E-07 -2.1508E-07
4 0 -6.7467E-03 1.6492E-03 -1.7937E-04 2.4668E-05 -6.1495E-08 -5.8827E-07
5 0 -1-8460E-02 3.8467E-03 -5.0388E-04 9.0675E-05 6.3951E-06 -4.2041E-06
6 0 -1.0557E-03 5.4851E-04 -1.1124E-04 1.2112E-04 -1.4549E-05 -1.0474E-06
7 0 -1.3355E-02 7.1465E-03 -1.8536E-03 4.1411E-04 -8.4044E-06 -6.4049E-06
8 0 -5.9360E-02 6.4070E-03 4.1503E-04 -2.5533E-04 4.3694E-05 -5.0293E-06
9 0 -5.6451E-02 9.0603E-03 -5.9225E-04 -1.1000E-04 2.2464E-05 -1.5043E-06
表5
# 半径 距离 Nd/Vd 直径 圆锥系数k
1 无穷大 0.060 5.0 0.00
2 7.942 1.682 1.534809/55.6639 5.0 -7.2579
3 -15.778 2.040 5.0 17.1752
4 -2.644 2.143 1.639078/23.2529 5.0 -5.3812
5 -7.001 0.063 5.0 -8.3079
6 2.300 1.193 1.534809/55.6639 5.0 -0.5654
7 3.373 7.787 5.0 -0.1016
8 无穷大 0.210 BK7 8.0
9 无穷大 0.200 8.0
表6
# α1 α2 α3 α4 α5 α6 α7
2 0 -3.4545E-04 -2.6977E-04 -6.3091E-06 -7.6965E-07 0.0000E+00 0.0000E+00
3 0 -1.2414E-03 -3.0118E-04 1.6812E-05 -1.6865E-06 1.9446E-07 -1.1391E-08
4 0 3.0073E-03 -4.8811E-04 9.4948E-05 -5.7587E-06 1.0543E-07 0.0000E+00
5 0 3.6847E-03 -4.8608E-04 7.2121E-05 -2.9304E-06 0.0000E+00 0.0000E+00
6 0 -1.5774E-02 1.4580E-03 -2.6302E-04 2.3905E-05 -1.1017E-06 0.0000E+00
7 0 -8.6658E-03 1.2548E-03 -3.6145E-04 5.0797E-05 -3.8486E-06 1.1039E-07
表7
定义以下术语：“透镜光学高度”“H”是每个透镜元件的光学使用区域(即，光直接从相机孔径通过到达传感器以形成图像的区域)的最大直径。四元件透镜模块的术语在图11A中图示。每个元件Ln具有相应的光学高度“Hn”。该图示出了H/2作为对称轴和标记的箭头的尖端之间的距离。“相机光学高度”是所有透镜元件中的最大光学高度，在这种情况下为H1。
“阻挡的光百分比”(每个视角)被定义为在特定视角(水平和垂直)从非常远的对象到达相机的并且进入相机孔径但没有到达图像传感器的光的百分比。值得注意的是，相对光阻挡随着透镜元件的直径的减小而增加。图11B图示了由插入(通过示例)在四元件长焦透镜的元件L3和L4之间的光阑250引起的一部分光的阻挡240。光阑(也被简称为“光阑”)被配置成防止光到达透镜边缘并且在所有方向上散射。
根据当前公开的主题，确定长焦透镜模块中的透镜元件的直径，使得被光阑阻挡的光不阻止大于预定百分比的入射光到达图像传感器。
上文所公开的长焦透镜允许使用使得能够实现高像素计数(例如，13兆像素)的大的长焦传感器(＞4.5mm×3.35mm)。它们提供了低相机光学高度，其实现了低相机模块高度(例如，＜1.25*(1+EFL/F#)＝1.25*(1+相机孔径)，还见图12和图13。
本文中所公开的折叠式长焦透镜对于所有视角允许用于高变焦低F#(例如，＜3)的长EFL(例如，＞10mm)以获得更多的光和光学分辨率以及低百分比的阻挡的光(＜25％)。如上文所示出的，折叠式长焦透镜模块可以包括例如3至5个透镜元件。透镜元件的这种组合使得能够以低的价格获得高图像质量。
注意，长焦透镜模块的透镜元件通过特殊结构(例如，筒)，例如，通过塑料桶(冷筒)保持在适当位置。因此，本文中所讨论的长焦透镜模块被认为包括将透镜元件保持在适当位置(筒)的结构以及基板(例如，一个或多个PCB)。一个或两个磁体可以定位在如图12和图13所图示的基板上或基板的侧面上。在任何情况下，它们的高度基本上不超过长焦透镜模块的高度。
图12以(a)等距视图和(b)外部视图示出了本文中所公开的并且编号为1200的相机。相机1200包括折叠式长焦透镜的双磁体(1202和1204)双线圈(1206和1208)AF机构。设置每对磁体-线圈以便提供使长焦透镜1210沿着其对称轴移动的力。力(和运动)由弹簧1212反作用(和反向)。
图13以(a)等距视图和(b)外视图示出了本文中所公开的并且编号为1300的相机。与相机1200相比，相机1300包括折叠式长焦透镜的单磁体(1302)的单线圈(1306)和弹簧(1312)AF机构。图12和图13中所图示的AF机构被配置成根据音圈致动器(VCA，通常被称为“磁致动器”)的原理操作。
该AF机构被专门设计成维持较低的相机轮廓。根据一个示例，AF机构被设计成横向适配在长焦透镜模块的一个或两个面上，而其它面保持与AF机构部分分开。
具体地，一个或两个磁体(磁性耦合到相应线圈)被设计成高度基本上不超过长焦透镜模块的高度，以便避免对折叠式长焦子相机的整体高度的任何显着贡献。
该设计在图12(示出了具有两个磁体的AF设计)和图13(示出了具有一个磁体的AF设计)中图示。注意，尽管磁体直立定位在长焦透镜模块的一侧或两侧上，但是垂直于磁体定位的另两个平面(在对象侧上，由箭头OS标记；和在基板侧上，由箭头SS标记)保持与磁体分开。一般而言，AF机构和磁体的这种设计特别显着地减小(或在一些配置中，完全避免)可能已由AF机构引起的长焦子相机的总高度的增加。
根据一个示例，磁体的高度低于或等于长焦透镜模块的高度(例如，由最高透镜定义)。根据另一示例，磁体的高度不超过长焦透镜模块的高度大于10％。根据另一示例，磁体的高度不超过长焦透镜模块的高度大于5％。根据另一示例，磁体的高度不超过Tele透镜模块的高度大于2.5％。
整个相机(包括AF机构)可以封装在具有高度HT(高度总计)的低轮廓机械包装(外壳)1250中，见图12(b)，从而使得在低轮廓手机中能够包括本文中所公开的变焦双孔径或三孔径相机，使得HT等于或小于6.5mm，并且在一些示例中，等于或小于5.7。
图14示出了根据当前公开的主题的示例的具有带有折叠式长焦透镜模块的集成双孔径相机的便携式电子设备的示例的示意图。如图像中所图示的，相机1450(包括具有折叠式长焦透镜模块和相机外壳的双孔径相机)完全集成在便携式电子设备1400中，并且不从设备外壳突出。相机定向在便携式设备内，使得其纵向尺寸相对于设备水平定位。由于长焦子相机的折叠式光学路径，其可以提供高的变焦效果(例如，X5或更大)，同时具有不从电子设备(例如，智能电话)的外壳突出的结构。
尽管已经根据某些实施例和一般相关联的方法对本公开进行了描述，但是实施例和方法的更改和置换对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本公开要被理解为不受本文中所描述的具体实施例的限制，而是仅由所附权利要求的范围限定。

Claims (30)

1.一种数字相机，包括：
(a)广角子相机，被配置成提供广角图像，并且包括广角透镜模块和广角图像传感器，所述广角透镜模块具有沿着对象侧和广角图像传感器之间的第一光学路径的广角透镜对称轴；
(b)长焦子相机，被配置成提供长焦图像并且包括长焦透镜模块和长焦图像传感器，所述长焦透镜模块具有沿着基本上垂直于所述广角透镜对称轴定位的第二光学路径的长焦透镜对称轴；和
(c)第一反射元件，具有相对于所述广角透镜对称轴和所述长焦透镜对称轴基本上倾斜45度的第一反射元件对称轴，并且能够操作以在所述对象和所述长焦图像传感器之间提供折叠式光学路径，
其中，所述长焦透镜模块包括一组至少3个透镜元件，所述透镜元件被设计成直径基本上不超过所述长焦子相机的孔径的直径。
2.根据权利要求1所述的相机，其中，所述一组中的透镜元件被设计成使得阻挡的光不超过进入所述长焦透镜模块的25％的光。
3.根据权利要求1所述的相机，其中，所述长焦透镜模块被配置成使得能够在所述长焦图像传感器的整个区域上生成图像。
4.根据权利要求1所述的相机，其中，所述长焦子相机的有效焦距(EFL)>9mm和F#<3，并且被配置成对于所有视角，阻挡进入长焦子相机孔径的不超过25％的光。
5.根据权利要求1所述的相机，其中，所述长焦透镜模块的特征在于高度不超过5.7mm。
6.根据权利要求1所述的相机，其中，所述长焦图像传感器位于基本上垂直于所述长焦透镜对称轴的平面中。
7.根据权利要求1所述的相机，还包括被配置成沿着所述长焦对称轴移动所述长焦透镜的长焦自动对焦(AF)机构，所述AF机构的高度基本上不超过所述长焦透镜模块的高度。
8.根据权利要求7所述的相机，其中，所述AF机构包括耦合到相应线圈的一个或多个磁体，所述磁体和线圈侧向地定位在所述长焦透镜模块的一侧或两侧上，并且高度基本上不超过所述长焦透镜模块的高度。
9.根据权利要求8所述的相机，其中，所述AF机构仅包括耦合到相应线圈的一个磁体。
10.根据权利要求1所述的相机，还包括第二反射元件，其位于所述长焦透镜模块和所述长焦图像传感器之间的第二光学路径中，所述第二反射元件被配置成将平行于所述第二光学路径传播的光朝向所述第一光学路径引导，其中，所述长焦像传感器位于基本上垂直于所述广角透镜对称轴的平面中。
11.根据权利要求10所述的相机，还包括长焦自动对焦(AF)机构，其被配置成沿着第二反射元件对称轴移动所述第二反射元件。
12.根据权利要求10所述的相机，还包括长焦自动对焦(AF)机构，其被配置成沿着所述长焦透镜对称轴移动所述长焦透镜模块。
13.根据权利要求1所述的相机，其中，所述广角透镜模块具有广角视场FOVW，并且所述长焦透镜模块具有比FOVW窄的远视场FOVT，所述相机还包括中焦子相机，所述中焦子相机被配置成提供中焦图像并且包括具有满足FOVW>FOVM>FOVT的视场FOVM的中焦透镜模块和中焦图像传感器，所述中焦透镜模块具有中焦透镜对称轴，其中，所述相机可操作地连接到至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成将所述长焦图像和所述广角图像处理为输出图像，并且其中，所述至少一个处理器还被配置成将所述中焦图像与所述长焦图像或所述广角图像一起处理为输出图像。
14.根据权利要求13所述的相机，其中，所述中焦子相机具有等于所述广角子相机的EFL和所述长焦子相机的EFL的几何平均值的EFL。
15.根据权利要求13所述的相机，其中，所述中焦透镜对称轴基本上垂直于所述广角透镜对称轴，其中，所述中焦图像传感器位于基本上垂直于所述中焦透镜对称轴的平面中，并且其中，所述长焦图像传感器位于基本上垂直于所述长焦透镜对称轴的平面中。
16.根据权利要求13所述的相机，还包括中焦自动对焦(AF)机构，其被配置成沿着基本上垂直于所述广角透镜对称轴的所述中焦透镜对称轴移动所述中焦透镜模块；和长焦AF机构，其被配置成沿着所述长焦透镜对称轴移动所述长焦透镜模块，其中，所述中焦AF机构和所述长焦AF机构的高度基本上不超过所述长焦透镜模块的高度。
17.根据权利要求15所述的相机，还包括第三反射元件，其相对于所述广角透镜对称轴和所述中焦透镜对称轴大致倾斜45度角，所述第三反射元件被配置成在所述对象侧和所述中焦图像传感器之间提供折叠式光学路径。
18.根据权利要求17所述的相机，还包括定位在所述中焦透镜模块和所述中焦图像传感器之间的第四光学路径中的第四反射元件，所述第四反射元件被配置成将平行于所述第二光学路径传播的光朝向所述第一光学路径引导，其中，所述中焦图像传感器位于基本上平行于所述中焦透镜对称轴的平面中。
19.根据权利要求13所述的相机，可操作地连接到至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成输出通过使用用于设置FOVW和FOVM之间的FOV的ZF的广角和中焦图像形成的输出图像。
20.根据权利要求13所述的相机，可操作地连接到至少一个处理器，所述至少一个处理器被配置成输出通过使用用于设置FOVM与FOVT之间的FOV的ZF的中焦和长焦图像形成的输出图像。
21.根据权利要求16所述的相机，其中，所述中焦AF机构包括耦合到相应线圈的一个或多个磁体，所述磁体和线圈侧向地定位在所述长焦透镜模块的一侧或两侧上并且高度基本上不超过所述长焦透镜模块的高度。
22.根据权利要求21所述的相机，其中，所述中焦AF机构仅包括耦合到相应线圈的一个磁体。
23.一种移动电子设备，包括集成在所述电子设备的外壳内部的内部相机，所述相机包括：
(a)广角子相机，被配置成提供广角图像并且包括广角透镜模块和广角图像传感器，所述广角透镜模块具有沿着对象侧和所述广角图像传感器之间的第一光学路径的广角透镜对称轴；
(b)长焦子相机，被配置成提供长焦图像并且包括长焦透镜模块和长焦图像传感器，所述长焦透镜模块具有沿着第二光学路径的长焦透镜对称轴，所述长焦透镜对称轴被定位成基本上垂直于所述广角透镜对称轴，其中，所述长焦透镜模块包括一组3至5个透镜元件，并且其中，所述组中的所述透镜元件被设计成直径基本上不超过所述长焦子相机的孔径的直径；和
(c)第一反射元件，具有相对于所述广角透镜对称轴和所述长焦透镜对称轴基本上倾斜45度的第一反射元件对称轴，并且能够操作以在所述对象和所述长焦图像传感器之间提供折叠式光学路径。
24.根据权利要求23所述的电子移动设备，其中，所述组中的所述透镜元件被设计成使得阻挡的光不超过进入所述长焦透镜模块的25％的光。
25.根据权利要求23所述的电子移动设备，其中，所述组被设计成使得能够在所述长焦图像传感器的整个区域上生成图像。
26.根据权利要求23所述的电子移动设备，其中，所述长焦子相机有效焦距(EFL)>9mm和F#<3，并且被配置成对于所有视角，阻挡进入所述长焦子相机孔径的不超过25％的光。
27.根据权利要求23所述的电子移动设备，其中，所述长焦透镜模块的特征在于高度不超过6.5mm。
28.根据权利要求23所述的电子移动设备，其中，所述长焦子相机还包括长焦自动对焦(AF)机构，其被配置成沿着所述长焦对称轴移动所述长焦透镜，所述长焦AF机构包括耦合到相应的线圈的一个或多个磁体，所述磁体和线圈侧向地定位在所述长焦透镜模块的一侧或两侧上并且高度基本上不超过所述长焦透镜模块的高度。
29.一种被配置成集成在电子设备的外壳内的数字相机，所述相机包括：
(a)广角子相机，被配置成提供广角图像并且包括广角透镜模块和广角图像传感器，所述广角透镜模块具有沿着对象侧和所述广角图像传感器之间的第一光学路径的广角透镜对称轴；
(b)长焦子相机，被配置成提供长焦图像并且包括长焦透镜模块和长焦图像传感器，所述长焦透镜模块具有沿着第二光学路径的长焦透镜对称轴并且被定位成基本上垂直于所述广角透镜对称轴，其中，所述长焦透镜模块包括一组3至5个透镜元件，所述透镜元件被设计成直径基本上不超过所述长焦子相机的孔径的直径，以使得能够在所述长焦图像传感器的整个区域上生成图像，并且使得能够进入所述长焦透镜模块的至少75％的光朝向所述长焦图像传感器通过；
(c)第一反射元件，具有相对于所述广角透镜对称轴和所述长焦透镜对称轴基本上倾斜45度的第一反射元件对称轴，并且能够操作以在所述对象和所述长焦图像传感器之间提供折叠式光学路径；和
(d)长焦自动对焦(AF)机构，被配置成沿着所述长焦对称轴移动所述长焦透镜，所述长焦AF机构包括耦合到相应线圈的一个或多个磁体，所述磁体和线圈侧向地定位在所述长焦透镜模块的一侧或两侧上，并且高度基本上不超过所述长焦透镜模块的高度。
30.根据权利要求29所述的相机，其中，所述长焦子相机的EFL>9mm并且F#<3，并且其中，所述长焦透镜模块的特征在于高度不超过6.5mm。
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