CN109564336A

CN109564336A - 成像透镜系统

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Publication number: CN109564336A
Application number: CN201780048066.XA
Authority: CN
Inventors: 姚宇宏; 筱原义和
Original assignee: Apple Computer Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2019-04-02
Anticipated expiration: 2037-07-31
Also published as: KR20190028798A; EP3491443A1; US10281683B2; WO2018026693A1; TWI664463B; TW201935070A; TWI830731B; US20180031808A1; KR102168010B1; CN109564336B; TW201816453A

Abstract

本发明描述了可用于小外形相机中的紧凑型透镜系统。透镜系统可包括具有屈光力的六个透镜元件，并且与其他紧凑型透镜系统相比，可提供具有宽视场的低光圈数，同时保持或改善成像质量和封装尺寸。透镜系统可例如提供2.1或更小(例如1.8)的焦比，其具有在70至90度范围内(例如，81度)的全视场。透镜系统可符合紧凑性标准TTL/ImageH<1.7，其中TTL为透镜系统的总光程长度，并且ImageH为光电传感器的像平面上的半对角线像高。可选择透镜系统参数和关系以至少部分地减少、补偿或矫正光学像差和透镜伪影以及视场效应。

Description

成像透镜系统

背景技术

技术领域

本公开整体涉及相机系统，并且更具体地涉及高分辨率、小外形相机系统和透镜系统。

相关技术描述

小型多用途移动设备诸如智能电话和平板设备的出现导致需要轻量级、紧凑且能够以较低光圈数捕获高分辨率高质量图像以用于集成在设备中的高分辨率小外形相机。然而，由于常规相机技术的局限性，在此类设备中使用的常规小型相机趋于以比利用较大的较高品质相机可实现的较低的分辨率和/或较低的图像质量来捕获图像。使用小封装尺寸的相机实现较高的分辨率通常需要使用具有小像素尺寸的光电传感器和较好的紧凑型成像透镜系统。技术进步已实现了光电传感器的像素尺寸的减小。然而，随着光电传感器变得更加紧凑和强大，对具有改善的成像质量性能的紧凑型成像透镜系统的需求已增加。此外，越来越期望小外形相机配备更高的像素计数和/或更大的像素尺寸图像传感器(其中一者或两者可能需要较大的图像传感器)，同时仍然保持足够紧凑以装配到便携式电子设备中的模块高度。因此，来自光学系统设计方面的挑战是提供能够在由小外形相机施加的物理约束下捕获高亮度高分辨率图像的成像透镜系统。

发明内容

本公开的实施方案可提供紧凑型成像透镜系统，该系统包括六个透镜元件，该透镜元件可用于像机中并提供低光圈数(2.1或更少，例如，1.8)、70至90度(例如81度)的宽视场和较短的总光程长度(例如，@6mm)，其允许相机以小封装尺寸实现，同时仍捕获清晰的高分辨率图像，使相机的实施方案适于用小型和/或多用途移动设备。透镜系统包括具有屈光力的六个透镜元件，所述透镜元件沿光轴从物侧的第一透镜布置到像侧的第六透镜。在一些实施方案中，透镜系统的从第一透镜到第六透镜的屈光力的顺序为PNPNPN，其中P指示具有正屈光力的透镜，并且N表示具有负屈光力的透镜。可选择透镜系统参数和关系，其包括但不限于屈光力分布、透镜形状、厚度、孔径位置、几何形状、位置、材料、间距和某些透镜元件的表面形状，以至少部分地减少、补偿或矫正光学像差和透镜伪影以及视场效应。

在一些实施方案中，透镜系统可包括孔径光阑，该孔径光阑位于光学系统的物侧和第二透镜元件之间以用于控制光学系统的亮度。在一些实施方案中，孔径光阑可位于在透镜系统的前顶点处或前顶点后的第一透镜元件处。在一些实施方案中，孔径光阑可相反位于第一透镜元件和第二透镜元件之间。在一些实施方案中，透镜系统还可包括一个或多个内部光阑，例如位于第四透镜元件的像侧表面处的次级光阑。例如，一个或多个内部光阑可通过切断一定百分比的偏轴光线束来帮助在低光圈数和宽FOV条件下进行像差控制。

在一些实施方案中，透镜系统可满足下列关系中的一者或多者：

0.15<Yo/f_系统<0.55

0.5<(f_系统/f1)<1

0.4<(f_系统/f3)<0.78

(R9+R10)/(R9-R10)<-3.2

T₃₄/TTL>0.07

Z_h/T₃₄>0.5

其中f_系统是透镜系统的有效焦距，Yo是第五透镜的像侧表面的最外侧水平顶点和光轴之间的竖直距离，f1是第一透镜的有效焦距，f3是第三透镜的有效焦距，R9是第五透镜的物侧表面的曲率半径，并且R10是第五透镜的像侧表面的曲率半径是，T₃₄是第三透镜和第四透镜之间的轴向间距，并且Z_h是第三透镜和第四透镜之间的竖直距离Hep(Hep＝EPD*0.8/2)处的偏轴间距，其中EPD是入射光瞳直径。

在一些实施方案中，透镜系统可满足如下关系中定义的紧凑性标准：

TTL/ImageH<1.7

其中ImageH是光电传感器的像平面上的半对角线像高。

在一些实施方案中，第一透镜和第三透镜由色散系数Vd>50(例如56.0)的光学材料形成，并且第二透镜和第四透镜由色散系数Vd<30(例如20.4)的光学材料形成。可选择第一透镜至第四透镜的材料配置和屈光力配置以减少色像差。在一些实施方案中，第五透镜和第六透镜由色散系数Vd>50(例如56.0)的光学材料形成,并且可进一步限制过度色像差的发生。

附图说明

图1A为紧凑型相机的示例性实施方案的剖视图，该紧凑型相机包括具有孔径光阑和六个透镜元件的紧凑型透镜系统。

图1B为紧凑型相机的示例性实施方案的剖视图，该紧凑型相机包括具有六个透镜元件、初级孔径光阑和次级孔径光阑的紧凑型透镜系统。

图2示出了根据一些实施方案的如图1A和图1B所示的透镜系统中的第五透镜元件的设计方面。

图3示出了根据一些实施方案的如图1A和图1B所示的透镜系统中的第三透镜元件和第四透镜元件的设计方面和关系。

图4为示出了根据一些实施方案的如图1A-图3所示的透镜系统的调制传递函数(MTF)的曲线图。

图5示出了根据一些实施方案的如图1A-图3所示的透镜系统的纵向球面像差、场曲率和畸变。

图6为根据一些实施方案的使用如图1A至图5所示的相机捕获图像的方法的流程图。

图7示出了可在实施方案中使用的示例性计算机系统。

本说明书包括参考“一个实施方案”或“实施方案”。出现短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”并不一定是指同一个实施方案。特定特征、结构或特性可以与本公开一致的任何合适的方式被组合。

“包括”。该术语是开放式的。如在所附权利要求书中所使用的，该术语不排除附加结构或步骤。考虑引用以下的权利要求：“一种装置，包括一个或多个处理器单元...”此类权利要求不排除该装置包括附加部件(例如，网络接口单元、图形电路等)。

“被配置为”。各种单元、电路或其他部件可被描述为或叙述为“被配置为”执行一项或多项任务。在此类上下文中，“被配置为”用于通过指示单元/电路/部件包括在操作期间执行这一项或多项任务的结构(例如，电路)来暗指该结构。如此，单元/电路/部件可被配置为即使在指定的单元/电路/部件当前不可操作(例如，未接通)时也执行该任务。与“被配置为”语言一起使用的单元/电路/部件包括硬件-例如电路、存储可执行以实现操作的程序指令的存储器等。引用单元/电路/部件“被配置为”执行一项或多项任务明确地旨在针对该单元/电路/部件不援引35U.S.C.§112的第六段。此外，“被配置为”可包括由软件和/或固件(例如，FPGA或执行软件的通用处理器)操纵的通用结构(例如，通用电路)以能够执行待解决的一项或多项任务的方式操作。“被配置为”还可包括调整制造过程(例如，半导体制作设施)，以制造适用于实现或执行一项或多项任务的设备(例如，集成电路)。

“第一”“第二”等。如本文所用，这些术语充当它们所在之前的名词的标签，并且不暗指任何类型的排序(例如，空间的、时间的、逻辑的等)。例如，缓冲电路在本文中可被描述为执行“第一”值和“第二”值的写入操作。术语“第一”和“第二”未必暗指第一值必须在第二值之前被写入。

“基于”。如本文所用，该术语用于描述影响确定的一个或多个因素。该术语不排除影响确定的附加因素。即，确定可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来确定A”。在这种情况下，B为影响A的确定的因素，此类短语不排除A的确定也可基于C。在其他实例中，可仅基于B来确定A。

具体实施方式

描述了包括光电传感器和紧凑型透镜系统的小外形相机的实施方案。描述了包括六个透镜元件的紧凑型透镜系统的实施方案，该透镜元件可用于像机中并提供低光圈数(2.1或更少，例如，1.8)、70至90度(例如81度)的宽视场和较短的总光程长度(例如，@6mm)，其允许相机以小封装尺寸实现，同时仍捕获清晰的高分辨率图像，使相机的实施方案适于用小型和/或多用途移动设备，诸如移动电话、智能电话、平板计算设备、膝上型计算机、上网本、笔记本计算机、小型笔记本计算机和超级笔记本计算机等。然而，需注意，该相机的各个方面(例如，透镜系统和光电传感器)可按比例放大或缩小，以提供具有比上述那些更大或更小封装尺寸的相机。此外，该相机系统的实施方案可被实现为独立数字相机。除了静物(单帧捕获)相机应用之外，该相机系统的实施方案可适合在摄像机应用中使用。

紧凑型透镜系统的实施方案可用于小外形相机以捕获高亮度高分辨率图像。透镜系统包括具有屈光力的六个透镜元件。可选择透镜系统参数和关系，其包括但不限于屈光力分布、透镜形状、厚度、孔径位置、几何形状、位置、材料、间距和某些透镜元件的表面形状，以至少部分地减少、补偿或矫正光学像差和透镜伪影以及视场效应，包括但不限于以下中的一者或多者：渐晕、色像差、场曲率或珀兹伐和以及透镜光晕。

描述了具有六个透镜元件的紧凑型透镜系统的非限制性示例性实施方案。图1A示出了包括六个折射透镜元件的示例性实施方案，其中孔径光阑位于第一透镜元件处并且位于透镜系统的前顶点后面。图1B示出了具有六个折射透镜元件和位于第一透镜元件处的初级孔径光阑的示例性实施方案，并且还包括位于第四透镜元件处的次级光阑。如本文所述的具有六个透镜元件的紧凑型透镜系统的示例性实施方案可提供小于2.0的光圈数(焦比)，例如约1.7，具有小于5.0mm(例如4.5-4.7mm)的焦距(f)，以及6.8mm或更小(例如，6mm)的总光程长度(TTL)。然而，需注意，这些示例并非旨在进行限制，并且针对透镜系统给出的各种参数可能存在变化，同时仍获得类似的结果。

透镜系统的实施方案中的折射透镜元件可例如由塑性材料构成。在一些实施方案中，折射透镜元件可由注塑成型的塑性材料构成。然而，可使用其他透明材料。还需注意，在给定实施方案中，该透镜元件中的不同透镜元件可由具有不同光学特性(例如，不同的色散系数和/或不同的折射率)的材料组成。色散系数V_d可由以下公式定义：

V_d＝(N_d-1)/(N_F–N_C)，

其中N_F和N_C分别为材料在氢的F线和C线处的折射率值。

在图1A和图1B中示例性相机包括至少紧凑型透镜系统和光电传感器。光电传感器可以是集成电路(IC)技术芯片或根据各种类型的光电传感器技术实现的芯片。可使用的光电传感器技术的示例为电荷耦合器件(CCD)技术和互补金属氧化物半导体(CMOS)技术。在一些实施方案中，光电传感器的像素尺寸可为1.2微米或更小，但也可使用较大的像素尺寸。在非限制性示例性实施方案中，光电传感器可根据1280×720像素图像格式制造，以捕获1兆像素图像。然而，其他像素格式可用于实施方案，例如5兆像素、10兆像素或更大或更小的格式。在附图中，描述了具有8mm全对角线尺寸(半对角线4mm)的示例性光电传感器；然而，可使用较大或较小的光电传感器，其中透镜系统尺寸经适当调整。

透镜系统还可包括孔径光阑，该孔径光阑位于光学系统的物侧和第二透镜元件之间以用于控制光学系统的亮度。在一些实施方案中，孔径光阑可位于在透镜系统的前顶点处或前顶点后的第一透镜元件处，如图1A所示。在一些实施方案中，孔径光阑可相反位于第一透镜元件和第二透镜元件之间。在一些实施方案中，透镜系统还可包括一个或多个次级光阑，例如位于第四透镜元件的像侧表面处的次级光阑，如图1B所示，和/或位于第三透镜元件的像侧表面处的次级光阑。一个或多个次级光阑可有助于像差控制。

该相机还可以但不一定包括例如位于透镜系统的最后一个或第六个透镜元件和光电传感器之间的红外(IR)滤光片。该IR滤光片可例如由玻璃材料构成。然而，也可使用其他材料。在一些实施方案中，IR滤光片不具有屈光力，并且不影响透镜系统的有效焦距f。在一些实施方案中，代替如图中所示的IR滤波器，可将涂层用于透镜元件中的一者或多者上，或可使用其他方法来提供IR过滤。另外需注意，除了本文所示出和描述的那些部件之外，相机还可包括其他部件。

在相机中，该透镜系统在光电传感器表面处或附近的像平面(IP)处形成图像。远处物体的图像尺寸与透镜系统的有效焦距f成正比。透镜系统的总光程长度(TTL)为光轴(AX)上的第一(物侧)透镜元件的物侧表面处的前顶点与像平面之间的距离。总光程长度与焦距的比率(TTL/f)被称为远摄比率。为了被分类为远摄透镜系统，TTL/f小于或等于1。对于非远摄透镜系统，远摄比率大于1。

在本文描述的非限制性示例性实施方案中(参见图1A和图1B)，透镜系统可被配置为使得透镜系统的有效焦距f为4.51mm或约4.51mm。图1A和图1B中的非限制性示例性实施方案可被配置为使得光圈数为1.68或约1.68。例如，该透镜系统可被配置为如示例中所示以满足特定相机系统应用的指定光学约束、成像约束、和/或封装约束。需注意，也被称为焦比或f/#的光圈数由f/D限定，其中D为入射光瞳的直径，即有效孔径。例如，在f＝4.51mm处，利用@2.68mm的有效孔径来实现1.68的光圈数。示例性实施方案也可被配置为具有81度或约81度的全视场(FOV)以及40.5度的半视场。示例性实施方案的总光程长度(TTL)可为6.0mm或约6.0mm。示例性实施方案的远摄比率(TTL/f)因此为1.33或约1.33。使用了具有8mm全对角线尺寸(半对角线4mm)的光电传感器。

然而，需注意，可缩放或调整焦距f、光圈数、TTL、光电传感器尺寸和/或其他透镜系统参数和相机参数，以满足其他相机系统应用程序的光学限制、成像限制和/或封装限制的各种规范。可被指定为特定相机系统应用程序的要求和/或可针对不同相机系统应用程序而改变的对相机系统的限制包括但不限于焦距f、有效孔径、TTL、孔径光阑位置、光圈数、视场(FOV)、远摄比率、光电传感器尺寸、成像性能要求、以及封装体积或尺寸限制。

在一些实施方案中，透镜系统可为可调节的。例如，在一些实施方案中，如本文所述的透镜系统可配备有可调节的虹膜(入射光瞳)或孔径光阑。通过使用可调节的孔径光阑，光圈数(焦比或f/#)可在某个范围内动态地变化。例如，如果透镜以f/1.7得到良好校正，则在给定的焦距f和FOV下，通过调节孔径光阑可使焦比在1.4至8(或更高)的范围内变化，假定孔径光阑可被调整到所需的光圈数设置。在一些实施方案中，透镜系统可通过调节相同FOV(例如81度)处的孔径光阑在更快的焦比(<1.7)下使用，其中可能使成像质量性能下降或在较小的FOV处具有较好的性能。

虽然本文可给出值的范围作为其中一个或多个光学参数可动态变化(例如，使用可调节的孔径光阑)的可调节的相机和透镜系统的示例，但是可实现包括固定(不可调节的)透镜系统的相机系统的实施方案，在该固定透镜系统中，光学参数和其他参数的值在这些范围内。

参见图1A和图1B中所示的实施方案，示例性相机100包括至少紧凑型透镜系统110和光电传感器120。相机100可包括例如在第一透镜元件处以及在透镜系统110的前顶点处或后面的孔径光阑130，以用于控制光学系统的亮度。在一些实施方案中，孔径光阑130可相反位于第一透镜元件和第二透镜元件之间。在一些实施方案中，相机还可包括次级光阑132，如图1B所示。相机100还可包括但不一定包括例如位于透镜系统110和光电传感器120之间的红外(IR)滤光片。IR滤光片可用于减少或消除光电传感器120上的环境噪声的干扰和/或阻挡可能损坏或不利地影响光电传感器120的红外辐射，并可被配置为对f没有影响。

相机110的紧凑型透镜系统100可包括具有屈光力和透镜系统有效焦距f的六个透镜元件(图1A和图1B的透镜系统110中的101-106)，其沿光轴AX从物侧到像侧依次布置：

·具有正屈光力的第一透镜元件L1(101)；

·具有负屈光力的第二透镜元件L2(102)；

·具有正屈光力的第三透镜元件L3(103)；

·具有负屈光力的第四透镜元件L4(104)；

·具有正屈光力的第五透镜元件L5(105)；以及

·具有负屈光力的第六透镜元件L6(106)。

因此，透镜系统110的从第一透镜101到第六透镜106的屈光力的顺序为PNPNPN，其中P指示具有正屈光力的透镜，并且N表示具有负屈光力的透镜。

在一些实施方案中，透镜101在近轴区域具有凸面物侧表面，透镜102在近轴区域具有凹面像侧表面，透镜103在近轴区域具有凸面像侧表面，并且透镜104在近轴区域具有凸面像侧表面。

在至少一些实施方案中，透镜105在近轴区域中具有凸面物侧表面，并且在近轴区域中具有凹面像侧表面。透镜105的物侧表面和像侧表面均为非球面的。透镜105的物侧表面具有在周边区域附近为凹面的至少一部分，并且像侧表面具有在周边区域附近为凸面的至少一部分。参见图2，Yo是透镜105的像侧表面的最外侧水平顶点和光轴之间的竖直距离。在一些实施方案中，Yo满足以下关系：

0.15<Yo/f_系统<0.55

其中f_系统为透镜系统110的有效焦距。

在一些实施方案中，透镜106在近轴区域中具有凸面物侧表面以及沿整个表面为凹面的至少一部分。透镜106在近轴区域中还具有凹面像侧表面以及沿整个表面为凸面的至少一部分。透镜106的两个表面均为非球面的。

在一些实施方案中，透镜系统110可满足下列关系中的一者或多者：

0.5<(f_系统/f1)<1

0.4<(f_系统/f3)<0.78

(R9+R10)/(R9-R10)<-3.2

其中f_系统是透镜系统110的有效焦距，f1是透镜101的有效焦距，f3是透镜103的有效焦距，R9是透镜105的物侧表面的曲率半径，并且R10是透镜105的像侧表面的曲率半径。需注意，曲率半径可为来自x射线扫描结构的透镜表面形状的拟合值。

参考图3，相对于光轴，透镜103和透镜104之间的轴向间距为T₃₄，透镜103和透镜104之间的在竖直距离Hep(Hep＝EPD*0.8/2)处的偏轴间距被定义为Z_h，其中EPD为入射光瞳直径。可满足以下关系：

T₃₄/TTL>0.07

Z_h/T₃₄>0.5

其中TTL是在无穷远共轭处聚焦的系统的总光程长度，并且在透镜101的物侧表面或孔径光阑(无论哪个更靠近物体)到像平面之间测量。

在一些实施方案中，透镜101和103由色散系数Vd>50的光学材料形成，并且透镜102和104由色散系数Vd<30的光学材料形成。可选择透镜101-104的材料配置和屈光力配置以减少色像差。在一些实施方案中，透镜105和106由色散系数Vd>50的光学材料形成,并且可进一步限制过度色像差的发生。

透镜系统110的实施方案可被实现为紧凑的,以在消费者电子产品诸如智能手机和平板设备的小外形相机中使用。透镜系统的紧凑性的标准可在以下关系中限定：

TTL/ImageH<1.7

其中ImageH是光电传感器120的像平面上的半对角线像高。在如表1-3中所定义的示例性透镜系统中，总光程长度(TTL)为约6.0mm，并且使用了具有约4mm的半对角线像高的光电传感器。因而满足示例性实施方案(6mm/4mm＝1.5)的关系(TTL/ImageH<1.7)。需注意，针对紧凑型的该标准使得当使用较大的光电传感器时允许成比例地较长的TTL以及当使用较小的光电传感器时允许成比例地较短的TTL。例如，对于具有约3mm的ImageH的光电传感器的透镜系统的TTL将为5.1mm或更小，并且对于具有约5mm的ImageH的光电传感器的透镜系统的TTL将为8.5mm或更小。

如图1B所示，透镜系统110的一些实施方案可包括除了孔径光阑130之外的一个或多个内部光阑(例如，在透镜104处的次级光阑132)。例如，一个或多个内部光阑132可例如通过切断一定百分比的偏轴光线束来帮助在低光圈数和宽FOV条件下进行像差控制，这在低光圈数和宽FOV条件下往往比更靠近光轴的光线束具有更极端的像差。透镜系统110(例如，透镜元件104-106)可被设计为补偿可由一个或多个内部光阑132产生的照明和可能的渐晕的损耗。

图4为示出了根据一些实施方案的如图1A-图3所示的透镜系统的调制传递函数(MTF)的曲线图。图4示出了分别在0视场、0.4视场、0.7视场和全视场处评估的透镜MTF。MTF在100线对(lp)/mm处高于0.5，针对高分辨率成像表现出了良好的对比度并且使用高分辨率传感器渲染高质量图像。

图5示出了根据一些实施方案的如图1A-图3所示的透镜系统的纵向球面像差、场曲率和畸变。如图5所示，整个视场的光学畸变被控制在2％以内，而场曲率和像散在整个视场很好地被平衡。

图6为根据一些实施方案的使用具有透镜系统的相机捕获图像的方法的简要流程图，该透镜系统包括如图1A至图5所示的六个透镜元件。如在1200处所指示，来自相机前面的物场的光通过相机的第一透镜元件处的孔径光阑而被接收。如在1202处所指示，第一透镜元件将光折射至第二透镜元件。另选地，在一些实施方案中，孔径光阑可位于第一透镜元件和第二透镜元件之间，并且来自物场的光可在相机的第一透镜元件处被接收，并且穿过孔径光阑被折射至第二透镜元件。在一些实施方案中，第一透镜元件可具有正屈光力。如在1204处所指示，光然后被第二透镜元件折射至第三透镜元件。在一些实施方案中，第二透镜元件可具有负屈光力。如在1206处所指示，光然后被第三透镜元件折射至第四透镜元件。在一些实施方案中，第三透镜元件可具有正屈光力。在一些实施方案中，光可穿过次级光阑被折射至第四透镜元件。如在1208处所指示，光然后被第四透镜元件折射至第五透镜元件。在一些实施方案中，第四透镜元件可具有负屈光力。如在1210处所指示，光然后被第五透镜元件折射至第六透镜元件。在一些实施方案中，第五透镜元件可具有正屈光力。如在1212处所指示，光被第六透镜元件折射，以在光电传感器表面处或附近的像平面处形成图像。在一些实施方案中，第六透镜元件可具有负屈光力。如在1214处所指示，图像由光电传感器捕获。虽然未在图6中示出，但是在一些实施方案中，光可穿过例如可位于第六透镜元件和光电传感器之间的红外滤光片。

在一些实施方案中，图6中所提及的六个透镜元件可被配置为如图1A或图1B、图2以及图3所示。然而，需注意，在达到类似的光学结果的同时，图1A和图1B中给出的示例的变化是可能的。

示例性透镜系统表

下面的表提供如参考图1A至图3所描述的透镜系统和相机的示例性实施方案的各种光学和物理参数的示例值。在表中，除非另外指明，否则所有的尺度均以毫米(mm)计。L1、L2、L3、L4、L5和L6分别代表折射透镜1、2、3、4、5和6。“S#”代表表面编号。如表中所示的元件的表面编号(S#)从物平面处的第一表面0到像平面/光电传感器表面处的最后一个表面列出。正半径指示曲率中心在表面的右侧(物侧)。负半径指示曲率中心在表面的左侧(像侧)。“INF”代表无穷远(如在光学中所用)。厚度(或间距)是到下一个表面的轴向距离。FNO代表透镜系统的光圈数。HFOV代表半视场。f_35mm是透镜系统的35mm等效焦距。V_x为相应透镜元件的色散系数。f和f_系统代表透镜系统的有效焦距，而f_x代表相应透镜元件的焦距。R9是透镜5的物侧表面的曲率半径，并且R10是透镜5的像侧表面的曲率半径。T₃₄为透镜3与透镜4之间的轴向间距，而z_h为透镜3与透镜4之间的在竖直距离Hep处的偏轴间距(参见图3)。TTL是在无穷远共轭处聚焦的透镜系统的总光程长度，并且在透镜1的物侧表面或孔径光阑(无论哪个更靠近物体)到像平面之间测量。ImageH是像平面上的半对角线像高。

对于透镜元件和IR滤光片的材料，提供氦d线波长处的折射率N_d，以及相对于d线与氢的C线和F线的色散系数V_d。色散系数V_d可由以下公式定义：

V_d＝(N_d-1)/(N_F–N_C)，

其中N_F和N_C分别为材料在氢的F线和C线处的折射率值。

参考非球面系数表(表2A-表2C)，描述了非球面表面的非球面方程可由下式给出：

Z＝(cr²/(1+sqrt[1–(1+K)c²r²]))+

A₄r⁴+A₆r⁶+A₈r⁸+A₁₀r¹⁰+A₁₂R¹²+A₁₄r¹⁴+A₁₆r¹⁶+A₁₈r¹⁸+A₂₀r²⁰

其中Z是平行于Z轴的表面垂度(在这些示例实施方案中，Z轴和光轴重合)，r是距顶点的径向距离，c是表面极点或顶点的曲率(表面曲率半径的倒数)，K是圆锥常数，并且A₄–A₂₀是非球面系数。在表中，“E”表示指数符号(10的幂次)。

需注意，下表中针对透镜系统的各种实施方案中的各种参数给出的值为通过示例给出的，而并非旨在进行限制。例如，示例性实施方案中的一个或多个透镜元件的一个或多个表面的一个或多个参数，以及组成这些元件的材料的参数可被赋予不同的值，同时仍然为透镜系统提供类似的性能。特别地，需注意，表中的一些值可使用如本文所述的透镜系统的实施方案针对相机的更大或更小的具体实施来按比例放大或缩小。

表1

*表示非球面表面(在表2A-表2C中给出的非球面系数)

表2A-非球面系数(透镜系统110)

表2B-非球面系数(透镜系统110)

表2C-非球面系数(透镜系统110)

表3：光学定义(透镜系统110)

示例性计算设备

图7示出了被称为计算机系统2000的示例性计算设备，其可包括或具有如图2至图6所示的具有透镜系统的相机的实施方案。此外，计算机系统2000可实现用于控制相机的操作和/或用于对用相机捕获的图像执行图像处理的方法。在不同的实施方案中，计算机系统2000可以是各种类型的设备中的任何设备，包括但不限于：个人计算机系统、台式计算机、膝上型计算机、笔记本电脑、平板电脑或平板设备、一体电脑或上网本计算机、大型计算机系统、手持式计算机、工作站、网络计算机、相机、机顶盒、移动设备、无线电话、智能电话、消费者设备、视频游戏控制器、手持式视频游戏设备、应用服务器、存储设备、电视、视频记录设备、外围设备诸如交换机、调制解调器、路由器，或一般性的任何类型的计算或电子设备。

在例示的实施方案中，计算机系统2000包括经由输入/输出(I/O)接口2030被耦接到系统存储器2020的一个或多个处理器2010。计算机系统2000还包括耦接到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，诸如光标控制设备2060、键盘2070和一个或多个显示器2080。计算机系统2000还可包括同样可耦接到I/O接口2030的一个或多个相机2090，例如如上关于图1A至图6所述的一个或多个相机，或如上关于图1A至图6所述的一个或多个相机以及一个或多个其它相机，诸如传统的宽视场相机。

在各种实施方案中，计算机系统2000可为包括一个处理器2010的单处理器系统，或者为包括若干个处理器2010(例如，两个、四个、八个或另一适当数量)的多处理器系统。处理器2010可为能够执行指令的任何合适的处理器。例如，在各种实施方案中，处理器2010可以是实现多种指令集架构(ISA)(诸如x86、PowerPC、SPARC、或MIPS ISA或任何其他合适的ISA中任一种的通用或嵌入式处理器。在多处理器系统中，处理器2010中的每个处理器通常可以但并非必须实现相同的ISA。

系统存储器2020可被配置为存储可被处理器2010访问的程序指令2022和/或数据2023。在各种实施方案中，系统存储器2020可使用任何合适的存储器技术来实现，诸如静态随机存取存储器(SRAM)、同步动态RAM(SDRAM)、非易失性/闪存型存储器或任何其他类型的存储器。在例示的实施方案中，程序指令2022可被配置为实现用于控制相机2090的操作以及用于利用集成相机2090来捕获和处理图像的各种接口、方法和/或数据，或其他方法或数据，例如用于捕获、显示、处理和存储利用相机2090捕获的图像的接口和方法。在一些实施方案中，程序指令和/或数据可被接收、发送或存储在与系统存储器2020或计算机系统2000分开的不同类型的计算机可访问介质上或类似介质上。

在一个实施方案中，I/O接口2030可以被配置为协调设备中的处理器2010、系统存储器2020、和任何外围设备(包括网络接口2040或其他外围设备接口，诸如输入/输出设备2050)之间的I/O通信。在一些实施方案中，I/O接口2030可执行任何必要的协议、定时或其他数据转换以将来自一个部件(例如系统存储器2020)的数据信号转换为适于由另一个部件(例如处理器2010)使用的格式。在一些实施方案中，I/O接口2030可包括对例如通过各种类型的外围设备总线诸如外围部件互连(PCI)总线标准或通用串行总线(USB)标准的变体所附接的设备的支持。在一些实施方案中，I/O接口2030的功能例如可被划分到两个或更多个单独部件中，诸如北桥和南桥。此外，在一些实施方案中，I/O接口2030诸如连接至系统存储器2020的接口的一些或所有功能可被直接集成到处理器2010中。

网络接口2040可被配置为允许在计算机系统2000与附接到网络2085的其他设备(例如，运营商或代理设备)之间或者在计算机系统2000的节点之间交换数据。在各种实施方案中，网络2085可包括一种或多种网络，包括但不限于：局域网(LAN)(例如以太网或企业网)、广域网(WAN)(例如互联网)、无线数据网、一些其他电子数据网络，或它们的某种组合。在各种实施方案中，网络接口2040可例如支持经由有线或无线通用数据网络诸如任何合适类型的以太网网络的通信；经由电信/电话网络(诸如模拟语音网络或数字光纤通信网络)的通信；经由存储区域网络(诸如光纤通道SANs)、或经由任何其他合适类型的网络和/或协议的通信。

输入/输出设备2050在一些实施方案中可包括一个或多个显示终端、键盘、小键盘、触控板、扫描设备、语音或光学识别设备或适于由计算机系统2000输入或访问数据的任何其他设备。多个输入/输出设备2050可存在于计算机系统2000中，或者可分布在计算机系统2000的各个节点上。在一些实施方案中，类似的输入/输出设备可与计算机系统2000分开，并且可通过有线或无线连接诸如通过网络接口2040与计算机系统2000的一个或多个节点进行交互。

如图7所示，存储器2020可包括程序指令2022，该程序指令可为处理器可执行的，以实现用于支持集成相机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相机2090的接口软件。在一些实施方案中，由相机2090捕获的图像可被存储到存储器2020。此外，由相机2090捕获的图像的元数据可被存储到存储器2020。

本领域的技术人员应当理解，计算机系统2000仅仅是例示性的，而并非旨在限制实施方案的范围。特别地，计算机系统和设备可包括可执行所指示功能的硬件或软件的任意组合，包括计算机、网络设备、互联网设备、PDA、无线电话、寻呼机、摄像机或静态相机等等。计算机系统2000还可连接到未示出的其他设备，或者相反作为独立的系统来操作。此外，由所示出的部件所提供的功能在一些实施方案中可被组合在更少的部件中或者被分布在附加部件中。类似地，在一些实施方案中，所示出的部件中的一些部件的功能可不被提供，和/或其他附加功能可能是可用的。

本领域的技术人员还将认识到，虽然各种项目被示出为在被使用期间被存储在存储器中或存储装置上，但是为了存储器管理和数据完整性，这些项目或其部分可在存储器和其他存储设备之间进行传输。另选地，在其他实施方案中，这些软件部件中的一些或全部可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出的计算机系统2000进行通信。系统部件或数据结构中的一些或全部也可(例如作为指令或结构化数据)被存储在计算机可访问介质或便携式制品上以由合适的驱动器读取，其多种示例在上文中被描述。在一些实施方案中，存储在与计算机系统2000分开的计算机可访问介质上的指令可经由传输介质或信号诸如电信号、电磁信号或数字信号被传输到计算机系统2000，所述信号经由通信介质诸如网络和/或无线链路来传送。各种实施方案还可包括在计算机可访问介质上接收、发送或存储根据以上描述所实现的指令和/或数据。一般来讲，计算机可访问介质可包括非暂态计算机可读存储介质或存储器介质，诸如磁介质或光学介质，例如盘或DVD/CD-ROM、易失性或非易失性介质，诸如RAM(例如SDRAM、DDR、RDRAM、SRAM等)、ROM等。在一些实施方案中，计算机可访问介质可包括传输介质或信号，诸如经由通信介质诸如网络和/或无线链路而传送的电气信号、电磁信号、或数字信号。

在不同的实施方案中，本文所述的方法可以在软件、硬件或它们的组合中实现。此外，可改变方法的框的次序，并且可对各种要素进行添加、重新排序、组合、省略、修改等。对于受益于本公开的本领域的技术人员，显然可作出各种修改和改变。本文所述的各种实施方案旨在为例示的而非限制性的。许多变型、修改、添加和改进是可能的。因此，可为在本文中被描述为单个实例的部件提供多个实例。各种部件、操作和数据存储库之间的界限在一定程度上是任意性的，并且在具体的示例性配置的上下文中示出了特定操作。预期了功能的其它分配，它们可落在所附权利要求的范围内。最后，被呈现为示例性配置中的分立部件的结构和功能可被实现为组合的结构或部件。这些和其它变型、修改、添加和改进可落入如以下权利要求书中所限定的实施方案的范围内。

Claims

1.一种透镜系统，包括：

多个折射透镜元件，所述多个折射透镜元件沿所述透镜系统的光轴布置，其中所述多个透镜元件沿所述光轴从物侧到像侧依次包括：

具有正屈光力的第一透镜元件；

具有负屈光力的第二透镜元件；

具有正屈光力的第三透镜元件；

具有负屈光力的第四透镜元件；

具有正屈光力的第五透镜元件；和

具有负屈光力的第六透镜元件；

其中所述第一透镜元件和所述第三透镜元件由色散系数Vd>50的光学材料构成，并且其中所述第二透镜元件和所述第四透镜元件由色散系数Vd<30的光学材料构成。

2.根据权利要求1所述的透镜系统，其中所述透镜系统满足以下关系：

TTL/ImageH<1.7，

其中TTL为所述透镜系统的总光程长度，并且ImageH为所述透镜系统的像平面处的半对角线像高。

3.根据权利要求1所述的透镜系统，其中所述第五透镜元件和所述第六透镜元件由色散系数Vd>50的光学材料构成。

4.根据权利要求1所述的透镜系统，其中所述透镜系统满足以下关系：

T₃₄/TTL>0.07，并且

Z_h/T₃₄>0.5，

其中T₃₄为所述第三透镜元件和所述第四透镜元件之间的轴向间距，并且Z_h为所述第三透镜元件和所述第四透镜元件之间的在竖直距离Hep＝EPD*0.8/2处的偏轴间距，其中EPD为所述透镜系统的入射光瞳直径。

5.根据权利要求1所述的透镜系统，其中所述透镜系统满足以下关系：

0.15<Yo/f_系统<0.55，

其中Yo为所述第五透镜元件的像侧表面的最外侧水平顶点和所述光轴之间的竖直距离，并且f_系统为所述透镜系统的有效焦距。

6.根据权利要求1所述的透镜系统，其中所述透镜系统满足以下关系：

0.5<(f_系统/f1)<1，

其中f_系统为所述透镜系统的有效焦距，并且f1为所述第一透镜元件的有效焦距。

7.根据权利要求1所述的透镜系统，其中所述透镜系统满足以下关系：

0.4<(f_系统/f3)<0.78，

其中f_系统为所述透镜系统的有效焦距，并且f3为所述第三透镜元件的有效焦距。

8.根据权利要求1所述的透镜系统，其中所述透镜系统满足以下关系：

(R9+R10)/(R9-R10)<-3.2，

其中R9为所述第五透镜元件的物侧表面的曲率半径，并且R10为所述第五透镜元件的像侧表面的曲率半径。

9.根据权利要求1所述的透镜系统，其中所述第一透镜元件在近轴区域中具有凸面物侧表面，所述第二透镜元件在近轴区域中具有凹面像侧表面，所述第三透镜元件在近轴区域中具有凸面像侧表面，并且所述第四透镜元件在近轴区域中具有凸面像侧表面。

10.根据权利要求1所述的透镜系统，其中所述第五透镜元件在近轴区域中具有凸面物侧表面，其中所述物侧表面的至少一部分在周边区域中为凹面，并且在近轴区域中具有凹面像侧表面，其中所述像侧表面的至少一部分在周边区域中为凸面。

11.根据权利要求1所述的透镜系统，其中所述第六透镜元件在近轴区域中具有凸面物侧表面，其中所述物侧表面的至少一部分在周边区域中为凹面，并且在近轴区域中具有凹面像侧表面，其中所述像侧表面的至少一部分在周边区域中为凸面。

12.根据权利要求1所述的透镜系统，其中所述透镜系统还包括位于所述透镜系统的前顶点和所述第二透镜元件之间的孔径光阑。

13.根据权利要求12所述的透镜系统，其中所述透镜系统还包括位于所述第一透镜元件和所述第六透镜元件之间的至少一个次级孔径光阑。

14.一种相机，包括：

光电传感器，所述光电传感器被配置为捕获投射到所述光电传感器的表面上的光；和

透镜系统，所述透镜系统被配置为折射来自位于所述相机前面的物场的光，以在所述光电传感器的所述表面处或附近的像平面处形成场景的图像，其中所述透镜系统包括沿光轴从所述相机的物侧的第一透镜元件到所述相机的像侧的第六透镜元件依次布置的六个折射透镜元件，其中所述透镜系统满足以下关系：

T₃₄/TTL>0.07，并且

Z_h/T₃₄>0.5，

其中T₃₄为第三透镜元件和第四透镜元件之间的轴向间距，并且Z_h为所述第三透镜元件和所述第四透镜元件之间的在竖直距离Hep＝EPD*0.8/2处的偏轴间距，其中EPD为所述透镜系统的入射光瞳直径。

15.根据权利要求14所述的相机，其中所述第一透镜元件和第三透镜元件由色散系数Vd>50的光学材料构成，其中第二透镜元件和第四透镜元件由色散系数Vd<30的光学材料构成，并且其中第五透镜元件和所述第六透镜元件由色散系数Vd>50的光学材料构成。

16.根据权利要求14所述的相机，其中所述透镜系统满足以下关系：

TTL/ImageH<1.7，

0.15<Yo/f_系统<0.55，

(R9+R10)/(R9-R10)<-3.2，

0.5<(f_系统/f1)<1，并且

0.4<(f_系统/f3)<0.78，

其中TTL为所述透镜系统的总光程长度，ImageH为所述像平面处的半对角线像高，Yo为第五透镜元件的像侧表面的最外侧水平顶点和所述光轴之间的竖直距离，f_系统为所述透镜系统的有效焦距，R9为第五透镜元件的物侧表面的曲率半径，R10为所述第五透镜元件的像侧表面的曲率半径，f1为所述第一透镜元件的有效焦距，并且f3为所述第三透镜元件的有效焦距。

17.根据权利要求14所述的相机，其中：

所述第一透镜元件在近轴区域中具有凸面物侧表面；

第二透镜元件在近轴区域中具有凹面像侧表面；

所述第三透镜元件在近轴区域中具有凸面像侧表面；

所述第四透镜元件在近轴区域中具有凸面像侧表面；

第五透镜元件在近轴区域中具有凸面物侧表面，其中所述物侧表面的至少一部分在周边区域中为凹面，并且在近轴区域中具有凹面像侧表面，其中所述像侧表面的至少一部分在周边区域中为凸面；并且

所述第六透镜元件在近轴区域中具有凸面物侧表面，其中所述物侧表面的至少一部分在周边区域中为凹面，并且在近轴区域中具有凹面像侧表面，其中所述像侧表面的至少一部分在周边区域中为凸面。

18.根据权利要求14所述的相机，其中所述透镜系统的从所述第一透镜元件到所述第六透镜元件的屈光力的顺序为PNPNPN，其中P指示具有正屈光力的透镜，并且N表示具有负屈光力的透镜，并且其中所述透镜元件中的至少一个具有至少一个非球形表面。

19.一种设备，包括：

一个或多个处理器；

一个或多个相机；和

存储器，所述存储器包括能够由所述一个或多个处理器中的至少一个执行的程序指令，以控制所述一个或多个相机的操作；

其中所述一个或多个相机中的至少一个为包括以下的相机：

透镜系统，所述透镜系统被配置为折射来自位于所述相机前面的物场的光，以在所述光电传感器的所述表面处或附近的像平面处形成场景的图像，其中所述透镜系统包括沿光轴从所述相机的物侧的第一透镜元件到所述相机的像侧的第六透镜元件依次布置的六个折射透镜元件；

其中所述透镜系统的第五透镜元件在近轴区域中具有凸面物侧表面，其中所述物侧表面的至少一部分在周边区域中为凹面，并且在近轴区域中具有凹面像侧表面，其中所述像侧表面的至少一部分在周边区域中为凸面；

其中所述透镜系统满足以下关系：

TTL/ImageH<1.7，

(R9+R10)/(R9-R10)<-3.2，并且

0.15<Yo/f_系统<0.55，

其中TTL为所述透镜系统的总光程长度，ImageH为所述像平面处的半对角线像高，R9为所述第五透镜元件的物侧表面的曲率半径，R10为所述第五透镜元件的像侧表面的曲率半径，Yo为所述第五透镜元件的像侧表面的最外侧水平顶点和所述光轴之间的竖直距离，并且f_系统为所述透镜系统的有效焦距。

20.根据权利要求19所述的设备，其中所述第一透镜元件和第三透镜元件由色散系数Vd>50的光学材料构成，所述第二透镜元件和所述第四透镜元件由色散系数Vd<30的光学材料构成，并且所述第五透镜元件和所述第六透镜元件由色散系数Vd>50的光学材料构成。