CN111427218B - 成像系统及其双峰变焦透镜 - Google Patents

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Abstract

一种双峰变焦透镜包括三个同轴对准的透镜，包括第一透镜、第三透镜和其间的第二透镜。第一透镜是负透镜，第二透镜和第三透镜中的每一个是正透镜。三个同轴对准的透镜(i)当第二透镜和第一透镜被轴向距离L11分开时，形成第一配置和(ii)当第二透镜和第一透镜被轴向距离L12分开时，形成第二配置，其中轴向距离L12超过轴向距离L11。第二配置具有第二有效焦距，第二有效焦距超过第一配置的第一有效焦距。

Description

成像系统及其双峰变焦透镜
技术领域
本申请涉及影像技术领域，尤其涉及一种成像系统及其双峰变焦透镜。
背景技术
具有光学变焦功能的相机包括变焦透镜成像系统。在变焦透镜成像系统中，可以通过调节其变焦透镜来改变系统的放大倍率，从而允许对场景进行成像的灵活性。例如，如果期望场景的一部分的特写视图，那么可以将放大倍率设置为大值，从而将成像系统的图像传感器的全分辨率专用于小的场景部分。另一方面，如果期望整个场景的图像，那么可以将放大倍率设置为小值，从而允许成像系统捕获整个场景。
常规变焦透镜成像系统的缺点是调节变焦透镜会改变成像系统的轴向长度。当成像系统是紧凑型相机模块的一部分(诸如在诸如移动电话和平板电脑的便携式设备中采用的那些)时，这是特别不期望的。
发明内容
本文公开的实施例提出了一种变焦透镜，该变焦透镜被配置为在两种成像模式下操作：一种具有窄视场，而另一种具有宽视场，而不改变成像系统的总轨道长度。
在第一实施例中，双峰变焦透镜包括三个同轴对准的透镜，包括第一透镜、第三透镜和位于其间的第二透镜。第一透镜是负透镜，第二透镜和第三透镜中的每一个是正透镜。三个同轴对准的透镜(i)当第二透镜和第一透镜被轴向距离L11分开时，形成第一配置和(ii)当第二透镜和第一透镜被轴向距离L12分开时，形成第二配置，其中轴向距离L12超过轴向距离L11。第二配置具有第二有效焦距，第二有效焦距超过第一配置的第一有效焦距。
在第二实施例中，成像系统包括图像传感器和第一实施例的双峰变焦透镜，双峰变焦透镜被配置为在图像传感器的像素阵列上形成图像。
附图说明
图1是实施例中包括双峰变焦透镜的相机的示意图。
图2是处于第一成像配置的双峰变焦透镜的示意性剖面图，双峰变焦透镜是图1的双峰变焦透镜的实施例。
图3是处于第二成像配置的图2的双峰变焦透镜的示意性剖面图。
图4和图5分别示出了图2和3的双峰变焦透镜的示例性参数的第一表和第二表。
图6是示出由图4和5的参数表征的双峰变焦透镜的实施例的透镜性能度量的表。
具体实施方式
图1是用户197指导相机110对场景190进行成像的示意图。相机110包括与图像传感器114的像素阵列112对准的双峰变焦透镜100。双峰变焦透镜100和像素阵列112形成成像系统120，其中像素阵列112可以位于双峰变焦透镜100的像平面处。(为清楚起见，像素阵列112和双峰变焦透镜110在图1中被示为彼此垂直偏移。)双峰变焦透镜100可以通过透镜壳体122安装到图像传感器114，透镜壳体122也可以支撑并定位构成双峰变焦透镜100的多个透镜元件。图像传感器114可以通信地耦合到显示器119，显示器119可以是相机110的一部分。
像素阵列112具有宽度115和高度116，宽度115和高度116中的至少一个可以小于或等于1.1毫米。宽度115可以在770μm至870μm之间，而高度116可以在575μm至675μm之间。在实施例中，宽度115和高度116分别为820±10μm和625±10μm。具有如此小的像素阵列的图像传感器对于其中相机110的紧凑性重要的成像应用是有用的。例如，成像系统120和相机110中的任一个可以是医疗设备、移动设备或机动车辆的一部分。医疗设备包括内窥镜，其示例包括膀胱镜、肾镜、支气管镜、关节镜、结肠镜、食管胃十二指肠镜和腹腔镜。
双峰变焦透镜100具有第一和第二成像配置(或成像模式)，每个成像配置使得将场景190成像到像素阵列112上。在第一成像配置中，成像系统120具有与场景190的第一区域191对应的第一视场。在第二成像配置中，成像系统120具有与场景190的第二区域192对应的第二视场。第二区域192大于第一区域191。
图2是处于第一成像配置中的双峰变焦透镜200的示意性剖面图。图3是处于第二成像配置中的双峰变焦透镜200的示意性剖面图。双峰变焦透镜200是双峰变焦透镜100的示例。双峰变焦透镜200的第一和第二成像配置分别是图1的双峰变焦透镜100的对场景区域191进行成像的第一成像配置和对场景区域192进行成像的第二成像配置的示例。在下面的描述中，最好将图2和3一起查看。
双峰变焦透镜200包括透镜210、220、230和240。透镜210、220、230和240具有公共光轴207，使得它们同轴对准。双峰变焦透镜200还可以包括基板250、260、270和280中的至少一个。双峰变焦透镜200的孔径光阑可以或者在基板250和260之间或者在基板270和280之间。基板280可以是覆盖像素阵列112的盖玻璃，并且可以是图像传感器114的一部分。
透镜210-240具有相应的物侧表面211、221、231和241以及相应的像侧表面212、222、232和242。表面241的形状可以被构造为减小由双峰变焦透镜200形成的图像的场曲率。基板250-280具有相应的平面物侧表面251、261、271和281。基板280具有像侧表面282。图2和3示出了双峰变焦透镜200以其第一配置和第二配置在其上形成图像的像平面284。当在图1的成像系统120中实现双峰变焦透镜200时，像素阵列112可以位于像平面284处。
透镜210是负透镜。透镜220、230和240各自为正透镜。透镜220和230沿着光轴209隔开固定的轴向距离255。在包括基板250和260的双峰变焦透镜200的实施例中，固定轴向距离255例如是基板250和260的轴向厚度的和。透镜210具有直径217，其可以小于两毫米以实现双峰变焦透镜200以及因此相机110的足够紧凑性。
虽然图2和3将透镜220和230示出为不同的透镜，但是透镜220和230可以形成双凸透镜225，其可以是整体式透镜或复合透镜。双凸透镜225可以包括基板250和260中的至少一个。基板250和260可以是具有等于固定轴向距离255的轴向厚度的单个整体式基板。
在图2的透镜配置中，透镜210和透镜220被轴向距离215A分开，而透镜230和透镜240被轴向距离235A分开。在图3的透镜配置中，透镜210和透镜220被轴向距离215B分开，而透镜230和透镜240被轴向距离235B分开。轴向距离215B超过轴向距离215A；轴向距离235A超过轴向距离235B。当透镜210和220被轴向距离215A分开时，双峰变焦透镜200处于其第一配置或“窄配置”，而当透镜210和220被轴向距离215B分开时，处于其第二配置或“宽配置”。
图2的第一配置具有总轨道长度201、视场203和有效焦距205。图3的第二配置具有总轨道长度202、视场204和有效焦距206。总轨道长度201和202可以近似相等，这使得双峰变焦透镜200能够相对于附近的硬件部件(诸如图像传感器114和透镜壳体122)以对透镜200的位置的最小影响或没有影响而在其两种配置之间改变。例如，总轨道长度201与总轨道长度202的比率在0.9925和1.0075之间。
在双峰变焦透镜200的一个实施方式中，透镜210和240的位置相对于彼此固定，而透镜220和230的位置可以在不影响固定轴向距离255的情况下被轴向调节。总轨道长度201可以小于三毫米，以实现成像系统220以及因此还有相机110的足够紧凑。
双峰变焦透镜200可以被配置为使得透镜220和230沿着光轴207一起在图2的窄配置和图3的宽配置之间移动。例如，相机110可以包括线性致动器，该线性致动器被配置为在窄和宽配置之间移动透镜220和230，例如作为双凸透镜225。
在图2和3的透镜配置中，透镜210和240分别被相应的轴向距离208A和208B分开。轴向距离208A和208B在表面212和241之间，并且可以相等。透镜壳体122可以将轴向距离208A和208B中的每一个约束为固定距离，使得距离208A和208B相等。
虽然透镜210部分地确定视场203和204，但是轴向距离215A和215B也起作用，使得假如在像平面284处有恒定的最大像高285，则视场204可以超过视场203。图像高度285例如在0.49毫米和0.52毫米之间。有效焦距205可以超过有效焦距206。例如，有效焦距205与有效焦距206的比率可以超过1.99。
透镜210和230分别具有焦距213和233。焦距213与有效焦距205的比率可以在-1.02和零之间。焦距233与有效焦距205的比率可以在零和1.54之间。这些约束中的每一个都有助于在窄配置和宽配置之间维持期望的放大率。例如，当1/18英寸VGA图像传感器确定像平面284处的图像高度285时，焦距213和233相对于有效焦距205的上面提到的两个比率都得到满足确保窄配置的放大倍率是宽配置的放大倍率的两倍，使得双峰变焦透镜200用作2倍光学变焦透镜。
透镜210和透镜240可以包括从包括但不限于Schott K10玻璃和Arton D4532的材料组中选择的至少一种材料。透镜220可以由具有阿贝数VD＜35的材料形成，其促进双峰变焦透镜200的足够的消色差。例如，透镜220可以包括选自以下材料组中的至少一种材料，该材料组包括但不限于：聚碳酸酯，诸如Teijin Limited的
Figure GDA0003515515590000041
光学聚酯，诸如大阪市Gas Chemicals Co的OKP-4；以及光学玻璃，诸如Ohara Corporation的S-FTM 16。
基板250-280可以由相同的材料形成，该材料可以与包括透镜220、230和240中的至少一个的材料不同。基板250-280中的至少一个可以由光致抗蚀剂形成，诸如由环氧树脂形成，SU-8是环氧树脂的示例。此类基板材料有利于透镜组件(例如透镜220、230和240)及其基板的晶片级制造。
图4描绘了双峰变焦透镜200的第一实施例的表面和基板的示例性参数的表400。表400包括列404、406、408、410、412和421-427。列421表示双峰变焦透镜200的表面。
列423包括在光轴207上双峰变焦透镜200的相邻表面之间的厚度值。例如，表面212和221之间的轴向距离为0.2003毫米，在这个示例中为透镜210的轴向厚度。列426指示足以使光线入射在表面211上并通过透镜200'的孔径光阑以便还通过那个表面的每个表面的最小直径。
表400的非平面表面由等式1中所示的表面下陷zsag来定义。
Figure GDA0003515515590000051
在等式1中，zsag是径向坐标r的函数，其中方向z和r分别平行于和垂直于光轴207。数量i是正整数并且N＝6。在等式1中，参数R是表400的列422中列出的表面曲率半径。参数k表示列427中所示的圆锥常数。列404、406、408、410和412分别包含非球面系数α4、α6、α8、α10和α12的值。表400中的数量的单位与等式1中zsag的一致，以毫米表示。
列424列出了在自由空间波长λd＝587.6nm处的材料折射率的值。列425列出材料阿贝数Vd的值。与表面对应的折射率和阿贝数表征在该表面与下面一行中的表面之间的材料。例如，与表面211相关联的折射率是1.51，其是这个实施例中的透镜210的折射率。类似地，与表面221相关联的阿贝数是57.0，其是这个实施例中的透镜220的阿贝数。
表400在与表面212和232对应的表行中指示两个厚度。厚度0.1648mm和0.5715mm分别是图2的轴向距离215A和235A的示例，以下称为“窄配置400A”。厚度0.6904mm和0.0450mm分别是图3的轴向距离215B和235B的示例，以下称为“宽视场配置400B”。当双峰变焦透镜200具有窄配置400A时，其视场FOV、工作f数N、有效焦距和总轨道长度TTL分别是：FOV＝58°，N＝3.42，
Figure GDA0003515515590000052
和TTLA＝2.624mm。当双峰变焦透镜200具有宽视场配置400B时，其视场FOV、工作f数N、有效焦距和总轨道长度TTL分别是：FOV＝100°，N＝2.38，
Figure GDA0003515515590000053
和TTLB＝2.623毫米。
Figure GDA0003515515590000054
与
Figure GDA0003515515590000055
的比率为2.02。
在与表400对应的双峰变焦透镜200的实施例中，根据透镜制造者的等式，透镜210和透镜230的焦距分别为f210＝-0.833mm和f230＝1.212mm。f210与
Figure GDA0003515515590000056
的比率等于-0.992。f230与
Figure GDA0003515515590000057
的比率等于1.443。
在宽视场配置400B中，双峰变焦透镜200在光轴207上的0.04mm长范围内维持超过0.25的通过焦点的调制传递函数。总轨道长度TTLA与TTLB的比率为0.9996，因此在0.9925和1.0075之间，这确保上面提到的0.04mm长范围包括像平面284。
图5描绘了双峰变焦透镜200的第二实施例的表面和基板的示例性参数的表500。表500包括列504、506、508、510、512和521-527。列521表示双峰变焦透镜200的表面。
列523包括在光轴207上双峰变焦透镜200的相邻表面之间的厚度值。例如，表面212和221之间的轴向距离为0.2003毫米，这是这个示例中透镜210的轴向厚度。列526指示足以使光线入射在表面211上并通过透镜200'的孔径光阑以便还通过那个表面的每个表面的最小直径。
表500的非平面表面由等式1中所示的表面下陷zsag来定义。列522和523分别列出了曲率半径R和圆锥常数k的值。列504、506、508、510和512分别包含非球面系数α4、α6、α8、α10和α12的值。表500中的数量的单位与等式1中zsag的一致，以毫米表示。
列524列出了在自由空间波长λd＝587.6nm处的材料折射率的值。列525列出了材料阿贝数Vd的值。如表400所示，与表面对应的折射率和阿贝数表征在该表面与下面一行中的表面之间的材料。与表面221相关联的阿贝数为57.0，其是这个实施例中的透镜220的阿贝数。
表500在与表面212和232对应的表行中指示两个厚度。厚度0.1689mm和0.5761mm分别是图2的轴向距离215A和235A的示例，以下称为“窄配置500A”。厚度0.6934mm和0.0450mm分别是图3的轴向距离215B和235B的示例，以下称为“宽视场配置500B”。当双峰变焦透镜200具有窄配置500A时，其视场FOV、工作f数N、有效焦距和总轨道长度TTL分别是：FOV＝56°，N＝3.42，
Figure GDA0003515515590000061
和TTL＝2.624mm。当双峰变焦透镜200具有宽视场配置500B时，其视场FOV、工作f数N、有效焦距和总轨道长度TTL分别是：FOV＝99°，N＝2.38，
Figure GDA0003515515590000062
和TTL＝2.620mm。
Figure GDA0003515515590000063
与
Figure GDA0003515515590000064
的比率为2.007。
在与表500对应的双峰变焦透镜200的实施例中，根据透镜制造者的等式，透镜210和透镜230的焦距分别为f210＝-0.887mm和f230＝1.290mm。f210与
Figure GDA0003515515590000065
的比率等于-1.01。f230与
Figure GDA0003515515590000066
的比率等于1.471。
图6是示出与表400和表500对应的双峰变焦透镜200的实施例的透镜性能度量的表600。表400和500包括配置400A和500A，其是图2中示出的窄配置的示例。表400和500包括配置400B和500B，其是图3中示出的宽配置的示例。图6的性能度量包括针对425nm至640nm范围内的自由空间波长计算出的纵向像差、横向色差、畸变和场曲率。对于在表600的行602中列出的零和最大值之间的入射光瞳半径值，计算纵向像差。在0和0.4950mm之间的场高处计算横向色差。在零和最大视场角之间的视场角处计算畸变和场曲率，对于配置400A和500A，最大视场角为29.4度，而对于配置400B和500B，最大视场角为50.1度。
特征的组合
上面描述的特征以及下面要求保护的特征可以以各种方式组合而不脱离本发明的范围。以下列举的示例说明了一些可能的非限制性组合：
(A1)一种双峰变焦透镜包括三个同轴对准的透镜，包括第一透镜、第三透镜和其间的第二透镜。第一透镜是负透镜，第二透镜和第三透镜中的每一个是正透镜。三个同轴对准的透镜(i)当第二透镜和第一透镜被轴向距离L11分开时，形成第一配置和(ii)当第二透镜和第一透镜被轴向距离L12分开时，形成第二配置，其中轴向距离L12超过轴向距离L11。第二配置具有第二有效焦距，第二有效焦距超过第一配置的第一有效焦距。
(A2)在双峰变焦透镜(A1)中，在第一配置中，第二透镜和第三透镜可以被超过第二透镜和第一透镜之间的轴向距离L11的轴向距离L31分开。而且在双峰变焦透镜(A1)中，在第二配置中，第二透镜和第三透镜可以被小于第二透镜和第一透镜之间的轴向距离L12的轴向距离L32分开。
(A3)在双峰变焦透镜(A1)–(A2)中的任何一个中，第一配置可以具有总轨道长度T1，并且第二配置可以具有总轨道长度T2，其中0.9925<T1/T2<1.0075。
(A4)在双峰变焦透镜(A1)–(A3)中的任何一个中，第二配置可以具有超过第一配置的第一视场的第二视场。
(A5)在双峰变焦透镜(A1)–(A4)中的任何一个中，第一有效焦距与第二有效焦距的比率可以超过1.99。
(A6)在双峰变焦透镜(A1)–(A5)中的任何一个中，第一透镜的第一焦距与第一有效焦距的比率在-1.02和零之间。
(A7)在双峰变焦透镜(A1)–(A6)中的任何一个中，第二透镜可以包括物侧正透镜，以及在距其固定轴向距离处，位于第三透镜与物侧正透镜之间的像侧正透镜。
(A8)任何双峰变焦透镜(A7)还可以包括在物侧正透镜与像侧正透镜之间的基板。
(A9)在双峰变焦透镜(A8)中，基板可以由与形成第二透镜的第二透镜材料和形成第三透镜的第三透镜材料不同的基板材料形成。
(A10)在双峰变焦透镜(A7)–(A9)中的任何一个中，像侧正透镜的焦距与第一有效焦距的比率可以为正且小于1.54。
(A11)在双峰变焦透镜(A7)–(A10)中的任何一个中，物侧正透镜可以由阿贝数小于三十五的材料形成。
(A12)在双峰变焦透镜(A1)–(A11)中的任何一个中，第一透镜和第三透镜可以被固定的轴向距离分开，该固定的轴向距离在第一配置和第二配置之间是不变的。
(B1)一种成像系统包括图像传感器和被配置为在图像传感器的像素阵列上形成图像的双峰变焦透镜(A1)-(A12)之一。
(B2)在任何成像系统(B1)中，其中图像传感器包括像素阵列，该像素阵列在垂直于三个同轴对准的透镜所共有的光轴的平面中具有宽度和高度，并且宽度和高度中的至少一个可以小于1.1毫米。
(B3)成像系统(B1)和(B2)中的任何一个可以是内窥镜的一部分。
(B4)在成像系统(B1)至(B3)中的任何一个中，第二配置可以具有超过第一配置的第一视场的第二视场。
可以在不脱离本发明范围的情况下对以上方法和系统进行改变。因此，应当注意的是，以上描述中包含的或附图中所示的内容应当被解释为说明性的，而不是限制性的。除非另外指出，否则形容词“示例性”是指用作示例、实例或说明。以下权利要求旨在覆盖本文描述的所有一般和具体特征，以及本方法和系统的范围的所有陈述，就语言而言，可以说介于两者之间。

Claims (16)

1.一种双峰变焦透镜，包括：
三个同轴对准的透镜，包括第一透镜、第三透镜和其间的第二透镜，
第一透镜是负单透镜，第二透镜和第三透镜中的每一个是正透镜，
第二透镜是多元件透镜，多元件透镜包括物侧平凸正透镜、以及位于第三透镜与物侧平凸正透镜之间的距物侧平凸正透镜固定轴向距离处的像侧平凸正透镜；以及
基板，在物侧平凸正透镜和像侧平凸正透镜之间并且包括平面物侧表面和平面像侧表面，物侧平凸正透镜设置在平面物侧表面上，像侧平凸正透镜设置在平面图像侧表面上；
三个同轴对准的透镜是可配置的，(i)当第二透镜和第一透镜被轴向距离L11分开时，形成第一配置和(ii)当第二透镜和第一透镜被轴向距离L12分开时，形成第二配置，其中轴向距离L12超过轴向距离L11，
第一配置具有第一有效焦距，第一有效焦距超过第二配置的第二有效焦距。
2.如权利要求1所述的双峰变焦透镜，
在第一配置中，第二透镜和第三透镜被超过第二透镜和第一透镜之间的轴向距离L11的轴向距离L31分开；
在第二配置中，第二透镜和第三透镜被小于第二透镜和第一透镜之间的轴向距离L12的轴向距离L32分开。
3.如权利要求1所述的双峰变焦透镜，第一配置具有总轨道长度T1，第二配置具有总轨道长度T2，其中0.9925<T1/T2<1.0075。
4.如权利要求1所述的双峰变焦透镜，第二配置具有超过第一配置的第一视场的第二视场。
5.如权利要求1所述的双峰变焦透镜，第一有效焦距与第二有效焦距的比率超过1.99。
6.如权利要求1所述的双峰变焦透镜，第一透镜的第一焦距与第一有效焦距的比率在-1.02和零之间。
7.如权利要求1所述的双峰变焦透镜，还包括物侧平凸正透镜与像侧平凸正透镜之间的基板。
8.如权利要求7所述的双峰变焦透镜，基板由与形成第二透镜的第二透镜材料和形成第三透镜的第三透镜材料不同的基板材料形成。
9.如权利要求1所述的双峰变焦透镜，像侧平凸正透镜的焦距与第一有效焦距的比率为正且小于1.54。
10.如权利要求1所述的双峰变焦透镜，物侧平凸正透镜由阿贝数小于三十五的材料形成。
11.如权利要求1所述的双峰变焦透镜，第一透镜和第三透镜被固定的轴向距离分开，所述固定的轴向距离在第一配置和第二配置之间是不变的。
12.如权利要求1所述的双峰变焦透镜，第一透镜包括单个物侧表面和单个像侧表面。
13.一种成像系统，包括：
图像传感器；以及
如权利要求1所述的双峰变焦透镜，被配置为在图像传感器的像素阵列上形成图像。
14.如权利要求13所述的成像系统，其中图像传感器包括像素阵列，所述像素阵列在垂直于三个同轴对准的透镜所共有的光轴的平面中具有宽度和高度，并且宽度和高度中的至少一个小于1.1毫米。
15.如权利要求13所述的成像系统，其中所述成像系统是内窥镜的一部分。
16.如权利要求13所述的成像系统，第二配置具有超过第一配置的第一视场的第二视场。
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