CN112673295A - 用于成像系统的光线路径折叠结构及包括所述成像系统的电子设备 - Google Patents

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Abstract

一种光线路径折叠结构(1)，其包括反射通道(2)，所述反射通道(2)的中心轴线(C)在第一端(3)和第二端(4)之间延伸。光线路径(5)以角度(β)进入所述折叠结构(1)，使得垂直穿过所述第一端(3)的平面时所述光线路径(5)的宽度(Y)等于进入所述折叠结构(1)时所述光线路径(5)的宽度(X)乘以所述宽度(X)的平方根，使得
Figure DDA0002969095420000011
所述光线路径(5)通过与所述中心轴线(C)平行延伸的至少一个反射表面(6)在所述反射通道(2)内至少折叠一次。光线路径折叠结构使得包括所述折叠结构的电子设备具有薄型外形规格，同时仍然具有长焦距的成像系统。

Description

用于成像系统的光线路径折叠结构及包括所述成像系统的电 子设备
技术领域
本发明涉及一种用于电子设备的成像系统中的光线路径折叠结构。
背景技术
便携式电子设备的成像系统存在几个困难。移动电话等电子设备最好具有尽可能小的外部尺寸，而成像系统需要某些尺寸，以便提供足够好的图像清晰度、空间频率、灵敏度等。
一个问题涉及如何提供具有非常长焦距的移动相机，例如相当于传统280mm透镜系统的移动相机。
已经有人试图通过折叠光线路径来解决这个问题，例如卡塞格伦(Cassegrain)双反射系统。一个卡塞格伦实施例包括抛物面主反射镜和双曲面次反射镜，所述双曲面次反射镜将光线反射回去并向下穿过主反射镜中的孔洞。通过折叠光线路径，设计更加紧凑。
然而，次反射镜遮蔽了系统的入口孔的中央部分，仅留下环形入口孔，与包括完全开放的入口孔的设计相比，其性能显著降低。次反射镜越大，在较低空间频率下的调制传递函数(modulation transfer function，MTF)值就越小。MTF用于从分辨率和对比度方面量化系统的整体成像性能。
可以通过向成像系统提供更大的入口孔来改进MTF，减小了衍射并提高了弱光下的灵敏度。入口孔越大，光线路径越宽，因此成像系统的性能越好。
发明内容
目的是提供一种改进的光线路径折叠结构和一种具有改进性能的成像系统，所述光线路径折叠结构使得较宽的光线路径进入成像系统。上述和其它目的通过独立权利要求的特征实现。其它实现方式在从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。
根据第一方面，提供了一种光线路径折叠结构，所述折叠结构包括反射通道，所述反射通道的中心轴线在所述折叠结构的第一端和所述折叠结构的第二端之间延伸，所述第一端的平面和所述第二端的平面与所述中心轴线成锐角延伸，光线路径以某一角度进入所述折叠结构，使得垂直穿过所述第一端的所述平面时所述光线路径的宽度等于进入所述折叠结构时所述光线路径的宽度乘以所述宽度的平方根，使得
Figure BDA0002969095400000011
所述光线路径通过与所述中心轴线平行延伸的至少一个反射表面在所述反射通道内至少折叠一次。
这种折叠结构，即通过反射折叠光线路径的结构，具有比折叠结构的实际外部尺寸更长的焦距。当具有更长焦距的折叠结构用于相机等的成像系统时，放大倍数更高且视场角更窄。包括所述折叠结构的电子设备可以具有薄型外形规格，同时仍然具有长焦距。成角度的光线路径还允许一条穿过实际入口孔但比实际入口孔更宽的光线路径，且在该实际入口孔中，该相对更宽形式的光线路径随后进入折叠结构。
在第一方面的一种可能的实现方式中，所述第二端的所述平面与所述第一端的所述平面成90度角延伸，使得所述光线路径离开所述折叠结构时尽可能不受所述第二端的表面的影响。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述折叠结构包括棱镜和反射镜中的至少一个，从而允许根据特定反射要求设计的简单设计。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述折叠结构包括棱镜，所述折叠结构的所述第一端包括平坦表面，所述折叠结构的所述第二端包括平坦表面，所述反射通道包括在所述平坦表面之间延伸的至少一个反射内表面，从而提供一种易于安装到成像系统和电子设备中的一体式折叠结构。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，折叠结构包括由气隙隔开的至少两个棱镜或反射镜，每个棱镜包括至少一个反射内表面，从而有利于提供一种易于制造，同时仍然满足成像系统的特定要求的折叠结构。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，所述折叠结构包括按顺序设置在所述折叠结构的所述第一端和所述第二端之间的第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜，所述光线路径通过第一表面进入所述第一棱镜、第二棱镜和第三棱镜中的每一个，在第二表面折叠，并通过第三表面离开，所述第一棱镜的第三表面与所述第二棱镜的第一表面至少部分地平行延伸，所述第二棱镜的第三表面与所述第三棱镜的第三表面至少部分地平行延伸，从而提供一种可以满足不同的反射要求，同时仍然具有尽可能小的外部尺寸的折叠结构。
在第一方面的另一种可能的实现方式中，棱镜的每个第三表面与所述同一棱镜的所述第一表面至少部分地成90度角设置，棱镜的每个第二表面与所述同一棱镜的所述第一表面和所述第三表面至少部分地成45度角设置，使得多个棱镜不必考虑设计上的差别，以等间距按顺序组合和设置。
根据第二方面，提供了一种折叠光线路径成像系统，其包括第一透镜装置、根据上文所述的光线路径折叠结构和图像传感器，所述第一透镜装置设置在所述折叠结构的第一端并平行于所述第一端的平面，所述图像传感器设置在所述折叠结构的第二端并平行于所述第二端的平面，光线路径穿过所述第一透镜装置和所述折叠结构的所述第一端进入所述折叠结构的反射通道，所述光线路径通过至少一个反射内表面在所述反射通道内至少折叠一次，所述光线路径通过所述折叠结构的所述第二端离开所述反射通道并到达所述图像传感器。
根据本发明的成像系统有利于提供一种具有宽光线路径和长焦距，同时维持较小的外部尺寸的成像系统。包含成像系统的电子设备可以具有薄型外形规格，同时仍然具有长焦距。
在第二方面的一种可能的实现方式中，所述折叠光线路径成像系统包括第二透镜装置，所述第二透镜装置设置在所述折叠结构和所述图像传感器之间，有利于提供一个进一步改进的成像系统。
在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述折叠光线路径成像系统包括将所述光线路径引导到所述第一透镜装置中的外部棱镜，从而提供尽可能紧凑，同时仍然维持长焦距的成像系统。
在第二方面的另一种可能的实现方式中，所述外部棱镜是半五棱镜，使得将所述光线路径从垂直于设置有所述成像系统的所述电子设备的角度可靠且稳定地引导到所述折叠结构中。
根据第三方面，提供了一种电子设备，其包括壳体、设置在所述壳体内的根据上文所述的折叠光线路径成像系统以及设置在所述壳体的壁内的光线路径入口孔，所述入口孔的平面与所述成像系统的第一透镜装置成锐角设置。
成角度的入口孔径允许比实际入口孔宽的光线路径，使得电子设备可以包括较小的孔径，转而降低了成像系统的最外部组件例如因直接接触或若电子设备掉落而损坏的风险。
在第三方面的一种可能的实现形式中，所述入口孔是圆形的并且具有不被阻挡的内径，从而达到尽可能高的MTF值，并因此达到尽可能好的性能。
在第三方面的另一种可能的实现方式中，所述入口孔与所述第一透镜装置的平面成45度角设置，有利于所述光线路径的宽度与所述入口孔的直径之间的比率尽可能大。
在第三方面的另一种可能的实现方式中，穿过所述第一透镜装置的所述光线路径的宽度等于穿过所述入口孔的所述光线路径的宽度乘以所述宽度的平方根，使得
Figure BDA0002969095400000031
从而允许比实际入口孔宽的光线路径，使得电子设备可以包括较小的孔径。
在第三方面的另一种可能的实现方式中，当所述光线路径穿过所述入口孔时，所述光线路径与所述光线路径的方向成45度角到达所述成像系统的图像传感器，从而有利于提供一种成像系统，所述成像系统中的不同组件可以不必考虑设计上的差别，按顺序组合和设置，并且有利于提供一种电子设备(例如相机)，所述电子设备具有尽可能小的外部尺寸，同时还具有性能得到改进的成像系统。
这方面和其它方面从下面描述的实施例中显而易见。
附图说明
在本发明的以下详细部分中，将参考附图中所示的示例实施例更详细地解释各个方面、实施例和实现方式，其中：
图1示出了现有技术成像系统的示意性横截面侧视图。
图2a示出了根据图1所示的现有技术成像系统的入口孔的示意性俯视图。
图2b示出了根据本发明的一个实施例的入口孔的示意性俯视图。
图3示出了根据本发明的一个实施例的电子设备的示意性横截面侧视图。
图4示出了根据本发明的又一实施例的电子设备的示意性横截面侧视图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的折叠结构的示意性侧视图。
图6示出了根据本发明的又一实施例的折叠结构的示意性侧视图。
图7示出了根据本发明实施例的成像系统的示意性侧视图。
具体实施方式
图1示出了现有技术成像系统，其中光线路径基本上沿着成像系统的中心轴线延伸，所述成像系统具有对应于成像系统的实际外部尺寸的焦距，如沿着成像系统的中心轴线所见，因此，当所述成像系统用于移动电话或平板电脑等电子设备时，只能具有非常短的焦距。
图7示出了根据本发明的成像系统，由于在图3到图6中更详细地示出的光线路径折叠结构1，所述成像系统的焦距远长于成像系统的外部尺寸。
折叠结构1包括反射通道2，反射通道2的中心轴线C在折叠结构1的第一端3和折叠结构1的第二端4之间延伸。第一端3的表面(即平面)和第二端4的表面(即平面)与中心轴线C成锐角α延伸。
光线路径5以角度β进入折叠结构1，使得垂直穿过第一端3的平面时光线路径5的宽度Y等于进入折叠结构1时光线路径5的宽度X乘以所述宽度X的平方根，使得
Figure BDA0002969095400000032
光线路径5通过与中心轴线C平行延伸的至少一个反射表面6在反射通道2内至少折叠一次。
在一个实施例中，第二端4的平面与第一端3的平面成90度角延伸。然而，第二端4的平面可以与第一端3的平面成任何合适的角度延伸。
折叠结构1包括棱镜7和反射镜8中的至少一个。图7示出了包括一个棱镜7的折叠结构实施例，折叠结构1的第一端3以及折叠结构1的第二端4是平坦表面。折叠结构1的反射通道2包括至少一个反射内表面6，所述反射内表面6在所述平坦表面之间延伸并朝向折叠结构1的中心轴线C，所述反射内表面6实现了折叠结构1内的全内反射。
折叠结构1可以包括由气隙9隔开的至少两个棱镜7或反射镜8，每个棱镜7包括至少一个反射内表面6。图3和图4示出了包括反射镜的折叠结构实施例，所述反射镜设置在折叠结构的中心轴线C的对边上，并由横跨中心轴线C延伸的气隙隔开。反射镜8的反射内表面6朝向中心轴线C。图5和图6示出了包括三个棱镜7的折叠结构实施例，所述三个棱镜7按顺序设置，并由气隙隔开。棱镜8的反射内表面6朝向中心轴线C。
折叠结构1可以包括按顺序设置在折叠结构1的第一端3和第二端4之间的第一棱镜7a、第二棱镜7b和第三棱镜7c，如图5和图6所示。光线路径5通过第一表面10进入第一棱镜7a、第二棱镜7b和第三棱镜7c中的每一个，在第二表面6折叠，并通过第三表面11离开折叠结构1。第一棱镜7a的第三表面11与第二棱镜7b的第一表面10至少部分地平行延伸，第二棱镜7b的第三表面11与第三棱镜7c的第三表面11至少部分地平行延伸。
棱镜7可以是平面的，并且具有完全平坦的表面，或者棱镜7可以是自由形状的，并且具有至少部分凸或凹的表面，在这种情况下，弯曲表面的基部被认为是在相邻棱镜之间平行的平面。
棱镜7的每个第三表面11优选地与同一棱镜7的第一表面10至少部分地成90度角设置，棱镜7的每个第二表面6优选地与同一棱镜7的第一表面10和第三表面11至少部分地成45度角设置。然而，其它合适的角度是可能的，特别是当所述折叠结构包括多于三个棱镜7时。
在一个实施例中，光线路径折叠结构1与第一透镜装置13和图像传感器14一起设置在折叠光线路径成像系统12内，如图7所示。
第一透镜装置13设置在折叠结构1的第一端3并与第一端3的平面平行。相应地，图像传感器14设置在折叠结构1的第二端4并与第二端4的平面平行。
光线路径5穿过第一透镜装置14和折叠结构1的第一端3，并进入折叠结构1的反射通道2，其中光线路径5至少折叠一次。光线路径5通过三个反射内表面6在图7所示的折叠结构中折叠三次。此后，光线路径5通过折叠结构1的第二端4离开反射通道2并到达图像传感器14。
折叠光线路径成像系统12还可以包括设置在折叠结构1和图像传感器14之间的第二透镜装置15。
此外，可以使用外部棱镜16将光线路径5引导到第一透镜装置13中。外部棱镜16优选为半五棱镜，但是也可以具有任何其它合适的形状。
图3和图4示出了电子设备17的实施例，所述电子设备17包括设置在壳体18内的折叠光线路径成像系统12。电子设备还包括设置在壳体18的壁内的光线路径入口孔19。
图2a示出了在具有折叠光线路径成像系统的现有技术电子设备中使用的典型现有技术光线路径入口孔19。入口孔19的很大一部分被成像系统的一个反射镜阻挡。图2b示出了本公开的一个实施例，其中入口孔19是圆形的并且具有不被阻挡的内径D。入口孔19可以是完全圆形的或几乎完全圆形的。
入口孔19通常作为组件内的单独件制造，并且入口孔的尺寸、位置等的任何误差会影响成像系统的性能。
图3示出了入口孔19设置在电子设备17的背面的实施例。图4示出了入口孔19设置在电子设备17的侧面的实施例。
入口孔19的平面与成像系统12的第一透镜装置13的平面成锐角设置。在一个实施例中，入口孔19与第一透镜装置13的平面成45度角设置，然而，也可以为其它合适的角度。
入口孔19与第一透镜装置13之间成角度设置使得穿过第一透镜装置13的光线路径5的宽度Y等于穿过入口孔19的光线路径5的宽度X乘以所述宽度X的平方根，使得
Figure BDA0002969095400000051
在离开电子设备17的折叠结构1之后，当光线路径5穿过入口孔19时，光线路径5可以与光线路径5的方向成45度角到达成像系统的图像传感器14。图4示出了以0度穿过入口孔的光线路径5，以及以上述45度角到达成像系统的光线路径5。图3示出了以270度穿过入口孔的光线路径5，以及以225度，即与入口孔处的光线路径5的方向成45度角到达成像系统的光线路径5。成角度的光线路径使得电子设备17具有薄型外形规格，同时不限制入口孔19仅放置在壳体18的一侧。
本文结合各种实施例描述了各种方面和实现方式。然而，根据对附图、本发明和所附权利要求书的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现所公开实施例的其它变化。在权利要求书中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，术语“一”或者“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载的某些措施并不表示这些措施的组合不能被有效地使用。
权利要求书中所用的附图标记不应解释为限制了范围。

Claims (16)

1.一种光线路径折叠结构(1)，其特征在于，
所述折叠结构(1)包括反射通道(2)，所述反射通道(2)的中心轴线(C)在所述折叠结构(1)的第一端(3)和所述折叠结构(1)的第二端(4)之间延伸，所述第一端(3)的平面和所述第二端(4)的平面与所述中心轴线(C)成锐角(α)延伸；
光线路径(5)以角度(β)进入所述折叠结构(1)，使得垂直穿过所述第一端(3)的所述平面时所述光线路径(5)的宽度(Y)等于进入所述折叠结构(1)时所述光线路径(5)的宽度(X)乘以所述宽度(X)的平方根，使得
Figure FDA0002969095390000011
所述光线路径(5)通过与所述中心轴线(C)平行延伸的至少一个反射表面(6)在所述反射通道(2)内至少折叠一次。
2.根据权利要求1所述的光线路径折叠结构(1)，其特征在于，所述第二端(4)的所述平面与所述第一端(3)的所述平面成90度角延伸。
3.根据权利要求1或2所述的光线路径折叠结构(1)，其特征在于，所述折叠结构(1)包括棱镜(7)和反射镜(8)中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的光线路径折叠结构(1)，其特征在于，所述折叠结构(1)包括棱镜(7)，所述折叠结构(1)的所述第一端(3)包括平坦表面，所述折叠结构(1)的所述第二端(4)包括平坦表面，所述反射通道(2)包括在所述平坦表面之间延伸的至少一个反射内表面(6)。
5.根据权利要求3所述的光线路径折叠结构(1)，其特征在于，所述折叠结构(1)包括由气隙(9)隔开的至少两个棱镜(7)或反射镜(8)，每个棱镜(7)包括至少一个反射内表面(6)。
6.根据权利要求5所述的光线路径折叠结构(1)，其特征在于，所述折叠结构(1)包括按顺序设置在所述折叠结构(1)的所述第一端(3)和所述第二端(4)之间的第一棱镜(7a)、第二棱镜(7b)和第三棱镜(7c)；
所述光线路径(5)通过第一表面(10)进入所述第一棱镜(7a)、第二棱镜(7b)和第三棱镜(7c)中的每一个，在第二表面(6)折叠，并通过第三表面(11)离开；
所述第一棱镜(7a)的第三表面(11)与所述第二棱镜(7b)的第一表面(10)至少部分地平行延伸；
所述第二棱镜(7b)的第三表面(11)与所述第三棱镜(7c)的第三表面(11)至少部分地平行延伸。
7.根据权利要求6所述的光线路径折叠结构(1)，其特征在于，棱镜(7)的每个第三表面(11)与所述同一棱镜(7)的所述第一表面(10)至少部分地成90度角设置，棱镜(7)的每个第二表面(6)与所述同一棱镜(7)的所述第一表面(10)和所述第三表面(11)至少部分地成45度角设置。
8.一种折叠光线路径成像系统(12)，其特征在于，包括第一透镜装置(13)、根据权利要求1至7中任一项所述的光线路径折叠结构(1)和图像传感器(14)；
-所述第一透镜装置(13)设置在所述折叠结构(1)的第一端(3)并平行于所述第一端(3)的平面；
-所述图像传感器(14)设置在所述折叠结构(1)的第二端(4)并平行于所述第二端(4)的平面；
光线路径(5)穿过所述第一透镜装置(14)和所述折叠结构(1)的所述第一端(3)进入所述折叠结构(1)的反射通道(2)；
所述光线路径(5)通过至少一个反射内表面(6)在所述反射通道(2)内至少折叠一次，所述光线路径(5)通过所述折叠结构(1)的所述第二端(4)离开所述反射通道(2)并到达所述图像传感器(14)。
9.根据权利要求8所述的折叠光线路径成像系统(12)，其特征在于，还包括第二透镜装置(15)，所述第二透镜装置(15)设置在所述折叠结构(1)和所述图像传感器(14)之间。
10.根据权利要求8或9所述的折叠光线路径成像系统(12)，其特征在于，还包括外部棱镜(16)，所述外部棱镜引导所述光线路径(5)进入所述第一透镜装置(13)。
11.根据权利要求10所述的折叠光线路径成像系统，其特征在于，所述外部棱镜(16)是半五棱镜。
12.一种电子设备(17)，其特征在于，包括壳体(18)、设置在所述壳体(18)内的根据权利要求8至11中任一项所述的折叠光线路径成像系统(12)以及设置在所述壳体(18)的壁内的光线路径入口孔(19)；
所述入口孔19的平面与所述成像系统(12)的第一透镜装置(13)成锐角(β)设置。
13.根据权利要求12所述的电子设备(17)，其特征在于，所述入口孔(19)是圆形的并且具有不被阻挡的内径(D)。
14.根据权利要求12或13所述的电子设备(17)，其特征在于，所述入口孔(19)与所述第一透镜装置(13)的平面成45度角设置。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的电子设备(17)，其特征在于，穿过所述第一透镜装置(13)的光线路径(5)的宽度(Y)等于穿过所述入口孔(19)的光线路径(5)的宽度(X)乘以所述宽度(X)的平方根，使得
Figure FDA0002969095390000021
16.根据权利要求12至15中任一项所述的电子设备(17)，其特征在于，当所述光线路径(5)穿过所述入口孔(19)时，所述光线路径(5)与所述光线路径(5)的方向成45度角到达所述成像系统的图像传感器(14)。
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