CN114258507A - 折叠式相机镜头设计 - Google Patents
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Abstract
具有一总轨道长度(total track length,TTL)、小于1.2的光圈值及大视场,例如至少60度,的折叠式相机。这样的折叠式相机可以包括N个镜头元件,其中N≥7、一影像传感器以及一光路折叠元件,用于在一物体与一镜头之间提供一折叠光路,其中所述镜头的一孔径光阑位于比一距离d更靠近所述第一镜头元件的面向所述物体的一第一表面的位置,所述距离d满足d/TTL=0.2。
Description
相关申请
本申请要求2020年7月22日提交的美国临时专利申请No.63/054,862的优先权,全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种数字相机领域,尤其是涉及在这种数字相机中的折叠式光学设计。
定义
在本申请中,对于整份说明书及附图中提到的光学及其它特性,使用以下符号及缩写,所有这些都是本领域已知的:
-总轨道长度(Total track length,TTL):当包含镜头的一相机系统聚焦到一无限远物距时,沿平行于一镜头(或镜头组件)的光轴的一方向所测得的在一第一镜头元件L1的前表面S1的一点与一影像传感器之间的最大距离。
-后焦距(Back focal length,BFL):当包含镜头的一相机系统聚焦到一无限远物距时,沿平行于所述第一光轴的一方向所测得的在一镜头(或镜头组件)的最后一个镜头元件LN的后表面S2N的一点与一影像传感器之间的最小距离。
-有效焦距(Effective focal length,EFL):镜头元件L1至LN的一镜头组件的一后主点P’与一后焦点F’之间的距离。
-光圈值(f-number,f/#):EFL与一入瞳直径(entrance pupil diameter)的比率。
背景技术
用于例如智能手机的移动装置的双相機或三相機(或通常的多相機)是已知的。在典型的三相机中,一个相机具有一超宽(Ultra-Wide,UV)视场(field of view,FOV)FOVUW,另一个相机具有比FOVUW窄的一宽视场(Wide field of view)FOVW,而另一个相机具有比FOVW窄的一长焦视场(Tele field of view)FOVT。这些相机在本文中也分别称为超广角(或UW)相机、广角(或W)相机及长焦(或T)相机。一般来说,广角摄像头被认为是智能手机的主摄像头。
一相机镜头的所述光圈值(“f/#”)是有效焦距(EFL)与相机入瞳直径D的比率:f/#=EFL/D。入瞳(entrance pupil)是通过镜头系统的前孔径“看到”的孔径光阑(aperturestop)的光学影像。前孔径(front aperture)是镜头的物体侧光圈。智能手机的主相机需要低f/#,因为它具有3个主要优点:良好的低光灵敏度、强烈的“自然”散景效果及高影像分辨率,接下来将讨论:
1.与例如数字单反(digital single-lens reflex,DSLR)相机相比,低感光度是当今移动装置兼容相机的主要性能缺陷。例如,将相机的f/#减半(对于相同的EFL)会使光圈面积增加4倍,这意味着进入相机的光线增加了4倍。在捕捉低光场景时,这种差异尤其重要。
2.散景(Bokeh)是指一影像的失焦片段产生的模糊的美学质量,并且它对于当今的智能手机来说,这是一项非常需要的功能。散景效果与影像的景深(depth of field,DOF)成反比,其中DOF~f/#。低f/#有利于支持强烈的“自然”散景效果。由于当今智能手机相机中的f/#无法提供足够的“自然”散景,因此对强散景的需求由“人工”散景来满足,即人为地将模糊应用于失焦影像片段。
3.像素分辨率不断提高的影像传感器正在进入移动装置设备,2019年首次超过100百万像素。这(以及其他因素)是通过缩小单个像素的大小来实现的,即增加空间像素频率。为了将像素分辨率转换为影像分辨率,一相机镜头必须支持传感器的空间像素频率kPixel。对于设计良好的(衍射受限的)相机镜头,所述镜头的可分辨空间频率kLens与f/#成反比:kLens~1/f/#,即较低的f/#对应于较高的影像分辨率(假设一影像传感器具有足够的空间像素频率)。
最新的高端智能手机配备了f/#约为f/1.9(华为P40 Pro)和f/1.8(Apple iphone11Pro Max)的主广角相机。低f/#相机的一个主要挑战是镜头设计,以校正所需的大前孔径所带来的强烈像差,例如用于色差的校正。这通常通过包含大量镜头元件的一种更复杂的镜头设计来解决。然而,这通常会导致更大的总轨道长度(TTL)及更大的相机模块高度,这不利于实现纤薄智能手机设计的目标。
移动长焦相机的最新发展涉及使用一棱镜来“折叠”所述长焦相机:一反射或光路折叠元件(optical path folding element,“OPFE”)被添加到光路中,以便将光传播方向从垂直于一主机装置的背表面“折叠”(倾斜)到平行于主机装置的背表面。折叠式相机在一种纤薄相机设计中允许大TTL。
为了改进智能手机的主相机,采用低f/#的折叠式广角相机设计将是有益的。
发明内容
在各种实施例中,提供了折叠式相机,包括:具有N个镜头元件Li的一镜头,其中N≥7,所述镜头具一有效焦距(effective focal length,EFL),每一个Li具有一各自的焦距fi,其中一第一镜头元件L1面向一物体侧;一影像传感器;以及一光路折叠元件(opticalpath folding element,OPFE),用于在一物体与一镜头之间提供到所述镜头光轴的一折叠光路,其中折叠式相机具有一总轨道长度(total track length,TTL),其中所述镜头的一孔径光阑位于比一距离d更靠近所述第一镜头元件的面向所述物体的一第一表面的位置,所述距离d满足d/TTL=0.2,并且其中所述相机的一光圈值(f number,f/#)小于1.2。
在各种实施例中,提供了折叠式相机,包括:一镜头,其具一有效焦距(effectivefocal length,EFL),并且所述镜头包含N个镜头元件Li,其中N≥7,所述镜头元件具有一第一光轴,每一个镜头元件具有一各自的焦距fi并且包括一各自的前表面S2i-1及一各自的后表面S2i,所述镜头元件表面标记为Sk,其中1≤k≤2N,其中每一个镜头元件表面Sk具有一清晰高度值CH(Sk),其中最后一个表面S17的净高值CH(S17)大于或等于所述多个表面S2至S2N-1中的每一个的一净高值;一影像传感器;以及一光路折叠元件(optical path foldingelement,OPFE),用于在一物体与所述镜头元件之间提供一折叠光路,并且其中所述相机的一光圈值(f number,f/#)小于1.2。
在一些实施例中,f/#<1.1。
在一些实施例中,f/#≤1.0。
在一些实施例中,0.8<f/#≤1.0。
在一些实施例中,以上或以下的一种折叠式相机具有大于60度的一对角视场(field of view,FOV)。
在一些实施例中,|fi|>4倍EFL,对于1≤i≤3。
在一些实施例中,|fi|>5倍EFL,对于1≤i≤3。
在一些实施例中,镜头元件L5具有最强光学功率,即|f5|<|fi|,对于i≠5。
在一些实施例中,f5<EFL。
在一些实施例中,包括所述镜头元件L4及L5的一镜头子系统具有正折光力。
在一些实施例中,所述镜头元件L4的焦距f4及所述镜头元件L5的焦距f5满足|f4|<4倍f5。
在一些实施例中,所述镜头元件L4的焦距f4及所述镜头元件L5的焦距f5满足|f4|<3倍f5。
在一些实施例中,所述镜头在所述镜头元件之间包括至少一个空气间隙,所述空气间隙符合STD<0.020的条件,其中STD是一标准化间隙标准差。
在一些实施例中,所述镜头在所述镜头元件之间包括至少一个空气间隙,所述空气间隙符合STD<0.010的条件,其中STD是一标准化间隙标准差。
在一些实施例中,所述镜头元件L4与所述镜头元件L5之间的一空气间隙满足STD<0.020,其中STD是一标准化间隙标准差。
附图说明
下面参考在此段落之后列出的附图描述本文公开的实施例的非限制性示例。附图和描述意在阐明和阐明本文公开的实施例,并且不应以任何方式被认为是限制性的。不同附图中的相同元件可以用相同的数字表示。附图中的元件不一定按比例绘制。在附图中:
图1A以一透视图示出了可以用作一广角相机操作的一种已知数字折叠式相机;
图1B示出了图1A的所述相机的一侧视图;
图1C示出了一种已知的双相机,其包括如图1A及1B中的折叠式相机以及“直立”(非折叠式)相机;
图2A示出了根据本公开主题的一些示例的一种折叠式光学镜头系统的一示意图;
图2B示出了根据本公开主题的一些示例的另一种折叠式光学镜头系统的一示意图;
图2C示出了根据本公开主题的一些示例的又一种折叠式光学镜头系统的一示意图;
图2D示出了根据本公开主题的一些示例的再一种折叠光学透镜系统的示意图;
图3A示出了在一平面P上的两个撞击点IP1及IP2的正交投影IPorth,1、IPorth,2,所述平面P与图2A至图2D中的所述系统的所述镜头的所述光轴正交。
图3B示出了在一平面P上的两个撞击点IP3及IP4的正交投影IPorth,3、IPorth,4,所述平面P与图2A至图2D中的所述系统的所述镜头的所述光轴正交。
图4以图形方式提供了净高(clear height)的定义。
图5以图形方式提供了通光孔径(clear aperture)的定义。
图6提供了镜头元件Li的直径HLi的一图解说明。
图7示出了镜头元件的一分解图,说明镜头元件宽度WLi及高度HLi。
具体实施方式
在以下详细描述中,阐述了许多具体细节以提供透彻的理解。然而,本领域技术人员将理解,可以在没有这些具体细节的情况下实践当前公开的主题。在其他情况下,没有详细描述众所周知的方法,以免混淆当前公开的主题。
应当理解,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,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提供或以任何合适的子组合提供。
此外,为了清楚起见,这里使用术语“基本上”来暗示值在可接受范围内变化的可能性。根据一个示例,此处使用的术语“基本上”应该被解释为暗示可能超过或低于任何指定值的10%的变化。根据另一个示例,此处使用的术语“基本上”应该被解释为暗示可能超过或低于任何指定值的5%的变化。根据进一步的示例,此处使用的术语“基本上”应该被解释为暗示超过或低于任何指定值的最多2.5%的可能变化。
图1A及图1B示出了一种已知数字折叠式相机100,其例如可以用作广角相机。相机100包括一光路折叠元件(optical path folding element,OPFE)102,例如一棱镜、一镜头104,其具有多个镜头元件(在这个表示中不可见,但例如在图2A至图2D中可见)以及一影像传感器106。在一些实施例中(如图2A至图2D),所述多个镜头元件沿一第一光轴108轴对称。在其他实施例中,所述多个镜头元件可以不是轴对称的。例如,镜头元件可以被切割(或切块或切片)成一非圆形形状,如图2B所示。
至少一些镜头元件可以由称为“镜筒”110的一结构所保持。所述镜筒可以沿光轴108具有一纵向对称性。在图1A到图1C中,所述镜筒的横截面是圆形的。然而,这不是强制性的,并且其他形状可以用来,例如,承载切割镜头元件。
从一物体(未示出)到影像传感器106的光射线的路径定义了一光路(参见表示光路的部分的光路112及114)。
OPFE将光路从一第一光路112折叠到一第二光路114。光路114基本上平行于光轴108。所述光路因此被称为“折叠光路”(由光路112及114所表示)并且相机100被称为“折叠光路”。
特别是,在一些示例中,OPFE 102相对于光轴108大致倾斜45°。在图1A中,OPFE102相对于光路112也大致倾斜45°。
在一些已知示例中,影像传感器106位于基本上垂直于光轴108的一X-Y平面中。然而,这不是限制性的并且影像传感器106可以具有不同的方向。例如,并且如WO 2016/024192中所述,影像传感器106可以在XZ平面中。在这种情况下,一附加的OPFE可以用来将光线朝影像传感器106反射。
两个相机,例如一广角相机100及一普通UW相机130可以包括在数字相机150(也称为双相机)中。图1C中示出了一种可能的配置。
UW相机130可以包括一光圈132(指示所述相机的物体侧)及具有在Y方向上的对称(及光学)轴136的一光学镜头系统134(或“广角镜头模块”),以及一UW影像传感器138。所述UW相机包括配置成用以提供一UW影像的一UW镜头系统。如上所述,所述UW相机具有大于所述广角相机的视场FOVW的一视场FOVUW。例如,FOVUW可以是80至130度,而FOVW可以是60至90度。值得注意的是,在其他示例中,多个广角相机和/或多个长焦相机可以并入并在单一个数字相机中操作。一长焦相机的FOVT可以是例如20至50度。
现在注意图2A,其示意性地描绘了本文公开的并且编号为200的一光学镜头系统。镜头系统200包括一OPFE 202、一镜头(或“镜头组件”)204、一光学元件206及一影像传感器208。系统200以光线追踪来示出。光学元件206可以是例如红外线(IR)滤光片和/或一玻璃影像传感器防尘罩。光射线(在它们被棱镜202反射之后)穿过镜头204并在影像传感器208上形成影像。图2A示出了3个区域,每个区域有3条光线:上边缘光线、下边缘光线及主光线。在图2A的示例中,光射线在撞击影像传感器208之前穿过光学元件206。然而,这不是限制性的,并且在一些示例中,光学元件206不存在,即在一些镜头系统中,光学元件是可选的。
镜头204包括多个N个镜头元件Li 220(其中“i”是1及N之间的整数)。L1是最靠近所述物体(棱镜)侧的镜头元件,LN是最靠近所述影像侧的镜头元件,即影像传感器所在的一侧。这样的顺序适用于本文公开的所有镜头及镜头元件。镜头元件Li可以作为,例如,上述相机100的镜头元件。所述N个镜头元件沿一光轴210轴对称。每一个镜头元件Li包括一各自的前表面S2i-1(索引“2i-1”是前表面的编号)及一各自的后表面S2i(索引“2i”是后表面的编号),其中“i”是1到N之间的整数。这种编号惯例在整份说明书中使用。可替代地,正如在整份说明书中所做的那样,镜头表面被标记为“Sk”,k从1到2N。所述前表面及所述后表面在某些情况下可以是非球面的。然而,这不是限制性的。
如本文所用,术语每一个镜头元件的“前表面”是指位于更靠近所述相机的所述入口(相机物体侧)的镜头元件的表面,以及术语“后表面”是指位于更靠近所述影像传感器(相机影像侧)的镜头元件的表面。
在镜头系统200中,所述棱镜的一第一水平表面(沿Z方向定向),标记为T1,为10.93毫米(mm)。所述棱镜的一第二水平表面(沿X方向定向,未示出),并且标记为T2为12.6毫米。标记为V的棱镜(沿Y)的垂直表面为8.68毫米。棱镜的角度为45度。相对较大的棱镜尺寸允许大量光进入相机,这允许相机在本示例中具有1.0的低f/#。在其他实施例中,f/#可以是0.8至1.2。镜头204的孔径光阑位于距S2的距离d=-0.042厘米处,即距所述第一镜头元件的所述第一表面。对于镜头系统200中所示的非零场,大约80%的光到达影像传感器208。
如下所解释,可以为每一个表面Sk定义一净高值CH(Sk),其中1≤k≤2N)并且可以为每一个表面Sk定义一通光孔径值CA(Sk),其中1≤k≤2N)。CA(Sk)及CH(Sk)定义了每个镜头元件的每个表面Sk的光学特性。CH项是参照图4所定义的,CA项是参照图5所定义的,如下。
此外,为每一个镜头元件Li定义了一个高度(“HLi”,对于1≤i≤N)。对于每一个镜头元件Li,HLi对应于沿垂直于所述镜头元件的所述光轴的一方向测量的镜头元件Li的最大高度。对于给定镜头元件,高度大于或等于所述给定镜头元件的前表面及后表面的净高值CH及通光孔径值CA。通常,对于一轴对称镜头元件,HLi是镜头元件Li的直径,如图6所示。通常,对于轴对称镜头元件,HLi=max{CA(S2i-1),CA(S2i)}+机械零件尺寸。
一般来说,在镜头设计中,机械零件尺寸被定义为对镜头的光学特性没有贡献。因此,定义了镜头的两个高度:一光学活性区域(虚线)的一光学高度Hopt(对应于CA值)及所述镜頭的一几何(或机械)高度HL,其覆盖一光学活性区域及一光学非活性区域。所述机械零件尺寸对HLi的贡献通常为200至1000微米。
在镜头204中,最后一个镜头元件L8的最后一个表面S17,CA17的所述通光孔径大于镜头元件的所有其他表面Si的CA,即CA17>CAi,对于i<17。最后一个镜头元件L8的所述第一表面S16的CA,CA16,大于镜头元件的所有先前表面Si的CA,即CA16>CAi,对于i<16。
在镜头系统200中,N等于8。然而,这不是限制性的并且可以使用不同数量的镜头元件。根据一些示例,N等于或大于7。例如,N可以等于7、8、9或10。
在镜头系统200中,所述镜头元件的一些表面被表示为凸面,而一些表面被表示为凹面。然而,图2A的表示不是限制性的,可以使用凸面和/或凹面的不同组合,这取决于各种因素,例如应用、所需的光学功率等。
例如镜筒110的一镜筒可以承载镜头204。在一些实施例中,所述镜筒可以是圆形的,例如镜筒110。在其他实施例中,所述镜筒可以不是圆形的,而是可以具有例如如图7中的镜头元件的形状。参考图7,一非圆形镜筒可以具有一X轴或一Y轴作为对称轴。一非圆形镜筒例如可根据镜头,例如镜头204',的切割镜头元件而成形。一镜筒的高度可能仅略高于镜头中具有最大高度的镜头元件。例如,镜筒可能比最高的镜头元件高0至0.5毫米。例如,在共同拥有的国际专利申请PCT/IB2018/050988中描述了具有与最高镜头元件相同的高度的镜筒,所述申请的全部内容通过引用并入本文。
如图3A、图3B及图4中所示,穿过表面Sk(对于1≤k≤2N)的每一条光射线撞击在这种表面的一撞击点IP上。光射线从表面S1进入光学镜头系统200并且穿过表面S2到S2N。一些光射线可以撞击在任何表面Sk上但不能/不会到达影像传感器208。对于一给定表面Sk,仅考虑可以在影像传感器208上形成图像的光射线。CH(Sk)被定义为两条最接近的可能平行线之间的距离,参见图4中位于与镜头元件的光轴正交的一平面P上的线400及402。在图3A及图3B的表示中,平面P平行于平面X-Y并且正交于光轴103,使得平面P上的所有撞击点IP的正交投影IPorth位于两条平行线之间。可以为每个表面Sk(前表面及后表面,1≤k≤2N)定义CH(Sk)。
CH(Sk)的定义不依赖于当前成像的物体,因为它是指“可以”在影像传感器上形成影像的光射线。因此,即使当前成像的物体位于不产生光的一黑色背景中,所述定义也不涉及这个黑色背景,因为它指的是任何“可以”到达影像传感器以形成影像的光射线(例如,与黑色背景相反,光射线由于会发光的一背景发出)。
例如,图3A示出了在一平面P上的两个撞击点IP1及IP2的正交投影IPorth,1、IPorth,2,所述平面P与光轴103正交。举例来说,在图3A的表示中,表面Sk是凸面。
图3B示出了在一平面P上的两个撞击点IP3及IP4的正交投影IPorth,3、IPorth,4。例如,在图3B的表示中,表面Sk是凸面。
在图4中,在平面P上一表面Sk的所有撞击点IP的正交投影IPorth位于平行线400与402之间。因此,CH(Sk)是线400和402之间的距离。
注意到图5。根据当前公开的主题,对于每个给定表面Sk(对于1≤k≤2N),将一通光孔径CA(Sk)定义为圆的直径,其中所述圆是位于与光轴108正交的平面P中并且围绕平面P上所有撞击点的所有正交投影IPorth的最小可能圆。如上文关于CH(Sk)所述,注意CA(Sk)的定义也不依赖于当前成像的物体。
如图5所示,所有撞击点IP在平面P上的外接正交投影IPorth为一圆500。圆500的直径定义了CA(Sk)。
对于图2A中的镜头元件的示例,表1至表3中给出了详细的光学数据及表面数据。这些示例提供的值纯粹是说明性的,并且根据其他示例,可以使用其他值。
表面类型定义在表1,表面系数定义在表2中:
表面类型有:
a)Plano:平面,无曲率
b)Q类型1(Q type 1,QT1)表面垂度(sag)公式:
其中{z,r}为标准柱面极坐标(tandard cylindrical polar coordinates),c为表面的近轴曲率(paraxial curvature),k为锥度参数(conic parameter),rnorm通常是表面的通光孔径的一半,并且An为镜头数据表中的多项式系数。Z轴是朝向影像为正。
表1
CA的值给定为一通光孔径半径,即CA/2。参考波长为555.0纳米(nm)。除了折射率(“Index”)及阿贝值(Abbe#)外,单位毫米(mm)。每一个镜头元件Li具有一各自的焦距fi,如表1所示。
表2
表2(续)
在图2A的示例中,实现了以下光学特性:
-TTL=8.34毫米
-BFL=1.08毫米
-EFL=4.14毫米
-CA(S17)>CA(Sk),1<k≤2N
-CA(S16)>CA(Sk),1<k≤2N-1
-CA(S15)>CA(Sk),1<k<2N-2
-f/#=1.0
-传感器对角线(SD)为7毫米,传感器宽/高比为4:3
-最小CA/SD比率:CA(S4)/SD=0.57
-最大CA/SD比率:CA(S17)/SD=0.94
-对角视场(FOV)=80.44度、水平FOV=68.32度、垂直FOV=53.48度
-从孔径光阑到S2的距离d:d=-0.042毫米
-L1、L2及L3的功率(幅度)相对较低,所以|fi|>5倍EFL对于1≤i≤3
-L4及L5一起具有正功率,因此,对于包含L4及L5的镜头子系统,其厚度为d,如表1所示,其焦距为1/(f4+f5)=[1/f4+1/f5–d/(f4f5)]>0
-对于L5产量:f5<EFL
-L4及L5满足:|f4<3倍f5
-L4与L5之间的最小间隙:GapMin=0.04毫米
-L4与L5之间的最大间隙:GapMax=0.0745毫米
-L4与L5之间的平均间隙AVG4:AVG4=0.048毫米
-L4与L5之间的平均间隙AVG4(r)的STD4:STD4=3.42x10-3毫米。
镜头204可由镜筒高度为例如6.57毫米至7.2毫米的一镜筒承载。
在本说明书中,“间隙”或“空气间隙”是指连续镜头元件之间的空间。在镜头元件4及5的情况下,“间隙”是指L4的最后一个表面与L5的第一表面之间的空气空间。
每个间隙定义了许多函数和常数:
1.“Gapi(r)”函数(其中i是镜头元件编号,r与方程1中使用的变量相同)是:
a)对于i=1:L2S1的Gap1(r)=z(r)+(棱镜出射面与L2S1沿第二光轴的距离);
b)对于i>1:Gapi(r)=Li+1S1的z(r)+(LiS2与Li+1S1沿第二光轴的距离)-LiS2的z(r);
c)对于r=0,“轴上间隙”(OA_Gapi)定义为Gapi(r=0);
2.“间隙平均”(AVGi)常数由下式给出:
其中j是从0到N的离散变数,其中N是>10的整数,其中rnorm是表面{LiS2,Li+1S1}的最小值D/2。
3.标准化间隙标准差(STDi)常数由下式给出:
其中rnorm是曲面{LiS2,Li+1S1}的最小值D/2,N是>10的整数,并且AVGi定义在为(Eq.2)中。
现在注意到图2B,其示意性地描绘了本文公开的并且编号为200'的另一个光学镜头系统。镜头系统200'包括一OPFE 202、具有多个镜头元件的一镜头204'、一光学元件206及一影像传感器208。如图2A所示提供光线追踪。详细的光学数据及表面数据在表1及表2中给出。然而,L6及L8的所有表面以及L7的S15表面的孔径半径数据将在y方向上替换为2.5毫米(x方向没有变化)。
为了同时实现具有低f/#及低镜头高度的一种折叠式镜头系统,镜头元件被切割成一非圆形形状(通常称为“切割镜头”或“D型切割镜头”)。镜头元件是通过将镜头204'的大镜头元件切割成5毫米的高度(在Y方向上)而获得的。也就是说,镜头204'的高度HLi>5毫米的镜头元件Li(即L6、L7及L8)被切割成5毫米。所述切割镜头元件不像镜头元件204那样具有圆形对称性,但是它们的宽度大于它们的高度,即WLi>HLi(参见图7中的示例)。镜头204的高度HLi≤5mm的镜头元件Li不变。在切割时,镜头元件L6、L7及L8的CA很大,但CH仍然很低。这是有益的,因为在折叠式镜头设计中,镜头高度HL可以确定相机高度,其中相机高度通常受主机装置的高度的限制。具有大CA及低CH的镜头有利于兼容例如一智能手机的高度限制的低f/#折叠式镜头。镜头204'的镜头元件沿Y方向切割,意味着镜头元件HLi的高度小于其宽度WLi。镜头元件L1至L5的CA可以朝向任何方向,例如Y方向。在切割设计中,镜头元件L6、L7及L8的CA朝向X方向(此处未显示)。在其他实施例中,可以仅切割一个或仅两个镜头元件Li,即可以具有WLi>HLi。在又一些实施例中,可以切割多于3个镜头元件Li,即可以具有WLi>HLi。在又一些实施例中,所有镜头元件Li都可以被切割,即可以具有WLi>HLi。在其他实施例中,可以通过将镜头204的大镜头元件切割成例如4.5毫米或4毫米的高度(在Y方向上)来实现镜头204',即高度HLi>4.5毫米(即L4、L5、L6、L7和L8)或4毫米(即L1至L8)的镜头元件Li可以分别切割成4.5毫米或4毫米。在又一些实施例中,可以通过将镜头204的大镜头元件切割成例如3.5毫米或3毫米的高度(在Y方向上)来形成镜头204'。
在镜头系统200'中,棱镜尺寸与镜头系统200中的相同:T1=10.93毫米、T2=12.6毫米、V=8.68毫米。
除了图2A中描述的特性之外,在图2B的示例中,还实现了以下光学特性:
-CA(S12)=1.03x CH(S12)=2.58毫米
-CA(S13)=1.03x CH(S13)=2.58毫米
-CA(S15)=1.14x CH(S15)=2.85毫米
-CA(S16)=1.19x CH(S16)=2.97毫米
-CA(S17)=1.32x CH(S12)=3.29毫米
-CA(S17)>CA(Sk),1<k≤2N
-CA(S16)>CA(Sk),1<k≤2N-1
-CA(S15)>CA(Sk)<,1<k<2N-2
-对于所有镜头表面CH(Sk)≤毫米
-f/#=1.0
-最小CA/SD比率:CA(S4)/SD=0.57
-最大CA/SD比率:CA(S17)/SD=0.71
镜头204'可由镜筒高度为例如5.0毫米至5.5毫米的一镜筒承载。
图2C示意性地描绘了本文公开的另一个光学镜头系统,并且编号为200”。镜头系统200”包括一OPFE 202'、一镜头204、一光学元件206及一影像传感器208。如图2A所示提供光线追踪。详细的光学数据及表面数据在表1及表2中给出。与图2A及图2B中所示的OPFE相比,OPFE 202'具有7.82毫米的一较小棱镜高度(“V”)。较小的棱镜高度可能有利于实现纤薄的折叠式相机。
此处T1=9.815毫米、T2=12.6毫米、V=7.82毫米。对于镜头系统200"的非零场,与光学镜头系统200及200'相比,光的减少为8%或更少。对于零场,进入相机的光量没有变化。进入相机的大量光允许相机的f/#低至1.0。在其他实施例中,f/#可以是0.8至1.2。
图2D示意性地描绘了本文公开的又一个光学镜头系统,并且编号为200”。镜头系统200””包括一OPFE 202”、一镜头204、一光学元件206及影像传感器208。如图2A所示提供光线追踪。详细的光学数据及表面数据在表1及表2中给出。与图2C所示的OPFE 202'相比,OPFE 202”具有7.02毫米的一较小棱镜高度(“V”)。
此处T1=8.75毫米、T2=12.6毫米及V=7.02毫米。对于镜头系统200”’的非零视场,与镜头系统200和200’相比,光的减少为19%或更少。对于零场,进入相机的光量没有变化。进入相机的大量光允许相机的f/#低至1.0。在其他实施例中,f/#可以是0.8至1.2。
图2E示意性地描绘了本文公开的又一个光学镜头系统,并且编号为20。0””。镜头系统200””包括一OPFE 202”、一镜头204”、一光学元件206及一影像传感器208。如图2A所示提供光线追踪。详细的光学数据及表面数据在表1、表2中给出。然而,L6及L8的所有表面以及L5的S11及L7的S15表面的孔径半径数据将在y方向上替换为2.45毫米(x方向没有变化)。棱镜高度(沿Y轴测量)大于鏡頭204”的高度。整个镜頭系统200””的高度(沿Y轴测量)仅由棱镜高度决定,即镜头204”不会引入额外的“高度损失”。
与图2D所示的OPFE 202”相比,OPFE 202”棱镜高度更小,为6.00毫米。
镜头204”的镜头元件是通过将镜头204”的大镜头元件切割成4.9毫米的高度(在Y方向上)而获得的。即,镜头204”的高度HLi>4.9毫米的镜头元件Li(L6、L7及L8)被切割成4.9毫米。切割镜头元件不像镜头元件204那样具有圆形对称性,但是它们的宽度大于它们的高度,即WLi>HLi(参见图7中的示例)。在其他实施例中,可以通过将镜头204的大镜头元件切割成例如4.5毫米或4毫米的高度(在Y方向上)来实现镜头204”,即高度HLi>4.5毫米(即L4、L5、L6、L7及L8)或4毫米(即L1至L8)的镜头元件Li可以分别切割成4.5毫米或4毫米。
在图2B的描述中提供了关于切割镜头的进一步解释。此处T1=6.95毫米、T2=12.6毫米及V=6.00毫米。对于镜头系统200””中所示的非零场,大约55%至60%的光到达影像传感器208。对于镜头系统200””的非零场,与镜头系统200及200'的各自非零场相比,光的减少约为30%。减光主要是由较小的棱镜尺寸引起的。上边缘光线及下边缘光线对称地发生减光。对于镜头系统200””中的D型切割镜头及非D型切割镜头,到达影像传感器208的光量的差异小于5%。对于零场,进入相机的光量没有变化。进入相机的大量光允许相机的f/#低至1.0。在其他实施例中,f/#可以是0.8至1.2。镜头204”可以由镜筒高度为例如4.9毫米至5.5毫米的一镜筒所承载。
根据一些示例,至少部分的镜头元件在横截面(在平面X-Y中,所述平面与光学镜头系统正交且通常与光轴重合)中可以具有非圆形的形状(轮廓)。特别是,如图所示,例如在图7中,集成在镜筒710中的至少一些镜头元件的宽度WLi(沿X轴测量)大于它们的高度HLi(沿Y轴测量)。高度HLi可以对应镜头元件(包括机械零件)的总高度。在一些实施例中,镜头系统700中的镜头元件可以具有关于轴Y和/或关于轴X的对称性。
根据一些示例,WLi显着大于HLi(例如,至少高出等于或大于20%的百分比,这些值不是限制性的)。在一些示例中,WLi可以比HLi大于20%至70%的百分比。以折叠式镜头204’的镜头元件L8为例:WL8比HL8大32%。另一个例子是折叠式镜头204”的镜头元件L8:WL8比HL8大44%。
除非另有说明,在供选择的选项列表的最后两个成员之间使用“和/或”表达表示选择一个或多个所列选项是合适的并且可以进行。
应当理解,在权利要求或说明书提及“一个”或“一个”要素的情况下,这种提及不应被解释为仅存在该要素中的一个。
本说明书中提及的所有专利和专利申请在此通过引用的方式整体并入本说明书中,其程度与每个单独的专利或专利申请被具体和单独地通过引用并入本文的程度相同。此外,本申请中任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认此类参考文献可作为本公开的现有技术使用。
Claims (36)
1.一种折叠式相机,包括:
a)一镜头,其具一有效焦距(effective focal length,EFL),并且沿一镜头光轴所述镜头包含N个镜头元件Li,其中N≥7,其中一第一镜头元件L1面向一物体侧;
a)一镜筒,其承载所述镜头;
b)一影像传感器;以及
c)一光路折叠元件(optical path folding element,OPFE),用于将一第一光路折叠到一第二光路,其中所述第一光路平行于包含所述影像传感器的一平面,所述第二光路垂直于所述第一光路并且平行于所述镜头光轴;
其中所述折叠式相机具有一总轨道长度(total track length,TTL),其中所述镜头的一孔径光阑位于比一距离d更靠近所述第一镜头元件的面向所述物体的一第一表面的位置,所述距离d满足d/TTL=0.2,并且其中所述相机具有一光圈值(f number,f/#),所述光圈值<1.2。
2.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:所述光圈值<1.1。
3.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:所述光圈值≤1.0。
4.如权利要求1所述的折叠式相机,还包括一光学元件,其中所述光学元件位于所述镜头与所述影像传感器之间。
5.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:所述相机具有大于60度的一对角视场(field of view,FOV)。
6.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:至少一些所述镜头元件是一宽度WLi大于一高度HLi的切割镜头元件,其中所述高度HLi是沿平行于所述第一光路的一方向所测量的,并且其中所述WLi是沿垂直于所述第一光路且垂直于所述第二光路的一方向所测量的。
7.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:至少一些所述镜头元件具有一宽度WLi及一高度HLi,其满足所述宽度WLi/所述高度HLi>1.1。
8.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:至少一些所述镜头元件具有一宽度WLi及一高度HLi,其满足所述宽度WLi/所述高度HLi>1.2。
9.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:所述镜筒具有一镜筒高度,所述镜筒高度≤5.5毫米(mm)。
10.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:所述影像传感器具有一传感器对角线SD,所述传感器对角线>6毫米(mm)。
11.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:所述光路折叠元件具有一高度HO,所述镜头具有一高度HL,并且其中所述高度HO>所述高度HL,其中所述高度HO及所述高度HL是沿平行于所述第一光路的一方向所测量的。
12.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:一光路折叠元件高度HO>一镜筒高度HLB,其中所述光路折叠元件高度HO及所述镜筒高度HLB是沿平行于所述第一光路的一方向所测量的。
13.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:所述相机具有由所述光路折叠元件的一高度HO来确定的一高度HC,并且其中所述高度HO及所述高度HC是沿平行于所述第一光路的一方向所测量的。
14.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:|fi|>5倍所述有效焦距(5xEFL),对于1≤i≤3。
15.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:一镜头元件L5在所有镜头中具有一最强光学功率,|f5|<|fi|,对于i≠5。
16.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:f5<所述有效焦距(EFL)。
17.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:包括所述镜头元件L4及L5的一镜头子系统具有正折光力。
18.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:所述镜头元件L4的焦距f4及所述镜头元件L5的焦距f5满足|所述焦距f4|<4倍所述焦距f5(4xf5)。
19.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:所述镜头元件L4的焦距f4及所述镜头元件L5的焦距f5满足|所述焦距f4|<3倍所述焦距f5(3xf5)。
20.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:所述镜头在所述镜头元件之间包括至少一个空气间隙,所述空气间隙符合STD<0.020的条件,其中STD是一标准化间隙标准差。
21.如权利要求1所述的折叠式相机,其特征在于:所述镜头元件L4与所述镜头元件L5之间的一空气间隙满足STD<0.020,其中STD是一标准化间隙标准差。
22.一种折叠式相机,包括:
a)一镜头,其具一有效焦距(effective focal length,EFL),并且沿一镜头光轴所述镜头包含N个镜头元件Li,其中N≥7,每一个镜头元件具有一各自的焦距fi并且包括一各自的前表面S2i-1及一各自的后表面S2i,所述镜头元件表面标记为Sk,其中1≤k≤2N,其中每一个镜头元件表面Sk具有一清晰高度值CH(Sk),其中最后一个表面S2N的净高值CH(S2N)大于或等于所述多个表面S2至S2N-1中的每一个的一净高值;
b)一影像传感器;以及
c)一光路折叠元件(optical path folding element,OPFE),用于将一第一光路折叠到一第二光路,其中所述第一光路平行于包含所述影像传感器的一平面,所述第二光路垂直于所述第一光路并且平行于所述镜头光轴;
d)其中所述相机具有一光圈值(f number,f/#),所述光圈值<1.2。
23.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:所述光圈值<1.1。
24.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:所述光圈值≤1.0。
25.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:所述相机具有大于60度的一对角视场(field of view,FOV)。
26.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:|fi|>4倍所述有效焦距(4xEFL),对于1≤i≤3。
27.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:|fi|>5倍所述有效焦距(5xEFL),对于1≤i≤3。
28.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:一镜头元件L5在所有镜头中具有一最强光学功率,|f5|<|fi|,对于i≠5。
29.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:f5<所述有效焦距(EFL)。
30.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:包括所述镜头元件L4及L5的一镜头子系统具有正折光力。
31.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:所述镜头元件L4的焦距f4及所述镜头元件L5的焦距f5满足|所述焦距f4|<4倍所述焦距f5(4xf5)。
32.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:所述镜头元件L4的焦距f4及所述镜头元件L5的焦距f5满足|所述焦距f4|<3倍所述焦距f5(3xf5)。
33.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:所述镜头在所述镜头元件之间包括至少一个空气间隙,所述空气间隙符合STD<0.020的条件,其中STD是一标准化间隙标准差。
34.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:所述镜头在所述镜头元件之间包括至少一个空气间隙,所述空气间隙符合STD<0.010的条件,其中STD是一标准化间隙标准差。
35.如权利要求22所述的折叠式相机,其特征在于:所述镜头元件L4与所述镜头元件L5之间的一空气间隙满足STD<0.020,其中STD是一标准化间隙标准差。
36.如权利要求22所述的折叠式相机,还包括一光学元件,其中所述光学元件位于所述镜头与所述影像传感器之间。
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