CN114270240A - 折叠式数字相机镜头设计 - Google Patents

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罗伊·罗迪克
迈克尔·德罗
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Abstract

折叠式数字相机包括镜头系统，具有镜头及影像传感器，镜头具有N个镜头元件Li、有效焦距(EFL)及总轨道长度(TTL)，其中N大于等于6，其中每一个镜头元件具有各自的焦距fi，并且其中第一镜头元件L1面向物体侧；以及光路折叠元件(OPFE)，用于在物体与镜头之间提供折叠光路。在一些实施例中，镜头系统具有覆盖了从无限远到最小物体距离(MIOD)的聚焦范围，其中最小物体距离/有效焦距(MIDO/EFL)小于20或什至小于7。在一些实施例中，当折叠式数字相机聚焦在无限远时，最大主光线角(maximal chief ray angle,Max CRA)与折叠式数字相机的一视场(field of view,FOV)的一比率(Max CRA/FOV)小于0.25或什至小于0.15。

Description

折叠式数字相机镜头设计
相关申请
本申请要求2020年7月31日提交的美国临时专利申请No.63/059,200及2020年8月26日提交的美国临时专利申请No.63/070,501的优先权，它们的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镜头。
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来表示本领域已知的术语：
-总轨道长度(Total track length,TTL)：当系统聚焦到一无限远物距时，沿平行于一镜头的光轴的一轴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一最大距离。
-后焦距(Back focal length,BFL)：当系统聚焦到一无限远物距时，沿平行于一镜头的光轴的一轴测得的在最后一个镜头元件LN的后表面S2N的一点与一影像传感器之间的一最小距离。
-有效焦距(Effective focal length,EFL)：在一镜头(镜头元件L1至LN的组件)中，在所述镜头的一后主点P’与一后焦点F’之间的所述距离。
-光圈值(f-number,f/#)：EFL与一入瞳直径(entrance pupil diameter)的比率。
-主光线角(Chief ray angle,CRA)：一(影像侧)主光线是一镜头系统的出瞳中心(the center of the exit pupil)与一像点(image point)之间的连线。CRA是一主光线与所述镜头的光轴之间的角度。此处及下文中，与一物体侧主光线相比，我们指的是影像侧主光线及CRAs，所述物体侧主光线是一物点(object point)与一镜头系统的入瞳中心(thecenter of the entrance pupil)之间的连线。一最大主光线角(Max CRA)是存在于一镜头系统中的最大的主光线角(CRA)，所述镜头系统考虑了被所述镜头系统支持的所有场。
背景技术
多光圈相机(或“多相机”，其中以具有两个相机的“双相机”为例)正在成为可携式电子移动装置(例如智慧手机、平板电脑等)制造商的标准选择。一种多相机设置通常包括一宽视场(或“角度”)FOVW相机(“宽”相机或“W”相机)和至少一个附加的相机，或者俱有相同的FOV(例如一深度辅助相机)，具有一较窄(比FOVW)FOV(具有FOVT的远摄或“长焦(Tele)”相机)，或具有一超宽视野FOVUW(比FOVW更宽，“UW”相机)。
图1A及图1B示出了一种已知折叠式数字相机100。相机100包括一光路折叠元件(optical path folding element,OPFE)102，例如一棱镜或反射镜，一镜头104，其具有多个镜头元件(在此未示出，但是在图2A至图2D是可见的)及一影像传感器106。所述镜头元件可以是(如图2A至图2D所示)沿着一光轴108轴对称。在其它实施例中，所述镜头元件可以不是轴对称的。例如，镜头元件可以被切割(切块、切片)成一非圆形形状(未示出)。
至少一些镜头元件可以包括在一“镜筒”110中。所述镜筒可以具有沿光轴108的一纵向对称。在第1A图至第1C图中，这个镜筒的横截面是圆形的。然而，这不是强制性的，可以使用其他形状，例如用于托管切割镜头元件。
从一物体(未示出)到一影像传感器106的所述光线的所述路径定义了一光路(参见光路112和114，它们代表了所述光路的一部分)。光路折叠元件将所述光路从一第一光路112折叠到一第二光路114，后者基本上平行于光轴108。
特别是，在一些示例中，光路折叠元件102相对于光轴108以基本上45度倾斜。在图1A中，光路折叠元件102也可以相对于光路102以基本上45度倾斜。
在一些已知的示例中，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可以具有不同的取向。例如，如国际公开专利申请编号WO2016/024192所描述，影像传感器106可以位于XZ平面中。在这种情况下，一附加OPFE可以用来将所述光线朝影像传感器106反射。
两个相机，例如一广角相机100及一常规UW相机130可以包括在一数字相机150(也称为双相机)中。在图1C中示出了一种可能的配置。UW相机130可以包括一光圈132(指向所述相机的所述物体侧)及在Y方向上具有一对称(及光)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。如前所述，所述UW相机具有比FOVW更大的一视场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合并并且在一单一个数字相机中操作。一长焦相机的所述FOVT可以例如是20至50度。
“微距摄影(Macro-photography)”模式正成为智能手机相机的一流行的差异化因素。“微距摄影”是指拍摄靠近相机的物体，使得所述影像传感器上记录的影像几乎与实际拍摄的物体一样大。影像尺寸与物体尺寸的比率是物体对影像的放大率M，其定义为：
Figure BDA0003469806660000041
其中v是由镜头的第二(或“后”)主平面与影像的距离所定义的一镜头-影像距离，u是由物体到镜头的第一(或“前”)主平面的距离所定义的一物体-镜头距离。减号(-)通常没有明确提及。
在数字单眼相机(digital single-lens reflex,DSLR)中，一微距影像(Macroimage)定义为具有大约1：1或更大的一放大率M，例如，1：1.1。在智能手机中，“微距影像”指得可以是放大率M大约为10：1或什至5：1的影像。首批提供微距摄影功能的智能手机模块已进入消费市场，通常通过使用具有相对较短EFL(例如2.5毫米)的一UW相机来实现非常近的聚焦。
一UW相机可以聚焦到微距摄影所需的近距离(例如1.5厘米到15厘米)，但由于其焦距小且FOV大，因此其空间解析度较差。例如，考虑到一个焦距为2.5毫米的UW相机。当聚焦到在5厘米(镜头-物体距离)处的一物体时，所述UW相机将大约具有M＝19：1。这是根据薄镜头方程式
Figure BDA0003469806660000042
其中EFL＝2.5毫米、v＝2.6毫米及u＝50毫米。即使聚焦到接近1.5厘米时，所述UW相机的M也将大约为5：1。从这些短物体-镜头距离，例如u＝5厘米或更小，捕捉微距影像中的物体对一用户来说非常具有挑战性。例如，它可能会使影像的取景变得非常困难，可能会禁止拍摄流行的微距物体，例如活体(例如昆虫)的影像，并且可能会引入阴影并且使场景中的照明变得模糊。此外，UW相机具有一相对大的景深(depth of field,DoF)，即使对于微距影像也是如此。相对大的景深对应一低度光学散景，这是微距摄影中非常流行的效果。
在移动装置中设置一微距相机是有益处的，可以从一较大的镜头-物体距离(例如5-15厘米)以较大的物体对影像放大率(例如1：1至15：1)来捕捉微距影像，并且具有一高度光学散景。
发明内容
在各种实施例中，提供了一种折叠式数字相机，包括：一镜头系统，具有一镜头及一影像传感器，所述镜头具有N个镜头元件Li、一有效焦距(effective focal length,EFL)及一总轨道长度(total track length,TTL)，其中N大于等于6，其中每一个镜头元件具有一各自的焦距fi，并且其中一第一镜头元件L1面向一物体侧；一光路折叠元件(opticalpath folding element,OPFE)，用于在一物体与所述镜头之间提供一折叠光路；其中所述镜头系统具有覆盖了从无限远到一最小物体距离(minimal object distance,MIOD)的一聚焦范围，并且其中所述最小物体距离/所述有效焦距(MIDO/EFL)小于20。
在各种实施例中，提供了一种折叠式数字相机，包括：一镜头系统，具有一镜头及一影像传感器，所述镜头具有N个镜头元件Li、一有效焦距(effective focal length,EFL)及一总轨道长度(total track length,TTL)，其中N大于等于6，其中每一个镜头元件具有一各自的焦距fi，并且其中一第一镜头元件L1面向一物体侧；以及一光路折叠元件(opticalpath folding element,OPFE)，用于在一物体与所述镜头之间提供一折叠光路；其中当所述折叠式数字相机聚焦在无限远时，一最大主光线角(maximal chief ray angle,MaxCRA)与所述折叠式数字相机的一视场(field of view,FOV)的一比率(Max CRA/FOV)小于0.25。
在一些实施例中，所述最小物体距离/所述有效焦距(MIDO/EFL)可以小于15、13、10或甚至小于7。
在一些实施例中，对于在所述聚焦范围内的任何物体的一最大场曲率(maximumfield curvature,MFC)可以小于50微米。
在一些实施例中，所述折叠式数字相机可以具有小于4、3或甚至小于2.5的一光圈值(f number)。
在一些实施例中，所述镜头元件可以通过大于所述总轨道长度的8分之一、7分之一或什至6分之一的一大间隙来分成两个镜头元件组。
在一些实施例中，所述镜头元件可以分成具有一有效焦距EFL1的一第一镜头元件组及具有一有效焦距EFL2的一第二镜头元件组，并且其中所述有效焦距EFL1与所述有效焦距EFL2的一比率(EFL1/EFL2)偏离1不超过20％或什至不超过10％。
在一些实施例中，所述折叠式数字相机还可以包括一聚焦机构，使所述折叠式数字相机基于一音圈马达来进行聚焦。
在一些实施例中，所述第一镜头元件L1及一第二镜头元件L2可以由一阿贝值(Abbenumber)大于50的一材料所制成。
在一些实施例中，所述总轨道长度/所述有效焦距(TTL/EFL)可以小于1.5、1.4或什至小于1.3。
在一些实施例中，最后一个镜头元件LN的一焦距fN与所述总轨道长度的一比率(fN/TTL)可以小于1.0、0.9、0.8、0.75或甚至小于0.7。
在一些实施例中，所述最大主光线角/所述视场(Max CRA/FOV)可以小于0.2或甚至小于0.15。
在一些实施例中，对于在所述聚焦范围内的任何物体的一最大场曲率(maximumfield curvature,MFC)可以小于50微米。
附图说明
下文参考在此段落之后列出的所附附图来描述本文公开的实施例的非限制性示例。附图和描述旨在阐明和阐明本文公开的实施例，并且不应被视为以任何方式进行限制。
图1A以一透视图示意性地示出了一种已知折叠式数字相机。
图1B以一侧视图示意性地示出了图1A的所述相机。
图2A示意性地示出了本文公开的一光学镜头系统。
图2B示意性地示出了本文公开的另一个光学镜头系统。
图2C示意性地示出了本文公开的又一个光学镜头系统。
图2D示意性地示出了本文公开的聚焦到无限远的再一个光学镜头系统。
图2E示意性地示出了图2D聚焦到100毫米(mm)的所述镜头系统。
图2F示意性地示出了图2D聚焦到50毫米(mm)的所述镜头系统。
图2G示意性地示出了本文公开的一光学镜头系统，其具有切割成一非圆形形状的镜头元件。
图2H示意性地示出了本文公开的另一个光学镜头系统，其具有切割成一非圆形形状的镜头元件。
图2I示意性地示出了本文公开的又一个光学镜头系统，其具有切割成一非圆形形状的镜头元件。
图2J示意性地示出了本文公开的再一个光学镜头系统，其具有切割成一非圆形形状的镜头元件。
图2K示意性地示出了本文公开的聚焦到无限远的再一个光学镜头系统。
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WL及高度HL。
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。
图2A至图2J示出了本文公开的各种镜头系统。在图2A至图2J中的所有镜头系统可以包括在例如图1A及图1B中所示的一种折叠式数字相机。
图2A示意性地示出了本文公开的并且标号为200的一光学镜头系统。镜头系统200包括一镜头204、一光学元件206及一影像传感器208。镜头系统200以光线追踪来显示。光学元件206可以是例如一红外线(infra-red,IR)滤光片和/或一玻璃影像传感器防尘罩。光线(在它们被棱镜202反射后)穿过镜头204并且在影像传感器208上形成一影像。图2A示出了3个场，每个场有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，所述光线在撞击到影像传感器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，不存在光学元件206。也就是说，在一些设计中所述光学元件可以是可选的。
镜头204包括多个N个镜头元件Li，其中“i”是1与N之间的整数。在镜头系统200中，N等于6。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5。例如，N可以等于5、6、7、8、9或10。L1是最靠近所述物体(棱镜)侧的所述镜头元件，LN是最靠近所述影像侧的镜头元件，即所述影像传感器所在的一侧。这个顺序适用于本文公开的所有镜头及镜头元件。镜头元件Li可用来例如作为类似于相机100的一相机的镜头元件。所述N个镜头元件沿着一光(镜头)轴210轴对称。每一个镜头元件Li包括各自的一前表面S2i-1(索引“2i-1”是所述前表面的编号)及各自的一后表面S2i(索引“2i”是所述后表面的编号)。在整个说明书中使用这样的编号约定。可替代地，如本说明书中所做的，镜头表面标记为“Sk”，其中k从1到2N。在某些情况下，所述前表面及所述后表面可以是非球面的。然而，这不是限制性的。
如本文所使用，术语每个镜头元件的“前表面”指的是位于靠近所述相机入口(相机物体侧)的一镜头元件的所述表面，并且术语“后表面”指的是位于靠近所述影像传感器(相机影像侧)的一镜头元件的所述表面。
如下所述，可以为每个表面Sk(对于1≤k≤2N)定义一净高(clear height)值CH(Sk)及一通光孔径(clear aperture)值CA(Sk)。CA(Sk)及CH(Sk)定义了每一个镜头元件的每一个表面Sk的光学特性。CH是参考图4来定义的，而CA是参考图5来定义的。
此外，为每一个镜头元件Li定义了高度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轴所测得的镜头元件Li的最大高度。对于一给定镜头元件，各自的HLi大于或等于所述给定镜头元件的所述前表面及后表面的CH及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，对于一轴对称镜头元件，HLi＝max{CA(S2i-1),CA(S2i)}+一机械零件尺寸。通常，在镜头设计中，所述机械零件尺寸定义成对所述镜头的光学特性没有影响。因此，一个定义了镜头元件Li的两个高度，一光学活性区域602的一光学高度Hopt,i(对应于所述CA值)及一整个镜头区域604的所述镜头HLi的一几何高度，所述整个镜头区域604覆盖了一光学活性区域及一光学非活性区域。所述机械零件及其特性定义如下。所述机械零件尺寸对HLi的贡献通常为200至1000微米(μm)。
在镜头系统200中，所述镜头元件的一些表面呈现为凸面，而一些呈现为凹面。然而，图2A的表示不是限制性的，并且可以使用凸面和/或凹面的不同组合，这取决于各种因素，例如应用、期望的光功率等。
如图3A、图3B及图4所示，穿过一表面Sk的每一个光线撞击到这个表面上的一撞击点IP上。光线从表面S1进入光学镜头系统200并且穿过表面S2到表面S2N。一些光线可以撞击任何表面Sk，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上形成一影像的光线。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中位于与所述镜头元件的光轴正交的一平面P上的线400与402。在图3A及图3B的表示中，平面P平行于平面X-Y并且与光轴302正交，使得在平面P上的所有撞击点IP的所述正交投影IPorth位于两条平行线之间。
CH(Sk)的定义不取决于当前成像的所述物体，因为它指的是“可以”在所述影像传感器上形成一影像的光线。因此，即使所述当前成像的物体位于不产生光的一黑色背景中，所述定义也不是指这种黑色背景，因为它指的是“可以”到达所述影像传感器以形成一影像的任何光线(例如，与一黑色背景相反，由会发光的一背景所发出的光线)。
图3A示出了在平面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302正交。举例来说，在图3A的表示中，表面Sk是凸面的。
图3B示出了在平面P上的两个撞击点IP3及IP4的正交投影IPorth,3、IPorth,4。举例来说，在图3B的表示中，表面Sk是凹面的。
在图4中，在平面P上的一表面Sk的所有撞击点IP的正交投影IPorth位于平行的线400与402之间。
注意到图5。根据本公开的主题，对于每一个给定表面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所述光轴108正交的一平面P中并且环绕平面P上所有撞击点的所有正交投影IPorth的最小可能圆。如上所述，关于CH(Sk)，CA(Sk)的定义也不取决于当前成像的所述物体。如图5所示，在平面P上的所有撞击点IP的外接正交投影IPorth是一圆500。圆500的直径定义了CA(Sk)。
表1至表3给出了图2A中镜头元件的示例的详细光学数据及表面数据。为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中。表面的系数定义在表2中。表面类型为：
a)Plano：平面，无曲率
b)Q型1(Q type 1,QT1)表面垂度(sag)公式：
Figure BDA0003469806660000111
Figure BDA0003469806660000112
Figure BDA0003469806660000113
Figure BDA0003469806660000114
Figure BDA0003469806660000115
Figure BDA0003469806660000116
Figure BDA0003469806660000117
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。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。所述视场FOV给定为半视场(half FOV,HFOV)。表面类型、Z轴、CA值、参考波长、单位、焦距及HFOV的定义适用于表1至表17。
Figure BDA0003469806660000121
表1
Figure BDA0003469806660000131
表2
表3提供了关于随着物体-镜头距离镜头系统200特性的变化的细节。所述物体-镜头距离定义为所述物体到所述镜头的第一主平面的距离。
表4提供了关于镜头系统200的最大(影像侧)CRA的细节。对于数个物体-镜头距离(“物体”)，给定了最大主光线角(maximum CRA)及半视场(Half FOV,HFOV)。数据指3.5毫米的区域，对应于所述影像传感器的一边缘(即，感测器对角线的上端)。
为了实现较小的最大CRA值，最后一个镜头元件LN的焦距fN小于所述镜头的总轨道长度(TTL)。镜头204的TTL为18毫米。对于镜头204，f6＝12.05毫米，fN/TTL的比率＝0.67。
Figure BDA0003469806660000141
表3
Figure BDA0003469806660000142
表4
镜头系统200的聚焦范围是从无限远至100毫米。一镜头系统的聚焦范围定义为通过一相机机构可以聚焦到的所有物体-镜头距离，所述相机机构控制镜头与影像传感器之间的距离。也就是说，对于位于所述聚焦范围内的每一个物体，聚焦机构可以设置一特定镜头-影像传感器距离，从而为所述物体的影像带来最大对比度。最大对比度意味着对于所述特定镜头-影像传感器距离之外的镜头-影像传感器距离，所述物体的对比度会降低。所述最小物体距离(minimal object distance,MIDO)定义为所述聚焦范围的下限，即MIOD是所述镜头系统可以聚焦到的最小物体-镜头距离。对于镜头系统200，MIOD为100毫米。镜头系统200可以从无限远到100毫米连续地聚焦，即可以实现在无限远到100毫米之间的任何聚焦位置(以及在0与-0.153之间的任何放大率)。
为了使用镜头204来聚焦，所有镜头元件一起移动。要将焦点从无限远变化到100毫米，需要2.272毫米的镜头移动(“镜头行程(lens stroke)”)。为了移动所述镜头，可以使用本领域已知的致动器，例如一音圈马达(voice coil motor,VCM)。美国临时专利申请No.63,059,200中描述了用于大行程线性位置感测的一霍尔感测器-磁铁几何结构，其对于支持大行程(例如，2毫米或更大)的VCM是必需的。在MIOD处，镜头系统200实现了-0.153的放大率，对应于约6.5：1的一物体-影像比率。所述HFOV从聚焦到无限远时的13.25度降低到聚焦到MIOD时的12.34度。
对于在所述聚焦范围内的任何物体，镜头系统200具有小于50微米(μm)的一最大场曲率(maximum field curvature,MFC)。MFC可以定义如下：当将如镜头204的一镜头放置在与如影像传感器208的平面影像传感器相距v距离时，所述光轴上的影像点将处于完美聚焦，但所述光轴之外的影像点将不会聚焦在所述影像传感器，而是聚焦在小于v的一距离v’处，其中v’对于所有影像点都小于MFC。
例如镜头204的一镜头可以分成两个镜头组，一第一镜头组(“聚焦组”或“G1”)及一第二镜头组(“CRA校正组”或“G2”)。在镜头204中，所述聚焦组包含镜头元件L1、L2、L3及L4。所述CRA校正组包含镜头元件L4和L5。所述聚焦组与所述CRA校正组在空间上彼此分隔开3.954毫米的一大间隙(BG)。G1的所有镜头元件一起具有EFL1＝14.71毫米。G2的所有镜头元件一起具有EFL2＝13.55毫米。
在图2G中所示的另一个镜头系统250实施例，并且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，镜头元件切割成一非圆形形状(“D切割”)。通过切割镜头204的大镜头元件成例如6毫米的高度(在Y方向)可以获得切割镜头元件，使得所述镜头现在是一切割镜头204-C。即，高度HLi>6毫米的镜头204(即L1、L5及L6)的镜头元件Li被切割成6毫米。镜头元件在Y方向上被切割。切割是对称进行的，即所述切割顶部(由图2A中较大的Y值所定义)的尺寸与所述切割底部(由图2A中较大的Y值所定义)的尺寸相同。在204-C中的所述切割镜头元件没有如同镜头元件204的圆形对称；它们的宽度大于它们的高度，即WLi>HLi(参见图7中的示例)。高度HLi≤6毫米的镜头204的镜头元件Li没有改变。至于切割，切割镜头元件L1、L5及L6具有较大的CA但仍然较低的CH。这在一折叠式镜头设计中是有益的，其中一镜头高度HL可以确定所述相机的高度，其中所述相机高度通常受所述主装置的一高度所限制。具有大CA及低CH的一种折叠式镜头有利于具有一低f/#折叠式镜头，所述低f/#折叠式镜头可以兼容于例如一智能手机的高度限制。镜头元件L2、L3及L4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L1、L5及L6的CA定向在X方向(此处不可见)。
通过切割所述镜头元件，光线在极端光线会损失，但预计中心光线不会损失光线。光损失以所述影像平面处通过的光线穿透百分比在座标(X,Y)＝(0,2.1毫米)的一影像传感器边界处给出，即从所述光轴向上移动2.1毫米：
-无限远：92.49％
-1米(m)：92.22
-0.5米(m)：91.94％
-20厘米(cm)：91.01％
-10厘米(cm)：89.43％
在其它实施例中，可能切割仅一个或仅两个镜头元件Li，即可能有WLi>HLi。在另一个实施例中，可能切割三个以上的镜头元件Li，即可能有WLi>HLi。在另一个实施例中，可能切割所有镜头元件Li，即可能具有WLi>HLi。在另一个实施例中，通过将所述镜头204的所述大镜头元件切割成例如6.5毫米、5毫米或4毫米的一高度(在Y方向)可以实现一切割镜头，即高度HLi>6.5毫米、5毫米或4.5毫米的镜头元件Li可分别地切割成6.5毫米、5毫米或4.5毫米。
现在注意到图2B，其示意性地描绘了本文公开的并编号为220的另一个光学镜头系统。镜头系统220包括具有多个镜头元件的一镜头204’、光学元件206(可选)及影像传感器208’。光线追踪如图2A所提供。在表5、表6、表7及表8中给出了详细的光学数据及表面数据。表8提供了有关镜头系统220的最大CRA的细节。符号及字段与表4相同。
图2B示出了3个场，每个场有3条光线：上边缘光线、下边缘光线及主光线。
镜头系统220的聚焦范围是从无限远至100毫米，即MIOD是100毫米。
为了使用镜头204’来聚焦，所有镜头元件会一起移动。要将焦点从无限远变化到100毫米，需要2.237毫米的镜头行程。为了移动镜头，可以使用本领域已知的致动器，例如，一个VCM。在所述MIOD处，镜头系统210实现了-0.15的放大率，对应于约6.7：1的一物体-影像比率。所述HFOV从聚焦到无限远时的13.29度降低到聚焦到所述MIOD时的12.51度。可以实现无限远到100毫米之间的任何焦点位置(以及0到-0.15之间的任何放大率)。对于所述聚焦范围内的任何物体，镜头系统220具有小于50微米的一最大场曲率(MFC)。
镜头204’可以分为两组，一第一聚焦组包括镜头元件L1、L2、L3、L4及L5，及一第二CRA校正组包括L6及L7。所述聚焦组与所述CRA校正组在空间上彼此分隔开4.96毫米的一大间隙。G1的所有镜头元件一起具有EFL1＝14.08毫米，G2的所有镜头元件一起具有EFL2＝13.94毫米。镜头204’的所述TTL是18毫米。
图2H是具有基于镜头204’的一D型切割镜头204’-C编号为260的一镜头系统的实施例。如在图2G的描述，光损失以在坐标(X,Y)＝(0,2.1毫米)处的光线穿透百分比给出：
-无限远：92.33％
-1米(m)：92.07％
-0.5米(m)：91.75％
-20厘米(cm)：90.76％
-10厘米(cm)：89.11％
通过将镜头204’的大镜头元件切割成例如6毫米的一高度(在Y方向)可以获得D型切割镜头204’-C，即高度HLi>6毫米的镜头204’的镜头元件(即L1、L6及L7)可切割成6毫米。在其他实施例中，通过将所述镜头204’的所述大镜头元件切割成例如6.5毫米、5毫米或4毫米的一高度(在Y方向)可以实现一切割镜头，即高度HLi>6.5毫米、5毫米或4.5毫米的镜头元件Li可分别地切割成6.5毫米、5毫米或4.5毫米。关于切割镜头的细节，参考图2A的描述。
表5
Figure BDA0003469806660000191
Figure BDA0003469806660000201
表6
Figure BDA0003469806660000211
表7
Figure BDA0003469806660000212
表8
图2C示意性地描绘了本文公开并编号为230的另一个光学镜头系统。镜头系统230包括一镜头204”、光学元件206(可选)及影像传感器208。光线追踪如图2A至图2B所提供。在表9、表10、表11及表12中给出了详细的光学数据及表面数据。表12提供了有关镜头系统220的最大CRA的细节。符号及字段与表4相同。
图2C示出了3个场，每个场有3条光线：上边缘光线、下边缘光线及主光线。镜头系统230的聚焦范围是从无限远至76.4毫米，即所述MIOD是76.4毫米。为了使用镜头204’来聚焦，所有镜头元件会一起移动。要将焦点从无限远变化到100毫米，需要2.881毫米的镜头行程。为了移动镜头，可以使用本领域已知的一种致动器(例如，一个VCM)。在所述MIOD处，镜头系统230实现了-0.195的放大率，对应于约5.1：1的一物体-影像比率。所述HFOV从聚焦到无限远时的13.29度降低到聚焦到所述MIOD时的12.52度。可以实现无限远到76.4毫米之间的任何焦点位置(以及0到-0.195之间的任何放大率)。对于所述聚焦范围内的任何物体，镜头系统230具有小于50微米的一MFC。
镜头204”可以分为两组，一第一聚焦组包括镜头元件L1、L2、L3、L4及L5，及一第二CRA校正组包括L6、L7及L8。所述聚焦组与所述CRA校正组在空间上彼此分隔开3.839毫米的一大间隙。G1的所有镜头元件一起具有EFL1＝13.50毫米，G2的所有镜头元件一起具有EFL2＝11.85毫米。镜头204”的所述TTL是18毫米。
图2I示出了具有基于镜头204”的一切割镜头204”-C编号为270的一镜头系统的实施例。如在图2G的描述，光损失以在坐标(X,Y)＝(0,2.1毫米)处的光线穿透百分比给出：
-无限远：93.21％
-1米(m)：92.99％
-0.5米(m)：92.74％
-20厘米(cm)：92.01％
-7.64厘米(cm)：85.82％
通过将镜头204”的所述大镜头元件切割成例如6毫米的一高度(在Y方向)可以获得204”-C。高度HLi>6毫米的镜头204”的镜头元件(即L1、L2、L6、L7及L8)切割成6毫米。在其他实施例中，通过将所述镜头204”的所述大镜头元件切割成例如6.5毫米、5毫米或4毫米的一高度(在Y方向)可以实现一切割镜头。关于切割镜头的细节，参考图2A的描述。
Figure BDA0003469806660000231
Figure BDA0003469806660000241
表9
Figure BDA0003469806660000242
表10
Figure BDA0003469806660000251
表11
Figure BDA0003469806660000252
表12
现在注意到图2D至图2F，其示例性地本文公开的并编号为240的再一个光学镜头系统。镜头系统240包括具有一镜头204”’、光学元件206(可选)及影像传感器208”’。光线追踪如图2A至图2C所提供。在表13、表14、表15、表16及表17中给出了详细的光学数据及表面数据。表17提供了有关镜头系统240的最大CRA的细节。符号及字段与表4相同。图2D至图2F示出了3个场，每个场有3条光线：上边缘光线、下边缘光线及主光线。
图2D示出了聚焦到无限远的镜头系统240(“配置A”)，图2E示出了聚焦到100毫米的镜头系统240(“配置B”)，并且图2F示出了聚焦到50毫米的镜头系统240(“配置C”)。在表15中的表面0给出了聚焦的所述物体-镜头距离。镜头系统240的聚焦范围是从无限远至50毫米，即所述MIOD是50毫米。
镜头204”’分成两组，可相对于彼此移动以进行聚焦。一第一镜头组(“G1”)包含镜头元件L1及L2，及一第二镜头组(“G2”)包含L3、L4、L5及L6。在G1与G2之间的所述大间隙从聚焦到无限远时的2.625毫米降低到聚焦到100毫米时的1.946毫米及聚焦到50毫米时的1.303毫米(见表15中的表面#5)。为了聚焦，镜头204”’也作为一个单元来移动，从而使得所述BFL发生变化(参见表15中的表面#13)。
为了移动这些镜头，可以使用一致动器(例如VCM)。在所述MIOD处，镜头系统240实现了-0.40的放大率，对应于约2.5：1的一物体-影像比率。所述HFOV从聚焦到无限远时的13.1度降低到聚焦到所述MIOD时的9.3度。可以实现无限远到50毫米之间的任何焦点位置(以及0到-0.4之间的任何放大率)。
对于所述聚焦范围内的任何物体，镜头系统240具有小于50微米的一MFC。G1的所有镜头元件一起具有EFL1＝38.61毫米，G2的所有镜头元件一起具有EFL2＝15.36毫米。镜头204”’的所述TTL是15.8毫米。
图2J示出了具有基于镜头204”’的一切割镜头204”’-C编号为280的一镜头系统的实施例。如在图2G的描述，光损失以在坐标(X,Y)＝(0,2.1毫米)处的光线穿透百分比给出：
-无限远：94.58％
-0厘米(cm)：91.53％
-5厘米(cm)：91.02％
通过将镜头204”’的所述大镜头元件切割成6毫米的一高度(在Y方向)可以获得切割镜头204”’-C，即高度HLi>6毫米的镜头204”’的镜头元件(即L1、L2、L5及L6)被切割成6毫米。在其他实施例中，通过将所述镜头204”’的所述大镜头元件切割成例如6.5毫米、5毫米或4毫米的一高度(在Y方向)可以实现一切割镜头。
Figure BDA0003469806660000281
表13
关于切割镜头的细节，参考图2A的描述。
Figure BDA0003469806660000291
表14
Figure BDA0003469806660000301
表15
Figure BDA0003469806660000302
表16
Figure BDA0003469806660000303
表17
Figure BDA0003469806660000311
表18
表18分别显示了G1及G2的所有镜头元件的EFL以及镜头系统实施例200、220、230、240及290的EFL1/EFL2比率的概览。
图2K示意性地描绘了本文公开的并编号为290的另一个光学镜头系统。镜头系统290包括具有多个镜头元件的一镜头204””、光学元件206(可选)及影像传感器208。光线追踪如图2A所提供。在表19、表20、表21及表22中给出了详细的光学数据及表面数据。
镜头系统290的聚焦范围是从无限远至52毫米(MIOD＝52毫米)。
为了使用镜头204””来聚焦，所有镜头元件会一起移动。要将焦点从无限远变化到52毫米，需要4.507毫米的镜头行程。在所述MIOD处，镜头系统290实现了-0.29的放大率，对应于约3.4：1的一物体-影像比率。所述HFOV从聚焦到无限远时的9.57度降低到聚焦到所述MIOD时的8.52度。可以实现无限远到52毫米之间的任何焦点位置(以及0到-0.29之间的任何放大率)。对于所述聚焦范围内的任何物体，镜头系统290具有小于50微米的一MFC。
镜头204””可以分为两组，一第一聚焦组包括镜头元件L1、L2、L3、L4及L5，及一第二CRA校正组包括L6、L7及L8。所述聚焦组与所述CRA校正组在空间上彼此分隔开3.974毫米的一大间隙。G1的所有镜头元件一起具有EFL1＝14.1毫米，G2的所有镜头元件一起具有EFL2＝12.3毫米。镜头204””的所述TTL是18.6毫米。
一些实施例可以包含基于镜头204””的一切割镜头。通过所述镜头204””的所述大镜头元件切割成例如6.5毫米、5毫米或4毫米的一高度(在Y方向)可以实现所述切割镜头。关于切割镜头的细节，参考图2A的描述。
Figure BDA0003469806660000331
表19
Figure BDA0003469806660000341
表20
Figure BDA0003469806660000342
Figure BDA0003469806660000351
表20(续)
Figure BDA0003469806660000352
表21
Figure BDA0003469806660000361
表22
根据一些示例，镜头元件的至少一部分可以具有非圆形的横截面形状(轮廓)(在平面X-Y中，其正交于所述光学镜头系统并且通常与所述光轴重合)。特别地，例如图7所示的承载镜头元件702的一镜头镜筒700，至少一些镜头元件可以具有一宽度WLi(沿X轴测量)，其大于它们的高度HLi(沿Y轴测量)。镜头镜筒700还包括一镜筒壁(或周围)704。所述高度HLi可以对应于所述镜头元件(包括机械部分)的总高度。在一些实施例中，镜头镜筒700中的一镜头元件可具有沿着轴Y和/或沿着轴X的对称性。例如700的一非圆形镜头镜筒可以根据例如镜头204-C的一镜头的所述切割镜头来成形。如图7所示，一镜头镜筒的高度可以仅略高于镜头中具有最大高度的镜头元件。例如，一镜头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高度的一镜头镜筒，所述申请通过引用整体并入本文。
根据一些示例，WLi基本上大于HLi(例如，至少等于或大于20％，这些值不是限制性的)。在一些示例中，WLi可以比HLi大20至70％。以折叠式镜头204’的镜头元件L8为例：WL8比HL8大32％。
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。
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参考文献均通过引用整体并入本说明书中，其程度与每个单独的参考文献都被具体地和单独地指示通过引用并入本文的程度相同。此外，本申请中对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用作本公开的现有技术。

Claims (48)

1.一种折叠式数字相机，包括：
a)一镜头系统，具有一镜头及一影像传感器，所述镜头具有N个镜头元件Li、一有效焦距(effective focal length,EFL)及一总轨道长度(total track length,TTL)，其中N大于等于6，其中每一个镜头元件具有一各自的焦距fi，并且其中一第一镜头元件L1面向一物体侧；以及
b)一光路折叠元件(opticalpath folding element,OPFE)，用于在一物体与所述镜头之间提供一折叠光路；
其中所述镜头系统具有覆盖了从无限远到一最小物体距离(minimal objectdistance,MIOD)的一聚焦范围，并且其中所述最小物体距离/所述有效焦距(MIDO/EFL)小于20。
2.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述最小物体距离/所述有效焦距(MIDO/EFL)小于15。
3.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述最小物体距离/所述有效焦距(MIDO/EFL)小于13。
4.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述最小物体距离/所述有效焦距(MIDO/EFL)小于10。
5.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述最小物体距离/所述有效焦距(MIDO/EFL)小于7。
6.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：对于在所述聚焦范围内的任何物体的一最大场曲率(maximum field curvature,MFC)小于50微米。
7.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述折叠式数字相机具有小于4的一光圈值(f number)。
8.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述折叠式数字相机具有小于3的一光圈值(f number)。
9.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述折叠式数字相机具有小于2.5的一光圈值(f number)。
10.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述镜头元件通过大于所述总轨道长度的8分之一的一大间隙来分成两个镜头元件组。
11.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述镜头元件通过大于所述总轨道长度7分之一的一大间隙来分成两个镜头元件组。
12.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述镜头元件通过大于所述总轨道长度6分之一的一大间隙来分成两个镜头元件组。
13.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：其中所述镜头元件分成具有一有效焦距EFL1的一第一镜头元件组及具有一有效焦距EFL2的一第二镜头元件组，并且其中所述有效焦距EFL1与所述有效焦距EFL2的一比率(EFL1/EFL2)偏离1不超过10％。
14.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：其中所述镜头元件分成具有一有效焦距EFL1的一第一镜头元件组及具有一有效焦距EFL2的一第二镜头元件组，并且其中所述有效焦距EFL1与所述有效焦距EFL2的一比率(EFL1/EFL2)偏离1不超过20％。
15.如权利要求1所述的折叠式数字相机，还包括一基于音圈马达的聚焦机构来使所述折叠式数字相机进行聚焦。
16.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述第一镜头元件L1及一第二镜头元件L2是由一阿贝值(Abbe number)大于50的一材料所制成。
17.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述总轨道长度/所述有效焦距(TTL/EFL)小于1.5。
18.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述总轨道长度/所述有效焦距(TTL/EFL)小于1.4。
19.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述总轨道长度/所述有效焦距(TTL/EFL)小于1.3。
20.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：最后一个镜头元件LN的一焦距fN与所述总轨道长度的一比率满足所述焦距/所述总轨道长度(fN/TTL)小于1.0。
21.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：最后一个镜头元件LN的一焦距fN与所述总轨道长度的一比率满足所述焦距/所述总轨道长度(fN/TTL)小于0.9。
22.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：最后一个镜头元件LN的一焦距fN与所述总轨道长度的一比率满足所述焦距/所述总轨道长度(fN/TTL)小于0.8。
23.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：最后一个镜头元件LN的一焦距fN与所述总轨道长度的一比率满足所述焦距/所述总轨道长度(fN/TTL)小于0.75。
24.如权利要求1所述的折叠式数字相机，其特征在于：最后一个镜头元件LN的一焦距fN与所述总轨道长度的一比率满足所述焦距/所述总轨道长度(fN/TTL)小于0.7。
25.如权利要求1所述的折叠式数字相机，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。
26.一种折叠式数字相机，包括：
a)一镜头系统，具有一镜头及一影像传感器，所述镜头具有N个镜头元件Li、一有效焦距(effective focal length,EFL)及一总轨道长度(total track length,TTL)，其中N大于等于6，其中每一个镜头元件具有一各自的焦距fi，并且其中一第一镜头元件L1面向一物体侧；以及
b)一光路折叠元件(opticalpath folding element,OPFE)，用于在一物体与所述镜头之间提供一折叠光路；
其中当所述折叠式数字相机聚焦在无限远时，一最大主光线角(maximal chief rayangle,Max CRA)与所述折叠式数字相机的一视场(field of view,FOV)的一比率(MaxCRA/FOV)小于0.25。
27.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述最大主光线角/所述视场(Max CRA/FOV)小于0.2。
28.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述最大主光线角/所述视场(Max CRA/FOV)小于0.15。
29.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：对于在所述聚焦范围内的任何物体的一最大场曲率(maximum field curvature,MFC)小于50微米。
30.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述折叠式数字相机的一光圈值(f number,f/#)小于4。
31.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述折叠式数字相机的一光圈值(f number,f/#)小于3。
32.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述折叠式数字相机的一光圈值(f number,f/#)小于2.5。
33.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述镜头元件通过大于所述总轨道长度的8分之一的一大间隙来分成两个镜头元件组。
34.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述镜头元件通过大于所述总轨道长度的7分之一的一大间隙来分成两个镜头元件组。
35.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述镜头元件通过大于所述总轨道长度的6分之一的一大间隙来分成两个镜头元件组。
36.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：其中所述镜头元件分成具有一有效焦距EFL1的一第一镜头元件组及具有一有效焦距EFL2的一第二镜头元件组，并且其中所述有效焦距EFL1与所述有效焦距EFL2的一比率(EFL1/EFL2)偏离1不超过10％。
37.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：其中所述镜头元件分成具有一有效焦距EFL1的一第一镜头元件组及具有一有效焦距EFL2的一第二镜头元件组，并且其中所述有效焦距EFL1与所述有效焦距EFL2的一比率(EFL1/EFL2)偏离1不超过20％。
38.如权利要求26所述的折叠式数字相机，还包括一基于音圈马达的聚焦机构来使所述折叠式数字相机进行聚焦。
39.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述第一镜头元件L1及一第二镜头元件L2是由一阿贝值(Abbe number)大于50的一材料所制成。
40.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述总轨道长度/所述有效焦距(TTL/EFL)小于1.5。
41.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述总轨道长度/所述有效焦距(TTL/EFL)小于1.4。
42.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：所述总轨道长度/所述有效焦距(TTL/EFL)小于1.3。
43.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：最后一个镜头元件LN的一焦距fN与所述总轨道长度的一比率满足所述焦距/所述总轨道长度(fN/TTL)小于1.0。
44.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：最后一个镜头元件LN的一焦距fN与所述总轨道长度的一比率满足所述焦距/所述总轨道长度(fN/TTL)小于0.9。
45.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：最后一个镜头元件LN的一焦距fN与所述总轨道长度的一比率满足所述焦距/所述总轨道长度(fN/TTL)小于0.8。
46.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：最后一个镜头元件LN的一焦距fN与所述总轨道长度的一比率满足所述焦距/所述总轨道长度(fN/TTL)小于0.75。
47.如权利要求26所述的折叠式数字相机，其特征在于：最后一个镜头元件LN的一焦距fN与所述总轨道长度的一比率满足所述焦距/所述总轨道长度(fN/TTL)小于0.7。
48.如权利要求26所述的折叠式数字相机，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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