CN114450614A - 自由形式折叠光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统包括具有屈光度的两个自由形式棱镜。该自由形式棱镜中的至少一个自由形式棱镜被配置为将光轴折叠两次。因此，该自由形式折叠光学系统的实施方案将该光轴折叠三次或四次。在该自由形式棱镜中将该光轴折叠三次或四次允许望远透镜应用所需的长焦距，而不需要棱镜之间的额外透镜元件。此外，与具有类似光学特性的常规折叠透镜系统相比，该自由形式折叠光学系统的配置提供减小的Z轴高度。

Description

自由形式折叠光学系统
背景
技术领域
本公开整体涉及相机系统，更具体地讲，涉及折叠光学系统。
背景技术
小型多用途移动设备诸如智能电话和平板电脑或平板设备的出现导致需要轻量级、紧凑且能够以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图像传感器和好的紧凑型成像透镜系统。技术进步已实现了图像传感器的像素尺寸的减小。然而，随着图像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(其中的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一种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光学系统。
发明内容
本文描述了自由形式折叠光学系统的实施方案，该自由形式折叠光学系统例如可用于诸如智能电话和平板电脑或平板设备的多用途移动设备中的小外形相机。描述了自由形式折叠光学系统的实施方案，该自由形式折叠光学系统包括具有屈光度的两个自由形式棱镜并且在棱镜之间没有透镜堆叠。自由形式棱镜中的至少一个被配置为将光学系统的光轴折叠两次。因此，该自由形式折叠光学系统的实施方案将该光轴折叠三次或四次。在该自由形式棱镜中将该光轴折叠三次或四次允许望远透镜应用所需的长焦距，而不需要棱镜之间的额外透镜元件。此外，与具有类似光学特性的常规折叠透镜系统相比，该自由形式折叠光学系统的配置提供减小的Z轴高度。
折叠光学系统包括两个自由形式棱镜。在至少一些实施方案中，每个自由形式棱镜由光学塑料材料形成。每个自由形式棱镜具有多于三个表面；然而，讨论每个自由形式棱镜的仅三个表面。
在折叠光学系统的实施方案中，第一自由形式棱镜具有第一表面，该第一表面是透射和全内反射(TIR)表面，透射从物体场接收的光并且通过TIR将从第一自由形式棱镜的第二表面接收到的光反射到第一自由形式棱镜的第三表面。第一自由形式棱镜的第二表面是涂覆有镜面涂层的反射表面，该反射表面将通过第一自由形式棱镜的第一表面接收的光反射回第一自由形式棱镜的第一表面。第一自由形式棱镜的第三表面是透射从第一自由形式棱镜的第一表面接收的光的透射表面。因此，第一自由形式棱镜将光轴折叠两次–在第二表面处折叠一次，并且在第一表面处再折叠一次。第一自由形式棱镜的三个表面中的至少一个表面是自由形式表面。
在将光轴折叠四次的折叠光学系统的实施方案中，第二自由形式棱镜具有第一表面，该第一表面是将从第一自由形式棱镜接收到的光透射到第二自由形式棱镜的第二表面的透射表面。第二自由形式棱镜的第二表面是透射和TIR表面，该透射和TIR表面通过TIR将通过第二自由形式棱镜的第一表面接收的光反射到第二自由形式棱镜的第三表面，并且透射从第二自由形式棱镜的第三表面接收的光，以在图像平面处形成图像。第二自由形式棱镜的第三表面是涂覆有镜涂层的反射表面，该反射表面将从第二自由形式棱镜的第二表面接收的光反射回第二自由形式棱镜的第二表面。因此，在这些实施方案中，第二自由形式棱镜将光轴折叠两次-一次在第二表面处，并且再次在第三表面处。第二自由形式棱镜的三个表面中的至少一个表面是自由形式表面。
在将光轴折叠三次的折叠光学系统的实施方案中，第二自由形式棱镜具有第一表面，该第一表面是将从第一自由形式棱镜接收的光透射到第二自由形式棱镜的第二表面的透射表面。第二自由形式棱镜的第二表面是反射表面，该反射表面将通过第二自由形式棱镜的第一表面接收的光反射到第二自由形式棱镜的第三表面。第二自由形式棱镜的第二表面可以涂覆有镜涂层，或者替代地可以经由全内反射反射光。第二自由形式棱镜的第三表面是透射从第二自由形式棱镜的第二表面接收的光以在图像平面处形成图像的透射表面。因此，在这些实施方案中，第二自由形式棱镜在第二表面处将光轴折叠一次。第二自由形式棱镜的三个表面中的至少一个表面是自由形式表面。
在一些实施方案中，物镜可以位于第一自由形式棱镜的物体侧上，例如以校正光学系统中的像差。在一些实施方案中，物镜是旋转对称透镜。在一些实施方案中，物镜的表面中的至少一个是非球面的。使用光学玻璃代替塑料用于物镜可以例如有助于校正像差。在一些实施方案中，物镜具有正屈光度。在一些实施方案中，物镜由光学塑料材料构成。在一些实施方案中，物镜由光学玻璃材料构成。使用光学玻璃代替塑料用于物镜可以例如有助于校正像差。在一些实施方案中，物镜是双合透镜。
在一些实施方案中，折叠光学系统可以满足以下条件：
0.5<B/A<0.1.0 (1)
其中A是整个光学系统的屈光度，并且B是物镜的屈光度。
在一些实施方案中，折叠光学系统可以满足以下条件：
0.05<AD<0.3 (2)
其中A是整个光学系统的屈光度，并且D是半对角线图像高度。
在一些实施方案中，物镜由具有满足以下条件的色散系数Vd1的材料(光学塑料或光学玻璃)的材料构成：
Vd1>50。 (3)
在一些实施方案中，第一自由形式棱镜由具有满足以下条件的色散系数Vd2的光学塑料材料构成：
Vd2>50。 (4)
在一些实施方案中，第二自由形式棱镜由具有满足以下条件的色散系数Vd3的光学塑料材料构成：
Vd3<25。 (5)
附图说明
图1A示出了根据一些实施方案的将光轴折叠四次的自由形式折叠光学系统。
图1B示出了根据一些实施方案的将光轴折叠三次的自由形式折叠光学系统。
图2A示出了自由形式折叠光学系统的第一示例性实施方案。
图2B示出了图2A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。
图2C示出了图2A的自由形式折叠光学系统的失真。
图3A示出了自由形式折叠光学系统的第二示例性实施方案。
图3B示出了图3A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。
图3C示出了图3A的自由形式折叠光学系统的失真。
图4A示出了自由形式折叠光学系统的第三示例性实施方案。
图4B示出了图4A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。
图4C示出了图4A的自由形式折叠光学系统的失真。
图5A示出了自由形式折叠光学系统的第四示例性实施方案。
图5B示出了图5A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。
图5C示出了图5A的自由形式折叠光学系统的失真。
图6A示出了自由形式折叠光学系统的第五示例性实施方案。
图6B示出了图6A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。
图6C示出了图6A的自由形式折叠光学系统的失真。
图7A示出了自由形式折叠光学系统的第六示例性实施方案。
图7B示出了图7A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。
图7C示出了图7A的自由形式折叠光学系统的失真。
图8A示出了自由形式折叠光学系统的第六示例性实施方案。
图8B示出了图8A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。
图8C示出了图8A的自由形式折叠光学系统的失真。
图9示出了根据一些实施方案的包括由玻璃材料构成的物镜的自由形式折叠光学系统。
图10示出了根据一些实施方案的自由形式折叠光学系统，其中物镜是双合透镜。
图11示出了根据一些实施方案的不包括物镜的自由形式折叠光学系统。
图12示出了根据一些实施方案的将光轴折叠三次而不是四次的自由形式折叠光学系统。
图13A至图13C将自由形式折叠光学系统的实施方案与常规折叠透镜系统进行比较。
图14提供了用于表中的光学元件和光学元件的表面的标签。
图15是根据一些实施方案的使用将光轴折叠四次的自由形式折叠光学系统的实施方案捕获图像的方法的流程图。
图16是根据一些实施方案的使用将光轴折叠三次的自由形式折叠光学系统的实施方案捕获图像的方法的流程图。
图17示出了示例性计算机系统。
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/部件据称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。表述单元/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(f)。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
本文描述了自由形式折叠光学系统的实施方案，该自由形式折叠光学系统例如可用于诸如智能电话和平板电脑或平板设备的多用途移动设备中的小外形相机。常规折叠透镜系统可包括一个或多个棱镜和包括一个或多个折射透镜元件的透镜叠层。第一棱镜将光从第一光轴重定向到第二光轴，从而为透镜系统提供“折叠”光轴。在一些常规折叠透镜系统中，第二棱镜可位于透镜叠层的图像侧，以将光轴折叠到第三轴线上。使用棱镜来折叠光轴可例如减小透镜系统的Z高度，并且因此可减小包括折叠透镜系统的相机的Z高度。
描述了自由形式折叠光学系统的实施方案，该自由形式折叠光学系统包括具有屈光度的两个自由形式棱镜并且在棱镜之间没有透镜堆叠。该自由形式棱镜中的至少一个自由形式棱镜被配置为将光轴折叠两次。因此，与其中一个或两个棱镜将光轴折叠一次(一个棱镜)或两次(两个棱镜)的常规折叠透镜系统相比，本文描述的自由形式折叠光学系统的实施方案将光轴折叠三次或四次。图1A示出了根据一些实施方案的将光轴折叠四次的自由形式折叠光学系统。图1B示出了根据一些实施方案的将光轴折叠三次的自由形式折叠光学系统。在具有屈光度的自由形式棱镜中将光轴折叠三次或四次允许望远透镜应用所需的长焦距(例如，在9至31毫米(mm)范围内的有效焦距)，同时提供低光圈数(例如，在2.0到4.0的范围内)而不需要棱镜之间的附加透镜元件。此外，与具有如图12A所示的类似光学特性的常规折叠透镜系统相比，自由形式折叠光学系统的配置提供减小的Z轴高度。
自由形式光学器件涉及具有至少一个自由形式表面的光学设计，该自由形式表面不具有围绕垂直于表面的平均平面的轴线的平移或旋转对称性。因此，自由形式棱镜是具有至少一个自由形式表面的棱镜，该自由形式表面不具有围绕垂直于表面的平均平面的轴线的平移或旋转对称性。通常，如果光线以某角度通过常规的旋转对称表面，则可能会发生不对称像差。因此，使用用于棱镜的常规旋转对称表面可以降低折叠光学系统的光学性能。自由形式表面可校正那些不对称像差。因此，自由形式表面可以用于如本文所述折叠光学系统的棱镜中，以改善光学系统的光学性能，并且还有助于减小折叠光学系统的Z高度。
图1A示出了根据一些实施方案的将光轴折叠四次的自由形式折叠光学系统。折叠光学系统包括两个自由形式棱镜10和20。在至少一些实施方案中，每个自由形式棱镜由光学塑料材料形成。每个自由形式棱镜具有多于三个表面；然而，讨论每个自由形式棱镜的仅三个表面。
参考第一自由形式棱镜10，第一表面11是透射和全内反射(TIR)表面，其透射从物体场接收的光并且通过TIR将从棱镜中的第二表面12接收的光反射到第三表面13。第二表面12是涂覆有镜涂层的反射表面，其将通过第一表面11接收的光反射回棱镜中的第一表面11。第三表面13是透射从第一表面11接收的光的透射表面。三个表面11、12和13中的至少一个表面是自由形式表面。
参考第二自由形式棱镜20，第一表面21是透射表面，其将从第一棱镜10接收的光透射到棱镜中的第二表面22。第二表面22是透射和TIR表面，其通过TIR将通过第一表面21接收的光反射到棱镜中的第三表面23并且透射从棱镜中的第三表面23接收的光以在图像平面处形成图像。第三表面23是涂覆有镜涂层的反射表面，其将从第二表面22接收的光反射回第二表面22。三个表面21、22和23中的至少一个表面是自由形式表面。
虽然未示出，但在一些实施方案中，第一(物)镜可以位于第一自由形式棱镜10的物体侧上，例如以校正光学系统中的像差。在一些实施方案中，物镜是旋转对称透镜。在一些实施方案中，物镜的表面中的至少一个是非球面的。在一些实施方案中，物镜具有正屈光度。在一些实施方案中，物镜由光学塑料材料构成。在一些实施方案中，物镜由光学玻璃材料构成。使用光学玻璃代替塑料用于物镜可以例如有助于校正像差。在一些实施方案中，物镜是双合透镜。
以下是非球面表面的定义：
Figure BDA0003546534640000081
其中z是下垂(表面从顶点位移的z组分量，与轴线距离r)，k是锥形常数，并且其中：
Figure BDA0003546534640000082
Figure BDA0003546534640000091
图1A的折叠光学系统可以在位于第二自由形式棱镜20的图像侧上的图像传感器(未示出)的表面处或附近在图像平面处形成图像。虽然未示出，但是红外(IR)滤光片可以位于第二自由形式棱镜20的第二表面22与图像传感器之间。
虽然未示出，但是孔径光阑可以位于第一自由形式棱镜10的物体侧处或附近。在包括在第一自由形式棱镜10的物体侧上的物镜的实施方案中，孔径光阑可以位于物镜的物体侧上。
在至少一些实施方案中，第一自由形式棱镜10的第一表面11与第二表面12之间的角度θ可以小于或等于35度，例如在29度到35度的范围内。例如，在一些实施方案中，角度θ可以是30度。在一些实施方案中，角度θ可以被确定为表面11的平均平面与表面12的平均平面之间的角度。在一些实施方案中，角度θ可以由表面11和表面12的平均角度确定。在常规折叠透镜系统中，第一棱镜的第一表面与第一棱镜的第二(反射)表面之间的角度通常为45度。减小第一自由形式棱镜10中第一表面11与第二表面12之间的角度(并且类似地减小第二自由形式棱镜20中第二22和第三23表面之间的角度)有助于当与常规折叠透镜系统相比时减小自由形式折叠光学系统的Z高度，例如如图12所示。
图1A的自由形式折叠光学系统将光轴折叠四次。第一自由形式棱镜10的第二表面12将光轴从第一部分AX1折叠到第二部分AX2。然后，第一自由形式棱镜10的第一表面11将光轴从第二部分AX2折叠到第三部分AX3。然后，第二棱镜20的第二表面22将光轴从第三部分AX3折叠到第四部分AX4。然后，第二棱镜20的第三表面23将光轴从第四部分AX4折叠到第五部分AX5。
图15是根据一些实施方案的使用如图1A所示的将光轴折叠四次的自由形式折叠光学系统的实施方案捕获图像的方法的流程图。如2000所示，在第一自由形式棱镜10的第一表面11处接收来自物体场的光。如2010所示，第一棱镜10的第一表面11将光透射到第一棱镜10的第二表面12。如2020所示，第一棱镜10的第二表面12将光反射到第一棱镜10的第一表面11。如2030所示，第一棱镜10的第一表面11通过TIR反射光；反射的光通过第一棱镜10的第三表面13透射到第二自由形式棱镜20的第一表面21。
如2040所示，第二棱镜20的第一表面21将光透射到第二棱镜20的第二表面22。如2050所示，第二棱镜20的第二表面22通过TIR将光反射到第二棱镜20的第三表面23。如2060所示，第二棱镜20的第三表面23反射光；反射的光通过第二棱镜20的第二表面22透射以在图像平面处形成图像。
图1B示出了根据一些实施方案的将光轴折叠三次的自由形式折叠光学系统。折叠光学系统包括两个自由形式棱镜50和60。在至少一些实施方案中，每个自由形式棱镜由光学塑料材料形成。每个自由形式棱镜具有多于三个表面；然而，讨论每个自由形式棱镜的仅三个表面。
参考第一自由形式棱镜50，第一表面51是透射和TIR表面，其透射从物体场接收的光并且通过TIR将从棱镜中的第二表面52接收的光反射到第三表面53。第二表面52是涂覆有镜涂层的反射表面，其将通过第一表面51接收的光反射回棱镜50中的第一表面51。第三表面53是透射从第一表面51接收的光的透射表面。三个表面51、52和53中的至少一个表面是自由形式表面。
参考第二自由形式棱镜60，第一表面61是透射表面，其将从第一棱镜50接收的光透射到棱镜60中的第二表面62。第二表面62是反射表面，其将通过第一表面61接收的光反射到棱镜60中的第三表面63。第二表面62可以涂覆有镜涂层，或者替代地可以经由全内反射来反射光。第三表面63是透射从第二表面62接收的光以在图像平面处形成图像的透射表面。三个表面61、62和63中的至少一个表面是自由形式表面。
虽然未示出，但在一些实施方案中，第一(物)镜可以位于第一自由形式棱镜60的物体侧上，例如以校正光学系统中的像差。在一些实施方案中，物镜是旋转对称透镜。在一些实施方案中，物镜的表面中的至少一个是非球面的。在一些实施方案中，物镜具有正屈光度。在一些实施方案中，物镜由光学塑料材料构成。在一些实施方案中，物镜由光学玻璃材料构成。在一些实施方案中，物镜是双合透镜。
图1B的折叠光学系统可以在位于第二自由形式棱镜60的图像侧上的图像传感器(未示出)的表面处或附近在图像平面处形成图像。虽然未示出，但是红外(IR)滤光片可以位于第二自由形式棱镜60的第三表面63与图像传感器之间。
虽然未示出，但是孔径光阑可以位于第一自由形式棱镜50的物体侧处或附近。在包括在第一自由形式棱镜50的物体侧上的物镜的实施方案中，孔径光阑可以位于物镜的物体侧上。
在至少一些实施方案中，第一自由形式棱镜50的第一表面51和第二表面52之间的角度θ可以小于或等于35度，例如在29度到35度的范围内。例如，在一些实施方案中，角度θ可以是30度。在一些实施方案中，角度θ可以被确定为表面51的平均平面与表面52的平均平面之间的角度。在常规折叠透镜系统中，第一棱镜的第一表面与第一棱镜的第二(反射)表面之间的角度通常为45度。减小第一自由形式棱镜50中第一51和第二52表面之间的角度(并且类似地减小第二自由形式棱镜60中第二62和第三63表面之间的角度)有助于当与常规折叠透镜系统相比时减小自由形式折叠光学系统的Z高度，例如如图12所示。
图1B的自由形式折叠光学系统将光轴折叠三次。第一自由形式棱镜50的第二表面52将光轴从第一部分AX1折叠到第二部分AX2。然后，第一自由形式棱镜50的第一表面51将光轴从第二部分AX2折叠到第三部分AX3。然后，第二棱镜60的第二表面62将光轴从第三部分AX3折叠到第四部分AX4。
图16是根据一些实施方案的使用如图1B所示的将光轴折叠三次的自由形式折叠光学系统的实施方案捕获图像的方法的流程图。如2100所示，在第一自由形式棱镜50的第一表面51处接收来自物体场的光。如2110所示，第一棱镜50的第一表面51将光透射到第一棱镜50的第二表面52。如2120所示，第一棱镜50的第二表面52将光反射到第一棱镜50的第一表面51。如2130所示，第一棱镜50的第一表面51通过TIR反射光；反射的光通过第一棱镜50的第三表面53透射到第二自由形式棱镜60的第一表面61。
如2140所示，第二棱镜60的第一表面61将光透射到第二棱镜60的第二表面62。如2150所示，第二棱镜60的第二表面62将光反射到第二棱镜20的第三表面63。如2160所示，第二棱镜20的第三表面23透射光以在图像平面处形成图像。
示例性实施方案
图2A至图8C示出了自由形式折叠光学系统的若干示例性实施方案。这些实施方案全部沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括物镜、第一自由形式光学棱镜和第二自由形式光学棱镜。在这些实施方案中，第一自由形式光学棱镜和第二自由形式光学棱镜两者均将光轴折叠两次，如图1A所示。
在这些示例性实施方案中，物镜是旋转对称单透镜。在一些实施方案中，物镜的表面中的至少一个是非球面的。在一些实施方案中，物镜具有正屈光度(即，是会聚透镜)。
在这些示例性实施方案中，第一自由形式光学棱镜将光轴折叠两次，并且第二自由形式光学棱镜也将光轴折叠两次。第一自由形式光学棱镜的第一表面是透射和全内反射(TIR)表面，第一自由形式光学棱镜的第二表面是反射表面，并且第一自由形式光学棱镜的第三表面是透射表面。第二自由形式光学棱镜的第一表面是透射表面，第二自由形式光学棱镜的第二表面是反射和TIR表面，并且第二自由形式光学棱镜的第三表面是透射表面。光轴穿过物镜以及第一自由形式光学棱镜的第一表面，并且通过第一自由形式光学棱镜的第二表面处的镜涂层折叠。光轴通过TIR再次在第一自由形式光学棱镜的第一表面处折叠，穿过第一自由形式光学棱镜的第三表面以及第二自由形式光学棱镜的第一表面，通过TIR在第二自由形式光学棱镜的第二表面处折叠，并且通过第二自由形式光学棱镜的第三表面处的镜涂层再次折叠。然后，光轴穿过第二自由形式光学棱镜的第二表面。
在这些示例性实施方案中，第一自由形式光学棱镜和第二自由形式光学棱镜都可以具有屈光度。第一自由形式光学棱镜和第二自由形式光学棱镜的至少一个表面是自由形式表面。图2A至8C的折叠光学系统的物镜、第一自由形式光学棱镜和第二自由形式光学棱镜影响从物体场接收的光，以在位于第二自由形式棱镜的图像侧上的图像传感器的表面处或附近在图像平面处形成图像。
图2A至8C的折叠光学系统可以但不一定包括红外(IR)滤光片，例如位于第二自由形式棱镜的第二表面与图像传感器之间。在一些实施方案中，由折叠光学系统形成的图像平面平行于物镜的主平面(主平面垂直于物镜的光轴)。在这些实施方案中，参考图1，因此AX1平行于AX5。
在这些示例性实施方案中，第一自由形式棱镜的第一表面和第二表面之间的角度θ可以小于或等于35度，例如在29度到35度的范围内。例如，在一些实施方案中，角度A可以是30度。在一些实施方案中，角度θ可以被确定为第一自由形式棱镜的第一表面的平均平面与第一自由形式棱镜的第二表面的平均平面之间的角度。在常规折叠透镜系统中，第一棱镜的第一表面与第一棱镜的第二(反射)表面之间的角度通常为45度。减小第一自由形式棱镜中第一和第二表面之间的角度(并且类似地减小第二自由形式棱镜中第二与第三表面之间的角度)有助于在与常规折叠透镜系统相比时减小自由形式折叠光学系统的Z高度，例如如图12A所示。
在这些示例性实施方案中，有效焦距在9到31毫米(mm)的范围内，而光圈数在2.0到4.0的范围内。这些实施方案中的半对角线图像高度在2.5至2.9mm的范围内；图2A至图7C的折叠光学系统中2.52mm，和图8A至图8C的折叠光学系统中2.822。这些实施方案中的半视场(FOV)落入4.5度到16度的范围内。这些实施方案提供在75到270mm范围内的35mm等效焦距。然而，注意，可以调整物镜、第一自由形式棱镜和第二自由形式棱镜中的一个或多个的形状、表面形状、间隔、材料和其它方面以提供其中这些光学特性中的一个或多个在这些范围之外的自由形式折叠光学系统。
在这些示例性实施方案中，物镜、第一自由形式棱镜和第二自由形式棱镜均由光学塑料材料形成。在一些实施方案中，可以使用注射成型工艺形成物镜、第一自由形式棱镜和第二自由形式棱镜中的一个或多个。然而，在一些实施方案中，可以使用其它方法形成这些元件中的一个或多个(例如，3D打印、挤出、吹塑、浇铸、旋转模塑、模铸、包覆成型、压缩模制、计算机数字控制(CNC)加工、热成型等)。在一些实施方案中，这些元件中的所有三个元件可以由相同的光学塑料材料形成。在一些实施方案中，三个元件中的至少两个由不同的光学塑料材料形成。
图2A至图8C的折叠的光学系统可以满足以下条件：
0.5<B/A<0.1.0 (1)
其中A是整个光学系统的屈光度，并且B是物镜的屈光度。屈光度(也称为焦度、屈光度、聚焦功率或汇聚功率)是光学系统或光学元件会聚或发散光的程度。
图2A至图8C的折叠的光学系统可以满足以下条件：
0.05<AD<0.3 (2)
其中A是整个光学系统的屈光度，并且D是半对角线图像高度。
在图2A至图8C的折叠光学系统中，物镜是旋转对称的，并且物镜的两个表面中的至少一个是非球面的。物镜可以由具有满足以下条件的色散系数Vd1的光学塑料材料构成(或替代地，由光学玻璃材料构成，如图8A至8C中的示例折叠光学系统所示)：
Vd1>50。 (3)
使用光学玻璃代替塑料用于物镜可以例如减少焦点和轴向颜色像差的热偏移。
在图2A至图8C的折叠光学系统中，第一自由形式棱镜由具有满足以下条件的色散系数Vd2的光学塑料材料构成：
Vd2>50。 (4)
在图2A至图8C的折叠光学系统中，第二自由形式棱镜由具有满足以下条件的色散系数Vd3的光学塑料材料构成：
Vd3<25。 (5)
图2A示出了自由形式折叠光学系统的第一示例性实施方案。图2A示出了相机100的剖视图，该相机可以包括自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括物镜140、第一自由形式光学棱镜110和第二自由形式光学棱镜120。相机100还可以包括位于自由形式光学棱镜120的图像侧上的图像传感器160。相机100还可包括孔径光阑130，例如位于透镜140的物体侧上。相机100还可以包含IR滤光片150，例如位于图像传感器160与自由形式光学棱镜120之间。图2A的折叠光学系统影响通过孔径光阑130从物体场接收的光，以在图像传感器160的表面处或附近在图像平面处形成图像。在一些实施方案中，由折叠光学系统形成的图像平面平行于物镜140的主平面。
物镜140可以是旋转对称单透镜。物镜140的表面中的至少一个可以是非球面的。物镜140可具有正屈光度。自由形式光学棱镜110和自由形式光学棱镜120均具有屈光度。自由形式光学棱镜110和自由形式光学棱镜120的至少一个表面是自由形式表面。
自由形式光学棱镜110将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜110的第一表面111是透射和全内反射(TIR)表面，自由形式光学棱镜110的第二表面112是反射表面，并且自由形式光学棱镜110的第三表面113是透射表面。自由形式光学棱镜120也将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜120的第一表面121是透射表面，自由形式光学棱镜120的第二表面122是反射和TIR表面，并且自由形式光学棱镜120的第三表面123是透射表面。
图2A所示的示例自由形式折叠光学系统满足上述条件1至5。在如图2A所示的自由形式折叠光学系统的示例性实施方案中，有效焦距(f)为10mm，光圈数为2.0，半对角线图像高度为2.52mm，半FOV为14.1度，并且35mm等效焦距为86mm。然而，注意，可以调整物镜140、自由形式棱镜110和自由形式棱镜120中的一个或多个的形状、表面形状、间隔、材料和其它方面以改变这些光学特性中的一个或多个。表1提供了相机100的示例自由形式折叠光学系统的各种光学和物理参数的值。表2A至2K提供了相机100的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。
图2B和图2C示出了图2A的自由形式折叠光学系统的光学性能。图2B示出了图2A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。MTF的频率是125lp/mm。图2C示出了图2A的自由形式折叠光学系统的失真。如图2B和图2C所示，图2A的自由形式折叠光学系统中的MTF和失真都是良好的。
图3A示出了自由形式折叠光学系统的第二示例性实施方案。图3A示出了相机200的剖视图，该相机可以包括自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括物镜240、第一自由形式光学棱镜210和第二自由形式光学棱镜220。相机200还可包括孔径光阑，例如位于透镜240的物体侧上。相机200还可以包括位于自由形式光学棱镜220的图像侧上的图像传感器260。相机200还可以包含IR滤光片250，例如位于图像传感器260与自由形式光学棱镜220之间。图3A的折叠光学系统影响从物体场接收的光，以在图像传感器260的表面处或附近在图像平面处形成图像。在一些实施方案中，由折叠光学系统形成的图像平面平行于物镜240的主平面。
物镜240可以是旋转对称单透镜。物镜240的表面中的至少一个可以是非球面的。物镜240可具有正屈光度。自由形式光学棱镜210和自由形式光学棱镜220均具有屈光度。自由形式光学棱镜210和自由形式光学棱镜220的至少一个表面是自由形式表面。
自由形式光学棱镜210将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜210的第一表面211是透射和全内反射(TIR)表面，自由形式光学棱镜210的第二表面212是反射表面，并且自由形式光学棱镜210的第三表面213是透射表面。自由形式光学棱镜220也将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜220的第一表面221是透射表面，自由形式光学棱镜220的第二表面222是反射和TIR表面，并且自由形式光学棱镜220的第三表面223是透射表面。
图3A所示的示例自由形式折叠光学系统满足上述条件1至5。在如图3A所示的自由形式折叠光学系统的示例性实施方案中，有效焦距为12.24mm，光圈数为2.0，半对角线图像高度为2.52mm，半FOV为11.6度，并且35mm等效焦距为105mm。然而，注意，可以调整物镜240、自由形式棱镜210和自由形式棱镜220中的一个或多个的形状、表面形状、间距、材料和其它方面以改变这些光学特性中的一个或多个。表1提供了相机200的示例自由形式折叠光学系统的各种光学和物理参数的值。表3A至3K提供了相机200的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。
图3B和图3C示出了图3A的自由形式折叠光学系统的光学性能。图3B示出了图3A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。MTF的频率是125lp/mm。图3C示出了图2A的自由形式折叠光学系统的失真。如图3B和图3C所示，图3A的自由形式折叠光学系统中的MTF和失真都是良好的。
图4A示出了自由形式折叠光学系统的第三示例性实施方案。图4A示出了相机300的剖视图，该相机可以包括自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括物镜340、第一自由形式光学棱镜310和第二自由形式光学棱镜320。相机300还可包括孔径光阑，例如位于透镜340的物体侧上。相机300还可以包括位于自由形式光学棱镜320的图像侧上的图像传感器360。相机300还可以包含IR滤光片350，例如位于图像传感器360与自由形式光学棱镜320之间。图4A的折叠光学系统影响从物体场接收的光，以在图像传感器360的表面处或附近在图像平面处形成图像。在一些实施方案中，由折叠光学系统形成的图像平面平行于物镜340的主平面。
物镜340可以是旋转对称单透镜。物镜340的表面中的至少一个可以是非球面的。物镜340可具有正屈光度。自由形式光学棱镜310和自由形式光学棱镜320均具有屈光度。自由形式光学棱镜310和自由形式光学棱镜320的至少一个表面是自由形式表面。
自由形式光学棱镜310将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜310的第一表面311是透射和全内反射(TIR)表面，自由形式光学棱镜310的第二表面312是反射表面，并且自由形式光学棱镜310的第三表面313是透射表面。自由形式光学棱镜320也将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜320的第一表面321是透射表面，自由形式光学棱镜320的第二表面322是反射和TIR表面，并且自由形式光学棱镜320的第三表面323是透射表面。
图4A所示的示例自由形式折叠光学系统满足上述条件1至5。在如图4A所示的自由形式折叠光学系统的示例性实施方案中，有效焦距为15.3mm，光圈数为2.2，半对角线图像高度为2.52mm，半FOV为9.4度，并且35mm等效焦距为131mm。然而，注意，可以调整物镜340、自由形式棱镜310和自由形式棱镜320中的一个或多个的形状、表面形状、间距、材料和其它方面以改变这些光学特性中的一个或多个。表1提供了相机300的示例自由形式折叠光学系统的各种光学和物理参数的值。表4A至4K提供了相机300的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。
图4B和图4C示出了图4A的自由形式折叠光学系统的光学性能。图4B示出了图4A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。MTF的频率是125lp/mm。图4C示出了图4A的自由形式折叠光学系统的失真。如图4B和图4C所示，图4A的自由形式折叠光学系统中的MTF和失真都是良好的。
图5A示出了自由形式折叠光学系统的第四示例性实施方案。图5A示出了相机400的剖视图，该相机可以包括自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括物镜440、第一自由形式光学棱镜410和第二自由形式光学棱镜420。相机400还可包括孔径光阑，例如位于透镜440的物体侧上。相机400还可以包括位于自由形式光学棱镜420的图像侧上的图像传感器460。相机400还可以包含IR滤光片450，例如位于图像传感器460与自由形式光学棱镜420之间。图5A的折叠光学系统影响从物体场接收的光，以在图像传感器460的表面处或附近在图像平面处形成图像。在一些实施方案中，由折叠光学系统形成的图像平面平行于物镜440的主平面。
物镜440可以是旋转对称单透镜。物镜440的表面中的至少一个可以是非球面的。物镜440可具有正屈光度。自由形式光学棱镜410和自由形式光学棱镜420均具有屈光度。自由形式光学棱镜410和自由形式光学棱镜420的至少一个表面是自由形式表面。
自由形式光学棱镜410将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜410的第一表面411是透射和全内反射(TIR)表面，自由形式光学棱镜410的第二表面412是反射表面，并且自由形式光学棱镜410的第三表面413是透射表面。自由形式光学棱镜420也将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜420的第一表面421是透射表面，自由形式光学棱镜420的第二表面422是反射和TIR表面，并且自由形式光学棱镜420的第三表面423是透射表面。
图5A所示的示例自由形式折叠光学系统满足上述条件1至5。在如图5A所示的自由形式折叠光学系统的示例性实施方案中，有效焦距为18.36mm，光圈数为2.3，半对角线图像高度为2.52mm，半FOV为7.8度，并且35mm等效焦距为158mm。然而，注意，可以调整物镜440、自由形式棱镜410和自由形式棱镜420中的一个或多个的形状、表面形状、间距、材料和其它方面以改变这些光学特性中的一个或多个。表1提供了相机400的示例自由形式折叠光学系统的各种光学和物理参数的值。表5A至5K提供了相机400的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。
图5B和图5C示出了图5A的自由形式折叠光学系统的光学性能。图5B示出了图5A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。MTF的频率是125lp/mm。图5C示出了图5A的自由形式折叠光学系统的失真。如图5B和图5C所示，图5A的自由形式折叠光学系统中的MTF和失真都是良好的。
图6A示出了自由形式折叠光学系统的第五示例性实施方案。图6A示出了相机500的剖视图，该相机可以包括自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括物镜540、第一自由形式光学棱镜510和第二自由形式光学棱镜520。相机500还可包括孔径光阑，例如位于透镜540的物体侧上。相机500还可以包括位于自由形式光学棱镜520的图像侧上的图像传感器560。相机500还可以包含IR滤光片550，例如位于图像传感器560与自由形式光学棱镜520之间。图6A的折叠光学系统影响从物体场接收的光，以在图像传感器560的表面处或附近在图像平面处形成图像。在一些实施方案中，由折叠光学系统形成的图像平面平行于物镜540的主平面。
物镜540可以是旋转对称单透镜。物镜540的表面中的至少一个可以是非球面的。物镜540可具有正屈光度。自由形式光学棱镜510和自由形式光学棱镜520均具有屈光度。自由形式光学棱镜510和自由形式光学棱镜520的至少一个表面是自由形式表面。
自由形式光学棱镜510将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜510的第一表面511是透射和全内反射(TIR)表面，自由形式光学棱镜510的第二表面512是反射表面，并且自由形式光学棱镜510的第三表面513是透射表面。自由形式光学棱镜520也将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜520的第一表面521是透射表面，自由形式光学棱镜520的第二表面522是反射和TIR表面，并且自由形式光学棱镜520的第三表面523是透射表面。
图6A所示的示例自由形式折叠光学系统满足上述条件1至5。在如图6A所示的自由形式折叠光学系统的示例性实施方案中，有效焦距为24.48mm，光圈数为3.2，半对角线图像高度为2.52mm，半FOV为5.9度，并且35mm等效焦距为210mm。然而，注意，可以调整物镜540、自由形式棱镜510和自由形式棱镜520中的一个或多个的形状、表面形状、间隔、材料和其它方面以改变这些光学特性中的一个或多个。表1提供了相机500的示例自由形式折叠光学系统的各种光学和物理参数的值。表6A至6K提供了相机500的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。
图6B和图6C示出了图6A的自由形式折叠光学系统的光学性能。图6B示出了图6A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。MTF的频率是125lp/mm。图6C示出了图6A的自由形式折叠光学系统的失真。如图6B和图6C所示，图6A的自由形式折叠光学系统中的MTF和失真都是良好的。
图7A示出了自由形式折叠光学系统的第六示例性实施方案。图7A示出了相机600的剖视图，该相机可以包括自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括物镜640、第一自由形式光学棱镜610和第二自由形式光学棱镜620。相机600还可包括孔径光阑，例如位于透镜640的物体侧上。相机600还可以包括位于自由形式光学棱镜620的图像侧上的图像传感器660。相机600还可以包含IR滤光片650，例如位于图像传感器660与自由形式光学棱镜620之间。图7A的折叠光学系统影响从物体场接收的光，以在图像传感器660的表面处或附近在图像平面处形成图像。在一些实施方案中，由折叠光学系统形成的图像平面平行于物镜640的主平面。
物镜640可以是旋转对称单透镜。物镜640的表面中的至少一个可以是非球面的。物镜640可具有正屈光度。自由形式光学棱镜610和自由形式光学棱镜620均具有屈光度。自由形式光学棱镜610和自由形式光学棱镜620的至少一个表面是自由形式表面。
自由形式光学棱镜610将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜610的第一表面611是透射和全内反射(TIR)表面，自由形式光学棱镜610的第二表面612是反射表面，并且自由形式光学棱镜610的第三表面613是透射表面。自由形式光学棱镜620也将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜620的第一表面621是透射表面，自由形式光学棱镜620的第二表面622是反射和TIR表面，并且自由形式光学棱镜620的第三表面623是透射表面。
图7A所示的示例自由形式折叠光学系统满足上述条件1至5。在如图7A所示的自由形式折叠光学系统的示例性实施方案中，有效焦距为30.6mm，光圈数为4，半对角线图像高度为2.52mm，半FOV为4.7度，并且35mm等效焦距为263mm。然而，注意，可以调整物镜640、自由形式棱镜610和自由形式棱镜620中的一个或多个的形状、表面形状、间隔、材料和其它方面以改变这些光学特性中的一个或多个。表1提供了相机600的示例自由形式折叠光学系统的各种光学和物理参数的值。表7A至7K提供了相机600的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。
图7B和图7C示出了图7A的自由形式折叠光学系统的光学性能。图7B示出了图7A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。MTF的频率是125lp/mm。图7C示出了图7A的自由形式折叠光学系统的失真。如图7B和图7C所示，图7A的自由形式折叠光学系统中的MTF和失真都是良好的。
图8A示出了自由形式折叠光学系统的第七示例性实施方案。图8A示出了相机700的剖视图，该相机可以包括自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括物镜740、第一自由形式光学棱镜710和第二自由形式光学棱镜720。相机700还可包括孔径光阑，例如位于透镜740的物体侧上。相机700还可以包括位于自由形式光学棱镜720的图像侧上的图像传感器760。相机700还可以包含IR滤光片750，例如位于图像传感器760与自由形式光学棱镜720之间。图8A的折叠光学系统影响从物体场接收的光，以在图像传感器760的表面处或附近在图像平面处形成图像。在一些实施方案中，由折叠光学系统形成的图像平面平行于物镜740的主平面。
物镜740可以是旋转对称单透镜。物镜740的表面中的至少一个可以是非球面的。物镜740可具有正屈光度。物镜740可以由光学玻璃材料形成。使用光学玻璃代替塑料用于物镜740可以例如减少焦点和轴向颜色像差的热偏移。自由形式光学棱镜710和自由形式光学棱镜720均具有屈光度。自由形式光学棱镜710和自由形式光学棱镜720的至少一个表面是自由形式表面。
自由形式光学棱镜710将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜710的第一表面711是透射和全内反射(TIR)表面，自由形式光学棱镜710的第二表面712是反射表面，并且自由形式光学棱镜710的第三表面713是透射表面。自由形式光学棱镜720也将光轴折叠两次。自由形式光学棱镜720的第一表面721是透射表面，自由形式光学棱镜720的第二表面722是反射和TIR表面，并且自由形式光学棱镜720的第三表面723是透射表面。
图8A所示的示例自由形式折叠光学系统满足上述条件1至5。在如图8A所示的自由形式折叠光学系统的示例性实施方案中，有效焦距为17mm，光圈数为2.8，半对角线图像高度为2.822mm，半FOV为9.4度，并且35mm等效焦距为130mm。然而，注意，可以调整物镜740、自由形式棱镜710和自由形式棱镜720中的一个或多个的形状、表面形状、间隔、材料和其它方面以改变这些光学特性中的一个或多个。表1提供了相机700的示例自由形式折叠光学系统的各种光学和物理参数的值。
图8B和图8C示出了图8A的自由形式折叠光学系统的光学性能。图8B示出了图8A的自由形式折叠光学系统的调制传递函数(MTF)。MTF的频率是125lp/mm。图8C示出了图8A的自由形式折叠光学系统的失真。如图8B和图8C所示，图8A的自由形式折叠光学系统中的MTF和失真都是良好的。
图9至图12示出了自由形式折叠光学系统的各种替代实施方案。
图9示出了根据一些实施方案的包括由玻璃材料构成的物镜的自由形式折叠光学系统。相机900可以包括自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括物镜940、将光轴折叠两次的第一自由形式光学棱镜910和将光轴折叠两次的第二自由形式光学棱镜920。相机900还可包括孔径光阑，例如位于透镜940的物体侧上。相机900还可以包括位于自由形式光学棱镜920的图像侧上的图像传感器960。虽然未示出，但是相机900还可以包含IR滤光片，例如位于图像传感器960与自由形式光学棱镜920之间。
图9的自由形式折叠光学系统可以对应于或类似于图2A至图8C所示的示例性实施方案中的任一个。第一自由形式棱镜910和第二自由形式棱镜920由光学塑料材料形成。然而，如在图2A至图7C所示的示例性实施方案中由光学塑料材料形成，透镜940是玻璃透镜。在图8A至8C所示的示例性实施方案800中，透镜740是玻璃透镜。使用光学玻璃而不是塑料用于物镜940可以例如有助于校正像差。更精确地，使用光学玻璃而不是塑料用于物镜940可以减少焦点和轴向颜色像差的热偏移。
图10示出了根据一些实施方案的自由形式折叠光学系统，其中物镜是双合透镜。相机1000可以包括自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括物镜1040、将光轴折叠两次的第一自由形式光学棱镜1010和将光轴折叠两次的第二自由形式光学棱镜1020。相机1000还可包括孔径光阑，例如位于透镜1040的物体侧上。相机1000还可以包括位于自由形式光学棱镜1020的图像侧上的图像传感器1060。虽然未示出，但是相机1000还可以包含IR滤光片，例如位于图像传感器1060与自由形式光学棱镜1020之间。
图10的自由形式折叠光学系统可以对应于或类似于图2A至图8C所示的示例性实施方案中的任一个。然而，代替单透镜，物镜1040是双合的。使用双合透镜用于物镜1040可以例如帮助校正像差。在一些实施方案中，双合透镜1040中的透镜元件两者可由光学塑料构成。替代地，双合透镜中的透镜元件中的一个或两个可以由光学玻璃构成。
图11示出了根据一些实施方案的不包括物镜的自由形式折叠光学系统。相机1100可以包括自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括将光轴折叠两次的第一自由形式光学棱镜1110，以及将光轴折叠两次的第二自由形式光学棱镜1120。相机1100还可包括孔径光阑，例如位于棱镜1110的物体侧上。相机1100还可以包括位于自由形式光学棱镜1120的图像侧上的图像传感器1160。虽然未示出，但是相机1100还可以包含IR滤光片，例如位于图像传感器1160与自由形式光学棱镜1120之间。
图12示出了根据一些实施方案的将光轴折叠三次而不是四次的自由形式折叠光学系统。相机1200可包括自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统沿着光轴从系统的物体侧到系统的图像侧依次包括将光轴折叠两次的第一自由形式光学棱镜1210，以及将光轴折叠一次的第二自由形式光学棱镜1220。
参考第一自由形式棱镜1210，第一表面1211是透射和TIR表面，其透射从物体场接收的光并且通过TIR将从棱镜中的第二表面1212接收的光反射到第三表面1213。第二表面1212是涂覆有镜涂层的反射表面，其将通过第一表面1211接收的光反射回棱镜101中的第一表面1211。第三表面1213是透射从第一表面1211接收的光的透射表面。三个表面1211、1212和1213中的至少一个表面是自由形式表面。
参考第二自由形式棱镜1220，第一表面1221是透射表面，其将从第一棱镜1210接收的光透射到棱镜1220中的第二表面1222。第二表面1222是反射表面，其将通过第一表面1221接收的光反射到棱镜1220中的第三表面1223。第二表面1222可以涂覆有镜涂层，或者替代地可以经由全内反射来反射光。第三表面1223是透射从第二表面1222接收的光以在图像平面处形成图像的透射表面。三个表面1221、1222和1223中的至少一个表面是自由形式表面。
相机1200还可包括孔径光阑，例如位于自由形式光学棱镜1210的物体侧上。相机1200还可以包括位于自由形式光学棱镜1220的图像侧上的图像传感器1260。虽然未示出，但是相机1200还可以包含IR滤光片，例如位于图像传感器1260与自由形式光学棱镜1220之间。虽然未示出，但是相机1200还可以包含位于自由形式光学棱镜1210的物体侧上的物镜。物镜可以是由光学塑料或玻璃构成的单透镜，或包括两个光学塑料或玻璃透镜元件的双合透镜。
图13A至图13C将自由形式折叠光学系统的实施方案与常规折叠透镜系统进行比较。图13A是将具有常规折叠透镜系统(顶部)的相机1300与具有自由形式折叠光学系统(底部)的相机(例如，如图3A所示的相机200)进行比较的侧视图。相机1300具有常规折叠透镜系统，该常规折叠透镜系统从物体侧到图像侧依次包括第一棱镜1310、透镜堆叠1330和第二棱镜1320。常规折叠透镜系统影响在第一棱镜1310的物体侧处接收的光，以在第二棱镜1320的图像侧上在图像平面处形成图像。相机200具有自由形式折叠光学系统，该自由形式折叠光学系统从物体侧到图像侧依次包括透镜240、第一自由形式棱镜210和第二自由形式棱镜220。自由形式折叠光学系统影响在透镜240的物体侧处接收的光，以在第二棱镜220的图像侧上在图像平面处形成图像。
在相机1300中示出的常规折叠透镜系统中，第一棱镜1310的第一表面与第一棱镜1310的第二(反射)表面之间的角度θ间通常为45度。示例相机1300的Z高度(从第一棱镜1310的物体侧表面到图像平面测量)为7.6mm。在如相机200中所示的自由形式折叠光学系统中，第一棱镜210的第一表面与第一棱镜210的第二表面之间的角度θ小于或等于35度，例如在29度到35度的范围内。例如，在一些实施方案中，角度A可以是30度。示例相机200的Z高度(从透镜240的物体侧表面的顶点到图像平面测量)为5mm。减小第一自由形式棱镜210中的第一表面与第二表面之间的角度(并且类似地减小第二自由形式棱镜220中的第二表面与第三表面之间的角度)因此有助于当比较相机1300包含常规折叠透镜系统时显著减小包括自由形式折叠光学系统的相机200的Z高度。
与常规折叠透镜系统相比，如本文所述的自由形式折叠光学系统的实施方案可以在相似的有效焦距下提供较低的光圈数。例如，相机1300中的示例常规折叠透镜系统可以具有约12.24mm的有效焦距，其中光圈数为约2.2。相机200中的自由形式折叠光学系统可以具有12.24mm的有效焦距，其中光圈数为2.0。
图13B将图13A所示的相机1300中的常规折叠光学系统的调制传递函数(MTF)与图13A所示的相机200中的自由形式折叠光学系统的MTF进行比较。图13C将图13A所示的相机1300中的常规折叠光学系统的失真与图13A所示的相机200中的自由形式折叠光学系统的失真进行比较。从图13B和图13C可以看出，当与常规折叠光学系统相比时，自由形式折叠光学系统良好地执行。
数值示例和表
表1提供了如图2A至图8C所述的相机100、200、300、400、500、600和700的示例自由形式折叠光学系统的各种光学和物理参数的值，以及一些参数的范围。在表1中，A是整个光学系统的屈光度，B是物镜的屈光度，并且D是半对角线图像高度(SDIH)。光学元件(例如，物镜、第一棱镜和第二棱镜)分别由d1、d2和d3指定。N是相应光学元件的屈光度(例如，Nd1是物镜的屈光度)，并且V是相应光学元件的色散系数(例如，Vd1是物镜的色散系数)。EFL是系统的有效焦距，Fno是光学系统的光圈数。角度θ是第一棱镜的第一表面与第一棱镜的第二(反射)表面之间的角度。半FOV是半视场，并且35mm EFL为35mm等效焦距。
表1
Figure BDA0003546534640000261
表2A到8K提供了如参考图2A至图8C所述的相机100、200、300、400、500、600和700的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。图14示出了指定表2A到8K中使用的光学元件和光学元件的表面的标签。将物镜指定为L1，第一棱镜指定为P1，并且第二棱镜指定为P2。从系统的物体侧沿着光轴，表面被指定为L1R1、L1R2、P1S1、P1S2、P1S3、P2S1、P2S2和P2S3。通过基于L1R1的全局坐标来确定表面位置(即，表面R1的顶点是起点(0,0)，示出了Y和Z轴)。虽然图14中未示出，但是孔径光阑可以位于物镜(L1)的物体侧上。孔径光阑和图像平面也被认为是表中的表面。
表2A至表2K提供如参考图2A至图2C所描述的相机100的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。表2A至表2D示出了基于相机100的自由形式折叠光学系统的R1全局坐标的所有表面的局部坐标和角度。
表2A
Figure BDA0003546534640000271
表2B
Figure BDA0003546534640000272
表2C
Figure BDA0003546534640000273
Figure BDA0003546534640000281
表2D
孔径 图像平面
X 0.0000E+00 0.0000E+00
Y 0.0000E+00 -1.0035E+01
Z -1.0000E-01 5.0000E+00
每个表面的角度 0.0000E+00 0.0000E+00
表2E示出了相机100的自由形式折叠光学系统的L1的表面R1和R2的非球面系数。
表2E
R1 R2
曲率半径 9.6851E+00 -3.5850E+01
第4阶 -4.1081E-04 -2.2926E-04
第6阶 -3.4319E-07 1.3412E-05
第8阶 -2.5887E-06 -2.9379E-06
第10阶 1.4052E-07 1.8324E-07
表2F至表2H分别示出了相机100的自由形式折叠光学系统的P1的表面S1、S2和S3的非球面系数。对于S1和S2示出XY多项式系数，并且对于S3示出标准泽尼克系数。
表2F-P1S1
Figure BDA0003546534640000282
表2G-P1S2
Figure BDA0003546534640000291
表2H-P1S3
Figure BDA0003546534640000292
表2I至2K分别示出了相机100的自由形式折叠光学系统的P2的表面S1、S2和S3的非球面系数。标准泽尼克系数显示为S1，XY多项式系数显示为S2和S3。
表2I-P2S1
Figure BDA0003546534640000293
Figure BDA0003546534640000301
表2J-P2S2
Figure BDA0003546534640000302
表2K-P2S3
Figure BDA0003546534640000303
表3A到3K提供如参考图3A到3C所描述的相机200的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。表3A至3D示出了基于相机200的自由形式折叠光学系统的R1全局坐标的所有表面的局部坐标和角度。
表3A
Figure BDA0003546534640000311
表3B
Figure BDA0003546534640000312
表3C
Figure BDA0003546534640000313
表3D
孔径 图像平面
X 0.0000E+00 0.0000E+00
Y 0.0000E+00 -1.1044E+01
Z 0.0000E+00 5.7500E+00
每个表面的角度 0.0000E+00 0.0000E+00
表3E示出了相机200的自由形式折叠光学系统的L1的表面R1和R2的非球面系数。
表3E
R1 R2
曲率半径 1.2908E+01 -4.7064E+01
第4阶 -2.5061E-04 -1.0392E-04
第6阶 -1.8682E-06 -9.1017E-07
第8阶 -6.1682E-07 -4.5580E-07
表3F至表3H分别示出了相机200的示例自由形式折叠光学系统的P1的表面S1、S2和S3的非球面系数。对于S1和S2示出XY多项式系数，并且对于S3示出标准泽尼克系数。
表3F-P1S1
Figure BDA0003546534640000321
表3G-P1S2
Figure BDA0003546534640000322
表3H-P1S3
Figure BDA0003546534640000323
Figure BDA0003546534640000331
表3I至表3K分别示出了相机200的自由形式折叠光学系统的P2的表面S1、S2和S3的非球面系数。标准泽尼克系数显示为S1，XY多项式系数显示为S2和S3。
表3I-P2S1
Figure BDA0003546534640000332
表3J-P2S2
Figure BDA0003546534640000333
Figure BDA0003546534640000341
表3K-P2S3
Figure BDA0003546534640000342
表4A至表4K提供如参考图4A至图4C所描述的相机300的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。表4A至表4D示出了基于相机300的自由形式折叠光学系统的R1全局坐标的所有表面的局部坐标和角度。
表4A
Figure BDA0003546534640000343
表4B
Figure BDA0003546534640000344
表4C
Figure BDA0003546534640000351
表4D
孔径 图像平面
X 0.0000E+00 0.0000E+00
Y 0.0000E+00 -1.2623E+01
Z 4.5000E-01 7.1001E+00
每个表面的角度 0.0000E+00 0.0000E+00
表4E示出了相机300的自由形式折叠光学系统的L1的表面R1和R2的非球面系数。
表4E
R1 R2
曲率半径 1.3779E+01 -1.4250E+02
第4阶 -6.9632E-05 8.3882E-07
第6阶 3.4866E-06 8.5677E-06
第8阶 3.7304E-07 2.4073E-07
表4F至表4H分别示出了相机300的自由形式折叠光学系统的P1的表面S1、S2和S3的非球面系数。对于S1和S2示出XY多项式系数，并且对于S3示出标准泽尼克系数。
表4F-P1S1
Figure BDA0003546534640000352
Figure BDA0003546534640000361
表4G-P1S2
Figure BDA0003546534640000362
表4H-P1S3
Figure BDA0003546534640000363
表4I至表4K分别示出了相机300的自由形式折叠光学系统的P2的表面S1、S2和S3的非球面系数。标准泽尼克系数显示为S1，XY多项式系数显示为S2和S3。
表4I-P2S1
Figure BDA0003546534640000364
Figure BDA0003546534640000371
表4J-P2S2
Figure BDA0003546534640000372
表4K-P2S3
Figure BDA0003546534640000373
表5A至5K提供如参考图5A至图5C所描述的相机400的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。表5A至表5D示出了基于相机400的自由形式折叠光学系统的R1全局坐标的所有表面的局部坐标和角度。
表5A
Figure BDA0003546534640000374
Figure BDA0003546534640000381
表5B
Figure BDA0003546534640000382
表5C
Figure BDA0003546534640000383
表5D
孔径 图像平面
X 0.0000E+00 0.0000E+00
Y 0.0000E+00 -1.2624E+01
Z 0.0000E+00 7.0000E+00
每个表面的角度 0.0000E+00 0.0000E+00
表5E示出了相机400的自由形式折叠光学系统的L1的表面R1和R2的非球面系数。
表5E
Figure BDA0003546534640000384
Figure BDA0003546534640000391
表5F至表5H分别示出了相机400的自由形式折叠光学系统的P1的表面S1、S2和S3的非球面系数。对于S1和S2示出XY多项式系数，并且对于S3示出标准泽尼克系数。
表5F-P1S1
Figure BDA0003546534640000392
表5G-P1S2
Figure BDA0003546534640000393
表5H-P1S3
Figure BDA0003546534640000394
Figure BDA0003546534640000401
表5I至表5K分别示出了相机400的自由形式折叠光学系统的P2的表面S1、S2和S3的非球面系数。标准泽尼克系数显示为S1，XY多项式系数显示为S2和S3。
表5I-P2S1
Figure BDA0003546534640000402
表5J-P2S2
Figure BDA0003546534640000403
表5K-P2S3
Figure BDA0003546534640000411
表6A到6K提供如参考图6A至图6C所描述的相机500的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。表6A至表6D示出了基于相机500的自由形式折叠光学系统的R1全局坐标的所有表面的局部坐标和角度。
表6A
Figure BDA0003546534640000412
表6B
Figure BDA0003546534640000413
表6C
Figure BDA0003546534640000414
Figure BDA0003546534640000421
表6D
孔径 图像平面
X 0.0000E+00 0.0000E+00
Y 0.0000E+00 -1.3011E+01
Z 0.0000E+00 7.0000E+00
每个表面的角度 0.0000E+00 0.0000E+00
表6E示出了相机500的自由形式折叠光学系统的L1的表面R1和R2的非球面系数。
表6E
R1 R2
曲率半径 1.1108E+01 4.9615E+01
第4阶 -7.8523E-05 -2.3386E-05
第6阶 -3.1053E-07 1.5326E-06
第8阶 3.6348E-08 4.0305E-08
表6F至表6H分别示出了相机500的自由形式折叠光学系统的P1的表面S1、S2和S3的非球面系数。对于S1和S2示出XY多项式系数，并且对于S3示出标准泽尼克系数。
表6F-P1S1
X2: -1.2574E-03 Y2: -3.4899E-03 X2Y: -9.3471E-05
Y3: 3.0175E-04 X4: 1.0196E-05 X2Y2: -8.4511E-06
Y4: -3.1020E-05 X4Y: 4.5054E-06 X2Y3: 2.4496E-06
Y5: 2.1977E-06 X6: -3.1450E-07 X4Y2: -7.6725E-07
X2Y4: -2.7463E-07 Y6: -9.2808E-08
表6G-P1S2
X2: -5.3713E-03 Y2: -9.7583E-03 X2Y: 6.8529E-05
Y3: 2.0767E-04 X4: 1.8023E-06 X2Y2: -2.5461E-05
Y4: -1.2655E-05 X4Y: 3.3642E-07 X2Y3: -5.2884E-07
Y5: -9.4009E-07 X6: -4.9775E-07 X4Y2: -1.0824E-06
X2Y4: -7.5822E-07 Y6: -2.2155E-07
表6H-P1S3
Figure BDA0003546534640000431
表6I至表6K分别示出了相机500的自由形式折叠光学系统的P2的表面S1、S2和S3的非球面系数。标准泽尼克系数显示为S1，XY多项式系数显示为S2和S3。
表6I-P2S1
Figure BDA0003546534640000432
表6J-P2S2
Figure BDA0003546534640000433
Figure BDA0003546534640000441
表6K-P2S3
X2: -6.7780E-03 Y2: 2.7419E-02 X2Y: -2.5576E-03
Y3: -6.2003E-05 X4: 1.3028E-04 X2Y2: 2.1446E-04
Y4: -1.2590E-04 X4Y: -3.9522E-06 X2Y3: -2.7222E-05
Y5: 3.1668E-06 X6: -4.5754E-06 X4Y2: -2.0350E-06
X2Y4: 2.0963E-07 Y6: 1.1836E-07
表7A至7K提供了如参考图7A至图7C所述的相机600的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。表7A至图7D示出了基于相机600的自由形式折叠光学系统的R1全局坐标的所有表面的局部坐标和角度。
表7A
Figure BDA0003546534640000442
表7B
Figure BDA0003546534640000443
表7C
Figure BDA0003546534640000451
表7D
孔径 图像平面
X 0.0000E+00 0.0000E+00
Y 0.0000E+00 -1.3080E+01
Z 0.0000E+00 7.5000E+00
每个表面的角度 0.0000E+00 0.0000E+00
表7E示出了相机600的自由形式折叠光学系统的L1的表面R1和R2的非球面系数。
表7E
R1 R2
曲率半径 9.2029E+00 1.5192E+01
第4阶 1.0982E-04 2.4752E-04
第6阶 2.7779E-06 4.9210E-06
第8阶 1.4634E-07 1.6847E-07
表7F至表7H分别示出了相机600的自由形式折叠光学系统的P1的表面S1、S2和S3的非球面系数。对于S1和S2示出XY多项式系数，并且对于S3示出标准泽尼克系数。
表7F-P1S1
X2: -8.2779E-04 Y2: -5.9148E-03 X2Y: -2.4660E-04
Y3: 5.5736E-04 X4: -1.1282E-06 X2Y2: -8.4651E-06
Y4: -5.7940E-05 X4Y: 6.0643E-06 X2Y3: 4.2961E-06
Y5: 4.5389E-06 X6: -4.9393E-07 X4Y2: -9.2749E-07
X2Y4: -4.6152E-07 Y6: -2.0114E-07
表7G-P1S2
X2: -9.0426E-03 Y2: -1.4448E-02 X2Y: -2.4112E-05
Y3: 2.6340E-04 X4: -9.0849E-06 X2Y2: -3.4202E-05
Y4: -1.5518E-05 X4Y: 4.5692E-07 X2Y3: -4.4335E-07
Y5: -8.4713E-07 X6: -3.5078E-07 X4Y2: -5.7510E-07
X2Y4: -3.8514E-07 Y6: -1.5611E-07
表7H-P1S3
Figure BDA0003546534640000461
表7I至表7K分别示出了相机600的自由形式折叠光学系统的P2的表面S1、S2和S3的非球面系数。标准泽尼克系数显示为S1，XY多项式系数显示为S2和S3。
表7I-P2S1
Figure BDA0003546534640000462
表7J-P2S2
X2: 1.4914E-02 Y2: 1.3470E-02 X2Y: -3.8041E-03
Y3: 1.1921E-03 X4: 2.0673E-04 X2Y2: -7.3145E-05
Y4: 5.6914E-05 X4Y: -3.1082E-05 X2Y3: 6.5040E-05
Y5: -7.3318E-06 X6: -1.4514E-06 X4Y2: 1.1472E-06
X2Y4: -4.5996E-06 Y6: -3.2421E-07
表7K-P2S3
X2: -9.8263E-03 Y2: 2.5527E-02 X2Y: -3.3991E-03
Y3: 3.0296E-04 X4: 1.0784E-04 X2Y2: 1.1260E-04
Y4: -5.1418E-05 X4Y: 3.3765E-05 X2Y3: 2.6094E-05
Y5: 2.3030E-06 X6: -6.0219E-06 X4Y2: -3.1429E-06
X2Y4: -4.8442E-06 Y6: -2.0877E-07
表8A至8K提供如参考图8A至图8C所描述的相机700的示例自由形式折叠光学系统的光学元件的处方。表8A至表8D示出了基于相机700的自由形式折叠光学系统的R1全局坐标的所有表面的局部坐标和角度。
表8A
Figure BDA0003546534640000471
表8B
Figure BDA0003546534640000472
表8C
Figure BDA0003546534640000481
表8D
孔径 图像平面
X 0.0000E+00 0.0000E+00
Y 0.0000E+00 -1.1139E+01
Z 3.5000E-01 6.0000E+00
每个表面的角度 0.0000E+00 0.0000E+00
表8E示出了相机700的自由形式折叠光学系统的L1的表面R1和R2的非球面系数。
表8E
R1 R2
曲率半径 1.0303E+01 3.9988E+02
第4阶 -1.7141E-04 -3.7221E-05
第6阶 -1.4999E-05 -1.4028E-05
第8阶 2.6285E-06 4.2961E-06
第10阶 1.3792E-07 -9.8908E-08
第12阶 -5.5907E-08 -3.7433E-08
第14阶 4.4768E-09 4.0716E-09
表8F至表8H分别示出了相机700的自由形式折叠光学系统的P1的表面S1、S2和S3的非球面系数。对于S1和S2示出XY多项式系数，并且对于S3示出标准泽尼克系数。
表8F-P1S1
Figure BDA0003546534640000491
表8G-P1S2
Figure BDA0003546534640000492
表8H-P1S3
Figure BDA0003546534640000493
表8I至表8K分别示出了相机700的自由形式折叠光学系统的P2的表面S1、S2和S3的非球面系数。标准泽尼克系数显示为S1，XY多项式系数显示为S2和S3。
表8I-P2S1
Figure BDA0003546534640000501
表8J-P2S2
Figure BDA0003546534640000502
表8K-P2S3
Figure BDA0003546534640000503
Figure BDA0003546534640000511
示例性计算设备
图17示出了被称为计算机系统3000的示例性计算设备，其可包括或容纳具有如图1至图16所示的自由形式折叠光学系统的相机的实施方案。此外，计算机系统3000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3000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、应用程序服务器、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3000包括经由输入/输出(I/O)接口3030耦接到系统存储器3020的一个或多个处理器3010。计算机系统3000还包括耦接到I/O接口3030的网络接口3040、和一个或多个输入/输出设备3050，诸如光标控制设备3060、键盘3070和一个或多个显示器3080。计算机系统3000还可包括一个或多个相机3090，例如包括具有如上文相对于图1至图16所述的自由形式折叠光学系统的至少一个相机。
在各种实施方案中，计算机系统3000可为包括一个处理器3010的单处理器系统，或者为包括若干个处理器3010(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3010可以是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3010可为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)中的任一种的通用或嵌入式处理器。在多处理器系统中，处理器3010中的每一个处理器通常可以但并非必须实现相同的ISA。
系统存储器3020可被配置为存储可被处理器3010访问的程序指令3022和/或数据3032。在各种实施方案中，系统存储器3020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3022可被配置为实现用于控制相机3090的操作以及用于利用集成相机3090或其他方法或数据来捕获和处理图像的各种接口、方法和/或数据，例如用于捕获、显示、处理和存储利用相机3090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3020或计算机系统3000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3030可被配置为协调设备中的处理器3010、系统存储器3020和任何外围设备(包括网络接口3040或其它外围设备接口，诸如输入/输出设备3050)之间的I/O通信。在一些实施方案中，I/O接口3030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3020)的数据信号转换为适于由另一部件(例如处理器3010)使用的格式。在一些实施方案中，I/O接口3030可包括对例如通过各种类型的外围总线(诸如，外围部件互连(PCI)总线标准或通用串行总线(USB)标准的变型)附接的设备的支持。在一些实施方案中，I/O接口3030的功能例如可被划分到两个或更多个单独部件中，诸如北桥接件和南桥接件。此外，在一些实施方案中，I/O接口3030(诸如到系统存储器3020的接口)的功能中的一些或全部可直接并入处理器3010中。
网络接口3040可被配置为允许在计算机系统3000与附接到网络3085的其他设备(例如，承载器或代理设备)之间或者在计算机系统3000的节点之间交换数据。在各种实施方案中，网络3085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3040可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，例如；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SAN)、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3050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3000键入或访问数据的任何其他设备。多个输入/输出设备3050可存在于计算机系统3000中，或者可分布在计算机系统3000的各个节点上。在一些实施方案中，类似的输入/输出设备可以与计算机系统3000分开，并且可通过有线或无线连接(诸如通过网络接口3040)与计算机系统3000的一个或多个节点进行交互。
如图17所示，存储器3020可包括程序指令3022，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3090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3090的接口软件。在一些实施方案中，由相机3090捕获的图像可被存储到存储器3020。此外，由相机3090捕获的图像的元数据可被存储到存储器3020。
本领域的技术人员应当理解，计算机系统3000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3000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设备上，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例示的计算机系统3000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3000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(诸如经由通信介质诸如网络和/或无线链路而传送的电信号、电磁信号或数字信号)传输到计算机系统3000。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，显然可做出各种修改和改变。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示例的部件提供多个示例。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。预期了功能的其他分配，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。这些和其他变型、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 (20)

1.一种光学系统，所述光学系统包括：
从所述光学系统的物体侧到所述光学系统的图像侧依次为：
第一自由形式棱镜，所述第一自由形式棱镜包括在所述光学系统的光轴上的第一表面、第二表面和第三表面，其中所述
第一自由形式棱镜的所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面中的至少一者是自由形式表面；以及
第二自由形式棱镜，所述第二自由形式棱镜包括在所述光学系统的所述光轴上的第一表面、第二表面和第三表面，其中所述第二自由形式棱镜的所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面中的至少一者是自由形式表面；
其中所述第一自由形式棱镜被配置为将所述光学系统的所述光轴折叠两次。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，为了将所述光学系统的所述光轴折叠两次：
在所述光轴的第一部分上，所述第一自由形式棱镜的所述第一表面从所述光学系统的所述物体侧的物体场接收光，并且将所述光透射到所述第一自由形式棱镜的所述第二表面；
所述第一自由形式棱镜的所述第二表面将在所述光轴的所述第一部分上接收的所述光反射到所述光轴的第二部分上；以及
所述第一自由形式棱镜的所述第一表面经由全内反射将在所述光轴的所述第二部分上接收的所述光反射到所述光轴的第三部分上；
其中所述第一自由形式棱镜的所述第三表面将在所述光轴的所述第三部分上的所述光透射到所述第二自由形式棱镜的所述第一表面。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述第二自由形式棱镜被配置为将所述光学系统的所述光轴折叠两次，其中，为了将所述光学系统的所述光轴折叠两次：
所述第二自由形式棱镜的所述第一表面接收在所述光轴的所述第三部分上的光并将所述光透射到所述第二自由形式棱镜的所述第二表面；
所述第二自由形式棱镜的所述第二表面经由全内反射将在所述光轴的所述第三部分上接收的所述光反射到所述光轴的第四部分上；以及
所述第二自由形式棱镜的所述第三表面将在所述光轴的所述第四部分上接收的所述光反射到所述光轴的第五部分上；
其中所述第二自由形式棱镜的所述第二表面透射在所述光轴的所述第五部分上的所述光，以在所述光学系统的所述图像侧的图像平面处形成图像。
4.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述第二自由形式棱镜被配置为将所述光学系统的所述光轴折叠一次，其中，为了使所述光学系统的所述光轴折叠一次：
所述第二自由形式棱镜的所述第一表面接收在所述光轴的所述第三部分上的光并将所述光透射到所述第二自由形式棱镜的所述第二表面；
所述第二自由形式棱镜的所述第二表面将在所述光轴的所述第三部分上接收的所述光反射到所述光轴的第四部分上；以及
所述第二自由形式棱镜的所述第三表面透射在所述光轴的所述第四部分上的所述光，以在所述光学系统的所述图像侧的图像平面处形成图像。
5.根据权利要求1所述的光学系统，还包括物镜，所述物镜位于所述第一自由形式棱镜的所述物体侧，其中来自物体场的光在进入所述第一自由形式棱镜的所述第一表面之前由所述物镜折射。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其中所述物镜是具有至少一个非球面表面的旋转对称透镜。
7.根据权利要求5所述的光学系统，其中所述物镜由光学塑料材料或光学玻璃材料构成。
8.根据权利要求5所述的光学系统，其中所述物镜为双合透镜。
9.根据权利要求5所述的光学系统，其中所述光学系统满足以下条件：
0.5<B/A<1.0
其中A是所述光学系统的屈光度，并且B是所述物镜的屈光度。
10.根据权利要求5所述的光学系统，其中所述物镜由具有满足以下条件的色散系数Vd1的光学材料构成：
Vd1>50。
11.根据权利要求5所述的光学系统，其中由所述光学系统形成的图像平面平行于所述物镜的主平面。
12.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一自由形式棱镜由具有满足以下条件的色散系数Vd2的光学塑料材料构成：
Vd2>50；并且
其中所述第二自由形式棱镜由具有满足以下条件的色散系数Vd3的光学塑料材料构成：
Vd3<25。
13.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学系统满足以下条件：
0.05<AD<0.3
其中A是光学系统的屈光度，并且D是半对角线图像高度。
14.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学系统的有效焦距f在9毫米至31毫米的范围内。
15.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学系统的光圈数在2.0至4.0的范围内。
16.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一自由形式棱镜的所述第一表面与所述第一自由形式棱镜的所述第二表面之间的角度θ小于或等于35度。
17.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学系统的半对角线图像高度在2.5毫米到2.9毫米的范围内。
18.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学系统的半视场在4.5度至16度的范围内。
19.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述光学系统的35mm等效焦距在75毫米至270毫米的范围内。
20.一种相机，所述相机从所述相机的物体侧到所述相机的图像侧依次包括：
光学系统，所述光学系统包括：
第一自由形式棱镜，所述第一自由形式棱镜包括在所述光学系统的光轴上的第一表面、第二表面和第三表面，其中所述第一自由形式棱镜的所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面中的至少一者是自由形式表面；以及
第二自由形式棱镜，所述第二自由形式棱镜包括在所述光学系统的所述光轴上的第一表面、第二表面和第三表面，其中所述第二自由形式棱镜的所述第一表面、所述第二表面和所述第三表面中的至少一者是自由形式表面；以及
图像传感器，所述图像传感器被配置为捕获投射到所述图像传感器的表面上的光；
其中所述第一自由形式棱镜被配置为在将从所述相机的所述物体侧的物体场接收的光透射到所述第二自由形式棱镜之前将所述光学系统的所述光轴折叠两次；并且
其中所述第二自由形式棱镜被配置为在透射所述光以在所述图像传感器的所述表面处的图像平面处形成图像之前，将所述光学系统的所述光轴折叠至少一次。
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