CN115151862A

CN115151862A - 相机组件

Info

Publication number: CN115151862A
Application number: CN202180015125.XA
Authority: CN
Inventors: 多米尼克·乔治·韦伯; 大卫·查尔斯·理查兹
Original assignee: Cambridge Mechatronics Ltd
Current assignee: Cambridge Mechatronics Ltd
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2022-10-04
Also published as: GB2607837A; GB202002731D0; WO2021171030A1; GB2592579A; GB202213133D0

Abstract

一种相机组件(100)，包括：壳体(10)；窗口(12)，该窗口(12)在壳体(10)的第一侧上；图像传感器(40)，该图像传感器(40)沿壳体(10)的第一侧(10a)或沿与第一侧相对的壳体(10)的第二侧(10b)延伸，光路(2、4、6)界定在窗口(12)与图像传感器(40)之间；以及第一反射器(20)和第二反射器(30)，该第一反射器(20)和第二反射器(30)沿光路(2、4、6)顺序地定位，用于在图像传感器(40)上形成图像，第一反射器和第二反射器(20、30)各自被配置成偏转光路(2、4、6)；其中，第二反射器(30)被配置成将图像聚焦到图像传感器(40)上。

Description

相机组件

领域

本发明总体上涉及一种相机组件。

背景

随着光学器件和计算摄影的进步，现代智能手机相机在成像质量与便利性之间取得了良好的平衡。用户比以往任何时候都更依赖他们的智能手机来满足他们的日常成像需求。然而，存在消费者对承担更高要求的成像任务的更好手机摄影的持续需求。

提高智能手机图像质量的一种方法是放置多个相机，以提高成像质量。这种布置可以模仿由常规数字单透镜反射(DSLR)相机提供的图像质量和特征设定。然而，这些布置以牺牲其他关键部件(例如，手机电池)为代价占据了大量空间。

概述

图像质量很大程度上取决于所采用的图像传感器的尺寸。更具体地，通过增加像素数量和/或尺寸，成像面积越大，可以捕获的光学信息就越多。此外，大像幅图像传感器在弱光使用情况下可以表现得更好，以及因此需要较少的图像校正。然而，由于智能手机设备的设计限制，容纳远摄能力的光学器件和焦距的空间有限。因此，智能手机中设置的图像传感器的成像面积往往在几十平方毫米的数量级。这些图像传感器比DSLR相机中使用的图像传感器要小得多，DSLR相机中的成像面积至少要大一个数量级。

本发明描述了一种相机组件，该相机组件包括一对顺序地布置的反射器以提供加长的光路。换句话说，相机组件可以类似于潜望镜，其中反射器中的至少一个被配置成反射和聚焦被投影到图像传感器上的图像。有利地，这种布置可以允许将更大的图像传感器放置在智能手机中。

根据本发明的第一方面，提供了一种相机组件，该相机组件包括：

壳体；

窗口，该窗口在该壳体的第一侧上；

图像传感器，该图像传感器沿该壳体的第一侧或沿与第一侧相对的该壳体的第二侧延伸，在该窗口与该图像传感器之间限定了光路；

第一反射器和第二反射器，该第一反射器和该第二反射器沿该光路顺序地定位，用于在该图像传感器上形成图像，该第一反射器和第二反射器都被配置成偏转该光路；

其中，该第二反射器被配置成，在该光路中在该第二反射器与该图像传感器之间没有设置任何光学元件的情况下，放大正在形成在该图像传感器上的图像。

广义上讲，相机组件可以类似于潜望镜，其中图像传感器和窗口的相对位置排除了直接视线。当设置在智能手机设备中时，壳体的长度和宽度与其深度相比可以要大得多。这样，光路可以沿壳体的长度或宽度延伸。有利地，这种布置可以显著增加焦距，而不会像在常规相机组件那样增加智能手机的厚度。

窗口或孔可以定位在壳体的顶板上。窗口可以允许入射光在被第一反射器和第二反射器顺序地反射以在图像传感器上形成图像之前进入壳体。图像传感器可以支撑在支撑结构上，该支撑结构设置在壳体的底部或壳体的顶板上。可以选择图像传感器的放置以在智能手机中容纳其他部件。

图像传感器可以横跨平面延伸，其中光路的至少一部分平行于该平面延伸。因此，第一反射器可以首先将光路偏转至平行于图像传感器的成像区域的方向，其中第二反射器可以将光路偏转朝向图像传感器以在其上投影图像。

为避免疑义，本申请中的术语“聚焦”可以以这样的方式表示，即源自物体上的一点的光线会聚在图像传感器上的一点处。虽然这在概念上是准确的，但在所有实际系统中，光线只能会聚到覆盖某个有限的面积，这意味着该点不可避免地会被成像系统模糊。然而，可以定义可接受的模糊程度，该模糊程度通常是图像传感器的最小可检测特征尺寸的函数，低于该最小可检测特征尺寸的图像被认为是足够聚焦的。对于适用于本发明的成像系统，可接受的模糊程度是1μm或2μm数量级的圆盘(disc)。还值得注意的是，典型的成像系统试图将来自物体空间的点的平面清晰地聚焦在成像空间的平面上，尽管这不是固有的要求。

为避免疑义，本申请中的术语“放大”可以以这样的方式表示，即源自物体上的一点的光线在图像传感器上会聚到比非聚焦光学元件可实现的面积更大的面积上。换句话说，第二反射器提供对图像的正放大率。

第二反射器可以固定地定位在壳体的底部或顶板上。可选地，第二反射器被配置为具有正焦距，用于将图像聚焦到图像传感器上。因此，在反射时，投影在图像传感器上的图像可以被扩大或放大。有利地，这种扩大的图像可以投影到大像幅图像传感器的所有或大部分成像面积上，从而允许捕获高质量的图像，以及执行要求更高的成像任务。

可选地，第二反射器包括渐变折射率(GRIN)棱镜，该渐变折射率棱镜具有横跨棱镜渐变的折射率。可选地，GRIN棱镜可以通过中子辐射、化学气相沉积、部分聚合和离子交换中的一种形成。GRIN棱镜的使用可以有利地导致紧凑和坚固的第二反射器，同时能够以成本高效的方式生产。

替代地，或者另外，第二反射器包括凸面镜或具有曲线形状的棱镜。有利地，凸面镜的简单性可以允许更容易地制造第二反射器。

可选地，第一反射器和/或第二反射器包括在反射表面处的反射涂层。反射表面可以是第一反射器和/或第二反射器上的任何表面。

可选地，第一反射器和第二反射器都被配置成将光路偏转至垂直于沿光路的相应入射光的方向。这种布置可以有利地导致更紧凑的相机布置，例如比其光学长度更薄的相机布置。可替代地，第一反射器和第二反射器可以根据壳体内可用空间使光路偏转90°以外的任何角度。

可选地，图像传感器的长度和宽度中的一个或两个大于由壳体的所述相对的侧界定的壳体的深度。换句话说，图像传感器的尺寸大于壳体的深度，因此不允许图像传感器安装在壳体的相对的侧以外的表面上。

可选地，第一反射器包括反射镜和/或棱镜。反射镜和/或棱镜可以只负责将入射光反射到第二反射器，并且不执行入射光的任何聚焦，例如，形成第一反射器的反射镜和/或棱镜可以不具有正焦距或负焦距。

可选地，相机装置还包括沿光路设置的一个或更多个光学元件，该一个或更多个光学元件与第二反射器和/或第一反射器被配置成共同地将图像聚焦到图像传感器上，例如，一个或更多个光学元件被配置成与第二反射器一起将图像聚焦到图像传感器上。优选地，一些或所有光学元件可以沿光路定位在第一反射器与第二反射器之间。在一些实施例中，一个或更多个光学元件可以定位在沿光路的任何位置。换句话说，光学元件和第二反射器可以共同地执行图像聚焦。例如，光学元件可以形成用于将入射光聚焦到第二反射器上的第一聚焦级。第二反射器可以形成第二聚焦级以将聚焦光聚焦以在图像传感器上形成图像。

光学元件可以包括由一个或更多个透镜支架支撑的一个或更多个透镜。透镜支架中的一个或更多个透镜可以沿着这些透镜的光轴在第一反射器与第二反射器之间移动，以便实现变焦和自动聚焦(AF)。可替代地，或者另外，透镜支架中的一个或更多个透镜可以在与这些透镜的光轴正交的方向上移动，以便实现光学图像稳定(OIS)。

可替代地，第一反射器和第二反射器被配置成共同地将图像聚焦到图像传感器上，例如，第一反射器与第二反射器一起被配置成将图像聚焦到图像传感器上。可选地，第一反射器包括渐变折射率(GRIN)棱镜、凸面镜和具有曲线形状的棱镜中的一个或更多个，例如，第一反射器可以配置为具有正焦距。例如，第一反射器可以包括用于将入射光反射并聚焦到第二反射器上的GRIN棱镜。在这些实施例中，AF和/或OIS可以通过例如在沿着它们的光轴的方向上和/或正交于它们的光轴的方向上移动第一反射器和/或第二反射器来实现。也就是说，可以通过使用两个GRIN棱镜来实现反射和聚焦。有利地，这种布置使所需的光学部件的数量最小化，并从而例如使智能手机设备中的重量最小化。

可选地，相机组件还包括可调快门，该可调快门定位于第一反射器与第二反射器之间的光路中，其中可调快门的元件是可移动的，用于控制穿过的光量并由此改变相机组件的景深。例如，可调快门可以是包括至少一个可移动叶片(moveable leaf)的可调节光圈，用于控制穿过其中的光量。可调快门可以优选地定位在第一反射器与光学元件之间，和/或可调快门可以定位在光学元件与第二反射器之间。

可选地，相机组件还包括形状记忆合金(SMA)致动器，SMA致动器包括一个或更多个SMA部件(例如，多段SMA线)，每个部件被配置成在收缩时实现所述移动。例如，SMA致动器可以用于实现透镜支架的的移动，和/或用于操纵可调快门的至少一个可移动叶片。在一些实施例中，单个SMA致动器可以用于移动透镜支架以及操作可调快门。在其它实施例中，分立的SMA致动器可以各自用于实现透镜支架和可调快门的移动。

作为示例，SMA致动器可以包括八段SMA线，用于控制透镜支架的移动，透镜支架具有多达六个自由度，以提供变焦、AF和OIS能力。在WO2011/104518A1中公开了这样的布置。

优选地，AF和OIS功能可以由堆叠布置的分立的致动器提供，每个致动器负责特定功能。例如，致动器布置可以类似于WO2016/009200A1，WO2016/009200A1除了公开了被配置为使透镜支架正交于光轴移位以便提供OIS的SMA致动器(具有四段SMA线)之外，还公开了使用音圈电机(VCM)以用于沿着光轴移动透镜支架来执行AF。

SMA线可以由任何合适的形状记忆合金材料(通常是镍钛合金(例如镍钛诺(Nitinol))形成，但是这些SMA线还可以包含诸如铜的第三组分。SMA线可以具有适合于应用的任何横截面轮廓和直径。例如，SMA线可以具有25μm的横截面直径，其能够产生120mN至200mN之间的最大力，同时将SMA线中的应变保持在安全限度内(例如，比原始长度减少2％-3％的长度)。将每根SMA线的直径从25μm增加到35μm，使SMA线的横截面积大约翻倍，并因此使每根SMA线提供的力大约翻倍。

优选地，SMA致动器被配置为由脉宽调制(PWM)驱动信号驱动。有利地，PWM驱动信号的使用可以导致一个或更多个透镜支架的更多致动定位，以及SMA线之间的功率分配。

图像传感器可以是任何像幅和尺寸。优选地，相机组件形成智能手机的一部分，并且图像传感器具有至少116mm²、或至少225mm²、或至少286mm²、或至少329mm²、或至少370mm²、或至少548mm²的图像感测表面。例如，图像传感器可以是通常称为1英寸像幅图像传感器的大像幅图像传感器，或三分之四图像传感器，或任何其他大像幅传感器。

本发明的一个方面的特征可以与本发明的其它方面中的兼容特征相结合。

附图简述

现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的某些实施例，在附图中：

图1A和图1B分别是根据本发明的第一实施例的相机组件的剖视的侧视图和平面图；

图2是图1的相机组件的SMA致动器布置的透视图；

图3是根据本发明的第二实施例的相机组件的侧视图；

图4是根据本发明的第三实施例的相机组件的侧视图。

详细描述

图1a和图1b分别是根据本发明第一实施例的相机组件100的剖视的侧视图和平面图。相机组件100被配置成用于智能手机设备中，并且包括壳体10，壳体10包含沿光路2、4、6在一对反射器20、30之间的一个或更多个透镜元件62。光路2、4、6被界定在壳体10的第一侧10a上的窗口12与沿壳体10的和第一侧相对的第二侧10b延伸的图像传感器40之间。更具体地，第一反射器20和第二反射器30被配置成偏转或折叠光路2、4，以便将穿过一个或更多个透镜元件62的入射光引导至图像传感器40上以形成图像。因此，相机组件100可以被称为折叠式光学布置或潜望镜相机。

折叠式光学布置在设备厚度(图1a和图1b中的z方向)受到限制的设备中特别有用。也就是说，随着智能手机设备变得越来越薄以及对大像幅图像传感器40的需求不断增加，在智能手机设备的厚度/Z-方向上安装大像幅图像传感器成为挑战。

所示示例中的图像传感器40是具有116mm²的有效面积(例如，对于典型的1英寸像幅图像传感器为13.2mm x 8.8mm)的大像幅电荷耦合设备(CCD)。在其他实施例中，根据智能手机设备中可用的占用空间(footprint)，可以使用各种尺寸和类型(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS))的图像传感器。大像幅图像传感器40的大尺寸使得其无法安装到壳体10的除第一侧10a和第二侧10b以外的任何表面上。也就是说，图像传感器40的长度和宽度大于壳体10的深度Z。因此，在该示例中，平面图像传感器40沿壳体10b的底部被支撑。

如图1A和图1B所示，透镜元件62的光轴4平行于图像传感器40的成像区域布置。更具体地，透镜元件62的光轴4在第一反射器20与第二反射器30之间沿壳体10的长度Y延伸。换句话说，沿Z-方向进入壳体10的入射光被第一反射器“折叠”以沿Y-轴通过，然后再次被“折叠”以沿Z-方向朝向图像传感器40通过。

第一反射器20包括棱镜，用于在反射表面处实现全内反射。可替代地，第一反射器20可以是反射镜。在所示示例中，第一反射器20相对于壳体10固定地安装。在一些其他实施例中，镜子可以在X-方向和Z-方向上移动和/或绕X-轴和/或Z-轴倾斜，以提供光学图像稳定(“OIS”)。

透镜元件62被配置成将入射光聚焦到第二反射器30上。由透镜元件62提供的聚焦度可能仅足以将图像投影到图像传感器的一部分上，即图像未投影到大像幅图像传感器40上可用的所有成像面积上。因此，第二反射器30被配置为对穿过透镜元件62的光6进行进一步聚焦，以在图像传感器40上的所有或基本上所有成像面积上形成图像。因此，第二反射器30不仅反射入射光4，还进行聚焦，以便在图像传感器40上形成放大或扩大的图像。

在所示实施例中，第二反射器30包括由提供渐变折射率(GRIN)的材料形成的棱镜。例如，GRIN棱镜30可以具有平坦表面以实现全内反射，同时沿GRIN棱镜产生材料的折射率渐变。这种GRIN棱镜可以使用多种技术来形成，例如中子辐射、化学气相沉积和部分聚合。特别地，可以在富硼玻璃体上进行中子辐射，其中可以通过中子轰击来改变玻璃中硼离子的浓度。

在一些其它实施例中，第二反射器30可以是具有正焦距的凸面镜。也就是说，凸面镜的表面可能导致入射光发散，并因此将图像投影到大像幅图像传感器40的基本上所有图像面积上。

当在智能手机设备中使用时，希望能够驱动透镜元件62在如图1A和图1B所示的X、Y和Z方向中的每一个方向上的移动。在X-方向和Z-方向上的移动可以提供光学图像稳定(“OIS”)，而在Y-方向上的移动可以提供自动聚焦(“AF”)。在某些布置中，透镜元件62可以包括多个透镜，这些透镜相对于彼此是可移动的，这些相对移动提供了变焦。

图2示出图1A和图1B的相机组件100中的SMA致动器布置的透视图。透镜元件62由透镜支架60支撑，透镜支架60提供结构性接合部，用于使线附接到该接合部而不撞击组件100的光学区域。透镜支架60具有两个长形板60a、60b，这两个长形板平行于透镜元件的光轴沿着透镜元件62的两侧延伸。板60a、60b一起界定了长方体，SMA线51可以连接到该长方体的每个角(或靠近该长方体的每个角)。

SMA线以对称布置联接在透镜支架60的侧面，并且SMA线交叉。每个SMA线51连接在附接到壳体10的静态压接件与附接到透镜支架60的移动压接件之间。可以看出，通过致动选定的SMA线51，可以以多个自由度驱动透镜支架60。在最常见的情况下，可以提供位置控制来以以下所有自由度移动透镜支架60：在任何方向上(包括沿所指示的每个轴的两个方向上)的侧向移动和围绕任何轴的倾斜或旋转。如果需要，对SMA线51的适当控制可以允许以更受限制的方式移动(例如，沿着所指示的每个轴的平移移动和围绕所指示的一个或更多个轴的旋转)。

位置控制中的自由度由SMA线的配置决定。在透镜支架60的两侧上的两组每组四根SMA线51，如果作为整体被致动，则各自可以沿X-轴提供相反方向的力。由于对称布置，每组中对应的一对相邻SMA线51的致动将提供沿Y-轴或Z-轴的力，而相对的SMA线51的致动将提供沿同一轴的相反方向的力。类似地，可以看出，线51的差动致动将引起透镜支架60的旋转。

在如图1A和图1B所示的相机组件100中，设置有定位于第一反射器20与透镜元件62之间的可调快门50。可调快门被配置成在致动时控制穿过其的光量。这样，相机组件100的f数(f-number)是可调节的以改变视角深度。例如，f数可以在f 1.0至f 2.8范围内调节。如本示例中所示的可调快门50包括由SMA致动器致动的叶型快门，然而，可调快门可以采用任何合适的可调快门，并且可以由任何致动装置(例如，音圈电机(VCM))来控制。

图3是根据本发明的第二实施例的可选择的相机组件200的侧视图。相机组件200在结构上和功能上类似于如图1A和图1B所示的第一实施例100。然而，如图3所示的图像传感器40被支撑在壳体10的顶板10a上(例如，在壳体10的与窗口12相同侧10a上)。因此，光路2、4、6在壳体10中反转了其方向。

图4是根据本发明的第三实施例的另一相机组件300的侧视图。相机组件300在结构上和功能上类似于如图1A和图1B所示的第一实施例100。然而，在本实施例中，使用辅助GRIN棱镜22来代替第一反射器20和透镜元件60。更具体地，辅助GRIN棱镜22被配置成反射入射光并将入射光聚焦到GRIN棱镜30上。因此，两个GRIN棱镜22、30共同地聚焦入射光以将图像投影到图像传感器40上。

辅助GRIN棱镜22可以沿一个或更多个轴或围绕一个或更多个轴移动，以提供OIS和AF功能。辅助GRIN棱镜22的移动由类似于图2所示的SMA致动器引起。在其它实施例中，辅助GRIN棱镜22固定地安装在壳体10上。

将理解，可以存在上述实施例的许多其他变型。

例如，相机组件不是必须包括本文所述的壳体10。

Claims

1.一种相机组件，包括：

壳体；

窗口，所述窗口在所述壳体的第一侧上；

图像传感器，所述图像传感器沿所述壳体的所述第一侧或沿所述壳体的与所述第一侧相对的第二侧延伸，光路被界定在所述窗口与所述图像传感器之间；

第一反射器和第二反射器，所述第一反射器和所述第二反射器沿所述光路顺序地定位，用于在所述图像传感器上形成图像，所述第一反射器和所述第二反射器都被配置成偏转所述光路；

其中，所述第二反射器被配置成，在所述光路中在所述第二反射器与所述图像传感器之间没有设置任何光学元件的情况下，放大正在形成到所述图像传感器上的图像。

2.根据权利要求1所述的相机装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器被配置为共同地将所述图像聚焦到所述图像传感器上。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的相机装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器中的一者或两者被配置为具有正焦距。

4.根据前述权利要求中任一项所述的相机装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器中的一者或两者包括渐变折射率(GRIN)棱镜，所述渐变折射率棱镜具有横跨所述棱镜渐变的折射率。

5.根据权利要求4所述的相机装置，其中，所述GRIN棱镜由中子辐射、化学气相沉积、部分聚合和离子交换中的一种形成。

6.根据前述权利要求中任一项所述的相机装置，其中，所述第一反射器和所述第二反射器中的一者或两者包括凸面镜或具有曲线形状的棱镜。

7.根据前述权利要求中任一项所述的相机装置，其中，所述第一反射器和/或所述第二反射器包括在反射表面处的反射涂层。

8.根据前述权利要求中任一项所述的相机组件，其中，所述第一反射器能够相对于所述壳体移动，以实现变焦、自动聚焦(AF)和光学图像稳定(OIS)中的一个或更多个。

9.根据权利要求1所述的相机装置，其中，所述第一反射器包括反射镜/或棱镜。

10.根据前述权利要求中任一项所述的相机装置，还包括沿所述光路设置的一个或更多个光学元件，所述一个或更多个光学元件和所述第二反射器和/或所述第一反射器被配置为共同地将所述图像聚焦到所述图像传感器上。

11.根据权利要求10所述的相机组件，其中，所述光学元件中的至少一个能够相对于所述壳体移动，以实现变焦、自动聚焦(AF)和光学图像稳定(OIS)中的一个或更多个。

12.根据前述权利要求中任一项所述的相机组件，还包括可调快门，所述可调快门定位于所述第一反射器与所述第二反射器之间的所述光路中，其中，所述可调快门的元件是可移动的，用于控制穿过的光量并由此改变所述相机组件的景深。

13.根据权利要求8、11或12中任一项所述的相机组件，还包括形状记忆合金(SMA)致动器，所述SMA致动器包括一个或更多个SMA部件，每个SMA部件被配置成在收缩时实现所述移动。

14.根据前述权利要求中任一项所述的相机组件，其中，所述第一反射器和所述第二反射器均被配置成将所述光路偏转到基本上垂直于沿所述光路的相应入射光的方向。

15.根据前述权利要求中任一项所述的相机组件，其中，所述图像传感器的长度和宽度中的一个或更多个大于由所述壳体的所述相对的侧界定的所述壳体的深度。

16.根据前述权利要求中任一项所述的相机组件，其中，所述相机组件形成智能手机的一部分，并且其中，所述图像传感器具有至少116mm²，或至少225mm²，或至少286mm²的图像感测表面。