CN115327748A - 一种光学成像系统、摄像模组及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光学成像系统、摄像模组及电子设备，光学成像系统包括成像芯片；具有屈光度的成像棱镜，用于将入射进所述成像棱镜的光线的走向改变180°，光学成像系统的像面与成像芯片位于成像棱镜的同一侧，其中，所述成像棱镜包括：入射面、出射面以及至少两个反射面，透过所述入射面的光线进入所述成像棱镜，被各个反射面依次反射，反射后的光线透过出射面投射至成像芯片，其中，入射面和/或出射面为曲面。本申请提供的摄像模组中采用成像棱镜折叠光路，以缩短光学系统总长，且成像棱镜能够参与光学系统的像差矫正，从而更有利于消除系统的像差，使得摄像模组具有更好的成像品质。

Description

一种光学成像系统、摄像模组及电子设备

技术领域

本申请涉及摄像技术领域，尤其涉及一种光学成像系统、摄像模组及电子设备。

背景技术

近年来，随着智能手机、智能手表等便携式电子设备的普及，设备的摄像性能越来越受到市场的关注。为满足市场对远摄和超远摄摄像性能的需求，超长焦距的镜头随之兴起，长焦摄像头是智能手机等便携式设备实现光学变焦的主要实施方式，但是目前主流长焦镜头厚度较厚，不仅会导致镜头突出手机后盖，还挤占了手机内部空间。

因此，如何设计摄像模组使得其在具超长焦距的同时，还能适用于便携式电子设备中，是目前亟需解决的问题。

发明内容

本申请通过提供一种光学成像系统、摄像模组及电子设备，通过采用成像棱镜折叠光路，以缩短光学系统总长，且成像棱镜能够参与光学系统的像差矫正，从而更有利于消除系统的像差，使得摄像模组具有更好的成像品质。

为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：

第一方面，本申请提供了一种光学成像系统，包括：成像芯片；具有屈光度的成像棱镜，用于将入射进所述成像棱镜的光线的走向改变180°，所述光学成像系统的像面与所述成像芯片位于所述成像棱镜的同一侧，其中，所述成像棱镜包括：入射面、出射面以及至少两个反射面，透过所述入射面的光线进入所述成像棱镜，被各个所述反射面依次反射，反射后的光线透过所述出射面投射至所述成像芯片，其中，所述入射面和/或所述出射面为曲面。

优选地，所述入射面和/或所述出射面为非球面。

优选地，所述成像棱镜包括第一成像棱镜以及第二成像棱镜，所述第一成像棱镜包括所述入射面以及第一反射面，所述第二成像棱镜包括所述出射面以及第二反射面；透过所述入射面的光线依次投射至所述第一反射面、所述第二反射，反射至所述第二反射面的光线透过所述出射面投射至所述成像芯片。

优选地，所述第一成像棱镜以及所述第二成像棱镜均为三棱镜。

优选地，所述成像棱镜为三棱镜，包括入射面、出射面以及至少两个反射面，其中所述入射面与所述出射面共面设置。

优选地，所述光学成像系统还包括：第一成像镜片组，所述第一成像镜片组与所述成像芯片相对所述成像棱镜同侧。

优选地，所述光学成像系统还包括：第二成像镜片组，位于所述成像芯片与所述成像棱镜之间，用于调制来自所述成像棱镜的光线。

第二方面，本申请提供了一种摄像模组，包括：芯片驱动装置以及如前述第一方面中任一项所述的光学成像系统，所述芯片驱动装置位于成像芯片与成像棱镜之间，用于驱动所述成像芯片进行对焦。

优选地，所述摄像模组还包括滤光片，所述滤光片位于所述成像芯片和所述成像棱镜之间，其中所述滤光片为电润湿液态镜片。

第三方面，本申请提供了一种电子设备，包括：如前述第二方面所述的摄像模组以及一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为处理从所述摄像模组生成的图像信号。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的光学成像系统，包括具有屈光度的成像棱镜，用于将从光学成像系统的像面入射进成像棱镜的光线的走向改变180度后射入成像芯片，光学成像系统的像面与成像芯片位于成像棱镜的同一侧，该成像棱镜包括入射面、出射面以及至少两个反射面，这里的入射面和/或出射面为曲面，假设入射面为曲面，当光线透过入射面时，光线会在入射面的作用下进行像差矫正。因此，通过采用成像棱镜折叠光路，有利于以缩短光学系统总长，且成像棱镜能够参与光学系统的像差矫正，从而更有利于消除系统的像差，使得摄像模组具有更好的成像品质。且具有屈光度的成像棱镜能够对光线进行成像，使得光学成像系统可以减去成像镜片，从而进一步地减小了光学成像系统的厚度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为申请实施例提供的光学成像系统的结构示意图；

图2为申请实施例提供的摄像模组的结构示意图；

图3为申请实施例提供的光学系统的场曲示意图；

图4为申请实施例提供的光学系统的畸变曲线示意图；

图5为申请实施例提供的光学系统的垂轴色差示意图；

图6为申请实施例提供的光学系统的相对照度示意图；

图7为申请实施例提供的光学系统的赛德尔像差图；

图8为申请实施例提供的一种镜头MTF图；

图9为申请实施例提供的一种MTF随空间频率的变化图；

图10为申请实施例提供的一种MTF离焦曲线图；

图11为申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

本申请通过提供一种光学成像系统、摄像模组及电子设备，通过采用成像棱镜折叠光路，以缩短光学系统总长，且成像棱镜能够参与光学系统的像差矫正，从而更有利于消除系统的像差，使得摄像模组具有更好的成像品质。

本申请实施例的技术方案总体思路如下：

一种光学成像系统，包括：成像芯片；具有屈光度的成像棱镜，用于将入射进所述成像棱镜的光线的走向改变180°，光学成像系统的像面与成像芯片位于成像棱镜的同一侧，其中，所述成像棱镜包括：入射面、出射面以及至少两个反射面，透过所述入射面的光线进入所述成像棱镜，被各个所述反射面依次反射，反射后的光线透过所述出射面投射至所述成像芯片，其中，所述入射面和/或所述出射面为曲面。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

第一方面，如图1所示，本申请实施例提供的一种光学成像系统10，包括：

成像芯片302；具有屈光度的成像棱镜，用于将入射进成像棱镜的光线的走向改变180°，光学成像系统的像面与成像芯片302位于成像棱镜的同一侧，其中，所述成像棱镜包括入射面2010、出射面2011以及至少两个反射面，透过入射面2010的光线进入成像棱镜，被各个反射面依次反射，反射后的光线透过出射面2011投射至成像芯片302，其中，入射面2010和/或出射面2011 为曲面。

本申请中所述成像棱镜本体具有预设屈光度，使其具有成像作用。作为一种实施方式，如图2所示，成像棱镜可以包括第一成像棱镜201以及第二成像棱镜202，第一成像棱镜201包括入射面2010以及第一反射面2012，第二成像棱镜202包括出射面2011以及第二反射面2013。透过入射面2010的光线依次投射至第一反射面2012、第二反射，反射至第二反射面2013的光线透过出射面2011投射至成像芯片302。

在一些实施方案中，第一反射面2012与第二反射面2013上镀有反射膜，因此第二反射面2013和第三反射面可在相应表面处反射光。

优选地，入射面2010可以为非球面，出射面2011可以为非球面，入射面 2010与出射面2011均具有屈光度。光线透过入射面2010投射至第一反射面 2012，再反射至第二反射面2013，从第二反射面2013透过出射面2011投射至成像芯片302。转折光路的第一成像棱镜201以及第二成像棱镜202，能够参与光学系统的像差矫正。具体来说，面型为非球面的入射面能够对入射进成像棱镜的光线进行汇聚，面型为非球面的出射面能够对从成像棱镜出射出的光线进行汇聚。

作为其他可选地实施例，入射面2010可以为非球面，出射面2011可以为平面，或者是，入射面2010可以为平面，出射面2011可以为非球面。

举例来说，入射面2010可以为凸面，出射面2011可以为凹面，或者，入射面2010可以为凹面，出射面2011可以为凸面等等，本申请不限定。

具体地，第一成像棱镜201与第二成像棱镜202均可以为三棱镜，第一成像棱镜201可以为第一三棱镜，第二成像棱镜202可以为第二三棱镜，入射面2010与第一反射面2012的夹角θ1为锐角，出射面2011与第二反射面2013 的夹角θ2为锐角。举例来说，θ1以及θ2均在10度到80度之间。

其中，第一三棱镜与第二三棱镜中的所有面均可以为曲面。第一三棱镜与第二三棱镜能为光学系统提供6个表面自由度用于校正像差，相当于是至少起到了3个镜片的效果。另外，棱镜的材质可以为玻璃材质或树脂材质等。

当然，成像棱镜除了可以为三棱镜之外，还可以为其他形状的棱镜。

优选地，为了实现较好地投射效果，使得从第一反射面2012投射至第二反射面2013的光线101可全被第二反射面2013反射至成像芯片302，入射面 2010与第一反射面2012之间的夹角θ1以及出射面2011与第二反射面2013 的夹角θ2之间的夹角均为45度。

在具体实施例中，所述光学成像系统还包括：第一成像镜片组，第一成像镜片组与成像芯片相对成像棱镜同侧。其中，第一成像镜片组可以包括1个镜片、2个镜片、3个镜片或其他个数的镜片。

优选地，为了能够有效地增大成像棱镜对来自第一成像镜片组的光线的收集，从而增加成像画面的亮度，进而提高模组的成像质量，入射面2010的法线方向与第一成像镜片组的光轴方向平行，以及出射面2011的法线方向与第一成像镜片组的光轴方向平行。

作为其他可选地实施例，成像棱镜为一整块三棱镜，包括入射面2010、出射面2011以及至少两个反射面，其中入射面2010与出射面2011可以共面设置，也就是，入射面2010与出射面2011在一个面上，具体地，入射面2010 与出射面2011构成的面可以为曲面。

可选地，当入射面2010与出射面2011在同一个面时，成像棱镜还可以包括第三反射面，该第三反射面与入射面2010、出射面2011为同一个面。具体来说，光线101透过入射面2010到达第一成像棱镜201后，依次经过第一反射面2012、第三反射面、第二反射面2013，再从第二反射面2013射出，透过出射面2011到达成像芯片302。

进一步地，为了进一步缩小光学系统的厚度，第一成像镜片组与成像芯片 302相对成像棱镜同侧，这里的同侧表示第一成像镜片组与成像芯片302均在成像棱镜的某一侧，例如：均在成像棱镜的左侧或右侧等。

作为一种实施方式，本申请提供的光学成像系统10还包括第二成像镜片组，位于成像芯片302与成像棱镜之间，用于调制来自成像棱镜的光线。其中，第二成像镜片组可以包括1个镜片、2个镜片、3个镜片或其他个数的镜片。

优选地，如图2所示，第一成像镜片组包括第一镜片102与第二镜片103，第二成像镜片组包括第三镜片104与第四镜片105，第一镜片102与第二镜片 103具有曲折力，均能对有效光线进行调制，即修正系统的像差，同时第三镜片104与第四镜片105具有曲折力，均能对有效光线进行调制，最终使得有效光线在成像芯片302上形成良好的成像。

具体来说，光线101从第一镜片102射入，经过第二镜片103，射入第一成像棱镜201后，经过一次反射，进入第二成像棱镜202，在进入第二成像棱镜202内部经过一次反射后，依次透过第三镜片104和第四镜片105，到达成像芯片302。

其中成像芯片302与第四镜片105之间，还包括滤光片301，从第二反射面2013反射出的光透过出射面2011投射至滤光片301，再透过滤光片301投射至成像芯片302。该滤光片301可以为红外滤光片，滤光片301可以是镀上红外反射膜的玻璃片，可以过滤掉红外光线，以减小不需要的光线101对成像的影响。

优选地，为了进一步地减小光学系统的厚度，可以控制第一成像镜片组与第一三棱镜的总厚度约等于第二成像镜片组、滤光片301、成像芯片302与第二三棱镜的总厚度。

具体来说，光线101依次从第一镜片102、第二镜片103、第一三棱镜的入射面2010入射至第一反射面2012，从第一反射面2012反射至第二反射面 2013，再从第二反射面2013透过出射面2011，依次经过第三镜片104、第四镜片105，最后进过滤光片301后达到成像芯片302，其中至少发生两次全反射。本申请提供了一种规格的光学系统，下述表1是该光学系统的结构参数：

表1

表1中包含透镜1(即第一镜片102)，透镜2(即第二镜片103)，透镜3 (即第三镜片104)，透镜4(即第四镜片105)，三棱镜1(即第一三棱镜)，三棱镜2(即第二三棱镜)。描述了物面、第一镜片102、第二镜片103、第三镜片104、第四镜片105、第一三棱镜、第二三棱镜、滤光片301以及成像面的结构参数，包括：各自的表面类型、曲率半径、厚度、材料性质(折射率n、色散系数Vd)以及焦距。

如表1所示，第一镜片102、第二镜片103、第三镜片104以及第四镜片 105均为双胶合透镜，双胶合透镜均由两个非球面透镜粘合构成，每个非球面透镜分别对应有曲率半径以及镜片厚度，并描述了各自的材料性质，其中，除了物面与成像面之外，每个镜片对应有各自的折射率n、色散系数Vd以及焦距。

下述表2是构造镜片非球面所需的圆锥系数和非球系数：

表2

表面序号	圆锥系数	A2	A4	A6	A8
						no.1	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00
no.2	0.00E+00	0.00E+00	2.49E-03	2.98E-04	-3.63E-06
						no.3	-1.88E+02	0.00E+00	3.63E-04	3.41E-04	-1.83E-04
no.4	2.84E+01	0.00E+00	-8.74E-03	-1.34E-04	-5.81E-05
						no.5	-5.43E-01	0.00E+00	-1.12E-02	4.50E-04	3.06E-05
no.6	9.16E+22	7.13E-02	-8.04E-05	-2.45E-05	0.00E+00
						no.7	1.68E+21	-1.53E-05	2.46E-06	2.04E-07	0.00E+00
no.8	-2.57E+37	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00
						no.9	-3.70E+19	2.77E-02	2.93E-03	6.28E-05	0.00E+00
no.10	1.18E+18	-3.97E-05	1.02E-05	-1.17E-06	0.00E+00
						no.11	2.82E-06	0.00E+00	2.78E-03	2.70E-04	-3.20E-05
no.12	4.36E-01	0.00E+00	2.37E-03	-1.90E-04	0.00E+00
						no.13	2.60E+03	0.00E+00	-2.10E-03	8.77E-05	0.00E+00
no.14	-2.01E+00	0.00E+00	-1.51E-03	-1.07E-04	0.00E+00
						no.15	1.33E+26	0.00E+00	-3.01E-03	8.83E-05	0.00E+00
no.16	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00
						no.17	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00
no.18	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00	0.00E+00

表2中表面序号与前述表1中的表面序号对应，表2中每一行数据对应的圆锥系数与非球系数是构造镜片非球面所需的数据。通过非球面系数公式和表2中的数据即可确定各表面的形状。

所得到的光学系统的镜头焦距f＝14mm，视野FOV＝24°,入射瞳孔径 F#＝4.0，该光学系统可以实现25mm等效焦距下10倍光学变焦。同时组装成摄像头模组后，模组总长在8mm以内。

图3示出了光学系统的场曲示意图，场曲图中横坐标表示场曲的数值，纵坐标表示视场角，实线表示子午场曲，虚线表示弧矢场曲，0.486、0.587、0.656 分别表示不同的光线波长，从图中可以看出场曲最大值小于0.06mm，系统的场曲优化较好。

图4示出了光学系统的畸变曲线示意图，畸变图中横坐标表示畸变的数值，纵坐标表示视场角，从图中可以看到畸变最大值小于5％，系统的畸变校正较好。

图5示出了光学系统的垂轴色差示意图，垂轴色差图中横坐标表示色差的大小，纵坐标表示视场角，从图中可知系统的垂轴色差小于0.0015mm，色差校正效果较好，拍照结果不会出现偏色问题。

图6示出了光学系统的相对照度示意图，横坐标是视场角，纵坐标是相对照度值，从图中可知，系统的相对照度在像高为12mm时能达到60％以上，相对照度较大。

图7示出了光学系统的赛德尔像差图，该图是光学系统所有像差校正结果的汇总，从图中可知，所有的像差数值都控制在很小的范围内，系统总体像差校正结果优秀。

其中，图8、图9、图10从不同角度表现了系统的解析力设计结果。具体地，图8示出了光学系统的镜头MTF图，横坐标是视场角，纵坐标是MTF 值(调制传递函数，用来表示镜头的解像能力，数值越高，成像越清晰)，从图中可以知道系统的MTF值随视场变化过程平缓，没有出现突然下降的情况。

图9是FFT MTF图，表示的是MTF随空间频率的变化情况，横坐标表示空间频率，纵坐标表示MTF值，从图中可知MTF随空间频率增大平滑衰减，没有出现剧烈下降的情况，并且内视场MTF值已经接近衍射极限。

图10是MTF离焦曲线图，表示固定频率下距离焦平面不同位置处的MTF 值，从图中可以看出MTF曲线集中，场曲小于0.02mm。

综上所述，本申请通过在长焦镜头后面增加具有屈光度的成像棱镜，有效压缩镜头后焦的几何长度，在保证大光圈的同时实现超薄厚度，且成像棱镜包含的入射面2010和/或出射面2011为曲面，使得成像棱镜能够参与光学系统的像差矫正，从而更有利于消除系统的像差，有利于光学成像系统10具有更好的成像品质。因此，本申请提供的光学成像系统10在实现小型化的同时，还能优化最终的成像品质，使得光学成像系统10的性能不受空间占比的减小的影响，适用范围更广泛。

第二方面，本发明提供了一种摄像模组，包括：芯片驱动装置，芯片驱动装置固定于成像芯片与成像棱镜之间，用于驱动成像芯片进行对焦。其中，芯片驱动装置可以为对焦马达。

在具体实施例中，摄像模组还包括第一镜头驱动装置，该第一镜头驱动装置位于第一成像镜片组与成像棱镜之间，用于驱动第一成像镜片组进行对焦。

进一步地，摄像模组还可以包括第二镜头驱动装置，该第二镜头驱动装置位于第二成像镜片组与成像棱镜之间，用于驱动第二成像镜片组进行对焦。本申请中的第一镜头驱动装置、第二镜头驱动装置均相对成像棱镜设置在同一侧，充分利用该侧空间，大大降低了摄像模组的尺寸。

其中，第一镜头驱动装置以及第二镜头驱动装置具体可以为对焦马达，用于装载镜头实现上下移动进行对焦。

作为一种实施方式，对焦马达可采用传统的VCM(音圈)驱动结构(即音圈马达)，这样可使得整个系统就是一个可以对焦的长焦模组，对于电子设备(例如手机)来说，可使其突出的面积较小。或者是，使用sensor AF功能进行对焦。

作为一种实施方式，摄像模组中的滤光片301可以为电润湿液态镜片，且该电润湿液态镜片导入有OIS(光学)防抖功能，从而利于缩小普通机械防抖功能所占用的空间。

作为其他可选地实施例，可以通过移动第一成像镜片组、第二成像镜片组、移动成像棱镜或移动成像芯片等方式进行光学防抖。

第三方面，如图11所示，本发明提供了一种电子设备60，包括：如前述第二方面任一项所述的摄像模组以及一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为处理从所述一个摄像模组生成的图像信号。

该电子设备60可以为但不限于智能手机、平板电脑、智能手表、电子书阅读器、车载摄像设备、监控设备、医疗设备、无人机等等。具体地，在一种实施例中，电子设备60为智能手机，智能手机包括中框和电路板，电路板设置于中框，摄像模组安装于智能手机的中框，且其中的成像芯片与电路板电性连接。摄像模组可作为智能手机的前置摄像模组或者后置摄像模组。

本申请以上实施例中的摄像模组拥有长焦、高画面亮度及小尺寸特性，因此通过采用上述摄像模组，电子设备60将能够兼顾远摄性能，且同时拥有亮度充足的拍摄画面及小型化的特点。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种光学成像系统，其特征在于，包括：

成像芯片；

具有屈光度的成像棱镜，用于将入射进所述成像棱镜的光线的走向改变180°，所述光学成像系统的像面与所述成像芯片位于所述成像棱镜的同一侧，其中，所述成像棱镜包括：

入射面、出射面以及至少两个反射面，透过所述入射面的光线进入所述成像棱镜，被各个所述反射面依次反射，反射后的光线透过所述出射面投射至所述成像芯片，其中，所述入射面和/或所述出射面为曲面。

2.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述入射面和/或所述出射面为非球面。

3.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述成像棱镜包括第一成像棱镜以及第二成像棱镜，所述第一成像棱镜包括所述入射面以及第一反射面，所述第二成像棱镜包括所述出射面以及第二反射面；

透过所述入射面的光线依次投射至所述第一反射面、所述第二反射，反射至所述第二反射面的光线透过所述出射面投射至所述成像芯片。

4.如权利要求3所述的光学成像系统，其特征在于，所述第一成像棱镜以及所述第二成像棱镜均为三棱镜。

5.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，所述成像棱镜为三棱镜，包括入射面、出射面以及至少两个反射面，其中所述入射面与所述出射面共面设置。

6.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，还包括：第一成像镜片组，所述第一成像镜片组与所述成像芯片相对所述成像棱镜同侧。

7.如权利要求1所述的光学成像系统，其特征在于，还包括：第二成像镜片组，位于所述成像芯片与所述成像棱镜之间，用于调制来自所述成像棱镜的光线。

8.一种摄像模组，其特征在于，包括：芯片驱动装置以及如权利要求1-7中任一项所述的光学成像系统，所述芯片驱动装置与所述成像芯片连接，用于驱动所述成像芯片进行对焦。

9.如权利要求8所述的摄像模组，其特征在于，还包括滤光片，所述滤光片位于所述成像芯片和所述成像棱镜之间，其中所述滤光片为电润湿液态镜片。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求8-9中所述的摄像模组以及一个或多个处理器，所述一个或多个处理器被配置为处理从所述摄像模组生成的图像信号。

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