CN116413885A - 薄型弹出式相机及用于此类相机的镜头 - Google Patents

薄型弹出式相机及用于此类相机的镜头 Download PDF

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Abstract

数字相机包括一镜头组件、一影像传感器及一弹出机构，所述镜头组件包括在一物体侧上以L1开始的N个透镜元件L1‑LN，其中N≥4，所述影像传感器具有一传感器对角线SD以及所述弹出机构控制在透镜元件L1及LN内的两个连续透镜元件之间的一最大气隙d，以使所述相机进入一操作弹出状态及一收缩状态，其中所述镜头组件具有在所述操作弹出状态下的一光学总长TTL及在所述收缩状态下的一收缩光学总长cTTL，其中SD在7‑20毫米的范围内，并且cTTL/SD<0.6。

Description

薄型弹出式相机及用于此类相机的镜头
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年9月24日提交的美国临时专利申请第62/904,913号、2020年5月18日提交的美国临时专利申请第63/026,317号以及2020年6月11日提交的美国临时专利申请第63/037,836的优先权，其揭露内容的全文以引用方式并入本文。
技术领域
本揭露整体上是关于数字相机，更具体地，是关于具有弹出机构及镜头的数字相机。
背景技术
紧凑型多光圈数字相机(也称为“多镜头相机”或“多相机”)，尤其是双光圈(或“双相机”)及三光圈(或“三相机”)数字相机是已知的。小型化技术允许将此类相机结合到紧凑型可携式电子装置中，例如平板电脑及行动电话(后者在下文中统称为“智能型手机”)，其中它们提供先进的成像能力，例如变焦，参见例如共同拥有的PCT专利申请号PCT/IB2063/060356，在此引入全文作为参考。典型的三相机系统示例性地包括超广角(或“超广”或“UW”)相机、广角(或“广”)相机及远距摄影(或“远摄”)相机。
双光圈变焦相机的挑战涉及相机高度与影像传感器的尺寸(“传感器对角线”或SD)。远摄与广角相机的高度(以及光学总长(total track length)或“TTL”)有很大差异。图1A示意性地说明各种实体的定义，例如TTL、有效焦距(EFL)及后焦距(BFL)。TTL定义为第一透镜元件的物体侧表面与相机影像传感器平面之间的最大距离。BFL定义为最后一个透镜元件的影像侧表面与相机影像传感器平面之间的最小距离。在下文中，“W”与“T”下标分别指的是广角与远摄相机。EFL具有本领域众所周知的含义。如图1A所示，在大多数微型镜头中，TTL大于EFL。
图1B显示一种示例性相机系统，相机系统包括一个具有视场(FOV)的镜头、EFL及一个具有传感器宽度S的影像传感器。对于影像传感器的固定的宽/高比(通常为矩形的)，传感器对角线与传感器的宽度及高度成正比。水平FOV与EFL及传感器宽度有关，如下所示：
Figure SMS_1
这表明，要实现具有更大影像传感器宽度(即更大的传感器对角线)但相同FOV的相机就需要更大的EFL。
在行动装置中，典型的广角相机具有35毫米等效焦距(“35eqFL”)。范围从22毫米到28毫米。嵌入在行动相机中的影像传感器小于全帧传感器(full frame sensor)，并且在广角相机中实际焦距范围为3.2毫米至7毫米，取决于传感器的尺寸及FOV。此类相机设计的大多数镜头中，TTL/EFL比率大于1.0，并且通常在1.0与1.3之间。这些镜头的另一个特点是它们的TTL与传感器对角线比率TTL/SD通常在0.6到0.7的范围内。在广角相机中嵌入较大的传感器是期望的，但需要较大的EFL才能保持相同的FOV，导致较大的TTL，这是不想要的。
现在许多行动装置都包括远摄与广角相机。远摄相机可实现光学变焦与其他计算摄影功能，例如数字散景(digital Bokeh)。根据广角相机特性及可允许的模块高度，行动装置远摄相机的35eqFL范围为45毫米至100毫米。为远摄相机设计的镜头的TTL小于此类镜头的EFL，通常满足0.7<TTL/EFL<1.0。典型的远摄EFL值范围在垂直远摄相机中为从6毫米到10毫米(未应用35毫米等效转换)，且在折叠式远摄相机中为从10毫米到30毫米。为了增强光学变焦效果，需要更大的EFL，但是它会导致更大的TTL，这是不想要的。
在持续尝试改善所获得的影像品质时，有需要将较大的影像传感器并入广角与远摄相机。较大的传感器顾及改善的低光性能及较大的像素数量，因此改善空间解析度。其他影像品质特性(例如噪声特性、动态范围及色彩保真度)也可能随着传感器尺寸的增加而改善。
随着广角镜头传感器变更大，所需的EFL也更大(对于相同的35毫米焦距等效)，镜头TTL增大并且相机模块高度变更大，导致当考虑允许的行动装置厚度或其他工业设计约束时限制了允许的传感器尺寸。在大多数行动装置的广角相机中，传感器像素阵列尺寸全对角线范围从大约4.5毫米(通常称为1/4″传感器)到16毫米(通常称为1″传感器)。
具有广角镜头及/或远摄镜头设计是有益的，所述设计针对大传感器对角线(光学变焦)支持大EFL同时针对薄型设计仍具有较小TTL。后者例如在共同拥有的美国临时专利申请第62/904,913号中提出。
发明内容
在各种示例中，提供了数字相机，包括：一光学模块，包括一镜头组件，所述镜头组件包括在一物体侧上以L1开始的N个透镜元件L1-LN，其中N≥4；一影像传感器，具有在5-30毫米范围内的一传感器对角线SD；以及一弹出机构，配置为控制多个透镜元件之间或一透镜元件与所述影像传感器之间的至少一个气隙，以使所述相机进入一操作弹出状态及一收缩状态，其中所述镜头组件具有在所述操作弹出状态下的一光学总长TTL及在所述收缩状态下的一收缩光学总长cTTL，其中cTTL/SD<0.6。
为了简单起见，在下面的描述中，可以使用“镜头”代替“镜头组件”。
此后并且为了简单起见，在可以省略各种组件之前使用术语“弹出”，可以理解的是，如果第一次定义为“弹出”部件，则所述部件在整个说明书中都是这样的。
在上文与下文的相机的各种示例中，窗口弹出机构包括与所述光学模块可接合的一窗框，其中所述窗框在所述操作弹出状态下不接触所述光学模块，其中所述窗框可操作成压在所述光学模块上以使所述相机进入所述收缩状态。
在一些示例中，所述最大气隙d在LN-1与LN之间。
在一些示例中，所述最大气隙d在LN-2与LN-1之间或在LN-1与LN之间，并且所述镜头组件具有介于40毫米与150毫米之间的一35毫米等效焦距35eqFL。在这样一个示例中，d可大于TTL/5。
在一些示例中，cTTL/SD<0.55。
在一些示例中，SD在10毫米至15毫米的范围内。
在一些示例中，如上文或下文的相机与一第二相机被包括在一多相机中，所述第二相机镜头组件具有在0.9xTTL至1.1xTTL范围内的一光学总长TTL2。
在一些示例中，所述镜头组件具有大于24毫米的一35毫米等效焦距35eqFL。
在一些示例中，所述镜头组件具有一有效焦距EFL，并且TTL/EFL比率小于1.4且大于1.0。
在各种示例中，提供了一种数字相机，包括一光学模块，包括一镜头组件，所述镜头组件包括在一物体侧上以L1开始的N个透镜元件L1-LN，其中N≥4，以及所述镜头组件具有大于透镜元件之间的任何气隙的一后焦距BFL，及具有在7毫米到18毫米范围内的一有效焦距EFL；一弹出机构，配置为将所述镜头组件致动到一操作弹出状态及到一收缩状态，其中所述镜头组件具有在所述操作弹出状态下的一光学总长TTL及在所述收缩状态下的一收缩光学总长cTTL，其中所述弹出机构配置为控制所述BFL，使得cTTL/EFL<0.55；以及一影像传感器，具有传感器对角线SD。
在一些示例中，弹出机构包括基于销-凹槽组件的一窗口弹出机构，并且一个或多个销在垂直定向的多个凹槽中滑动，并且一个或多个销在多个成角度的凹槽中滑动，所述多个成角度的凹槽相对于垂直方向呈20-80度、30-70度或40-60度的一个角度。
在一些示例中，弹出机构包括一镜筒弹出机构，所述镜筒弹出机构包括多个弹簧以及一引导及定位机构，所述引导及定位机构能够使在所述操作弹出状态下的透镜元件之间具有足够的z偏心(sufficient z-decenter)与xy偏心精度(xy-decenter accuracy)，并且能够在操作状态与收缩状态之间进行切换时具可重复性(repeatability)，其中足够的偏心精度(sufficient decenter accuracy)小于0.1毫米偏心(decenter)，其中可重复性小于0.05毫米偏心。在其他示例中，足够的偏心精度小于0.8毫米偏心，并且可重复性小于0.04毫米偏心。在其他示例中，足够的偏心精度小于0.6毫米偏心，并且可重复性小于0.03毫米偏心。所述引导及定位机构可以基于销与凹槽组件、止动器或运动耦合机构。在一些示例中，引导机构可以基于销-凹槽组件，且定位机构可以基于磁力。
在一些示例中，SD在4.5毫米至10毫米的范围内，其中所述镜头组件具有大于45毫米且小于180毫米的一35毫米等效焦距35eqFL。
在一些示例中，SD在10毫米至20毫米的范围内，其中所述镜头组件具有大于40毫米且小于180毫米的一35毫米等效焦距35eqFL。
在一些示例中，TTL/EFL比率小于1.0且大于0.7。
在一些示例中，BFL大于TTL/3并且小于TTL/1.5。
在上文或下文的相机的一些示例中，所述镜头具有一透镜元件，所述透镜元件具有最大透镜直径dL，其中所述光学模块的最大直径dmodule与所述最大透镜直径dL之间的一损失(penalty)小于4毫米，小于2毫米或甚至小于1毫米。
在各种示例中，提供了多相机，包括：对角线SD1，以及一弹出机构控制两个连续透镜元件之间的一最大气隙d，以使所述第一相机进入一操作弹出状态与一收缩状态，其中所述第一镜头组件具有一第一35毫米等效焦距35eqFL1、在所述操作状态下的一光学总长TTL1及在所述收缩状态下的一收缩光学总长cTTL1，其中SD1在7-20毫米范围内，并且cTTL1/SD1<0.6；以及一第二相机，具有7-18毫米的一第二相机有效焦距EFL2，并且包括一第二镜头组件及一第二弹出机构，所述第二镜头组件具有小于FOV1的一第二视场FOV2，所述第二镜头组件包括在一物体侧上以L1开始的M个透镜元件L1-LM，其中M≥4，以及所述第二弹出机构配置为将所述第二相机致动到一操作状态及一收缩状态，其中所述第二镜头组件具有一第二35毫米等效焦距35eqFL2、在所述操作状态下的一光学总长TTL2以及在所述收缩状态下的一收缩光学总长cTTL2，其中cTTL/EFL<0.55。
在一些示例中，cTTL1＝cTTL2±10％。
在一些示例中，35eqFL2≥1.5x 35eqFL1。
在一些示例中，35eqFL1大于24毫米。
在一些示例中，35eqFL2大于45毫米。
在各种示例中，提供了多相机，包括：一广角相机，包括装有一广角镜头组件的一镜头镜筒、一影像传感器及一第一弹出机构，所述广角镜组件包括在一物体侧以L1开始的N个透镜元件L1-LN，其中N≥4，所述影像传感器具有一广角传感器对角线SDW以及所述第一弹出机构控制透镜元件LN及LN-1之间的一气隙dN-1，使所述相机进入一操作状态及一收缩状态，其中所述广角镜头组件具有一视场FOVW、在所述操作状态下的一光学总长TTLW及在所述收缩状态下的一收缩光学总长cTTLW，其中SDW在10-16毫米的范围内时，则cTTLW/SDW<0.6；以及一远摄相机，包括装有一远摄镜头组件的一镜头镜筒、一远摄影像传感器及一第二弹出机构，所述远摄镜头组件包括在一物体侧上以L1开始的N个透镜元件L1-LN，其中N≥4，所述远摄镜头组件影像传感器具有一个传感器对角线SDT以及所述第二弹出机构控制透镜元件LN及所述远摄影像传感器之间的一气隙，使所述相机进入一操作状态及一收缩状态，其中所述远摄镜头组件具有小于FOVW的一视场FOVT、在所述操作状态下的一TTLT及在所述收缩状态下的一cTTLT，其中SDT在4.5-10毫米的范围内时，则cTTLT<EFLT<0.55，其中cTTLW＝cTTLT±10％。
在一些示例中，所述多相机嵌入于一装置中，所述装置具有一装置外表面，其中在一操作状态下所述多相机延伸超过所述装置外表面2-10毫米，并且在一非操作状态下所述多相机延伸超过所述装置外表面少于2毫米。
在一些示例中，7毫米<TTLW<13毫米，其中1.0<TTLW/EFLW<1.3，其中dN-1大于TTL/4。
在一些示例中，提供了一种相机，包括：一镜头组件，包括在一物体侧上以L1开始的N个透镜元件L1-LN，其中N≥4；一弯曲影像传感器，具有在7-20毫米范围内的一传感器对角线SD；以及一弹出机构，控制LN与所述影像传感器之间的一气隙，使所述相机进入一操作弹出状态及一收缩状态，其中所述镜头组件具有在所述操作弹出状态下的一光学总长TTL及在所述收缩状态下的一收缩光学总长cTTL，其中cTTL/SD<0.6其中所述镜头组件具有小于18毫米的一35毫米等效焦距35eqFL。
附图说明
下面参考在此段落之后列出的附图来描述本文揭露的实施例的非限制性示例。出现在多个图式中的相同结构、元件或零件通常在所有出现的图式中均标有相同的数字。如果显示相同元件，但仅在一个图中编号，则假定它们在所有出现的图式中均具有相同的编号。附图与描述意在阐明及厘清本文揭露的实施例，并且不应被视为以任何方式进行限制。在附图中：
图1A示意性地说明各种实体的定义，例如TTL及EFL；
图1B显示对于薄型镜头近似值或等效值的FOV、EFL及S的定义；
图2A显示本文揭露的在弹出状态且组装在主机装置中的弹出式相机的剖视图；
图2B显示图2A的相机的弹出框架的剖视图；
图2C显示在收缩状态的图2A的相机剖视图；
图2D显示在收缩状态的图2B所示的框架的剖视图；
图3A显示在弹出状态的图2A的相机的立体图；
图3B显示在收缩状态的图2A的相机的立体图；
图4A以剖视图显示图2A的相机中的镜头模块；
图4B以立体图显示图4A的镜头模块；
图4C显示可以用在本文揭露的弹出式相机中的光学镜头系统的示例；
图5A以剖视图显示在收缩状态的图2A的相机中的镜头模块；
图5B以立体图显示图5A的镜头模块；
图6A以剖视图显示在弹出状态的镜头模块的另一示例；
图6B以剖视图显示在收缩状态的图6A的弹出式镜头模块；
图6C显示可以用在本文揭露的弹出式相机中的光学镜头系统的另一示例；
图6D显示可以用在光学模块中的又一个镜头系统的示例；
图7显示图6A的镜头模块的立体图；
图8显示图6B的镜头模块的立体图；
图9A显示在弹出状态的弹出机构的致动器的立体图；
图9B显示在收缩状态的图9A的致动器的立体图；
图10显示可以用在本文揭露的弹出式相机中的光学镜头系统的又另一示例；
图11A显示具有双相机的智能手机的示例，所述双相机包括常规的折叠式远摄相机及直立弹出式广角相机；
图11B显示具有广角弹出式相机的图11A的相机在弹出状态的细节；
图11C显示在收缩状态的具有广角弹出式相机的图11A的智能手机；
图11D显示具有广角弹出式相机的图11A的相机在收缩状态的细节；
图12A显示具有双相机的智能手机的另一示例，所述双相机包括直立远摄相机及直立广角相机，两个相机均在弹出状态；
图12B显示在弹出状态的图12A的智能手机的相机的细节；
图12C显出在收缩状态的具有两个相机的图12A的智能手机；
图12D显示在收缩状态的图12A的智能手机的相机的细节；
图13显示可以包含在本文揭露的弹出式相机中的光学镜头系统的又另一示例；
图14A以剖视图显示本文揭露的弹出式相机的另一示例，所述弹出式相机在弹出状态并且并入主机中；
图14B显示图14A的弹出式相机中的框架的立体图；
图14C以剖视图显示在收缩状态的图14A的相机；
图14D显示在收缩状态的图14B的框架的立体图；
图15A以剖视图显示图14A的相机中的弹出机构；
图15B显示在收缩状态的图15A的机构；
图16A显示在弹出状态的弹出式光学模块的另一示例的剖视图；
图16B显示图16A的弹出式光学模块的立体图；
图17A以立体图显示在弹出状态的图16A的弹出式光学模块；
图17B以立体图显示在收缩状态的图16A的弹出式光学模块；
图18A显示在弹出状态的图16A的光学模块中的光学框架的立体图；
图18B显示在收缩状态的图18A的光学框架的立体图；
图18C更详细地显示图18A的光学框架的一部分；
图18D更详细地显示图18B的光学框架的一部分；
图18E以俯视图显示图18A的光学框架；
图18F以分解图显示图18A的光学框架；
图19A显示在弹出状态的光学模块的又一示例的立体图；
图19B以俯视图显示图19A的光学模块；
图19C以剖视图显示在弹出状态的图19A的光学模块；
图19D以剖视图显示在收缩状态的图19A的光学模块；
图19E以立体图显示图19A的光学模块的顶盖及磁体；
图19F以俯视图显示图19E的光学模块的顶盖及磁体；
图20A以侧视图显示窗位置测量机构的磁体部分；
图20B以立体图显示图20A的窗位置测量机构；
图20C显示在收缩状态的图20A的窗位置测量机构的三个磁体及霍尔传感器的侧视图；
图20D显示在弹出状态的图20A的窗位置测量机构的三个磁体及霍尔传感器的侧视图；
图20E显示图20A的窗位置测量机构的设计及磁场的一个示例；
图20F显示可以包含在位置测量机构中的磁体配置的一个示例；
图20G显示可以包含在位置测量机构中的另一种磁体配置的另一个示例。
具体实施方式
图2A以剖视图(通过图3A中标记为2A-2A的剖面)显示并入一“主机”装置250(例如，智能手机、平板电脑等)中的本文揭露的一弹出式相机的编号200的一个示例。在图2A中，显示了在一操作或一“弹出”状态的相机200。在此状态下，所述相机操作为在弹出状态的一个相机。相机200还具有一收缩(“c”或“非操作”)状态，如图2C所示。在此状态下，所述相机无法操作为在弹出状态的一个相机。图3A均以立体图显示在所述弹出状态的相机200，并且图3B显示在所述收缩状态的相机200。
相机200包括一通用弹出机构210及一弹出式光学模块240。光学模块240包括镜头镜筒支架202，并且在某些情况下(“示例”)包括影像传感器208，所述镜头镜筒支架202承载带有一弹出式镜头组件206的一弹出式镜头镜筒204。在一些示例中，所述影像传感器可以与所述光学模块分开。镜头镜筒204及窗216以例如0.15-3毫米的一个气隙222隔开。气隙222允许所述镜头镜筒移动0.1-3毫米，以通过移动本领域已知的透镜来执行自动对焦(AF)及光学影像稳定(OIS)。一盖子232覆盖光学模块240。在一些示例中，所述弹出式镜头镜筒(例如一镜头镜筒602)可以分成两个或更多个部分，例如分为一固定镜头镜筒部分及一可收缩镜筒部分。
通用弹出机构210包括一“窗”弹出机构(在所述光学模块外部)及一“镜筒”弹出机构，其中某些部分在所述光学模块外部，而某些在所述光学模块内部。所述窗弹出机制可以升高及降低所述窗。所述镜筒弹出机构可实现所述弹出及收缩镜头镜筒状态。
所述窗口弹出机构包括例如在图9A-B、图14B、图14D、图15A-B、图20A-F中详细显示的部分。具体地，所述窗口弹出机构包括一致动器如同212或212’、一弹出框架220(参见例如图2B)，所述弹出框架220包括承载一窗216的窗框214，所述窗216覆盖所述相机的一光圈218，以及外部模块密封件224。所述外部模块密封件224防止颗粒及流体进入所述相机与所述主机装置250。在一些实施例中(例如，在参照图14A-D描述的一框架220’中)，一弹出框架可以包括多个附加零件，例如一凸轮从动件(例如，图14A中的1402)、一侧限制器(例如，图14A中的1406)及一窗位置测量机构(例如，图14B中的1420)。
所述镜筒弹出机构包括例如在图4A、5A、6A-B、14A、14C、16A、17A-B、18A-F及19A-F中详细显示的零件。具体地，所述镜筒弹出机构可包括一个或多个弹簧230、具有弹出式镜头组件206的弹出式镜头镜筒204、一个或多个弹簧230以及一引导及定位机构(参见例如图19A-19B及下面说明)。所述一个或多个弹簧将光学模块240推向框架220，亦即，当框架220向上移动以从一收缩状态切换到一弹出状态时，所述光学模块内不需要其他致动机构。
所述引导及定位机构将多个镜头组及多个光学部件定位在固定的距离与方向上。在一个示例中，所述引导及定位机构包括一销242与一凹槽244(参见图2C、图4A与图5A)。在一些示例中，所述引导及定位机构可以包括一止动器618(参见图6A-B)、一运动耦合机构(参见图18A-D)或一磁轭组件(参见图19A-F)。在一些示例中，所述引导及定位机构借助于一光学模块与一相机如相机200的另一部件之间的一相互作用来作动(参见例如图6A-B及图19A-F)。销242及凹槽244提供了一销-凹槽组件的第一示例。凹槽244可包括一v-形凹槽或另一个凹槽，其中凹槽244具有成例如30-150度角度的多个支脚。其他销-凹槽组件如下所述。在一些示例中，所述引导及定位机构整体上包含在一光学模块中(参见例如图4A与图5A以及图18A-D)。
具有销242与凹槽244的所述销-凹槽组件在所示坐标系的X-Z平面及Y平面中提供机械稳定性及可重复性。止动器618在Y平面上提供机械稳定性和可重复性。在一些示例中，其他销如销1206(参见图12B及图12D)可用于在所述X-Z平面中提供机械稳定性及可重复性。
所述镜头、所述影像传感器及(可选地)一光学窗或“滤光器”(例如，IR滤光器)234形成一弹出式光学镜头系统260(例如，参见图4C)。所述影像传感器可能具有在3.5-30毫米范围内的一传感器对角线SD。对于一种具有5毫米至25毫米的EFL的镜头，通常代表在10-300毫米范围内的35eqFL。传感器对角线SD通过SD＝√(W2+H2)关联到一传感器宽度W及一高度H。在其他示例中，EFL可以是8毫米至28毫米。
为了在弹出状态及收缩状态之间切换，弹出机构210在框架220中引起以下移动(其中所有移动都相对于主机装置及所示的所述坐标系定义)：所述凸轮从动件的一水平(即在所述XZ平面中)移动及所述窗框的一垂直(即在所述Y方向)移动。框架220中的移动导致在所述光学模块240中的所述镜头镜筒(对于单个组或“1G”透镜)或所述镜头镜筒的一可收缩部分(在两个组或“2G”透镜中)的一垂直(Y方向)移动。所述影像传感器及所述侧限制器不移动。重要的是，所述镜筒弹出机构不包括一致动器。
在图2B所示的所述弹出状态下，相机200相对于主机装置250的一外表面228形成一明显的弹出凸块226。这里，“明显的”可以是例如1.5毫米-8毫米。在所述弹出状态下，相机200将主机装置250的高度增加到“在一弹出状态下的高度”。
所述弹出式镜头可以是例如图4C或图10或图6D中的一远摄镜头，或图6C或图13中的一广角镜头。根据镜头的类型，一弹出式相机可以操作为一弹出式远摄相机或一弹出式广角相机。一弹出式远摄相机可能具有20-50度的FOVT。一弹出式广角相机可能具有50-120度的FOVW。从所述镜头中的第一透镜元件的第一表面到所述影像传感器所测量的所述镜头的TTL可以是例如6毫米至18毫米。
图2D显示在收缩状态的框架220的剖视图。致动器212通过抵抗弹簧而使所述相机进入一收缩状态。也参见图4B，在所述收缩状态下，所述弹簧在一压缩状态。为了将相机200切换到所述收缩状态，致动器212移动窗框214以在镜头镜筒204上施加压力。这转化为镜头镜筒204朝向所述影像传感器的移动。在所述收缩状态下，所述TTL是一收缩TTL(cTTL)，且例如可以为5-12毫米。经常在影像侧(标记为S2)的透镜元件L1的一第一表面及沿光轴标记为S16的所述影像传感器的一成像表面之间测量cTTL。cTTL与TTL之间的差异源自于关联所述弹出状态的一修改的BFL。相机200被设计使得在所述操作状态下存在大的BFL。大BFL可以收缩以使所述相机置进入一收缩状态，从而实现了一薄型相机设计。在所述收缩状态下，所述相机相对于装置外表面228形成一收缩的凸块(c-凸块)236。所述c-凸块可具有例如0-3毫米的尺寸(高度)。在所述收缩状态下，主机装置250的高度是“在所述收缩状态下的高度”，比在所述弹出状态下的高度小得多，但仍比所述主机装置高度高出所述c-凸块236。
在一些示例中，相机200可以设计成支持例如在X-Z平面的±20微米的偏心的精度公差以及例如在Y方向的±10微米偏心的精度公差，以及±0.5°的倾斜角度的精度公差。平面与方向与图中所示的坐标系相同。偏心的可重复性公差可能是例如在X-Z平面的±10微米，以及例如在Y方向的±5微米，以及±0.25°的倾斜角度。在其他示例中，偏心的精度公差可以是例如在X-Z平面的±10微米，及例如在Y方向的±5微米，以及例如±0.15°的倾斜角度。偏心的可重复性公差可能是在X-Z平面的±5微米及例如在Y方向的±2.5微米，以及±0.08°的倾斜角度。在其他示例中，偏心的精度公差可以例如是。X-Z平面的±5微米，例如Y方向的±2.5微米，例如±0.1°。偏心的可重复性公差可能是例如在X-Z平面的±1.5微米，及例如在Y方向的±0.8微米，以及±0.05°的倾斜角度。
光学框架1650(参见例如图16A)及光学模块600”(参见例如图19A)维持相似的精度公差及可重复性公差。
“精度公差”在此是指光学元件之间以及机械元件之间的距离的最大变化。“可重复性公差”在此是指在不同的弹出周期中，光学元件之间以及机械元件之间的距离的最大变化，即机械及光学元件在一个或多个弹出(或收缩)事件之后返回其先前位置的能力。
在Y方向的公差可能不太重要，因为可以通过光学回馈及移动镜头进行自动对焦来补偿Y的变化。
图4A以剖视图显示在弹出状态的光学模块240。图4B以立体图显示在相同状态的光学模块240。完全围绕所述光学模块的最小圆圈的直径定义所述光学模块的一“最大直径”“dmodule”。即，“dmodule”标记了一光学模块的最大对角线(在此以及例如在图7、17B、18A、18B、18E及19A中)，除非另有说明(例如，参见图16A)。
图4C显示可以弹出状态在相机200中使用的第一示例性镜头系统400的细节。镜头系统400包括一个镜头420，所述镜头420从一物体侧到一影像侧依次包括具有物体侧表面S2与一影像侧表面S3的一第一透镜元件L1；具有物体侧表面S4的一第二透镜元件L2，其具有标为5的影像侧表面；具有物体侧表面S6的一第三透镜元件L3，具有影像侧S7；物体侧表面标记为S8及一影像侧表面标记为S9的一第四透镜元件L4；具有物体侧表面标记为S10及一影像侧表面标记为S11的一第五透镜L5；物体侧表面标记为S12及一影像侧表面为S13的第六透镜L6。S1标志光阑。镜头系统400还包括设置在表面S13及影像传感器208之间的光学窗234。在下表中沿着镜头及镜头系统的光轴给出透镜元件及其他元件之间的距离。
在镜头系统400中，TTL＝11.55毫米，BFL＝5.96毫米，EFL＝13毫米，F值＝2.20以及FOV＝29.7度。TTL/EFL比率＝0.89。当在一弹出状态与一收缩状态之间切换时(即，透镜元件之间的间隙是恒定的)，镜头420的光学特性不会改变。
在所述收缩状态下(见图5A)，cTTL可以是5.64-8.09毫米。cTTL与TTL之间的差异源于一修改的BFL，所述修改的BFL现在是一收缩BFL，“c-BFL”(见图5A)。c-BFL可以是0.051-2.5毫米。透镜元件L1-L6与透镜表面S2-S13之间的所有距离保持不变。
镜头系统400的详细光学资料在表1中给出，并且非球面表面资料在表2与表3中给出，其中曲率半径(R)、透镜元件厚度及/或沿着光轴的元件之间的距离及直径是以毫米表示。“指数”是折射率。非球面轮廓的方程表示为：
Figure SMS_2
Figure SMS_3
Figure SMS_4
Figure SMS_5
Figure SMS_6
Figure SMS_7
Figure SMS_8
其中{z,r}是标准的圆柱极坐标、c＝1/R是表面的近轴曲率、k是圆锥系数、rnorm通常是表面净光圈的一半。An是镜头资料表2与表3(以及表5与表6以及表10与表11)中显示的多项式系数。将Z轴定义为正对影像。另请注意，在表1(以及表4与表9)中，各种元件(及/或表面)之间的距离是指元件的厚度，并在光轴Z上测量的，其中光阑在z＝0。每个数字均从前一个表面开始测量。因此，从所述光阑到表面S2的第一距离为-1.179毫米。参考波长为555.0毫米。单位为毫米(折射率“Index”与阿贝数(Abbe#)除外)。一个镜头，例如镜头240的最大透镜直径dL由存在于一个镜头如镜头240所有透镜元件中的最大直径给出。
Figure SMS_9
表1
Figure SMS_10
Figure SMS_11
表2
表面# A4 A5 A6
2 -4.91E-05 6.04E-06 -7.27E-07
3 8.15E-05 -5.60E-05 6.51E-06
4 1.04E-04 -1.60E-04 1.22E-05
5 -4.30E-04 9.99E-05 -1.20E-05
6 6.30E-05 -4.83E-06 1.65E-07
7 2.23E-05 2.33E-05 2.32E-07
8 -2.32E-04 -1.73E-05 -4.47E-05
9 -4.98E-05 -1.12E-04 -7.34E-05
10 1.23E-04 1.53E-04 7.13E-05
11 -6.11E-04 1.56E-04 1.39E-05
12 -5.99E-04 1.37E-04 7.47E-06
13 5.73E-05 -1.33E-05 1.30E-06
表3
图5A以剖视图显示在收缩状态的弹出式光学模块240。图5B显示其立体图。
图6A显示在弹出状态的弹出式光学模块的编号为600的另一示例的剖视图(通过在图7中标记为6A-6A的剖面)。光学模块600可以整合到一弹出机构例如210(这里未显示)。光学模块600包括一镜头镜筒602，具有一可收缩镜头镜筒部分(第一镜筒部分)604以及一固定镜头镜筒部分(第二镜筒部分)608。所述镜头镜筒部分604承载一第一镜头组606并且所述镜头镜筒部分608承载一第二镜头组610。这两个镜头组形成一镜头620，所述镜头620包括总共N个透镜元件L1-LN，设置一第一透镜元件L1在一物体侧及一最后透镜元件LN在影像侧。光学模块600用盖子232覆盖。镜头620及可选的光学窗234以及一影像传感器208形成一镜头系统630。
示例性地并且如图所示，在镜头620中N＝6。通常，N≥4。在其他示例中，镜头镜筒可能包括多于两个镜筒部分，每个镜筒部分具有更多的镜头组，例如，3、4、5个镜头镜筒部分，每个镜筒部分承载一个镜头组。所述镜头镜筒部分可分为固定镜筒部分及可移动镜筒部分。在所示的示例中，第一镜头组606包括透镜L1-L5并且第二镜头组610包括透镜L6。根据镜头组的相对移动在多个镜头组之间形成多个气隙。在具有多于两个镜筒部分的示例中，一些或所有镜筒部分可以是可移动的并且具有相应的气隙形成在所述镜头组之间。多个镜头组之间的所述气隙可能会在非操作相机状态下收缩。这样的气隙之和可以是1-8.5毫米。存在于两个连续透镜元件之间的最大气隙可用于定义镜头组。例如，两个连续的透镜元件之间存在的最大气隙可用于将一个镜头分成两个镜头组，两个连续的透镜元件之间存在的最大气隙与第二大气隙可用于定义三个镜头组等。此陈述适用于以下所有镜头与相机示例。在弹出状态下，气隙dN-1可以是1-3.5毫米。弹簧614将所述第一镜筒部分604推向类似于框架214的窗框。在操作状态下，止动器618和另一个止动器618’可以用作将镜头组保持在固定距离与方向的一个止动器机构。在一些示例中，在此揭露的在弹出状态的相机可以设计为支持例如偏心的公差，例如在X-Z平面上的±20微米，及例如在Y方向上的±10微米，以及所述镜头镜筒相对于影像传感器208的±0.2°的倾斜。在其他示例中，偏心的公差例如可以是在X-Z平面的±3-10微米及例如在Y方向的±3-10微米，以及例如镜头镜筒相对于所述影像传感器Y的倾斜度的±0.05°-0.15°。在其他示例中，偏心公差在所述X-Z平面上可能小于1微米，例如0.8微米。在其他示例中，在Y平面上的偏心公差可以小于1微米，例如0.8微米，以支持类似系统630、650或1000这样的一个镜头系统的特性，特别是对于透镜元件之间的气隙，例如dN-1(请参见图6C)或d1006(请参见图10)。在一些示例中，销例如销1208(见图12B与图12D)可以用于在X-Z平面中提供机械稳定性及可重复性。
从L1的第一(物体侧)表面到所述影像传感器测得的镜头的TTL可能为5-18毫米。所述影像传感器对角线可能是6毫米<传感器对角线<30毫米。35eqFL可以是15毫米<等效焦距<200mm。TTL/EFL比率可能在0.7<TTL/EFL<1.5的范围内变化。
图6B显示了在收缩状态的光学模块600的剖视图(通过图8中标示6B-6B的剖面)。为了将光学模块600切换到收缩状态，致动器212通过移动窗框(此处未显示)以将压力施加到所述镜头镜筒上来减小LN的第一表面与LN-1的第二表面之间的气隙，所述压力转化成将所述收缩镜头镜筒部分朝向所述影像传感器的移动。在收缩状态下，cTTL可以是5-12毫米，并且收缩气隙c-dN-1可以是0.05-0.85毫米。cTTL与TTL之间的差异源自于在第一可收缩镜头镜筒中的所述第一镜头组606与在第二固定镜头镜筒部分608中的第二镜头组610之间的一修改的距离。第一镜头组606与所述影像传感器之间的距离相对于弹出状态变化，但是第二镜头组610与所述影像传感器之间的距离没有变化。当在一弹出状态与一收缩状态之间切换时，镜头620的光学特性改变。
图6C显示可以用在下面的光学模块600或另一弹出式光学模块600’中的另一镜头系统650的示例。镜头系统650显示为在一弹出状态。设计资料在表4-6中给出。镜头系统650包括具有如图所示设置的七个透镜元件L1-L7、光学窗234与影像传感器208。透镜元件L1-L6形成第一镜头组606，并且透镜元件L7形成第二镜头组610。TTL为8.49毫米且BFL为1.01毫米。焦距为EFL＝6.75毫米，F数＝1.80且FOV＝80.6度。气隙dN-1为2.1毫米。
Figure SMS_12
表4
Figure SMS_13
在收缩状态(参见图6B或图14C)中，cTTL可以是6.44-7.24毫米。cTTL与TTL之间的差异源自于L6与L7之间的一修改的气隙，所述气隙是一收缩的气隙c-dN-1，可能为0.05-0.85毫米。就弹出状态而言BFL没有变化。
当在一弹出状态与所述收缩状态之间切换时，镜头620’的光学特性改变。此处呈现的所述光学特性是指在一“最大”弹出状态的所述透镜元件，即，当所述镜头具有最大的TTL时。
Figure SMS_14
表5
Figure SMS_15
表6
图6D显示可以用在光学模块600或600’中的又一个镜头系统660的示例。镜头系统660’显示在一弹出状态。设计资料在表7-9中给出。镜头系统660包括具有如图所示设置的六个透镜元件L1-L6的透镜620”、光学窗234与影像传感器208。透镜元件L1-L3形成所述第一镜头组606，并且透镜元件L4-L6形成所述第二镜头组610。TTL为13.5毫米且BFL为5.49毫米。焦距为EFL＝15.15毫米，F数＝2.0且FOV＝32.56度。气隙d607为1.78毫米。TTL/EFL比率＝0.89。
在所述收缩状态(参见图6B)中，cTTL可以是5-11毫米。cTTL与TTL之间的差异源自于L3和L4之间的一修改的气隙，所述气隙是一收缩的气隙c-d607，可能为0.05-1.0毫米，并且一修改的BFL是一c-BFL且可能为0.1-1.5毫米。当在一弹出状态与所述收缩状态之间切换时，镜头620”的光学特性改变。对于镜头系统660，TTL/EFL比率为0.89，即EFL>TTL。cTTL/EFL比率可以是0.35-0.75。
表7
Figure SMS_16
Figure SMS_17
Figure SMS_18
表8
Figure SMS_19
表9
图7显示在弹出状态的光学模块600的立体图。图8显示在收缩状态的光学模块600的立体图。
图9A显示在弹出状态的致动器212的立体图。图9B显示在收缩状态的致动器212的立体图。剖面2B-2B与2D-2D分别参照图2B与图2D。致动器212包括具有用于致动的多个移动部件的一弹出式致动器902。一弹出式致动器-带有一开关906的窗框耦接件904将弹出式致动转换为所述窗框的移动。开关906将致动器902与窗框214耦接。如上所述，窗框移动用于将相机切换到所述收缩状态。在图9A中，开关906为“向下”以提供所述弹出状态。在图9B中，开关906为“向上”以提供所述收缩状态。
图10显示编号为1000的另一镜头系统，所述镜头系统可在一最大弹出状态下包含在一弹出式远摄相机中。镜头系统1000包括具有所示五个透镜元件的一个镜头1020、光学窗23与影像传感器208。具有镜头系统1000的所述远摄弹出式相机可以并入一主机装置中(例如智能手机、平板电脑等，未显示于此)。类似图6A与图6所示，在镜头系统1000中，通过修改一第一镜头组1016及第二镜头组1018之间的一气隙d1006来获得所述弹出状态与所述收缩状态之间的切换。
在镜头系统1000中，一第一镜头组1016包括多个透镜元件1002、1004与1006，以及一第二镜头组1018包括多个透镜元件1008与1010。在所述弹出状态下，透镜元件1008的表面1008a与紧接在前的透镜元件1006的表面1006b之间的气隙d1006为2.020毫米(参见表10)。所述镜头系统的TTL为5.904毫米。根据两个连续透镜之间的最大气隙将一第一镜头组与一第二镜头组进行划分。
镜头系统1000可以提供25-50度的一个FOV，并且EFL＝6.9毫米，F数＝2.80并且TTL＝5.904毫米。TTL/EFL比率为0.86，即EFL>TTL。cTTL/EFL比率可以是0.58-0.69。对于气隙d1006＝TTL/2.95，所以d1006>TTL/3。在其他示例中，对于将多个透镜元件分为一第一与一第二镜头组的一最大气隙，所述气隙可以满足气隙>TTL/5及EFL>TTL。
在切换到所述收缩状态(未显示)时镜头系统1000的光学特性改变。在所述收缩状态下，cTTL可以为3.97-10毫米，且收缩的气隙c-d1006可以为0.05-0.85毫米。cTTL与TTL之间的差异源自于第一镜头组1016与第二镜头组1018之间的一修正的距离。第一镜头组1016与影像传感器208之间的距离相对于所述弹出状态而变化，但第二镜头组1016与所述影像传感器1014之间的距离没有变化。
在镜头系统1000中，所有透镜元件表面都是非球面的。表10给出详细的光学资料，表11给出非球面资料，其中曲率半径(R)、透镜元件厚度及/或沿光轴的多个元件之间的距离及直径的单位表示为毫米。“Nd”是折射率。非球面表面轮廓的方程表示为：
Figure SMS_20
其中r是与(且垂直于)所述光轴的距离，k是圆锥系数，c＝1/R，其中R是曲率半径，α是表2中给出的系数。上述方程式中，如同应用在本文揭露的一镜头组件的示例，系数α1与α7为零。注意，r的最大值“max r”＝直径/2。另注意，表1中各个元件(及/或表面)之间的距离标记为“Lmn”(其中m表示镜片的编号，n＝1表示元件厚度且n＝2表示到下个元件的气隙)，并且在光轴z上进行测量，其中光阑在z＝0处。每个数字均从前一个表面开始测量。因此，从所述光阑到表面1002a的第一距离为-0.466毫米，从表面1002a到表面1002b的距离L11(即第一透镜元件1002的厚度)为0.894毫米，表面1002b与1004a之间的间隙L12为0.020毫米。另外，表面1004a与表面1004b之间的距离L21(即第二透镜1004的厚度d2)为0.246毫米等。
此外，L21＝d2，L51＝d5。
Figure SMS_21
表10
Figure SMS_22
表11
有利地，第一、第三与第五透镜元件的阿贝数(Abbe number)是57.095。有利地，透镜元件1002与1004之间的第一气隙(表面1002b与1004a之间的间隙)的厚度(0.020毫米)小于厚度d2(0.246毫米)的十分之一。有利地，第二与第四透镜元件的阿贝数为23.91。有利地，透镜元件1006与1008之间的第三气隙的厚度(2.020毫米)大于TTL/5(5.904/5毫米)。有利地，透镜元件108与110之间的第四气隙的厚度(0.068毫米)小于d5/2(0.293/2毫米)。
镜头系统1000中的每个透镜元件的焦距(以毫米为单位)如下：f1＝2.645，f2＝-5.578，f3＝-8.784，f4＝9.550并且f5＝-5.290。条件1.2x|f3|>|f2|<1.5xf1显然满足，因为1.2x8.787>5.578>1.5x2.645。f1还满足条件f1<TTL/2，因为2.645<2.952。
图11A显示主机装置1100的示例，例如具有一双相机的智能手机，所述双相机包括一制式的(非弹出式)折叠式远摄相机1102及一广角弹出式相机1104。所述广角相机1104在一操作弹出状态并且延伸装置的外表面228。凸块226是可见的。在一收缩与一弹出状态之间进行切换所需的一大型影像传感器，例如208(在此不可见)及一弹出框架，例如框架220(在此不完全可见)定义弹出式相机所覆盖(在XZ中)的所述装置外表面228的一最小面积。最小弹出式相机区域可能大于折叠式远摄相机的区域或通常包含在装置中的制式(即非弹出式)直立广角相机的区域。
图11B显示了在弹出状态的折叠式远摄相机1102及直立广角相机1104的细节。所述折叠式远摄相机包括一棱镜1108以及一折叠式远摄镜头及传感器模块1112。在图11A与图11B中，仅棱镜1108可见。
图11C显示在收缩状态具有广角相机1104的主机装置1100，说明c-凸块的小高度。
图11D显示在收缩状态的折叠式远摄相机及直立广角相机的细节。
图12A显示主机装置1200的另一示例，例如具有双相机的智能手机，所述双相机包括在此揭露的一远摄弹出式相机1202及在一操作弹出状态的一广角弹出式相机1204。弹出凸块226是可见的。一弹出式机构盖子1206覆盖所述远摄及所述广角相机。一框架，类似220(未显示)可一起且同时在一弹出状态与一收缩状态之间切换所述远摄及所述广角相机。销1208可以在X-Z平面中提供机械稳定性及可重复性。在一些示例中，可以包括2个销。在其他示例中，可以使用3个或更多的销。
图12B显示直立远摄相机1202及直立广角相机1204的细节，两个相机都在弹出状态。
图12C显示在收缩状态的具有相机的主机装置1200。显示c-凸块236。图12D显示直立远摄相机1202及直立广角相机1204的细节，两个相机均在收缩状态。
图13显示编号1300的镜头系统的另一示例，所述镜头系统包括一镜头1320，所述镜头1320包括七个透镜元件L1-L7、可选地光学窗234以及一影像传感器208。这里，影像传感器208是一弯曲的影像传感器，意味着其集光表面以曲率半径R＝-19.026mm弯曲，其中“-”符号表示以所述影像传感器的物体侧为中心的一个曲率。使用一弯曲的影像传感器可能是有益的，因为不期望的效果，例如场曲及朝向传感器边缘的阴影可能小于一平面影像传感器的效果。镜头系统1300可以用在一相机中，例如在一弹出状态的相机200。设计资料在表12-14中给出。
在镜头系统1300中，TTL＝8.28毫米，BFL＝3.24毫米，EFL＝6.95毫米，F值＝1.85且FOV＝80.52度。
在所述收缩状态(参见图2C)中，cTTL可以是6.54-10毫米。cTTL与TTL之间的差异源自于一修改的BFL，所述修改的BFL现在是一收缩的“c-BFL”(请参见图5A)。c-BFL可能为1.494-2.5毫米。当在一弹出状态及一收缩状态之间切换时，镜头1320的光学特性不改变(即，透镜元件L1-L7与透镜表面S2-S15之间的所有距离均不改变)。
Figure SMS_23
表12
Figure SMS_24
表13
Figure SMS_25
表14
在其他示例中，光学窗234可以是弯曲的。所述光学窗的曲率半径RW可以与弯曲影像传感器208的曲率半径R具有相同的符号(即，中心在所述光学窗的物体侧)并且可以用类似的方式弯曲，所以RW例如RW＝-15至-25毫米。在另一个示例中，可以是RW＝R，其中R是所述弯曲影像传感器的曲率半径。这可以允许使用较小的cTTL。cTTL可以是5.64-7.54毫米，c-BFL可以是0.594-2.5毫米。
图14A以剖视图显示本文揭露的弹出式相机的另一示例，所述弹出式相机在弹出状态下且并入“主机”装置250中(例如，智能手机，平板电脑等)。相机1400包括一弹出框架220’及包括一镜头620的一光学模块600’。如图14B所示，框架220’包括一窗框214’、一凸轮从动件1402及一侧限制器1406。凸轮从动件1402经由多个弹簧1408耦接至一弹出式致动器1408。光学模块600’包括一镜头镜筒602，所述镜头镜筒602具有承载一第一镜头组606的一可收缩镜筒部分(第一镜筒部分)604，以及承载一第二镜头组610的一固定镜头镜筒部分(第二镜筒部分)608。这两个镜头组形成一镜头620，所述镜头620包括总共N个透镜元件L1-LN，设置成在一物体侧有一第一透镜元件L1并且在一影像侧有一最后透镜元件LN。镜头620、一可选的光学窗234及影像传感器208形成一镜头系统630。
相机1400包括一外部模块密封件224及一内部模块密封件1404。外部密封件224防止颗粒与流体进入装置250。密封件224可以支持装置250的IP68等级排行。内部密封件1404防止颗粒进入光学模块600’。
“外部”及“内部”意指密封件224防止来自主机装置外部的相机污染，而密封件1404防止来自主机装置内部的相机污染。
光学模块600’及窗框214在所述镜头镜筒与窗216之间形成一气隙222’，其可以是例如0.1毫米-3毫米。气隙222’允许所述镜头镜筒移动0.1-3毫米，以通过移动本领域已知的镜头620或镜头620的零件或光学模块600’或传感器208来执行自动对焦(AF)及光学影像稳定(OIS)。
相机1400相对于装置250的一外表面228形成一明显的弹出凸块226。这里，“明显的”可以例如是1.5毫米-12毫米。在所述弹出状态下，相机1400将主机装置250的高度增加到一弹出状态下的一个高度。
透镜620可以具有N≥4个透镜元件，并且如上所述，包括具有两个镜头镜筒部分的一个镜筒。在其他示例中，所述镜头镜筒可包括具有更多镜头组的两个以上的镜筒部分，例如，3、4、5个镜筒部分，每个镜筒部分承载一个镜头组。所述镜头镜筒部分可分为固定镜筒部分及可移动镜筒部分。在所示示例中，第一镜头组606包括透镜L1-LN-1并且第二镜头组610包括透镜LN(见图14A)。可以根据镜头组的相对移动在镜头组之间形成气隙。在具有多于两个镜筒部分的示例中，一些或所有镜筒部分可能是可移动的并且具有相应的气隙形成在所述镜头组之间。镜头组之间的气隙可能会在一非操作相机状态下收缩。这样的气隙的和可以是1-12毫米。在所述弹出状态下，气隙dN-1可以是1-5.5毫米。三个弹簧614(此处并非全部可见)将第一镜头镜筒部分604推向一机械光阑(mechanical stop)。所述机械光阑可以通过如图18A-B及图19B所示的运动耦合机构来提供。在其他示例中，如图20C所示，所述机械光阑可以由一顶盖1606’提供。在一些示例中，在弹出状态的相机可以设计为支持例如在X-Z平面上为±20微米的偏心的公差及例如在Y方向上的±10微米的偏心的公差，以及所述镜头镜筒相对于影像传感器208的±0.2°的倾斜。在其他示例中，偏心的公差可以例如是在X-Z平面的±2-10微米及例如在Y方向的±2-10微米，以及例如镜头镜筒相对于影像传感器Y的倾斜度为±0.05°-0.15°。
所述镜头的TTL可能为5-22毫米。所述影像传感器对角线可能是6毫米<传感器对角线<30毫米。35eqFL可以是15毫米<等效焦距<200毫米。TTL/EFL比率可能在0.7<TTL/EFL<1.5的范围内变化。
图14B中所示的一窗位置测量机构1420包括如图20C-E所示的一个或多个磁体及一个或多个霍尔传感器。所述磁体固定地耦接到一凸轮从动件1402，并且所述霍尔传感器固定地耦接到侧限制器1406。机构1420感测所述凸轮从动件相对于侧限制器1406与主机装置250的位置。相机机械地耦接到所述主机装置，并且所述侧限制器机械地耦接到所述相机。
图14B显示在弹出状态的框架220’的立体图。当光学模块600’插入框架220’中时，形成一弹出式相机，例如1400。窗框214’、凸轮从动件1402及侧限制器1406相对于彼此移动。窗框214’及凸轮从动件1402也相对于主机装置250移动，但是侧限制器1406不相对于主机装置250移动。通过在X轴正方向上相对于主机装置250及侧限制器1406来移动移动窗框214’，相机1400从一弹出状态切换到一收缩状态。窗框214’通过致动器212’经由凸轮从动件1402来移动。凸轮从动件1402的移动实质上平行于X轴，并且这个移动是在实质上平行于Y轴的窗框214’的移动中平移。在X方向与沿Y方向的这种移动的平移在图15A-B中描述。至于沿着Y的移动，窗框214’向所述镜头镜筒施加压力，所述压力转化为可所述收缩镜头镜筒部分向所述影像传感器的移动。凸轮从动件1402通过多个弹簧1408耦接到一弹出式致动器1412。致动器1412例如通过一螺旋步进马达或其他驱动方法来移动凸轮从动件1402。所述移动通过所述弹簧1408传达。弹簧1408可以用作相机1400的减震器。例如当主机装置250掉落并撞击另一个物体时，一大力可能作用在窗框214’上。借助于弹簧1408，所述大力可转换为所述弹出式相机的一收缩，从而传导所述大力的大部分。内部模块密封件1404可以用作一附加的减震器。
图14C显示在收缩(“c”)或非操作状态的相机1400的剖视图。图14D显示在收缩状态的框架220’的立体图。为了将光学模块600’切换到所述收缩状态，致动器212’通过移动所述窗框214’以向镜头镜筒施加压力，所述压力转化为所述可收缩镜头镜筒部分朝向影像传感器的移动。在所述收缩状态下，cTTL可能为5-12毫米并且收缩的气隙c-dN-1可能为0.05-1.5毫米。
图15A在弹出状态下通过X-Y平面以剖视图显示示例1400的框架220’。一切换销1502及一切换销1504刚性地耦接至凸轮从动件1402。一侧限制器销1512固定地耦接至侧限制器1406，并在一垂直定向的限制器凹槽1514内滑动。切换销1502与1504在切换凹槽1506及1504内滑动。切换销1502与1504具有一菱形形状，所述菱形形状被具有一大曲率半径的一个曲率叠加，用以最小化作用在所述销与所述窗框214’之间作用的接触应力。侧限制器销1512具有一矩形形状，所述矩形形状被具有一大曲率半径的一个曲率叠加，用于最小化接触应力。
当凸轮从动件1402在负X方向上移动时，切换凹槽1506与1508的倾斜导致窗框214’的一向下移动(在负Y方向上)。此向下移动用于将相机切换到所述收缩状态。所述向下移动通过侧限制器销1512来限制与引导。切换凹槽1506与1508的倾斜度例如可以是相对于一垂直Y轴在20-80度之间。
图15B显示在收缩状态的图15A的框架220’。为了将相机从所述收缩状态切换到一弹出状态，凸轮从动件1402在一正X方向移动，并且切换凹槽1506与1508的倾斜导致窗框214’的一向上移动(在正Y方向)。
图16A显示剖面图，并且图16B显示在弹出状态的光学模块600’的立体图。模块600’包括一光学框架1650、第一可收缩镜头镜筒部分604(此处未显示透镜元件)、第二固定镜头镜筒部分608、三个弹簧614(此处未全部可见)、一侧盖1604、一顶盖1606及三个止动器1608(此处未全部可见)。每个弹簧位于三个弹簧支架1612中的一个上(此处未全部可见)。光学框架1650保持光学模块600’的所有部件，除了包括在所述第一及第二镜头镜筒部分中的所述透镜元件。止动器1608刚性耦接至顶盖1606，并确保所述可收缩镜头镜筒部分(604)不直接与窗框214接触。
一光学模块的一直径的一个“损失(penalty)”p定义为所述光学模块的所述直径与包含在所述光学模块中的一透镜的最大直径之间的差。对于光学模块600’，dmodule略大于镜头620的所述最大直径，由LN的直径表示。因此，对于光学模块600’，损失p是p＝p1+p2，并且可以是0.5毫米-8毫米。
图17A以剖视图显示光学模块600’并且图17B以立体图显示在收缩状态的模块。在所述收缩状态下，弹簧614被压缩。
图18A-图18F显示在各种位置的光学框架1650以及其部件的各种细节。图18A显示在弹出状态的光学框架1650并且图18B显示在收缩状态的光学框架1650，均以立体图显示。可收缩镜头镜筒部分604通过一“麦克斯韦运动耦合(Maxwell kinematic coupling)”机构耦接到光学框架1650。所述麦克斯韦运动耦合机构包括三个v-凹槽/销对1810，它们用作一引导及定位机构，可确保可收缩镜头镜筒部分604相对于其他光学元件，如具高精度的影像传感器208，保持固定位置。每个v-凹槽/销对1810是相同的，并且包括一半球形销1812及一v-凹槽1814。一个v-凹槽/销对1810的更多细节在图18C(用于弹出状态)及图18D(用于收缩状态)中给出。在其他示例中，所述销可以是圆形或菱形或独木舟形(canoe-shaped)。图18A-18D中所示的v-凹槽具有约90度的角度。在其他示例中，所述v-凹槽的角度可以在30度至150度之间变化。
一个对1810以彼此相等的距离分布。借助于所述三个v-凹槽/销对1810，光学框架1650在精度以及X-Z与Y上的偏心的可重复性以及倾斜的方面支持窄公差。在此以及在图19A与19B的描述中，“公差”是指可收缩镜头镜筒部分604与所述固定镜头镜筒部分608之间的公差。
下面的光学框架1650以及光学模块600”可以设计为支持相机200那样的偏心与可靠性公差的精度公差。
图18E以俯视图显示光学框架1650。图18F以分解图显示光学框架1650，分解图显示1650可以组装的单个零件。三个弹簧支架1612将三个相应的弹簧614保持在一固定位置。可以从底部到顶部组装光学框架1650。以将LN插入固定镜头镜筒部分608中来开始组装过程，然后将弹簧614插入弹簧支架1612中，然后放置顶盖1606，然后放置侧盖1604，然后将所述可收缩镜头镜筒604插入顶部。在例如图2A-D与图4A-B所示的一些示例中，一镜头如镜头420可以包含在如1650的一个光学框架中。镜头420仅包括一单组透镜元件并且可以整体地包括在一可收缩镜头镜筒中，例如604。在一些示例中，可收缩镜头镜筒604及顶盖1606可以是单个单元。
图19A及图19B(分别以立体图与剖视图)显示编号为600”的另一光学模块。编号600”的光学模块包括一引导及定位机构，用于将可收缩镜头镜筒部分604高精度地保持在一固定位置。引导及定位机制基于一磁轭对(yoke-magnet pair)。一轭2002固定地耦接到顶盖1606’，并且一永久磁体2004固定地耦接到所述侧盖1604’。通过使用轭2002与磁体2004，顶盖1606与所述侧盖1604被彼此吸引，从而彼此保持恒定的距离与方向。光学模块1650’因此在精度以及在X-Z与Y上偏心以及倾斜的可重复性方面支持窄公差。
图19C以剖视图显示在弹出状态的光学模块600”。一侧盖1604’还用作承载一第二组透镜元件的一第二及固定镜头镜筒部分，即，不需要用作第二镜头镜筒部分的附加部件。图19D以剖视图显示在收缩状态的光学模块600”。
图19E显示顶盖1606’与磁体2004的立体图，并且图19F显示顶盖1606与磁体2004的俯视图。
图20A显示侧视图并且图20B显示在收缩状态的窗位置测量机构1420的磁体部分的立体图。两个侧磁体2102a与2102b位于一内部(辅助)磁体2104的两侧。所有磁体都固定地耦接到凸轮从动件1402。磁体2102a、2102b与2104产生由霍尔传感器2106感测的一个磁场。霍尔传感器2106固定地耦接到侧限制器1406(这里未显示)。霍尔传感器2106感测到的所述磁场取决于凸轮从动件1402及侧限制器1406的相对位置。也就是说，机构1420允许凸轮从动件1402与侧限制器1406连续地沿着可能在1-10毫米范围内的行程(stroke)中的相对位置的感测。
图20C显示磁体2102a、2102b、2104及霍尔传感器2106的侧视图，其中相机1400显示为在收缩状态。图20D显示磁体2102a、2102b、2104及霍尔传感器2106的侧视图，其中相机1400显示为在弹出状态。行程在此处显示的极限位置之间延伸，即在所述收缩状态与所述弹出状态之间延伸。在一些示例中，机构1420可以沿着整个行程以相同的精度测量1402与1406的相对位置。在其他示例中，并且有利地，机构1420可以以接近此处所示的极限位置的较高精度来测量1402与1406的相对位置，而在其他位置以较低的精度来测量。
图20E显示(a)一设计及(b)机构1420的磁场的示例，显示磁体2102a、2102b与2104的磁化。
图20F显示可以包含在如1420的位置测量机构中的磁体配置2110的范例。磁体2102a、2102b与2104的配置在(a)中显示，并且由(a)的磁体配置所建立的磁通密度与位置X的关系在(b)中显示。沿着一线性范围可以实现大且实质上相同的斜率ΔB/ΔX。2110的线性范围可以在1-10毫米之间延伸。
图20G显示可以被包括在如1420的位置测量机构中的磁体配置2120的另一示例。磁体2102a、2102b与2104的配置在(a)中显示，并且由(a)的磁体配置所建立的磁通密度与位置X的关系在(b)中显示。线性范围分为三个子范围A1、B与A2。在子范围A1和A2中，斜率ΔB/ΔX大于子范围B中的斜率。例如，子范围A1与A2中的斜率ΔB/ΔX(A)，可以比子范围B中的斜率ΔB/ΔX(B)大5倍、10倍或25倍。例如，ΔB/ΔX(A)～500mT/mm且ΔB/ΔX(B)～50mT/mm，因此[ΔB/ΔX(A)]/[ΔB/ΔX(B)]比率＝10。将线性范围划分为具有不同斜率的子范围可能对位置测量机构例如1420有利，因为在接近弹出状态与收缩状态位置的极端区域可能需要更高的精度。
总而言之，本文揭露具有弹出机构的数字相机，所述弹出机构允许大EFL及大影像传感器尺寸以及在收缩模式下的低相机高度。
尽管已经根据某些示例及通常相关的方法描述了本揭露，但是对于本领域技术人员而言，示例与方法的变更及置换将是显而易见的。应当理解，本揭露不限于本文描述的具体示例，而仅由所附请求项的范围来限制。
应当理解，为清楚起见，在单独的示例的上下文中描述的当前揭露的主题的某些特征也可以在单个示例中组合提供。相反，为简洁起见，在单个示例的上下文中描述的当前揭露的主题的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合来提供。
此外，为了清楚起见，术语“实质上”在本文中用来暗示在可接受范围内数值变化的可能性。根据一个示例，在此使用的术语“实质上”应所述被解释为暗示在任何指定值之上或之下的高达10％的可能变化。根据另一个示例，在此使用的术语“实质上”应所述被解释为暗示在任何指定值之上或之下的高达5％的可能变化。根据另一个示例，在此使用的术语“实质上”应所述被解释为暗示在任何指定值之上或之下的高达2.5％的可能变化。
除非另有说明，否则在选择选项列表的最后两个成员之间使用表达“及/或”表示选择一个或多个所列选项是适当的，并且可以进行。
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本说明书中提及的所有专利及专利申请均通过引用整体并入本文，其程度与好像每个单独的专利或专利申请被具体地和单独地指示通过引用并入本文的程度相同。另外，在本申请中对任何参考文献的引用或标识均不应解释为承认所述参考文献可用作本揭露的先前技术。

Claims (71)

1.一种相机，包括：
一光学模块，包括一镜头组件，所述镜头组件包括在一物体侧上以L1开始的N个透镜元件L1-LN，其中N≥4，以及所述镜头组件具有大于透镜元件之间的任何气隙的一后焦距BFL，及具有在5毫米到25毫米范围内的一有效焦距EFL；以及
一弹出机构，配置为将所述镜头组件致动到一操作弹出状态及到一收缩状态，其中所述镜头组件具有在所述操作弹出状态下的一光学总长TTL以及在所述收缩状态下的一收缩光学总长cTTL，其中所述弹出机构配置为控制所述后焦距BFL，使得cTTL/EFL≤0.8。
2.根据权利要求1所述的相机，其中N≥4包括N＝4,5,6或7。
3.根据权利要求1所述的相机，其中cTTL/EFL≤0.75。
4.根据权利要求1所述的相机，其中cTTL/EFL≤0.7。
5.根据权利要求1所述的相机，其中cTTL/EFL≤0.65。
6.根据权利要求1所述的相机，其中cTTL/EFL≤0.6。
7.根据权利要求1所述的相机，其中TTL在9毫米至18毫米的范围内。
8.根据权利要求1所述的相机，其中TTL在9毫米至15毫米的范围内。
9.根据权利要求1所述的相机，其中cTTL在7毫米至15毫米的范围内。
10.根据权利要求1所述的相机，其中cTTL在7毫米至13毫米的范围内。
11.根据权利要求1所述的相机，其中cTTL在8毫米至12毫米的范围内。
12.根据权利要求1所述的相机，其中EFL在7毫米至20毫米的范围内。
13.根据权利要求1所述的相机，其中EFL在8毫米至15毫米的范围内。
14.根据权利要求1所述的相机，其中SD在5毫米至20毫米的范围内。
15.根据权利要求1所述的相机，其中SD在5毫米至15毫米的范围内。
16.根据权利要求1所述的相机，其中SD在8毫米至12毫米的范围内。
17.根据权利要求1所述的相机，其中SD在5毫米至8毫米的范围内。
18.根据权利要求1所述的相机，其中所述镜头组件具有一F数f/#在1.5至3的范围内。
19.根据权利要求1所述的相机，其中所述镜头组件具有一F数f/#在1.7至2.5的范围内。
20.根据权利要求1所述的相机，其中所述镜头组件具有一F数f/#在1.5至1.8的范围内。
21.根据权利要求1所述的相机，其中所述镜头组件具有一F数f/#在2.5至3.0的范围内。
22.根据权利要求1所述的相机，其中所述弹出机构包括与所述光学模块可接合的一窗框，其中所述窗框在所述操作弹出状态下不接触所述光学模块，其中所述窗框可操作成压在所述光学模块上，以使所述相机进入所述收缩状态。
23.根据权利要求22所述的相机，其中BFL/TTL>0.2。
24.根据权利要求22所述的相机，其中BFL/TTL>0.25。
25.根据权利要求22所述的相机，其中BFL/TTL>0.3。
26.根据权利要求22所述的相机，其中BFL/TTL>0.35。
27.根据权利要求1所述的相机，其中所述弹出机构包括一个单一移动部件，所述移动部件相对所述影像传感器移动，以使所述相机进入到所述操作弹出状态及所述收缩状态。
28.根据权利要求1所述的相机，其中所述光学模块具有一光学模块直径dO，其中所述镜头组件包括具有一最大透镜直径dL，其中dO<dL+8毫米。
29.根据权利要求28所述的相机，其中dO<dL+4毫米。
30.根据权利要求28所述的相机，其中dO<dL+2毫米。
31.根据权利要求28所述的相机，其中dO<dL+1毫米。
32.根据权利要求1所述的相机，其中所述相机具有一透镜光轴，其中所述弹出机构包括一轨-销机构，所述轨-销机构沿一垂直于所述透镜光轴的方向移动，并且在垂直于所述透镜光轴的方向上的致动被转化为一个或多个所述透镜元件沿所述透镜光轴的移动。
33.根据权利要求1所述的相机，其中所述弹出机构包括基于一运动耦合机构的一引导及定位机构。
34.根据权利要求1所述的相机，其中所述相机包括在一行动装置中，其中所述弹出机构包括一外部密封件，且所述外部密封件支持所述行动装置的IP68等级排行。
35.根据权利要求1所述的相机，其中所述相机包括在一行动装置中，并且所述行动装置是一智能手机。
36.根据权利要求1所述的相机，其中所述相机包括在一行动装置中，并且所述行动装置是一平板。
37.一种相机，包括：
一光学模块，包括一镜头组件，所述镜头组件包括在一物体侧上以L1开始的N个透镜元件L1-LN，其中N≥4，以及所述镜头组件具有在5毫米到25毫米范围内的一有效焦距EFL；以及
一弹出机构，配置为控制多个所述透镜元件之间或所述透镜元件与所述影像传感器之间的至少一个气隙，以使所述相机进入一操作弹出状态及一收缩状态，其中所述镜头组件具有在所述操作弹出状态下的一光学总长TTL以及在所述收缩状态下的一收缩光学总长cTTL，其中TTL在7毫米至20毫米的范围内，cTTL在6毫米至18毫米的范围内，并且cTTL/TTL<0.9。
38.根据权利要求37所述的相机，其中N≥4包括N＝4、5、6或7。
39.根据权利要求37所述的相机，其中cTTL/TTL≤0.85。
40.根据权利要求37所述的相机，其中cTTL/TTL<0.8。
41.根据权利要求37所述的相机，其中cTTL/TTL<0.75。
42.根据权利要求37所述的相机，其中cTTL/TTL<0.7。
43.根据权利要求37所述的相机，其中TTL在8毫米至18毫米的范围内。
44.根据权利要求37所述的相机，其中TTL在8毫米至15毫米的范围内。
45.根据权利要求37所述的相机，其中cTTL在7毫米至15毫米的范围内。
46.根据权利要求37所述的相机，其中cTTL在7毫米至13毫米的范围内。
47.根据权利要求37所述的相机，其中EFL在7毫米至20毫米的范围内。
48.根据权利要求37所述的相机，其中EFL在8毫米至15毫米的范围内。
49.根据权利要求37所述的相机，其中SD在5毫米至20毫米的范围内。
50.根据权利要求37所述的相机，其中SD在5毫米至15毫米的范围内。
51.根据权利要求37所述的相机，其中SD在8毫米至12毫米的范围内。
52.根据权利要求37所述的相机，其中SD在5毫米至8毫米的范围内。
53.根据权利要求37所述的相机，其中所述镜头组件具有一F数f/#在1.5至3.0的范围内。
54.根据权利要求37所述的相机，其中所述镜头组件具有一F数f/#在1.7至2.5的范围内。
55.根据权利要求37所述的相机，其中所述镜头组件具有一F数f/#在1.5至1.8的范围内。
56.根据权利要求37所述的相机，其中所述镜头组件具有一F数f/#在2.5至3.0的范围内。
57.根据权利要求37所述的相机，其中所述弹出机构包括与所述光学模块接合的一窗框，其中所述窗框在所述操作弹出状态下不接触所述光学模块，且所述窗框可操作成压在所述光学模块上，以使所述相机进入所述收缩状态。
58.根据权利要求37所述的相机，其中d/TTL>0.2。
59.根据权利要求37所述的相机，其中d/TTL>0.25。
60.根据权利要求37所述的相机，其中d/TTL>0.3。
61.根据权利要求37所述的相机，其中d/TTL>0.35。
62.根据权利要求37所述的相机，其中所述弹出机构包括一个单一移动部件，所述移动部件相对所述影像传感器移动，以使所述相机进入到所述操作弹出状态及所述收缩状态。
63.根据权利要求37所述的相机，其中所述光学模块具有一光学模块直径dO，其中所述镜头组件包括具有一最大透镜直径dL，其中dO<dL+8毫米。
64.根据权利要求63所述的相机，其中dO<dL+4毫米。
65.根据权利要求63所述的相机，其中dO<dL+2毫米。
66.根据权利要求63所述的相机，其中dO<dL+1毫米。
67.根据权利要求37所述的相机，其中所述相机具有一透镜光轴，其中所述弹出机构包括一轨-销机构，所述轨-销机构沿一垂直于所述透镜光轴的方向移动，并且在垂直于所述透镜光轴的方向上的致动被转化为一或多个所述透镜组件沿所述透镜光轴的移动。
68.根据权利要求37所述的相机，其中所述弹出机构包括基于一运动耦合机构的一引导及定位机构。
69.根据权利要求37所述的相机，其中所述相机包括在一行动装置中，其中所述弹出机构包括一外部密封件，且所述外部密封件支持所述行动装置的IP68等级排行。
70.根据权利要求37所述的相机，其中所述相机包括在一行动装置中，并且所述行动装置是一智能手机。
71.根据权利要求37所述的相机，其中所述相机包括在一行动装置中，并且所述行动装置是一平板。
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