CN213423577U

CN213423577U - 摄像机系统

Info

Publication number: CN213423577U
Application number: CN202022176030.1U
Authority: CN
Inventors: 许庭嘉; 陈昶志
Original assignee: Logitech Europe SA
Current assignee: Logitech Europe SA
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2030-09-28
Also published as: US11796761B2; US20210191077A1

Abstract

公开了摄像机系统。在一个实施方式中，公开了静态透镜系统，并且该静态透镜系统包括以下部件：透镜组件壳体，其限定前开口；成像传感器；透镜组件，其设置在透镜组件壳体内并且包括：第一透镜元件、第二透镜元件、第三透镜元件、第四透镜元件、第五透镜元件和第六透镜元件，第六透镜元件与成像传感器相邻，并且第一透镜元件与前开口相邻；其中，第一透镜元件至第三透镜元件以及第六透镜元件为具有负焦距的凹透镜，而第四透镜元件和第五透镜元件为凹透镜并且具有正焦距。

Description

摄像机系统

技术领域

本公开内容涉及摄像机系统。

背景技术

对于摄像机，具有多个透镜元件的透镜系统是公知的。对于静态透镜，由于所产生的失真，获得宽视场(FOV)可能是具有挑战性的。大多数鱼眼透镜具有差的角调制传递函数(MTF)，导致边缘周围的失真。现代消费电子装置还具有小的形状因数，这使得期望具有在装置上不占据太多空间的摄像机。期望具有一种具有宽FOV以及最小失真和像差的可用于视频会议系统的静态透镜系统。

实用新型内容

本公开内容描述了涉及紧凑型静态透镜组件的各种实施方式。

在一个实施方式中，公开了静态透镜系统，并且该静态透镜系统包括以下部件：透镜组件壳体，其限定前开口；成像传感器；透镜组件，其设置在透镜组件壳体内并且包括：第一透镜元件、第二透镜元件、第三透镜元件、第四透镜元件、第五透镜元件和第六透镜元件，第六透镜元件与成像传感器相邻，并且第一透镜元件与前开口相邻；第一至第三透镜元件以及第六透镜元件为具有负焦距的凹透镜，而第四透镜元件和第五透镜元件为凹透镜并且具有正焦距。

在一个实施方式中，孔径光阑设置在第三透镜元件与第四透镜元件之间，并且场光阑设置在第四透镜元件与第五透镜元件之间。IR滤光器设置在第六透镜元件与成像传感器之间。第一透镜元件和第二透镜元件具有使FOV增大的曲率，而第五透镜元件和第六透镜元件具有使色差减小的曲率。所有透镜元件都是球面透镜。

优选地，FOV至少为75度，并且F-Theta失真小于3.5％。在一个实施方式中，透镜设计提供79.5度的FOV和小于3％的F-Theta失真。透镜元件1和2用于使FOV增大。透镜元件5和6用于使色差减小。

附图说明

结合附图通过以下详细描述将容易理解本公开内容，在附图中相同的附图标记表示相同的结构元件，并且在附图中：

图1示出了适于与所描述的实施方式一起使用的示例性摄像机模块的立体图；

图2示出了根据实施方式的构成透镜组件的透镜元件的截面图；

图3示出了透镜组件的截面图，该截面图示出了根据实施方式的透镜元件如何定位在透镜壳体内；

图4示出了根据实施方式的图2的透镜组件的调制传递函数(MTF)图表；

图5示出了表示在图2中描绘的透镜组件的视场间的场曲率的变化的矢状和切向场曲率线；以及

图6是根据某些实施方式的被配置成操作视频会议系统的系统的简化框图。

具体实施方式

根据某些实施方式，本公开内容的各方面总体涉及用于成像装置的光学器件，特别地涉及适于与视频会议装置一起使用的光学器件。

在以下描述中，将描述小形状因数成像装置的各种实施方式。出于说明的目的，阐述了具体配置和细节以便提供对实施方式的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员来说明显的是，可以在没有所公开的每个细节的情况下实践或实现某些实施方式。此外，可以省略或简化公知的特征，以防止对本文描述的新颖特征的任何模糊。

紧凑的高分辨率透镜组件可以有助于为相对小形状因数的装置带来高质量成像。仅增加成像传感器的分辨率而不相应地提高支持该成像传感器的光学器件的质量仅可能产生较高带宽的成像流。应当对透镜的整体质量进行设计，以便可以解析成像传感器的每个像素。在当今的2k和4k视频正变得更为普遍的市场中，保持小形状因数以及透镜组件的总体成本具有竞争性同时还通过较高密度图像传感器使得可以解析另外的细节是具有挑战性的。

下面参照图1至图6讨论这些和其他实施方式，然而，本领域技术人员将容易理解的是，本文关于这些附图给出的详细描述仅用于说明目的，而不应被解释为限制。

图1示出了适于与所描述的实施方式一起使用的摄像机模块100的立体图。摄像机模块100包括在透镜壳体108上方的保护盖102，透镜壳体108封闭透镜组件并且安装在基座110上。筒形环104连接至环106。在制造期间，具有旋钮的环106可以旋转以进行组装，从而实现适当的距离。模块100的部件可以由金属或聚合物材料形成。保护盖102可以具有可忽略的量的放大率并且可以是光学透明的以允许透镜壳体108内的透镜组件在没有显著劣化的情况下操作。在一些实施方式中，保护盖106可以密封到柱形环102上，以防止水分侵入由透镜壳体108限定的内部空间。

图2示出了构成透镜组件200的透镜元件的截面图。图2示出了定位成使透镜组件200的总焦距最小化的透镜元件。透镜组件200由从前到后的透镜元件1至6组成。透镜元件形成负焦距元件和正焦距元件的(-)(-)(-)(+)(+)(-)布置。在一个实施方式中，透镜元件全部由玻璃制成，以提高性能并降低制造复杂性。在一些实施方式中，透镜元件被设计成在不采用昂贵的模制玻璃的情况下提供最小的F-Theta失真。

透镜元件5和6用于减小色差。来自较前透镜元件的色差或色像差导致不同波长(不同颜色)的光具有不同的焦距。透镜元件5和6是将不同的颜色(特别是红色和蓝色)引导到相同的焦点的消色差双合透镜。替选地，可以使用其他透镜形状来校正色像差。

在透镜组的后面是IR滤光器202和传感器204。IR滤光器是阻止大部分红外光到达数字传感器204的红外光阻挡元件或涂层。在一些实施方式中，红外涂层可以阻挡98-99％的具有在700nm与1000nm之间的波长的光。该IR滤光器可以防止由于IR光被错误地捕获并且被视为可见光而导致的图像捕获性能下降。应当注意，在一些实施方式中，IR滤光器替代地可以为添加至透镜元件6的一个表面的涂层，从而消除对单独IR滤光器202的需要。IR滤光涂层也可采取其他形式，例如粘附至另一透镜元件的一侧的膜层。

以下描绘的表(1)示出了图2中描绘的透镜组件200的各种其他示例性技术特征。应当注意，其他设计、材料和其他技术特征可以变化，并且以下技术规范不应被解释为限制。

表(1)

表(1)示出透镜元件1至6以及IR滤光器202(元件7)中的每一者的优选特性。示出了每个元件的透镜材料即玻璃以及中间气隙。然后，示出透镜材料的折射率以及孔径光阑和场光阑的位置。接下来，示出了每个透镜元件的阿贝数。阿贝数，也称为透明材料的V数或倒色散系数，是材料色散(折射率随波长的变化)的量度。高V值指示低色散。较高的阿贝值指示较少的色像差。接下来，示出了每个透镜元件的焦距(以毫米为单位)。接下来，示出了距先前元件的距离或透镜元件的宽度。如果材料是“气隙”，则示出了距先前透镜元件的距离。如果材料示出“玻璃”，则为透镜元件的宽度。最后一列示出了每个元件到图像传感器的距离，以mm(毫米)为单位。在实施方式中，总焦距小于3mm，而透镜的总距离或“长度”小于30mm。在表1所示的实施方式中，所提供的数字说明了总焦距为2.4mm，透镜的总距离或深度为20.524mm。

在表1所示的实施方式中，第一透镜元件与第二透镜元件中的每一个的焦距小于第三透镜元件的焦距的四分之一。第四透镜元件与第五透镜元件的焦距分别小于第一透镜元件与第二透镜元件的焦距的三分之二，并且符号相反。第五透镜元件和第六透镜元件耦接在一起，其中，第五透镜元件的凸面与第六透镜元件的凹面配合。

在替选实施方式中，焦距和到图像传感器的距离可以在一定范围内略微变化并且仍然提供好的结果。特别地，一个元件的值在可接受范围内的变化可以通过一个或更多个其他元件的值在它们的范围内的变化来补偿。这些可接受范围在以下的表(2)中通过公式来阐述。

表(2)

图3示出了定位在透镜组件壳体300内的透镜组件300的截面图。如所描绘的，透镜组件壳体300可以是包括环形/筒形壳体104和透镜壳体108的多部件壳体。壳体104包含透镜元件1至6、孔径光阑208和场光阑210。在制造期间，壳体104可以使用螺纹表面302被拧入透镜壳体108中进行组装。IR滤光器202和成像传感器204安装在透镜壳体108中。通过使用带旋钮的环106转动壳体104可以改变透镜元件1至6与成像传感器之间的距离。

图4示出了透镜组件200的焦距的调制传递函数(MTF)图表。MTF是成像系统或元件的空间频率响应。它是在给定空间频率处相对于低频的衬度(contrast)。MTF是真实分辨率或有效分辨率的有用量度，因为它说明了在空间频率范围上的模糊量和衬度。图4示出了光学传递函数(OTF)的模与空间频率的关系。这些曲线示出了透镜组件200的高分辨率能力。所示曲线的范围从曲线402(0.6540mm-切向)到曲线404(微分极限-切向)。

图5示出表示透镜组件200的在透镜组件200的视场间的场曲率的变化的矢状和切向场曲率线。图5的A绘出了针对不同颜色的场曲率，如在度数与mm的关系的图上所示。图5的A示出了曲线502(0.4600-切向)、曲线504(0.5500-切向)、曲线506(0.6200-切向)、曲线508(0.4600-矢状)、曲线510(0.6200-矢状)和曲线512(0.5500-矢状)。对于79.5度的最大场，矢状最大场曲率是0.0614mm，并且切向最大场曲率是0.0356mm。

图5的B示出了F-Theta失真的度数与百分比的关系。图5的B示出了视场(FOV)为79.5度，并且最大失真为2.7815％。

用于操作视频会议装置的系统的示例

图6是根据某些实施方式的被配置成控制摄像机模块100的系统600的简化框图。在该实施方式中，摄像机模块100用于视频会议系统中。系统600包括处理器610、操作逻辑620、移动跟踪系统630、输入检测系统650和电力管理系统660。系统块620至660中的每一个可以与处理器610电通信。系统600还可以包括为避免使本文描述的新颖特征模糊而未示出或未讨论的另外的系统。

在某些实施方式中，处理器610可以包括一个或更多个微处理器(μC)，并且可以被配置成控制系统600的操作。替选地，如本领域普通技术人员将理解的，处理器610可以包括具有支持硬件和/或固件(例如，存储器，可编程I/O等)的一个或更多个微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)等。在一些实施方式中，多个处理器可以提供系统600的在速度和带宽方面的提高的性能。应当注意，尽管多个处理器可以提高系统600的性能，但是它们对于本文描述的实施方式的标准操作而言是不需要的。

如上面参照图1至图5的B所描述的，操作逻辑620可以包括可以执行与视频会议系统100相关联的各种步骤、操作和功能的软件、固件或硬件的任何组合。例如，操作逻辑620可以控制设置和操作参数，例如记录分辨率、焦距、放大率和透镜组件方位角及倾斜度。可以将操作逻辑620存储在任何合适的非暂态计算机可读存储介质中，所述非暂态计算机可读存储介质可以存储提供本公开内容的实施方式的功能的程序代码和/或数据。也就是说，操作逻辑620可以存储将通过处理器(例如，在处理器610中)执行的一个或更多个软件程序。应当理解，“软件”可以指代下述指令序列，所述指令序列在通过处理单元(例如，处理器、处理装置等)执行时使系统600执行软件程序的某些操作。可以将指令存储为驻留在只读存储器(ROM)中的固件和/或存储在介质存储装置中的可以被读入存储器以由处理装置处理的应用。软件可以实现为单个程序或不同程序的集合，并且可以被存储在非易失性存储装置中，并在程序执行期间被全部或部分地复制到易失性工作存储器。从存储子系统，处理装置可以检索要执行的程序指令，以便执行本文描述的各种操作。在一些实施方式中，与操作逻辑620相关联的存储器可包括RAM、ROM、固态存储器、基于磁或光的存储器系统、可移动介质(例如，“拇指驱动器”、SD卡、基于闪存的装置)或本领域已知的其他类型的存储介质。本领域普通技术人员将理解其许多变型、修改和替选的实施方式。

移动跟踪系统630可以被配置成跟踪视频会议会话中的参与者的移动。在某些实施方式中，可以将一个或更多个光学传感器或听觉传感器用于移动和活跃演讲者确定。光学传感器可以采用红外传感器的形式来跟踪朝向和远离视频会议设备的移动，并且听觉传感器可以采用一个或更多个定向麦克风的形式来识别活跃演讲者。例如，运动跟踪系统630可以向主计算机提供移动数据，以控制成像装置的放大和取向。运动跟踪系统630可以向处理器610报告运动信息。

根据某些实施方式，通信系统640可以被配置为在视频会议系统100和主计算装置之间提供无线通信。通信系统640可以采用任何合适的无线通信协议，包括但不限于：基于

的通信协议(例如BLE)、IR、

Wi-Fi(IEEE 802.11)、线程、

协议或其他合适的通信技术，以便于视频会议系统100与主计算装置之间的无线双向通信。系统600可以可选地包括到主计算装置的硬连线连接。例如，视频会议设备100可以被配置成接收通用串行总线(例如，USB-C)电缆，以使得能够在视频会议设备100与主计算装置之间进行双向电子通信。一些实施方式可以利用不同类型的电缆或连接协议标准来与其他实体建立硬连线通信。

可以将输入检测系统650配置成在视频会议系统100上检测一个或更多个按钮、触敏表面等上的触摸或触摸手势。如本领域普通技术人员将理解的，输入检测系统650可以包括一个或更多个触敏表面、触摸传感器、按钮、控件或其他用户接口。触摸传感器通常包括适合于检测诸如直接接触、电磁或静电场、或者电磁辐射束的信号的感测元件。可以将触摸传感器配置成检测接收信号的变化、信号的存在或信号的不存在中的至少一者。

可以将电力管理系统660配置成管理针对视频会议100的电力分配、再充电、电力效率等。在一些实施方式中，电力管理系统660可以包括电池(未示出)、基于USB的电池再充电系统(未示出)、电力管理装置和系统600内的电力网，以为每个子系统(例如，加速度计，陀螺仪等)提供电力。在某些实施方式中，可以将由电力管理系统660提供的功能合并到处理器610中。电源可以是可更换电池、可再充电能量存储装置(例如超级电容器、锂聚合物电池、NiMH、NiCd)或有线电力供应(例如经由USB-C端口——参见图1)。本领域普通技术人员将理解其许多变型、修改和替选的实施方式。

应当理解，系统600是说明性的，并且变型和修改是可能的。系统600可具有此处未具体描述的其他功能(例如移动电话、全球定位系统(GPS)、电力管理、一个或更多个摄像机、用于连接外部设备或配件的各种连接端口等)。此外，虽然参考特定块描述了系统600，但是应当理解的是，这些块是为了便于描述而定义的，并不意味着暗示部件部分的特定物理布置。此外，块不需要与物理上不同的部件相对应。块可以被配置成例如通过对处理器进行编程或者提供适当的控制电路来执行各种操作，并且根据如何获得初始配置，各种块可能是或可能不是可重新配置的。可以在包括使用电路和软件的任何组合实现的电子设备的各种设备中实现本实用新型的实施方式。此外，系统600的方面和/或部分可以根据设计的要求与其他子系统组合或由其他子系统操作。例如，操作逻辑620可以在处理器610内操作，而不是用作单独的实体。前述实施方式并非旨在进行限制，并且受益于本公开内容的本领域普通技术人员将领会无数的应用和可能性。

其他变型在本公开内容的精神范围内。因此，虽然所公开的技术容易受到各种修改和替选构造的影响，但是其某些说明的实施方式在附图中被示出并且已在上面详细描述。然而，应当理解的是，并非意在将本公开内容限制于所公开的一个或更多个特定形式，而是相反地，意在覆盖落入如所附权利要求中所限定的本公开内容的精神和范围内的所有修改、替选构造和等同物。例如，视频会议术语应当被广义地解释，并且还可以指网络摄像机或动作摄像机。所描述的透镜组件与诸如DSLR、无反光镜和电影摄像机的其他成像系统类型一起使用也应被视为在预期使用的范围内。

在描述所公开的实施方式的上下文中(特别是在所附权利要求的上下文中)使用术语“一(a)”和“一个(an)”和“所述(the)”以及类似的指示物应当解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或明显与上下文矛盾。除非另有说明，否则术语“包括(comprising)”、“具有(having)”、“包括(including)”和“含有(containing)”应被解释为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。术语“连接(connected)”应被解释为部分或全部包含在内，附接或连接在一起，即使存在某些中介物。短语“基于”应被理解为是开放式的，并且不以任何方式限制，并且在适当的情况下旨在被解释或以其他方式解读为“至少部分地基于”。除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的描述仅旨在用作单独涉及落入该范围内的每个单独值的简写方法，并且将每个单独的值并入本说明书中，如同其在本文中被单独列举一样。除非本文另有说明或上下文明显矛盾，否则可以以任何合适的顺序来执行本文所述的所有方法。除非另外声明，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地说明本公开内容的实施方式，并且不对本公开内容的范围构成限制。不应将说明书中的任何语言解释为将任何未要求保护的要素指示为对本公开内容的实践是必要的。

Claims

1.一种摄像机系统，其特征在于包括：

透镜组件壳体，其限定前开口；

成像传感器；

透镜组件，其设置在所述透镜组件壳体内并且包括第一透镜元件、第二透镜元件、第三透镜元件、第四透镜元件、第五透镜元件和第六透镜元件，所述第六透镜元件是最靠近所述成像传感器的透镜元件，并且所述第一透镜元件与所述前开口相邻；

所述第一透镜元件的焦距与所述第一透镜元件至所述第六透镜元件的总焦距的比率在-3.3与-2.6之间；

所述第二透镜元件的焦距与所述第一透镜元件至所述第六透镜元件的总焦距的比率在-3.0与-2.4之间；以及

所述第一透镜元件至所述第六透镜元件的总焦距与所述第三透镜元件的焦距的比率的绝对值加上所述第一透镜元件至所述第六透镜元件的总焦距与所述第四透镜元件的焦距的比率的绝对值在0.6与1之间。

2.根据权利要求1所述的摄像机系统，其特征在于，所述第五透镜元件耦接至所述第六透镜元件，所述第五透镜元件的凸面与所述第六透镜元件的凹面配合。

3.根据权利要求1所述的摄像机系统，其特征在于还包括：

IR滤光器，其在所述第六透镜元件与所述成像传感器之间；

孔径光阑，其在所述第三透镜元件与所述第四透镜元件之间；

场光阑，其在所述第四透镜元件与所述第五透镜元件之间；并且

所述第一透镜元件和所述第二透镜元件具有被配置成使所述透镜组件的视场增大的曲率，而所述第五透镜元件和所述第六透镜元件具有被配置成使色差减小的曲率。

4.根据权利要求1所述的摄像机系统，其特征在于，所述第一透镜元件至所述第六透镜元件的总焦距与所述第五透镜元件的焦距的比率的绝对值加上所述第一透镜元件至所述第六透镜元件的总焦距与所述第六透镜元件的焦距的比率的绝对值在1.1与1.5之间。

5.根据权利要求1所述的摄像机系统，其特征在于，所述第二透镜元件的阿贝数与所述第三透镜元件的阿贝数之间的差在256与40之间。

6.根据权利要求1所述的摄像机系统，其特征在于，所述第五透镜元件的阿贝数与所述第六透镜元件的阿贝数之间的差在30与45之间。

7.一种摄像机系统，其特征在于包括：

透镜组件壳体，其限定前开口；

成像传感器；

所述第一透镜元件至所述第三透镜元件和所述第六透镜元件为具有负焦距的凹透镜；

所述第四透镜元件和所述第五透镜元件为具有正焦距的凹透镜；

所述第五透镜元件耦接至所述第六透镜元件，所述第五透镜元件的凸面与所述第六透镜元件的凹面配合；

IR滤光器，其在所述第六透镜元件与所述成像传感器之间；

8.根据权利要求7所述的摄像机系统，其特征在于，所有的所述透镜元件都是球面透镜。

9.根据权利要求7所述的摄像机系统，其特征在于，所有的所述透镜元件都是玻璃。

10.根据权利要求7所述的摄像机系统，其特征在于，所述视场至少为75度，并且F-Theta失真小于3.5％。

11.根据权利要求7所述的摄像机系统，其特征在于，总焦距小于3mm，其中，所述透镜元件的总深度小于30mm。

12.一种摄像机系统，其特征在于包括：

透镜组件壳体，其限定前开口；

成像传感器；

所述第一透镜元件至所述第三透镜元件和所述第六透镜元件为具有负焦距的凹透镜；并且

所述第四透镜元件和所述第五透镜元件为具有正焦距的凹透镜。

13.根据权利要求12所述的摄像机系统，其特征在于，所述第五透镜元件耦接至所述第六透镜元件，所述第五透镜元件的凸面与所述第六透镜元件的凹面配合。

14.根据权利要求12所述的摄像机系统，其特征在于还包括：

IR滤光器，其在所述第六透镜元件与所述成像传感器之间。

15.根据权利要求12所述的摄像机系统，其特征在于还包括：

孔径光阑，其在所述第三透镜元件与所述第四透镜元件之间；以及

场光阑，其在所述第四透镜元件与所述第五透镜元件之间。

16.根据权利要求12所述的摄像机系统，其特征在于，所述第一透镜元件和所述第二透镜元件具有被配置成使所述透镜组件的视场增大的曲率，而所述第五透镜元件和所述第六透镜元件具有被配置成使色差减小的曲率。

17.根据权利要求12所述的摄像机系统，其特征在于，所有的所述透镜元件都是球面透镜。

18.根据权利要求12所述的摄像机系统，其特征在于，所述第一透镜元件的焦距与所述第一透镜元件至所述第六透镜元件的总焦距的比率在-3.3与-2.6之间。

19.根据权利要求12所述的摄像机系统，其特征在于，所述第二透镜元件的焦距与所述第一透镜元件至所述第六透镜元件的总焦距的比率在-3.0与-2.4之间。

20.根据权利要求12所述的摄像机系统，其特征在于，所述第一透镜元件至所述第六透镜元件的总焦距与所述第三透镜元件的焦距的比率的绝对值加上所述第一透镜元件至所述第六透镜元件的总焦距与所述第四透镜元件的焦距的比率的绝对值在0.6与1之间。