TW202020504A

TW202020504A - 攝影機透鏡系統

Info

Publication number: TW202020504A
Application number: TW108133821A
Authority: TW
Inventors: 姚宇宏; 篠原義和; 米奧德拉格斯帕諾維克
Original assignee: 美商蘋果公司
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2020-06-01
Also published as: AU2019346376C1; KR20210043670A; CN112714885A; AU2019346376A1; US20210349295A1; EP3857282A1; WO2020068594A1; AU2019346376B2

Abstract

一種折疊光學系統，其包含具有折射焦度的兩個稜鏡，且其中該等稜鏡之至少一者的至少一表面係非旋轉對稱。該折疊光學系統中的該等稜鏡的該等材料及表面可經選擇以提供低光圈值（例如，>= 2.4）、30度或更小之全視場(FOV)。該折疊光學系統可實施在一小封裝大小中，同時仍擷取銳利、高解析度影像，使包括該折疊光學系統之一攝影機的實施例適於在小型及/或行動式多用途裝置中使用。

Description

攝影機透鏡系統

此揭露大致上係關於攝影機系統，且更具體而言係關於小形狀因數攝影機及透鏡系統。

小行動式多用途裝置（例如，智慧型手機與平板或平板電腦裝置）的出現，導致為了整合在裝置中而需要高解析度、小形狀因數攝影機，該等攝影機係輕量、小型且能夠以低光圈值擷取高解析度且高品質的影像。然而，由於習知攝影機技術的限制，用於此類裝置中的習知小攝影機傾向於以較低解析度擷取影像，及/或以低於較大、較高品質攝影機可達成之影像品質擷取影像。以小封裝大小的攝影機達成較高的解析度通常需要使用一具有小像素大小的光感測器以及一良好的小型成像透鏡系統。技術的發展已達成光感測器中之像素尺寸的縮減。然而，隨著光感測器變得更小型且更強大，針對具有改善的成像品質效能之小型成像透鏡系統的需求已然增加。此外，越來越期望小形狀因數攝影機配備有更高的像素數及/或更大的像素大小影像感測器（其等之一或二者可能需要更大的影像感測器），同時仍維持足夠小型以適配至可攜式電子裝置中的模組高度。因此，從光學系統設計的觀點來看，挑戰在於提供能夠在小形狀因數攝影機所加諸之物理限制(physical constraints)下擷取高亮度、高解析度影像的一種成像透鏡系統。

本揭露的實施例可提供一種折疊光學系統，該折疊光學系統可係例如用作為小形狀因數攝影機中的一攝影機透鏡。一折疊光學系統之實施例經描述包括一起形成該光學系統之具有折射焦度的兩個稜鏡。該等稜鏡之至少一者的至少一表面係「自由形式(freeform)」表面，且因此該（等）稜鏡可稱為自由形式稜鏡。一自由形式稜鏡可係廣泛定義為具有提供折射焦度及非對稱（非旋轉對稱）之至少一表面（亦即，係「自由形式」表面）的一稜鏡。該等稜鏡針對該攝影機提供一「折疊」光學軸，例如以降低該攝影機的Z高度。一第一稜鏡(P1)將來自一物場的光自一第一軸重導向至一第二軸。一第二稜鏡(P2)在該第二軸上接收該光，且將該光重導向至一第三軸上，該攝影機之一光感測器設置在該第三軸上。經重導向之該光在一光感測器的該表面處或附近之一像平面處形成一影像。

該兩個稜鏡之各者包括影響行進通過該稜鏡之光的三個表面。一第一表面(S1)從該稜鏡之一物側接收該光；一第二表面(S2)將所接收的該光透過該第一表面反射或重導向至一第三表面(S3)；接著，該光行進通過該第三表面或由該第三表面折射至該次一稜鏡或至該光感測器。針對各稜鏡，一給定表面可係平坦/平的，而不具有折射焦度；對稱凹形、凸形、或非球面，具有折射焦度；或自由形式（非對稱凹形、凸形、或非球面，具有折射焦度）。如上文提及者，在一些實施例中，該等稜鏡之至少一者的至少一表面係一自由形式表面。在一些實施例中，該光學系統中之該等稜鏡的該六個表面之至少兩者係自由形式表面。在一些實施例中，在兩個稜鏡中之該第一表面及該第三表面係自由形式表面，而兩個稜鏡中之該第二表面係平坦/平的。然而，在一些實施例中，該等第二表面之一或兩者可係具有折射焦度的自由形式表面、或具有折射焦度之對稱表面。

該光學系統中之該等稜鏡的該等材料及表面可經選擇以擷取高解析度、高品質影像。該等稜鏡的參數及關係（包括但不限於該等材料及表面形狀）可至少部分經選擇以降低、補償、或校正光學像差、及假影、及跨該視場的效應。在一些實施例中，該光學系統中的該等稜鏡的該等材料及表面可經選擇以提供低光圈值（例如，>= 2.4）、30度或更小之全視場(full field of view, FOV)、及具有高影像品質之高亮度、高解析度影像。

在一些實施例中，一孔徑光闌在該光學系統中係位於該第一稜鏡之該第一（物側）表面處。在一些實施例中，該孔徑光闌可係橢圓形；然而，在一些實施例中，圓形或其他形狀可用於該孔徑。在一些實施例中，該折疊攝影機可包括紅外線(infrared, IR)濾光器以降低或消除該光感測器上的環境雜訊的干擾。該IR濾光器可例如位於該第二稜鏡與該光感測器之間。

優先權資訊

本申請案主張2018年9月25日申請之美國臨時專利申請案第62/736,394號的優先權，其內容以全文引用方式併入本文中。

此專利說明書包括對「一個實施例(one embodiment)」或「一實施例(an embodiment)」的指稱。片語「在一個實施例中(in one embodiment)」或「在一實施例中(in an embodiment)」的出現不必然指稱相同實施例。可以與此揭露一致的任何合適方式結合特定特徵、結構、或特性。

「包含(Comprising)」。此用語係開放式。如在隨附之申請專利範圍中所用者，此用語不排除額外的結構或步驟。考慮一請求項，其敘述：「一種設備，其包含一或多個處理器單元…」。此一類請求項不排除該設備包括額外組件（例如，一網路介面單元、圖形電路系統等）。

「經組態以(Configured To)」。可敘述或主張各種單元、電路、或其他組件為「經組態以」執行一任務或多個任務。在此類上下文中，「經組態以」係用於藉由指示該等單元/電路/組件包括在操作期間執行彼等（一或多個）任務的結構（例如，電路系統）來表示結構。因而，即使當指定單元/電路/組件當前並不操作（例如，未接通），仍可稱該單元/電路/組件經組態以執行該任務。與「經組態以」語言一起使用的該等單元/電路/組件包括硬體—例如，電路、記憶體（儲存可執行以實施操作之程式指令）等。敘述一單元/電路/組件「經組態以」執行一或多個任務明確地並非意欲為該單元/電路/組件援引35 U.S.C. § 112，第六節。此外，「經組態以」可包括通用結構(generic structure)（例如，通用電路系統），其係藉由軟體及/或韌體（例如，FPGA或執行軟體的一般用途處理器）操縱，以能夠執行待解決之（一或多個）任務的方式進行操作。「經組態以」亦可包括調適一製造程序（例如，一半導體製造設備）以製造經調適以實施或執行一或多個任務的裝置（例如，積體電路）。

「第一(First)」、「第二(Second)」等。如本文所用，這些用語係用作名詞的前導標示，且不意味著任何類型的排序（例如，空間、時間、邏輯等）。例如，可在本文中將一緩衝器電路敘述為針對「第一」及「第二」值執行寫入操作。「第一」及「第二」的用語不必然意味著必須在該第二值之前寫入該第一值。

「基於(Based On)」。如本文所用，此用語係用於敘述影響一判定的一或多個因素。此用語不排除可能影響一判定的額外因素。也就是說，一判定可僅基於彼等因素或至少部分基於彼等因素。考慮片語「基於B判定A」。雖然在此情況下，B係一影響A之判定的因素，此一類片語不排除亦基於C來判定A。在其他例子中，A可僅基於B而判定。

一折疊光學系統之實施例經描述包括一起形成該光學系統之具有折射焦度的兩個稜鏡。該等稜鏡之至少一者的至少一表面係「自由形式(freeform)」表面，且因此該（等）稜鏡可稱為自由形式稜鏡。一自由形式稜鏡可係廣泛定義為具有提供折射焦度及非對稱（非旋轉對稱）之至少一表面（亦即，係「自由形式」表面）的一稜鏡。

如本文中所述之折疊光學系統的實施例可實施在小封裝大小中，同時仍擷取銳利、高解析度影像，使包括該光學系統之攝影機的實施例適於用在小型及/或行動式多用途裝置中（諸如，行動電話、智慧型手機、平板電腦或平板運算裝置、膝上型電腦、輕省筆電、筆記型電腦、次筆記型電腦、及超輕薄筆記型電腦(ultrabook computer)等）。圖8繪示一實例裝置，其可包括使用如本文中所述之折疊光學系統之實施例之一或多個小形狀因數攝影機。然而要注意的是，攝影機的態樣（例如，光學系統及光感測器）可按比例放大或縮小以提供具有較大或較小封裝大小的攝影機。此外，攝影機的實施例可實施為單獨的數位攝影機。除了靜物（單幀擷取）攝影機應用以外，攝影機的實施例可經調適以用於視訊攝影機應用中。

根據一些實施例，圖1繪示習知折疊攝影機100，其包括經定位於兩個稜鏡之間的一透鏡堆疊。當相較於習知的筆直攝影機透鏡時，稜鏡141及142針對攝影機100提供「折疊(folded)」光學軸，以例如降低攝影機100的Z高度。包括一或多個折射透鏡元件的透鏡堆疊114位於稜鏡141與142之間。第一稜鏡141將來自物場的光自第一軸重導向至第二軸上的透鏡堆疊114。透鏡堆疊114中的該（等）透鏡元件將光折射至第二稜鏡142，該第二稜鏡將光重導向至攝影機100之光感測器120設置於其上的第三軸上。經重導向之光在光感測器120的表面處或附近之像平面121處形成一影像。

根據一些實施例，圖2繪示攝影機200，該攝影機包括由具有折射焦度之兩個自由形式稜鏡241及242組成的折疊光學系統。稜鏡241及242針對攝影機200提供「折疊」光學軸，例如以降低該攝影機的Z高度。例如，具有如在圖1中所繪示之習知折疊透鏡系統的攝影機100可具有> 6 mm的Z軸高度（例如6.4 mm），而如在圖2中所繪示之具有折疊光學系統的攝影機200可具有> 6 mm的Z軸高度（例如5.4 mm），同時提供相似於圖1之攝影機100的性能。此外，在攝影機200的折疊光學系統中的自由形式稜鏡241及242可消除在如圖1之攝影機100中所示之稜鏡之間的透鏡堆疊的需求，當相較於圖1之攝影機100時，其可減少攝影機200之長軸的長度。此外，當相較於圖1的折疊透鏡系統（兩個稜鏡及透鏡堆疊中的至少一個折射透鏡元件）時，圖2的折疊光學系統需要較少的光學元件（兩個自由形式稜鏡）。當相較於圖1的透鏡系統時，具有較少光學元件可例如在製造期間簡化光學系統的封裝及對準。

在圖2的折疊光學系統中，第一自由形式稜鏡241 (P1)透過孔徑光闌230從物場接收光，且將光從第一軸折射並重導向至第二軸。稜鏡241包括影響光行進通過稜鏡241的三個表面。第一表面(P1S1)透過孔徑光闌230折射從物場接收的光；第二表面(P1S2)將該光反射或重導向至第三表面(P1S3)；該光係藉由第三表面折射至第二稜鏡242。

第二自由形式稜鏡242 (P2)在第二軸上接收該光，且將該光折射及重導向至第三軸上，該攝影機之光感測器220係設置在第三軸上。經折射及重導向之光在光感測器220的表面處或附近之像平面221處形成一影像。稜鏡242包括影響光行進通過稜鏡242的三個表面。第一表面(P2S1)折射從第一稜鏡241接收的光；第二表面(P2S2)將該光反射或重導向至第三表面(P2S3)；該光係藉由第三表面折射以在光感測器220之表面處或附近之像平面221處形成一影像。在一些實施例中，紅外線(IR)濾光器250可位於第二稜鏡242與光感測器220之間。

針對折疊光學系統中之各稜鏡，一給定表面可係平坦/平的，而不具有折射焦度；對稱凹形、凸形、或非球面，具有折射焦度；或自由形式（非對稱凹形、凸形、或非球面，具有折射焦度）。如上文提及者，在一些實施例中，該等稜鏡之至少一者的至少一表面係一自由形式表面。在一些實施例中，該光學系統中之該等稜鏡的該六個表面之至少兩者係自由形式表面。在一些實施例中，在兩個稜鏡中之該第一表面及該第三表面係自由形式表面，而兩個稜鏡中之該第二表面係平坦/平的。然而，在一些實施例中，該等第二表面之一或兩者可係具有折射焦度的自由形式表面、或具有折射焦度之對稱表面。

在圖2中所繪示之實例實施例中，P1S1係具有正折射焦度的自由形式凸形表面，P1S2係平坦/平表面，P1S3係具有正折射焦度之自由形式凸形表面，P2S1係具有負折射焦度的自由形式凹形表面，P2S2係平坦/平表面，且P2S3係具有負折射焦度的自由形式凹形表面。在一些實施例中，P1S2及P2S2可塗佈有反射材料以將光重導向。然而，在一些實施例中，P1S2及P2S2中之至少一者可經由全內反射(total internal reflection, TIR)反射光。此外，在一些實施例中，P1S2及P2S2之一或兩者可係具有折射焦度之自由形式表面、或具有折射焦度之對稱表面。

稜鏡241及242的該等材料及表面可經選擇以擷取高解析度、高品質影像。稜鏡241及242的參數及關係（包括但不限於該等材料及表面形狀）可至少部分經選擇以降低、補償、或校正光學像差、及假影、及跨該視場的效應。在一些實施例中，該光學系統中的該等稜鏡的該等材料及表面可經選擇以提供低光圈值（例如，>= 2.4）、30度或更小之全視場(FOV)、及具有高影像品質之高亮度、高解析度影像。

在一些實施例中，孔徑光闌230在該折疊光學系統中係位於該第一稜鏡241之該第一（物側）表面處。在一些實施例中，孔徑光闌230可係橢圓形；然而，在一些實施例中，圓形或其他形狀可用於該孔徑。在一些實施例中，攝影機200可包括紅外線(IR)濾光器250以降低或消除光感測器220上的環境雜訊的干擾。IR濾光器250可例如位於第二稜鏡242與光感測器220之間。

圖3A、圖3B、及圖3C係繪示根據一些實施例之在如圖2所示之該等自由形式稜鏡之表面處的x軸及y軸之定向的圖。圖3A係根據一些實施例之折疊光學系統之s截面圖。參照圖3A，在如在圖2中所繪示之光學系統中之稜鏡的自由形式表面之光學特性可針對沿著相對於稜鏡241及242之表面處之光學軸的兩個對稱軸（x及y）的表面之近軸區域界定。如在圖3A中所示，光學軸係在孔徑光闌230之中心點處行進通過表面P1S1且垂直於在表面P1S1之該點處之切平面的線。光學軸上的光線行進穿過折疊光學系統以照在光感測器220的中心處或附近，並垂直於光感測器220的表面平面。在光感測器處，x軸對應於與光學軸相交的光感測器220之水平軸，且y軸對應於與光學軸相交的光感測器220之垂直軸。y軸及光學軸係在截面平面上，且x軸垂直於截面平面。在稜鏡241及242之各表面處，x軸係在光學軸與該表面相交處的切平面上，且在光感測器220處平行於x軸並垂直於光學軸。然而，在稜鏡241及242之各表面處，y軸繞x軸旋轉以適形於切平面，且因此不必然平行於光感測器220處的y軸。圖3C以圖形繪示在稜鏡之3D模型上的x軸、y軸、及光學軸。如圖3C所示，在S1、S2、及S3處的x軸彼此平行且垂直於光學軸。然而，各表面處的y軸繞x軸旋轉以在各別表面處適形於切平面。

如上文所提及者，在如圖2中繪示之光學系統中之稜鏡的自由形式表面之該等光學特性可針對沿著兩個對稱軸（x及y）的光學軸周圍之近軸區域界定。圖3B以圖形繪示如圖3A所繪示之稜鏡表面之有效孔徑及近軸區域。在P1S1處，孔徑係由孔徑光闌220界定。在各連續表面(P1S2、P1S3、P2S1、P2S2、及P2S3)處，孔徑可藉由該表面自前表面接收的光來界定。如先前所提及者，在一些實施例中，孔徑光闌230可係橢圓形；然而，在一些實施例中，圓形或其他形狀可用於該孔徑。圖3C顯示如先前在該表面處所界定之孔徑處的x軸及y軸。該近軸區域係光學軸周圍之一區域，其自x軸及y軸上之光學軸在各方向延伸孔徑之寬度之10%或更少。

圖4係根據一些實施例之包括兩個自由形式稜鏡的實例折疊光學系統的3D截面圖。攝遠攝影機400可包括由兩個自由形式稜鏡441及442所組成之折疊光學系統。孔徑光闌可位於第一稜鏡441之第一（物側）表面處。孔徑光闌可係橢圓形或圓形。攝影機400亦包括光感測器420。在一些實施例中，紅外線濾光器可位於第二稜鏡442與光感測器之間。在一些實施例中，折疊光學系統可經組態以提供低光圈值（例如，>= 2.4）、30度或更小之全視場(FOV)、及具有高影像品質之高亮度、高解析度影像。

折疊光學系統由兩個自由形式稜鏡441 (P1)及442 (P2)組成。兩個稜鏡441及442之各者包括影響行進通過該稜鏡之光的三個表面。一第一表面(S1)從該稜鏡之一物側接收該光；一第二表面(S2)將所接收的該光透過該第一表面反射或重導向至一第三表面(S3)；接著，該光行進通過該第三表面或由該第三表面折射至該次一稜鏡或至光感測器420。該等稜鏡之各者在該成像路徑中包括非旋轉對稱之至少一個自由形式表面。

在稜鏡441處，通過孔徑光闌430之入射光由P1S1會聚、由P1S2反射、且由P1S3會聚以離開稜鏡441。在稜鏡442處，來自稜鏡441之光由P2S1發散、由P2S2反射、由P2S3發散、且離開稜鏡442以在光感測器420之表面處或附近之一像平面處形成一影像。折疊表面（表面P1S2及P2S2）可透過全內反射(TIR)或經由鏡塗層來反射光。

在一些實施例中，折疊光學系統之孔徑光闌430係在稜鏡441之物側表面(P1S1)處或附近。在一些實施例中，孔徑光闌430係在表面P1S1處或附近（0.3 mm內）以用於成像目的。

在一些實施例中，折疊光學系統沿著x軸及沿著y軸具有相同焦距。該折疊光學系統滿足下列條件： f_x = f_y = f_sys ，其中f_x 係在x軸上通過該折疊光學系統之焦距，f_y 係在y軸上通過該折疊光學系統之焦距，且f_sys 係該折疊光學系統之有效焦距。

針對稜鏡441及442之各者，沿著x軸的焦距(f_P1X 、f_P2X )係分別不同於沿著y軸之焦距(f_P1Y 、f_P2Y )，其界定稜鏡441及442兩者作為自由形式稜鏡： f_P1X ≠ f_P1Y ，f_P2X ≠ f_P2Y 。

在一些實施例中，可選的紅外線截止濾光器(infrared cutoff filter, IRCF)係定位在光感測器420的前面以移除非所要的紅外光，並因此改善信號雜訊比(signal-to-noise ratio, SNR)。

圖5係根據一些實施例之如圖4中所繪示之包括兩個自由形式稜鏡441及442的實例折疊光學系統的截面圖。在光學軸上，稜鏡441包括具有焦度的三個表面。沿著x軸的稜鏡441之折射焦度比沿著y軸的折射焦度強。稜鏡441滿足下列條件： 0.55 > f_P1y /f_sys > 0.85 0.5 > f_P1x /f_sys > 0.8 其中f_P1y 係稜鏡441沿著y軸之焦距，f_P1x 係稜鏡441沿著x軸之焦距，且f_sys 係該自由形式折疊光學系統之有效焦距。

稜鏡441具有沿著光學軸自物側至像側之三個表面：P1S1、P1S2、及P1S3。P1S1在近軸區域中係凸形，並滿足下列條件： 1.2 > f_P1S1y / f_P1y f_P1S1x / f_P1x > 2.8 其中f_P1S1y 及f_P1S1x 分別係在y軸及x軸上之表面P1S1之焦距。

P1S2經反射塗佈以反射可見光及折疊光學軸。

P1S3在近軸區域中係凸形，並滿足下列條件： 1 > f_P1S3x / f_P1x > 3 4 > f_P1S3y / f_P1y > 5 其中f_P1S3y 及f_P1S3x 分別係在y軸及x軸上之表面P1S3之焦距。

在一些實施例中，稜鏡441可由光學塑膠材料形成。在一些實施例中，稜鏡441係由具有滿足下列條件之阿貝數(Abbe number) vd1的光學材料形成： vd1 > 50。

在光學軸上，稜鏡442包括具有焦度的三個表面。沿著x軸的稜鏡442之折射焦度比沿著y軸者強。稜鏡442滿足下列條件： -1 > f_P2y /f_sys > -0.4 -1 > f_P2x /f_sys > -0.7 其中f_P2y 係稜鏡442沿著y軸之焦距，f_P2x 係稜鏡442沿著x軸之焦距，且f_sys 係該自由形式折疊光學系統之有效焦距。

稜鏡442具有沿著光學軸自物側至像側之三個表面：P2S1、P2S2、及P2S3。P2S1在近軸區域中係凹形，並滿足下列條件： 1 > f_P2S1y / f_P2y f_P2S1x / f_P2x > 3 其中f_P2S1y 及f_P2S1x 分別係在y軸及x軸上之表面P2S1之焦距。

P2S2經反射塗佈以反射可見光及折疊光學軸。

P2S3在近軸區域中係凹形，並滿足下列條件： 3 > f_P2S3x / f_P2y > 7 1 > f_P2S3y / f_P2y > 3 其中f_P2S3y 及f_P2S3x 分別係在y軸及x軸上之表面P2S3之焦距。

在一些實施例中，稜鏡442可由光學塑膠材料形成。在一些實施例中，稜鏡442係由具有滿足下列條件之阿貝數vd2的光學材料形成： vd2 > 30

圖6係根據一些實施例之包括兩個自由形式稜鏡及顯示該等自由形式稜鏡之表面之間角度的實例折疊光學系統之截面圖。介於P1S1的切線與P1S3的切線之間的角度係α1。在一些實施例中，α1滿足下列條件： 70度 > α1 > 110度

介於P2S1的切線與P2S3的切線之間的角度係α2。在一些實施例中，α2滿足下列條件： 70度 > α2 > 110度實例流程圖

圖7係根據一些實施例之用於使用如圖2至圖6所繪示之攝影機之實施例來擷取影像之方法的流程圖。如在1900處所指示者，透過在第一軸上之第一自由形式稜鏡之第一表面處的孔徑光闌而接收來自攝影機前方之物場的光。如在1910處所指示者，該光係由第一自由形式稜鏡折射及重導向至第二軸。如在1920處所指示者，在第二自由形式稜鏡之第一表面處接收該光。如在1930處所指示者，該光係由第二自由形式稜鏡折射及重導向至第三軸。如在1940處所指示者，該光在第三軸上之光感測器或感測器模組之表面處或附近之像平面處形成一影像。如在1950處所指示者，影像係由光感測器擷取。

雖然未圖示於圖7中，在一些實施例中，光可行進通過可例如位於第二自由形式稜鏡與光感測器之間的紅外線濾光器。

在一些實施例中，圖7中所提及的折疊光學系統的組件可經組態如繪示於圖2、圖3、圖4、圖5、或圖6之任一者。然而要注意的是，在達到類似的光學結果的同時，圖式中給定之實例上的變化係可行的。實例運算裝置

圖8繪示一實例運算裝置（稱為電腦系統2000），其可包括或裝載具有如圖2至圖7所繪示之折疊光學系統的一攝影機的實施例。此外，電腦系統2000可實施用於控制攝影機操作及/或用於執行對以攝影機所擷取的影像之影像處理的方法。在不同實施例中，電腦系統2000可為各種類型之裝置的任一者，包括但不限於個人電腦系統、桌上型電腦、膝上型電腦、筆記型電腦、平板或平板電腦裝置、平板、或輕省筆電、大型電腦系統、手持式電腦、工作站、網路電腦、攝影機、機上盒、行動裝置、無線電話、智慧型手機、消費型裝置、視訊遊戲控制台(video game console)、手持式視訊遊戲裝置、應用伺服器、儲存裝置、電視、錄影裝置、周邊裝置（例如，交換器、數據機、路由器）、或大體上任何類型的運算或電子裝置。

在所繪示的實施例中，電腦系統2000包括一或多個處理器2010，其（等）係經由一輸入/輸出(I/O)介面2030耦合至一系統記憶體2020。電腦系統2000進一步包括一網路介面2040，其係耦合至I/O介面2030；及一或多個輸入/輸出裝置2050（例如，游標控制裝置2060、鍵盤2070、及（一或多個）顯示器2080）。電腦系統2000亦可包括：一或多個攝影機2090（例如，如上文針對圖2至圖7所述的一或多個攝影機），其亦可耦合至I/O介面2030；或者如上文針對圖2至圖7所述的一或多個攝影機連同一或多個其他攝影機（例如，習知的廣視野攝影機）。

在各種實施例中，電腦系統2000可為一單處理器系統，其包括一個處理器2010；或一多處理器系統，其包括若干處理器2010（例如，二、四、八、或另一合適的數目）。處理器2010可為能夠執行指令之任何合適的處理器。例如，在各種實施例中，處理器2010可為一般用途或嵌入式處理器，其等實施各種指令集架構(ISA)的任一者（例如，x86、PowerPC、SPARC、或MIPS ISA、或者任何其他合適的ISA）。在多處理器系統中，處理器2010之各者可共同（但非必要）實施相同的ISA。

系統記憶體2020可經組態以儲存可由處理器2010存取之程式指令2022及/或資料2032。在各種實施例中，系統記憶體2020可使用任何合適的記憶體技術來實施（例如，靜態隨機存取記憶體(SRAM)、同步動態隨機存取記憶體(SDRAM)、非揮發性/快閃型記憶體、或任何其他類型的記憶體）。在所繪示的實施例中，程式指令2022可經組態以實施用於控制攝影機2090之操作以及用於以整合式攝影機2090擷取與處理影像的各種介面、方法、及/或資料或者其他方法或資料（例如，用於擷取、顯示、處理、及儲存以攝影機2090擷取之影像的介面及方法）。在一些實施例中，程式指令及/或資料可經接收、傳送、或儲存在不同類型的電腦可存取媒體上或在與系統記憶體2020或電腦系統2000分開之類似的媒體上。

在一實施例中，I/O介面2030可經組態以協調處理器2010、系統記憶體2020、與裝置中的任何周邊裝置（包括網路介面2040或例如輸入/輸出裝置2050之其他周邊介面）之間的I/O流量。在一些實施例中，I/O介面2030可執行任何必要的協定、時序、或其他資料轉換，以將來自一組件（例如，系統記憶體2020）的資料信號變換為一適於由另一組件（例如，處理器2010）使用的格式。在一些實施例中，I/O介面2030可例如包括對通過各種類型的周邊匯流排（例如，周邊組件互連(PCI)匯流排標準或通用串列匯流排(USB)標準之一變體）附接之裝置的支援。例如，在一些實施例中，I/O介面2030的功能可拆成兩個或更多個分開的組件（例如，一北橋或一南橋）。同樣地，在一些實施例中，I/O介面2030的一些或全部功能（例如，至系統記憶體2020之一介面）可直接併入處理器2010中。

網路介面2040可經組態以允許在電腦系統2000與附接至一網路2085之其他裝置（例如，承載或代理裝置）之間或在電腦系統2000的節點之間交換資料。在各種實施例中，網路2085可包括一或多個網路，其包括但不限於區域網路(LAN)（例如，乙太網路或企業網路）、廣域網路(WAN)（例如，網際網路）、無線資料網路、一些其他的電子資料網路、或其某一組合。在各種實施例中，網路介面2040可例如經由以下者支援通信：經由有線或無線一般資料網路（例如，任何合適類型的乙太網路）；經由電信/電話網路（例如，類比語音網路或數位光纖通信網路）；經由儲存區域網路（例如，光纖通道儲存區域網路(SAN)）；或經由任何其他合適類型的網路及/或協定。

在一些實施例中，輸入/輸出裝置2050可包括一或多個顯示終端機、鍵盤、小鍵盤、觸控板、掃描裝置、語音或光學識別裝置、或任何其他適於由電腦系統2000輸入或存取資料的裝置。多個輸入/輸出裝置2050可存在於電腦系統2000中，或者可分佈在電腦系統2000的各節點上。在一些實施例中，類似的輸入/輸出裝置可與電腦系統2000分開，並可通過一有線或無線連接（例如，在網路介面2040上）與電腦系統2000的一或多個節點交互作用。

如圖8所示，記憶體2020可包括程式指令2022，其可係處理器可執行的以實施任何元件或動作來支援整合式攝影機2090，該等指令包括但不限於用於控制攝影機2090的影像處理軟體與介面軟體。在一些實施例中，由攝影機2090擷取的影像可儲存至記憶體2020。此外，用於由攝影機2090擷取之影像的後設資料可儲存至記憶體2020。

所屬技術領域中具有通常知識者將理解電腦系統2000僅係說明之用，且並未意欲限制實施例的範疇。具體而言，電腦系統及裝置可包括可執行所指示的功能之硬體或軟體的任一組合，包括電腦、網路裝置、網際網路器具(Internet appliance)、PDA、無線電話、傳呼器、視訊或靜物攝影機等。電腦系統2000亦可連接至其他未說明的裝置，或者替代地可操作為一單獨系統。此外，由所繪示的組件提供的功能在一些實施例中可結合在較少組件中或分佈在額外組件內。類似地，在一些實施例中，可不提供所繪示的組件中之一些者的功能及/或其他額外功能可為可供使用的。

所屬技術領域中具有通常知識者亦將理解，雖然各種項目係說明為在使用時經儲存在記憶體中或在儲存器上，此等項目或此等項目之部分可在記憶體與其他儲存裝置之間移轉以用於記憶體管理與資料完整性的目的。或者，在其他實施例中，軟體組件之一些或全部可在另一裝置上的記憶體中執行，並經由電腦間通信與所繪示的電腦系統2000通信。亦可將系統組件或資料結構的一些或全部（例如，作為指令或結構化資料）儲存在待由一適當驅動器讀取之一可攜式物件或一電腦可存取媒體上（其等之各種實例係描述於上文）。在一些實施例中，儲存在與電腦系統2000分開之一電腦可存取媒體上的指令可經由傳輸媒體或經由通信媒體（例如，一網路及/或一無線鏈路）輸送之信號（例如，電信號、電磁信號、或數位信號）傳輸至電腦系統2000。各種實施例可進一步包括接收、發送或儲存根據以上描述實施在電腦一可存取媒體上的指令及/或資料。大致上而言，一電腦可存取媒體可包括一非暫時性、電腦可讀取儲存媒體或記憶體媒體，例如磁性或光學媒體（諸如，磁碟或DVD/CD-ROM、揮發性或非揮發性媒體（諸如，RAM（例如SDRAM、DDR、RDRAM、SRAM等）、ROM等））。在一些實施例中，一電腦可存取媒體可包括傳輸媒體或經由一通信媒體（例如，網路及/或一無線鏈）輸送之信號（例如電信號、電磁信號、或數位信號）。

在不同實施例中，本文所述之方法可以軟體、硬體、或其一組合實施。此外，可改變方法方塊的順序，且各種元件可增加、重排序、結合、省略、修改等。對受益於本揭露之所屬技術領域中具有通常知識者而言將顯而易見的是，可作出各種修改及改變。本文所述之各種實施例係意欲作為說明而非限制之用。許多變化、修改、增加、及改善係可行的。因此，可針對本文中被描述為單一例子之組件提供複數例子。各種組件、操作、與資料儲存之間的界線係稍微為任意的，且特定操作係在特定說明性組態的上下文說明。其他的功能配置係經預想並可落在下列之申請專利範圍的範疇內。最後，可將在實例組態中作為離散組件呈現的結構與功能實施為一經結合的結構或組件。這些及其他變化、修改、增加、及改善可落在如下列申請專利範圍中所界定之實施例的範疇內。

100:攝影機 114:透鏡堆疊 120:光感測器 121:像平面 141:稜鏡 142:稜鏡 200:攝影機 220:光感測器/孔徑光闌 221:像平面 230:孔徑光闌 241:稜鏡 242:稜鏡 250:紅外線(IR)濾光器 400:攝影機 420:光感測器 430:孔徑光闌 441:稜鏡 442:稜鏡 1900:步驟 1910:步驟 1920:步驟 1930:步驟 1940:步驟 1950:步驟 2000:電腦系統 2010:處理器 2020:記憶體 2022:程式指令 2030:輸入/輸出(I/O)介面 2032:資料 2040:網路介面 2050:輸入/輸出裝置 2060:游標控制裝置 2070:鍵盤 2080:顯示器 2085:網路 2090:攝影機 P1S1:表面 P1S2:表面 P1S3:表面 P2S1:表面 P2S2:表面 P2S3:表面 S1:表面 S2:表面 S3:表面 x:軸 y:軸 α1:角度 α2:角度

［圖1］繪示習知折疊透鏡系統，其包括經定位於兩個稜鏡之間的一透鏡堆疊。［圖2］繪示根據一些實施例之由兩個自由形式稜鏡所組成的折疊光學系統。［圖3A］、［圖3B］、及［圖3C］係繪示根據一些實施例之在如圖2所示之該等自由形式稜鏡之表面處的x軸及y軸之定向的圖。［圖4］係根據一些實施例之包括兩個自由形式稜鏡的折疊光學系統的3D截面圖。［圖5］係根據一些實施例之包括兩個自由形式稜鏡的折疊光學系統之截面圖。［圖6］係根據一些實施例之包括兩個自由形式稜鏡及顯示該等自由形式稜鏡之表面之間角度的折疊光學系統之截面圖。［圖7］係根據一些實施例之用於使用如圖2至圖6所繪示之折疊光學系統之實施例來擷取影像之方法的流程圖。［圖8］繪示可在實施例中使用之實例電腦系統。

200:攝影機

220:光感測器/孔徑光闌

221:像平面

230:孔徑光闌

241:稜鏡

242:稜鏡

250:紅外線(IR)濾光器

P1S1:表面

P1S2:表面

P1S3:表面

P2S1:表面

P2S2:表面

P2S3:表面

Claims

一種折疊光學系統，其包含：一第一稜鏡；及一第二稜鏡；其中該第一稜鏡將來自一物場之光重導向至該第二稜鏡；其中該第二稜鏡將該光重導向以在一像平面處形成該物場之一影像；且其中該等稜鏡之至少一者之至少一表面係旋轉非對稱的。
如請求項1之折疊光學系統，其進一步包含位於該第一稜鏡之一第一表面處的一孔徑光闌。
如請求項1之折疊光學系統，其中該折疊光學系統之光圈值係>=2.4，且其中該折疊光學系統之全視場(FOV)係>=30度。
如請求項1之折疊光學系統，其中各稜鏡在該折疊光學系統之一光學軸上具有一第一表面S1、一第二表面S2、及一第三表面S3，其中該等表面的光學特性係沿著相對於在該等表面處之該光學軸的兩個對稱軸x及y界定，其中在該等表面處的該x軸彼此平行且垂直於該光學軸，且其中在各表面處之該y軸係繞該x軸旋轉以適形於該表面。
如請求項4之折疊光學系統，其中該折疊光學系統滿足下列條件： f_x = f_y = f_sys ，其中f_x 係在該x軸上通過該折疊光學系統之焦距，f_y 係在該y軸上通過該折疊光學系統之焦距，且f_sys 係該折疊光學系統之有效焦距。
如請求項4之折疊光學系統，其中針對各稜鏡，沿著在該稜鏡處之該x軸的焦距不同於沿著在該稜鏡處之該y軸的焦距。
如請求項4之折疊光學系統，其中該第一稜鏡沿著該x軸之折射焦度比該第一稜鏡沿著該y軸之折射焦度強。
如請求項7之折疊光學系統，其中該第一稜鏡滿足下列條件： 0.55 > f_P1y /f_sys > 0.85， 0.5 > f_P1x /f_sys > 0.8，其中f_P1y 係該第一稜鏡沿著該y軸之該焦距，f_P1x 係該第一稜鏡沿著該x軸之該焦距，且f_sys 係該折疊光學系統之有效焦距。
如請求項4之折疊光學系統，其中該第一稜鏡之表面S1在一近軸區域中係凸形且滿足下列條件： 1.2 > f_P1S1y / f_P1y ， f_P1S1x / f_P1x > 2.8，其中f_P1S1y 及f_P1S1x 分別係該第一稜鏡在該y軸及該x軸上之表面S1之焦距。
如請求項4之折疊光學系統，其中該第一稜鏡之表面S3在一近軸區域中係凸形且滿足下列條件： 1 > f_P1S3x / f_P1x > 3， 4 > f_P1S3y / f_P1y > 5，其中f_P1S3y 及f_P1S3x 分別係該第一稜鏡在該y軸及該x軸上之表面S3之焦距。
如請求項4之折疊光學系統，其中該第二稜鏡沿著該x軸之折射焦度比該第二稜鏡沿著該y軸之折射焦度強。
如請求項11之折疊光學系統，其中該第二稜鏡滿足下列條件： -1 > f_P2y /f_sys > -0.4， -1 > f_P2x /f_sys > -0.7，其中f_P2y 係該第二稜鏡沿著該y軸之該焦距，f_P2x 係該第二稜鏡沿著該x軸之該焦距，且f_sys 係該折疊光學系統之該有效焦距。
如請求項4之折疊光學系統，其中該第二稜鏡之表面S1在該近軸區域中係凹形且滿足下列條件： 1 > f_P2S1y / f_P2y ， f_P2S1x / f_P2x > 3，其中f_P2S1y 及f_P2S1x 分別係該第二稜鏡在該y軸及該x軸上之表面S1之焦距。
如請求項4之折疊光學系統，其中該第二稜鏡之表面S3在一近軸區域中係凹形且滿足下列條件： 3 > f_P2S3x / f_P2y > 7， 1 > f_P2S3y / f_P2y > 3，其中f_P2S3y 及f_P2S3x 分別係該第二稜鏡在該y軸及該x軸上之表面S3之焦距。
如請求項4之折疊光學系統，其中該第一稜鏡之表面S2將光自一第一軸反射至一第二軸；其中該第二稜鏡之表面S2將光自該第二軸反射至一第三軸；且其中該等表面S2之至少一者係旋轉非對稱的。
如請求項4之折疊光學系統，其中該第一稜鏡滿足下列條件： 70度 > α1 > 110度，其中α1係該第一稜鏡之表面S1之一切線與該第一稜鏡之表面S3之一切線之間的角度。
如請求項4之折疊光學系統，其中該第二稜鏡滿足下列條件： 70度 > α2 > 110度，其中α2係該第二稜鏡之表面S1之一切線與該第二稜鏡之表面S3之一切線之間的角度。
如請求項1之折疊光學系統，其中該第一稜鏡係由具有滿足條件vd1 > 50之一阿貝數vd1的一光學材料形成，且其中該第二稜鏡係由滿足條件vd2 > 30之一阿貝數vd2的一光學材料形成。
一種攝影機，其包含：一光感測器，其經組態以擷取投射至該光感測器之一表面上的光；及一折疊光學系統，其包含：一第一稜鏡；及一第二稜鏡；其中該第一稜鏡將來自一物場之光重導向至該第二稜鏡；其中該第二稜鏡將該光重導向以在該光感測器之該表面處之一像平面處形成該物場之一影像；且其中該等稜鏡之至少一者之至少一表面係旋轉非對稱的。
一種裝置，其包含：至少一處理器；至少一攝影機；及一記憶體，其包含可由該至少一處理器執行以控制該至少一攝影機之操作的程式指令；其中該至少一攝影機包括一攝影機，該攝影機包含：一光感測器，其經組態以擷取投射至該光感測器之一表面上的光；及一折疊光學系統，其包含：一第一稜鏡；及一第二稜鏡；其中該第一稜鏡將來自一物場之光重導向至該第二稜鏡；其中該第二稜鏡將該光重導向以在該光感測器之該表面處之一像平面處形成該物場之一影像；且其中該等稜鏡之至少一者之至少一表面係旋轉非對稱的。