TWI570431B - 折疊式相機透鏡系統 - Google Patents

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Description

折疊式相機透鏡系統 優先權資訊
本申請案主張2014年3月7日申請之標題為「FOLDED LENS SYSTEMS」之美國臨時申請案第61/949,898號之優先權權益，該申請案之內容以全文引用的方式併入本文中。
本發明大體上係關於相機系統，且更具體言之，係關於用於小外觀尺寸相機之透鏡系統。
諸如智慧型電話及平板裝置或墊式裝置之小行動多用途裝置之出現已導致需要高解析度的小外觀尺寸相機以便整合於該等裝置中。然而，歸因於習知相機技術之限制，相比使用較大的較高品質相機可達成的解析度及影像品質，用於此類裝置中之習知小相機傾向於擷取較低解析度及/或較低影像品質的影像。利用小封裝大小之相機達成較高解析度大體上需要使用具有小像素大小的光感測器及良好的精巧型成像透鏡系統。技術進步已達成光感測器中之像素大小的減小。然而，隨著光感測器變得更加精巧及強大，增加了對具有改良之成像品質效能之精巧型成像透鏡系統之需求。
本發明之實施例可提供呈小封裝大小之高解析度相機。描述一種包括光感測器及精巧型摺疊式透鏡系統之相機。在實施例中，摺疊相 機透鏡系統之光學路徑可促進達成相機透鏡總成之小外觀尺寸，且亦可促進使用相對較小數目之透鏡元件以小外觀尺寸達成高解析度光學透鏡系統。包括摺疊式透鏡系統之相機之實施例可以小封裝大小實施，同時仍擷取清晰的高解析度影像，使得相機之實施例適合用於小的及/或行動多用途裝置(諸如，行動電話、智慧型電話、墊式或平板計算裝置、膝上型電腦、迷你筆記型電腦、筆記型電腦、小筆記型電腦(subnotebook)及輕量級筆記型(ultrabook)電腦)中。在一些實施例中，如本文所描述之相機可連同一或多個其他相機(例如，攝遠及/或寬視場小格式相機)包括於裝置中，此情況將例如允許使用者在使用該裝置擷取影像時在不同的相機格式(普通、攝遠或寬視場)之間進行選擇。
描述可減小透鏡系統之封裝體積的寬度以潛在應用至1/3吋(6.12mm對角)的感測器相機之摺疊式透鏡系統之實施例。摺疊式透鏡系統之實例實施例可具有14mm之EFL(有效焦距)、F/2.8及26度對角視場(DFOV)(6.46mm像圈直徑、3.232mm像圈半徑)。在至少一些實施例中，像平面或感測器可移動以將物景自無窮遠處聚焦至<1000mm之物距。至少一些實施例可使用稜鏡作為光路摺疊機構以用於摺疊光學光路。在一些實施例中，透鏡-稜鏡組合(例如，模製成複合單元元件之一或多個透鏡及一稜鏡)可用作用於摺疊光學光路之光路摺疊機構。
描述包括具有折射能力之五個透鏡元件之摺疊式透鏡系統之實施例。然而，在一些實施例中可使用更多或更少透鏡元件。在各種實施例中，平面鏡或稜鏡元件可用於摺疊光學光路。在至少一些實施例中，透鏡元件中之至少一者之物側表面及像側表面中之至少一者為非球面。
在至少一些實施例中，摺疊式透鏡系統包括摺疊光軸(在本文中被稱作AX)、光學元件之第一群組(在本文中被稱作GR1)、光路摺疊元件(例如，稜鏡或平面鏡)、光學元件之第二群組(在本文中被稱作GR2)及 像平面處之光感測器。至少一些實施例亦可包括紅外濾波器及/或窗元件。摺疊式透鏡系統之至少一些實施例可包括用於將無窮遠(自相機之物距20公尺)處之物景聚焦至近物距(<1公尺)的變焦能力。舉例而言，在各種實施例中，第一群組(GR1)、第二群組GR2及/或像平面處之光感測器可經變焦、移動或平移，以用於將物景自遠距離(20公尺)聚焦至近距離(<1公尺)。
在至少一些實施例中，透鏡系統可為固定摺疊式透鏡系統，其經組態以使得透鏡系統之有效焦距f之絕對值為或大約為14毫米(mm)(例如，在8mm至約14mm之範圍內)，F值(焦比)在約2.4至約10之範圍內，視場(FOV)為或大約為26度，且展開式透鏡系統之總軌道長度(total track length；TTL)在約8mm至約16mm之範圍內。然而，應注意，在一些實施例中可獲得高於或低於本文中給定之範圍的值。透鏡系統之總軌道長度(TTL)為光軸(AX)上介於第一(物側)光學元件之物側表面處之前頂點與像平面之間的距離。在摺疊式透鏡系統之實施例中，透鏡系統之展開式總軌道長度(TTL)可定義為摺疊光軸(AX)上介於第一(物側)光學元件之物側表面處之前頂點與像平面之間的距離。換言之，摺疊式透鏡系統之TTL為摺疊軸(AX)上介於第一(物側)透鏡元件之物側表面處之前頂點與光路摺疊元件(鏡子或稜鏡)之反射表面之間的距離之絕對值與介於該反射表面與像平面之間的距離之絕對值的和。在此可使用該等距離之絕對值之和，係因為藉由光學設計定則，光學參數(諸如曲率半徑、距離、焦距等)之代數符號改變跟隨反射表面的符號。
在本文所描述之至少一些實施例中，摺疊式透鏡系統可經組態，使得攝遠比率|TTL/f|大於一：|TTL/f|>1.0
其中f為有效焦距之絕對值。為分類為攝遠透鏡系統，|TTL/f|(攝 遠比率)應小於或等於1。因此，本文所描述之摺疊式透鏡系統之實施例可大體上提供非攝遠透鏡系統。然而，應注意，在一些實施例中，摺疊式透鏡系統可經組態或可為可調整的，使得攝遠比率小於或等於一：|TTL/f|1.0，且因此實施例可包含摺疊式攝遠透鏡系統及/或可在攝遠範圍與非攝遠範圍之間調整的摺疊式透鏡系統。舉例而言，在一些實施例中，摺疊式透鏡系統可為可調整的，以提供在0.8至1.2之範圍內的攝遠比率。
在至少一些實施例中，摺疊式透鏡系統可經組態以使得透鏡系統之有效焦距f為14mm，且F值為2.8。然而，應注意，焦距(及/或其他參數)可經縮放或調整以符合對其他相機系統應用(例如，較大封裝大小相機)之光學、成像及/或封裝約束之規格。另外，在一些實施例中，摺疊式透鏡系統可為可調整的。舉例而言，在一些實施例中，摺疊式透鏡系統可包括可調整光圈或孔徑光闌。使用可調整孔徑光闌，F值(焦比或F/#)可動態變化，例如在2.8至10或更高之範圍內變化。此外，在一些實施例中，摺疊式透鏡系統亦可包括用於將物景自無窮遠(亦即，20公尺)處之遠距離動態聚焦至近物距(亦即，<1公尺)的變焦機構。
在各種實施例中，折射透鏡元件可由塑膠材料組成。在至少一些實施例中，折射透鏡元件可由射出模製之光學塑膠材料組成。在各種實施例中，摺疊鏡及稜鏡元件可由玻璃或塑膠材料組成。在具有窗元件及/或紅外濾波器(IR)元件之實施例中，此等元件可由玻璃或塑膠材料組成。然而，可使用其他合適的透明光學材料。亦應注意，在給定實施例中，透鏡元件中之不同者可由具有不同光學特性(例如，不同阿貝數及/或不同折射率)之材料組成。亦應注意，雖然在各種實施例中透鏡元件大體上經說明為圓形透鏡，但在一些實施例中，該等透鏡中 之一或多者可具有其他形狀，例如，橢圓形、矩形、正方形或具有圓角之矩形。
在摺疊式透鏡系統之至少一些實施例中，可選擇透鏡元件材料且可計算透鏡元件之折射能力分佈以滿足透鏡系統有效焦距要求及校正色像差及場曲率或珀茲伐和(Petzval sum)。可藉由調整透鏡元件之曲率半徑及非球面係數或幾何形狀以及軸向間距來減少光學像差之單色及色度變化，以產生經良好校正及平衡之最小殘餘像差，以及減小總軌道長度(TTL)及在小外觀尺寸透鏡系統相機中達成影像品質光學效能及高解析度。
本說明書包括對「一個實施例」或「一實施例」之參考。片語「在一個實施例中」或「在一實施例中」之出現未必指同一實施例。可以與本發明一致之任何合適方式來組合特定特徵、結構或特性。
術語「包含」為開放式的。如所附申請專利範圍中所使用，此術語並不排除額外結構或步驟。考慮敍述「一種設備，其包含一或多個處理器單元…」之請求項。此請求項並不排除設備包括額外組件(例如，網路介面單元、圖形電路等)。
「經組態以」，各種單元、電路或其他組件可經描述或主張為「經組態」以執行一或多個任務。在此類上下文中，「經組態以」用於藉由指示單元/電路/組件包括在操作期間執行一或多個彼等任務之結構(例如電路)來意謂結構。因此，可據稱單元/電路/組件經組態以即使在指定單元/電路/組件當前不可操作(例如，未接通)時執行任務。與語言「經組態以」一起使用之單元/電路/組件包括硬體--例如，電路、儲存可執行以實施操作之程式指令之記憶體等。敍述單元/電路/組件「經組態以」執行一或多個任務並非明確意欲援引針對彼單元/電路/組件之35 U.S.C.§ 112的第六段。另外，「經組態以」可包括通用結構(例如，通用電路)，其由軟體及/或韌體(例如，FPGA或執行軟體之通用處理器)操縱以用能夠執行討論中之該(該等)任務的方式進行操作。「經組態以」亦可包括調適製造製程(例如，半導體製造設施)以製造經調適以實施或執行一或多個任務之裝置(例如，積體電路)。
如本文所使用，術語「第一」、「第二」等用作其先於之名詞之標記且並不暗示任何類型之定序(例如，空間、時間、邏輯等)。舉例而言，緩衝器電路在本文中可經描述為執行對於「第一」及「第二」值之寫入操作。術語「第一」及「第二」不一定暗示第一值必須在第二值之前寫入。
如本文所使用，術語「基於」用於描述影響判定之一或多個因素。此術語並不排除可影響判定之額外因素。亦即，判定可僅基於彼等因素或至少部分地基於彼等因素。考慮片語「基於B判定A」。雖然此情況下，B為影響A之判定的因素，但此片語並不排除亦基於C判定A。在其他情況下，可僅僅基於B判定A。
100‧‧‧相機
100A‧‧‧影像格式精巧型相機
101‧‧‧透鏡元件
102‧‧‧透鏡元件
103‧‧‧透鏡元件
104‧‧‧透鏡元件
105‧‧‧透鏡元件
110‧‧‧透鏡系統
110A‧‧‧透鏡系統
120‧‧‧光感測器
140‧‧‧光路摺疊稜鏡
150‧‧‧窗
200‧‧‧相機
200A‧‧‧影像格式精巧型相機
201‧‧‧透鏡元件
202‧‧‧透鏡元件
203‧‧‧透鏡元件
204‧‧‧透鏡元件
205‧‧‧透鏡元件
210‧‧‧透鏡系統
210A‧‧‧透鏡系統
220‧‧‧光感測器
240‧‧‧光路摺疊稜鏡
250‧‧‧窗
300‧‧‧相機
300A‧‧‧影像格式精巧型相機
300B‧‧‧精巧型相機
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301B‧‧‧透鏡
302‧‧‧透鏡元件
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305‧‧‧透鏡元件
310‧‧‧透鏡系統
310A‧‧‧透鏡系統
310B‧‧‧透鏡系統
320‧‧‧光感測器
340‧‧‧光路摺疊稜鏡
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350‧‧‧窗
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400B‧‧‧精巧型相機
401‧‧‧透鏡元件
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440B‧‧‧稜鏡
450‧‧‧窗
500‧‧‧相機
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505‧‧‧透鏡元件
510‧‧‧透鏡系統
520‧‧‧光感測器
540‧‧‧光路摺疊稜鏡
550‧‧‧窗
710‧‧‧透鏡系統
1100‧‧‧區塊
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1106‧‧‧區塊
1108‧‧‧區塊
2000‧‧‧電腦系統
2010‧‧‧處理器
2010a‧‧‧處理器
2010b‧‧‧處理器
2010n‧‧‧處理器
2020‧‧‧系統記憶體
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‧‧‧相機
AA‧‧‧可調整孔徑
AS‧‧‧孔徑光闌
AX‧‧‧光軸
AX1‧‧‧第一光軸
AX2‧‧‧第二光軸
S1-S19‧‧‧表面
圖1A及圖1B為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之實例實施例之橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊或改變光學路徑之方向的光路摺疊元件。
圖2A及圖2B為如圖1A及圖1B中所說明之摺疊式透鏡系統在範圍為470nm至650nm之可見頻帶內的球面像差、散光及失真的多色曲線的曲線圖。
圖3A及圖3B說明如圖1A及圖1B中所說明之摺疊式透鏡系統在半視場內及範圍為470nm至650nm之可見光譜帶內之多色光線像差曲線之曲線圖。
圖4A及圖4B說明用於4.9mm×3.7mm影像格式精巧型相機的如圖1A及圖1B中所說明之摺疊式透鏡系統中的實例透鏡定向。
圖5A及圖5B為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之另一實例實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用摺疊光學路徑之光路摺疊元件。
圖6A及圖6B為如圖5A及圖5B中所說明之摺疊式透鏡系統在範圍為470nm至650nm之可見頻帶內的球面像差、散光及失真的多色曲線 的曲線圖。
圖7A及圖7B說明如圖5A及圖5B中所說明之摺疊式透鏡系統在半視場內及範圍為470nm至650nm之可見光譜帶內之多色光線像差曲線之曲線圖。
圖8A及圖8B說明用於4.9mm×3.7mm影像格式精巧型相機的如圖5A及圖5B中所說明之摺疊式透鏡系統中的實例透鏡定向。
圖9A及圖9B為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之另一實例實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊光學路徑之光路摺疊元件。
圖10A及圖10B為如圖9A及圖9B中所說明之摺疊式透鏡系統在範圍為470nm至650nm之可見頻帶內的球面像差、散光及失真的多色曲線的曲線圖。
圖11A及圖11B說明如圖9A及圖9B中所說明之摺疊式透鏡系統在半視場內及範圍為470nm至650nm之可見光譜帶內之多色光線像差曲線之曲線圖。
圖12A及圖12B說明用於4.9mm×3.7mm影像格式精巧型相機的如圖9A及圖9B中所說明之摺疊式透鏡系統中的實例透鏡定向。
圖13為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之另一實例實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊光學路徑之光路摺疊元件且為如圖9A及圖9B中所說明之摺疊式透鏡系統之變化。
圖14A及圖14B為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之另一實例實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊光學路徑之光路摺疊元件。
圖15A及圖15B為如圖14A及圖14B中所說明之摺疊式透鏡系統在範圍為470nm至650nm之可見頻帶內的球面像差、散光及失真的多色 曲線的曲線圖。
圖16A及圖16B說明如圖14A及圖14B中所說明之摺疊式透鏡系統在半視場內及範圍為470nm至650nm之可見光譜帶內之多色光線像差曲線之曲線圖。
圖17A及圖17B說明用於4.9mm×3.7mm影像格式精巧型相機的如圖14A及圖14B中所說明之摺疊式透鏡系統中的實例透鏡定向。
圖18為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之另一實例實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊光學路徑之光路摺疊元件且為如圖14A及圖14B中所說明之摺疊式透鏡系統之變化。
圖19A至圖19E為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之另一實例實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊光學路徑之光路摺疊元件且亦包括可調整孔徑光闌。
圖20A至圖20D說明如圖19A至圖19E中所說明之摺疊透鏡系統在半視場內及範圍為470nm至650nm之可見光譜帶內之多色光線像差曲線之曲線圖。
圖21為根據至少一些實施例之用於使用如圖1A至圖19中所說明之包括摺疊式透鏡系統之相機擷取影像的方法的高階流程圖。
圖22說明可用於實施例中之實例電腦系統。
描述包括光感測器及精巧型摺疊式透鏡系統之小外觀尺寸相機之實施例。描述包括五個透鏡元件之精巧型摺疊式透鏡系統之各種實 施例。然而，應注意，可在實施例中使用更多或更少光學元件。相機可以小封裝大小實施，同時仍擷取清晰的高解析度影像，使得相機之實施例適合用於小的及/或行動多用途裝置(諸如，行動電話、智慧型電話、墊式或平板計算裝置、膝上型電腦、迷你筆記型電腦、筆記型電腦、小筆記型電腦、輕量級筆記型電腦及監視裝置等等)中。然而，應注意，相機之態樣(例如，透鏡系統及光感測器)可按比例放大或縮小以提供具有較大或較小封裝大小之相機。另外，相機系統之實施例可實施為獨立數位相機。另外，為使相機應用程式靜止(單一圖框擷取)，相機系統之實施例可經調適以用於視訊相機應用中。
描述可減小透鏡系統之封裝體積的寬度以潛在應用至1/3吋(6.12mm對角)的感測器相機之摺疊式透鏡系統之實施例。摺疊式透鏡系統之實例實施例可具有14mm之EFL(有效焦距)、F/2.8及26度對角視場(DFOV)(6.46mm像圈直徑)。在至少一些實施例中，像平面或感測器可移動以將物景自無窮遠聚焦至<1000mm之物距。至少一些實施例可使用稜鏡作為光路摺疊機構以用於摺疊光學光路。在一些實施例中，透鏡-稜鏡組合(例如，模製成複合單元元件之一或多個透鏡及一稜鏡)可用作用於摺疊光學光路之光路摺疊機構。
描述精巧型摺疊式透鏡系統之若干實例實施例，其包括具有光路摺疊元件及五個折射透鏡元件之實施例。圖1A及圖1B、圖5A及圖5B、圖9A及圖9B、圖13、圖14A及圖14B、圖18以及圖19A至圖19E展示包括作為用於摺疊光學光路之光路摺疊元件的稜鏡及五個折射透鏡元件的實例實施例。在一些實施例中，透鏡元件中之一或多者可與稜鏡熔合、複合、模製、整合或以其他方式組合在一起，例如，如在圖13、圖18及圖19A至圖19E之實施例中所說明。然而，應注意，此等實例並非意欲為限制性的，且光學組件之佈置及數目以及針對透鏡系統給定之其他各種參數的變化係可能的，同時仍達成類似結果。另外應注意， 雖然圖中未展示，但除稜鏡之外的其他機構可用作光路摺疊元件。舉例而言，在一些實施例中，可使用鏡子代替稜鏡。
在各種實施例中，折射透鏡元件可由塑膠材料組成。在至少一些實施例中，折射透鏡元件可由射出模製之塑膠材料組成。在各種實施例中，稜鏡(或摺疊鏡)可由玻璃或塑膠材料組成。至少一些實施例亦可包括紅外濾波器及/或窗元件。在具有窗元件及/或紅外濾波器(IR)元件之實施例中，此等元件可由玻璃或塑膠材料組成。然而，可使用其他透明光學材料。亦應注意，在給定實施例中，透鏡元件中之不同者可由具有不同光學特性(例如，不同阿貝數及/或不同折射率)之材料組成。亦應注意，雖然在各種實施例中透鏡元件大體上經說明為圓形透鏡，但在一些實施例中，該等透鏡中之一或多者可具有其他形狀，例如，橢圓形、矩形、正方形或具有圓角之矩形。
在該等圖式中所說明之實例相機中之每一者中，實例相機至少包括摺疊式透鏡系統及光感測器。光感測器可為根據各種類型之光感測器技術中之任一者實施之一或多個積體電路(IC)技術晶片。可使用之光感測器技術之實例為電荷耦合裝置(CCD)技術及互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術。在至少一些實施例中，光感測器之像素大小可為1.2微米或1.2微米以下，但可使用更大的像素大小。在非限制性實例實施例中，可根據1280×720像素影像格式製造光感測器以擷取1兆像素影像。然而，在實施例中可使用其他更大或更小的像素格式，例如5兆像素、10兆像素或更大或更小的格式。
相機亦可包括位於第一透鏡元件處或第一透鏡元件的前面(亦即，物側上)之前孔徑光闌(AS)。應注意，孔徑光闌可比圖式中所展示的更接近或更遠離透鏡元件。此外，在一些實施例中，孔徑光闌可位於摺疊式透鏡系統中之別處。舉例而言，孔徑光闌可位於第一透鏡元件與光路摺疊元件之間。
相機亦可但不必包括位於透鏡系統之最後一個透鏡元件與光感測器之間的紅外(IR)濾波器。IR濾波器可(例如)由玻璃材料組成。然而，可使用其他材料。應注意，IR濾波器不影響透鏡系統之有效焦距f。相機亦可但不必包括位於透鏡系統之物場與第一透鏡元件之間的窗。窗可(例如)由玻璃材料組成。然而，可使用其他材料。應注意，窗可不影響透鏡系統之有效焦距f。另外應注意，相機亦可包括除本文所說明及描述之彼等組件之外的其他組件。
在摺疊式透鏡系統中，具有反射表面之光路摺疊元件(例如，稜鏡或鏡子)改變入射光自第一光軸(AX1)至第二光軸(AX2)之方向。來自物場之入射光經由位於第一光軸AX1上之光學元件之折射光學表面傳遞。反射表面改變入射光自第一光軸AX1至第二光軸AX2之方向，且第二光軸上之入射光經由折射元件傳遞至第二光軸上之像平面。第二光軸AX2可相對於第一光軸AX1藉由摺疊鏡或稜鏡之反射表面以一角度定向，以適應所要之精巧型外觀尺寸相機系統。該角度大體可為90度，由此提供光軸之直角摺疊，但在一些實施例中可使用小於或大於90度之其他角度。在以下論述中，摺疊式透鏡系統之總軌道長度(TTL)可定義為等於AX1上介於第一(物側)透鏡元件之物側表面處之前頂點與摺疊鏡或稜鏡之反射表面之間的距離(軌道長度1，藉由TL1表示)與AX2上介於摺疊鏡或稜鏡之反射表面與像平面之間的距離(軌道長度2，藉由TL2表示)的和；亦即，TTL=TL1+TL2。歸因於跟隨反射表面的參數之代數符號的變化，距離TL2之絕對值將用於判定以上提及之定義中之TTL。
在相機中，摺疊式透鏡系統在光感測器之表面處或附近形成像平面(IP)處之影像。遠端物件之影像大小與透鏡系統之有效焦距f成正比。透鏡系統之總軌道長度(TTL)為光軸(AX)上介於第一(物側)透鏡元件之物側表面處之前頂點與像平面之間的距離。對於攝遠透鏡系統， 總軌道長度(TTL)小於透鏡系統有效焦距(f)，且總軌道長度與焦距之比率|TTL/f|為攝遠比率。為分類為攝遠透鏡系統，TTL/f小於或等於1。在本文所描述之至少一些實施例中，摺疊式透鏡系統可經組態以使得攝遠比率(TTL/f)大於一：|TTL/f|>1.0
其中f為有效焦距之絕對值。為分類為攝遠透鏡系統，|TTL/f|(攝遠比率)應小於或等於1。因此，實施例可大體上提供非攝遠透鏡系統。然而，應注意，在一些實施例中，摺疊式透鏡系統可經組態或可為可調整的，使得攝遠比率小於或等於一：|TTL/f|1.0，且因此實施例可包含摺疊式攝遠透鏡系統及/或可在攝遠範圍與非攝遠範圍之間調整的摺疊式透鏡系統。舉例而言，在一些實施例中，摺疊式透鏡系統可為可調整的，以提供在0.8至1.2之範圍內的攝遠比率。然而，應注意，焦距f、F值及/或其他參數可經縮放或調整以符合對其他相機系統應用之光學、成像及/或封裝約束之各種規格。對於相機系統之約束可根據要求經指定以用於特定相機系統應用及/或可經改變以用於不同相機系統應用，該等約束包括(但不限於)焦距f、有效孔徑、F值、視場(FOV)、成像效能要求及封裝體積或大小約束。
在一些實施例中，摺疊式透鏡系統可為可調整的。舉例而言，在一些實施例中，如本文所描述之摺疊式透鏡系統可包括可調整光圈(入射)光瞳或孔徑光闌。使用可調整的孔徑光闌，F值(焦比或F/#)可在一範圍內動態變化。舉例而言，若在F/2.8下以給定焦距f及FOV良好校正透鏡，則假定孔徑光闌可經調整至所要F值設定，可藉由調整孔徑光闌使焦比在2.8(或更低)至10(或更高)之範圍內變化。在一些實施例中，可藉由在相同FOV(例如26度)下以降級之影像品質效能或在較小FOV下以相當良好效能調整孔徑光闌來以快焦比(F/#<2.8)使用透鏡系統。
在一些實施例中，摺疊式透鏡系統亦可包括手動及/或自動聚焦機構以提供用於將無窮遠(物景與相機之距離20公尺)處之物景聚焦至近物距(1公尺)之變焦能力。舉例而言，在一些實施例中，如本文所描述之摺疊式透鏡系統可包括可調整聚焦機構以平移或移動透鏡元件群組以聚焦範圍為無窮遠(20公尺)至(1公尺)之距離處之物件。在一些實施例中，摺疊式透鏡系統可包括可調整聚焦機構，光感測器可經由該可調整聚焦機構變焦或移動或致動以用於聚焦在範圍為大於20公尺至小於1公尺之距離處之物景。應注意，一些實施例可經組態以移動或平移光感測器及一或多個透鏡元件來達成聚焦。
雖然可作為實例在本文中給定值之範圍以用於可調整相機及摺疊式透鏡系統，其中一或多個光學參數可動態變化(例如，使用可調整孔徑光闌及/或可調整焦點)，但可實施包括固定的(不可調整的)摺疊式攝遠透鏡系統之相機系統之實施例，其中光學參數及其他參數之值在該等範圍內。
參考圖式中所說明之實施例，相機(例如，相機100、200、300、400或500)之精巧型摺疊式透鏡系統(例如，透鏡系統110、210、310、410或510)可包括具有折射能力及透鏡系統有效焦距f的五個透鏡元件(圖1A至圖1B之透鏡系統110中之透鏡元件101至105，圖5A及圖5B之透鏡系統210中之透鏡元件201至205，圖9A、圖9B及圖13之透鏡系統300中之透鏡元件301至305，圖14A、圖14B及圖18之透鏡系統410中之透鏡元件401至405及圖19A至圖19E之透鏡系統510中之透鏡元件501至505)，該等透鏡元件沿摺疊光軸AX自物側(AX1)至像側(AX2)佈置：˙具有焦距f1之第一透鏡元件L1(101、201、301、401或501)；˙將光軸自AX1摺疊至AX2之光路摺疊稜鏡(140、240、340、440或540)；˙具有焦距f2之第二透鏡元件L2(102、202、302、402或502)； ˙具有焦距f3之第三透鏡元件L3(103、203、303、403或503)；˙具有焦距f4之第四透鏡元件L4(104、204、304、404或504)；及˙具有焦距f5之第五透鏡元件L5(105、205、305、405或505)。
另外，在至少一些實施例中，透鏡元件中之至少一者之物側表面及像側表面中之至少一者為非球面。另外，至少一些實施例可包括例如位於第五透鏡元件與光感測器之間的IR濾波器。另外，至少一些實施例可包括例如位於第一透鏡元件與物平面之間的窗元件。另外，至少一些實施例可包括例如位於第一透鏡元件前面之孔徑光闌(AS)。在一些實施例中，例如，如圖13及圖19A中所說明，第一透鏡元件及稜鏡可模製為單一組合單元或元件。在一些實施例中，例如，如圖18中所說明，第一透鏡元件、稜鏡及第二透鏡元件可模製為單一組合單元或元件。
本文所描述之摺疊式相機透鏡系統之實施例可經組態使得具有折射能力或焦距f1至f5之透鏡元件L1至L5的屈光力分佈滿足以下條件：0.5<|f1/f|<0.8，0.3<|f2/f|<2.0，0.2<|f3/f|<0.6，0.4<|f4/f|<1.5，0.3<|f5/f|<3.0，其中f為摺疊式透鏡系統之有效焦距。
圖1A及圖1B為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之實例實施例之橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊或改變光學路徑之方向的光路摺疊元件。圖1A展示聚焦位置1(物距為無窮遠)處之相機100，而圖1B展示聚焦位置2(物距為1000mm，自聚焦位置1約195.5微米的像平面移位)處之相機100。透鏡系統110包括具 有折射能力之五個透鏡元件(101至105)。沿相機100之光軸AX自物側(AX1)至像側(AX2)佈置孔徑光闌AS、具有凸物側表面及焦距f1之第一透鏡元件L1(101)、經定向以改變入射光路徑之方向且由此將光軸自AX1摺疊至AX2的稜鏡140、具有焦距f2之第二透鏡元件L2(102)、具有焦距f3之第三透鏡元件L3(103)、具有焦距f4之第四透鏡元件L4(104)及具有焦距f5之第五透鏡元件L5(105)。透鏡系統110在光感測器120之表面處形成影像。在一些實施例中，紅外(IR)濾波器可位於第五透鏡元件L5與光感測器120之間。在一些實施例中，窗150可位於第一透鏡元件L1與物場之間。圖1B亦展示相機100及透鏡系統110中之元件之表面的表面編號(S#)，如對應表1A至表1E中所使用。
藉由f給定透鏡系統110之有效焦距。精巧型摺疊式透鏡系統110之總軌道長度(TTL)為沿光軸AX1及AX2在第一元件L1之物側表面與像平面之間或替代地在窗150之物側表面與像平面之間的距離。參考圖1A及圖1B，TTL為TL1及TL2之和，其中TL1為L1之物側表面之前頂點與稜鏡140之反射表面之間的軸向距離，且TL2為稜鏡140之反射表面與光感測器120處之像平面之間的軸向距離。可(例如)位於透鏡元件L1之前表面處的孔徑光闌AS判定透鏡系統110之入射光瞳。透鏡系統110焦比或f值F/#經定義為透鏡系統110有效焦距f除以入射光瞳直徑。IR濾波器可起作用以阻擋可損害或不利地影響光感測器之紅外輻射，且可經組態以對透鏡系統110有效焦距f無影響。類似地，窗可起作用以保護透鏡系統，且可經組態以對透鏡系統110有效焦距f具有極少或不具有影響。
在至少一些實施例中，相機100及摺疊式透鏡系統110經組態以提供14mm之EFL(有效焦距)、F/2.8、26度對角視場(DFOV)及3.232mm之像圈半徑。在透鏡系統110之實例非限制性實施例中，TL1=~4.15mm，TL2=~12.0mm且TTL=~16.15mm。在至少一些實施例中，摺 疊式透鏡系統110包括沿光軸AX1及AX2佈置之折射透鏡元件L1、L2、L3、L4及L5(透鏡元件101至105)、稜鏡140、窗150及IR濾波器。在至少一些實施例中，L1(透鏡元件101)、稜鏡140、窗150及IR濾波器由光學玻璃材料組成，且L2、L3、L4及L5(透鏡元件102至105)由兩種類型之光學塑膠材料組成。在一些實施例中，L1(101)及稜鏡140元件可經膠結或空氣間隔。在至少一些實施例中，窗150厚度為0.4mm，且IR濾波器厚度為0.3mm。然而，應注意，以上給定之值及參數為實例且並非意欲為限制性的。
圖4A及圖4B說明用於4.9mm×3.7mm(6.14mm對角)影像格式精巧型相機100A的如圖1A及圖1B中所說明之摺疊式透鏡系統中的實例透鏡定向，且分別展示在聚焦位置1(物距為無窮遠)及聚焦位置2(物距為1000mm)處之相機100A之透鏡系統110A。圖4A中光感測器左側之矩形表示4.9mm×3.7矩形像場相對於所示相機之定向。
表1A至表1E提供如圖1A及圖1B中所說明之相機100及透鏡系統110之實例實施例之各種光學及物理參數的實例值。表1A至表1E可被稱作提供用於透鏡系統110之光學處方。參考表1A至表1E，透鏡系統110之實施例覆蓋在參考波長為555nm的情況下在470奈米(nm)至650nm之光譜的可見區域中之應用。表1A至表1E中之光學處方針對14.0毫米(mm)之有效焦距f在470nm至650nm光譜內以F/2.8提供高影像品質，覆蓋26度之視場(FOV)(13度之半FOV)。圖1A及圖1B中所說明且具有表1A至表1E中所示之光學處方的摺疊式透鏡系統110具有15.7mm之總軌道長度(TTL=TL1+TL2)及1.1214之攝遠比率|TTL/f|。透鏡系統110為針對覆蓋470nm至650nm之可見光譜設計的精巧型摺疊式成像系統。
在至少一些實施例中，透鏡系統110之光學元件可由具有表1B中所列之折射率Nd及阿貝數Vd之材料組成。在摺疊式透鏡系統110之此實 例實施例中，透鏡元件L1可由具有折射率1.603及阿貝數65.4之玻璃材料組成，透鏡元件L2及L4可由具有折射率1.544及阿貝數V1=56.1之塑膠材料組成，透鏡元件L3及L5可由具有折射率1.632及阿貝數V2=23.3之塑膠材料組成。亦在表1B中給定用於窗150、稜鏡140及IR濾波器之材料、折射率及阿貝數。用於透鏡系統110中之元件的此等材料之選擇及應用可使得能夠最佳化透鏡系統110及針對可見區域內之色像差校正透鏡系統。可選擇材料且可計算透鏡元件之折射能力分佈以滿足有效焦距f及視場曲率或珀茲伐和之校正。可藉由調整透鏡元件之曲率半徑及非球面係數或幾何形狀及軸向間距(例如，如表1C中所說明)來減少光學像差之單色及色度變化，以產生經良好校正及平衡之最小殘餘像差。
圖2A及圖2B為如圖1A及圖1B中所說明之摺疊式透鏡系統在範圍為470nm至650nm之可見頻帶內的球面像差、散光及失真之多色曲線的曲線圖，且分別展示相機100在聚焦位置1(物距為無窮遠)及聚焦位置2(物距為1000mm)處之值。圖3A及圖3B說明如圖1A及圖1B中所說明之摺疊式透鏡系統在半視場內及範圍為470nm至650nm之可見光譜帶內之多色光線像差曲線之曲線圖。
參考表1D，列出透鏡系統110之稜鏡元件中之反射表面的離心常數。稜鏡之反射表面可經定向為相對於L1之光軸(AX1)為45度，且由此L2至L5之摺疊光軸(AX2)經組態以相對於AX1成90度。然而，摺疊鏡或稜鏡元件之反射表面之角度定向可經組態為適合所要光路方向及透鏡系統封裝要求的所要值。
在至少一些實施例中，相機100可包括用於將物景自無窮遠(物距20公尺)動態聚焦至近物距(<1000mm)的變焦機構。舉例而言，在一些實施例中，包括IR濾波器之透鏡系統110可沿AX2相對於光感測器120移動，或替代地，光感測器120可相對於透鏡系統110/IR濾波器移 動，以用於將物景自無窮遠聚焦至光感測器120處之近距離(<1公尺)。在表1E中參考表1B及圖1B列出透鏡系統110之變焦參數。表1E中所展示之用於位置1之變焦參數為當物景距離為無窮遠時IR濾波器(表面18，或S18)與光感測器120處之像平面(表面19，或S19)之間沿AX2的軸向厚度或空間間距(表1B中所列之光學處方)。用於1000mm(位置2)處之物景的對應光學處方與表1B中所列之處方相同，不同之處在於表面#0中之物距替換為1000mm，且表1B中給定的S18與S19之間的空間間隔(-0.4677mm)替換為-0.6632mm。如表1E中可見，光感測器120與透鏡系統/IR濾波器之間的距離改變約0.1955mm(195.5微米)以供透鏡系統110將物景自無窮遠處變焦及聚焦至<1000mm處。
表1A至表1E中之光學處方描述如圖1A及圖1B中所說明之透鏡系統110之實例實施例，其中透鏡元件之折射能力經分佈以使得透鏡元件L1至L5之焦距f1至f5相對於有效焦距f之比率為|f1/f|=0.591、|f2/f|=1.632、|f3/f|=0.506、|f4/f|=1.181及|f5/f|=2.416。在表1C中列出實例實施例中之透鏡系統110中之透鏡元件之表面的非球面係數。根據透鏡元件之能力分佈之佈置組態透鏡系統110及如表1A至表1E中所示調整曲率半徑及非球面係數，可減小透鏡系統110之總軌道長度(TTL)，且可有效地校正系統之像差以在小外觀尺寸相機100中針對無窮遠處之物景及位於<1000mm距離處之物景獲得高影像品質解析度之光學效能。
圖5A及圖5B為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之另一實例實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊光學路徑之光路摺疊元件。圖5A展示聚焦位置1(物距為無窮遠)處之相機200，而圖5B展示聚焦位置2(物距為1000mm，自聚焦位置1約197.8微米的像平面移位)處之相機200。透鏡系統210包括具有折射能力之五個透鏡元件(201至205)。沿相機200之光軸AX自物側(AX1)至 像側(AX2)佈置孔徑光闌AS、具有凸物側表面及焦距f1之第一透鏡元件L1(201)、經定向以改變入射光路徑之方向且由此將光軸自AX1摺疊至AX2的稜鏡240、具有焦距f2之第二透鏡元件L2(202)、具有焦距f3之第三透鏡元件L3(203)、具有焦距f4之第四透鏡元件L4(204)及具有焦距f5之第五透鏡元件L5(205)。透鏡系統210在光感測器220之表面處形成影像。在一些實施例中，紅外(IR)濾波器可位於第五透鏡元件L5與光感測器220之間。在一些實施例中，窗250可位於第一透鏡元件L1與物場之間。圖5B亦展示相機200及透鏡系統210中之元件之表面的表面編號(S#)，如對應表2A至表2E中所使用。
藉由f給定透鏡系統210之有效焦距。精巧型摺疊式透鏡系統210之總軌道長度(TTL)為沿光軸AX1及AX2在第一元件L1之物側表面與像平面之間或替代地在窗250之物側表面與像平面之間的距離。參考圖5A及圖5B，TTL為TL1及TL2之和，其中TL1為L1之物側表面之前頂點與稜鏡240之反射表面之間的軸向距離，且TL2為稜鏡240之反射表面與光感測器220處之像平面之間的軸向距離。可(例如)位於透鏡元件L1之前表面的孔徑光闌AS判定透鏡系統210之入射光瞳。透鏡系統210焦比或f值F/#經定義為透鏡系統210有效焦距f除以入射光瞳直徑。IR濾波器可起作用以阻擋可損害或不利地影響光感測器之紅外輻射，且可經組態以對透鏡系統210有效焦距f無影響。類似地，窗可起作用以保護透鏡系統，且可經組態以對透鏡系統210有效焦距f具有極少或不具有影響。
在至少一些實施例中，相機200及摺疊式透鏡系統210經組態以提供14mm之EFL(有效焦距)、F/2.8、26度之對角視場(DFOV)及3.232mm之像圈半徑。在透鏡系統210之實例非限制性實施例，TL1=~4.054mm，TL2=~11.861mm且TTL=~15.915mm。在一些實施例中，摺疊式透鏡系統210包括沿光軸AX1及AX2佈置之折射透鏡元件L1、L2、 L3、L4及L5(透鏡元件201至205)、稜鏡240、窗250及IR濾波器。在至少一些實施例中，窗250及IR濾波器由光學玻璃材料組成，且L1、L2、L3、L4及L5(透鏡元件201至205)及稜鏡240由兩種類型之光學塑膠材料組成。在一些實施例中，L1(201)及稜鏡240元件可由同一類型之塑膠材料組成且可模製成單一組合單元或元件。在至少一些實施例中，窗250厚度為0.4mm，且IR濾波器厚度為0.3mm。然而，應注意，以上給定之值及參數為實例且並非意欲為限制性的。
圖8A及圖8B說明用於4.9mm×3.7mm(6.14mm對角)影像格式精巧型相機200A的如圖5A及圖5B中所說明之摺疊式透鏡系統中的實例透鏡定向，且分別展示在聚焦位置1(物距為無窮遠)及聚焦位置2(物距為1000mm)處之相機200A之透鏡系統210A。圖8A中光感測器左側之矩形表示4.9mm×3.7矩形像場相對於所示相機之定向。
表2A至表2E提供如圖5A及圖5B中所說明之相機200及透鏡系統210之實例實施例之各種光學及物理參數的實例值。表2A至表2E可被稱作提供用於透鏡系統210之光學處方。參考表2A至表2E，透鏡系統210之實施例覆蓋在參考波長為555nm之情況下在470奈米(nm)至650nm之光譜的可見區域中之應用。表2A至表2E中之光學處方針對14.0毫米(mm)之有效焦距f在470nm至650nm光譜內以F/2.8提供高影像品質，覆蓋26度之視場(FOV)(13度之半FOV)。圖5A及圖5B中所說明且具有表2A至表2E中所示之光學處方的摺疊式透鏡系統210具有15.465mm之總軌道長度(TTL=TL1+TL2)及1.105之攝遠比率|TTL/f|。透鏡系統210為針對覆蓋470nm至650nm之可見光譜設計的精巧型摺疊式成像系統。
在表2B中給定透鏡元件L1至L5(201至205)、窗250、稜鏡240及IR濾波器之材料、折射率及阿貝數。用於透鏡系統210之元件的材料及光學特性之選擇及應用可使得能夠最佳化透鏡系統210及針對可見區域 內之色像差校正該透鏡系統。可選擇材料且可計算元件之折射能力分佈以滿足有效焦距f及視場曲率或珀茲伐和之校正。可藉由調整透鏡元件之曲率半徑及非球面係數或幾何形狀以及軸向間距(例如，如表2C中所說明)來減少光學像差之單色及色度變化，以產生經良好校正及平衡之最小殘餘像差。
圖6A及圖6B為如圖5A及圖5B中所說明之摺疊式透鏡系統在範圍為470nm至650nm之可見頻帶內的球面像差、散光及失真之多色曲線的曲線圖，且分別展示相機200在聚焦位置1(物距為無窮遠)及聚焦位置2(物距為1000mm)處之值。圖7A及圖7B說明如圖5A及圖5B中所說明之摺疊式透鏡系統在半視場內及範圍為470nm至650nm之可見光譜帶內之多色光線像差曲線之曲線圖。
參考表2D，列出透鏡系統210之稜鏡元件中之反射表面的離心常數。稜鏡之反射表面可經定向為相對於L1之光軸(AX1)為45度，且由此L2至L5之摺疊光軸(AX2)經組態以相對於AX1為90度。然而，摺疊鏡或稜鏡元件之反射表面之角度定向可經組態為適合所要光路方向及透鏡系統封裝要求的所要值。
在至少一些實施例中，相機200可包括用於將物景自無窮遠(物距20公尺)動態聚焦至近物距(<1000mm)的變焦機構。舉例而言，在一些實施例中，包括IR濾波器之透鏡系統210可沿AX2相對於光感測器220移動，或替代地，光感測器220可相對於透鏡系統210/IR濾波器移動，以用於將物景自無窮遠聚焦至光感測器220處之近距離(<1公尺)。在表2E中參考表2B及圖5B列出透鏡系統210之變焦參數。表2E中所示之用於位置1之變焦參數為當物景距離為無窮遠時IR濾波器(表面18，或S18)與光感測器220處之像平面(表面19，或S19)之間沿AX2的軸向厚度或空間間距(表2B中所列之光學處方)。用於1000mm(位置2)處之物景的對應光學處方與表2B中所列之處方相同，不同之處在於表面#0中 之物距替換為1000mm，且表2B中給定的S18與S19之間的空間間距(-0.6343mm)替換為-0.8321mm。如表2E中可見，光感測器220與透鏡系統/1R濾波器之間的距離改變約0.1978mm(197.8微米)以供透鏡系統210將物景自無窮遠處變焦及聚焦至<1000mm處。
表2A至表2E中之光學處方描述如圖5A及圖5B中所說明之透鏡系統210之實例實施例，其中透鏡元件之折射能力經分佈以使得透鏡元件L1至L5之焦距f1至f5相對於有效焦距f之比率為|f1/f|=0.729、|f2/f|=0.402、|f3/f|=0.218、|f4/f|=0.451及|f5/f|=0.381。在表2C中列出實例實施例中之透鏡系統210中之透鏡元件之表面的非球面係數。根據透鏡元件之能力分佈之佈置組態透鏡系統210及如表2A至表2E中所示調整曲率半徑及非球面係數，可減小透鏡系統210之總軌道長度(TTL)，且可有效地校正系統之像差以在小外觀尺寸相機200中針對無窮遠處之物景及位於<1000mm距離處之物景獲得高影像品質解析度之光學效能。
圖9A及圖9B為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之另一實例實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊光學路徑之光路摺疊元件。圖9A展示聚焦位置1(物距為無窮遠)處之相機300，而圖9B展示聚焦位置2(物距為1000mm，自聚焦位置1約198.6微米的像平面移位)處之相機300。透鏡系統310包括具有折射能力之五個透鏡元件(301至305)。沿相機300之光軸AX自物側(AX1)至像側(AX2)佈置孔徑光闌AS、具有凸物側表面及焦距f1之第一透鏡元件L1(301)、經定向以改變入射光路徑之方向且由此將光軸自AX1摺疊至AX2的稜鏡340、具有焦距f2之第二透鏡元件L2(302)、具有焦距f3之第三透鏡元件L3(303)、具有焦距f4之第四透鏡元件L4(304)及具有焦距f5之第五透鏡元件L5(305)。透鏡系統310在光感測器320之表面處形成影像。在一些實施例中，紅外(IR)濾波器可位於第五透鏡元件L5 與光感測器320之間。在一些實施例中，窗350可位於第一透鏡元件L1與物場之間。圖9B亦展示相機300及透鏡系統310中之元件之表面的表面編號(S#)，如對應表3A至表3E中所使用。
藉由f給定透鏡系統310之有效焦距。精巧型摺疊式透鏡系統310之總軌道長度(TTL)為沿光軸AX1及AX2在第一元件L1之物側表面與像平面之間或替代地在窗350之物側表面與像平面之間的距離。參考圖9A及圖9B，TTL為TL1及TL2之和，其中TL1為L1之物側表面之前頂點與稜鏡340之反射表面之間的軸向距離，且TL2為稜鏡340之反射表面與光感測器320處之像平面之間的軸向距離。可(例如)位於透鏡元件L1之前表面的孔徑光闌AS判定透鏡系統310之入射光瞳。透鏡系統310焦比或f值F/#經定義為透鏡系統310有效焦距f除以入射光瞳直徑。IR濾波器可起作用以阻擋可損害或不利地影響光感測器之紅外輻射，且可經組態以對透鏡系統310有效焦距f無影響。類似地，窗可起作用以保護透鏡系統，且可經組態以對透鏡系統310有效焦距f具有極少或不具有影響。
在至少一些實施例中，相機300及摺疊式透鏡系統310經組態以提供14mm之EFL(有效焦距)、F/2.8、26度之對角視場(DFOV)及3.232mm之像圈半徑。在透鏡系統310之實例非限制性實施例，TL1=~3.75mm，TL2=~11.77mm且TTL=~15.52mm。在一些實施例中，摺疊式透鏡系統310包括沿光軸AX1及AX2佈置之折射透鏡元件L1、L2、L3、L4及L5(透鏡元件301至305)、稜鏡340、窗350及IR濾波器。在至少一些實施例中，窗350及IR濾波器由光學玻璃材料組成，且L1、L2、L3、L4及L5(透鏡元件301至305)及稜鏡340由兩種類型之光學塑膠材料組成。在一些實施例中，L1(301)及稜鏡340元件可由同一類型之塑膠材料組成且可模製成單一組合單元或元件(參見例如圖13)。在至少一些實施例中，窗350及IR濾波器各自的厚度為0.3mm。然而，應注意，以 上給定之值及參數為實例且並非意欲為限制性的。
圖12A及圖12B說明用於4.9mm×3.7mm(6.14mm對角)影像格式精巧型相機300A的如圖9A及圖9B中所說明之摺疊式透鏡系統中的實例透鏡定向，且分別展示在聚焦位置1(物距為無窮遠)及聚焦位置2(物距為1000mm)處之相機300A之透鏡系統310A。圖12A中光感測器左側之矩形表示4.9mm×3.7矩形像場相對於所示相機之定向。
表3A至表3E提供如圖9A及圖9B中所說明之相機300及透鏡系統310之實例實施例之各種光學及物理參數的實例值。表3A至表3E可被稱作提供用於透鏡系統310之光學處方。參考表3A至表3E，透鏡系統310之實施例覆蓋在參考波長為555nm之情況下在470奈米(nm)至650nm之光譜的可見區域中之應用。表3A至表3E中之光學處方針對14.0毫米(mm)之有效焦距f在470nm至650nm光譜內以F/2.8提供高影像品質，覆蓋26度之視場(FOV)(13度之半FOV)。圖9A及圖9B中所說明且具有如表3A至表3E中所示之光學處方的摺疊式透鏡系統310具有15.166mm之總軌道長度(TTL=TL1+TL2)及1.083之攝遠比率|TTL/f|。透鏡系統310為針對覆蓋470nm至650nm之可見光譜設計的精巧型摺疊式成像系統。
在表3B中給定透鏡元件L1至L5(301至305)、窗350、稜鏡340及IR濾波器之材料、折射率及阿貝數。用於透鏡系統310之元件的材料及光學特性之選擇及應用可使得能夠最佳化透鏡系統310及針對可見區域內之色像差校正該透鏡系統。可選擇材料且可計算元件之折射能力分佈以滿足有效焦距f及視場曲率或珀茲伐和之校正。可藉由調整透鏡元件之曲率半徑及非球面係數或幾何形狀以及軸向間距(例如，如表3C中所說明)來減少光學像差之單色及色度變化，以產生經良好校正及平衡之最小殘餘像差。
圖10A及圖10B為如圖9A及圖9B中所說明之摺疊式透鏡系統在範 圍為470nm至650nm之可見頻帶內的球面像差、散光及失真之多色曲線的曲線圖，且分別展示相機300在聚焦位置1(物距為無窮遠)及聚焦位置2(物距為1000mm)處之值。圖11A及圖11B說明如圖9A及圖9B中所說明之摺疊式透鏡系統在半視場內及範圍為470nm至650nm之可見光譜帶內之多色光線像差曲線之曲線圖。
參考表3D，列出透鏡系統310之稜鏡元件中之反射表面的離心常數。稜鏡之反射表面可經定向為相對於L1之光軸(AX1)為45度，且由此L2至L5之摺疊光軸(AX2)經組態以相對於AX1成90度。然而，摺疊鏡或稜鏡元件之反射表面之角度定向可經組態為適合所要光路方向及透鏡系統封裝要求的所要值。
在至少一些實施例中，相機300可包括用於將物景自無窮遠(物距20公尺)動態聚焦至近物距(<1000mm)的變焦機構。舉例而言，在一些實施例中，包括IR濾波器之透鏡系統310可沿AX2相對於光感測器320移動，或替代地，光感測器320可相對於透鏡系統310/IR濾波器移動，以用於將物景自無窮遠聚焦至光感測器320處之近距離(<1公尺)。在表3E中參考表3B及圖9B列出透鏡系統310之變焦參數。表3E中所示之用於位置1之變焦參數為當物景距離為無窮遠時IR濾波器(表面18，或S18)與光感測器320處之像平面(表面19，或S19)之間沿AX2的軸向厚度或空間間距(表3B中所列之光學處方)。用於1000mm(位置2)處之物景的對應光學處方與表3B中所列之處方相同，不同之處在於表面#0中之物距替換為1000mm，且表3B中給定的S18與S19之間的空間間距(-1.0762mm)替換為-1.2748mm。如表3E中可見，光感測器320與IR濾波器/透鏡系統310之間的距離改變約0.1986mm(198.6微米)以供透鏡系統310將物景自無窮遠處變焦及聚焦至<1000mm處。
表3A至表3E中之光學處方描述如圖9A及圖9B中所說明之透鏡系統310之實例實施例，其中透鏡元件之折射能力經分佈以使得透鏡元件 L1至L5之焦距f1至f5相對於有效焦距f之比率為|f1/f|=0.716、|f2/f|=0.390、|f3/f|=0.221、|f4/f|=0.417及|f5/f|=0.373。在表3C中列出實例實施例中之透鏡系統310中之透鏡元件之表面的非球面係數。根據透鏡元件之能力分佈之佈置組態透鏡系統310及如表3A至表3E中所示調整曲率半徑及非球面係數，可減小透鏡系統310之總軌道長度(TTL)，且可有效地校正系統之像差以在小外觀尺寸相機300中針對無窮遠處之物景及位於<1000mm距離處之物景獲得高影像品質解析度之光學效能。
圖13為包括摺疊式透鏡系統310B之精巧型相機300B之另一實例實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊光學路徑之光路摺疊元件且為如圖9A及圖9B中所說明之摺疊式透鏡系統310之變化。在一些實施例中，透鏡元件中之一或多者可與稜鏡熔合或整合。在圖13中，例如，透鏡301B及稜鏡340B經模製成複合單元元件(L1-稜鏡)且用作相機300B之用於摺疊光學光路之光路摺疊機構。圖13亦展示相機300B及透鏡系統310B中之元件之表面的表面編號(S#)，如對應表4A至表4E中所使用。
表4A至表4E提供如圖13中所說明之相機300B及透鏡系統310B之實例實施例之各種光學及物理參數的實例值。表4A至表4E可被稱作提供用於透鏡系統310B之光學處方。表4A至表4E中之光學處方描述如圖13中所說明之透鏡系統310B之實例實施例，其中透鏡元件之折射能力經分佈以使得透鏡元件L1至L5之焦距f1至f5相對於有效焦距f之比率為|f1/f|=0.716、|f2/f|=0.390、|f3/f|=0.221、|f4/f|=0.417及|f5/f|=0.373。應注意，表4A至表4E實質上類似於表3A至表3E，且透鏡系統310及310B之光學特性將實質上相同，因為圖13之透鏡系統310B為圖9A至圖9B之透鏡系統310之變化，其中透鏡L1與稜鏡熔合或整合以形成L1-稜鏡。表4A至表4E與表3A至表3E之間的差異在於圖9B中所示之表面S5 及S6不存在於圖13中，且圖13中之表面已如表4A至表4E中所反映而重新編號。
圖14A及圖14B為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之另一實例實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊光學路徑之光路摺疊元件。圖14A展示聚焦位置1(物距為無窮遠)處之相機400，而圖14B展示聚焦位置2(物距為1000mm，自聚焦位置1約195.6微米的像平面移位)處之相機400。透鏡系統410包括具有折射能力之五個透鏡元件(401至405)。沿相機300之光軸AX自物側(AX1)至像側(AX2)佈置孔徑光闌AS、具有凸物側表面及焦距f1之第一透鏡元件L1(401)、經定向以改變入射光路徑之方向且由此將光軸自AX1摺疊至AX2的稜鏡440、具有焦距f2之第二透鏡元件L2(402)、具有焦距f3之第三透鏡元件L3(403)、具有焦距f4之第四透鏡元件L4(404)及具有焦距f5之第五透鏡元件L5(405)。透鏡系統410在光感測器420之表面處形成影像。在一些實施例中，紅外(IR)濾波器可位於第五透鏡元件L5與光感測器420之間。在一些實施例中，窗450可位於第一透鏡元件L1與物場之間。圖14B亦展示相機400及透鏡系統410B中之元件之表面的表面編號(S#)，如對應表5A至表5E中所使用。
藉由f給定透鏡系統410之有效焦距。精巧型摺疊式透鏡系統410之總軌道長度(TTL)為沿光軸AX1及AX2在第一元件L1之物側表面與像平面之間或替代地在窗450之物側表面與像平面之間的距離。參考圖14A及圖14B，TTL為TL1及TL2之和，其中TL1為L1之物側表面之前頂點與稜鏡440之反射表面之間的軸向距離，且TL2為稜鏡440之反射表面與光感測器420處之像平面之間的軸向距離。可(例如)位於透鏡元件L1之前表面的孔徑光闌AS判定透鏡系統410之入射光瞳。透鏡系統410焦比或f值F/#經定義為透鏡系統410有效焦距f除以入射光瞳直徑。IR濾波器可起作用以阻擋可損害或不利地影響光感測器之紅外輻射，且 可經組態以對透鏡系統410有效焦距f無影響。類似地，窗可起作用以保護透鏡系統，且可經組態以對透鏡系統410有效焦距f具有極少或不具有影響。
在至少一些實施例中，相機400及摺疊式透鏡系統410經組態以提供14mm之EFL(有效焦距)、F/2.8、26度之對角視場(DFOV)及3.232mm之像圈半徑。在透鏡系統410之至少一些實施例中，透鏡系統410中TTL在~8mm至~16mm之範圍內。在至少一些實施例中，摺疊式透鏡系統410包括沿光軸AX1及AX2佈置之折射透鏡元件L1、L2、L3、L4及L5(透鏡元件401至405)、稜鏡440、窗450及IR濾波器。在至少一些實施例中，窗450及IR濾波器由光學玻璃材料組成，且L1、L2、L3、L4及L5(透鏡元件401至405)及稜鏡440由兩種類型之光學塑膠材料組成。在一些實施例中，L1(401)及L2(402)之形狀及大小可實質上相同。在一些實施例中，L1(401)、L2(402)及稜鏡440元件可由同一類型之塑膠材料組成，且可模製為單一組合單元或元件(參見例如圖18)。在至少一些實施例中，L1(401)、L2(402)及稜鏡440之複合模製段可被視作球形透鏡之經修改半部。在至少一些實施例中，窗450及IR濾波器之厚度各自為0.3mm。然而，應注意，以上給定之值及參數為實例且並非意欲為限制性的。
圖17A及圖17B說明用於4.9mm×3.7mm(6.14mm對角)影像格式精巧型相機400A的如圖14A及圖14B中所說明之摺疊式透鏡系統中的實例透鏡定向，且分別展示在聚焦位置1(物距為無窮遠)及聚焦位置2(物距為1000mm)處之相機400A之透鏡系統410a。圖17A中光感測器左側之矩形表示4.9mm×3.7矩形像場相對於所示相機之定向。
表5A至表5E提供圖14A及圖14B中所說明之相機400及透鏡系統410之實例實施例之各種光學及物理參數的實例值。表5A至表5E可被稱作提供用於透鏡系統410之光學處方。參考表5A至表5E，透鏡系統 410之實施例覆蓋在參考波長為555nm之情況下在470奈米(nm)至650nm之光譜的可見區域中之應用。表5A至表5E中之光學處方針對14.0毫米(mm)之有效焦距f在470nm至650nm光譜內以F/2.8提供高影像品質，覆蓋26度之視場(FOV)(13度之半FOV)。圖14A及圖14B中所說明且具有表5A至表5E中所示之光學處方的摺疊式透鏡系統410具有15.4mm之總軌道長度(TTL=TL1+TL2)及1.100之攝遠比率|TTL/f|。透鏡系統410為針對覆蓋470nm至650nm之可見光譜設計的精巧型摺疊式成像系統。
在表5B中給定透鏡元件L1至L5(401至405)、窗450、稜鏡440及IR濾波器之材料、折射率及阿貝數。用於透鏡系統410之元件的材料及光學特性之選擇及應用可使得能夠最佳化透鏡系統410及針對可見區域內之色像差校正該透鏡系統。可選擇材料且可計算元件之折射能力分佈以滿足有效焦距f及視場曲率或珀茲伐和之校正。可藉由調整透鏡元件之曲率半徑及非球面係數或幾何形狀以及軸向間距(例如，如表5C中所說明)來減少光學像差之單色及色度變化，以產生經良好校正及平衡之最小殘餘像差。
圖15A及圖15B為如圖14A及圖14B中所說明之摺疊式透鏡系統在範圍為470nm至650nm之可見頻帶內的球面像差、散光及失真之多色曲線的曲線圖，且分別展示相機100在聚焦位置1(物距為無窮遠)及聚焦位置2(物距為1000mm)處之值。圖16A及圖16B說明如圖14A及圖14B中所說明之摺疊式透鏡系統在半視場內及範圍為470nm至650nm之可見光譜帶內之多色光線像差曲線之曲線圖。
參考表5D，列出透鏡系統410之稜鏡元件中之反射表面的離心常數。稜鏡之反射表面可經定向為相對於L1之光軸(AX1)為45度，且由此L2至L5之摺疊光軸(AX2)經組態以相對於AX1成90度。然而，摺疊鏡或稜鏡元件之反射表面之角度定向可經組態為適合所要光路方向及 透鏡系統封裝要求的所要值。
在至少一些實施例中，相機400可包括用於將物景自無窮遠(物距20公尺)動態聚焦至近物距(<1000mm)的變焦機構。舉例而言，在一些實施例中，包括IR濾波器之透鏡系統410可沿AX2相對於光感測器420移動，或替代地，光感測器420可相對於透鏡系統410/IR濾波器移動，以用於將物景自無窮遠聚焦至光感測器420處之近距離(<1公尺)。在表5E中參考表5B及圖14B列出透鏡系統410之變焦參數。表5E中所示之用於位置1之變焦參數為當物景距離為無窮遠時IR濾波器(表面18，或S18)與光感測器420處之像平面(表面19，或S19)之間沿AX2的軸向厚度或空間間距(表5B中所列之光學處方)。用於1000mm(位置2)處之物景的對應光學處方與表5B中所列之處方相同，不同之處在於表面#0中之物距替換為1000mm，且表5B中給定的S18與S19之間的空間間距(-1.4854mm)替換為-1.6810mm。如表3E中可見，光感測器320與IR濾波器/透鏡系統310之間的距離改變約0.1956mm(195.6微米)以供透鏡系統310將物景自無窮遠處變焦及聚焦至<1000mm處。
表5A至表5E中之光學處方描述如圖14A及圖14B中所說明之透鏡系統410之實例實施例，其中透鏡元件之折射能力經分佈以使得透鏡元件L1至L5之焦距f1至f5相對於有效焦距f之比率為|f1/f|=0.693、|f2/f|=0.693、|f3/f|=0.400、|f4/f|=0.515及|f5/f|=0.614。在表5C中列出實例實施例中之透鏡系統410中之透鏡元件之表面的非球面係數。根據透鏡元件之能力分佈之佈置組態透鏡系統410及如表5A至表5E中所示調整曲率半徑及非球面係數，可減小透鏡系統410之總軌道長度(TTL)，且可有效地校正系統之像差以在小外觀尺寸相機400中針對無窮遠處之物景及位於<1000mm距離處之物景獲得高影像品質解析度之光學效能。
圖18為包括摺疊式透鏡系統410B之精巧型相機400B之另一實例 實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊光學路徑之光路摺疊元件且為如圖14A及圖14B中所說明之摺疊式透鏡系統410之變化。在一些實施例中，透鏡元件中之一或多者可與稜鏡熔合或整合。在圖18中，透鏡401B、402B及稜鏡440B經模製成複合單元元件且用作用於摺疊光學光路之光路摺疊機構。在至少一些實施例中，L1(401B)及L2(402B)之形狀及大小可實質上相同。在一些實施例中，L1(401B)、L2(402B)及稜鏡440B元件可由同一類型之塑膠材料組成，且可模製為單一組合單元或元件。在至少一些實施例中，L1(401B)、L2(402B)及稜鏡440B之複合模製段可被視作球形透鏡之經修改半部。圖18亦展示相機400B及透鏡系統410B中之元件之表面的表面編號(S#)，如對應表6A至表6E中所使用。
表6A至表6E提供如圖18中所說明之相機400B及透鏡系統410B之實例實施例之各種光學及物理參數的實例值。表6A至表6E可被稱作提供用於透鏡系統410B之光學處方。表6A至表6E中之光學處方描述如圖18中所說明之透鏡系統410B之實例實施例，其中透鏡元件之折射能力經分佈以使得透鏡元件L1至L5之焦距f1至f5相對於有效焦距f之比率為|f1/f|=0.693、|f2/f|=0.693、|f3/f|=0.400、|f4/f|=0.515及|f5/f|=0.614。應注意，表6A至表6E實質上類似於表5A至表5E，且透鏡系統410及410B之光學特性將實質上相同，因為圖18之透鏡系統410B為圖14A至圖14B之透鏡系統410之變化，其中L1、L2及稜鏡經熔合以形成L1-稜鏡-L2。表6A至表6E與表5A至表5E之間的差異在於如圖14B中所展示之表面S5、S6、S8及S9不存在於圖18中，且圖18中之表面已如表6A至表6E中所反映而重新編號。
圖19A至圖19E為包括摺疊式透鏡系統之精巧型相機之另一實例實施例的橫截面說明，該摺疊式透鏡系統包括折射透鏡元件及起作用以摺疊光學路徑之光路摺疊元件且亦包括可調整孔徑光闌。如藉由圖 19A至圖19E中之實例相機500所說明，摺疊式透鏡系統510之一些實施例可包括(例如)位於第一透鏡元件(L1)前面的可調整孔徑(在圖19A至圖19E中標記為AA)。在圖19A至圖19E中所示之實例相機500中，孔徑可為可調整的，以提供在F/2.8至F/4之範圍內的F/#。然而，視藉由可調整孔徑提供之光圈開口之範圍而定，F/#範圍可為不同的。舉例而言，在一些實施例中，孔徑可為可調整的，以提供高於F/4之F/#。
圖19A大體上說明具有可調整孔徑AA之實例相機500及透鏡系統510，且展示相機500及透鏡系統510中之元件之表面的表面編號(S#)，如對應表7A至表7E中所展示。圖19B展示以F/2.8之聚焦位置1(物距為無窮遠)設定之相機500，而圖19C展示以F/2.8之聚焦位置2(物距為1000mm，自F/2.8之聚焦位置1之像平面移位為約198.2微米)設定之相機500。圖19D展示以F/4之聚焦位置1(物距為無窮遠)設定之相機500，而圖19E展示以F/4之聚焦位置2(物距為1000mm，自F/4之聚焦位置1之像平面移位為約198.2微米)設定之相機500。應注意，藉助於實例給定圖19B至圖19E中所示之相機500之F/#設定。可藉由適當地調整孔徑光闌獲得相機500之其他F/#設定，例如F/3.11及F/3.5。
如圖19A至圖19E中所示，透鏡系統510包括具有折射能力之五個透鏡元件(501至505)。沿相機500之光軸AX自物側(AX1)至像側(AX2)佈置可調整孔徑AA、具有凸物側表面及焦距f1之第一透鏡元件L1(501)、及經定向改變入射光路徑之方向且由此將光軸自AX1摺疊至AX2的稜鏡540、具有焦距f2之第二透鏡元件L2(502)、具有焦距f3之第三透鏡元件L3(503)、具有焦距f4之第四透鏡元件L4(504)及具有焦距f5之第五透鏡元件L5(505)。透鏡系統510在光感測器520之表面處形成影像。在一些實施例中，紅外(IR)濾波器可位於第五透鏡元件L5與光感測器520之間。在一些實施例中，窗550可位於第一透鏡元件L1與物場之間。在一些實施例中，如圖19A至圖19E中所示，L1(501)及稜 鏡540元件可由同一類型之材料(例如，塑膠材料)組成，且可模製為單一組合單元或元件，展示為圖19A至圖19E中之L1-稜鏡。
藉由f給定透鏡系統510之有效焦距。精巧型摺疊式透鏡系統510之總軌道長度(TTL)為沿光軸AX1及AX2在第一元件L1之物側表面與像平面之間或替代地在窗550之物側表面與像平面之間的距離。可(例如)位於透鏡元件L1之前面的可調整孔徑AA判定透鏡系統510之入射光瞳。透鏡系統310焦比或f值F/#經定義為透鏡系統310有效焦距f除以入射光瞳直徑。在圖19A中所示之實例相機500中，孔徑可為可調整的，以提供在F/2.8至F/4之範圍內的F/#。然而，視藉由可調整孔徑提供之光圈開口之範圍而定，F/#範圍可為不同的。舉例而言，在一些實施例中，孔徑可為可調整的，以提供高於F/4之F/#。IR濾波器可起作用以阻擋可損害或不利地影響光感測器之紅外輻射，且可經組態以對透鏡系統510有效焦距f無影響。類似地，窗可起作用以保護透鏡系統，且可經組態以對透鏡系統510有效焦距f具有極少或不具有影響。
在至少一些實施例中，相機500及摺疊式透鏡系統510經組態以提供14mm之EFL(有效焦距)、在F/2.8至F/4之範圍內的F/#、26度之對角視場(DFOV)及3.232mm之像圈半徑。在一些實施例中，摺疊式透鏡系統510包括沿光軸AX1及AX2佈置之折射透鏡元件L1、L2、L3、L4及L5(透鏡元件501至505)、稜鏡540、窗550及IR濾波器。在至少一些實施例中，窗550及IR濾波器由光學玻璃材料組成，且L1、L2、L3、L4及L5(透鏡元件501至505)及稜鏡540由兩種類型之光學塑膠材料組成。在一些實施例中，如圖19A至圖19E中所示，L1(501)及稜鏡540元件可由同一類型之塑膠材料組成，且可模製為單一組合單元或元件(L1-稜鏡)。在至少一些實施例中，窗550及IR濾波器之厚度各自為0.3mm。然而，應注意，以上給定之值及參數為實例且並非意欲為限制性的。
圖20A至圖20D分別說明如圖19B至圖19E中所說明之摺疊透鏡系統在半視場內及在範圍為470nm至650nm之可見光譜帶內之多色光線像差曲線之曲線圖。
表7A至表7E提供如圖19A至圖19E中所說明之相機500及透鏡系統510之實例實施例之各種光學及物理參數的實例值。表7A至表7E可被稱作提供用於透鏡系統500之光學處方。參考表7A至表7E，透鏡系統510之實施例覆蓋在參考波長為555nm之情況下在470奈米(nm)至650nm之光譜的可見區域中之應用。表7A至表7E中之光學處方針對14.0毫米(mm)之有效焦距f在470nm至650nm光譜內在F/2.8至F/4.0之範圍內提供高影像品質，覆蓋26度之視場(FOV)(13度之半FOV)。圖19A至圖19E中所說明且具有表7A至表7E中所示之光學處方的實例摺疊式透鏡系統510具有15.404mm之總軌道長度(TTL=TL1+TL2)及1.100之攝遠比率|TTL/f|。透鏡系統510為針對覆蓋470nm至650nm之可見光譜設計的精巧型摺疊式成像系統。
在表7B中給定透鏡元件L1至L5(501至505)、窗550、稜鏡540及IR濾波器之材料、折射率及阿貝數。用於透鏡系統710之元件的材料及光學特性之選擇及應用可使得能夠最佳化透鏡系統710及針對可見區域內之色像差校正該透鏡系統。可選擇材料且可計算元件之折射能力分佈以滿足有效焦距f及視場曲率或珀茲伐和之校正。可藉由調整透鏡元件之曲率半徑及非球面係數或幾何形狀以及軸向間距(例如，如表7C中所說明)來減少光學像差之單色及色度變化，以產生經良好校正及平衡之最小殘餘像差。
圖20A至圖20D分別說明如圖19B至圖19E中所說明之摺疊式透鏡系統在半視場內及在範圍為470nm至650nm之可見光譜帶內之多色光線像差曲線之曲線圖。
參考表7D，列出透鏡系統510之稜鏡元件中之反射表面的離心常 數。稜鏡之反射表面可經定向為相對於L1之光軸(AX1)為45度，且由此L2至L5之摺疊光軸(AX2)經組態以相對於AX1成90度。然而，稜鏡元件540之反射表面之角度定向可經組態為適合所要光路方向及透鏡系統封裝要求的所要值。
在至少一些實施例中，相機500可包括用於將物景自無窮遠(物距20公尺)動態聚焦至近物距(<1000mm)的變焦機構。舉例而言，在一些實施例中，包括IR濾波器之透鏡系統510可沿AX2相對於光感測器520移動，或替代地，光感測器520可相對於透鏡系統510/IR濾波器移動，以用於將物景自無窮遠聚焦至光感測器520處之近距離(<1公尺)。在表7E中參考表7B及圖19A至圖19E列出透鏡系統510之變焦參數。表7E中展示的用於F/2.8之變焦位置1及F/4之變焦位置1的變焦參數為當物景距離為無窮遠時IR濾波器(表面16，或S16)與光感測器520處之像平面(表面17，或S17)之間沿AX2的軸向厚度或空間間隔(表7B中所列之光學處方)。表7E中所展示的用於F/2.8之變焦位置2及F/4之變焦位置2的變焦參數為當物景距離為1000mm或1000mm以下時IR濾波器(表面16，或S16)與光感測器520處之像平面(表面17，或S17)之間沿AX2軸向厚度或空間間距。如表7E中可見，光感測器520與透鏡系統/IR濾波器之間的距離改變約0.1982mm(198.2微米)以供透鏡系統510將物景自無窮遠處變焦及聚焦至<1000mm處。應注意，在不同F/#設定下，光感測器520與透鏡系統/IR濾波器之間的距離可變化。
表7A至表7E中之光學處方描述如圖19A至圖19E中所說明之透鏡系統510之實例實施例，其中透鏡元件之折射能力經分佈以使得透鏡元件L1至L5之焦距f1至f5相對於有效焦距f之比率為|f1/f|=0.727、|f2/f|=0.383、|f3/f|=0.209、|f4/f|=0.457及|f5/f|=0.365。在表7C中列出實例實施例中之透鏡系統510中之透鏡元件之表面的非球面係數。根據透鏡元件之能力分佈之佈置組態透鏡系統510及如表7A至表7E中展示調 整曲率半徑及非球面係數，可減小透鏡系統510之總軌道長度(TTL)，且可有效地校正系統之像差以在小外觀尺寸相機500中針對無窮遠處之物景及位於<1000mm距離處之物景獲得高影像品質解析度之光學效能。
圖21為根據至少一些實施例之用於使用圖1A至圖18中所說明之具有摺疊式透鏡系統之相機擷取影像的方法的高階流程圖。如1100處所指示，在相機之第一透鏡群組處接收來自相機前面之物場的光。在至少一些實施例中，第一透鏡群組包括第一透鏡元件L1。然而，第一透鏡群組亦可包括(例如)位於第一透鏡元件與物平面之間的窗元件。在一些實施例中，孔徑光闌可定位於第一透鏡元件處或第一透鏡元件前面。然而，光闌可位於透鏡系統中之別處，例如第一透鏡元件與稜鏡之間。在一些實施例中，孔徑光闌可為固定的。然而，在一些實施例中，孔徑光闌可能在(例如)F/2.8至F/4.0或更高之範圍內為可調整的，如藉由圖19A至圖19E中之相機500及透鏡系統510所說明。如1102處所指示，第一透鏡群組將光折射至具有反射表面之光路摺疊元件(例如，稜鏡或平面鏡)。如1104處所指示，光路摺疊元件改變光之方向以將光導向至第二透鏡群組。在至少一些實施例中，第二透鏡群組包括第二至第五透鏡元件L2至L5。在一些實施例中，第二透鏡群組亦可包括(例如)位於第五透鏡元件與光感測器之間的IR濾波器。如1106處所指示，藉由第二透鏡群組折射光以在光感測器之表面處或附近的像平面處形成影像。如1108處所指示，可藉由光感測器擷取影像。
總而言之，來自物場之入射光經由位於第一光軸AX1上之光學元件(第一透鏡群組)之折射光學表面傳遞。光路摺疊元件(例如，稜鏡)之反射表面改變入射光自第一光軸AX1至第二光軸AX2之方向，且第二光軸上之入射光經由第二透鏡群組中之光學元件傳遞至第二光軸上之光感測器處或附近的像平面。
在一些實施例中，光學元件可如圖1A及圖1B中所說明組態。替代地，光學元件可如圖5A及圖5B中所說明組態。作為又一替代方案，光學元件可如圖9A及圖9B中所說明組態。作為又一替代方案，光學元件可如圖13中所說明組態。作為又一替代方案，光學元件可如圖14A及圖14B中所說明組態。作為又一替代方案，光學元件可如圖18中所說明組態。然而，應注意，圖式中給定之實例的變化係可能的，同時達成類似光學結果。
實例透鏡系統表
下表提供本文參考圖1A至圖18所描述之摺疊式透鏡系統及相機之實例實施例的各種光學及物理參數之實例值。表1A至表1E對應於如圖1A至圖4B中所說明之摺疊式透鏡系統110至110A之實例實施例。表2A至表2E對應於如圖5A至圖8B中所說明之摺疊式透鏡系統210至210A之實例實施例。表3A至表3E對應於如圖9A至圖12B中所說明之摺疊式透鏡系統310至310A之實例實施例。表4A至表4E對應於如圖13中所說明之摺疊式透鏡系統310B之實例實施例。表5A至表5E對應於如圖14A至圖17B中所說明之摺疊式透鏡系統410至410A之實例實施例。表6A至表6E對應於如圖18所說明之摺疊式透鏡系統410B之實例實施例。表7A至表7E對應於如圖19A至圖19E中所說明之摺疊式透鏡系統510之實例實施例。
在該等表中，除非另外規定，否則所有尺寸以毫米(mm)計。「S#」代表表面編號。正半徑指示曲率中心在表面之右部。負半徑指示曲率中心在表面之左部。「INF」代表無窮遠(如光學器件中所使用)。「ASP」指示非球面表面，且「FLT」指示平坦表面。厚度(或間距)為至下一表面之軸向距離。設計波長表示成像光學系統之光譜帶中之波長。
在表中，記錄關於光學參數(例如，曲率半徑及軸向厚度或間距、焦距)在光路之方向在自鏡面或稜鏡表面反射之後改變時的以下符號 規則。跟隨反射表面元件，正半徑指示曲率中心在表面之左部，負半徑指示曲率中心在表面之右部，且厚度或軸向間距具有負號。此符號規則為熟習光學設計技術之人士所熟知。在表中，列出系統有效焦距f之絕對值。
對於透鏡元件及IR濾波器之材料，提供在氦d線波長處之折射率Nd，以及相對於d線及氫之C線及F線的阿貝數Vd。可藉由以下等式定義阿貝數Vd：Vd=(Nd-1)/(NF-NC)，其中NF及NC分別為材料在氫之F線及C線處的折射率值。
參考非球面常數之表，可藉由下式給定描述非球面表面之非球面等式：
其中Z為平行於Z軸(對於所有實施例，Z軸與光軸重合)之表面的下陷，c為表面之曲率(表面之曲率半徑之倒數)，K為圓錐常數，且A、B、C、D、E、F、G及H為非球面係數。在表中，「E」表示指數記號(10之冪(power))。
參考離心常數之表，針對實例實施例列出光路摺疊元件(例如，稜鏡)中之反射表面之離心常數。如表1D至表7D中所示，光路摺疊元件(例如，稜鏡)之反射表面經定向為相對於L1之光軸為45度，且由此，L2至L5之摺疊光軸經組態以相對於L1之光軸為90度。然而，光路摺疊元件之反射表面之角度定向可經組態成適合所要光路方向及透鏡系統封裝要求的所要值。
應注意，藉助於實例給定下表中針對摺疊式透鏡系統之各種實施例中之各種參數給定的值，且該等值並非意欲為限制性的。舉例而言，用於實例實施例中之一或多個透鏡元件之一或多個表面的參數中之一 或多者以及用於組成元件之材料的參數可給定為不同值，同時仍為透鏡系統提供類似效能。詳言之，應注意，表中之一些值可針對使用本文所描述之摺疊式透鏡系統之實施例的相機之較大或較小實施按比例擴大或縮小。
另外應注意，自物平面處之第一表面0至像平面處之最後一個表面列出表中所示及對應圖式中所說明的摺疊式透鏡系統之各種實施例中之元件的表面編號(S#)。由於元件之數目及位置在實施例中可變化，故對應於一些元件之表面編號在不同表及圖式中可變化。詳言之，應注意，在參考此文件中之透鏡元件(L#)之表面的曲率半徑(R#)的情況下，所使用之參考(R#)(例如，用於透鏡元件L1之表面的R1及R2)對於所有實施例為相同的，且可(但不一定)對應於表及圖式中給定之透鏡元件之表面編號。
在至少一些實施例中，摺疊式透鏡系統為裝備及組態有用於聚焦/變焦之可移動透鏡群組、透鏡元件及/或光感測器的變焦系統。在表1B至表7B中藉由星號(*)表示實例實施例之變焦參數，且該等參數亦列於變焦參數表(表1E至表7E)中。變焦參數為當透鏡系統經變焦以將無窮遠(例如，物距20公尺)處(在本文中被稱作位置1)之物景聚焦至(例如)位於距相機<1公尺處(在本文中被稱作位置2)之附近物景時改變的軸向間距或空間間距。應注意，聚焦透鏡群組之物距或焦點移位範圍可針對使用本文所描述之摺疊式透鏡系統之實施例的相機之較大或較小實施而按比例擴大或縮小。
實例計算裝置
圖22說明被稱作電腦系統2000之實例計算裝置，其可包括或代管圖1A至圖19中所說明之相機的實施例。另外，電腦系統2000可實施用於控制相機之操作及/或用於執行藉由相機擷取之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中之任一者，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、平板裝置或墊式裝置、平板電腦或迷你筆記型電腦、大型電腦系統、手持型電腦、工作站、網路電腦、相機、機上盒、行動裝置、無線電話、智慧型電話、消費型裝置、視訊遊戲控制台、手持型視訊遊戲裝置、應用程式伺服器、儲存裝置、電視、錄影裝置、周邊裝置(諸如交換器、數據機、路由器)或大體而言任何類型之計算或電子裝置。
在所說明之實施例中，電腦系統2000包括經由輸入/輸出(I/O)介面2030耦接至系統記憶體2020之一或多個處理器2010。電腦系統2000進一步包括耦接至I/O介面2030之網路介面2040及一或多個輸入/輸出裝置2050，諸如游標控制裝置2060、鍵盤2070及顯示器2080。電腦系統2000亦可包括一或多個相機2090，例如上文關於圖1A至圖19所描述之亦可耦接至I/O介面2030的一或多個相機，或上文關於圖1A至圖19所描述之一或多個相機連同諸如寬視場及/或攝遠相機之一或多個其他相機。
在各種實施例中，電腦系統2000可為包括一個處理器2010之單處理器系統或包括若干個(例如，兩個、四個、八個或另一合適數目個)處理器2010之多處理器系統。處理器2010可為能夠執行指令之任何合適的處理器。舉例而言，在各種實施例中，處理器2010可為實施多種指令集架構(ISA)中之任一者(諸如x86、PowerPC、SPARC或MIPS ISA或任何其他合適ISA)的通用或嵌入式處理器。在多處理器系統中，處 理器2010中之每一者可通常(但不必)實施同一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(諸如靜態隨機存取記憶體(SRAM)、同步動態RAM(SDRAM)、非揮發性/快閃型記憶體或任何其他類型之記憶體)實施。在所說明之實施例中，程式指令2022可經組態以實施用於控制相機2090之操作及用於利用整合式相機2090擷取及處理影像的各種介面、方法及/或資料，或其他方法或資料(例如用於擷取、顯示、處理及儲存利用相機2090擷取之影像的介面及方法)。在一些實施例中，可接收、發送程式指令及/或資料或將其儲存在不同類型之電腦可存取媒體上或與系統記憶體2020或電腦系統2000分離之類似媒體上。
在一個實施例中，I/O介面2030可經組態以協調裝置中之處理器2010、系統記憶體2020及任何周邊裝置(包括網路介面2040或諸如輸入/輸出裝置2050之其他周邊介面)之間的I/O訊務。在一些實施例中，I/O介面2030可執行任何所需協定、計時或其他資料轉化以將來自一個組件(例如，系統記憶體2020)之資料信號轉換成適合於另一組件(例如，處理器2010)使用之格式。在一些實施例中，例如，I/O介面2030可包括對於經由各種類型之周邊匯流排(諸如周邊組件互連(PCI)匯流排標準或通用串列匯流排(USB)標準之變體)附接的裝置的支援。在一些實施例中，例如，I/O介面2030之功能可拆分成兩個或兩個以上獨立組件，諸如北橋接器及南橋接器。又，在一些實施例中，I/O介面2030(諸如至系統記憶體2020之介面)的一些或所有功能性可直接併入到處理器2010中。
網路介面2040可經組態以允許在電腦系統2000與附接至網路2085之其他裝置(例如，載體或代理程式裝置)之間或電腦系統2000之節點之間交換資料。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，乙太網或公司網路)、廣域網路(WAN)(例如，網際網路)、無線資料網路、一些其他電子資料網路或其某一組合。在各種實施例中，網路介面2040可支援經由(例如)有線或無線一般資料網路(諸如任何合適類型之乙太網網路)、經由電信/電話網路(諸如類比話音網路或數位光纖通信網路)、經由儲存區域網路(諸如光纖通道SAN)或經由任何其他合適類型之網路及/或協定的通信。
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、鍵盤、小鍵盤、觸控板、掃描裝置、話音或光學識別裝置或適合於鍵入資料或藉由電腦系統2000存取資料的任何其他裝置。多個輸入/輸出裝置2050可存在於電腦系統2000中或可分佈在電腦系統2000之各種節點上。在一些實施例中，類似的輸入/輸出裝置可與電腦系統2000分離且可經由有線或無線連接(諸如經由網路介面2040)與電腦系統2000之一或多個節點互動。
如圖22中所示，記憶體2020可包括程式指令2022，該等程式指令可為處理器可執行的以實施任何元件或動作來支援整合式相機2090，該任何元件或動作包括(但不限於)用於控制相機2090之影像處理軟體及介面軟體。在至少一些實施例中，藉由相機2090擷取之影像可儲存至記憶體2020。另外，用於藉由相機2090擷取之影像的後設資料可儲存至記憶體2020。
熟習此項技術者將瞭解，電腦系統2000僅為說明性的且並非意欲限制實施例之範疇。詳言之，電腦系統及裝置可包括可執行所指示功能(包括電腦、網路裝置、網際網路電器、PDA、無線電話、尋呼機、視訊或靜態相機等)的硬體或軟體之任何組合。電腦系統2000亦可連接至未說明之其他裝置或替代地可作為獨立系統操作。另外，在一些實施例中，由所說明組件提供之功能性可組合在較少組件中或分佈在額 外組件中。類似地，在一些實施例中，可不提供一些所說明組件的功能性，及/或其他額外功能性可為可用的。
熟習此項技術者亦將瞭解，雖然將各種項目說明為當被使用時儲存在記憶體中或儲存器上，但出於記憶體管理及資料完整性之目的，此等項目或其部分可在記憶體與其他儲存裝置之間傳送。替代地，在其他實施例中，一些或所有軟體組件可執行於另一裝置上之記憶體中且經由電腦間通信與所說明電腦系統2000通信。一些或所有系統組件或資料結構亦可(例如，作為指令或結構化資料)儲存在待由適當驅動器讀取之電腦可存取媒體或攜帶型物品上，上文描述電腦可存取媒體或攜帶型物品之各種實例。在一些實施例中，儲存於與電腦系統2000分離之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(諸如網路及/或無線鏈路)傳達之信號(諸如電、電磁或數位信號)傳輸至電腦系統2000。各種實施例可進一步包括接收、發送或儲存根據前述描述實施於電腦可存取媒體上的指令及/或資料。大體言之，電腦可存取媒體可包括非暫時性電腦可讀儲存媒體或記憶體媒體，諸如磁性或光學媒體(例如磁碟或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，電腦可存取媒體可包括傳輸媒體或經由通信媒體(諸如網路及/或無線鏈路)傳達之信號，諸如電、電磁或數位信號。
本文所描述之方法在不同實施例中可以軟體、硬體或其組合予以實施。另外，可改變該等方法之區塊之次序，且可添加、重排序、組合、省略、修改各種元件等等。如受益於本發明將對熟習此項技術者所顯見，可作出各種修改及改變。本文所描述之各種實施例意謂說明性的而非限制性的。許多變化、修改、添加及改良係可能的。因此，可針對本文所描述之組件提供複數個個例作為單一個例。各種組件、操作及資料儲存器之間的邊界係略任意的，且在具體說明性組態之上 下文中說明特定操作。設想功能性之其他分配，且功能性之其他分配可屬於以下之申請專利範圍之範疇。最後，在實例組態中呈現為離散組件之結構及功能性可實施為組合式結構或組件。此等及其他變化、修改、添加及改良可屬於如以下之申請專利範圍中所定義的實施例之範疇。
100‧‧‧相機
101‧‧‧透鏡元件
102‧‧‧透鏡元件
103‧‧‧透鏡元件
104‧‧‧透鏡元件
105‧‧‧透鏡元件
110‧‧‧透鏡系統
120‧‧‧光感測器
140‧‧‧光路摺疊稜鏡
150‧‧‧窗
AS‧‧‧孔徑光闌
AX1‧‧‧第一光軸
AX2‧‧‧第二光軸

Claims (19)

  1. 一種相機，其包含：一光感測器，其經組態以捕獲投射至該光感測器之一表面上的光；及一摺疊式透鏡系統，其包含沿該相機之一第一光軸及一第二光軸佈置之複數個光學元件且經組態以進行以下操作：沿該第一光軸折射來自位於該相機之前面之一物場的光；將該光重導向至該第二光軸上；及折射該第二光軸上之該光以在該光感測器之該表面處之一像平面處形成一場景之一影像；其中該複數個光學元件沿該第一光軸及該第二光軸自該相機之一物側至該相機之一像側依序包括：一第一透鏡，其具有正折射能力(positive refractive power)，具有一凸(convex)物側表面；一光路摺疊元件，其經組態以將該光自該第一光軸重導向至該第二光軸上；一第二折射透鏡；一第三折射透鏡；一第四折射透鏡；及一第五折射透鏡；其中該摺疊式透鏡系統具有有效焦距f及總軌道長度TTL，且其中該摺疊式透鏡系統之攝遠比率|TTL/f|大於1.0。
  2. 如請求項1之相機，其中為將該光重導向至該第二光軸上，該摺疊式透鏡系統包括經組態以將該光自該第一光軸反射至該第二光軸上的一光路摺疊元件。
  3. 如請求項2之相機，其中該光路摺疊元件為一稜鏡。
  4. 如請求項1之相機，其中該複數個光學元件包含沿該相機之該第一光軸及該第二光軸佈置的複數個折射透鏡。
  5. 如請求項4之相機，其中該複數個透鏡中之至少一者之至少一個表面為非球面。
  6. 如請求項4之相機，其中該複數個透鏡中之至少一者由一第一塑膠材料組成，且其中該複數個透鏡中之至少另一者由具有與該第一塑膠材料不同之光學特性的一第二塑膠材料組成。
  7. 如請求項1之相機，其中該複數個光學元件中之至少一者經組態以沿一各別光軸移動以調整該光感測器處之該場景之該影像的焦點。
  8. 如請求項1之相機，其中該光感測器經組態以沿一各別光軸移動以調整該光感測器處之該場景之該影像的焦點。
  9. 如請求項1之相機，其中該摺疊式透鏡系統之總軌道長度(TTL)為16.0毫米以下。
  10. 如請求項1之相機，其中該摺疊式透鏡系統之有效焦距f在8.0毫米至14毫米之一範圍內，且其中該摺疊式透鏡系統之焦比在2.4至10之一範圍內。
  11. 如請求項1之相機，其中該複數個光學元件沿該第一光軸及該第二光軸自該相機之一物側至該相機之一像側依序包括：該第一光軸上之一第一折射透鏡；一光路摺疊元件，其經組態以將該光自該第一光軸重導向至該第二光軸上；及該第二光軸上之一或多個折射透鏡。
  12. 如請求項11之相機，其中該摺疊式透鏡系統進一步包括位於該光路摺疊元件之前面的一孔徑光闌。
  13. 如請求項12之相機，其中該孔徑光闌為可調整的，以提供2.4至10之一範圍內的一焦比。
  14. 如請求項1之相機，其中該第一透鏡之焦距f1滿足條件0.5<|f1/f|<0.8，其中該第二透鏡之焦距f2滿足條件0.3<|f2/f|<2.0，其中該第三透鏡之焦距f3滿足條件0.2<|f3/f|<0.6，其中該第四透鏡之焦距f4滿足條件0.4<|f4/f|<1.5，及其中該第五透鏡之焦距f5滿足條件0.3<|f5/f|<3.0。
  15. 如請求項1之相機，其中該光路摺疊元件為一稜鏡，且該第一透鏡與該稜鏡組合以形成一單一光學元件。
  16. 一種摺疊式透鏡系統，其包含：複數個折射透鏡元件，其沿該摺疊式透鏡系統之一摺疊光軸佈置，其中該複數個透鏡元件中之至少一者之至少一個表面為非球面；其中該摺疊式透鏡系統具有有效焦距f及總軌道長度(TTL)，且其中該摺疊式透鏡系統為可調整的，以提供在0.8至1.2之一範圍內的一攝遠比率|TTL/f|；及其中該複數個透鏡元件中之至少一者由一第一材料組成，且其中該複數個透鏡元件中之至少另一者由具有與該第一材料不同之光學特性的一第二材料組成。
  17. 如請求項16之摺疊式透鏡系統，其中該摺疊式透鏡系統之總軌道長度(TTL)為16毫米以下，及f在8.0毫米至14毫米之一範圍內。
  18. 如請求項16之摺疊式透鏡系統，其中該複數個透鏡元件沿該摺疊光軸自該摺疊式透鏡系統之一物側至該摺疊式透鏡系統之一像側依序包括：該摺疊光軸之該第一光學路徑上之一第一透鏡元件，其具有正 折射能力，具有一凸物側表面；一光路摺疊元件，其經組態以將光自該摺疊光軸之該第一光學路徑重導向至該摺疊光軸之一第二光學路徑上；該第二光學路徑上之一第二透鏡元件；該第二光學路徑上之一第三透鏡元件；該第二光學路徑上之一第四透鏡元件；及該第二光學路徑上之一第五透鏡元件。
  19. 一種計算裝置，其包含：一或多個處理器；一或多個相機；及一記憶體，其包含可由該一或多個處理器中之至少一者執行以控制該一或多個相機之操作的程式指令；其中該一或多個相機中之至少一者為一小外觀尺寸(small form factor)相機，其包含：一光感測器，其經組態以捕獲投射至該光感測器之一表面上的光；及一摺疊式透鏡系統，其經組態以：沿該第一光軸折射來自位於該相機之前面之一物場的光；將該光重導向至該第二光軸上；及折射該第二光軸上之該光以在該光感測器之該表面處之一像平面處形成一場景之一影像；及其中該摺疊式透鏡系統沿該第一光軸及該第二光軸自該摺疊式透鏡系統之一物側至該摺疊式透鏡系統之一像側依序包括：一第一透鏡，其具有正折射能力，具有一凸物側表面；一光路摺疊元件，其經組態以將該光自該第一光軸重導向至該第二光軸上； 一第二折射透鏡；一第三折射透鏡；一第四折射透鏡；及一第五折射透鏡；其中該摺疊式透鏡系統具有有效焦距f，其中該摺疊式透鏡系統之總軌道長度(TTL)為16.0毫米以下，且其中該摺疊式透鏡系統之攝遠比率|TTL/f|大於1.0。
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