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用于手机的小型反折射光学系统的制作方法

专利查询3月前  41

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本发明大体上涉及折叠光线路径的光学系统,尤其涉及一种在电子设备的成像系统中(尤其用于手机的小型远摄摄像头物镜中)使用的改进的移动式施密特-卡塞格林(Schmidt-Cassegrain)光学系统,从而实现光学防抖动能力和/或自动对焦能力。

背景技术

随着设备尺寸不断减小,尤其是厚度(z高度)不断减小,对扁平型手持智能设备的主摄像头的尺寸要求变得越来越严格。与此同时,越来越需要这些设备提供更高质量的图像和更大的变焦系数。例如,通过在设备中集成其它一个或多个远摄副摄像头模组,可以减小z高度,同时提高图像质量。但是,目前最大的多摄像头变焦系数仍然在3倍左右,而且通过现有便携式摄像头物镜可实现的等效焦距(基于单反相机)仍然在80mm左右。

标准折射远摄摄像头物镜往往很长,而且更大的变焦系数可能需要折叠的光学器件。设备尺寸限制了摄像头的高度,因此使用常见的折射透镜结构难以达到10倍变焦系数。如果折叠只发生在一个平面上,则也有可能限制光圈直径。

移动手机摄像头的另一个问题是光圈大小,这会加深远摄图像中的景深(depth of field,DOF)。长焦距光学系统中的小光圈也会导致远摄图像中的衍射模糊或“平滑”。在当前可变尺寸的远摄透镜中,衍射可能会限制透镜的分辨率和具有小像素尺寸传感器的图像中的局部对比度的清晰度。

折叠式折射远摄透镜中的有限光圈面积也会在图像中产生更多的噪声。通过对一张图像使用像素融合(pixel binning)或多次同时或连续曝光来降低噪声。用于降低噪声水平的另一种方案是将副摄像头传感器或像素中的一个在主摄像头系统中设置为灰度(例如,通过不具有滤色片的其中一个摄像头)。当灰度图像与彩色摄像头的图像组合时,最终图像中的动态性更大,噪声更少。

因此,为了提高亮度和降低噪声水平,F值或光圈面积在系统中的每个单独摄像头单元中都是必不可少的。F值更大(光圈面积更大)的摄像头单元会采集更多的光进入到图像中,从而使信噪比更高。

已经有人尝试通过使用卡塞格林(Cassegrain)双反射系统作为远摄摄像头物镜等方式折叠光线路径来解决其中一些问题。这种卡塞格林系统包括抛物面主镜和双曲面副镜,双曲面副镜通过主镜上的孔将光反射回去。通过折叠光线路径,上述设计更加紧凑。但是,这些包括多个镜和透镜的系统在机械上很复杂,生产和装配公差很低,因此成本高,而且在小尺寸设备中难以实现。由于机械零件敏感,长期使用后也容易发生故障。此外,卡塞格林系统主要用于天文或业余消费型望远镜等系统中。因此,这些系统用于对天文物体等静态物体进行成像,从而不需要防抖动功能。也就是说,由于这些系统通常是刚性安装的(例如,安装在支架或三脚架上),因此整个系统可以移动以跟随感兴趣的物体。但是,由于光学防抖动(optical image stabilization,OIS)在很大程度上已经成为移动设备摄像头系统中的标准配置,因此最好能够在基于卡塞格林双反射系统的小型系统中实现这种防抖动。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种改进的光学系统,以用作适合于手机的小型远摄摄像头物镜,以解决或至少减少上述问题。

上述和其它目的通过独立权利要求的特征来实现。其它实现方式在从属权利要求、具体实施方式和附图中是显而易见的。

根据第一方面,提供了一种反折射光学系统。所述反折射光学系统包括:

光学材料制成的实体,其中,所述实体包括:

环形入射面;

环形第一中间面,设置在所述入射面的对面;

第二中间面,与所述环形入射面的内圈基本上连续;

出射面,设置在所述第二中间面的对面;所述系统还包括:

主反射面和

次反射面,其中

所述主反射面和所述次反射面被设置为使得通过所述入射面射入所述系统中的光线在通过所述出射面射出之前至少折叠两次;

所述出射面通过朝所述第二中间面延伸的内壁连接到所述第一中间面,从而在所述实体内部形成空隙;(a)所述主反射面、(b)所述次反射面和设置在所述空隙内的其它光透镜的至少一部分被设置为相对于系统的光轴移动。移动一个或多个所述部分能够实现所述光学系统的光学防抖动和/或自动对焦。在一个示例中,移动可以包括移位。

这种具有双折叠结构的反折射光学系统,即光线路径通过反射折叠两次(前后光线路径)的结构,使得焦距比光学系统的实际外部尺寸长,因此能够在移动智能手机摄像头的远摄物镜中使用这种反折射光学系统,以实现更长的焦距、更大的变焦系数和高性能,同时保持小的z高度。另外,环形(圈形)的入射面和第一中间面能够增加双折叠设计中的光圈面积,这使得远摄物镜具有较大的聚光面积和较窄的焦深和视场角。实体(单块或单体)设计进一步使得机械组装简单、制造公差、生产和使用鲁棒性更高。内壁和通过内壁在实体中产生的空隙特别有利于在光学系统内设置其它透镜,因此可以在不增加系统必需的总z高度的情况下提高图像质量。

相对于系统的光轴,主反射面或其中的组件、次反射面或其中的组件和其它光透镜中的一个或多个可以横向或平行移位或倾斜,从而实现光学防抖动和/或自动对焦或自动对焦调整。也就是说,各个组或组中的组件或者组和/或组件的组合可以相对于系统的光轴移动,以便改进自动对焦和/或能够补偿系统所在的设备因移动等带来的不想要、无意或不希望的移动。组中的组件可以包括一个或多个透镜或光学材料制成的各个部分等。

在所述第一方面的一种可能实现方式中,所述入射面是与所述系统的光轴同轴设置的环形折射旋转面。这样使得所述系统能够平衡光学像差,以提高图像质量。

在一个实施例中,所述入射面是非球面。这样可以更好地校正所述主反射面的球面像差。

在所述第一方面的又一种实现方式中,所述第一中间面是与所述系统的光轴同轴设置的环形凹入旋转面。这样可以进一步优化所述系统的设计。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述第二中间面是与所述系统的光轴同轴设置的圆形凸起旋转面。这样可以进一步优化所述系统的设计。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述主反射面是与所述系统的光轴同轴设置的环形凹入旋转面,所述主反射面的曲率基本上对应于所述第一中间面的曲率。这样实现了一种简单的可以根据具体反射需求而设计的小型结构。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述次反射面是与所述系统的光轴同轴设置的圆形凸起旋转面,所述次反射面的曲率基本上对应于所述第二中间面的曲率。这样实现了一种简单的可以根据具体反射需求而设计的小型结构。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述主反射面是至少部分覆盖所述第一中间面的镜膜涂层。这样实现了一种简单的可以根据具体反射需求而设计的小型结构。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述主反射面是与所述第一中间面一模一样的镜面。这样实现了一种简单的可以根据具体反射需求而设计的小型结构。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述次反射面是至少部分覆盖所述第二中间面的镜膜涂层。这样实现了一种简单的可以根据具体反射需求而设计的小型结构。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述次反射面是与所述第二中间面一模一样的镜面。这样实现了一种简单的可以根据具体反射需求而设计的小型结构。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述第一中间面或所述第二中间面中的至少一个是折射面。这样能够平衡光学像差,以提高图像质量。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述系统还包括设置在所述光线路径上的所述第二中间面之后的圆形曼金镜,所述曼金镜包括所述次反射面和第三中间面,所述第三中间面是凸起的折射旋转面,所述次反射面是相对于所述光线路径在所述第三中间面的背面上的反射涂层。通过在所述系统中增加能够优化的表面,本实施例能够提高图像质量并降低公差灵敏度。此外,在性能优化过程中,增加中间面可以增加性能优化中的自由度。

在一个实施例中,所述系统还包括设置在所述光线路径上的所述第一中间面之后的另一环形曼金镜,所述曼金镜包括所述主反射面和第四中间面,所述第四中间面是凹入的折射旋转面,所述主反射面是相对于所述光线路径在所述第四中间面的背面上的反射涂层。本实施例进一步提高了图像质量并降低了公差灵敏度。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述出射面是与所述系统的光轴同轴设置的圆形折射旋转面。这样能够进一步平衡光学像差,以提高图像质量。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述第二中间面和所述出射面均是环形面。这样使得所述系统具有其它自由度和调整选项。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述主反射面是球面。这样可以简化设计,同时保持最终系统的优点。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述次反射面是双曲面。这样延长了焦距并将过度校正的球面像差减少到图像平面上的校正水平,从而可以进一步提高图像质量。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述系统的所有折射面都是非球形旋转面。这样使得系统可以达到最佳性能。

在所述第一方面的又一种可能实现方式中,所述系统还包括设置在所述空隙内的其它光透镜,所述其它光透镜与所述系统的光轴同轴设置,以校正所述系统的球面像差。这样提高了图像质量,同时仍然能够实现小的外部尺寸。

在一个实施例中,所述其它光透镜是施密特校正板。这样特别有利于校正反折射光学系统中的球面像差。

在又一种可能实现方式中,所述系统可以包括线性致动器。所述线性致动器可以用于调整所述主反射面、所述次反射面和所述其它光透镜中的至少一个的位置。这种线性致动器可以设置有多个。例如,可以在所述系统的周边等距地设置三个线性致动器。线性致动器可以以相对于所述系统的光轴的一定角度倾斜所述主反射面、所述次反射面和/或所述其它光透镜,并且能够与所述系统柔性耦接。例如,所述线性致动器的致动臂能够与所述主反射面、所述次反射面和所述其它光透镜或它们中的组件柔性耦接。

在又一种可能实现方式中,可以设置有一个支撑轨,所述支撑轨用于将所述主反射面、所述次反射面和所述其它光透镜中的至少一个的运动限制到预定义路径。因此,各个组或组件中的一个的至少一部分能够与支撑轨柔性耦接,以使得这部分能够沿着由所述支撑轨限定的路径移动。

根据一个示例,所述主反射面、所述次反射面和所述其它光透镜中的至少一个被设置为相对于所述系统的光轴横向移动、平行于所述系统的光轴移动和相对于所述系统的光轴倾斜中的至少一个。所述次反射面可以平行于所述系统的光轴移位(或移动),由此能够实现所述系统的自动对焦或自动对焦调整。所述次反射面可以相对于所述系统的光轴倾斜(或以一定角度移位),由此能够实现所述系统的光学防抖动。

根据第二方面,提供了一种电子设备。所述电子设备包括:

外壳;

根据所述第一方面的任一种可能实现方式所述的设置在所述外壳内的反折射光学系统,

其中,所述外壳还包括光圈,所述光圈被设置在所述外壳的壁内,以使得物体发出的光线射入所述反折射光学系统中;

所述设备还包括图像传感器,所述图像传感器被设置为能够接收从所述反折射光学系统射出的光线。

这种电子设备包括上述(例如,以嵌入到移动智能手机结构中的远摄物镜的方式的)光学系统,外形小但焦距仍然很长。在所述外壳内设置所述光学系统能够获得其它自由度,例如,调整焦距。

所述设备的设置使得所述光学系统的实体能够捕获、裁剪、限制角度入射3D光场(即从画面中击中光圈)的一部分并转换到2D图像传感器17平面上的空间图像投影,从而将光线角度转换为图像传感器17上的空间位置。

在所述第二方面的一种可能实现方式中,所述实体的厚度被限定为所述实体的沿着所述反折射光学系统的光轴测量到的最大长度,所述厚度在所述图像传感器的对角线尺寸的75%至125%之间。这种设计特别有利于提高图像质量。

在另一个更优选的实施例中,所述实体的厚度在所述图像传感器的对角线尺寸的80%至120%之间。这种设计更加有利于提高图像质量。

在所述第二方面的又一种可能实现方式中,所述出射面和所述图像传感器之间的距离是沿着所述反折射光学系统的光轴测量到的,所述距离在所述图像传感器的对角线尺寸的80%至120%之间。这种设计特别有利于提高图像质量。

在另一个更优选的实施例中,所述出射面和所述图像传感器之间的距离在所述图像传感器的对角线尺寸的87.5%至112.5%之间。这种设计更加有利于提高图像质量。

在所述第二方面的又一种可能实现方式中,所述反折射光学系统还包括设置在所述空隙内的光透镜;所述出射面和所述图像传感器之间的距离是沿着所述反折射光学系统的所述光轴测量到的,所述距离大约为所述图像传感器的对角线尺寸的82%。这种设计特别有利于提高图像质量。

根据第三方面,提供了一种在根据所述第一方面的任一种可能实现方式所述的反折射光学系统中实现光学防抖动的方法。所述方法包括:相对于所述系统的光轴横向移动所述主反射面、所述次反射面和所述其它光透镜中的至少一个;平行于所述系统的光轴移位所述主反射面、所述次反射面和所述其它光透镜中的至少一个;相对于所述系统的光轴倾斜所述主反射面、所述次反射面和所述其它光透镜中的至少一个。所述方法还可以包括通过平行于所述系统的光轴移位所述次反射面,执行或改进所述系统的自动对焦操作。

这些方面和其它方面在下文描述的实施例中是显而易见的。

附图说明

在本发明的以下具体实施方式中,参考附图中示出的示例性实施例,仅通过举例更详细地解释各个方面、各个实施例和各种实现方式。

图1为第一方面的一个实施例提供的反折射光学系统的示意性截面图。

图2为第一方面的另一个实施例提供的反折射光学系统的示意性旋转截面图。

图3为第一方面的另一个实施例提供的反折射光学系统的示意性旋转截面图。

图4为第一方面的另一个实施例提供的反折射光学系统的示意性旋转截面图。

图5为第一方面的另一个实施例提供的反折射光学系统的示意性截面图。

图6为第二方面的一个实施例提供的设备的示意性截面图。

图7为第二方面的另一个实施例提供的设备的示意性截面图。

图8为一个示例提供的可移动反折射光学系统的示意截面图。

图9为一个示例提供的可移动反折射光学系统的另一示意性截面图。

图10为一个示例提供的可移动反折射光学系统的另一示意性截面图。

图11为一个示例提供的可移动反折射光学系统的另一示意性截面图。

图12为一个示例提供的可移动反折射光学系统的另一示意性截面图。

具体实施方式

下文充分详细地描述了示例性实施例,以使本领域的普通技术人员能够实施和实现本文描述的系统和过程。重要的是要理解实施例可以通过许多替代形式提供,并且不应当解释为限于本文阐述的示例。因此,虽然实施例可以通过各种方式修改并采取各种替代形式,但是具体实施例在附图中示出并在下文作为示例详细描述。不期望限制所公开的特定形式。相反,属于所附权利要求书范围内的所有修改、等效物和替代方案都应当包括在内。在所有附图和适当的具体实施方式中,示例性实施例中的元素一致地通过相同的附图标记表示。

本文用于描述实施例的术语并不是为了限制范围。“一(a/an)”和“所述(the)”因具有单一指示物而为单数,但本文件中使用单数形式不应当排除存在一个以上指示物。换句话说,除非上下文另外明确指出,否则以单数提及的元素在数量上可以是一个或多个。还应当理解的是,本文使用的术语“包括(comprises/comprising/includes/including)”说明存在所陈述特征、项目、步骤、操作、元件和/或组件,但并不排除存在或添加一个或多个其它特征、项目、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。

除非另有定义,否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)都应当被解释为本领域的习惯用法。还应当理解,除非在本文中明确定义,否则通常用法中的术语也应当被解释为相关领域中的习惯用法,而不应当解释为理想化或过于正式的意义。

图1示出了本发明提供的一种反折射光学系统。该反折射光学系统被定义为折射和反射通常通过透镜(折射光学)和曲面镜(反射光学)在光学系统中进行组合的系统。本发明提供的系统表示一种改进的移动式施密特-卡塞格林(movable Schmidt Cassegrain,MSC)系统,其能够满足移动设备中的大尺寸和高性能要求(分辨率)。如下详述,本发明增加了自由度并能够生成光学防抖动数据。

光学系统包括光学材料制成的实体1,实体1包括环形入射面2和设置在入射面2的对面的环形第一中间面3。在所示的实施例中,入射面2是与系统的光轴同轴设置的环形折射旋转面,第一中间面3是与系统的光轴同轴设置的环形凹入旋转面。

实体1还包括与环形入射面2的内圈基本上连续的第二中间面4和设置在第二中间面4的对面的出射面5。在所示的实施例中,第二中间面4是与系统的光轴同轴设置的圆形凸起旋转面,出射面5是与系统的光轴同轴设置的圆形折射旋转面。

在光学系统的一些实施例中,第一中间面3或第二中间面4中的至少一个是折射面。在所示的实施例中,第一中间面3和第二中间面4均是折射面。

在一个实施例中,实体1中的所有折射面都是非球形旋转面。

在另一个实施例中,光学系统中的所有折射面都是非球形旋转面。

该系统还包括主反射面6和次反射面7。主反射面6和次反射面7被设置为使得通过入射面2射入系统中的光线在通过出射面5射出之前至少折叠两次。在所示的实施例中,主反射面6是与系统的光轴同轴设置的环形凹入旋转面,主反射面6的曲率基本上对应于第一中间面3的曲率,而次反射面7是与系统的光轴同轴设置的圆形凸起旋转面,次反射面7的曲率基本上对应于第二中间面4的曲率。

在一个实施例中,主反射面6是球面。

在一个实施例中,次反射面7是双曲面。

在一些实施例中,例如在图1中所示的实施例中,主反射面6和次反射面7与实体1分离并设置为浮动元件。这样会在实体1和每个反射面之间产生空域厚度,该空域厚度可以用作性能优化或调整系统焦点的变量。在其它可能的实施例中,浮动元件方向(即相对于实体1偏心或倾斜)可以用于实现相机光学防抖动。

如图1所示,出射面5通过朝第二中间面4延伸的内壁8连接到第一中间面3,从而在实体1内部形成空隙9。空隙9特别有利于在光学系统内设置其它透镜(例如图4至图7所示的透镜12),但不会增加必需的总z高度。

如图1所示,(如虚线所示),光通过入射面2射入系统中,入射面2可以是环形非球形透镜面,然后,光(通过环形第一中间面3)传播到主反射面6处的第一折叠反射,主反射面6是系统中的正主镜。下一步骤(在横跨第二中间面4之后)是次反射面7处的第二折叠反射,次反射面7是负次镜。实体1的材料块结束于通向空域的出射面5(到图像平面结束)。

折镜之间的这种双折叠式光线路径形成了一个双镜卡塞格林望远镜型光学系统,该系统在某种程度上类似于标准远摄镜头,其中包括由镜子代替的正负透镜组。组件(表面)之间的距离与主反射面的焦距有关,并且结构的不同实施例能够平衡彗差、散光、场曲等其它像差。

如果MSC系统中的一个镜子(在角度方向)被转动,则反射图像会发生很大移位,而如果透镜在典型的折射远摄光学系统中被转动/倾斜,图像几乎没有移位。因此,在折射远摄光学系统中,MSC OIS与传统的OIS大不相同。

根据一个示例,OIS和/或自动对焦(autofocus,AF)是通过移动MSC系统中的一个组件或组件组或通过移动整个MSC系统在该系统中实现,该系统可以是结合图1以及更一般地参考结合本文提供的任一附图描述的任一实现方式描述的系统。在一个示例中,移动组件、组件组或整个系统补偿了系统所在的设备的移动。例如,补偿移动可以用于抵消捕获场景或对象的图像或(例如,以视频为形式的)图像集的移动设备产生的不必要或无意移动。移动系统中的一个或多个组件或移动整个系统也可以用于(单独或与移动一起提供防抖动)实现AF。也就是说,移动一个或多个组件或移动整个系统可以用于将图像聚焦到系统所在的设备的成像传感器上。

图2和图3示出了本发明提供的反折射光学系统的其它实施例,其中,主反射面6和次反射面7被设置为实体1的一部分,而不是光学系统的单独部件。

在图2所示的实施例中,主反射面6是至少部分覆盖第一中间面3的镜面涂层6A,次反射面7同样是至少部分覆盖第二中间面4的镜面涂层7A。

在图3所示的实施例中,主反射面6是与第一中间面3一模一样的镜面6B,次反射面7同样是与第二中间面4一模一样的镜面7B。

图4示出了本发明提供的反折射光学系统的又一实施例,其中,主反射面6被设置为实体1的一部分。在一个实施例中,主反射面6是覆盖第一中间面3的镜面涂层6A。在另一个实施例中,主反射面6是与第一中间面3一模一样的镜面6B。

然而,次反射面7被单独设置为圆形曼金镜(Mangin mirror)10的一部分,圆形曼金镜10被设置在光线路径上的第二中间面4之后。在光学中,曼金镜是一种负弯月形透镜,玻璃背面的反射面形成一个反射光但没有产生球面像差的曲面镜。具体而言,简单的球面镜正常产生的球面像差被光穿过负透镜产生的相反球面像差抵消。由于光线两次穿过玻璃,整个系统就像一个三合透镜。

曼金镜10还包括第三中间表面11,在所示的实施例中,第三中间面11是凸起的折射旋转面。在本实施例中,次反射面7被设置为相对于光线路径在第三中间面11的背面上的反射(镜面)涂层7C。

在又一可能的实施例中,主反射面6还被设置为曼金镜的一部分,类似于上述实施例。通过在系统中增加能够优化的表面,本实施例能够提高图像质量并降低公差灵敏度。

在更多可能的实施例中,光学系统包括设置在空隙9内的其它光学透镜12,如图4至图7所示。光透镜12与系统的光轴同轴设置,以校正系统的球面像差。

在图4所示的实施例中,其它光透镜12是施密特校正板。这种设置在设计上最接近于施密特-卡塞格林(Schmidt-Cassegrain,SC)型望远镜光学器件。

图5示出了本发明提供的反折射光学系统的又一实施例,其中,第二中间面4和出射面5都是环形面,包括沿着系统的光轴设置在实体中的孔。因此,在本实施例中,实体1中的折叠光线路经或光线路径穿过的所有表面都是环形面。如图所示,大多数所描述的实施例是旋转对称的,旋转轴就是系统的光轴。

图4和图5还示出了其它图像传感器17,图像传感器17被设置为能够接收从反折射光学系统13射出的光线。在图4所示的实施例中,在光线路径上的图像传感器17之前设置有一块保护玻璃18。

图6示出了本发明提供的电子设备14的示例性实现方式。电子设备14包括外壳15和上述任一实施例提供的设置在外壳15内的反折射光学系统13。外壳15还包括光圈16,光圈16被设置在外壳15的壁内,以使得物体发出的光线射入反折射光学系统13中,设备14还包括图像传感器17,图像传感器17被设置为能够接收从反折射光学系统13射出的光线。

在一些实施例中,一块保护玻璃18可以设置在光线路径上的图像传感器17之前,如图4所示。

在一些实施例中,光学系统可以包括设置在空隙9内的其它光透镜12。在一个特别有利的实施例中,其它透镜12由Zeon E48R制成,Zeon E48R是一种创新的塑料(环烯烃聚合物)材料,主要用于制造具有低吸湿性、良好透明度和高精密造模法等属性的光学部件。

在一个实施例中,实体包括包围式环形机械台阶19,并且外壳15可以在其壁内包括与环形台阶19相对应的圆形或螺纹嵌件,以能够将实体1保持在适当的位置上,并且可选地使实体1平行于系统13的光轴移动以靠近或远离图像传感器17。在一个实施例中,实体可以相对于图像传感器17以预定义的步长移动。在另一个实施例中,实体可以相对于图像传感器17连续移动。

在一个特别有利的实施例中,实体1使用的光学材料是光学聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,PMMA)(也称为丙烯酸、丙烯酸玻璃或透光有机玻璃),实体1通过金刚车削(diamond turning)实现。

在又一个实施例中,实体还包括挡板钻孔20和可选的漫射面涂层21(哑光黑漆),以减少系统13中的入射光和不需要的反射。

图7示出了本发明提供的电子设备14内的反折射光学系统13的一个实施例,示出了相对于图像传感器17的尺寸的设备14中的光学系统的优选设置的相对尺寸和它们之间的距离。

在所示的实施例中,图像传感器17的对角线尺寸D为图像传感器17的两个相对角之间的对角线的长度(由于图像传感器通常是方形的,因此任何对角线都可以当作对角线尺寸)。实体1的厚度S为实体1的沿着反折射光学系统13的光轴测量到的最大长度。空域长度L为出射面5和图像传感器17之间的沿着反折射光光学系统13的光轴测量到的最大距离。间隙长度G为在实体1和图像传感器17之间测量到的最短距离。总轨道长度T为实体1和图像传感器17的最远点之间的距离。因此,从图中可以看出,实体1的间隙长度G和厚度S的总和等于总轨道长度,T=S+G。

图7中进一步示出了光圈障碍物直径O、全光圈直径A和全元件直径E。

在一个优选实施例中,实体1的厚度S在图像传感器17的对角线尺寸D的75%至125%之间。在一个更优选的实施例中,实体1的厚度S在图像传感器17的对角线尺寸D的80%至120%之间。

在另一个优选实施例中,空域长度L在图像传感器17的对角线尺寸D的80%至120%之间。在一个更优选的实施例中,空域长度L在图像传感器17的对角线尺寸D的87.5%至112.5%之间。

在又一个优选实施例中,反折射光学系统13包括设置在空隙9内的光透镜12,空域长度L大约是图像传感器17的对角线尺寸D的82%。

图8示出了本发明提供的反折射光学系统的一个实施例。在图8的示例中,构成反折射光学系统的一个或多个光学元件可以进行移动或移位,以实现光学防抖动。存在三种移动:z移位、倾斜和偏心,它们可以单独应用,也可以组合应用。

在图8的示例中,示出了三个光学组,即主组801、次组803和透镜组805。每组包括一个或多个光学组件,例如光学材料和透镜。主组801中的一个或多个光学组件形成光学系统的主反射面。次组803中的一个或多个光学组件形成光学系统的次反射面。透镜组805可以设置在上述通过内壁(8)形成的空隙内。在一个示例中,光学组件可以包括由光学材料制成的透镜元件或单片结构。

根据一个示例,主组801、次组803和透镜组805中的一个或多个或它们的一个或多个组件可以相对于其它组件(组件组)移动,以便实现OIS和/或AF。需要说明的是,统一移动主组801、次组803和透镜组805导致整体移动反折射光学系统,但是在这种情况下,各个组和/或组内的单个光学组件可以移动不同距离。因此,所有移动类型或其组合都可以应用于一个光学元件、元件组或整个系统。

相对于光轴A,Z移位可以用于调整与设置在图像平面807上的传感器的对焦距离。倾斜和偏心移动可以用于补偿曝光条件下的旋转和X-Y移位。

组合移动(包括倾斜、形成偏心的X-Y移位以及Z移位)可以应用于单个元件或组位置,从而实现光学防抖动。在一个示例中,如果光学元件沿着预定义路径在轨道上移位,则运动是所有3种类型的组合移动。

图9示出了本发明提供的反折射光学系统的一个实施例。在图9的示例中,示出了次组803的移位。以这种方式移动次组803能够实现AF。如箭头901所示,次组803(或组成次组803的一个或多个组件)可以进行z移位。这样移动的结果是,次组803中的一个光学组件或每个光学组件与图像平面807之间以及与成像传感器之间的距离被拉大。如果入射光束没有在次组803中的移动组件的两侧准直,则这种移位将系统对焦距离移动到系统前面。如果入射光束在次组803中的移动组件的一侧准直,则z移位使焦点移动并将系统的总焦距添加为前(最上方)元素。

图10示出了本发明提供的反折射光学系统的一个实施例。在图10的示例中,示出了次组803的倾斜。以这种方式移动次组803能够实现OIS。

在图10的示例中,次组803中的一个或多个光学元件被倾斜,以便补偿系统所在的设备的角度旋转或摆动。倾斜中心1001可以设置在元件或组或整个系统的内部或外部的光学对称轴上。在一个示例中,三个线性致动器(为了清晰起见,图10示出了其中一个致动器1003)设置在次组803的环1005附近。这些致动器可以在环1005附近相隔120°。将次组803耦接到致动器的接合点1007由柔性连接形成。在一个示例中,线性致动器相对于系统的光轴的角度方向能够实现复杂的OIS移动,特别是使用路径轨道(未示出)来实现。

图11示出了本发明提供的反折射光学系统的一个实施例。在图11的示例中,OIS通过整个系统的横向移动来实现,如箭头1101所示。也就是说,如果当前物镜或光学元件或组在X-Y平面上从中心轴(例如,相对于设置在图像平面上的传感器)横向移位(偏心),可以补偿无意或不需要的横向系统移动。在一个示例中,偏心物镜系统可以实现比传感器的物理尺寸更大的图像圈。因此,在横向移动的限制下,图像传感器仍然能够生成图像数据。在一些示例性系统中,次组803和主组801能够以不同的横向速度和/或在不同的方向移动,以实现OIS补偿。然后,组件移动可以自然地跟随双镜系统中从以一定角度倾斜的画面投射的镜像反射。

图12示出了本发明提供的反折射光学系统的一个实施例。在图12的示例中,示出了路径上各种移动状态下的次组803,以实现OIS。在图12的示例中,路径通过轨道1201、1203实现,轨道1201、1203用于限制次组803沿着支撑轨1201、1203移动。在一个示例中,可以在次组803的周边等距地设置三个支撑轨(类似于上述线性致动器的设置),光学组件、组或整个物镜可以被设置为沿预定义路径移动,该预定义路径由支撑轨的位置限定。因此,当元件通过弹簧载荷等推到轨道上时,路径在元件进行x-y移位时为球面。致动器可以用于产生元件或组的x-y移动。然后,强制进行横向x-y移位还可以围绕曲率点1205的中心进一步对组件进行倾斜和z移位。在一个示例中,为了实现AF,还可以实现支撑轨道系统z移位。

在上文参考图8至图12描述的示例中,组件或组件的各个部分或一个或多个组的移动、移位和倾斜可以通过一个或多个线性致动器来实现。例如,参考次组803,可以提供几个线性致动器,以便实现其移动/移位/倾斜。类似地,可以为主组801和/或透镜组805提供线性致动器,以便能够实现这些组的移动/移位/倾斜。

示例性实施例

根据图7所示设置的具体示例性实施例已经作为原型被实现。下文提到的实现参数和详细内容也适用于图8至图12中所示的设置。

参考图7,一种原型针对2种对焦距离进行了优化:无限和1.5米。在本示例性实施例中,间隙长度G可以在极端对焦距离之间调整0.485mm步长。图像传感器对角线D的目标尺寸为4.2mm。最终系统13的z高度小于7mm。主反射面6的直径在该系统中是最大的,元件直径限定为10mm。

原型实体1(透镜)中的所有光学表面通过使用最大8阶项优化为奇数非球面形式。优化误差函数对传感器尺寸、z高度和元件以及空域厚度和大小有限制。目的是实现图像质量、射线与表面的角度、系统的透射和失真。下表总结了最终尺寸:

表1

非球面公式

光学表面基本非球面性可以通过标准非球面公式、偶数非球面公式或奇数非球面公式来描述。在性能优化中,所有表面都可以使用至少二阶非球面参数。优选地,需要6阶以上非球面参数,通过高阶像差校正获得最佳性能。类似的表面形式可以通过非球面类型(例如样条(spline)、曲面(nurb)等)获得。但是,向透镜面增加过于复杂的非球面形式可能会增加表面形式的高空间频率和透镜失真曲线,从而影响图像质量。非球面的优选公式如下所示。

标准表面的“垂度(sag)”或z坐标如下所示:

其中,

-c是曲率(半径的倒数)

-r是以透镜为单位的径向坐标

-k是圆锥常数

偶数非球面模型仅使用径向坐标的偶数幂和参数α来描述非球面性。表面垂度如下所示:

在奇数非球面模型中,使用了r的偶数幂和奇数幂以及参数β。垂度如下所示:

本文结合各种实施例描述了各个方面和各种实现方式。但是,本领域技术人员在实践所请求保护的主题时,通过研究附图、公开内容和所附权利要求书,能够理解和实现所公开实施例的其它变型。在权利要求书中,词语“包括(comprising)”不排除其它元素或步骤,“一(a/an)”不排除多个。单个处理器或其它单元可以实现权利要求书中列举的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中列举一些措施并不表示这些措施的结合不能被用于获取优势。计算机程序可存储/分发到合适的介质上,例如与其它硬件一起或者作为其它硬件的部分提供的光存储介质或者固态介质,还可以以其它形式例如通过因特网或者其它有线或无线电信系统分发。

根据一个示例,本文所述的反射、曼金或折射光学表面/表面形式中的任何一种不限于施密特-卡塞格林或卡塞格林表面形式(例如板、球面、抛物线或双曲线)。本文描述的光学表面的所有表面形式都可以包括更高阶的非球面。例如,可以使用针对小型尺寸、像差平衡和可制造性进行优化的高阶非球面形式(例如,比球面或圆锥形更高阶的非球面)。

虽然已经参考某些示例描述了方法、装置、系统和相关方面,但在不脱离本发明的情况下,可以进行各种修改、改变、省略和替换。具体地,一个示例、实施例或方面的器件、特征或块可以与另一个示例、实施例或方面的特征/块组合或由另一个示例、实施例或方面的特征/块替换。

任何从属权利要求的特征可以与任何独立权利要求或其它从属权利要求的特征组合。

权利要求书中使用的附图标记不应当被解释为限制范围。


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