折叠透镜套件

本申请为申请号CN201880003488.X(PCT申请号为PCT/IB2018/055450)、申请日2018年07月22日、发明名称“具有大孔径的紧凑型折叠透镜”的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求通过引用的方式被全文合并在本文中的2017年7月23日提交的美国临时专利申请No.62/535,926的权益。

技术领域

本文所公开的实施例涉及光学透镜，具体说涉及折叠式光学透镜。

背景技术

具有折叠式光学装置的摄影机(或者简称作“折叠式摄影机模块”或“折叠式摄影机”)是已知的。具体来说，这样的折叠式摄影机模块已被提出用于合并在例如蜂窝电话或智能电话之类的电子移动设备中，例如是作为包括两个或更多透镜模块的多摄影机结构的一部分，至少其中一个透镜模块是“折叠式”的。一个实例是可以包括一个或两个折叠式摄影机模块的两摄影机结构(也被称作“双摄影机”或“双孔径摄影机”)。

在折叠式摄影机模块结构中，添加了例如是棱镜或反射镜的光径折叠元件(后文中称作“OPFE”)，以便把光传播方向从第一方向(例如垂直于电话背表面的方向)倾斜到第二方向(例如平行于电话背表面)。如果折叠式摄影机模块是双孔径摄影机的一部分，这样则提供了穿过一个透镜模块(通常是“长焦”透镜模块)的折叠光径。这样的摄影机在本文中被称作折叠透镜双孔径摄影机或者具有折叠透镜的双孔径摄影机。

随着移动设备的规格(特别是例如智能电话之类的设备的厚度)不断减小，紧凑型摄影机规格正越来越成为设备厚度的一个限制因素。因此，需要进一步减小摄影机规格，特别是折叠式摄影机高度和长度。

发明内容

本发明所公开的主题内容包括折叠式摄影机的各种设计，其中的折叠透镜的设计具有大摄影机孔径面积、减小的光学高度，并且可以支持相对于光学高度具有大对角线尺寸的图像传感器，并且其中大多数透镜元件具有圆形孔径。

在本说明书中，在附图中被示出并且标记出的本领域内已知的术语“轨道总长”(TTL)是透镜的一项属性，并且包括(也就是二者之和)两个部分TTL

在本说明书中，例如在图1B中示出并且标记出的术语“透镜总长”(TLL)是透镜的一项属性，其被定义成沿着第二光轴方向的图像传感器处的像平面与第一光学元件的最远顶点之间的距离。TLL是在透镜被聚焦到无限远并且包括定位在最后一个透镜元件与图像传感器之间的窗口(例如IR滤光器)时所测量的，正如在设计数值中所规定的那样。

在本说明书中，例如在图1B中示出并且标记出的本领域内已知的术语“后焦距”(BFL)是透镜的一项属性，其被定义成沿着第二光轴方向的像平面与最后一个光学元件的最靠近图像的点之间的距离。

在本说明书中，本领域内已知的术语“有效焦距”(EFL)是透镜的一项属性，并且具有其常规含义。EFL被定义成具有与整个透镜(其具有几个透镜元件)相等的放大率的单个透镜元件的焦距。

在本说明书中，“透镜表面孔径”指的是最大光学可用透镜元件表面的形状和尺寸，也就是具有通过透镜公式定义的矢高(sag)的所有表面。“透镜元件孔径”或“透镜孔径”指的是透镜的前表面和后表面。“摄影机孔径”或“透镜套件孔径”指的是对入射光线开放的第一透镜元件物侧表面的透镜孔径。

在本说明书中，每一个透镜被设计成用于具有以mm给出的传感器对角线长度(SDL)的图像传感器。SDL/2是传感器对角线长度的一半。可以与本文中所公开的给定透镜实例的组合一起使用具有所规定的SDL的所有传感器，例如具有3:4或9:16或1:2等宽高比的传感器。

在各个示例性实施例中，提供了折叠透镜套件，其从物侧到像侧包括：具有第一光轴和第一透镜宽度W

在一个实施例中，SDL/OH>1。

在一个实施例中，OH/W

在一个实施例中，BFL/TTL>0.2。在一个实施例中，BFL/TTL>0.35。

在一个实施例中，第一透镜元件具有长度A

一个实施例中，OH/A

在一个实施例中，第二透镜元件L

在一个实施例中，透镜套件包括符合条件STD<0.020的透镜元件之间的至少两个气隙，其中STD是归一化间隙标准偏差，并且r

在一个实施例中，透镜套件包括符合条件STD<0.035的透镜元件之间的至少三个气隙。在具有至少三个气隙的一个实施例中，STD<0.015。

在一个实施例中，透镜套件包括符合条件STD<0.050的透镜元件之间的至少三个气隙。在具有至少四个气隙的一个实施例中，STD<0.025。

在某些实施例中，透镜套件从物侧到像侧包括五个透镜元件，其中第一元件具有正折射本领，第二元件具有负折射本领，并且其他元件当中的任一个具有正或负折射本领。举例来说，透镜元件的本领符号序列可以是PNPPN或PNPNP，其中P指的是正透镜元件本领，N指的是负透镜元件本领。

在一个实施例中，透镜套件包括符合条件STD<0.01和OA_Gap/TTL<1/80的透镜元件之间的至少一个气隙，其中OA_Gap是轴上间隙。在一个实施例中，STD<0.01并且OA_Gap/TTL<1/65。

在某些实施例中，第一和第二透镜元件以及第三透镜元件分别具有大于50、小于30和大于50的阿贝数。

在某些实施例中，第二透镜元件和第三透镜元件合起来具有负的有效焦距。

在某些实施例中，第一透镜元件具有焦距f

在某些实施例中，透镜元件L

在某些实施例中，TTL/EFL<1.1。

在一个实施例中，第一透镜元件的孔径被沿着第二光轴切割。

在一个实施例中，TLL/EFL<1。

在各种示例性设计中，前两个透镜元件L

附图说明

下面将参照在本段之后列出的附图来描述本文中所公开的实施例的非限制性实例。出现在多于一幅图中的完全相同的结构、元件或部件在其所出现的所有各幅图中通常由相同的数字标记。附图和描述意图说明和澄清本文中所公开的实施例，而不应当被视为以任何方式作出限制。附图中的单元不一定是按比例绘制的。在附图中：

图1A示出了本文中所公开的包括光学透镜套件的折叠式摄影机的第一实施例的等距视图；

图1B示出了图1A的摄影机的侧视图；

图1C示出了图1A的摄影机的顶视图；

图1D示出带有从物体到图像传感器的光线踪迹的图1A的摄影机；

图1E示出了处于外罩中的图1A的摄影机；

图1F示出了图1E的摄影机的侧切；

图2A示出了本文中所公开的包括光学透镜套件的折叠式摄影机的第二实施例的等距视图；

图2B示出了图2A的折叠式摄影机的侧视图；

图2C示出了图2A的折叠式摄影机的顶视图；

图2D示出了带有从物体到图像传感器的光线踪迹的图2A的摄影机；

图3示出了带有从物体到图像传感器的光线踪迹的折叠式摄影机的第三示例性实施例；

图4示出了带有从物体到图像传感器的光线踪迹的折叠式摄影机的第四示例性实施例；

图5示出了带有从物体到图像传感器的光线踪迹的折叠式摄影机的第五示例性实施例；

图6示出了带有从物体到图像传感器的光线踪迹的折叠式摄影机的第六示例性实施例；

图7示出了带有从物体到图像传感器的光线踪迹的折叠式摄影机的第七示例性实施例。

具体实施方式

图1A-1C示出了本文中所公开的编号为100的折叠式摄影机的第一示例性实施例(也被称作“实例1”)。图1A示出了实施例100的等距视图，图1B示出了实施例100的侧视图，并且图1C示出了实施例100的顶视图。图1A中的元件编号也适用于图1B和1C。

折叠式摄影机100包括折叠透镜套件(也被简称作“折叠透镜”)102和图像传感器106。可选的是，摄影机100可以包括窗口(例如玻璃窗口)114，其例如可以充当用于图像传感器的防尘罩，并且/或者用来过滤红外(IR)光并且防止IR光到达图像传感器106。在一个实施例中，折叠透镜套件102按照从物侧到像侧的顺序包括第一透镜元件L

每一个透镜元件L

每一个透镜元件L

在摄影机100的情况中，L

L

L

在表2-4中给出了摄影机100(实例1)和透镜套件102的详细光学数据。R是表面的曲率半径，T是从该表面到沿着光轴的下一个表面的距离。D是表面的光学直径。D/2表示“半直径”或直径的一半。R、T、D、A和W的单位以毫米计(mm)。Nd和Vd分别是驻留在该表面与下一个表面之间的透镜元件材料的折射率和阿贝数。各个表中的“偏移量”(以mm给出)是离开光轴的位移，并且是在光学设计软件中重建棱镜所需要的信息。表1中的“类型”具有本领域内所熟知的通常含义。

表面类型被定义在表2中，并且对应于表面的系数被定义在表3中：

-标准表面；

-非球面表面，使用Eq.1定义并且其细节在表4中给出：

其中r是光学表面中的一点到(并且垂直于)相关的光轴(第一或第二)的距离，k是二次曲线系数，c＝1/R，并且α是在表4中给出的系数。在应用于折叠式摄影机100中的透镜102的前述等式中，系数α

-“光阑”，也就是本领域内已知的可以阻止一部分光到达图像传感器的表面。光阑在光学设计中是常见的。光阑可以帮助减少杂散光并且改进图像的光学质量。光阑表面在透镜102中的位置(在棱镜与L

-棱镜的反射表面，通常也被称作“反射镜”。

在本说明书中，一个部件、元件或者部件或元件群组的“高度”被定义成第一光轴方向(示例性坐标系中的Y方向)上的该部件/元件/群组的最下方点与该部件/元件/群组的最上方点之间的距离。术语“上方”或“顶部”指的是任何部件/元件/群组的一个节段，该节段相对于同一部件/元件/群组的其他节段沿着Y更靠近并且面对所成像(摄影)的物体(例如物体116)。术语“下方”或“底部”指的是任何部件/元件/群组的一个节段，该节段相对于同一部件/元件或群组的其他节段沿着Y最远离并且背对所成像的物体。举例来说，如图2B中所见，L

透镜的F数(F#)的已知定义是透镜有效焦距(EFL)与入射光瞳的直径(d)的比值。

在本申请中，在某些情况下，入射光瞳不是圆形的。在这样的情况中，d被通过下式给出的de的“等效”圆形入射光瞳直径取代：

其中entrance pupil area：入射光瞳面积

于是

在本说明书中，“间隙”或“气隙”指的是相继的透镜元件之间的空间。在透镜元件1和2的情况中，其指的是棱镜出射表面与透镜2的第一表面之间的空气空间。

每个间隙的若干函数和常数如下定义：

1、“Gap

a)对于i＝1：Gap

b)对于i>1：Gap

c)对于r＝0，“轴上间隙”(OA_Gap

2、“平均间隙”(AVG

其中j是从0到N的离散变量，N是>10的整数，r

3、归一化间隙标准偏差(STD

其中r

表1

实例1：

*棱镜出射表面包括-0.3mm偏移量。

表2

(其中，Type得意思是“类型”；Aspheric-Stop的意思是“非球面-光阑”；PrismEntrance——“棱镜入射处”；Prism Reflective face——“棱镜反射面”；Prism Exit——“棱镜出射处”；Infinity——“无限远”。)

表3

(Type-类型；Aspheric-非球面；Standard-标准；Infinity-无限远)

表4

根据一个实例，在摄影机100中，L

在透镜102中，L

图1E示出了类似于容纳在外罩127中的摄影机100的折叠式摄影机100’。图1F示出了沿着图1E中的A-A一线的切割。外罩127可以被用来保护光学元件免于灰尘和机械损伤。外罩127包括开口128。光可以经过开口128进入透镜102。在摄影机100’中，透镜元件L

除了H

外罩122还可以包括致动器，其可以移动(致动、移位)折叠透镜102以用于聚焦(或自动聚焦——“AF”)和光学图像稳定(OIS)。可以通过沿着第二光轴110相对于图像传感器108移位透镜102来实施聚焦。可以通过沿着垂直于第二光轴110的两个轴移位透镜102来实施OIS。

图2A-2C示出了本文中所公开的编号为200的折叠式摄影机的第二示例性实施例(实例2)。图2A示出了实施例200的等距视图，图2B示出了摄影机200的侧视图，并且图2C示出了摄影机200的顶视图。除了第一透镜元件L1之外，摄影机100和200中的所有元件都是完全相同的，第一透镜元件L1在此实施例中缺少例如112a和112b的切割。因此，摄影机200中的折叠透镜被标记成202，并且被称作“无切割透镜”。对应于折叠式摄影机200和折叠透镜202的详细光学数据在表1和5-7中给出。

*棱镜出射表面包括-0.495mm偏移量。

表5

(Type——类型；Aspheric——非球面；Prism Entrance——棱镜入射处；PrismReflective face-棱镜反射面；Prism Exit——棱镜出射处；Infinity——无限远)

表6

(Type——类型；Standard-Stop——标准-光阑；Aspheric——非球面；Standard——标准；Infinity——无限远)

表7

在折叠式摄影机200中，A

鉴于前面列出的描述和数值，显而易见的是光学高度(6.05mm)小于1.2xA

图3示出了编号为300的折叠式摄影机的第三示例性实施例(“实例3”)，其中具有透镜302以及从物体到图像传感器的光线踪迹。对应于折叠式摄影机300和折叠透镜302的详细光学数据在表1和8-10中给出。除了透镜302之外，摄影机300中的所有元件与摄影机100和200中的元件完全相同。

*棱镜出射表面包括-0.265mm偏移量。

表8

(Type——类型；Standard-STOP——标准-光阑；Aspheric——非球面；PrismEntrance——棱镜入射处；Prism Reflective face——棱镜反射面；Prism Exit——棱镜出射处；Infinity——无限远)

表9

(Type-类型；Aspheric-非球面；Standard-标准；Infinity-无限远)

表10

在折叠式摄影机300(实例3和表8-10)中，A

鉴于前面列出的描述和数值，显而易见的是光学高度(5.37mm)小于1.2xA

图4示出了编号为400的折叠式摄影机的第四示例性实施例(实例4)，其中具有透镜402以及从物体到图像传感器的光线踪迹。对应于折叠式摄影机400和折叠透镜402的详细光学数据在表1和11-13中给出。除了透镜402之外，摄影机400中的所有元件与摄影机100、200和300中的元件完全相同。

*棱镜出射表面包括-0.270mm偏移量。

(Type——类型；Standard-STOP——标准-光阑；Aspheric——非球面；PrismEntrance——棱镜入射处；Prism Reflective face——棱镜反射面；Prism Exit——棱镜出射处；Infinity——无限远)

表11

表12

(Type——类型；AspheriC——非球面；Standard——标准；Infinity——无限远)

表13

在折叠式摄影机400(实例4和表11-13)中，A

鉴于前面列出的描述和数值，显而易见的是光学高度(5.51mm)小于1.2xA

图5示出了编号为500的折叠式摄影机的第五示例性实施例(“实例5”)，其中具有透镜502以及从物体到图像传感器的光线踪迹。对应于折叠式摄影机500和折叠透镜502的详细光学数据在表1和14-16中给出。除了透镜502之外，摄影机500中的所有元件与摄影机100、200、300和400中的元件完全相同。

*棱镜出射表面包括-0.27mm偏移量。

表14

(Type——类型；Standard-STOP——标准-光阑；Aspheric——非球面；PrismEntrance——棱镜入射处；Prism Reflective face——棱镜反射面；Prism Exit——棱镜出射处；Infinity——无限远)

表15

(Type-类型；Aspheric-非球面；Standard-标准；Infinity-无限远)

表16

在折叠式摄影机500(实例5和表14-16)中，A

鉴于前面列出的描述和数值，显而易见的是光学高度(5.51mm)小于1.2xA

图6示出了编号为600的折叠式摄影机的第六示例性实施例(实例6)，其中具有透镜602以及从物体到图像传感器的光线踪迹。对应于折叠式摄影机600和折叠透镜602的详细光学数据在表1和17-19中给出。除了透镜602之外，摄影机600中的所有元件与摄影机100、200、300、400和500中的元件完全相同。

*棱镜出射表面包括-0.27mm偏移量。

(Type——类型；Standard-STOP——标准-光阑；Aspheric——非球面；PrismEntrance——棱镜入射处；Prism Reflective face——棱镜反射面；Prism Exit——棱镜出射处；Infinity——无限远)

表17

(Type-类型；Aspheric-非球面；Standard-标准；Infinity-无限远)

表18

表19

在折叠式摄影机600(实例6和表17-19)中，A

鉴于前面列出的描述和数值，显而易见的是光学高度(5.51mm)小于1.2xA

图7示出了编号为700的折叠式摄影机的第七示例性实施例(实例7)，其中具有透镜702以及从物体到图像传感器的光线踪迹。对应于折叠式摄影机700和折叠透镜702的详细光学数据在表1和20-22中给出。除了透镜702之外，摄影机700中的所有元件与摄影机100、200、300、400、500和600中的元件完全相同。

*棱镜出射表面包括-0.27mm偏移量。

表20

(Type——类型；Standard-STOP——标准-光阑；Aspheric——非球面；PrismEntrance——棱镜入射处；Prism Reflective face——棱镜反射面；Prism Exit——棱镜出射处；Infinity——无限远)

(Type-类型；Aspheric-非球面；Standard-标准；Infinity-无限远)

表21

表22

在折叠式摄影机700(实例7和表20-22)中，A

鉴于前面列出的描述和数值，显而易见的是光学高度(5.48mm)小于1.2xA

表23总结了出现在前面列出的实例中的设计特性和参数。这些特征有助于实现具有大透镜套件孔径的紧凑型折叠式摄影机的目标：

“AA”：AA

“BB”：BB

“CC”：CC

“DD”：符合DD

“EE”：符合EE

“FF”：符合FF

“GG”：GG

“HH”：本领符号序列；

“II”：“II”：符合II

“JJ”：透镜元件1、2和3的阿贝数序列可以分别大于50、小于30和大于50；

“KK”：组合的透镜元件2和3的有效焦距是负的；

“LL”：LL

“MM”：MM

“NN”：L

表23表明参数或条件在每一个实例中得到满足(符号“√”)还是未被满足(符号“x”)。提到所引述的实例是为了说明所公开的主题内容的原理，并且不应当被解释成作出限制。在本发明公开的主题内容的范围内还设想到其他实例。

表23

虽然本公开内容描述了有限数目的实施例，但是应当认识到这样的实施例可以有许多变型、修改和其他应用。一般来说，本公开内容应当被理解成不受本文中所描述的具体实施例的限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

在本说明书中所提到的所有参考文献通过引用的方式被全文合并到说明书中，就如同每一项单独的参考文献都被具体并且单独地表明通过引用的方式合并在本文中。此外，在本申请中对于任何参考文献的引述或标识不应当被解释为承认这样的参考文献可用作针对本申请的现有技术。