低构型折叠光学器件多相机系统中的自动对焦技术方案

本发明专利技术揭示一种图像俘获系统和一种自动对焦方法，使得例如当使用折叠光学配置时，场校正器透镜可放置在所述系统的图像传感器上且多个透镜可垂直于所述图像传感器而放置。所述多个透镜可相对于所述图像传感器可移动，使得当所述图像俘获系统在参考距离处对焦时可获得可接受的MTF弯曲性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及成像系统，且特定来说涉及使具有折叠光学器件的多传感器成像系统自动对焦。
技术介绍
例如移动电话及平板计算装置等许多移动装置包含可由用户操作以俘获静态及/或视频图像的相机。因为此些移动装置通常经设计成相对薄的，所以将相机或成像系统设计成尽可能薄的可能是重要的，以便维持低构型移动装置。关于移动相机、成像系统或装置可构造得多薄的限制性因素中的一者为相机，因为传统移动装置相机具有沿着装置的高度线性地布置的若干光学元件(例如，透镜系统、自动对焦组合件，和图像传感器)。因此，包含光学元件(例如折射光学组件、支撑结构(例如透镜)、机筒或光学元件隔片)的光学堆叠高度、透镜系统的焦距、自动对焦机制和可能其它相机元件会限制移动装置可构造得多薄。随着装置变薄，相机的焦距可能需要缩短，这可使图像圆形直径减小。如果需要增加图像传感器像素的数目，那么通常像素间距将需要制造得较小或物空间中场景的相机视场(FoV)将需要增加。如果不可能减小像素间距，那么相机的FoV可需要增加。在某一点处，通过增加FoV或减小像素间距来继续减小焦距可能是不实际或不可能的。因此，可能需要在不必缩短焦距或减小图像的分辨率的情况下具有较低构型图像俘获装置。
技术实现思路
折叠光学图像传感器阵列允许在不必缩短焦距的情况下创建低构型图像俘获装置。一些折叠光学图像传感器阵列采用中央镜或棱镜，其具有多个小面以将包括场景的目标图像的入射光分裂为多个部分以供由阵列中的传感器俘获，其中每一小面朝向阵列中的传感器引导来自目标图像的光的一部分。分裂的光的每一部分可通过透镜组合件，且从定位于传感器正上方或下方的表面反射，以使得每一传感器俘获图像的一部分。传感器视野可重叠以辅助将所俘获部分缝合在一起成为完整图像。归因于光离开多个表面朝向多个传感器的反射和相机上的高度局限性，传统自动对焦模块和技术不适于此些折叠光学低构型传感器阵列。折叠光学器件和此些传感器阵列的其它结构特征可使自动对焦机制难以实施。在每一传感器上方向上和向下移动自动对焦透镜组合件(如当今通常针对具有相机的大多数移动装置所进行)将增加系统的高度，且可改变光轴相对于成像平面的正交线的入射角和/或相对定位。如上所述，折叠光学阵列相机中的自动对焦的另一问题是小形状因数(通常4.5mm或更小)，其中需要跨越图像高度的超高分辨率。满足高度约束和性能要求两者对于宽视场(FoV)透镜来说难以实现。使透镜对焦的最简单方式是在传感器上方向上和向下提升整个透镜组合件，但此可改变一个相机的光轴相对于其它相机中的每一者的光轴的位置，以及增加系统的总高度。需要一种替代的方法，且在下文描述所述替代的方法。前述问题(尤其)通过本文中所描述的用于向每一传感器提供自动对焦图像的折叠光学阵列相机自动对焦技术解决。通过使用初级和次级表面朝向阵列中的每一传感器重定向光且通过定位用于在初级表面与次级表面之间对焦入射光的透镜组合件，传感器阵列可平行于透镜组合件的可移动部分定位在平坦衬底上。此阵列相机的较长焦距使得有可能实施例如光学变焦等特征且并入较复杂的光学器件，所述较复杂的光学器件需要比传统移动相机通常所提供的空间更大的空间，例如添加较多光学元件。举例来说，多个透镜的使用可增加相机的焦距且因此增加相机的FoV，如当需要较高分辨率时针对光学变焦透镜所进行的，以及同样当需要FoV更宽时，可减小焦距。此外，跨越系统的视场的多个透镜的使用可增加跨越多相机阵列的整个视场(也称为“合成孔隙”)的总有效分辨率。在一些实施例中，透镜系统设计实现折叠光学系统的机械容差内的透镜组合件的可移动部分的横向运动，同时维持例如通过具有可接受调制传递函数(MTF)值和20cm与无穷大之间的对焦范围而界定的良好图像性能。可移动部分可在平行于由图像传感器形成的平面的方向上移动。透镜系统可另外包含透镜组合件的固定部分。在一些实施例中，两个或更多个可移动透镜组合件可经并入以实施变焦和AF。在一些实施方案中，透镜组合件的固定部分可为放置成极为接近图像传感器(举例来说附着到定位在传感器上方的玻璃盖板)的场校正器透镜。在一些实施例中，使用上文描述的两部分透镜系统设计的自动对焦组合件可实施导轨和致动器。举例来说，透镜组合件的可移动部分可耦合到致动器，所述致动器移动可移动部分经过一系列位置以实现不同焦距。在一些实施例中，可移动部分可通过沿着次级传感器棱镜的边缘延伸的导轨耦合到致动器，所述次级传感器棱镜定位在传感器下方。通过沿着次级传感器棱镜的边缘移动导轨，自动对焦组合件可横向(例如，在平行于由图像传感器形成的平面的方向上)移动透镜组合件的可移动部分，同时将倾角、横摇、俯仰和偏航约束在透镜设计的容差内。在一些实施例中，使用如上文所描述的两部分透镜系统设计的自动对焦组合件可针对折叠光学阵列中的每一传感器而提供。一个方面涉及一种图像俘获系统，所述图像俘获系统包括：多个相机，其经配置以俘获目标图像场景的对应多个部分，所述多个相机的相机包括图像传感器；初级光折叠表面，其经配置以在朝向图像传感器的第一方向上重定向表示目标图像场景的对应多个部分的一个部分的光；光学元件，其具有经配置以接收来自初级光折叠表面的光的输入表面、经配置以在朝向图像传感器的第二方向上重定向光的次级光折叠表面，和输出表面，由次级光折叠表面重定向的光经由所述输出表面在朝向图像传感器的第二方向上传播；透镜组合件，其包括具有耦合到光学元件的输出表面的第一表面和耦合到图像传感器的第二表面的固定部分，和定位在初级光折叠表面与光学元件之间的可移动部分；致动器，其经配置以沿着所述第一方向移动透镜组合件的可移动部分；以及至少一个导轨，其耦合在致动器与透镜组合件的可移动部分之间，所述至少一个导轨定位成可滑动地啮合相机内的另一表面以约束透镜组合件的可移动部分的运动远离光轴或围绕光轴旋转，所述光轴大体上平行于第一方向；以及处理器，其经配置以至少部分地基于所述对应多个部分产生目标图像场景的最终图像。另一方面涉及一种制造图像俘获系统的方法，所述方法包括针对阵列中的多个相机中的每一者：在衬底上安置图像传感器；将玻璃盖片附着到图像传感器的光接收表面；将图像传感器放置在衬底的狭缝中；将初级光折叠表面放置在衬底中的孔隙中，所述初级光折叠表面定位成在朝向图像传感器的第一方向上重定向表示目标图像场景的多个部分的一个部分的光；将固定透镜附着到玻璃盖片；将包括次级光折叠表面的光学元件附着到固定透镜，所述次级光折叠表面定位成在朝向图像传感器的第二方向上重定向光；在形成于光学元件与初级光折叠表面之间的空间中提供可移动透镜组合件；以及将致动装置耦合到可移动透镜组合件以沿着大体上平行于第一方向的光轴移动可移动透镜组合件，使得致动装置约束可移动透镜组合件的移动远离光轴或围绕光轴旋转。另一方面涉及一种用于具有图像传感器和初级光折叠表面的折叠光学成像系统的自动对焦装置，所述自动对焦装置包括：透镜组合件，其包括耦合到图像传感器的固定部分，和定位在图像传感器与初级光折叠表面之间的可移动部分；马达，其经配置以在大体上平行于由图像传感器形成的平面的方向上沿着光轴移动透镜组合件的可移动部分；以及至少一个导轨，其耦合在马达与透镜组合件的可移动部分之间，所述至少一个导轨定位成可滑动地啮合折本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像俘获系统，其包括：多个相机，其经配置以俘获目标图像场景的对应多个部分，所述多个相机中的相机包括：图像传感器；初级光折叠表面，其经配置以在朝向所述图像传感器的第一方向上重定向表示所述目标图像场景的所述对应多个部分的一个部分的光；光学元件，其具有经配置以接收来自所述初级光折叠表面的所述光的输入表面、经配置以在朝向所述图像传感器的第二方向上重定向所述光的次级光折叠表面，以及输出表面，由所述次级光折叠表面重定向的光经由所述输出表面在朝向所述图像传感器的第二方向上传播；透镜组合件，其包括：固定部分，其具有耦合到所述光学元件的所述输出表面的第一表面和耦合到所述图像传感器的第二表面，以及可移动部分，其定位在所述初级光折叠表面与所述光学元件之间；致动器，其经配置以沿着所述第一方向移动所述透镜组合件的所述可移动部分；以及至少一个导轨，其耦合在所述透镜组合件的所述致动器与所述可移动部分之间，所述至少一个导轨定位成可滑动地啮合所述相机内的另一表面以约束所述透镜组合件的所述可移动部分的运动远离光轴或围绕所述光轴旋转，所述光轴大体上平行于所述第一方向；以及处理器，其经配置以至少部分地基于所述对应多个部分产生所述目标图像场景的最终图像。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.04 US 61/975,680;2014.06.20 US 62/015,364;1.一种图像俘获系统，其包括：多个相机，其经配置以俘获目标图像场景的对应多个部分，所述多个相机中的相机包括：图像传感器；初级光折叠表面，其经配置以在朝向所述图像传感器的第一方向上重定向表示所述目标图像场景的所述对应多个部分的一个部分的光；光学元件，其具有经配置以接收来自所述初级光折叠表面的所述光的输入表面、经配置以在朝向所述图像传感器的第二方向上重定向所述光的次级光折叠表面，以及输出表面，由所述次级光折叠表面重定向的光经由所述输出表面在朝向所述图像传感器的第二方向上传播；透镜组合件，其包括：固定部分，其具有耦合到所述光学元件的所述输出表面的第一表面和耦合到所述图像传感器的第二表面，以及可移动部分，其定位在所述初级光折叠表面与所述光学元件之间；致动器，其经配置以沿着所述第一方向移动所述透镜组合件的所述可移动部分；以及至少一个导轨，其耦合在所述透镜组合件的所述致动器与所述可移动部分之间，所述至少一个导轨定位成可滑动地啮合所述相机内的另一表面以约束所述透镜组合件的所述可移动部分的运动远离光轴或围绕所述光轴旋转，所述光轴大体上平行于所述第一方向；以及处理器，其经配置以至少部分地基于所述对应多个部分产生所述目标图像场景的最终图像。2.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括：玻璃盖片，其耦合在所述图像传感器与所述透镜组合件的所述固定部分之间，其中所述玻璃盖片包括耦合到所述透镜组合件的所述固定部分的所述第二表面的第一玻璃盖片表面和耦合到所述图像传感器的第二玻璃盖片表面；其中所述第一方向、所述光学元件的输出表面、所述透镜组合件的所述固定部分的第一表面、第一玻璃盖片表面、第二玻璃盖片表面大体平行于由所述图像传感器形成的平面；其中所述光学元件进一步包括大体平行于由所述图像传感器形成的所述平面延伸的导向表面，所述导向表面包括所述至少一个导轨定位成可滑动地啮合的所述相机内的另一表面；其中所述光学元件的所述输入表面大体垂直于由所述图像传感器形成的所述平面；以及其中所述次级光折叠表面在所述光学元件的所述导向表面与所述光学元件的所述输出表面之间成角度地延伸。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述光学元件、所述透镜组合件的固定部分、玻璃盖片和图像传感器粘附成堆叠。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述透镜组合件的所述固定部分包括场校正器透镜。5.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括衬底，其中所述多个相机中的每一者的所述图像传感器插入到所述衬底中的狭缝中。6.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括滑道、互锁凹槽、磁场、油、滚珠轴承、空气、气体或水中的一或多者，这些定位成接触所述透镜组合件的所述可移动部分和所述至少一个导轨中的一或两者以便减小摩擦。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述致动器经配置以在所述第一方向上在形成于包括所述初级光折叠表面的棱镜的输出表面与包括所述次级光折叠表面的所述光学元件的所述输入表面之间的空间内移动所述透镜组合件的所述可移动部分。8.根据权利要求7所述的系统，其中所述透镜组合件的所述可移动部分在所述第一方向上在近对焦位置与远对焦位置之间的空间内的运动大致为180微米或更小。9.根据权利要求7所述的系统、其中所述近对焦位置对应于大致200mm的焦距，且所述远对焦位置对应于大致6767mm的焦距。10.根据权利要求1所述的系统，其中所述透镜组合件的所述可移动部分包括附着到彼此的多个透镜。11.根据权利要求1所述的系统，其中所述初级光折叠表面包括镜和折射棱镜中的一者。12.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学元件包括镜和折射棱镜中的一者。13.根据权利要求12所述的系统，其中所述光学元件包括所述折射棱镜，且进一步包括在所述次级光折叠表面处附着到所述折射棱镜的支撑块、所述棱镜的较低棱镜表面，和所述支撑块的底座表面，所述底座表面包括所述至少一个导轨定位成可滑动地啮合的所述相机内的所述另一表...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·W·奥斯本，
申请(专利权)人：高通股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US