低构型折叠光学器件多相机系统中的自动聚焦技术方案

本发明专利技术揭示例如使用折叠光学器件配置进行自动聚焦的成像系统和方法的实施例。一种系统包含经配置以俘获目标图像场景的至少一个相机，所述至少一个相机包含：图像传感器，其包括传感器元件阵列；主要光折叠表面，其经配置以在第一方向上引导所接收光的一部分；以及光学元件，其具有辅助光折叠表面，所述辅助光折叠表面在第二方向上引导光。所述系统还可包含透镜组合件，其具有：至少一个静止透镜，其定位于所述辅助光折叠表面与所述图像传感器之间，所述至少一个静止透镜具有机械耦合到所述光学元件的第一表面以及机械耦合到所述图像传感器的第二表面；至少一个可移动透镜，其定位于所述主要光折叠表面与所述光学元件之间；以及致动器，其经配置以移动所述至少一个可移动透镜以将传播通过所述透镜组合件的光聚焦到所述图像传感器上。

【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聚焦。
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，镜头系统、自动聚焦组合件，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、自动聚焦机构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对象空间中场景的相机视场(FOV)将需要增加。如果不可能减少像素间距，那么相机的FOV可能需要增加。在某个点可能不实际或不可能继续通过增加FOV或减小像素间距来减小焦距。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拼接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，传统自动聚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点可使得自动聚焦机构难以实施。如当今具有相机的大多数移动装置通常完成，在每一传感器上方向上和向下移动自动聚焦透镜组合件将增加系统的高度，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，折叠光学器件阵列相机中的自动聚焦的另一问题是小形状因子(可能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)透镜是难以实现的。使透镜聚焦的最直接方式是在传感器上方上下提升整个透镜组合件，但这会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。需要替代的方法且在下文描述。前述问题尤其通过本文所描述的用于对每一传感器提供自动聚焦图像的折叠光学器件阵列相机自动聚焦技术解决。通过使用主要和辅助表面朝向阵列中的每一传感器重定向光，及通过定位用以将入射光聚焦于主要表面与辅助表面之间的透镜组合件，传感器阵列可定位于平行于透镜组合件的可移动部分的平坦衬底上。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减小相机的FOV，如当所需更高分辨率时针对光学变焦透镜所完成，且同样当FOV需要更宽时可减小焦距。此外，跨越系统的视场使用多个透镜可增加跨越多相机阵列的整个视场的总有效分辨率。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与无穷大之间的聚焦范围而界定的良好图像性能。所述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。所述透镜系统可另外包含透镜组合件的静止部分。在一些实施例中，可并入两个或更多个可移动透镜组合件以实施缩放和AF。在一些实施方案中，透镜组合件的静止部分可为极为接近图像传感器放置的场校正器透镜，例如附着到定位于传感器上方的玻璃盖板。使用上述两部分透镜系统设计的自动聚焦组合件可在一些实施例中实施导轨和致动器。举例来说，透镜组合件的可移动部分可耦合到致动器，所述致动器使所述可移动部分移动通过某一位置范围以实现不同焦距。在一些实施例中，所述可移动部分可通过沿着辅助传感器棱镜的边缘经过的导轨耦合到致动器，所述辅助传感器棱镜定位于所述传感器下方。通过沿着辅助传感器棱镜的边缘移动导轨，自动聚焦组合件可横向地(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，同时限制倾斜、横摇、俯仰和偏航在透镜设计的容差内且远离光轴的平移横向移动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聚焦组合件可针对折叠光学阵列中的每一传感器而提供。一个创新包含一种成像系统，其包含经配置以俘获目标图像场景的至少一个相机。所述至少一个相机包含：图像传感器，其包括传感器元件阵列；主要光折叠表面，其经配置以在第一方向上引导所接收光的一部分；光学元件，其具有辅助光折叠表面，所述辅助光折叠表面经定位以在第二方向上重定向从所述主要光折叠表面接收的光；以及透镜组合件。所述透镜组合件包含：至少一个静止透镜，其定位于所述辅助光折叠表面与所述图像传感器之间，所述至少一个静止透镜具有机械耦合到所述光学元件的第一表面以及机械耦合到所述图像传感器的第二表面，以及至少一个可移动透镜，其定位于所述主要光折叠表面与所述光学元件之间。所述至少一个相机进一步包含致动器，其经配置以移动所述至少一个可移动透镜以将传播通过所述透镜组合件的光聚焦到所述图像传感器上。具有一或多个额外方面的各种实施例是预期的。在一些实施例中，所述光学元件进一步包含输出表面，由所述辅助光折叠表面在所述第二方向上重定向的光通过所述输出表面朝向所述图像传感器传播，且其中所述至少一个静止透镜连接到所述输出表面。所述成像系统可包含安置于所述图像传感器与所述至少一个静止透镜之间的覆盖玻璃。所述覆盖玻璃可包含耦合到所述至少一个静止透镜的输出表面的第一覆盖玻璃表面，以及耦合到所述图像传感器的第二覆盖玻璃表面。所述覆盖玻璃可包含耦合到所述图像传感器的第二覆盖玻璃表面。所述光学元件、至少一个静止透镜、覆盖玻璃以及图像传感器可呈堆叠方式机械耦合在一起。在一些实施例中，所述传感器元件阵列具有传感器元件间距，其中所述图像传感器具有至少部分地基于所述传感器元件间距而确定的奈奎斯特取样率，且其中所述光学系统经配置以在所述图像传感器奈奎斯特取样率下具有约30％或更小的MTF性能。在一些实施例中，所述传感器元件间距为约1.4μm或更小。另一方面在于所述至少一个相机可进一步包含耦合于所述致动器与所述透镜组合件的所述至少一个可移动透镜之间的至少一个导轨，所述至少一个导轨经定位以可滑动地接合所述相机内的表面以约束所述至少一个可移动透镜远离光轴或围绕所述光轴旋转的运动，所述光轴大体上平行于所述第一方向。所述至少一个相机可包含经配置以俘获所述目标图像场景的对应多个部分的多个相机，且所述成像系统进一步包括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的处理器。在一些实施例中，所述传感器元件间距可为近似1.0μm或更小。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种成像系统，其包括：至少一个相机，其经配置以俘获目标图像场景，所述至少一个相机包括图像传感器，其包括传感器元件阵列；主要光折叠表面，其经配置以在第一方向上引导所接收光的一部分；光学元件，其具有辅助光折叠表面，所述辅助光折叠表面经定位以在第二方向上重定向从所述主要光折叠表面接收的光；以及透镜组合件，其包括至少一个静止透镜，其定位于所述辅助光折叠表面与所述图像传感器之间，所述至少一个静止透镜具有机械耦合到所述光学元件的第一表面以及机械耦合到所述图像传感器的第二表面，以及至少一个可移动透镜，其定位于所述主要光折叠表面与所述光学元件之间；以及致动器，其经配置以移动所述至少一个可移动透镜以将传播通过所述透镜组合件的光聚焦到所述图像传感器上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.04 US 61/975,680;2014.04.04 US 61/975,669;1.一种成像系统，其包括：至少一个相机，其经配置以俘获目标图像场景，所述至少一个相机包括图像传感器，其包括传感器元件阵列；主要光折叠表面，其经配置以在第一方向上引导所接收光的一部分；光学元件，其具有辅助光折叠表面，所述辅助光折叠表面经定位以在第二方向上重定向从所述主要光折叠表面接收的光；以及透镜组合件，其包括至少一个静止透镜，其定位于所述辅助光折叠表面与所述图像传感器之间，所述至少一个静止透镜具有机械耦合到所述光学元件的第一表面以及机械耦合到所述图像传感器的第二表面，以及至少一个可移动透镜，其定位于所述主要光折叠表面与所述光学元件之间；以及致动器，其经配置以移动所述至少一个可移动透镜以将传播通过所述透镜组合件的光聚焦到所述图像传感器上。2.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述传感器元件阵列具有传感器元件间距，其中所述图像传感器具有至少部分地基于所述传感器元件间距而确定的奈奎斯特取样率，且其中所述光学系统经配置以在所述图像传感器奈奎斯特取样率下具有约30％或更小的MTF性能。3.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述光学元件进一步包括输出表面，由所述辅助光折叠表面在所述第二方向上重定向的光通过所述输出表面朝向所述图像传感器传播，且其中所述至少一个静止透镜连接到所述输出表面。4.根据权利要求1所述的成像系统，其进一步包括安置于所述图像传感器与所述至少一个静止透镜之间的覆盖玻璃。5.根据权利要求4所述的成像系统，其中所述覆盖玻璃包括耦合到所述至少一个静止透镜的第一覆盖玻璃表面。6.根据权利要求5所述的成像系统，其中所述覆盖玻璃包括耦合到所述图像传感器的第二覆盖玻璃表面。7.根据权利要求4所述的成像系统，其中所述光学元件、所述至少一个静止透镜、所述覆盖玻璃以及所述图像传感器呈堆叠方式机械耦合在一起而相对于彼此静止。8.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述传感器元件间距为约1.4μm或更小。9.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述至少一个相机进一步包括耦合于所述致动器与所述透镜组合件的所述至少一个可移动透镜之间的至少一个导轨，所述至少一个导轨经定位以可滑动地接合所述相机内的表面以约束所述至少一个可移动透镜远离光轴或围绕所述光轴旋转的运动，所述光轴大体上平行于所述第一方向。10.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述至少一个相机包括经配置以俘获所述目标图像场景的对应多个部分的多个相机，且所述成像系统进一步包括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的处理器。11.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述传感器元件间距为近似1.4μm或更小。12.根据权利要求1所述的成像系统，其中f数为2.5或更小。13.根据权利要求1所述的成像系统，其中所述至少一个静止透镜包括：平凹透镜，其具有平行于所述图像传感器且接近于所述光学元件安置的大体上平坦表面，以及凹表面，其与所述大体上平坦表面相对安置且接近于所述图像传感器安置。14.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个静止透镜包括至少一个透镜，每所述至少一个透镜具有至少一个弯曲表面，所述至少一个透镜安置于所述光学元件与所述图像传感器之间。15.根据权利要求1所述的成像系统，其中辅助光折叠表面包括镜表面。16.一种成像系统，其包括：至少一个相机，其经配置以俘获目标图像场景，所述至少一个相机包括图像传感器，其包括传感器元件阵列；主要光折叠表面，其经配置以在第一方向上引导所接收光的一部分；用于重定向光的装置，其经配置以将在第二方向上从所述主要光折叠表面接收的光重定向到所述图像传感器；透镜组合件，其包括至少一个静止透镜，其定位于所述辅助光折叠表面与所述图像传感器之间，所述至少一个静止透镜具有机械耦合到所述用于重定向光的装置的第一表面以及机械耦合到所述图像传感器的第二表面，以及至少一个可移动透镜，其定位于所述主要光折叠表面与所述光学元件之间；以及用...

【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