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CN107810437B - 具有五个透镜部件的相机透镜系统 - Google Patents

具有五个透镜部件的相机透镜系统 Download PDF

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CN107810437B CN201680037018.6A CN201680037018A CN107810437B CN 107810437 B CN107810437 B CN 107810437B CN 201680037018 A CN201680037018 A CN 201680037018A CN 107810437 B CN107810437 B CN 107810437B
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Abstract

本发明提供了一种可具有五个透镜部件的光学成像透镜组件。该第一透镜部件、第三透镜部件和第四透镜部件可具有正折光力。该第二透镜部件和第五透镜部件可具有负折光力。该第三透镜部件可具有凸对象侧折射表面和凸图像侧折射表面。该第四透镜部件可具有凸对象侧折射表面和凹图像侧折射表面。该第一透镜部件可包括具有被模制在平面衬底的一个或两个表面上的透镜元件的晶片透镜或者具有被模制在两个平面衬底中的每个平面衬底的一个表面上的透镜元件的两个晶片透镜。该晶片透镜可包括响应于所施加的电压而具有可变透光率的电控电致变色表面。该折射表面可为非球面的。

Description

具有五个透镜部件的相机透镜系统
相关专利申请的交叉引用
本专利申请根据35U.S.C.119(e)来要求于2015年4月23日提交的美国临时专利申请No.62/151,939的权益，该战略申请全文以引用方式专门地并入本文。
技术领域
本发明的实施方案涉及包括非球形表面的透镜领域；并且更具体地涉及具有五个透镜部件的透镜。
背景技术
小型移动多用途设备(诸如智能电话、平板电脑或平板设备以及膝上型计算机)的出现导致对集成在设备中的高分辨率小外形相机的需求。然而，由于传统相机技术的局限性，在此类设备中使用的常规小型相机往往以比大型高质量的相机可实现的更低的分辨率和/或更低的图像质量来捕获图像。使用小封装尺寸的相机来实现更高的分辨率通常需要使用小像素尺寸的光电传感器和高质量的紧凑型成像透镜系统。技术进步已实现光电传感器像素尺寸的减小。然而，随着光电传感器变得更加紧凑功能变得更加强大，对具有改进成像质量性能的紧凑型成像透镜系统的需求日益增加。
发明内容
本公开的实施方案可提供具有大视野(FOV)和大孔径(低F值)的相机透镜系统设计，其可在低背景光水平下捕获高分辨率图像，以用于集成到电子设备中。本公开的实施方案还可提供可并入设备以改变透镜系统焦距比并允许调整图像传感器阵列的视野的深度(DOF)或曝光等级的相机透镜系统设计。
在一些实施方案中，光学成像透镜组件可被设置有五个透镜部件。该第一透镜部件、第三透镜部件和第四透镜部件可具有正折光力。该第二透镜部件和第五透镜部件可具有负折光力。该第三透镜部件可具有凸对象侧折射表面和凸图像侧折射表面。该第四透镜部件可具有凸对象侧折射表面和凹图像侧折射表面。该第一透镜部件可包括具有被模制在平面衬底的一个或两个表面上的透镜元件的晶片透镜或者具有被模制在两个平面衬底中的每个平面衬底的一个表面上的透镜元件的两个晶片透镜。该晶片透镜可包括响应于所施加的电压而具有可变透光率的电控电致变色表面。该折射表面可为非球面的。
通过附图以及通过以下详细描述，本发明的其他特征和优点将显而易见。
附图说明
通过参考下面的描述和附图，本发明可被最好地理解，其中附图用于以举例的方式而非限制的方式示出本发明的实施方案。在图中，其中类似的附图标号指示类似的元件：
图1为包括五个折射透镜元件的透镜系统的示例性实施方案的剖视图。
图2示出了针对图1所示的透镜系统的半视野上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图3示出了针对图1所示的透镜系统额470nm至650nm范围内的可见光带上球面像差、散光和失真的多色曲线。
图4为包括晶片透镜部件和四个折射透镜元件的透镜系统的示例性实施方案的剖视图。
图5示出了针对图4所示的透镜系统的半视野上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图6示出了针对图4所示的透镜系统的470nm至650nm范围内的可见光带上球面像差、散光和失真的多色曲线。
图7为包括晶片透镜部件和四个折射透镜元件的透镜系统的另一示例性实施方案的剖视图。
图8示出了针对图7所示的透镜系统的半视野上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图9示出了针对图7所示的透镜系统的470nm至650nm范围内的可见光带上球面像差、散光和失真的多色曲线。
图10为包括晶片透镜部件和四个折射透镜元件的透镜系统的另一示例性实施方案的剖视图。
图11示出了针对图10所示的透镜系统的半视野上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图12示出了针对图10所示的透镜系统的470nm至650nm范围内的可见光带上球面像差、散光和失真的多色曲线。
图13为包括晶片透镜部件和四个折射透镜元件的透镜系统的另一示例性实施方案的剖视图。
图14示出了针对图13所示的透镜系统的半视野上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图15示出了针对图13所示的透镜系统的470nm至650nm范围内的可见光带上球面像差、散光和失真的多色曲线。
图16为包括晶片透镜部件和四个折射透镜元件的透镜系统的另一示例性实施方案的剖视图。
图17示出了针对图16所示的透镜系统的半视野上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图18示出了针对图16所示的透镜系统的470nm至650nm范围内的可见光带上球面像差、散光和失真的多色曲线。
图19为包括晶片透镜部件和四个折射透镜元件的透镜系统的另一示例性实施方案的剖视图。
图20示出了针对图19所示的透镜系统的半视野上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图21示出了针对图19所示的透镜系统的470nm至650nm范围内的可见光带上球面像差、散光和失真的多色曲线。
图22为包括五个折射透镜元件的透镜系统的另一示例性实施方案的剖视图。
图23示出了针对图22所示的透镜系统的半视野上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图24示出了针对图22所示的透镜系统的470nm至650nm范围内的可见光带上球面像差、散光和失真的多色曲线。
图25A示出了晶片透镜部件的侧正视图。
图25B示出了图25A所示的晶片透镜部件的图示。
图25C示出了图25A所示的晶片透镜部件的分解图示。
图26示出了另一晶片透镜部件的侧正视图。
图27示出了提供可变孔径光阑的电致变色透镜部件的平面图。
图28示出了变迹孔的平面图。
图29为包括相机模块和相关联的电子电路的相机相关元件的框图。
图30为根据本发明的实施方案的电光可变孔的剖面图。
图31为根据另一实施方案的电光可变孔的剖面图。
图32为另一个实施方案的剖面图。
图33为电光可变孔的又一个实施方案的剖面图。
图34为可具有包括中性密度滤光片状态的至少三种状态的相机电光孔结构的剖面图。
图35示出了集成在其中可放置电光孔的消费者电子设备中的相机模块的光学系统。
图36为电光孔的剖面图。
图37为其中已添加导电部分以在成像路径内直接连接透明导体层的本发明的实施方案的剖面图。
图38为已集成相机模块的便携式无线通信设备的透视图。
具体实施方式
以下说明示出了许多具体细节。然而，应当理解，可不需要这些具体细节来实践本发明的实施方案。在其他情况下，未详细示出已熟知的电路、结构和技术，以免模糊对此描述的理解。
在下面的描述中，参考示出本发明的若干个实施方案的附图。应当理解，其他实施方案可被利用并且在不脱离本公开的实质和范围的情况下可对机械组成、结构、电气、以及操作作出改变。下面的详细描述不应该被理解为限制性意义，并且本发明的实施方案的范围仅由公布的专利的权利要求书来限定。
本文中所使用的术语仅仅是为了描述特定实施方案并非旨在对本发明进行限制。空间相关术语，诸如“在……之下”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”等可在本文中用于描述的方便，以描述一个元件或特征部与另外一个或多个元件或一个或多个特征部的关系，如在附图中示出的。应当理解，空间相对术语旨在涵盖除了在附图所示取向之外的设备使用或操作过程中的不同取向。例如，如果图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征部“下方”或“之下”的元件然后可被取向成在其他元件或特征部“上方”。因此，示例性术语“在……下方”可涵盖在……上方和在……下方这两个取向。设备可以另外的方式被取向(例如，旋转90度或在其他的取向)，并且在本文中使用的空间相对描述词被相应地解释。
如本文所用，单数形式“一个”(“a”,“an”)和“该”旨在同样包括复数形式，除非上下文另外指出。应当进一步理解，术语“包括”(“comprises”和/或“comprising”)限定了所述特征、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、部件、和/或其集合的存在或添加。
术语“光轴”或简单的“轴”被应用于表示透镜的旋转对称轴的透镜。
术语“元件”被应用于表示具有两个相对折射表面的任何单块透明折射材料的透镜，这两个表面横向于透镜的光轴设置并沿其间隔开。
术语“部件”被应用于表示(1)具有两个相对折射表面的单块透明折射材料即元件或者(2)沿透镜的光轴连续布置的成组的多个此类折射材料块的透镜，其中其相邻折射表面或者处于完全整体接触或者平行隔开的关系，其间距量非常小以致不计入透镜计算中。
当圆的中心位于折射表面的图像侧上时，折射表面的半径如正数那样被表示。当圆的中心位于折射表面的对象侧上时，折射表面的半径如负数那样被表示。具有正半径的对象侧折射表面为凸的；具有负半径的对象侧折射表面为凹的。具有正半径的图像侧折射表面为凹的；具有负半径的图像侧折射表面为凸的。术语“凸”被应用于指示透镜表面为凸的透镜表面，在这种情况下表面与光轴相交。术语“凹”被应用于指示透镜表面为凹的透镜表面，在这种情况下表面与光轴相交。
术语“折光力”被应用于表示透镜在光轴附近会聚或分散光的程度的透镜。“正折光力”为使光线朝光轴弯曲即会聚光的折光力。“负折光力”为使光线远离光轴弯曲即分散光的折光力。
术语“孔径光阑”或简单的“光阑”被应用于表示用于确定穿过透镜系统的光线束的尺寸的开口的透镜。
如本文所用的术语“焦距”是指有效焦距，而不是前焦距或后焦距。
描述了包括光电传感器和具有大视野(FOV)和大孔径(低F值)的紧凑型透镜系统的小外形相机的实施方案。描述了包括具有折光力的五个透镜部件的包括具有晶片透镜部件的透镜系统的紧凑型透镜系统的各种实施方案。紧凑型透镜系统的这些实施方案可用于相机并提供具有比已在常规紧凑型照相机中实现的更低的F值(较大孔径)的较大图像。相机可以小封装尺寸来实现，同时仍捕获清晰的高分辨率图像，使得该相机的实施方案适用于小型和/或移动多用途设备，诸如移动电话、智能电话、平板电脑或平板设备、笔记本电脑、上网本、笔记本、小型笔记本、超级电脑、监控设备等。然而，相机(例如，透镜系统和光电传感器)的各个方面可按比例放大或缩小，以提供具有更大或更小封装尺寸的相机。此外，相机系统的实施方案可作为独立数字照相机来实现。除了静止(单帧捕获)相机应用程序之外，相机系统的实施方案可适用于摄像机应用程序。
描述了紧凑型透镜系统的实施方案可能应用于具有1/3英寸(6.15mm对角线)传感器的相机。透镜系统的示例性实施方案可具有约4.1mm EFL(有效焦距)、F/2.2孔尺寸和74度的对角视野(DFOV)(6.2mm图像圆直径)。描述了紧凑型低F值透镜系统的若干个示例性实施方案，包括具有晶片透镜部件的实施方案(该晶片透镜部件可包括电致变色孔机构和四个附加折射透镜部件)以及具有五个折射透镜部件的示例性实施方案。
图1和图22示出了包括五个折射透镜部件的各种示例性实施方案。图4、图7和图10示出了包括晶片透镜部件的各种示例性实施方案，一些实施方案具有前层聚合物材料和/或后层聚合物材料以及四个附加折射透镜部件。图13、图16和图19示出了包括晶片透镜部件的各种示例性实施方案，其包括两个晶片透镜部件以及四个附加折射透镜元件。这些示例并非旨在进行限制，并且对于透镜系统给出的各种参数的变型也为可能的，同时仍实现相似的结果。
各种实施方案中的折射透镜部件可由塑性材料制成。在至少一些实施方案中，折射透镜元件可由注塑塑料材料制成。然而，也可使用其他透明光学材料。还应注意，在给定实施方案中，不同透镜元件可由具有不同光学特性(例如不同的阿贝数和/或不同的折射率)的材料制成。实施方案中的晶片透镜部件可以、由平面衬底(其可以是平面玻璃衬底)上的聚合物材料或塑料材料的单层或多层层合物构成。
相机还可包括位于第一透镜部件前方(即，在第一透镜部件的对象侧上)的前孔径光阑(AS)。而图1、图4和图22示出了位于透镜系统的前顶点处或附近的前孔径光阑，孔径光阑的位置可更靠近或更远离透镜部件的顶点。此外，在一些实施方案中，孔径光阑可位于透镜系统中的其他位置。例如，孔径光阑可位于晶片透镜部件的平坦表面上，如图4、7、10、13、16和19所示。
相机也可以但不一定包括位于透镜系统的最后一个透镜部件和光电传感器之间的红外(IR)滤光片。IR滤光片可例如由玻璃材料制成。然而，也可使用其他材料。需注意，IR滤光片不影响透镜系统的有效焦距。另外需注意，除了本文示出和描述的那些之外，相机还可包括其他部件。
在相机中，透镜系统在光电传感器表面处或附近的图像平面(IP)上形成图像。远处物体的图像尺寸与透镜系统的有效焦距(f)成正比。透镜系统的总轨迹长度(TTL)为第一(对象侧)透镜部件的对象侧表面处的前顶点与图像平面之间的光轴(AX)距离。对于具有较大FOV和低F值的透镜系统，TTL通常大于有效焦距。
在至少一些实施方案中，透镜系统可被配置为使得透镜系统的有效焦距f为或约为4.1毫米(mm)，F值(焦距比或焦距比数)为或约为2.2，视野(FOV)为或约为74度(虽然可以实现更窄或更宽的FOV)，并且总轨迹(TTL)在约5.25mm至约5.5mm的范围内。更一般地，透镜系统可被配置为满足TTL/f>1.0的关系。
在本文所述的一些示例性实施方案中，透镜系统可被配置为使得透镜系统的有效焦距f在参考波长555nm处为4.1mm，并且F值为2.2。透镜系统例如可被配置为具有4.1mm的焦距f和2.2的F值，以满足具体相机系统应用的特定光学限制、成像限制和/或封装限制。需注意，也笨哦称为焦距比或焦距比数的F值由f/D限定，其中D为入射光瞳的直径，即有效孔径。例如，在f＝4.1mm处，利用有效孔径1.86mm来实现2.2的F值。示例性实施方案也可被配置为具有74度或约74度的视野(FOV)，37度或约37度的半FOV。示例性实施方案的总轨迹长度(TTL)从约5.25mm变化至约5.5mm。对于示例性实施方案，TTL/f的比值在约1.28至约1.34的范围内变化。
然而，需注意，可缩放或调整焦距f、F值和/或其他参数，以满足其他相机系统应用程序的光学限制、成像限制和/或封装限制的各种规范。可被指定为特定相机系统应用程序的要求和/或可针对不同相机系统应用程序而改变的对相机系统的限制包括但不限于焦距f、有效孔径、F值、视野(FOV)、成像性能要求、以及封装体积或尺寸限制。
在一些实施方案中，透镜系统可配备有可调式虹膜(入射)光瞳或孔径光阑。使用可调式孔径光阑，F值(焦距比)可在某范围内动态变化。例如，如果透镜在f/2.2下在给定焦距f和FOV下得到很好的校正，则焦距比可通过调节孔径光阑在2.2至8(或更高)的范围内变化假设孔径光阑可被调节至期望的F值设置。在一些实施方案中，通过调节在相同FOV(例如74度)下图像质量性能降低或者在较小FOV下性能相当优异的孔径光阑，可在更快的焦距比(F值<2.2)下使用透镜系统。
在一些实施方案中，透镜系统还可配备有用于将无限远处物体场景(距相机的物体场景距离>20米)聚焦到近物距(<50mm)的聚焦机构。例如，在一些实施方案中，如本文所述的透镜系统可配备有可调式聚焦机构，其中可移动图像平面处的透镜系统和/或光电传感器以便将物体场景聚焦在从大于20米至小于50mm范围内的距离处。
虽然本文可能给出值的范围作为其中一个或多个光学参数可动态变化(例如，使用可调式孔径光阑和/或可调焦距)的可调式相机和透镜系统的示例，但是也可实现包括固定(非可调式)透镜系统的相机系统的实施方案，其光学参数和其他参数的值在这些范围内。
首先参考如图1和图22所示的实施方案，适用于相机的紧凑型透镜系统110,810可包括五个透镜部件。图1透镜系统110中的五个透镜部件101-106和图22透镜系统810中的五个透镜部件801-806各自具有折光力并形成焦距为f的透镜系统。透镜系统110,810中的每个透镜系统的五个透镜部件沿光轴(AX)112,812从对象侧到图像侧被布置如下：
具有正折光力、焦距f1和凸对象侧表面的第一透镜部件101,201；
具有负折光力和焦距f2的第二透镜部件102,202；
具有正折光力和焦距f3的第三透镜部件103,203；
具有正折光力和焦距f4的第四透镜部件104,204；和
具有负折光力和焦距f5的第五透镜部件105,205。
此外，五个透镜部件中的每个透镜部件的至少一个表面、对象侧或图像侧为非球面的。在一些实施方案中，五个透镜部件中的一个或多个透镜部件的对象侧表面和图像侧表面均为非球面的。
透镜系统110,810在图像传感器118,818的表面上或附近形成图像。覆盖材料116,816(诸如覆盖玻璃或红外截止滤光片)可被放置在透镜系统110,810和图像传感器118,818之间。前孔径光阑(AS)114,814可被定位在第一透镜部件101,801的对象侧上。
现在参考如图4、图7和图10所示的实施方案，适用于相机的紧凑型透镜系统210,310,410可包括五个透镜部件。图4透镜系统210中的五个透镜部件201-206、图7透镜系统310中的五个透镜部件301-306和图10透镜系统410中的五个透镜部件401-406各自具有折光力并形成焦距为f的透镜系统。
图4、图7和图10中示出的实施方案的第一透镜部件201,301,401为晶片透镜部件的形式，其中聚合物材料或塑料材料的层合物层被形成在平面衬底(其可为平面玻璃衬底)上。图4透镜系统210中的其余五个透镜部件202-205、图7透镜系统310中的302-305以及图10透镜系统410中的402-405示为由单个透明折射材料块形成的透镜元件。在其他未示出的实施方案中，其余五个透镜部件中的一个或多个透镜部件可为连续布置的成组的多个此类折射材料块，诸如附加晶片透镜部件。透镜系统210,310,410中的每个透镜系统的五个透镜部件沿光轴(AX)212,312,412从对象侧到图像侧被布置如下：
具有正折光力、焦距f1和凸对象侧表面的为晶片透镜部件形式的第一透镜部件201,301,401；
具有负折光力和焦距f2的第二透镜部件202,302,402；
具有正折光力和焦距f3的第三透镜部件203,303,403；
具有正折光力和焦距f4的第四透镜部件204,304,404；和
具有负折光力和焦距f5的第五透镜部件205,305,405。
此外，五个透镜部件中的每个透镜部件的至少一个表面、对象侧或图像侧为非球面的。在一些实施方案中，五个透镜部件中的一个或多个透镜部件的对象侧表面和图像侧表面均为非球面的。
透镜系统210,310,410在图像传感器218,318,418的表面上或附近形成图像。覆盖材料216,316,416(诸如覆盖玻璃或红外截止滤光片)可被放置在透镜系统210,310,410和图像传感器218,318,418之间。
晶片透镜201,301,401可包括平面衬底222,322,422和平面衬底(其可为平面玻璃衬底)的每一侧上的聚合物材料或塑料材料的单层层合物224,226,324,326,424,426。聚合物材料或塑料材料的层合物层224,226,324,326,424,426可使用已知的制造方法(诸如铸造、模制或显微光刻工艺)在平面衬底222,322,422上形成。如果使用可为紫外光(UV)可固化聚合物材料的聚合物材料。层合物层224,226,324,326,424,426被形成为向透镜部件201,301,401提供折光力的形状。
在一些实施方案210中，前孔径光阑(AS)214可被定位在第一透镜部件201的对象侧上。在其他实施方案310,410中，晶片透镜部件301,401可包括响应于所施加的电压而提供可变透光率的电致变色层314,414。电致变色层314,414可补充孔径光阑的功能，或者在其他实施方案中在不使用孔径光阑的情况下起到可变孔径光阑的作用。电致变色层314,414可位于平面衬底322,422的物体平面侧或图像平面侧上。电致变色层314,414可由导电有机或无机材料(诸如金属氧化物和导电聚合物)的透明膜层组成。
所包括的晶片透镜部件作为聚合物层合物层和平面衬底的组合的单元。因此，晶片透镜部件的折光力由一个或多个层合物层和一个或多个平面衬底来提供。层合物层和平面衬底通常具有不同的特性，诸如折射率和阿贝数。这些复合光学材料有助于晶片透镜部件的折光力，并且在计算晶片透镜或晶片透镜组的折光力时需考虑这些复合材料折射率。因此，晶片透镜部件与由单个透明折射材料块形成的具有相同几何形状的透镜元件在光学上有所不同，并且晶片透镜的平面衬底(其可为平面玻璃衬底)不计入透镜计算中。
现在参考如图13、图16和图19所示的实施方案，适用于相机的紧凑型透镜系统510,610,710可包括五个透镜部件。图13透镜系统510中的五个透镜部件501-505、图16透镜系统610中的五个透镜部件601-605和图19透镜系统710中的五个透镜部件701-705各自具有折光力并形成焦距为f的透镜系统。
图13、图16和图19中示出的实施方案的第一透镜部件501,601,701为晶片透镜部件的形式，其中聚合物材料或塑料材料的层合物层被形成在平面衬底(其可以是平面玻璃衬底)上。图13透镜系统510中的其余五个透镜部件502-505、图16透镜系统610中的602-605以及图19透镜系统710中的702-705被示为由单个透明折射材料块形成的透镜元件。在其他未示出的实施方案中，其余五个透镜部件中的一个或多个透镜部件可为连续布置的成组的多个此类折射材料块，诸如附加晶片透镜部件。透镜系统510,610,710中的每个透镜系统的五个透镜部件沿光轴(AX)512,612,712从对象侧到图像侧被布置如下：
具有正折光力、焦距f1和凸对象侧表面的为晶片透镜部件形式的第一透镜部件501,601,701；
具有负折光力和焦距f2的第二透镜部件502,602,702；
具有正折光力和焦距f3的第三透镜部件503,603,703；
具有正折光力和焦距f4的第四透镜部件504,604,704；和
具有负折光力和焦距f5的第五透镜部件505,605,705。
此外，五个透镜部件中的每个透镜部件的至少一个表面、对象侧或图像侧为非球面的。在一些实施方案中，五个透镜部件中的一个或多个透镜部件的对象侧表面和图像侧表面均为非球面的。
透镜系统510,610,710在图像传感器518,618,718的表面上或附近形成图像。覆盖材料516,616,716(诸如覆盖玻璃或红外截止滤光片)可被放置在透镜系统510,610,710和图像传感器518,618,718之间。
在图13、图16和图19所示的透镜系统510,610,710的至少一些实施方案中，具有正屈光度和焦距f1的晶片透镜部件501,601,701可包括两个晶片透镜520,530,620,630,720,730。
参考图13所示的透镜系统510，晶片透镜520,530可各自包括平面衬底522,532(其可为平面玻璃衬底)。可使用已知的制造方法(如铸造、模制或显微光刻工艺)在平面衬底522,532的一个表面上形成聚合物材料或塑料材料的层合物层524,534。如果使用聚合物材料，则其可为UV可固化聚合物材料。层合物层524,534被形成为向晶片透镜提供折光力的形状。两个晶片透镜520,530可被布置成使得第一层合物层524面向对象侧并且第二层合物层524面向图像侧。两个平面衬底522,532的平坦表面可面向彼此，或者处于完全整体接触或者平行隔开的关系，其间距量非常小以致不计入透镜计算中。
所包括的晶片透镜部件作为聚合物层合物层和平面衬底(其可为平面玻璃衬底)的组合的单元。因此，晶片透镜部件的折光力由一个或多个层合物层和一个或多个平面衬底来提供。层合物层和平面衬底通常具有不同的特性，诸如折射率和阿贝数。这些复合光学材料有助于晶片透镜部件的折光力，并且在计算晶片透镜或晶片透镜组的折光力时需考虑这些复合材料折射率。因此，晶片透镜部件与由单个透明折射材料块形成的具有相同几何形状的透镜元件在光学上有所不同，并且晶片透镜的平面衬底不计入透镜计算中。
晶片透镜部件501可包括响应于所施加的电压而提供可变透光率的电致变色层514。电致变色层514可起到可变孔径光阑的作用。电致变色层514可位于第一晶片透镜衬底522的图像侧平坦表面和第二晶片透镜衬底532的对象侧平坦表面之间。电致变色层514可由导电有机材料或无机材料(诸如金属氧化物和导电聚合物)的透明膜层组成。
图16和图19所示的透镜系统610,710针对晶片透镜部件601,701来呈现与图13所示晶片透镜部件501的结构类似的结构。在图16和图19中，与图13中的那些相似的特征部在附图标号中具有相同的最后两位数字。
图25A示出了晶片透镜部件2501的侧正视图。图25B示出了晶片透镜部件2501的图示。图25C示出了晶片透镜部件2501的分解图示。晶片透镜部件2501具有平面衬底2522，其中折射元件2524被模制在平面衬底的第一平坦表面上，并且光控制元件2514被应用于该平面衬底的相对平坦表面。光控制元件可位于平面衬底的对象侧或图像侧上。第二折射元件2526被模制在光控制元件2514上，该光控制元件位于与被应用于平面衬底的平坦表面的一侧相反的光控制元件的一侧上。晶片透镜部件2501的这种布置与图7和图10所示实施方案的晶片透镜部件相似。虽然为了清楚起见，光控制元件2514被示为具有相当大的厚度，但在一些实施方案中，光控制元件可为比附图所示薄得多的薄膜。在一些实施方案中，光控制元件可为1为微米至2微米厚。
光控制元件2514可为包含限定以光轴为中心的透明开口(例如圆形开口)的不透明材料的孔径光阑的形式。在另一个实施方案中，光控制元件可为中性密度滤光片的形式，其在整个表面上均匀地降低光的强度。
在又一个实施方案中，光控制元件可为变迹孔的形式，其随着距光轴的距离增加以平滑递增量来降低光的强度，如图28所示。变迹孔可提供透射光从基本上没有衰减的中心透明开口到完全衰减透射光的完全不透明外边缘的平滑递增衰减。在其他实施方案中，变迹孔可提供透射光从相当大衰减开始和/或在完全衰减光之前结束的平滑递增衰减。例如，变迹孔可包括以通过变迹环而被连接至不透明外环的光轴为中心的透明圆形开口。变迹环可提供透射光从具有大约20％基本衰减的透明圆形开口的外边缘开始并在具有小于大约80％完全衰减的不透明外环的内边缘处结束的平滑递增衰减。
光控制元件2514可提供可变透光率。在一些实施方案中，光控制元件可为被应用于平面衬底2522上的导电有机或无机材料的薄膜层，以提供响应于所施加的电压而具有可变透光率的电致变色透镜部件。在一个实施方案中，电致变色透镜部件提供可变的中性密度滤光片。
图26示出了另一晶片透镜部件2601的侧正视图。晶片透镜部件2601具有第一平面衬底2622，其中第一折射元件2624被模制在第一平面衬底的第一平坦表面上。晶片透镜部件2601还具有第一平面衬底2632，其中第二折射元件2634被模制在第二平面衬底的第二平坦表面上。第一折射元件2624和第二折射元件2634被布置为形成晶片透镜部件2601的两个外部元件。光控制元件2614被设置在第一平面衬底2622和第二平面衬底2632之间，以由平面衬底的平坦表面支撑，该平表面与折射元件2624,2634被模制在其上的平坦表面相对。晶片透镜部件2601的这种布置与图22和图25所示实施方案的晶片透镜部件相似。光控制元件2614可具有此前结合图25A-25C描述的任何形式。当光控制元件较薄(例如仅几微米厚)时，光控制元件2614被布置在两个平面衬底2622,2632之间可能为有利的。
图27示出了提供可变孔径光阑的电致变色透镜部件2714的平面图。所示的实施方案包括以光轴为中心的透明圆形开口2740。透明圆形开口2740被两个环形同心环2742,2744包围。环形同心环可为可在基本上透明到基本不透明之间调节的电致变色膜，以提供机械孔径光阑的固态等效物。
在另一个实施方案中，电致变色透镜部件可提供图28所示类型的变迹孔，其中透过光学系统的光能在孔开口上具有可变强度特征分布。
图29-37示出了可用于为本文所述的透镜系统的一些实施方案提供光控制的电致变色透镜部件的实施方案。
图29为相机模块10连同实现相机功能所需的电子电路元件的框图。需注意，可能存在如本领域普通技术人员已知的在消费电子设备(例如通信网络接口、显示屏、触摸屏、键盘和音频转换器)中实现的附加功能，但是为了简洁起见，本文未作描述。相机模块10具有作为光学系统一部分的成像传感器13，其还包括聚焦透镜11和电光(E-O)可变孔14。这些光学部件与光轴对准，如图所示。然而，需注意，虽然在本特定示例中所有光学部件均呈直线，但在其他实施方案中，可能存在反射镜或其他光学偏转器允许一个或多个部件偏离直线放置。但是，仍然可认为这些部件“与光轴对准”。在图29中所示的为一种可被装配在低z高度设备(诸如智能电话、平板电脑或膝上型计算机)的狭小范围内的(在封装方面)特别有效的机构，其中具体地，所有光学接口被定位成基本上平行于设备外壳的前面或后面。换句话讲，每个光学部件平放在x-y平面内，其高度沿所示的z方向上给出。
成像传感器13可为提供与曝光控制器18的接口以接收用于确定拍摄照片的曝光量的某些参数的任何传统的固态成像传感器(诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器芯片)。该传感器参数可包括可由曝光控制器18根据考虑各种输入变量(例如，场景照明水平和闪光灯或闪光照明的可用性)的任何合适的曝光控制算法来设置的像素积分时间。曝光控制器18可自动执行算法以确定合适的曝光设置，并且然后响应于手动快门释放命令(例如，响应于机械或虚拟快门按钮由设备用户致动)来向成像传感器发信号通知以更新其参数。曝光控制器18可被实现为编程处理器或具有所存储的参数选项的完全硬连线逻辑状态机。一旦数字图像在选定曝光设置下由成像传感器13捕获，则其可在进一步由产生例如静止图像文件(例如，JPEG格式)或视频文件(例如，数字电影格式)的更高层相机功能处理或分析之前转移至数字图像存储器19(例如，固态易失性或非易失性存储器)。
相机模块10中还包括可包括用于将来自场景的光聚焦到成像传感器13上的一个或多个透镜部件(从而在成像传感器13的有效像素阵列部分上产生光学图像)的聚焦透镜11。聚焦透镜11可为本文所述的透镜系统中的一个透镜系统。聚焦透镜11可为执行自动聚焦机构的固定焦点光学子系统或可变焦点子系统的一部分。就自动聚焦机构而言，对于本领域普通技术人员显而易见的是，曝光控制器18可针对每次曝光来设置与透镜位置相关的附加控制参数。
相机模块10还具有出于框图的目的被示为被放置在光路上聚焦透镜11前方的电光可变孔14。当与本文所述的透镜系统的实施方案一起使用时，光电可变孔14被定位在聚焦透镜11内。孔14有效地实现其宽度或尺寸为电子可变的光瞳。孔14可沿光轴被放置在成像传感器13前方的任何合适的孔位置处。当孔14已被电控成小或窄光瞳时，高准直光线被允许进入，这导致在光学系统的图像平面处尖锐聚焦。另一方面，当孔14被配置成大或宽光瞳时，非准直的光线被允许进入，这导致光学图像在聚焦透镜11聚焦之处附近尖锐，否则可能变得模糊。因此，孔14确定来自场景光的最终聚集在图图像平面的焦点上的进入光线的准直程度。孔14还确定入射光的量或允许进入多少入射光线并且因此多少光到达成像传感器，当然孔越窄而由传感器13捕获的数字图像越暗(对于给定积分时间)。使用电子驱动器电路15实现了对孔14的有效光瞳尺寸的控制，该电子驱动器电路15可接收来自曝光控制器18的可表示有效光瞳期望尺寸的控制信号或命令。驱动器电路15将该输入命令转换成被应用于孔14的输入透明导体的驱动电压，如下文所述。
现在转向图30，其示出了根据本发明的实施方案的孔14的剖面图。如可看出的，孔14具有包括前透明导体介质17(在本示例中连接至驱动器电路的“+”端)、电解质介质、活性EC介质和后透明导体介质20(连接至驱动器电路的互补端)的叠层。在一个实施方案中，叠层的元件成型为如图所示彼此接触即电解质介质成型为这样的层：其表面与后透明导体层20接触，并且其相对表面与活性EC介质(例如活性EC层)接触，而活性EC介质的表面与前透明导体层17接触。
在一个实施方案中，电解质介质由离子源介质组成，该离子源介质与后透明导体20相邻并与离子导电介质接触，而离子导电介质又与活性EC层相邻。本文中，被形成离子源层不与活性EC层接触，而是与离子导电层接触，而离子导电层与活性EC层接触。换句话讲，离子导电层笨哦完全夹在离子源层和活性EC层之间。这种布置也可在孔14的其他实施方案中找到，例如图31-33的剖面图所示的。
离子源层存储用于当在透明导体层17和20之间已生成足够的电荷场时活化EC层的合适的离子(例如锂离子)，该电荷场在本文附图的情况中可大致垂直定向。此外，离子源层应足够透光或透明，以允许来自场景的光线通过(在本文附图的情况中沿大致垂直方向)。离子源层也可被称为反电极层。
离子导电层允许由离子源产生的离子在进入活性EC层时具有高迁移率。
如图30所示，前透明导体层和后透明导体层17,20被形成在衬底16的平坦表面上。层的堆叠可一层叠一层地形成，在本文所有附图中被示为以透明导体层17开始。衬底为如前所述的晶片透镜的元件。衬底可由玻璃、聚碳酸酯或其他合适的材料或组合物制成，这些材料或组合物足够透明，以用于消费者电子相机的光学系统中并可用于支持透明导体层17,20和一个或两个折射部件的形成。
透明导体可为例如成型为较薄层的铟锡氧化物(ITO)或其他透明导电材料层。透明导体提供用于将来自驱动器电路的电荷应用于离子源的导电路径，同时允许来自场景的光线自由通过。在这种情况下，前透明导体层17被形成在前衬底16的后面上。需注意，本文提及“前”和“后”仅是为了更容易地描述孔14的结构，并不意图另外进行限制。例如，在一个实施方案中，入射光通过位于图30所示的叠层底部的前衬底16而进入堆叠；孔14也可在来自场景的入射光通过后衬底沿相反方向进入孔的情况下工作。
仍然参考图30，在本实施方案中，活性EC层在其边缘处呈锥形，如图所示，从而形成平缓环，而不是具有陡直或阶梯状边缘。从上文观察(未示出)，环形为显而易见的。换句话讲，当EC层基本上垂直于相机模块10的光轴(参见图29)延伸时，其不具有均匀厚度，而是具有逐渐减小的厚度，在EC层的空白内部区域内下降到基本为零，如图30所示。在这种情况下，该空白内部区域基本上与光轴对准或以光轴为中心。EC层向下渐缩使得离子导电层材料填充该间隙，从而导致离子导电层具有基本截头圆锥体形状，如图30所示。锥形活性EC层因此为孔14提供最小光瞳宽度，在这种情况下该孔与锥形活性EC层的底部共同延伸。
在操作中，只要没有足够的电流通过EC介质的外部区域，孔14便可有效地呈现宽光瞳，这可在驱动器电路施加基本上零电压到前后透明导体时实现。当驱动器增加电压时，离子被迫从电解质介质行进通过锥形活性EC层，这使得EC层的外部区域变暗。本文应当指出的，除了该点处的电流强度之外，EC层的暗度取决于该点处的厚度。因此，锥形EC层的暗度变化为渐变的，因为对于给定的固定电压，暗度随着EC层远离中心光轴向外移动而增加。可调整EC层边缘处锥形的形状，以调节光学系统的衍射质量。这可能有助于在成像传感器13(见图29)上创建比在活性EC层内具有陡直边缘的E-O孔更清晰的图像。例如，调整EC层的边缘可能通过降低非常高频率下的空间频率响应并提高低空间频率响应(锐度)来帮助减少颜色混叠伪像。
虽然附图中未示出，但孔14的顶视图显示，可与光轴中心对准的内部区域可成型为任何合适的形状，虽然预期圆形形状可以产生改进的结果，因为其与聚焦透镜11的透镜部件的自然圆形形状匹配。此外，虽然本文几处提及“环”或“环状”形状，但这并不意味着该形状的外部边界也必须是圆形的，而是意味着该形状仅为环形，即存在基本上空的内部区域由非空外部区域包围。
整个EC层的活化和去活化过程为可逆的，以使得活性EC层的外部区域可从基本上透光状态转变为有色或黑色状态(响应于通过其产生的足够电流)，并且然后返回基本上透光状态(当除去激活电压时)。
在一个实施方案中，在透光状态中(例如，在零驱动电压下)，孔14在目标可见光谱带中具有至少95％的透光性(对于消费电子设备数字摄影)；然后当有效光瞳直径通过三个“孔径光阑”步骤减小时(其中每个步骤将直径减小2倍的平方根或约1.414倍的平方根，因此使光瞳有效面积减半)，孔14应当仍显示至少75％的透光性。
在一个实施方案中，现在参考图34，具有活性EC介质1的根据图30的堆叠与具有EC介质2的另一堆叠组合。这使得整体结构(图34所示)能够被控制或切换成三个状态，即透光状态、黑色孔径光阑(或光阑缩小)状态、以及中性密度状态，其中孔作为整体表现出来自场景的光的强度(在所有可见颜色或目标波长上)的基本均匀的降低。控制电路23将输入请求转换成可变电压源V1和V2的合适驱动电压设置，这些设置继而引起活性EC介质1,2分别具有合适的不透明度。
现在转向图31，该图示出了本发明另一实施方案的剖面图，其中在这种情况下，孔叠层被成型为使得其前透明导体介质或层17为图案化层。具体地，如图31所示，前透明导体层17在其中形成与光轴基本上对准或以光轴为中心的间隙或孔(例如通过化学或机械蚀刻)。该间隙导致通过位于间隙正下方的活性EC层的一部分而产生的不足的电流激活EC介质的那部分。换句话讲，环状电流通过活性EC层(当驱动器电路施加激活电压时)产生。这确保孔叠层的内部区域保持基本上透光，从而在高激活电压下形成基本上与透明导体层17中的间隙共同延伸的最小有效光瞳宽度，并随着激活电压降低产生逐渐变大的光瞳宽度。在本实施方案中，EC介质由基本上垂直于光轴但同时也具有如图所示的基本均匀厚度的的活性EC层组成。由驱动器电路施加的电压可以从低水平或最低水平(例如零电压)(这样在EC层的外部区域产生低不透明度)连续调节或改变至在EC层的外部区域产生高不透明度的高电压。
现在参考图32，该剖面图示出了一个实施方案，其中孔叠层的前透明导体层介质17包括也被称为隔离区域(即与前透明导体介质17的外部区域电隔离)的内部透明导体插塞区域。该隔离区域可基本上以光轴为中心或与光轴对准。其可保持电浮置，或者可另选地连接到与前透明导体介质17的外部区域不同的电压，而该前透明导体介质有驱动器电路驱动到激活电压。该机构再次产生通过活性EC层的外部区域的环状电流，从而在活性EC层的内部区域中保持非常低的不透明度。因此，类似于上述实施方案，在高驱动电压下，活性EC层的外部区域(其经受环状电流)达到高不透明度，而其内部区域基本上不受或经受非常低的电流，因此保持低透明度。
应当注意，相比于图31的实施方案，图32实施方案的另一个优点可能在于当驱动电压最小并且光瞳尺寸最宽时，通过孔14的光路的内部区域(居中或与光轴对准)与光路的外部区域(其被活性EC层受到更大的不透明度)之间的光学特性差异有所减小。换句话讲，来自场景的通过孔14的内部区域的光线将经受与行进通过外部区域的光线基本上相同的光学特性(假设可忽略在图32前透明导体层17的隔离区域和外部区域之间示出的物理间隙的影响)。对于图30的实施方案(由于锥形活性EC层)和图31的实施方案(由于透明导体层17中的巨大间隙)可能不是这种情况。
现在转向图33，在孔叠层的另一个实施方案中，如图所示，离子传导介质或离子导电层通过在可能以其他方式厚度均匀的离子传导层中形成间隙或孔而被变成图案化层。如图所示，该孔可基本上与光轴对准或以光轴为中心。这意味着当驱动器电路施加激活电压时，没有足够来自离子源层的离子行进通过离子传导层的(空)内部区域，因此将不应影响直接位于孔下方的活性EC层的内部区域。因此，活性EC层的内部区域不应明显变暗。再次，在这种情况下，使用与图30-32中描述的那些不同的机构来实现最小有效光瞳宽度。再次，环状电流通过活性EC层(当驱动器电路施加激活电压时)产生，以便减小孔的宽度。孔的最小宽度或面积可基本上对应于离子传导层中孔的尺寸。
图35示出了呗集成在消费者电子设备中的相机模块的光学系统，其中可放置电光孔。透镜组件包括透镜和图像传感器。透镜的对象侧可邻近用于消费电子设备的透明外部外壳壁，以使得透镜的光轴延伸穿过透明外部外壳壁。电光孔14包括位于透镜对象侧上的第一透镜部件中。包括电光孔14的透镜部件为最靠近透明外部外壳壁的透镜部件。
现在转向图36，根据本发明的另一个实施方案示出了电光孔的剖视图。此处孔的叠层类似于图30的实施方案，因为存在其上已经形成透明导体介质或层17的衬底。如上所述，衬底可由任何合适的材料(例如蓝宝石或玻璃或其他足够透明的材料)制成，在其上可形成电光孔的叠层和折射元件。与透明导体介质17接触的为其相对表面与离子传导层接触的活性EC层。离子传导层与离子源层接触。整个夹层由前透明导体层和后透明导体层17,20限定。在图36的实施方案中，还存在已在前透明导体层17和衬底之间形成的前防反射层和/或红外(IR)切割层。此外，在这种情况下，通过孔的成像路径已通过增加具有内部开口的可视不透明层而被限定。本示例中的可见不透明层已被直接应用于至衬底，并在衬底和相邻防反射层和/或IR切割层之间形成。还需注意，开口在前防反射层和/或IR切割层以及后防反射层中形成，以允许电接触部(未示出)直接与前透明导体层和后透明导体层17,20连接，以便应用电光孔的激活电压。在这种情况下，前后防反射层和/或IR切割层完全包封或覆盖除需要发生电接触的区域(如图所示)之外的孔叠层。
现在转向图37，其示出了其中图36的叠层已通过添加导电部分26而被修改的本发明的另一实施方案。这在图37中被描述为直接连接两个透明导体层17,20的大约位于成像路径中心处的小电短路。在一个实施方案中，该导电部分或短路26相对较小，例如大约10微米厚或宽。导电部分的形成在一定程度上类似于如何在微电子制造工艺中在集成电路的不同金属层之间形成通路。需注意，导电部分26可由与前透明导体介质和后透明导体介质17,20相同的材料制成。
图37还示出了此类“变迹”孔的示例性电阻器电路模型，其中在这种情况下，2伏特的激活电压被应用于两个透明导体层17,20。导电部分26由于位于成像路径的中心处而将具有大约+1伏特的中点电压。然而，需注意，整个活性EC介质上的电势将从中心处的基本上零伏特(由于存在导电部分26)变化，并朝成像路径的周边逐渐变大，本文中在周边处最高至2伏特。这意味着EC介质在中心处最不透明，并且朝周边向外移动逐渐变得更加不透明。还可看出，如果使导电部分26变得更厚或更大，则孔的最小或最低光瞳尺寸也可更大，因为在其上存在零电压的EC层的区域更大。
虽然图37示出了导电部分26相对于前透明导体层和后透明导体层17,20以大约90°进行取向，并且位于更靠近成像路径横截面的中心而不是周边的位置，替代方案可能是以不同方式对导电部分26进行定位和取向或使导电部分26成形。此外，可能存在多于一个此类直接连接透明导体层17,20的离散导电部分或短路。
现在参考图38，其示出了其中集成使用根据本发明的实施方案的透镜系统的相机模块10的便携式无线通信设备30的透视图。在这种情况下，该设备可为智能电话或平板电脑，从旨在当握在用户单只手中时使用的意义上说，其为手持设备。当然，相机模块10可另选地被集成在其他类型的便携式无线设备(例如膝上型或笔记本电脑)中，并且其也被可集成在非便携式设备(例如台式个人计算机、电视监视器或任何其他在Z轴(Z高度)上具有特别短的轮廓的电子设备)中。就智能电话或平板电脑而言，设备具有其中集成蜂窝网络无线通信电路使得设备能够用作移动电话终端或终端站的外壳。便携式无线通信设备可具有Z-高度在8mm-13mm范围内的外壳，从而特别适合在其中接收Z-高度在6mm-9mm范围内的相机模块。本文所述的透镜系统适合创建可用于此类相机模块中的具有低F值和宽视野的紧凑型透镜系统。
以下表格提供了如本文所述和图1,4,7,10,13,16,19和22所示的透镜系统实施方案的各种光学和物理参数的示例性值。这些表可被描述为向示例性透镜系统提供光学设置。例如，表1A和1B为具有如图1所示的五个透镜部件的透镜系统110的示例性实施方案提供光学设置。
在表中，除非另有说明，否则所有尺寸均以毫米计。正半径指示曲率中心到表面的图像侧。负半径指示曲率中心到表面的对象侧。“INF”表示无限远(如在光学中所使用的)。“ASP”表示非球面，并且“FLT”表示平坦面。厚度(或分离)为从表面与光轴的交点到下一个表面与光轴的交点的轴向距离。设计波长表示成像系统的光谱带中的波长。
对于透镜元件、窗口、晶片衬底和IR滤光片的材料，提供了氦d线波长处的折射率Nd以及相对于d线和氢的C-和F-线的阿贝数Vd。阿贝数Vd可由下列公式定义：
Vd＝(Nd-1)/(NF–NC)，
其中NF和NC分别为氢的F线和C线处的材料的折射率值。
参照非球面常数表(表1B、2B、3B、4B、5B、6B、7B、8B和9B)，描述非球面的非球面方程可由下式给出：
Figure BDA0001520354760000211
其中Z为平行于Z轴的表面垂度(对于所有实施方案，Z轴与光轴重合)；
c为表面的曲率(表面曲率半径的倒数)；
K为二次曲线常数；并且
A、B、C、D、E、F和G为非球面系数。
在表中，“E”表示指数符号(10的幂)。
需注意，下表中针对透镜系统的各种实施方案中的各种参数给出的数值为以举例的方式给出的，并非旨在进行限制。例如，示例性实施方案中的一个或多个透镜元件的一个或多个表面的一个或多个参数以及组成元件的材料的参数可被赋予不同的值，而仍然为透镜系统提供类似的性能。具体地，需注意，表中的一些数值可根据使用如本文所述透镜系统实施方案的相机的更大或更小具体实施而被放大或缩小。
另外需注意，如表中所示的透镜系统的各种实施方案中的元件的表面编号(Si)从对象平面处的第一表面0到图图像平面处的最后表面被列出。由于元件的数量和位置在实施方案中可变化，因此与某些元件对应的表面编号在不同的表中可变化。例如，对于表1A、2A和8A所示的透镜系统，孔径光阑为表面2，并且表面3为虚拟表面。第一透镜元件具有用于表1A和8A所示的透镜系统的表面4和5。需注意，在提及本文档中透镜元件表面的曲率半径(Ri)时，所使用的标引(例如用于第一透镜部件表面的R1和R2)对于所有实施方案均为相同的。但是这些表面编号可能但不一定对应于在表中给出的透镜部件的表面编号。
透镜系统的有效焦距以f来表示。透镜系统的总轨迹长度(TTL)为沿第一部件L1的对象侧表面与图像平面之间的光轴(AX)的距离。透镜系统被配置成使得透镜系统的比率(TTL/f)满足以下关系：
1.2<TTL/f<1.4
可位于前对象侧透镜部件L1附近的孔径光阑AS可确定透镜系统的入射光瞳。透镜系统焦距比或f-值被定义为透镜系统有效焦距f除以入射光瞳直径。IR滤光片118可用于阻挡可能损坏或不利地影响光电传感器的红外辐射，并且可被配置成使得对f没有影响。
本文所述的透镜系统的实施方案涵盖从470纳米(nm)到650nm光谱的可见光区域中的应用，其中参考波长为555nm。下表中的光学设置为470nm至650nm光谱上的所述f-值提供了高图像质量。
示例性透镜系统的五个透镜部件L1、L2、L3、L4和L5可由具有如表所列出折射率和阿贝数的塑料材料制成。在至少一些实施方案中，三种类型的塑料材料可用于透镜部件。透镜部件L1可由阿贝数为56.3的第一塑料材料制成，透镜部件L3、L4和L5可由阿贝数V1为55.9的第二塑料材料制成，并且透镜部件L2可由阿贝数V2为21.5的第三塑料材料制成。在其他实施方案中，可使用具有近似阿贝数的塑料材料。期望具有负折光力的第二透镜部件L2所使用的塑料材料的阿贝数V2基本上小于其余透镜部件所使用的塑料材料的阿贝数。这些塑料材料在透镜部件上的应用使得透镜系统针对可见光区域上的色差进行优化和校正。
可选择透镜部件材料并可计算透镜部件的折光力分布，以满足有效焦距f和对场曲率或珀兹伐和的校正。通过调节如表中所示的透镜部件的曲率半径和非球面系数或几何形状以及轴间距，可减小光学像差的单色和彩色变化，以产生良好校正和平衡的最小残差。
图1为具有第一透镜部件L1 101(其为单透镜元件)的紧凑型透镜系统110的示例性实施方案的剖视图。孔径光阑AS 114被定位在第一透镜部件L1 101的对象侧上。透镜系统110包括具有折光力的五个透镜部件101-105。透镜系统110的部件沿透镜系统的光轴AX从第一对象侧透镜部件L1101被布置到第五图像侧透镜部件L5 105(在图中从左到右)。透镜系统110在光电传感器118的表面处形成图像。在一些实施方案中，红外(IR)滤光片116可位于第五透镜部件L5 105和光电传感器118之间。
透镜系统110的第四透镜部件L4 104具有正折光力、正焦距f4和凹对象侧面。此外，透镜系统110的透镜部件L4为正弯月形并具有正顶点曲率半径R7(对象侧表面的半径)和R8(图像侧表面的半径)，两个半径的值均在光轴112处。此外，R8>R7-D7，其中D7为透镜在光轴112处的厚度。
图2示出了针对图1所示和表1A和1B所述的透镜系统110的半视野(HFOV＝37.0度)上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图3示出了如图1所示和表1A和1B所述的透镜系统110的球面像差、散光场曲线和失真的色度变化的多色曲线。
图4为具有第一透镜部件L1 201(其为具有折光力的晶片透镜部件)的紧凑型透镜系统210的示例性实施方案的剖视图。孔径光阑AS 214被定位在第一透镜部件L1 201的对象侧。透镜系统210包括具有折光力的五个透镜部件201-205。透镜系统210的部件沿透镜系统的光轴AX从第一对象侧透镜部件L1 201被布置到第五图像侧透镜部件L5 205(在图中从左到右)。透镜系统210在光电传感器218的表面处形成图像。在一些实施方案中，红外(IR)滤光片216可位于第五透镜部件L5 205和光电传感器218之间。
晶片透镜部件L1 201可由平面衬底222和使用已知的制造方法诸如铸造、模制、或微光刻工艺而在平面衬底(其可以是平面玻璃衬底)上形成的UV可固化聚合物材料或塑料材料的层合物层224,226组成。透镜系统210的其余四个透镜部件L2、L3、L4和L5 202-205可由具有如表2A所列折射率和阿贝数的塑料材料制成。
透镜系统210的第四透镜部件L4 204具有正折光力、正焦距f4和凹对象侧面。此外，透镜系统210的透镜部件L4为正弯月形并具有正顶点曲率半径R7(对象侧表面的半径)和R8(图像侧表面的半径)，两个半径的值均在光轴212处。此外，R8>R7-D7，其中D7为透镜在光轴212处的厚度。
图5示出了针对图4所示和表2A和2B所述的透镜系统210的半视野(HFOV＝37.0度)上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图6示出了如图4所示和表2A和2B所述的透镜系统210的球面像差、散光场曲线和失真的色度变化的多色曲线。
图7为具有第一透镜部件L1 301(其为具有折光力的晶片透镜部件)的紧凑型透镜系统310的示例性实施方案的剖视图。孔径光阑AS 314被应用于平面衬底322的对象侧平坦表面上。透镜系统310包括具有折光力的五个透镜部件301-305。透镜系统310的部件沿透镜系统的光轴AX从第一对象侧透镜部件L1 301被布置到第五图像侧透镜部件L5 305(在图中从左到右)。透镜系统310在光电传感器318的表面处形成图像。在一些实施方案中，红外(IR)滤光片316可位于第五透镜部件L5 305和光电传感器318之间。
孔径光阑314可为被应用于平面衬底322上的材料形式的固定孔径光阑，以提供以光轴为中心的透明开口诸如圆形开口。在另一个实施方案中，导电有机或无机材料的薄膜层314可被沉积在平面衬底322上，以提供响应于所施加的电压具有可变透光率的电致变色透镜部件形式的孔径光阑。电致变色透镜部件314可提供通过向透过光学系统的光能在孔开口上提供可变强度特征分布的所施加的电压而被调节的中心透明开口。
透镜系统310的第四透镜部件L4 304具有正折光力、正焦距f4和凹对象侧面。此外，透镜系统310的透镜部件L4为正弯月形并具有正顶点曲率半径R7(对象侧表面的半径)和R8(图像侧表面的半径)，两个半径的值均在光轴312处。此外，R8>R7-D7，其中D7为透镜在光轴312处的厚度。
图8示出了针对图7所示和表3A和3B所述的透镜系统310的半视野(HFOV＝37.0度)上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图9示出了如图7所示和表3A和3B所述的透镜系统310的球面像差、散光场曲线和失真的色度变化的多色曲线。
图10为具有第一透镜部件L1 401(其为具有折光力的晶片透镜部件)的紧凑型透镜系统410的示例性实施方案的剖视图。孔径光阑AS 414被应用于平面衬底422的图像侧平坦表面上。透镜系统410包括具有折光力的五个透镜部件401-405。透镜系统410的部件沿透镜系统的光轴AX从第一对象侧透镜部件L1 401被布置到第五图像侧透镜部件L5 405(在图中从左到右)。透镜系统410在光电传感器418的表面处形成图像。在一些实施方案中，红外(IR)滤光片416可位于第五透镜部件L5 405和光电传感器418之间。
孔径光阑414可为被应用于平面衬底422上的材料形式的固定孔径光阑，以提供以光轴为中心的透明开口诸如圆形开口。在另一个实施方案中，导电有机或无机材料的薄膜层414可被沉积在平面衬底422上，以提供响应于所施加的电压具有可变透光率的电致变色透镜部件形式的孔径光阑。电致变色透镜部件414可提供通过向透过光学系统的光能在孔开口上提供可变强度特征分布的所施加的电压而被调节的中心透明开口。
透镜系统410的第四透镜部件L4 404具有正折光力、正焦距f4和凹对象侧面。此外，透镜系统410的透镜部件L4为正弯月形并具有正顶点曲率半径R7(对象侧表面的半径)和R8(图像侧表面的半径)，两个半径的值均在光轴412处。此外，R8>R7-D7，其中D7为透镜在光轴412处的厚度。
图11示出了针对图10所示和表4A和4B所述的透镜系统410的半视野(HFOV＝37.0度)上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图12示出了如图10所示和表4A和4B所述的透镜系统410的球面像差、散光场曲线和失真的色度变化的多色曲线。
图13为紧凑型透镜系统510的示例性实施方案的剖视图。透镜系统510包括晶片透镜组部件L1 501，该晶片透镜组部件包括各自具有折光力的第一晶片透镜部件520和第二晶片透镜部件530、以及具有折光力的四个附加透镜部件502-505。透镜系统510的部件沿透镜系统的光轴AX从第一对象侧透镜部件L1 501被布置到第五图像侧透镜部件L5 505(在图中从左到右)。透镜系统510在光电传感器518的表面处形成图像。在一些实施方案中，红外(IR)滤光片516可位于第五透镜部件L5 505和光电传感器518之间。
晶片透镜组部件501可配备有位于第一晶片透镜部件520的衬底522的平面图像侧表面与第二晶片透镜部件530的衬底的平面对象侧表面之间的电致变色层514。电致变色层514包括响应于所施加的电压而具有可变透光率的导电有机聚合物或无机材料的透明层。透镜系统510也可配备有标准虹膜类型孔径光阑(未示出)并与标准虹膜类型孔径光阑一起使用。
透镜系统510的第四透镜部件L4 504具有正折光力、正焦距f4和凹对象侧面。此外，透镜系统510的透镜部件L4为正弯月形并具有正顶点曲率半径R7(对象侧表面的半径)和R8(图像侧表面的半径)，两个半径的值均在光轴512处。此外，R8>R7-D7，其中D7为透镜在光轴512处的厚度。
图14示出了针对图13所示和表5A和5B所述的透镜系统510的半视野(HFOV＝37.0度)上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图15示出了如图13所示和表5A和5B所述的透镜系统510的球面像差、散光场曲线和失真的色度变化的多色曲线。
图16为紧凑型透镜系统610的示例性实施方案的剖视图。透镜系统610包括晶片透镜组部件L1 601，该晶片透镜组部件包括各自具有折光力的第一晶片透镜部件620和第二晶片透镜部件630、以及具有折光力的四个附加透镜部件602-605。透镜系统610的部件沿透镜系统的光轴AX从第一对象侧透镜部件L1 601被布置到第五图像侧透镜部件L5 605(在图中从左到右)。透镜系统610在光电传感器618的表面处形成图像。在一些实施方案中，红外(IR)滤光片616可位于第五透镜部件L5 605和光电传感器618之间。
晶片透镜组部件601可配备有位于第一晶片透镜部件620的衬底622的平面图像侧表面与第二晶片透镜部件630的衬底的平面对象侧表面之间的电致变色层614。电致变色层614包括响应于所施加的电压而具有可变透光率的导电有机聚合物或无机材料的透明层。透镜系统610也可配备有标准虹膜类型孔径光阑(未示出)并与标准虹膜类型孔径光阑一起使用。
透镜系统610的第四透镜部件L4 604具有正折光力、正焦距f4和凹对象侧面。此外，透镜系统610的透镜部件L4为正弯月形并具有正顶点曲率半径R7(对象侧表面的半径)和R8(图像侧表面的半径)，两个半径的值均在光轴612处。此外，R8>R7-D7，其中D7为透镜在光轴612处的厚度。
图17示出了针对图16所示和表6A和6B所述的透镜系统610的半视野(HFOV＝37.0度)上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图18示出了如图16所示和表6A和6B所述的透镜系统610的球面像差、散光场曲线和失真的色度变化的多色曲线。
图19为紧凑型透镜系统710的示例性实施方案的剖视图。透镜系统710包括晶片透镜组部件L1 701，该晶片透镜组部件包括各自具有折光力的第一晶片透镜部件720和第二晶片透镜部件730、以及具有折光力的四个附加透镜部件702-705。透镜系统710的部件沿透镜系统的光轴AX从第一对象侧透镜部件L1 701被布置到第五图像侧透镜部件L5 705(在图中从左到右)。透镜系统710在光电传感器718的表面形成图像。在一些实施方案中，红外(IR)滤光片716可位于第五透镜部件L5 705和光电传感器718之间。
晶片透镜组部件701可配备有位于第一晶片透镜部件720的衬底722的平面图像侧表面与第二晶片透镜部件730的衬底的平面对象侧表面之间的电致变色层714。电致变色层714包括响应于所施加的电压而具有可变透光率的导电有机聚合物或无机材料的透明层。本实施方案的电致变色层714具有与图16所示并在表6A和6B中所述实施方案的电致变色层614不同的光学特性。透镜系统710也可配备有标准虹膜类型孔径光阑(未示出)并与标准虹膜类型孔径光阑一起使用。
透镜系统710的第四透镜部件L4 704具有正折光力、正焦距f4和凹对象侧面。此外，透镜系统710的透镜部件L4为正弯月形并具有正顶点曲率半径R7(对象侧表面的半径)和R8(图像侧表面的半径)，两个半径的值均在光轴712处。此外，R8>R7-D7，其中D7为透镜在光轴712处的厚度。
图20示出了针对图19所示和表7A和7B所述的透镜系统710的半视野(HFOV＝37.0度)上和在470nm至750nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图21示出了如图19所示和表7A和7B所述的透镜系统710的球面像差、散光场曲线和失真的色度变化的多色曲线。
图22为具有第一透镜部件L1 801(其为单透镜元件)的紧凑型透镜系统810的示例性实施方案的剖视图。孔径光阑AS 814被定位在第一透镜部件L1 801的对象侧。透镜系统810包括具有折光力的五个透镜部件801-805。透镜系统810的第四透镜部件L4 804具有正折光力、正焦距f4和凹对象侧面。透镜系统810的部件沿透镜系统的光轴AX从第一对象侧透镜部件L1 801被布置到第五图像侧透镜部件L5 805(在图中从左到右)。透镜系统810在光电传感器818的表面形成图像。在一些实施方案中，红外(IR)滤光片816可位于第五透镜部件L5 805和光电传感器818之间。
图23示出了针对图22所示和表8A和8B所述的透镜系统810的半视野(HFOV＝37.0度)上和在470nm至650nm范围内的可见光谱带上的多色光线像差曲线。
图24示出了如图22所示和表8A和8B所述的透镜系统810的球面像差、散光场曲线和失真的色度变化的多色曲线。
表9示出了上述透镜系统的八个实施方案的各种特征的数据。这些特征和特征的组合可用于表征本文所述的类型的透镜系统。
虽然附图中描述并且示出了某些示例性实施方案，但应当理解，此类实施方案仅为示例性的并对广义发明不具有限制性，并且本发明不限于所示和所述的具体构造和布置，因为本领域的普通技术人员可进行各种其他修改。因此，要将描述视为示例性的而非限制性的。
表1A
Figure BDA0001520354760000291
Si：表面i
Ri：表面i的半径
Di：沿光轴的表面i和表面i+1之间的距离
Nd：材料相对于d线的折射率
Vd：材料相对于d线的阿贝数
fl：透镜部件的焦距
设计波长：650nm、610nm、555nm、510nm、470nm
表1B
Figure BDA0001520354760000301
表2A
Figure BDA0001520354760000302
Figure BDA0001520354760000311
Si：表面i
Ri：表面i的半径
Di：沿光轴的表面i和表面i+1之间的距离
Nd：材料相对于d线的折射率
Vd：材料相对于d线的阿贝数
fl：透镜部件的焦距
设计波长：650nm、610nm、555nm、510nm、470nm
表2B
Figure BDA0001520354760000312
Figure BDA0001520354760000321
表3A
Figure BDA0001520354760000322
Si：表面i
Ri：表面i的半径
Di：沿光轴的表面i和表面i+1之间的距离
Nd：材料相对于d线的折射率
Vd：材料相对于d线的阿贝数
fl：透镜部件的焦距
设计波长：650nm、610nm、555nm、510nm、470nm
表3B
Figure BDA0001520354760000331
表4A
Figure BDA0001520354760000332
Figure BDA0001520354760000341
Si：表面i
Ri：表面i的半径
Di：沿光轴的表面i和表面i+1之间的距离
Nd：材料相对于d线的折射率
Vd：材料相对于d线的阿贝数
fl：透镜部件的焦距
设计波长：650nm、610nm、555nm、510nm、470nm
表4B
Figure BDA0001520354760000342
Figure BDA0001520354760000351
表5A
Figure BDA0001520354760000352
Si：表面i
Ri：表面i的半径
Di：沿光轴的表面i和表面i+1之间的距离
Nd：材料相对于d线的折射率
Vd：材料相对于d线的阿贝数
fl：透镜部件的焦距
设计波长：650nm、610nm、555nm、510nm、470nm
表5B
Figure BDA0001520354760000361
表6A
Figure BDA0001520354760000362
Figure BDA0001520354760000371
Si：表面i
Ri：表面i的半径
Di：沿光轴的表面i和表面i+1之间的距离
Nd：材料相对于d线的折射率
Vd：材料相对于d线的阿贝数
fl：透镜部件的焦距
设计波长：650nm、610nm、555nm、510nm、470nm
表6B
Figure BDA0001520354760000372
Figure BDA0001520354760000381
表7A
Figure BDA0001520354760000382
Si：表面i
Ri：表面i的半径
Di：沿光轴的表面i和表面i+1之间的距离
Nd：材料相对于d线的折射率
Vd：材料相对于d线的阿贝数
fl：透镜部件的焦距
设计波长：650nm、610nm、555nm、510nm、470nm
表7B
Figure BDA0001520354760000391
表8A
Figure BDA0001520354760000392
Figure BDA0001520354760000401
Si：表面i
Ri：表面i的半径
Di：沿光轴的表面i和表面i+1之间的距离
Nd：材料相对于d线的折射率
Vd：材料相对于d线的阿贝数
fl：透镜部件的焦距
设计波长：650nm、610nm、555nm、510nm、470nm
表8B
Figure BDA0001520354760000402
Figure BDA0001520354760000411
表9：
Figure BDA0001520354760000412

Claims (24)

1.一种光学成像透镜组件，从对象侧到图像侧依次包括：
第一透镜部件，所述第一透镜部件具有正折光力、凸对象侧折射表面和凸图像侧折射表面；
第二透镜部件，所述第二透镜部件具有负折光力、凸对象侧折射表面和凹图像侧折射表面；
第三透镜部件，所述第三透镜部件具有正折光力和凸对象侧折射表面；
第四透镜部件，所述第四透镜部件具有正折光力和凸对象侧折射表面；和
第五透镜部件，所述第五透镜部件具有负折光力、凸对象侧折射表面和凹图像侧折射表面。
2.根据权利要求1所述的光学成像透镜组件，其中所述第三透镜部件具有凸图像侧折射表面，并且所述第四透镜部件具有凹图像侧折射表面。
3.根据权利要求1所述的光学成像透镜组件，其中所述第三透镜部件具有凹图像侧折射表面，并且所述第四透镜部件具有凸图像侧折射表面。
4.根据权利要求1所述的光学成像透镜组件，其中所述第四透镜部件具有正弯月形状。
5.根据权利要求1所述的光学成像透镜组件，其中所述第一透镜部件包括具有被模制在平面衬底的表面上的透镜元件的晶片透镜。
6.根据权利要求5所述的光学成像透镜组件，其中所述第一透镜部件还包括所述平面衬底的一个表面上的电致变色表面。
7.根据权利要求1所述的光学成像透镜组件，其中所述第一透镜部件包括两个晶片透镜，所述两个晶片透镜中的每个晶片透镜具有被模制在平面衬底的仅一个表面上的透镜元件。
8.根据权利要求7所述的光学成像透镜组件，其中所述第一透镜部件还包括所述两个晶片透镜中的一个晶片透镜的所述平面衬底的一个表面上的电致变色表面。
9.根据权利要求1所述的光学成像透镜组件，其中所述五个透镜部件中的每个透镜部件的所述对象侧折射表面或所述图像侧折射表面中的至少一个折射表面是非球面的。
10.根据权利要求1所述的光学成像透镜组件，其中所述五个透镜部件中的每个透镜部件的所述对象侧折射表面和所述图像侧折射表面两者是非球面的。
11.一种光学成像透镜组件，从对象侧到图像侧依次包括：
第一透镜部件，所述第一透镜部件具有正折光力；
第二透镜部件，所述第二透镜部件具有负折光力；
第三透镜部件，所述第三透镜部件具有正折光力和凸对象侧折射表面；
第四透镜部件，所述第四透镜部件具有正折光力、凸对象侧折射表面和凹图像侧折射表面；和
第五透镜部件，所述第五透镜部件具有负折光力。
12.根据权利要求11所述的光学成像透镜组件，其中所述第一透镜部件具有凸对象侧折射表面和凸图像侧折射表面。
13.根据权利要求11所述的光学成像透镜组件，其中所述第二透镜部件具有凸对象侧折射表面和凹图像侧折射表面。
14.根据权利要求11所述的光学成像透镜组件，其中所述第三透镜部件具有凸图像侧折射表面。
15.根据权利要求11所述的光学成像透镜组件，其中所述第五透镜部件具有凸对象侧折射表面和凹图像侧折射表面。
16.根据权利要求11所述的光学成像透镜组件，其中所述第一透镜部件包括具有被模制在平面衬底的表面上的透镜元件的晶片透镜。
17.根据权利要求16所述的光学成像透镜组件，其中所述第一透镜部件还包括所述平面衬底的一个表面上的电致变色表面。
18.根据权利要求11所述的光学成像透镜组件，其中所述第一透镜部件包括两个晶片透镜，所述两个晶片透镜中的每个晶片透镜具有被模制在平面衬底的仅一个表面上的透镜元件。
19.根据权利要求18所述的光学成像透镜组件，其中所述第一透镜部件还包括所述两个晶片透镜中的一个晶片透镜的所述平面衬底的一个表面上的电致变色表面。
20.根据权利要求11所述的光学成像透镜组件，其中所述五个透镜部件中的每个透镜部件的所述对象侧折射表面或所述图像侧折射表面中的至少一个折射表面是非球面的。
21.根据权利要求11所述的光学成像透镜组件，其中所述五个透镜部件中的每个透镜部件的所述对象侧折射表面和所述图像侧折射表面两者是非球面的。
22.一种便携式无线通信设备包括：
外壳；和
数字相机，所述数字相机集成在所述外壳内部，所述数字相机具有光学成像透镜组件，所述光学成像透镜组件具有透镜部件，所述透镜部件从对象侧到图像侧依次包括：
第一透镜部件，所述第一透镜部件具有正折光力；
第二透镜部件，所述第二透镜部件具有负折光力；
第三透镜部件，所述第三透镜部件具有正折光力和凸对象侧折射表面；
第四透镜部件，所述第四透镜部件具有正折光力和凸对象侧折射表面；和
第五透镜部件，所述第五透镜部件具有负折光力；
其中f4是所述第四透镜部件的焦距，f1是所述第一透镜部件的焦距，并且满足以下关系：
f4/f1≥1.6。
23.根据权利要求22所述的便携式无线通信设备，其中所述第三透镜部件具有凸图像侧折射表面，并且所述第四透镜部件具有凹图像侧折射表面。
24.根据权利要求22所述的便携式无线通信设备，其中所述光学成像透镜组件具有小于6毫米的总轨迹长度。
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