微型长焦镜头模块和使用该镜头模块的相机

摘要

本公开主题包括移动电子设备，其包括集成相机，该集成相机包括广角相机单元，其包括广角镜头单元；以及长焦相机单元，其包括长焦镜头单元；长焦镜头单元和广角镜头单元的TTL/EFL比率分别小于1和大于1并且限定了单独的长焦光路和广角光路。

权利要求

1.一种包括集成相机的移动电子设备，该集成相机包含具有广角镜头单元的广角相机单元以及具有长焦镜头单元的长焦相机单元，其中，所述广角镜头单元的广角镜头总长TTLW/有效焦距EFLW比率大于1，其中，所述长焦镜头单元的长焦镜头总长TTLT/有效焦距EFLT比率小于1，其中，所述广角镜头单元和所述长焦镜头单元限定了单独的广角光路和长焦光路，其中TTLT小于6.2mm，其中EFLT大于6.8mm，

其中长焦镜头单元具有光轴且光学直径小于5mm，并且包括：

第一组三个镜头元件，沿着光轴从物面到像面依次包括:具有正光功率的第一镜头元件，具有负光功率的第二镜头元件，和具有负光功率的第三镜头元件；其中第二和第三镜头元件一起具有负光功率；

第二组两个镜头元件，从物面到像面依次具有正、负光功率且被配置为形成由具有不同阿贝数的不同的聚合物材料制成且具有小于TTLT/50的有效气隙的场镜头组件，以及玻璃窗，其设置在第二组的最后一个镜头元件的像侧表面和图像传感器之间。

2.根据权利要求1所述的移动电子设备，其中，广角和长焦相机单元彼此间隔约1mm的距离。

3.根据权利要求1所述的移动电子设备，其中，TTLT小于5.5mm。

4.根据权利要求1所述的移动电子设备，其中，所述长焦镜头单元的第一镜头元件的焦距f1小于TTLT/2。

5.根据权利要求1所述的移动电子设备，其中，所述第一、第二和第三镜头元件具有各自的焦距f1、f2和f3，并且其中，各自的焦距满足条件1.2|f3|>|f2|>1.5f1。

6.根据权利要求1所述的移动电子设备，其中，所述长焦相机单元包括图像传感尺寸为

1/4"至1/3"的图像传感器。

7.一种相机，其包含：具有广角镜头单元的广角相机单元以及具有长焦镜头单元的长焦相机单元，其中，所述广角镜头单元的广角镜头总长TTLW/有效焦距EFLW比率大于1，其中，所述长焦镜头单元的长焦镜头总长TTLT/有效焦距EFLT比率小于1，其中，所述广角镜头单元和所述长焦镜头单元限定了单独的广角光路和长焦光路，其中TTLT小于6.2mm，其中EFLT大于6.8mm，

其中长焦镜头单元具有光轴且光学直径小于5mm，并且包括：

第一组三个镜头元件，沿着光轴从物面到像面依次包括:具有正光功率的第一镜头元件，具有负光功率的第二镜头元件，和具有负光功率的第三镜头元件；其中所述第二和第三镜头元件一起具有负光功率；

第二组两个镜头元件，从物面到像面依次具有正、负光功率且被配置为形成由具有不同阿贝数的不同的聚合物材料制成且具有小于TTLT/50的有效气隙的场镜头组件；以及玻璃窗，设置在第二组的最后一个镜头元件的像侧表面和图像传感器之间。

8.根据权利要求7所述的相机，其中，广角和长焦相机单元彼此间隔约1mm的距离。

9.根据权利要求7所述的相机，其中，TTLT小于5.5mm。

10.根据权利要求7所述的相机，其中，长焦镜头单元的第一镜头元件的焦距f1小于TTLT/2。

11.根据权利要求7所述的相机，其中，所述第一、第二和第三镜头元件具有各自的焦距f1、f2和f3，并且其中，各自的焦距满足条件1.2|f3|>|f2|>1.5f1。

12.根据权利要求7所述的相机，其中，所述长焦相机单元包括图像传感尺寸为1/4"至

1/3"的图像传感器。

说明书

微型长焦镜头模块和使用该镜头模块的相机

[0001] 分案申请

[0002] 本发明专利申请系在先专利申请号为201580072169.0、申请日为2015年1月3日，发明名称为“微型长焦镜头模块和使用该镜头模块的相机”的PCT进中国专利申请的分案申请。该申请对应的国际申请的申请号为PCT/IB2015/050044。

技术领域

[0003] 本发明一般属于成像技术领域，并且涉及一种相机和使用该种相机的移动电子设备。

背景技术

[0004] 数码相机模块目前正在被并入到各种便携式电子设备之中。这种设备包括例如手机(例如智能手机)，个人数据助手(PDA)，计算机等等。用在便携式设备中的数码相机模块必须满足某些要求，诸如优质成像、占用空间小以及重量轻。

[0005] WO14083489和W014199338中描述了几种用于提供优质成像的小型数字相机模块的技术，二者均让与本申请受让人。

[0006] 根据WO14083489中描述的技术，多光圈成像系统包括第一相机，其具有捕获第一图像的第一传感器；以及第二相机，其具有捕获第二图像的第二传感器。两台相机具有相同或不同的FOV(视场)。可以基于缩放因子将图像选择为主图像或辅助图像。通过将辅助图像登记到主图像来获得具有由主图像确定的视点的输出图像。

[0007] WO14199338中描述的技术涉及一种可以在静止模式和视频模式下操作的双光圈变焦数字相机。该相机包括具有各自的镜头/传感器组合的广角和长焦成像部分，以及图像信号处理器和可操作地联接到广角和长焦成像部分的相机控制器。该控制器被配置成在静止模式下组合至少一些广角和长焦图像数据，以从特定的视点提供融合的输出图像，并且在没有融合的情况下，提供连续变焦视频模式输出图像，其中每个输出图像都具有给定的输出分辨率。当在较低缩放因子(ZF)值和较高ZF值之间进行切换时，视频模式输出图像具有平滑的过渡，反之亦然。在较低的ZF下，输出分辨率由广角传感器决定，而在较高的ZF值下，输出分辨率由长焦传感器决定。

发明内容

[0008] 本领域需要一种用于现代便携式电子设备(例如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等)的新型相机模块。如上所指出的，用于这种设备的相机模块的要求与相机的尺寸、重量和图像质量有关。而且，与可以附接到便携式设备的其它外部相机单元不同，当将相机模块安装在便携式设备中时，这些要求变得更加重要。在内部(整体)相机单元的情况下，相机光学器件的尺寸应尽可能小，以便适合于使用常用的检测器进行操作，并且与安装了相机的设备厚度适配(优选地，不从设备外壳突出)，而这种设备的趋势是尽可能地减小厚度。

[0009] 在便携式设备中使用具有固定且相对较高的变焦效果的超长镜头时，这个问题甚至更为重要。考虑到例如在以上提及的上述公开WO14083489和WO14199338中描述的双光圈变焦数字相机，它利用广角和长焦成像通道，其通过两个通道之间的图像融合提供诸如缩放和图像质量之类的高级成像能力。

[0010] 双光圈变焦相机的问题之一涉及广角和长焦相机沿光轴的尺寸(高度)。这种尺寸取决于在各个成像通道中使用的长焦和广角镜头的镜头总长(TTL)。

[0011] 如图1B示意性地所示，TTL通常被定义为镜头模块的物侧表面与由这种镜头模块(其中放置相机检测器的感测表面)限定的像平面IP之间的最大距离。在大多数微型镜头中，TTL大于镜头模块的有效焦距(EFL)，EFL等于镜头的有效主平面与其焦平面(基本上与像平面IP重合)之间的距离。关于术语有效主平面，应理解如下内容。

[0012] 一般地，镜头(或镜头模块)具有前、后主平面，其具有以下特性：从镜头前方看，从镜头出射的光线看起来与后主平面相交的到轴线的距离与该光线看起来与前主平面相交的到轴线的距离相同。这意味着镜头可以被视为像在主平面上发生全部折射一样。主平面对于定义系统的光学性质而言至关重要，因为物体和图像到前、后主平面的距离确定了系统的放大率。主点是主平面穿过光轴的点。

[0013] 考虑到具有通常使用的镜头的手机(例如智能手机)中的双光圈光学变焦，即典型的TTL/EFL比率大约为1.3，广角和长焦镜头的TTL分别为约4.55mm和9.1mm。这将导致在这种智能手机设备中使用相机模块过长。

[0014] 进一步地，广角和长焦镜头模块的TTL差异可能会导致阴影和遮光问题。参照图1A，其示意性地示出了入射在“较高”镜头上的入射光的部分没有到达“较短”的镜头。在这一点上，应该记住，长焦和广角镜头模块之间的距离应尽可能小，以满足重叠/常见FOV以及便携式设备中相机单元的占用空间要求。

[0015] 本公开主题的另一部分与双光圈变焦相机中的标准光学图像稳定(OIS)的实现相关。标准OIS通过平行于图像传感器(示例性地，在X‑Y平面中)的镜头移动(“LMV”)补偿相机倾斜(“CT”)。相机倾斜会导致图像模糊。根据LMV＝CT*EFL的关系(其中，“CT”以弧度表示，EFL以mm为单位)，抵消给定相机倾斜所需的LMV量(mm)取决于相机镜头EFL。如上所示，双光圈变焦相机可以包括具有明显不同的EFL的两个镜头，因此，不可能将两个镜头一起移动并且为长焦和广角相机实现最佳的倾斜补偿。也就是说，由于两个相机的倾斜相同，所以将抵消广角相机倾斜的移动将不足以抵消长焦相机的倾斜。类似地，抵消长焦相机倾斜的移动将会过度补偿广角相机的倾斜抵消。为每个相机分配一个独立的OIS致动器可以实现同时倾斜补偿，但却以复杂、昂贵的相机系统为代价。

[0016] 因此，对于单光圈或多光圈(双光圈)相机单元，使用长焦镜头将是有利的，如此长焦镜头提供减小的TTL，同时能够保持长焦镜头所需的相对较高的EFL，即长焦镜头TTL

[0017] 因此，公开了一种微型长焦镜头模块，其设计有所需尺寸以使其5能够集成在便携式设备中。根据本公开主题的一些示例，微型长焦镜头模块(或长焦镜头单元)被设计成完全集成在传统智能手机的外壳内，即不会从其突出。所公开的长焦镜头模块的镜头总长(TTL)小于其有效焦距(EFL)，并且被配置成使得其沿着光轴的尺寸合期望地小，即，约4mm至15mm或更小(例如，适合于适配在具有小至4mm的外壳的便携式设备中)。长焦镜头单元包括由具有不同阿贝数的至少两种不同的聚合物材料制成的多个镜头元件。多个镜头元件包括作为长焦镜头组件的至少三个镜头元件的第一组，以及作为场镜头组件的至少两个镜头元件的第二组。

[0018] 第一组镜头元件沿着长焦镜头单元的光轴从物面到像面依次包括：具有正光功率的第一镜头和一对第二和第三镜头；第二和第三镜头一起具有负光功率，使得该长焦镜头组件提供该长焦镜头单元的长焦光学效应；并且其中，该第二和第三镜头各自由该至少两种具有不同阿贝数的不同的聚合物材料的一种制成，以便减少该长焦镜头的色像差。第二组镜头元件被配置成校正该长焦镜头组件的场曲率，并且该场镜头组件包括由分别具有不同阿贝数的不同聚合物材料制成的两个或更多个该镜头元件，并且被配置成补偿该长焦镜头组件在光通路通过位于长焦镜头组件和场镜头组件之间的有效间隙期间分散的残留色像差。有效间隙大于长焦镜头单元的TTL的1/5，从而允许充分的场分离以减少色像差。本文公开的各种示例包括光学镜头单元，其从物侧到像侧依次包括：具有物侧凸面的具有正屈光力的第一镜头元件，在光轴上具有厚度d2并且与第一镜头元件间隔开第一气隙的具有负屈光力的第二镜头元件，具有负屈光力并且与第二镜头元件间隔开第二气隙的第三镜头元件，具有正屈光力并且与第三镜头元件间隔开第三有效气隙的第四镜头元件，以及具有负屈光力并且与第四镜头元件间隔开第四有效气隙的第五镜头元件，该第五镜头元件在光轴上具有厚度d5。

[0019] 光学镜头单元可以进一步包括位于第一镜头元件之前的止挡件，设置在第五镜头元件的像侧表面之间的玻璃窗，以及具有其上形成有物体图像的图像平面的图像传感器。

[0020] 每个镜头元件具有两个表面，每个表面具有相应的直径。所有镜头元件中的最大直径被定义为镜头组件的“光学直径”。

[0021] 如本文所公开的，TTL被定义为在第一镜头元件的物侧表面和放置图像传感器的图像平面之间的光轴上的距离。“EFL”具有如上所述的其常规意义。在所有实施例中，TTL小于EFL，即，TTL/EFL比率小于1.0。在一些实施例中，TTL/EFL比率小于0.9。在一个实施例中，TTL/EFL比率约为0.85。根据一些示例，镜头组件的焦距比数F#<3.2。

[0022] 根据本文公开的示例，第一镜头元件的焦距f1小于TTL/2，第一、第三和第五镜头元件的每一个的阿贝数(“Vd”)大于50，第二和第四镜头元件的每一个的阿贝数小于30，第一气隙小于d2/2，第三有效气隙大于TTL/5，第四有效气隙小于1.5d5TTL/50。在一些实施例中，镜头元件的表面可以是非球面的。

[0023] 在上述光学镜头单元中，具有正屈光力的第一镜头元件允许镜头单元的TTL被有利地减小。第一、第二和第三镜头元件的组合设计加上其之间的相对短距离使得能够实现长EFL和短TTL。同样的组合以及第二镜头元件的高色散(低Vd)以及第一和第三镜头元件的低色散(高Vd)也有助于减少色像差。特别地，TTL/EFL比率<1.0并且最小色像差是通过满足1.2×|f3|>|f2|>1.5×f1的关系而获得的，其中，“f”表示镜头元件的有效焦距，而且数字
1、2、3、4、5表示镜头元件的编号。

[0024] 第三和第四镜头元件之间的相对较大的有效间隙加上第四和第五镜头元件的组合设计有助于将所有场的焦点带到像平面。此外，由于第四和第五镜头元件具有不同的色散并且分别具有正、负功率，它们有助于最大限度第减小色像差。

[0025] 本文公开的长焦镜头模块可以有利地适于并入到使用典型的1/4'或1/3'图像传感器的手机相机中。例如，为了获得相比具有1/4'图像传感器的已知手机相机的竞争力，使长焦镜头模块的TTL小于5.5mm，最大镜头直径小于4mm将是有利的。为了获得相比具有1/3'图像传感器的已知手机相机的竞争力，使长焦镜头模组的TTL小于6.5mm，最大镜头直径小于5mm将是有利的。根据本公开主题的一个示例，提供了一种光学镜头单元，其被配置成在1/4"图像传感器的整个区域上提供图像，该镜头单元包括五个镜头元件并且其TTL小于
5.5mm，EFL大于5.9mm，光学直径小于4mm。

[0026] 相应地，在本公开主题的另一个示例中，提供了一种光学镜头单元，其可操作用于在1/3"图像传感器的整个区域上提供图像，该镜头单元包括五个镜头元件并且其TTL小于6.2mm，EFL大于6.8mm，光学直径小于5mm。此外，如上所述，根据本公开主题，建议所有镜头元件均由诸如塑料之类的聚合物材料制成。虽然由聚合物材料制成的镜片有利于降低长焦镜头模块的标价及其重量，但是很少有适合于此目的的聚合物材料。这与玻璃镜头不同，玻璃镜头可以由各种不同的玻璃材料制成，每种的特征在于不同的阿贝数。当设计长焦镜头模块的镜头时，聚合物材料的稀缺性是一个挑战。这个挑战至少部分是由于受到可以用于校正场曲率和补偿色像差的具有不同阿贝数的不同镜头的可能组合的限制。

[0027] 因此，根据本公开主题的一个方面，提供了一种移动电子设备，其包括集成相机，其中，该相机包括：包含广角镜头单元的广角相机单元，以及包含长焦镜头单元的长焦相机单元；长焦镜头单元和广角镜头单元的TTL/EFL比率分别小于1和大于1并且限定了单独的长焦光路和广角光路。

[0028] 除上述特征之外，可选地，根据本公开主题的这一方面的移动电子设备可以以任何所需的组合或排列包括以下特征(i)至(xvi)中的一个或多个：

[0029] (i)其中，广角和长焦镜头单元的光接收外表面基本上位于相同的平面中，从而减少其间的阴影效应和遮光效应。

[0030] (ii)其中，广角和长焦相机单元安装在单独的印刷电路板上。

[0031] (iii)其中，印刷电路板位于不同的基本上平行的隔开平面中。

[0032] (iv)其中，广角和长焦相机单元直接安装在单个印刷电路板上。

[0033] (v)其中，广角和长焦相机单元彼此间隔约1mm的距离d。

[0034] (vi)其中，长焦镜头单元由至少两种聚合物材料制成。

[0035] (vii)其中，长焦镜头单元的镜头总长(TTL)不超过15mm。

[0036] (viii)其中，长焦镜头单元的TTL小于10mm。

[0037] (ix)其中，长焦镜头单元包括由具有不同阿贝数的至少两种不同的聚合物材料制成的多个镜头元件；该多个镜头元件包括被配置成形成长焦镜头组件的至少三个镜头元件的第一组，以及被配置成形成场镜头组件的至少两个镜头元件的第二组，其中，场镜头组件与长焦镜头组件隔开预定的有效间隙。

[0038] (x)其中，该至少两种不同的聚合物材料包括至少一种阿贝数大于50的塑料材料，以及至少一种阿贝数小于30的塑料材料。

[0039] (xi)其中，第一组镜头元件沿着长焦镜头单元的光轴从物面到像面依次包括：具有正光功率的第一镜头和一对第二和第三镜头；第二和第三镜头一起具有负光功率，使得该长焦镜头组件提供该长焦镜头单元的长焦光学效应；并且该第二和第三镜头各自由该至少两种具有不同阿贝数的不同的聚合物材料的一种制成，以便减少该长焦镜头的色像差；以及

[0040] 第二组镜头元件被配置成校正该长焦镜头组件的场曲率，并且包括由分别具有不同阿贝数的不同聚合物材料制成的两个或更多个该镜头元件，并且被配置成补偿该长焦镜头组件在光通路通过长焦镜头组件和场镜头组件之间的该有效间隙期间分散的残留色像差。

[0041] (xii)其中，第一、第三和第五镜头元件的每一个的阿贝数都大于50，并且第二和第四镜头元件的每一个的阿贝数都小于30。

[0042] (xiii)其中，预定的有效间隙等于或大于所述长焦镜头单元的TTL的1/5。

[0043] (xiv)其中，场镜头组件的镜头元件彼此间隔开有效气隙，该有效气隙小于长焦镜头单元的TTL的1/50。

[0044] (xv)其中，长焦镜头单元的TTL小于5.5mm，有效焦距(EFL)大于5.9mm，光学直径小于4mm，从而能够在1/4"图像传感器的整个区域上提供图像。

[0045] (xvi)其中，长焦镜头单元的TTL小于6.2mm，有效焦距(EFL)大于6.8mm，光学直径小于5mm，从而能够在1/3"图像传感器的整个区域上提供图像。

[0046] 根据本公开主题的另一方面，提供了一种用于集成在移动电子设备中的相机，该相机包括广角相机单元和长焦相机单元，广角相机单元和长焦相机单元分别包括广角镜头单元和长焦镜头单元，广角镜头单元和长焦镜头单元的TTL/EFL比率分别大于1和小于1，并且限定了广角光路和长焦光路。

[0047] 其中，根据一些示例，至少长焦镜头单元的镜头元件由一种或多种聚合物材料制成。

附图说明

[0048] 为了更好地理解本文中公开的主题以及举例说明在实践中可以如何实施，现在将参照附图仅通过非限制性示例的方式来对实施例进行描述，其中：

[0049] 图1A是示出了双光圈相机中由广角相机和长焦相机之间的高度差引起的阴影和遮光问题的示意图；

[0050] 图1B是利用本文公开的完全集成在智能手机设备内部的相机单元的手机设备(构成便携式电子设备)的示意图；

[0051] 图1C是根据本公开主题的长焦镜头单元的示意图；

[0052] 图2A是根据本公开主题的第一示例的长焦镜头单元的具体配置的示意图；

[0053] 图2B显示了绘出图2A的用于各种场的整个光学镜头单元的光学传递函数(OTF)模量与焦点偏移的关系的曲线图；

[0054] 图2C显示了绘出图2A的镜头单元的畸变与场角(+Y方向)的关系的曲线图；

[0055] 图3A是根据本公开主题的第一示例的长焦镜头单元的另一可能配置的示意图；

[0056] 图3B显示了绘出根据本公开主题的第二示例的图3B的镜头单元中用于各种场的整个光学镜头组件的MTF与焦点偏移的关系的曲线图；

[0057] 图3C显示了绘出图3A的镜头单元的以百分比表示的畸变+Y的曲线图3A；

[0058] 图4A是根据本公开主题的第一示例的长焦镜头单元的具体配置的示意图；

[0059] 图4B显示了绘出图4A的镜头单元中的用于各种场的整个光学镜头系统的MTF与焦点偏移的关系的曲线图；

[0060] 图4C显示了绘出图4A的镜头单元的以百分比表示的畸变+Y的曲线图；

[0061] 图5是显示了根据本公开主题的光学镜头单元中的相邻镜头之间的有效气隙的概念的示意图；

[0062] 图6A是根据本公开主题的双光圈变焦相机的示例的透视截面示意图，其中每个相机位于单独的印刷电路板(PCB)上；

[0063] 图6B是根据本公开主题的双光圈变焦相机的另一示例的透视截面示意图，其中每个相机在单独的PCB上；

[0064] 图7是根据本公开主题的双光圈变焦相机的又一示例的透视截面示意图，其中两个相机都安装在单个PCB上；

[0065] 图8是根据本公开主题的包括OIS机构的双光圈变焦相机的示例的示意图；以及[0066] 图9示意性地显示了根据本公开主题的图8的相机示例的功能框图。

具体实施方式

[0067] 本发明包括便携式相机中的镜头单元的新型结构，其有利地适用于便携式电子设备。这在图1B中示意性地示出。在该示例中，这种便携式电子设备10由手机设备(例如智能手机)构成。移动设备通常为几毫米厚，例如，4mm至15mm。

[0068] 然而，如上文所解释的以及如下文进一步示例的，通过本文公开的技术解决的问题与配备有相机15的任何现代电子设备相关，并且适合于在任何这种设备中实现。这是因为所指定类型的任何现代电子设备(即，包括整体式相机单元的设备)要尽可能地纤薄，尽可能地轻巧，而且要获取尽可能优质的图像。现代相机通常需要缩放功能。

[0069] 当这种相机在诸如手机设备之类的电子设备中时，缩放功能经常使用静态光学器件实现。上面参照图1A描述了由于其高度差异而导致将广角和长焦镜头并入常见壳体时可能出现的问题。

[0070] 如上所述，本公开主题包括新型移动电子设备10，其包括安装在设备外壳14内的集成相机单元15。相机15包括由聚合物材料制成的20至少一个长焦镜头单元(此处未示出)。长焦镜头单元被配置成使得其镜头总长(TTL)小于15mm并且甚至小于10mm，例如，小于6mm或者甚至小于4mm。从而使相机能够完全集成在便携式设备中(基本上不从设备外壳突出)。

[0071] 参照图1C，其示意性地显示了本发明的长焦镜头单元20的配置。长焦镜头单元20由不同聚合物材料(即，具有不同阿贝数的材料)制成的多个镜头元件组成。多个镜头元件被配置和布置成限定沿光轴OA布置的其间间隔预定的有效间隙G的长焦镜头组件22A和场镜头组件22B(如下文更具体地进一步描述)。长焦镜头组件22A被配置成提供长焦镜头单元20的长焦光学效应。与长焦镜头组件22A间隔开预定的有效间隙G的场镜头组件22B被配置成用于校正长焦镜头组件22A的场曲率，并且补偿长焦镜头组件在光通过有效间隙G期间分散的残余色像差。

[0072] 长焦镜头单元20的特征在于具有的镜头总长(TTL)和有效焦距(EFL)使得TTL

[0073] 长焦镜头组件22A包括三个镜头元件(一般为三个或更多个)L1、L2、L3(此处为示意性地示出，并非未按比例示出)，其中镜头L1具有正光功率，并且镜头L2和L3具有负光功率。镜头L2和L3由分别具有不同阿贝数的不同聚合物材料制成，该材料被选择用于减少长焦镜头组件22A的色像差。场镜头组件22B包括由分别具有不同阿贝数的不同聚合物材料制成的两个(或更多个)镜头元件L4和L5。这些镜头被配置成补偿长焦镜头组件22A在光通过22A和22B之间的有效间隙G的期间分散的残留色像差。

[0074] 镜头L1至L5可以由例如两种塑料材料制成，一种阿贝数大于50而另一种小于30。例如，镜头L1、L3和L5由阿贝数大于50的塑料制成，镜头L2和L4由阿贝数小于30的塑料制成。

[0075] 以下是以上参照图1C描述的本发明的长焦镜头单元的实现和操作的几个具体的(但非限制性的)示例。在下面的描述中，按照从相应侧(即从物侧或从像侧)观察的限定镜头元件表面的形状(凸或凹)。

[0076] 图2A显示了根据本公开主题的第一示例的光学镜头单元100的示意图。图2B显示了镜头单元配置100中用于各种场的整个光学镜头单元的MTF与焦点偏移的关系。图2C显示了以百分比表示的畸变+Y与场的关系。

[0077] 根据图2A所示的示例，镜头单元100从物侧到像侧依次包括：具有正屈光力的第一塑料镜头元件102(也称为“L1”)，其具有物侧凸面102a和像侧凸面或凹面102b；具有负屈光力的第二塑料镜头元件104(也称为“L2”)，其具有物侧弯月凸面104a，像侧表面被标记为104b；具有负屈光力的第三塑料镜头元件106(也称为“L3”)，其具有带有拐点的物侧凹面
106a和像侧凹面106b。这些镜头元件一起限定了长焦镜头组件(图1C中的22A)。镜头单元
100中进一步设有具有正屈光力的第四塑料镜头元件108(也称为“L4”)，其具有正弯月面，物侧凹面被标记为108a，像侧表面被标记为108b；和具有负屈光力的第五塑料镜头元件110(也称为“L5”)，其具有负弯月面，物侧凹面被标记为110a，像侧表面被标记为110b。这两个镜头一起限定了场镜头组件(图1C中的22B)。可选地，光学镜头单元100可以进一步包括止动元件101。长焦镜头单元100限定了图像传感器所在的像平面114(此处未示出)。如图所例示，第五镜头元件110的像侧表面110b和像平面114之间还设置可选的玻璃窗口112。在长焦镜头单元100的示例中，所有镜头元件表面都是非球面的。详细的光学数据在表1中示出，非球面数据在表2中示出，其中，曲率半径(R)、镜头元件厚度和/或沿着光轴的元件之间的距离以及直径的单位均使用毫米。“Nd”是折射率。非球面轮廓的方程式表示为：

[0078]

[0079] 其中，r是到(且垂直于)光轴的距离，k是圆锥系数，c＝1/R，其中R是曲率半径，而且α是表2中给出的系数。

[0080] 在应用于长焦镜头单元的上述方程式中，系数α1和α7为零。应注意的是，r的最大值“最大r”＝直径/2。还应该注意的是，在表1(和以下表3和表5)中，各元件(和/或表面)之间的距离被标记为“Lmn”(其中，m是指镜头元件编号，n＝1是指元件厚度，而且n＝2是指到下一个元件的气隙)，并且在光轴z上进行测量，其中止动件在z＝0处。每个数字均从上一个表面测得。因此，第一距离‑0.466mm是从止动件到表面102a测得，从表面102a到表面102b的距离L11(即，第一镜头元件102的厚度)为0.894mm，表面102b和104a之间的气隙L12为0.020mm，表面104a和104b之间的距离L21(即，第二镜头元件104的厚度d2)为0.246mm等。此外，L21＝d2且L51＝d5。表1和表2中的镜头元件(以及表3至表6)被设计成在整个1/3"传感器上提供图像，该传感器的尺寸约为4.7×3.52mm。所有这些镜头组件中的光学直径是第五镜头元件的第二表面的直径。

[0081]

[0082] 表1

[0083]

[0084] 表2

[0085] 镜头单元100提供44度的视场(FOV)，其中EFL＝6.90mm，F#＝2.80，且TTL为5.904mm。因此，有利的是，TTL/EFL比率＝0.855。有利的是，第一、第三和第五镜头元件的阿贝数为57.095。有利的是，镜头元件102和104之间的第一气隙(表面102b和104a之间的间隙)的厚度(0.020mm)小于厚度d2(0.246mm)的十分之一。有利的是，第二和第四镜头元件的阿贝数为23.91。有利的是，镜头元件106和108(即，长焦镜头组件和场镜头组件)之间的第三有效气隙G(参照表9见下文)大于TTL/5。有利的是，镜头元件108和110之间的第四有效气隙(参照表9见下文)小于TTL/50。

[0086] 镜头单元100中的每个镜头元件的焦距(以mm为单位)如下：f1＝2.645，f2＝‑5.578，f3＝‑8.784，f4＝9.550且f5＝‑5.290。显然满足条件1.2×|f3|>|f2|<1.5×f1，因为1.2×8.787>5.578>1.5×2.645。f1也满足条件f1

[0087] 图3A显示了根据本公开主题的另一示例的光学镜头单元200的示意图。图3B显示了实施例200中用于各种场的整个光学镜头系统的MTF与焦点偏移的关系。图3C显示了以百分比表示的畸变+Y与场的关系。

[0088] 根据图3A所示的示例，镜头单元200从物侧到像侧依次包括：可选的止挡件201；长焦镜头组件，其包括具有物侧凸面202a和像侧凸面或凹面202b的具有正屈光力的第一塑料镜头元件202，具有物侧弯月凸面204a且像侧表面被标记为204b的具有负屈光力的第二塑料镜头元件204，以及具有带拐点的物侧凹面206a和像侧凹面206b的具有负屈光力的第三塑料镜头元件206；以及场镜头组件，其包括具有正弯月面且物侧凹面被标记为208a、像侧表面被标记为208b的具有正屈光力的第四塑料镜头元件208，以及具有负弯月面且物侧凹面被标记被210a、像侧表面被标记为210b的具有负屈光力的第五塑料镜头元件210。可选地，光学镜头单元200进一步包括设置在第五镜头元件210的像侧表面210b和像平面214之间的玻璃窗口212。

[0089] 在镜头单元200中，所有镜头元件表面都是非球面的。详细的光学数据在表3中给出，非球面数据在表4中给出，其中标记和单位分别与表1和表2中的相同。非球面轮廓的方程式与上述镜头单元100的相同。

[0090]

[0091] 表3

[0092]

[0093] 表4

[0094] 镜头单元200提供43.48度的FOV，其中EFL＝7mm，F#＝2.86且TTL＝5.90mm。因此，有利的是，TTL/EFL比率＝0.843。有利的是，第一、第三和第五镜头元件的阿贝数为56.18。镜头元件202和204之间的第一气隙的厚度(0.129mm)大约是厚度d2(0.251mm)的一半。有利的是，第二镜头元件的阿贝数为20.65，第四镜头元件的阿贝数为23.35。有利的是，镜头元件206和208之间的第三有效气隙G大于TTL/5。有利的是，镜头元件208和210之间的第四有效气隙小于TTL/50。

[0095] 镜头单元200中的每个镜头元件的焦距(以mm为单位)如下：f1＝2.851，f2＝‑5.468，f3＝‑10.279，f4＝7.368且f5＝‑4.536。显然满足条件1.2×|f3|>|f2|<1.5×f1，因为1.2×10.279>5.468>1.5×2.851。f1也满足条件f1

[0096] 图4A显示了根据本公开主题的又一示例的光学镜头单元300的示意图。图4B显示了实施例300中用于各种场的整个光学镜头系统的MTF与焦点偏移的关系。图4C显示了以百分比表示的畸变+Y与场的关系。

[0097] 镜头单元300从物侧到像侧依次包括：可选的止挡件301；长焦镜头组件，其包括具有物侧凸面302a和像侧凸面或凹面302b的具有正屈光力的第一塑料镜头元件302，具有物侧弯月凸面304a且像侧表面被标记为304b的具有负屈光力的第二塑料镜头元件304，以及具有带拐点的物侧凹面306a和像侧凹面306b的具有负屈光力的第三塑料镜头元件306；以及场镜头组件，其包括具有正弯月面且物侧凹面被标记为308a、像侧表面被标记为308b的具有正屈光力的第四塑料镜头元件308，以及具有负弯月面且物侧凹面被标记为310a、像侧表面被标记为310b的具有负屈光力的第五塑料镜头元件310。第五镜头元件310的像侧表面310b和像平面314之间还设置可选的玻璃窗口312。

[0098] 根据镜头单元300的本示例，所有镜头元件表面都是非球面的。详细的光学数据在表5中给出，非球面数据在表6中给出，其中标记和单位分别与表1和表2中的相同。非球面轮廓的方程式与镜头单元100和200的相同。

[0099]# 备注 半径R[mm] 距离[mm] Nd/Vd 直径[mm]
1 止动件 无限 ‑0.38   2.4
2 L11 1.5127 0.919 1.5148/63.1 2.5
3 L12 ‑13.3831 0.029   2.3
4 L21 8.4411 0.254 1.63549/23.91 2.1
5 L22 2.6181 0.426   1.8
6 L31 ‑17.9618 0.265 1.5345/57.09 1.8
7 L32 4.5841 1.998   1.7
8 L41 ‑2.8827 0.514 1.63549/23.91 3.4
9 L42 ‑1.9771 0.121   3.7
10 L51 ‑1.8665 0.431 1.5345/57.09 4.0
11 L52 ‑6.3670 0.538   4.4
12 窗口 无限 0.210 1.5168/64.17 3.0
13   无限 0.200   3.0

[0100] 表5

[0101]

[0102] 表6

[0103] 镜头单元300提供44度的视场(FOV)，其中EFL＝6.84mm，F#＝2.80，且TTL为5.904mm。因此，有利的是，TTL/EFL比率＝0.863。有利的是，第一镜头元件的阿贝数为63.1，第三和第五镜头元件的阿贝数为57.09。镜头元件302和304之间的第一气隙的厚度(0.029mm)大约是厚度d2(0.254mm)的1/10。有利的是，第二和第四镜头元件的阿贝数为
23.91。有利的是，镜头元件306和308之间的第三有效气隙G大于TTL/5。有利的是，镜头元件
308和310之间的第四有效气隙小于TTL/50。

[0104] 实施例300中的每个镜头元件的焦距(以mm为单位)如下：f1＝2.687，f2＝‑6.016，f3＝‑6.777，f4＝8.026且f5＝‑5.090。显然满足条件1.2×|f3|>|f2|<1.5×f1，因为1.2×6.777>6.016>1.5×2.687。f1也满足条件f1

[0105] 表7和表8分别提供了本文公开的光学镜头系统的第四实施例的详细的光学数据和非球面数据。标记和单位分别与表1和表2中的相同。非球面轮廓的方程式与镜头系统100、200和300的相同。表7和表8中的镜头元件被设计成在尺寸约为3.66×2.75mm的整个1/
4”传感器上提供图像。

[0106]

[0107] 表7

[0108]

[0109]

[0110] 表8

[0111] 根据该示例的每个镜头元件的焦距(以mm为单位)如下：f1＝2.298，f2＝‑3.503，f3＝‑9.368，f4＝4.846且f5＝‑3.910。显然满足条件1.2×|f3|>|f2|<1.5×f1，因为1.2×9.368>3.503>1.5×2.298。f1也满足条件f11)。L4和L5主要是用于减小场曲率的场镜头元件，即它们的主要作用是使所有场(其中物距近似无穷大)的焦点驻留在传感器平面上。为了实现这一点，有利的是，对于每个场，相应的射线在不同的位置处撞击L4和L5，从而能够对每个场(“场分离”)进行单独的调整。

[0112] 本发明人发现在镜头单元设计中可以获得所期望的场分离，该镜头单元设计的特征在于镜头L3和L4之间的“有效气隙”G(在长焦镜头组件和场镜头组件之间，其中G较大会导致场之间出现较大分离)。

[0113] 图5示出了两个相邻镜头元件之间的有效气隙的概念。首先，“每个场的气隙”Df‑n被定义为沿着相邻镜头元件之间的相应主光线的第n个场的主光线的长度。然后将有效间隙DLeff定义为在α＝0(对于射线1，气隙为Df‑1)至α＝α最大(对于射线N，气隙Df‑n)之间均匀分开的场角α的每个场的N个气隙的平均值，其中，光线N击中图像传感器对角线上的终点像素。换句话说，在每对相邻的镜头元件之间(例如在L3和L4之间以及L4和L5之间)：

[0114] DLeff＝(ΣNn＝1Df‑n)/N。实质上，相邻镜头元

[0115] 件之间的有效气隙反映了限制两个相邻镜头元件之间的气隙的两个表面之间的平均有效距离。示例性地，在图5中，有N＝9个主射线(和9个相关的场气隙)，并且主射线在射线1的α＝0和射线9的α最大之间成角度均匀分布。在α最大时，射线9击中图像传感器对角线上的终点像素。

[0116] 表9显示了关于TTL、DLeff‑3、DLeff‑4的数据，并且使用9个主射线计算了在DLeff‑3和DLeff‑4之上的镜头单元100、200和300中的每一个的TTL和有效气隙之间的比率，如图4A‑图4C所示。

[0117] 实施例 TTL DLeff‑3＝G DLeff‑4 DLeff‑3/TTL DLeff‑4/TTL100 5.903 1.880 0.086 0.319 0.015
200 5.901 1.719 0.071 0.291 0.012
300 5.904 1.925 0.094 0.326 0.016
400 5.279 1.263 0.080 0.246 0.015

[0118] 表9

[0119] 使用DLeff‑3＝G代替沿着L3和L4之间的光轴的常用距离，确保了用于所有场的镜头元件L4和L5的更好的操作(用于减小场曲率的目的)。如在表9中看出，如果DLeff‑3＝G>TTL/5，则可以示例性地实现良好的场分离。

[0120] 紧凑的光学设计要求L5的直径尽可能小，并同时提供所需的性能。由于镜头和相机占用空间是由L5的直径确定，所以镜头L4和L5之间的小的有效气隙DLeff‑4的优点在于其允许镜头L5具有小直径而不会降低光学性能。与L4和L5之间沿光轴常用的气隙相比，有效气隙DLeff‑4是L5直径的更好指标。如果场镜头L4和L5之间的有效气隙为DLeff‑4

[0121] 上面参照图1C和图2A至图5描述的微型长焦镜头单元设计有小于EFL的TTL。因此，与标准手机镜头单元相比，这种镜头单元由于TTL较短，具有较小的视场。因此，在双光圈变焦相机中使用这种长焦镜头单元作为长焦副相机镜头单元将是特别有用的。在上述与本申请受让人相同的WO14199338中描述了这种双光圈变焦相机。

[0122] 如上所述，与在相机中使用传统的广角和长焦镜头模块有关的问题与镜头的不同长度/高度相关，这可能会导致阴影效应和遮光效应。根据本公开主题，建议通过在双光圈相机中由以上所描述的微型长焦镜头单元替换传统的长焦镜头模块，消除或至少显著减少这些阴影和遮光效应。

[0123] 因此，根据本公开主题，可以通过使用用于广角相机(TTLW/EFLW>1.1，通常为1.3)的标准镜头以及使用用于长焦相机(TTLT/EFLT<1，例如0.87)的特殊长焦镜头设计，解决由传统长焦和广角镜头的TTL/EFL比率差异所引起的问题，其中，长焦镜头单元按照以上所描述的进行配置，提供了微型长焦镜头单元。

[0124] 使用以上所描述的微型长焦镜头单元可以减小TTLT(根据一个非限制性示例，降低至7×0.87＝6.09mm)，使相机高度小于7mm(这是智能手机或任何其它移动电子设备可以接受的高度)。长焦镜头单元和广角镜头单元之间的高度差也减小到大约1.65mm，从而减少阴影和遮光问题。根据本文公开的双光圈相机的一些示例，比率

[0125] “e”＝EFLT/EFLW在1.3至2.0的范围内。在一些实施例中，TTLT/TTLW比率<0.8e。在一些实施例中，TTLT/TTLW在1.0‑1.25的范围内。根据本文公开的一些示例，EFLW可以在2.5mm至6mm的范围内，而且EFLT可以在5mm至12mm的范围内。

[0126] 现在参照附图，图6A以透视截面示意性地显示了双镜头变焦相机设备600。相机设备600包括两个相机单元602和604。应当理解的是，两个相机单元可以与公共或单独的检测器(像素矩阵及其相关联的读出电路)相关联。因此，两个相机单元在其光学中(即，在由广角和长焦镜头单元限定的成像通道中)实际上是不同的。每个相机单元可以安装在包括读出电路的单独的PCB(分别为605a和605b)上，并且包括镜头单元(分别为606和608)，包括像素矩阵(分别为614和616)的图像传感器，以及与调焦机构相关联的致动器(分别为610和612)。在该实施例中，两个PCB位于相同的平面中。应当理解的是，在两个成像通道的读出电路处于同一平面的实施例中，可以使用公共PCB，如下文将进一步描述的。两个相机单元通过壳体618连接。例如，相机602包括广角镜头单元，而且相机604包括长焦镜头单元，镜头单元的TTLT限定了相应的相机高度H。例如，广角和长焦镜头单元分别提供主光路/成像路径和辅助光路/成像路径，能够使用主图像来解释辅助图像数据。

[0127] 图6B以透视截面示意性地示出了利用本发明的原理的双光圈变焦相机600'的另一个示例。相机600'一般与以上所描述的相机600类似，并且公共部件在图中以不言自明的方式示出，因此未以附图标记表示。如在相机600中，在相机600'中，相机单元602(例如，广角镜头相机)和相机单元604(例如，长焦镜头相机)安装在单独的PCB(分别为605a和605b)上。然而，与相机600相反，在相机600'中，两个PCB位于不同的平面中。这使得广角和长焦镜头单元的物侧主平面彼此靠近，从而减小了两个单元的放大倍率对物距的依赖性。

[0128] 例如，图6A和图6B所示的相机的相机尺寸可以是如下：相机的长度L(在Y方向上)可以在13mm至25mm之间变化，相机的宽度W(在X方向上)可以在6mm至12mm之间变化，而且相机的高度H(在Z方向，垂直于X‑Y平面)可以在4mm至12mm之间变化。更具体地，考虑到本文公开的智能手机相机示例，L＝18mm，W＝8.5mm且H＝7mm。

[0129] 图7以透视截面示意性地示出了双光圈变焦相机700的另一个示例。相机700与相机600和600'类似，因为其包括具有相应的镜头单元706和708、相应的致动器710和712以及相应的图像传感器714和716的两个相机单元702和704。然而，在相机700中，两个相机单元702和704安装在单个(公共)PCB 705上。在单个PCB上的安装和两个相机单元之间的距离“d”的最小化最大限度地减小了并且可能甚至完全避免了相机移动(例如，与诸如跌落冲击之类的事故相关联)。一般而言，相机700的尺寸可以在与相机600和600'相同的范围内。然而，对于相同的传感器和光学器件，占用空间W×L和相机700的重量小于相机600和600'。系统校准之后，诸如跌落冲击之类的事故可能会导致两台相机之间的相对运动，进而改变了长焦图像和广角图像之间的像素匹配，从而防止了长焦图像和广角图像快速可靠的融合。
因此，优选地，应该消除这种效应。

[0130] 如上所描述的，高质量成像也与这种双光圈变焦相机中的标准光学图像稳定(OIS)的实现相关联。标准OIS通过平行于图像传感器(作为示例，在X‑Y平面中)的镜头移动(“LMV”)来补偿相机倾斜(“CT”)，即，图像模糊。根据关系式LMV＝CT*EFL，抵消给定相机倾斜所需的LMV量(以mm为单位)取决于相机镜头EFL，其中，“CT”为弧度，EFL以mm为单位。

[0131] 由于广角和长焦镜头单元具有显著不同的EFL，所以两个镜头不能一起移动并为相应的相机单元实现最佳倾斜补偿。更具体地，由于两个相机单元的倾斜是相同的，所以补偿广角相机单元的倾斜的移动将不足以补偿长焦相机单元的倾斜，反之亦然。为两个相机单元分别使用单独的OIS致动器可以为其同时实现倾斜补偿，但是整个系统将会是复杂且昂贵的，这对于便携式电子设备而言是不合期望的。

[0132] 在这一点，参照图8，其显示了包括安装在单个PCB 805(如本示例所示))或单独PCB上的两个相机单元802和804的双光圈变焦相机800(类似于以上所描述的相机700)的示例。每个相机单元包括镜头单元(分别为806和808)，致动器(分别为810和812)和图像传感器(分别为814和816)。两个致动器刚性地安装在刚性基座818上，该刚性基座818通过柔性元件820柔性地连接到一个(或多个)PCB。基座818可由OIS机构(未示出)移动，OIS机构由OIS控制器902(图9所示)控制。OIS控制器902联接到倾斜传感器(例如，陀螺仪)904(图9)，并且从其接收相机倾斜信息。以下参照图9给出本文公开的OIS过程的示例的更多细节。两个相机单元被分隔开一小段距离“d”，例如1mm。相机单元之间的这种小距离也降低了视角效应，从而使相机单元之间的变焦过渡更平滑。

[0133] 如上所指出的，两个图像传感器814和816可以安装在刚性连接的单独PCB上，从而能够将OIS机构适应于其它系统配置，例如上文参照图6A和图6B描述的那些。在一些实施例中，并且可选地，可以使用磁屏蔽板，例如，如共有的美国专利申请号14/365,718中所描述的，该专利标题为“双光圈相机中音圈电机之间的磁屏蔽”，其全部内容通过引用并入本文。这种磁屏蔽板可以插入广角像机单元和长焦像机单元之间的间隙(具有宽度d)。

[0134] 一般而言，相机800的尺寸可以在与相机600、600'和700的尺寸相同的范围内。

[0135] 参照图9，其示例性地示出了相机的操作，其中利用动态测量相机倾斜(对于广角和长焦相机单元而言都是相同的)的倾斜传感器904。如图所示，提供了一种OIS控制器902(包括硬件/软件部件的电子电路)，其联接到两个相机单元的致动器(例如，通过基座818)，从倾斜传感器904接收CT输入以及用户定义的缩放因子，并且控制两个相机单元的镜头移动以对倾斜进行补偿。LMV例如在X‑Y平面中。OIS控制器902被配置成提供等于CT*EFLZF的LMV，其中，根据用户定义的缩放因子ZF选择“EFLZF”。根据OIS程序的一个示例，当ZF＝1时，LMV由广角相机单元的EFLW决定(即，EFLZF＝EFLW且LMV＝CT*EFLW)。进一步地，当ZF>e(即ZF>EFLT/EFLW)时，LMV由长焦相机单元的EFLT决定(即，EFLZF＝EFLT且LMV＝CT*EFLT)。又进一步地，对于1和e之间的ZF，根据EFLZF＝ZF*EFLW，EFLZF可以从EFLW逐渐移动到EFLT。因此，本发明提供了一种用于配置适于在便携式电子设备中特别是智能手机中使用的相机设备的新型方法。本发明解决了与这些设备的物理参数(重量、尺寸)、高图像质量和变焦效果的要求相关的各种问题。