CN112534349A - 基于vcm的光学装置、系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学装置、系统、及其成像方法。所述光学装置包括前透镜组(321)以及VCM单元(322)；其中，所述VCM单元(322)包括后透镜组(323)、VCM型致动器以及传感器阵列(324)；其中，所述前透镜组(321)的位置相对于所述传感器阵列(324)的位置是静止的；其中，所述前透镜组(321)和所述后透镜组(323)限定出公共光轴；其中，所述VCM型致动器通过沿所述公共光轴平移所述后透镜组(323)来调整所述后透镜组(323)和所述传感器阵列(324)之间的距离。

Description

基于VCM的光学装置、系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及一种光学装置、系统及其成像方法及设计方法，特别地，涉及一种用VCM型致动器聚焦的光学装置。

背景技术

从19世纪摄影技术首次发展到20世纪中叶，镜头和相机通常是作为一个整体制造的。在20世纪中叶，像佳能、尼康和徕卡这样的公司开发了“系统相机”，它将标准镜头与柯达和富士胶片等公司开发的标准胶片尺寸相结合。系统相机的优势在于，人们可以通过将标准支架上的镜头与标准胶片互换来设置视场、分辨率和变焦能力。

但是，这种传统的系统相机模型不适合现代的系统相机，因为不需要打开数码后背来取下胶片。随后，通过用标准的数码后背代替胶片，传统的配置在某种程度上被复制到现代系统相机中。标准尺寸的带有标准镜头支架的相机主体可以容纳与相机主体相匹配的镜头。例如，长焦距透镜用于获得具有窄视场的高角度分辨率图像，而短焦距透镜用于获得具有宽视场的更适中的角度分辨率。

为了提高半导体制造的效率，使透镜和传感器主体分离不再有意义。如果透镜在制造过程中永久性地与传感器结合在一起，透镜/传感器对准会更加精确。因此，在现代系统中，用透镜/传感器模块组成的系统比单独使用透镜更有意义。

原则上，这种方法可以通过使用大型传感器(如全帧传感器)来实现，但这种传感器的每像素成本和性能的提高速度远远慢于小型传感器(如手机中使用的传感器)的成本和性能。虽然使用小型传感器创建宽视场高分辨率图像需要计算图像拼接，但通过并行处理可以大大提高每像素成本和系统性能，如David J.Brady、Wubin Pang、Han Li、Zhan Ma、Yue Tao和Xun Cao在《光学》(Optica)第5卷，127-137页(2018年)发表的“并行相机”中所描述的。

并行相机为从根本上提高每单位相机体积的像素容量、重量和成本提供了新的机会。但实际上，高性能透镜的大部分成本都来自于聚焦和变焦机制的成本和复杂性，《光学》第5卷，127-137页(2018年)的“并行相机”从镜头制造成本的角度讨论了镜头成本，在很大程度上可以显著降低镜头成本和体积。并行相机的变焦成本在很大程度上被消除了，因为在这种系统中机械变焦可以被数字变焦取代，但光学聚焦机构仍然是必需的。美国专利US9432591B2“具有动态相机设置的多尺度光学系统”公开了一种在并行相机的每个微型相机中具有独立聚焦机构的方法。但是每一款微型相机的独立聚焦机构都是基于定制的机械方案，在制造过程中很难维持低成本。

发明内容

本发明一个方面提供了一种光学装置。所述光学装置可包括前透镜组以及VCM单元，其中，所述VCM单元包括后透镜组、VCM型致动器以及传感器阵列；其中，所述前透镜组的位置相对于所述传感器阵列的位置是静止的。所述前透镜组和所述后透镜组限定出公共光轴。所述VCM型致动器通过沿所述公共光轴平移所述后透镜组来调整所述后透镜组与所述传感器阵列之间的距离。

在一些实施例中，所述前透镜组可具有正焦距，所述后透镜组可具有负焦距。

在一些实施例中，所述前透镜组的所述焦距可小于0.71f，其中，f是所述光学装置的焦距。

在一些实施例中，为在两个对象平面上成像两个对象，聚焦时，所述后透镜组的行程可小于第二光学装置中的聚焦透镜组的行程；其中，所述第二光学装置可包括所述聚焦透镜组和传感器阵列；并且其中，所述聚焦透镜组和所述传感器阵列之间的距离可在聚焦时调整。

在一些实施例中，所述光学装置可进一步包括物镜组，且所述物镜组可位于所述前透镜组之前；其中，所述前透镜组和所述后透镜组可与所述物镜组共用所述公共光轴。

本发明另一个方面提供了一种光学系统，包括：物镜组，配置用于接收来自图像场的场景的光；相机阵列，包括多个预制相机模块，每个相机模块包括前透镜组和VCM单元，其中，所述VCM单元可包括后透镜组、VCM型致动器以及传感器阵列。所述物镜组可设置在所述相机阵列的前方，所述物镜组可将光引导到所述相机阵列中。所述前透镜组的位置相对于所述传感器阵列的位置可以是静止的。所述前透镜组以及所述后透镜组限定出公共光轴。所述VCM型致动器可配置用于通过沿所述公共光轴平移所述后透镜组来调整所述后透镜组和所述传感器阵列之间的距离。

在一些实施例中，对应于所述多个相机模块的所述多个VCM单元可以是相同的。

在一些实施例中，对于每个相机模块，所述物镜组可以是与所述相机模块对准的筒形。

在一些实施例中，所述前透镜组可具有正焦距，所述后透镜组可具有负焦距。

在一些实施例中，所述前透镜组的所述焦距可小于0.71f，其中，f是所述光学装置的焦距。

本发明的又一个方面提供了一种光学装置的成像方法。所述方法可包括以下操作中的一个或多个。用前透镜组将光引导到光学装置中，其中，所述光学装置包括所述前透镜组和VCM单元；其中，所述VCM单元包括后透镜组、VCM型致动器和传感器阵列；其中，所述前透镜组生成中间图像，所述中间图像是所述后透镜组的虚像；其中，所述前透镜组的位置相对于所述传感器阵列的位置是静止的。可调整所述后透镜组和所述传感器阵列之间的距离，以将所述虚像转到所述传感器阵列上。可基于所述传感器阵列接收到的光，生成一组图像信号。可基于所述组图像信号，重构图像。

在一些实施例中，所述前透镜组和所述后透镜组可限定出公共光轴，所述后透镜组和所述传感器阵列之间的所述距离的所述调整可以是由所述VCM型致动器沿所述公共光轴平移所述后透镜组来实现的。

在一些实施例中，所述前透镜组可具有正焦距，所述后透镜组可具有负焦距。

在一些实施例中，所述前透镜组的所述焦距可小于0.71f，其中，f是所述光学装置的焦距。

本发明的又一个方面提供了一种光学系统的成像方法。所述方法包括可包括以下操作中的一个或多个。可用物镜组接收入射光。可将所述入射光引导到相机阵列中，其中，所述相机阵列包括多个预制相机模块，每个相机模块包括前透镜组以及VCM单元，其中，所述VCM单元包括后透镜组、VCM型致动器以及传感器阵列。对于每个相机模块，可由所述VCM型致动器调整所述后透镜组和所述传感器阵列之间的距离，使得能够将来自所述后透镜组的光聚焦到所述传感器阵列上；可基于所述传感器阵列的所述接收到的光，生成一组图像信号。可基于对应于所述多组相机模块的多组图像信号，重构图像。

在一些实施例中，可通过两个操作重构图像。可基于所述多组图像信号，生成多个部分图像。可通过拼接所述多个部分图像，生成图像。

在一些实施例中，所述多个预制相机模块可分布在所述物镜组之后，且分布于固定位置。

在一些实施例中，对应于图像场的不同部分的光可分别引导到不同的相机模块。

在一些实施例中，所述前透镜组和所述后透镜组可限定出公共光轴，且通过沿所述公共光轴平移所述后透镜组来调整所述透镜组和所述传感器阵列之间的所述距离。

在一些实施例中，所述前透镜组可具有正焦距，所述后透镜组可具有负焦距。

在一些实施例中，所述前透镜组的所述焦距可小于0.71f，其中，f是所述光学装置的焦距。

在一些实施例中，对应于所述多个相机模块的所述多个VCM单元可以是相同的。

本发明的又一个方面提供了一种提供成像光学系统的方法。所述方法可包括以下操作中的一个或多个。可获取光学系统的目标光学特性；其中，所述光学系统包括物镜组和相机模块；其中，所述相机模块包括前透镜组和VCM单元；其中，所述VCM单元包括后透镜组、传感器阵列和VCM型致动器；其中，所述VCM型致动器配置用于调整所述后透镜组和所述传感器阵列之间的距离。可获取相机模块的光学特性。可基于所述光学系统的所述目标光学特性、所述相机模块的所述光学特性、以及所述相机模块和所述物镜组的相对位置，确定所述物镜组的光学特性；其中，所述光学系统的所述目标光学特性或所述相机模块的所述光学特性包括焦距、光圈以及视场中的至少一个。

在一些实施例中，所述方法进一步包括：提供第一光学系统和第二光学系统；其中，所述第一光学系统中的所述相机模块以及所述第二光学系统中的所述相机模块可共用公共VCM单元。

部分其他特征将在下面的描述中阐述，且部分其他特征在本领域的技术人员看了下文及附图后将显而易见，或者本领域的技术人员通过制作或操作示例来认识部分其他特征。本发明的特征可以通过实践或使用下文讨论的详细示例中所述的方法、工具和组合的各个方面来实现和获得。

附图说明

根据示例性实施例进一步描述本发明。参照附图详细描述这些示例性实施例。这些实施例是非限制性示例性实施例，其中，相同的附图标记表示贯穿附图的多个视图的类似结构。其中：

图1为移动电话中通用相机模块的现有光学设计的示例图；

图2为根据本发明一些实施例的相机模块的光学设计的示例图；

图3A为根据本发明一些实施例的光学系统的示例图；

图3B为根据本发明一些实施例的相机模块的示例图；

图3C为根据本发明一些实施例的相机模块中的VCM单元；

图3D为根据本发明一些实施例的图3A中所示光学系统中透镜元件的光学参数表；

图3E示出了根据本发明一些实施例的图3B中所示相机模块的OTF曲线；

图4A为根据本发明一些实施例的图3A所示光学系统的第一应用的示意图；

图4B为根据本发明一些实施例的图3A所示光学设计的第二应用的示意图；

图5A为根据本发明一些实施例的具有VCM聚焦机构的光学系统的示意图；

图5B为根据本发明一些实施例的具有VCM聚焦机构的光学系统中相机模块的示意图；

图5C为根据本发明一些实施例的相机模块中的VCM单元；

图5D为根据本发明一些实施例的VCM相机模块的产品图；

图6为根据本发明一些实施例的图2或图3中所示相机模块的成像方法；

图7说明了根据本发明一些实施例的图5中描绘的光学系统的方法；

图8说明了根据本发明一些实施例的提供成像光学系统的方法；以及

图9示出了根据本发明一些实施例的具有通用VCM单元的不同的光学系统。

具体实施方式

在下面的详细描述中，通过示例阐述了许多具体细节，以提供对相关公开的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明可以在没有这些细节的情况下实施。在其他实例中，为了避免不必要地模糊本发明的各个方面，已经相对较高的层次地描述了公知的方法、过程、系统、组件和/或电路，而没有详细说明。对所公开实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本文所定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。因此，本发明不限于所示的实施例，而是被赋予与权利要求一致的最广泛的范围。

应当理解，本文使用的术语“系统”、“引擎”、“单元”、“模块”和/或“块”是按升序区分不同级别的不同组件、元件、部件、零件或组装件的一种方法。然而，如果可以达到同样的目的，这些术语可被其他表达方式取代。

一般而言，如本文所使用的词“模块”、“单元”或“块”是指硬件或固件中包含的逻辑、或软件指令的集合。本文所述的模块、单元或块可以实现为软件和/或硬件，并且可以存储在任何类型的非暂时性计算机可读介质或其他存储装置中。在一些实施例中，软件模块/单元/块可以被编译并链接到可执行程序中。应当理解的是，软件模块可以从其他模块/单元/块或自身调用，和/或可以响应于检测到的事件或中断而被调用。配置用于在计算装置上执行的软件模块/单元/块可以设置在计算机可读介质上，例如光盘、数字视频光盘、闪存驱动器、磁盘或任何其他有形介质上，或者作为数字下载(并且可以最初以需要安装的压缩或可安装格式存储、解压、或在执行前解密)。这种软件代码可以部分或全部存储在执行计算装置的存储装置上，以供计算装置执行。诸如EPROM这样的软件可以包含在固件中。还应当理解的是，硬件模块/单元/块可以包括在连接的逻辑组件中，例如门和触发器，和/或可以包括可编程单元，例如可编程门阵列或处理器。本文描述的模块/单元/块或计算装置功能可以实现为软件模块/单元/块，但是可以用硬件或固件表示。一般而言，本文所述的模块/单元/块是指可以与其他模块/单元/块组合或被划分为子模块/子单元/子块的逻辑模块/单元/块，尽管它们具有物理组织或存储。该描述可适用于系统、引擎或其一部分。

应当理解，当单元、引擎、模块或块被称为“在另一个单元、引擎、模块或块上”、“连接到”或“耦合到”另一个单元、引擎、模块或块时，它可以直接位于、连接或耦合到另一个单元、引擎、模块或块或中间单元、引擎、模块，或块可能存在，除非上下文中另有明确指示。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的所列事务的任何和所有组合。

本发明的这些特征和其他特征，以及结构的相关元件的操作方法和功能，以及部件的组合和制造经济性，在参考附图考虑以下描述后可能更加明显，所有这些都是构成本公开的一部分。然而，应明确理解，附图仅用于说明和描述，并且无意限制本公开的范围。据悉，附图没有按比例绘制。

本文中使用的术语仅用于描述特定示例和实施例，目的不在于限制。如本文所使用的，单数形式的“一”、“该”也可以意欲包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。应进一步理解，术语“包括”在本公开中使用时，规定了整数、装置、行为、所述特征、步骤、元素、操作和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他整数、装置、行为、特征、步骤，元件、操作、组件和/或其组。

这里提供的本发明涉及一种光学系统及其成像方法。将结合下面的实施例说明详细的描述。

图1为移动电话中通用相机模块的现有光学设计的示例图。如图1所示，聚焦透镜组130将第一对象110或第二对象120反射的光聚焦到传感器阵列140上。在一些实施例中，相机模块100可进一步包括VCM型致动器(图1中未示出)。第一对象110可位于第一对象平面上，第二对象可位于第二对象平面上，传感器阵列可位于传感器平面(也称为焦平面)。在一些实施例中，第一对象平面、第二对象平面以及传感器平面彼此平行。聚焦时，由于传感器阵列140通常具有比聚焦透镜组130更严格的公差，聚焦透镜组130可以仅移动以将不同对象平面上的对象聚焦到传感器平面上，且传感器阵列140位于某个固定的传感器平面上。

如图1所示，聚焦操作不改变被定义为对象平面和图像平面之间的距离的共轭距离。最远对象平面的共轭距离为L₁，最近平面的共轭距离为L₂，其中，共轭距离表示对象所在的对象平面与传感器平面140之间的距离。

如图1所示，镜头行程S是背面图像距离l₁’和l₂’之间的差，其中，背面图像距离是聚焦透镜组130和传感器平面(焦平面)之间的距离。因此，背面图像距离是将共轭距离与镜头行程联系起来的中间量。方程(1)是如何计算给定共轭距离L的背面图像距离l’：

其中，背面图像距离l’表示聚焦透镜组130和传感器阵列140之间的距离，f是聚焦透镜组130的焦距。

该近似仅在L＞＞4f时适用，L＞＞4f通常是对象远离相机模块100(例如摄影拍摄)的情况。因此，聚焦透镜组的移动行程为

如果第一对象在无穷远处，那么

例如，焦距30mm的聚焦透镜组从无穷远聚焦到2m，行程应为

但是，对于在普通蜂窝电话相机模块中使用的广泛可用的VCM型致动器的行程范围，该450μm的行程太大，这意味着图1中的光学设计不能使用广泛可用的VCM型致动器来实现高成本效率。

图2为根据本发明一些实施例的相机模块的光学设计的示例图。如图2所示，相机模块200可包括前透镜组210、后透镜组220和传感器阵列230。在一些实施例中，前透镜组可以是静止的，后透镜组可以被驱动运动以进行聚焦。传感器阵列230作用可与图1中所示的传感器阵列140相同。在一些实施例中，前透镜组210的光圈可大于后透镜组220的光圈。在一些实施例中，前透镜组210和后透镜组可以共用一个公共光轴，且前透镜组210所在的第一平面、后透镜组220所在的第二平面以及传感器阵列230所在的第三平面可以彼此平行。聚焦时，后透镜组220可以沿光轴平移，且前透镜组210的位置相对于传感器阵列230的位置可以是静止的。在一些实施例中，相机模块还可包括VCM型致动器(图2中未示出)，并且可以由VCM型致动器实现沿着后透镜组220的光轴的平移。在一些实施例中，后透镜组220、传感器阵列230和VCM型致动器可以封装在一起作为VCM聚焦模块。

图2所示的设置可以将成像过程分为两阶段。在第一阶段中，前透镜组210可形成对象(例如第一对象110或第二对象120)的中间图像。在第二阶段中，中间图像可由后透镜组220转到或重新成像到传感器阵列230上。

令L_b表示后透镜组的共轭距离，即中间图像和传感器平面之间的距离，可根据等式(2)计算背面图像距离l_b’：

其中，背面图像距离l_b’表示后透镜组220和传感器阵列230之间的距离，f_b是后透镜组220的焦距。这里的下标字母b表示与后透镜组220相关联的这些量。

由于第一对象110和第二对象120位于具有图1所示的距离差的对象平面上。如果相机模块200需要依次成像两个对象(第一对象110和第二对象120)，这意味着目标平面从第一对象平面移动到第二对象平面，则可以执行后透镜组220的聚焦操作。图2中的后透镜组220的行程为：

其中，f_a是前透镜组的焦距。如果选择使得

的透镜参数，那么，|S_b|<|S|，可减少移动行程进行对焦：

其中，f_b是后透镜组的焦距，且D表示前透镜组和后透镜组之间的距离。

且f表示相机模块(包括前透镜组和后透镜组的光学器件组)的焦距。

不等式(4)的解可以描述为：

0<f_a<0.71f且f_b<0 (5)

如不等式(5)中所示，通过设计满足不等式(5)的相机模块，可以减少行程。在一些实施例中，后透镜组220可包括一个或多个透镜元件，且为了使后透镜组具有负焦距，一个或多个透镜元件中的至少一个可以具有负焦距。

图3A为根据本发明一些实施例的光学系统的示例图。在一些实施例中，光学系统300可包括物镜组310和相机模块320。在一些实施例中，由物镜组310接收的入射光可对应于图像场的场景。然后，相机模块320接收光，最后相机模块320可生成图像。如图3A所示，物镜组310的光圈为21.76mm，光学系统300的总径迹长度为40.73mm，其中，径迹长度表示从第一透镜顶点到图像平面(传感器平面、传感器阵列或焦平面)的距离。通过适当的设计，光学系统的焦距(EFFL)为25mm；f数(表示为F/#，或f/#)为2.5，视场(FoV)为16.4°。在一些实施例中，相机模块320可为与物镜组310对准的筒形。

应当注意，图3A中所示的物镜组仅仅是为了说明目的而提供的，而不是为了限制本发明的范围。对于本领域的普通技术人员，可以根据本发明的教导进行多种变化和修改。然而，这些变化和修改并不脱离本发明的范围。例如，物镜组310中的一个或多个透镜元件可以具有任何类型(凸透镜、凹透镜或复合透镜)。

图3B为根据本发明一些实施例的相机模块的示例图。如图3B所示，相机模块320可包括前透镜组321和VCM单元322。前透镜组的光圈为6.35mm，相机模块320的径迹长度为8.91mm。

图3C为根据本发明一些实施例的相机模块中的VCM单元。如图3C所示，VCM单元322可包括后透镜组323和传感器阵列324。后透镜组323的光圈为6mm，VCM单元的径迹长度为4.82mm，传感器阵列可为Sony IMX274LQC型。在一些实施例中，后透镜组323可包括一个或多个透镜元件，并且一个或多个透镜元件中的至少一个可以具有负焦距。在一些实施例中，前透镜组322和后透镜组323可以是分开的，而后透镜组323和传感器阵列324可一起封装在VCM单元中。在一些实施例中，前透镜组321和后透镜组323共享或限定出公共光轴。此外，前透镜组321和后透镜组323可与物镜组310共用一公共光轴。结果，光学系统300中的物镜组310和相机模块320可以精确地对准，并且光学系统300可以实现衍射极限分辨率。相机模块320可设计为遵循图2中讨论的不等式(5)的光学设计。在一些实施例中，后透镜组中的一个或多个透镜元件中的至少一个具有负焦距。

在一些实施例中，VCM单元可进一步包括VCM型致动器(图3C中未示出)。VCM型致动器可调整后透镜组323和传感器阵列324之间的距离。具体地，VCM型致动器可通过沿公共光轴平移后透镜组323来调整后透镜组323和传感器阵列324之间的距离。结果，也可以相应地调整后透镜组323和前透镜组321之间的距离，并且可以实施聚焦操作。

应注意的是，提供物镜组的光学参数(例如光圈)的值仅用于说明目的，并不旨在限制本发明的范围。对于本领域的普通技术人员，可以根据本发明的教导进行多种变化和修改。然而，这些变化和修改并不脱离本发明的范围。例如，相机模块320中的VCM单元322可应用于具有不同光学特性(焦距、f数和FoV)的物镜组，且通过适当的设计，可以使用不同的物镜组来实现光学系统的不同光学特性(焦距、f数和FoV)。作为另一示例，后透镜组323的光圈可以小于6mm，以实现相机模块320更窄的视场。作为第三示例，后透镜组中的透镜元件可以是非球面的，并且透镜元件可以由塑料制成。因此，这样的VCM单元与广泛应用的移动电话VCM平台是一致的，它可以大规模、经济高效地制造。因此，整个光学系统可以达到较高的成本效率。

图3D为根据本发明一些实施例的如图3A所示的光学系统中物镜组的光学参数表。如图3D所示，应用不同的光学参数来实现光学系统300的不同光学特性。由于该光学设计是本领域普通技术人员的一种常用方法，所以这里不讨论光学设计。

图3E示出了根据本发明一些实施例的如图3B所示的相机模块的光传递函数(OTF)曲线。如图3A所示，入射光通过物镜组310，然后由相机模块320以一定角度接收。相机模块320接收到的光最终到达传感器阵列并生成成像信号。在一些实施例中，最终能够击中传感器阵列的最大光角为27.6°。如图3E所示，后透镜组可在100μm范围内沿光轴平移。通过在该范围内平移后透镜组323，图3A中所示的光学系统可以在5m到无穷远的范围内聚焦。在图3E中示出了与光学系统300的不同焦平面(5m、10m和无穷远)上的图像相对应的三条OTF曲线。

并行相机为从根本上提高每单位相机体积的像素容量、重量和成本提供了新的机会。特别显著的优点是可以显著降低镜头成本和体积。在实践中，高性能镜头的大部分成本来自于聚焦和变焦机制的成本和复杂性。并行相机的变焦成本在很大程度上被消除了，因为在这种系统中，机械变焦可以被数字变焦取代，但光学聚焦机构仍然是必需的。并行相机应用图1-3中描述的配置，可以进一步降低对焦成本。图4描述了两个并行相机的应用。

图4A为根据本发明一些实施例的相机模块或光学系统的第一应用的示意图。如图3A说明的，光学系统300的视场为16.4°，如图4A所示，多相机模块(如图2所示的相机模块)或多光学系统(如图3所示的光学系统)可布置成圆形以实现360°成像。

图4B为根据本发明一些实施例的相机模块或光学系统的第二应用的示意图。如图3A说明的，光学系统300的FoV为16.4°。如图4B所示，可布置相机模块或光学系统阵列以获得具有更大FoV的图像。

图5A为根据本发明一些实施例的具有VCM聚焦机构的光学系统的示意图。如图5A所示，光学系统500可包括物镜组510和相机阵列520。成像时，物镜组510可接收来自图像场的场景的光并在图像场处形成场景的中间图像。此外，物镜组510可将接收到的光引导到相机阵列中，且相机阵列520中的相机模块可接收与图像场的不同部分对应的光。相机模块可以是微型相机。在一些实施例中，多个相机模块可以布置在固定位置，且每个相机模块为与物镜组对准的筒形。在一些实施例中，每个相机模块可成像图像场的场景的一部分，并且可通过拼接由多个相机模块生成的图像的多个部分来重建图像。

应当注意，提供上述描述仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的范围。对于本领域的普通技术人员，可以根据本发明的教导进行多种变化和修改。然而，这些变化和修改并不脱离本发明的范围。例如，图5所示的物镜组510是单中心透镜，且相机模块径向分布在物镜组的周围和后面。但物镜组510也可以是非单中心晶状体。如果物镜组是单中心透镜，则多个相机模块可以径向分布在物镜组周围和后面。

图5B为根据本发明一些实施例的具有VCM聚焦机构的光学系统中的相机模块的示意图。如图5B所示，相机模块530可包括前透镜组531和VCM单元532。在一些实施例中，相机模块530可与图2中描述的相同。前透镜组的位置可以是相对于传感器阵列的位置固定的或静止的。如图5B所示，前透镜组531可包括三个透镜元件，且前透镜组可将光引导到VCM单元532。然而，前透镜组的透镜元件的数量可以是可变的。例如，前透镜组的透镜元件的数量可以是一个或多个。

图5C为根据本发明一些实施例的相机模块中的VCM单元。如图5C所示，VCM单元532可包括后透镜组533和传感器阵列534。在一些实施例中，前透镜组531和后透镜组533可以是分开的，而后透镜组533和传感器阵列534可以一起封装在VCM单元中。在一些实施例中，相机阵列520中的相机模块可以为与物镜组510对准的筒形。更具体地，相机阵列中的每个相机模块可为与物镜组510对准的筒形。结果，光学系统500中的物镜组510和相机阵列520可以精确地对准，并且光学系统500可实现衍射极限分辨率。在一些实施例中，前透镜组531和后透镜组533可共享或限定出公共光轴。在一些实施例中，为了使相机模块更紧凑，可将相机模块设计为遵循图2中讨论的不等式(5)的光学设计。在一些实施例中，后透镜组220可包括一个或多个透镜元件，并且一个或多个透镜元件中的至少一个可以具有负焦距。在一些实施例中，VCM单元可进一步包括VCM型致动器(图5中未示出)。如图2所述，当相机模块需要在两个不同的对象平面上成像两个对象时，可由VCM型致动器执行聚焦。VCM型致动器可调整后透镜组533和传感器阵列534之间的距离。具体地，VCM型致动器可沿公共光轴平移后透镜组。

在一些实施例中，物镜组510可将对应于图像场的不同部分的光引导到相机阵列520中的不同相机模块中。对于每个相机模块，通过前透镜组531和后透镜组533的光最终可到达传感器阵列。传感器阵列可基于接收到的光生成一组图像信号，然后可基于该组图像信号生成与图像场的部分对应的部分图像。此外，相机阵列中的多个相机模块可基于多组图像信号生成多个部分图像。在一些实施例中，可将多个部分图像拼接在一起形成对应于图像场的图像。

图5D为根据本发明一些实施例的VCM相机模块的产品图像。VCM相机模块是可包括后透镜组、传感器阵列和VCM型致动器的相机，这意味着后透镜组可与传感器阵列和VCM型致动器封装为VCM相机模块，而后透镜组可不与前透镜组包装在一起。

应当注意，提供上面的描述仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制本发明的范围。对于本领域的普通技术人员，可以根据本发明的教导进行多种变化和修改。然而，这些变化和修改并不脱离本发明的范围。例如，多个VCM单元可在多个相机模块中相同。作为另一示例，后透镜组可以具有负焦距。

图6为根据本发明一些实施例的图2或图3所示的相机模块的成像方法。在一些实施例中，方法600可在通过聚焦操作的对象的成像过程执行。

在602，可将光引导到具有前透镜组的光学装置中。在一些实施例中，光学装置可为相机模块。光学装置可包括前透镜组和VCM单元。在一些实施例中，VCM单元可包括后透镜组、VCM型致动器和传感器阵列。前透镜组和后透镜组可以限定出公共光轴。相机模块可以设计为遵循图2中讨论的不等式(5)的光学设计。由于光学装置或相机模块可与图2或图3中的相同，这里可以不详细讨论光学装置或相机模块的配置或布置。

在604，可调整后透镜组和传感器阵列之间的距离，以将虚像转到传感器阵列上。在成像期间，前透镜组可生成中间图像，该中间图像是后透镜组的虚像，然后后透镜组可转发或重新成像该虚像。在一些实施例中，前透镜组的位置相对于传感器阵列的位置可以是静止的。例如，当两个不同对象平面上的两个对象需要由光学装置连续成像时，可以执行聚焦。后透镜组可沿公共光轴平移，以将两个对象聚焦到不同的对象平面上，使得光可聚焦到相机模块或光学装置的传感器阵列上。在一些实施例中，后透镜组的平移可由VCM型致动器实现。

在606，可基于传感器阵列接收到的光生成一组图像信号。在一些实施例中，与图像场的场景对应的光可以从前透镜组、后透镜组发送到传感器，生成的图像信号组可对应于图像场的场景。

在608，可基于该组图像信号重构图像。在一些实施例中，重构的图像可对应于图像场的场景。使用方法600，可以精确聚焦成像图像场的场景。

图7说明了根据本发明一些实施例的图5中描述的光学系统的方法。在一些实施例中，方法700可以在通过聚焦操作的对象的成像期间执行。

在702，可用物镜组接收入射光。在一些实施例中，物镜组可具有一个或多个透镜元件，并且所述一个或多个透镜元件可具有任何类型(凸透镜、凹透镜或复合透镜)。

在704，物镜组可将入射光引导进入相机阵列中。在一些实施例中，相机阵列可包括多个预制相机模块。相机模块可包括前透镜组和VCM单元。在一些实施例中，VCM单元可包括后透镜组、VCM型致动器和传感器阵列。前透镜组和后透镜组可限定出公共光轴。在一些实施例中，前透镜组的焦距与后透镜组的焦距的标量积可具有负功率符号，并且进一步地，前透镜组可具有正焦距，后透镜组可具有负焦距。相机模块的配置或布置的细节也可在图2中看到，并且光学系统的配置或布置的细节也可以在图5中看到。

在706，可通过VCM型致动器调整后透镜组和相机阵列之间的距离，使得来自后透镜组的光可聚焦到传感器阵列上。在一些实施例中，可以通过沿公共光轴平移后透镜组来调整透镜组和传感器阵列之间的距离。

在708，对于每个相机模块，可基于传感器阵列接收到的光来生成一组图像信号。在一些实施例中，步骤708可与606中描述的相同方式执行。步骤708和步骤606之间的区别在于，可生成与光学系统中的多个相机模块相对应的多组图像信号。

在710，可基于对应于多个相机模块的多组图像信号来重构图像。在一些实施例中，重构过程可以包括两个步骤。首先，可基于多组图像信号生成多个部分图像。其次，可以通过拼接多个部分图像来生成与图像场的场景相对应的图像。

图8说明了根据本发明一些实施例的提供成像光学系统的方法。在一些实施例中，成像光学系统可包括物镜组和相机模块。相机模块可包括前透镜组和VCM单元。VCM单元可包括后透镜组、传感器阵列和VCM型致动器。前透镜组和后透镜组可限定出公共光轴。VCM型致动器可配置用于调节后透镜组和传感器阵列之间的距离。在一些实施例中，可通过沿公共光轴平移后透镜组来调整后透镜组和传感器阵列之间的距离。

在810，可以获得光学系统的目标光学特性。在一些实施例中，目标光学特性可包括焦距、光圈和视场中的至少一个。

在820，可以获得相机模块的光学特性。在一些实施例中，相机模块的光学特性可以包括焦距、光圈和视场中的至少一个。

在830，物镜组的光学特性基于光学系统的目标光学特性、相机模块的光学特性以及相机模块和物镜组的相对位置。物镜组的光学特性还可至少包括焦距、光圈和视场中的至少一个。

在一些实施例中，可设计第一光学系统和第二光学系统，其中，第一光学系统中的VCM单元和第二光学系统中的VCM单元可以相同。通过选择不同的物镜组或通过设置物镜组与相机模块之间的不同距离，第一光学系统和第二光学系统可具有不同的光学特性。图9示出了一种通用聚焦方案，该方案使用内部具有相同光学元件的相同聚焦VCM单元来提供具有不同规格的不同光学系统。如图9所示，VCM单元的光圈为6mm，VCM单元的径迹长度为4.82mm。传感器阵列的尺寸为7.2mm。对于同一VCM单元，通过应用具有不同光学特性的物镜组或通过改变相机模块与物镜组之间的距离来实现具有不同光学特性(焦距、f数等)的光学系统。

在这样描述了基本概念之后，对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在阅读本详细公开之后，上述详细公开旨在仅以示例的方式呈现，而不是限制性的。尽管本文并未明确说明，但可能会出现各种改变、改进以及修改。这些改变、改进和修改旨在由本发明提出，并且在本发明的示例性实施例的精神和范围内。

此外，某些术语已用于描述本发明的实施例。例如，术语“一个实施例”、“一种实施例”和/或“一些实施例”表示结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。因此，应强调并应理解，本说明书的各个部分中对“一种实施例”或“一个实施例”或“替代实施例”中的两个或多个的引用不一定都指同一实施例。此外，在本发明的一个或多个实施例中，可以将特定特征、结构或特性组合在一起。

此外，本领域技术人员将理解，本发明的各个方面可以在许多可申请专利的类别或上下文中的任何一个类别或上下文中进行说明和描述，包括任何新的和有用的方法、机器、制造或物质的组成，或其任何新的和有用的改进。因此，本发明的各个方面可以完全硬件实现、完全软件(包括固件、驻留软件、微代码等)实现、或结合软件和硬件实现，这些实现在本文中通常被称为“块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本发明的各个方面可以采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品包含在一个或多个计算机可读介质中，其中包含计算机可读程序代码。

此外，所述的处理元件或序列的顺序，或因此而使用的数字、字母或其他名称，并不旨在将所要求保护的过程和方法限制为除权利要求中可能指定的以外的任何顺序。尽管上述公开通过各种示例讨论了当前被认为是本发明的各种有用实施例的内容，但是应当理解，这样的细节仅用于此目的，并且所附权利要求不限于所公开的实施例，相反，旨在涵盖在所公开实施例的精神和范围内的修改和等效布置。例如，尽管上述各种组件的实现可以包含在硬件装置中，但是也可以作为仅软件的解决方案来实现，例如，在现有处理装置或移动装置上的安装。

类似地，应当理解，在本发明的实施例的前述描述中，为了简化本发明，有助于理解各种发明实施例中的一个或多个发明实施例，有时将各种特征组合到单个实施例、图或其描述中。然而，本发明方法不应被解释为反映出所要求保护的主题需要比每个权利要求中明确叙述的更多的特征的意图。相反，创造性实施例在于少于上述单个公开实施例的所有特征。

Claims (24)

1.一种光学装置，包括：

前透镜组以及VCM单元；

其中，所述VCM单元包括后透镜组、VCM型致动器以及传感器阵列；

其中，所述前透镜组的位置相对于所述传感器阵列的位置是静止的；

其中，所述前透镜组和所述后透镜组限定出公共光轴；

其中，所述VCM型致动器通过沿所述公共光轴平移所述后透镜组来调整所述后透镜组与所述传感器阵列之间的距离。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述前透镜组具有正焦距，所述后透镜组具有负焦距。

3.根据权利要求2所述的光学装置，其中，所述前透镜组的所述焦距小于0.71f，其中，f是所述光学装置的焦距。

4.根据权利要求1所述的光学装置，其中，为了在两个对象平面上成像两个对象，聚焦时，所述后透镜组的行程小于第二光学装置中的聚焦透镜组的行程；

其中，所述第二光学装置包括所述聚焦透镜组和传感器阵列；并且

其中，所述聚焦透镜组和所述传感器阵列之间的距离在聚焦时调整。

5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光学装置进一步包括物镜组，且所述物镜组位于所述前透镜组之前；

其中，所述前透镜组和所述后透镜组与所述物镜组共用所述公共光轴。

6.一种光学系统，包括：

物镜组，接收来自图像场的场景的光；

相机阵列，包括多个预制相机模块，每个相机模块包括前透镜组和VCM单元，其中，所述VCM单元包括后透镜组、VCM型致动器以及传感器阵列；

其中，所述物镜组设置在所述相机阵列的前方，所述物镜组将光引导到所述相机阵列中；

其中，所述前透镜组的位置相对于所述传感器阵列的位置是静止的；

其中，所述前透镜组以及所述后透镜组限定出公共光轴；

其中，所述VCM型致动器配置用于通过沿所述公共光轴平移所述后透镜组来调整所述后透镜组和所述传感器阵列之间的距离。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其中，对应于所述多个相机模块的所述多个VCM单元是相同的。

8.根据权利要求6所述的光学系统，其中，对于每个相机模块，所述物镜组为与所述相机模块对准的筒形。

9.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述前透镜组具有正焦距，所述后透镜组具有负焦距。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其中，所述前透镜组的所述焦距小于0.71f，其中，f是所述光学装置的焦距。

11.一种光学装置的成像方法，所述方法包括：

用前透镜组将光引导到光学装置中，其中，所述光学装置包括所述前透镜组和VCM单元；

其中，所述VCM单元包括后透镜组、VCM型致动器和传感器阵列；

其中，所述前透镜组生成中间图像，所述中间图像是所述后透镜组的虚像；

其中，所述前透镜组的位置相对于所述传感器阵列的位置是静止的；

调整所述后透镜组和所述传感器阵列之间的距离，以将所述虚像转到所述传感器阵列上；

基于所述传感器阵列接收到的光，生成一组图像信号；

基于所述组图像信号，重构图像。

12.根据权利要求11所述的成像方法，其中，所述前透镜组和所述后透镜组限定出公共光轴；

其中，所述后透镜组和所述传感器阵列之间的所述距离的所述调整是由所述VCM型致动器沿所述公共光轴平移所述后透镜组来实现的。

13.根据权利要求11所述的成像方法，其中，所述前透镜组具有正焦距，所述后透镜组具有负焦距。

14.根据权利要求11所述的成像方法，其中，所述前透镜组的所述焦距小于0.71f，其中，f是所述光学装置的焦距。

15.一种光学系统的成像方法，所述方法包括：

用物镜组接收入射光；

将所述入射光引导到相机阵列中，其中，所述相机阵列包括多个预制相机模块，每个相机模块包括前透镜组以及VCM单元，其中，所述VCM单元包括后透镜组、VCM型致动器以及传感器阵列；

对于每个相机模块，

由所述VCM型致动器调整所述后透镜组和所述传感器阵列之间的距离，使得能够将来自所述后透镜组的光聚焦到所述传感器阵列上；

基于所述传感器阵列的所述接收到的光，生成一组图像信号；

基于对应于所述多组相机模块的多组图像信号，重构图像。

16.根据权利要求15所述的成像方法，其中，基于对应于所述多个相机模块的所述多组图像信号，重构图像包括：

基于所述多组图像信号，生成多个部分图像；

通过拼接所述多个部分图像，生成图像。

17.根据权利要求15所述的成像方法，其中，所述多个预制相机模块分布在所述物镜组之后，且分布于固定位置。

18.根据权利要求15所述的成像方法，其中，对应于图像场的不同部分的光分别引导到不同的相机模块。

19.根据权利要求15所述的成像方法，其中，所述前透镜组和所述后透镜组限定出公共光轴，且通过沿所述公共光轴平移所述后透镜组来调整所述透镜组和所述传感器阵列之间的所述距离。

20.根据权利要求15所述的成像方法，其中，所述前透镜组具有正焦距，所述后透镜组具有负焦距。

21.根据权利要求20所述的成像方法，其中，所述前透镜组的所述焦距小于0.71f，其中，f是所述光学装置的焦距。

22.根据权利要求15所述的成像方法，其中，对应于所述多个相机模块的所述多个VCM单元是相同的。

23.一种提供成像光学系统的方法，所述方法包括：

获取光学系统的目标光学特性；

其中，所述光学系统包括物镜组和相机模块；

其中，所述相机模块包括前透镜组和VCM单元；

其中，所述VCM单元包括后透镜组、传感器阵列和VCM型致动器；

其中，所述VCM型致动器配置用于调整所述后透镜组和所述传感器阵列之间的距离；

获取相机模块的光学特性；

基于所述光学系统的所述目标光学特性、所述相机模块的所述光学特性、以及所述相机模块和所述物镜组的相对位置，确定所述物镜组的光学特性；

其中，所述光学系统的所述目标光学特性或所述相机模块的所述光学特性包括焦距、光圈以及视场中的至少一个。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述方法进一步包括：

提供第一光学系统和第二光学系统；

其中，所述第一光学系统中的所述相机模块以及所述第二光学系统中的所述相机模块可共用公共VCM单元。

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