用于潜望镜式相机模块的光学系统的制作方法

本发明涉及一种用于相机模块、尤其用于潜望镜式相机的光学系统，该光学系统包括光学布置结构以及图像传感器。

背景技术：

1、所谓的潜望镜式相机部分地安装在智能手机中并且包括反射棱镜，该反射棱镜在智能手机背面上通过开口捕获应该要拍摄的图像并且将其偏转90°，集束并且通过光学布置结构继续引导至捕获数据的传感器。光学布置结构还典型地包括光学透镜系统(也称为物镜)和可选地包括另外的棱镜，其引起到传感器上的另外的90°的偏转。

2、例如在us10908387 b2和us2021/0124145 a1中详细描述了这种潜望镜式相机的光学系统的一般结构。us2021/0026117 a1公开了一种光学系统，其包括将入射光偏转90°的第一棱镜、透镜系统和引导光束进一步偏转90°的第二棱镜。接着，光在射到图像传感器上之前被引导通过红外带阻滤波器(下面称为“ir带阻滤波器”)。

3、由于与相比它们的一般性的构造，这种潜望镜式相机由于其一般构造相较于传统智能手机相机多包括一个或两个光学部件。

4、在潜望镜式相机和传统的数字彩色相机系统中，安装ir带阻滤波器都是必需的。众所周知，图像传感器典型地具有这样的特性，即传感器的像素在红外光谱范围内也是敏感的。此外，其光学部件由普通玻璃或塑料制成的相机模块的光学系统通常仍具有一定的红外透射。然而，到达传感器的红外光导致对成像质量的不利影响，因为可能发生颜色和亮度失真。

5、为此，相机模块通常配备有ir带阻滤波器，其尤其直接放置在传感器前面。ir带阻滤波器例如是干涉滤波器或滤光玻璃，其应当阻止红外光入射到传感器上。合适的带阻滤波器具有在第一波长范围(透射范围)内的高透射，例如430至大约650nm，以及在另外的波长范围内的非常低的透射，例如大于700nm。此外，也可以使用具有陡峭的边缘、即从小于400nm起到uv范围的透射率的快速下降的滤波器。阻挡uv范围在此是有利的，以便确保更好的颜色识别。

6、如上文所陈述，ir带阻滤波器通常被直接放置在传感器的前面。由于诸如智能电话相机的电子设备的部件变得越来越小，对非常薄的滤波器的需求增加。这里，厚度通常为0.1至0.3mm。然而，为了在此实现足够的滤波效果，部件(例如滤光玻璃)必须用着色部件(例如cuo)更强地染色。由此可能存在不同的缺点。在此，尤其要提及的是在制造具有高cuo比例的玻璃时的问题，因为cuo在这种情况下不仅作为赋予颜色的成分起作用，而且作为玻璃成分对玻璃结构和玻璃的其它物理特性具有影响。此外，这种滤波器可能具有不利的信噪比并且导致较差的图像质量。此外，这种非常薄的滤波元件当然具有相对小的机械稳定性。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种用于相机模块的光学系统，该光学系统至少部分地消除了迄今为止的相机模块的缺点。

2、该目的通过权利要求的主题来实现。

3、该解决方案尤其通过一种用于相机模块的光学系统来实现，该光学系统包括图像传感器和限定光路的光学布置结构，其中，在该光路中，包含在其中的光学部件以下列顺序布置在图像传感器之前：

4、(a)第一棱镜，

5、(b)可选地，第一平面光学元件，

6、(c)光学透镜系统，

7、(d)可选地，第二平面光学元件，以及

8、(e)可选地，第二棱镜，

9、并且其中，部件(a)、(b)、(d)和(e)中的至少一个包括至少一个吸收滤波器。

10、本发明还涉及一种潜望镜式相机模块，其包括根据本发明的光学系统。

11、经发现，这种光学系统克服了已知系统的缺点。因此，在此可以取消将吸收滤波器、诸如ir带阻滤波器直接放置在图像传感器前面并且将具有相应吸收作用的部件放置在相机模块中的如下位置处，在该位置中部件可以具有更大的尺寸。由此产生比通过传统的、非常薄地构造的滤波器更长的、穿过该吸收部件的光路。这使得能够使用在阻挡与透射的比例(所谓的信噪比)方面具有有利特性的滤波器。

12、为了描述透射与阻挡之间的关系，例如对于ir带阻滤波器，限定以下差：

13、

14、其中：

15、τi,minnir是近红外范围(700nm至1100nm)中的最小净透射率；

16、τi,maxvis是在可见光范围(430nm至565nm)中的最大净透射率；

17、δθ是如在iso 23364:2021-04和din 58131:2016-11中限定的两种光谱批次的差。

18、在吸收滤波器非常薄的情况下，阻挡滤波器、例如滤光玻璃必须非常强地掺杂，例如掺杂有着色成分如cuo，以便高度阻挡不期望的辐射。然而，这种高掺杂的滤光玻璃具有相对小的δθ，并且因此具有不利的信噪比。

19、具有较少掺杂的吸收滤波器、例如滤光玻璃，具有明显更高的δθ。然而，由于低掺杂，为了充分阻挡不期望的辐射，需要使用具有大的滤波器厚度的吸收滤波器，但是由于它们的尺寸，它们不适用于当前的智能手机相机。已经发现，通过根据本发明的光学系统解决了该问题，因为取消了直接在图像传感器之前使用必然非常薄的吸收滤波器，并且在光学布置结构中的另外的位置处安装一个或多个具有相应的隔阻作用的部件，该部件由于在那里可用的空间而可以具有更大的厚度。因此，根据本发明的实施方式，由诸如蓝玻璃的吸收滤波材料制成的偏转棱镜具有比放置在传感器前面的现有吸收滤波器明显更长的光路。虽然当前的普通吸收滤波器的厚度仅为0.1mm到0.3mm，但是通过滤波棱镜的光学路径长度长达几毫米。类似地适用于其中使用至少一个平面光学元件作为带阻滤波器的实施方式，其由于所选择的位置而可以具有例如至少0.5mm的更大的厚度。由此对于包括根据本发明的吸收滤波器的部件得到更高的δθ，并且由此也得到优化的信噪比。

20、因此，优选的是，光学部件(a)、(b)、(d)和(e)中的至少一个具有大于2.0、优选大于2.2、并且特别优选大于2.4并且同样优选大于2.5的δθ。

21、在本发明的上下文中的表述“光路”表示所有光路的总和，该光路通过光学布置结构到达图像传感器并且在此有助于生成图像。根据本发明的光学布置结构的光学部件如此布置，使得被引导至传感器的光穿过这些光学部件。

22、根据本发明的光学系统包括至少一个第一棱镜，其以对于光学设计所需的程度、优选90°偏转入射光，并且偏转到光学透镜系统的方向中。在通过透镜系统之后，可以通过第二棱镜将入射光优选以进一步的90°转向或者直接引导到图像传感器上。根据本发明的第一棱镜和第二棱镜是光束偏转元件，优选地是三角形棱镜或基于三角形棱镜的形状的棱镜。在本发明的上下文中，这意味着，棱镜优选具有三角形的横截面，优选具有等腰三角形的横截面。入射光的偏转优选在一个或多个分界面上、优选在分界面上返回到棱镜的内部。在一个有利的实施方式中，光学系统仅包括第一棱镜，以便确保相机模块的尽可能紧凑的和节省空间的结构方式。此外，根据本发明的光学系统可以包含其他光学部件，尤其第一和/或第二平面光学元件、优选第一或第二平面光学元件、特别优选第一平面光学元件。第一平面光学元件位于第一棱镜和透镜系统之间的光路中，第二平面光学元件安装在光学透镜系统和可选的第二棱镜之间的光路中，或者替代地安装在光学透镜系统和图像传感器之间。在这些实施方式中，该第一平面光学元件和该第二平面光学元件中的至少一个包括至少一个吸收滤波器。

23、应当理解的是，可选的第二平面光学元件优选地仅在如下实施方式中包括至少一个吸收滤波器，在该实施方式中，第二平面光学元件不被直接放置在图像传感器的前面。

24、因此，本发明的另外的方面涉及一种用于相机模块(1)的光学系统，其包括图像传感器和限定光路的光学布置结构，其中，在光路中，包含在其中的光学部件以下列顺序布置在图像传感器之前：

25、(a)第一棱镜，

26、(b)可选地，第一平面光学元件，

27、(c)光学透镜系统，

28、(d)可选地，第二平面光学元件，以及

29、(e)可选地，第二棱镜，

30、并且其中，部件(a)、(b)、(d)和(e)中的至少一个包括至少一个吸收滤波器，和/或其中，如果光学系统包括部件(e)，则部件(d)可以包括至少一个吸收滤波器。

31、本发明的另外的方面涉及一种用于相机模块的光学系统，其包括图像传感器和限定光路的光学布置结构，其中在光路中，包含在其中的光学部件以下列顺序布置在图像传感器之前：

32、(a)第一棱镜，

33、(b)可选地，第一平面光学元件，

34、(c)光学透镜系统，

35、(d)可选地，第二平面光学元件，以及

36、(e)可选地，第二棱镜，

37、并且其中，部件(a)、(b)和(e)中的至少一个包括至少一个吸收滤波器，并且其中，部件(d)可以包括至少一个吸收滤波器。

38、在一个优选的实施方式中，根据本发明的光学布置结构仅包括一个平面光学元件、优选第一平面光学元件。与此相关的是多个优点。一方面，相机模块的空间需求降低，此外，制造成本相对于具有两个平面部件的布置方案得到降低。而且，当光学元件被安装在透镜系统之后的布置方案中时，可以避免可能出现的光学问题。这些光学问题可能产生，因为这些附加的光学部件必须在光学透镜系统的设计中被考虑。这以相应的方式类似地适用于可选的第二棱镜。

39、根据本发明，光学部件中的至少一个包括(a)第一棱镜、(e)第二棱镜、(b)第一平面光学元件和(d)第二平面光学元件，至少一个吸收滤波器。在一些有利的实施方式中，所述光学元件(a)、(b)、(d)和(e)中的两个或更多个(例如，两个、三个或四个)可以包括至少一个吸收滤波器。

40、优选地，光学部件(a)、(b)和(e)中的至少一个包括至少一个吸收滤波器。

41、在本发明的上下文中，吸收滤波器是布置在光路中的光学元件，使得由传感器检测到的光束穿过该元件，其中，光学元件的透射率在产生图像时干扰的波长方面比在其它应到达传感器的波长方面明显更低。

42、优选地，至少一个吸收滤波器涉及ir带阻滤波器，优选地为nir带阻滤波器和/或uv带阻滤波器，特别优选地为nir带阻滤波器。

43、在本发明的上下文中，近红外(nir)优选表示650至1200nm的波长范围。在本发明的上下文中，uv优选表示小于400nm、优选小于420nm的波长范围。原则上可以想到的是，作为阻挡特定波长范围的部件使用涂有干涉滤波器的部件。但是，这种干涉滤波器利用反射来阻挡不期望的辐射，由此尤其由于反射而产生重影。因此，对于高品质数字彩色相机，使用具有nir或uv隔阻作用的吸收滤波器是有利的，因为这降低重影和散射光的危险。

44、优选地，穿过光学部件的光路的长度大于0.5mm、优选地大于0.6mm、优选地大于0.7mm、并且特别优选地大于0.8mm，其中光学部件包括至少一个吸收滤波器。在第一棱镜和/或第二棱镜包括至少一个吸收滤波器的实施方式中，通过部件的光路在优选的实施方式中进一步大于1.3mm、特别优选大于1.5mm、进一步优选大于1.8mm、进一步优选大于2.0mm、并且同样优选大于3.0mm或大于4.0mm。

45、优选地，第一和/或第二棱镜具有大于1.0至10mm、优选大于1.3至7mm、优选大于1.5至6mm、优选大于1.8至5mm的边距长度。

46、优选地，第一和/或第二平面元件具有大于0.5至2.5mm、优选大于0.6至2.0mm、优选大于0.8至1.5mm、优选大于0.5至1.0mm的厚度。

47、在根据本发明的光学系统中，至少一个nir带阻滤波器优选为吸收nir滤光玻璃，特别优选为至少一种掺杂有铜离子的玻璃，以下也称为蓝玻璃，其优选具有至少1.50、进一步优选至少1.55、进一步优选不大于1.7、优选小于1.7、进一步优选不大于1.65、进一步优选不大于1.6的折射率nd。折射率nd是本领域技术人员已知的，并且特别是指在约587.6nm的波长(氦的d线的波长)处的折射率。根据本发明的掺杂有铜离子的玻璃在一种优选的实施方式中是指含cuo的磷酸盐玻璃，其中cuo含量优选在1至15重量％的范围内、特别优选在2至10重量％的范围内、此外优选在2.5至5重量％的范围内，或者含cuo的氟磷酸盐玻璃，其中cuo含量优选在0.1至10重量％的范围内、特别优选在0.3至6.5重量％的范围内。例如在us2018/0312424 a1、us2012/0165178 a1、us 2006/0111231a1、us2016/0363703 a1和us2007/0099787 a1中描述了这种含cuo的玻璃。

48、在另外的优选的实施方式中，吸收nir的滤光玻璃为具有至少1.70的折射率nd的高折射率的掺杂有cu离子的玻璃，优选为具有硼酸镧玻璃基体的含cuo的玻璃。这种玻璃例如在wo 2020/006770 a1中描述。

49、uv带阻滤波器是对于至400nm、优选至420nm的第一波长范围而言具有比对于400nm或优选420至650nm的第二波长范围明显更低的透射的光学部件。在本发明的一个优选的实施方式中，该至少一种uv带阻滤波器涉及吸收uv的玻璃。

50、uv带阻滤波器优选具有在400nm的范围中的陡峭的uv边缘的玻璃。合适的玻璃例如是来自schott公司的gg395、gg400、gg420和gg 435。

51、在一些有利的实施方式中，可以取消在光学布置结构中使用根据本发明的、构造为uv带阻滤波器的部件。例如，如果包括nir带阻滤波器(例如含cuo的玻璃)的光学部件在uv范围内已经具有足够的阻挡或者如果光学部件(a)至(e)中的至少一个具有阻挡uv的或反射uv的涂层、尤其干涉涂层，则这一点适用。

52、相应的吸收滤波器、优选吸收nir和uv的玻璃，可根据其机械特性和尤其是光学特性在根据本发明的光学布置结构中的各位置处选择。例如，可以有利的是，为处于相对暴露位置的第一棱镜选择以高机械和/或化学耐受性为特点的玻璃。也可能有利的是，尤其对于第一棱镜选择尽可能高折射的蓝玻璃或吸收uv的玻璃。在第一和/或第二平面光学元件构造为nir带阻滤波器的实施方式中，不需要使用相对高折射率的玻璃。在此，例如含cuo的磷酸盐玻璃或氟磷酸盐玻璃、诸如schott公司的蓝玻璃bg40或bg64是合适的。

53、在本发明的上下文中，包括至少一个吸收滤波器的光学元件优选部分地或完全地由该吸收滤波器构成。在一个有利的实施方式中，光学部件(a)、(b)、(d)、和(e)中的至少一个、优选光学部件(a)、(b)和(e)中的至少一个、特别优选光学布置结构(a)和(e)中的至少一个由相应的吸收滤波器构成即由其制成，尤其由吸收nir或者吸收uv的玻璃制成。在另外的有利的实施方式中，光学部件(a)、(b)、(d)和(e)中的至少一个、优选光学部件(a)、(b)和(e)中的至少一个、特别优选光学部件(a)和(e)中的至少一个是复合件，该复合件包括两个或更多个光学复合部件，其中光学复合部件中的至少一个由相应的吸收滤波器构成即由其制组成，尤其是由吸收nir或吸收uv的玻璃制成。

54、光学部件(a)、(b)、(c)、(d)和(e)还可以至少部分地涂覆有至少一个光学层。在此，不言而喻的是，在此是指各个光学部件的表面的涂层。在本发明的上下文中，部分涂层既表示光学部件的多个不同表面中的仅一个的涂层，也仅表示光学部件的一个或多个特定表面的部分涂层。

55、合适的光学层例如是干涉滤波器层系统、防反射层系统、反射层系统(例如金属涂层，如al层或ag层)以及可以改善相应部件的机械和/或化学耐受性的层系统。本发明上下文中的层系统不仅表示单个层，而且表示包括两层或更多层的多层式涂层。当然也可以考虑施加如此的层系统，该层系统是上述层系统的组合，例如干涉滤波层，其提高机械或化学耐受性和/或起到抗反射作用。这种层对于本领域技术人员来说是普遍已知的。

56、在有利的实施方式中，第一棱镜和/或可选的第二棱镜的至少一个表面设置有反射涂层，该反射涂层有利地施加在第一和/或第二棱镜的边界面上，该边界面使入射光返回到相应棱镜的内部。

57、如上所述，根据本发明的光学布置结构的各个光学部件具有多个表面。在一个优选的实施方式中，至少一个部件的所有光学相关的表面至少部分地、优选完全设有合适的光学涂层。在本发明的上下文中，部件的光学相关的表面理解为处于光的光路中的每个表面，这不仅包括光入射侧上的表面、也包括光出射面上的表面以及反射或偏转入射的光束的表面。不同的光学相关的表面当然可以(如果有利的话)设有不同的光学涂层。

58、在一个优选的实施方式中，部件(a)和(e)中的至少一个包括至少一个吸收滤波器。也就是说，第一棱镜和/或可选的第二棱镜包括至少一个吸收滤波器。在仅包括第一棱镜的实施方式中，第一棱镜当然包括至少一个吸收滤波器，优选地为nir带阻滤波器。在包括第一棱镜和第二棱镜两者的实施方式中，两个棱镜可以包括至少一个吸收滤波器。然而，在这种情况下，优选的是，第一棱镜和第二棱镜包括不同的吸收滤波器，例如第一棱镜包括nir带阻滤波器并且第二棱镜包括uv带阻滤波器。

59、在另外的优选的实施方式中，部件(b)和(d)中的至少一个包括至少一个吸收滤波器。也就是说，至少第一平面光学元件或第二平面光学元件包含至少一个吸收滤波器，优选是nir带阻滤波器。在仅包括第一平面光学元件或第二平面光学元件的实施方式中，仅现有的平面光学元件包括至少一个吸收滤波器。在包括第一平面光学元件和第二平面光学元件两者的实施方式中，两个平面光学元件还可以包括至少一个吸收滤波器。然而，在这种情况下，优选的是，第一和第二平面光学元件包括不同的吸收滤波器，例如第一平面光学元件包括nir带阻滤波器，而第二平面光学元件包括uv带阻滤波器。

60、在一个特别优选的实施方式中，根据本发明的光学布置结构包括第一棱镜、光学透镜系统和可选的第二棱镜，特别优选地，其由光学部件第一棱镜、光学透镜系统和可选的第二棱镜组成，此外优选地，光学布置结构由第一棱镜和透镜系统组成。换句话说，根据第一实施方式的光学布置结构仅包括第一棱镜、透镜系统和可选的第二棱镜，它们布置在传感器之前。在该实施方式中，第一棱镜和/或第二棱镜-如果包含-特别优选第一棱镜-包含至少一个吸收滤波器，其中所述吸收滤波器优选是nir带阻滤波器和/或uv带阻滤波器，特别优选nir带阻滤波器。除了上述通过包括至少一个吸收滤波器的光学部件以较长的光路提及的有利效果之外，在该实施方式中还有利的是，与常规(潜望镜式)相机模块相比，所需光学部件较少。这由此得出，即偏转棱镜和吸收滤波器部件可以在唯一的光学部件中实现。由此，能够实现相机模块的更紧凑的结构方式并且此外能够降低制造成本。

61、在第二优选实施方式中，光学布置结构包括第一棱镜、第一平面光学元件和/或第二平面光学元件，优选第一或第二平面光学元件，特别优选第一平面光学元件、光学透镜系统和可选的第二棱镜。在这个实施方式中，第一和/或第二平面光学元件优选包含至少一个吸收滤波器，优选是nir带阻滤波器和/或uv带阻滤波器，特别优选nir带阻滤波器。

62、优选地，该实施方式的光学布置结构由第一棱镜、第一平面光学元件、光学透镜系统和可选的第二棱镜组成，所述第一平面光学元件包括至少一个吸收滤波器、优选nir带阻滤波器。在一个实施方式中，第一棱镜和/或第二棱镜可以包括至少一个吸收滤波器、优选uv带阻滤波器，然而，在一个优选的实施方式中，第一棱镜和可选的第二棱镜不包括吸收滤波器。

63、该实施方式的光学布置结构还优选由第一棱镜、第一平面光学元件、光学透镜系统和可选的第二棱镜组成，该第一平面光学元件包括至少一个吸收滤波器、优选uv带阻滤波器。

64、本实施方式的光学布置结构还优选由第一棱镜、第一平面光学元件、光学透镜系统和可选的第二棱镜组成，该第一平面光学元件包括至少一个吸收滤波器、优选nir带阻滤波器。

65、在第三优选实施方式中，根据本发明的光学布置结构中的光学部件(a)、(b)、(d)和(e)中的至少一个是由至少两个(例如三个或四个)复合部件组成的复合件，其中复合部件中的至少一个包括至少一个吸收滤波器。各个复合部件可以借助光学连接(ansprengen)或通过光学粘固剂或光学透明粘合剂相互结合。

66、在一种实施方式中，第一和/或第二棱镜、优选第一棱镜被构造为这种复合件，以下称为“复合棱镜”。在此例如棱柱形的复合部件与一个或多于一个的、例如两个或三个平面的复合部件，随后称为“第一”或“第二”或“第三平面的复合部件”连接。

67、复合部件中的至少一个包括至少一个吸收滤波器。在一个优选的实施方式中，所有复合部件包括至少一个吸收滤波器。在另外的优选实施方式中，复合件还包含至少一种在本发明的上下文中不包含吸收滤波器的复合部件，例如高折射率玻璃，尤其折射率nd为1.6至2.2的玻璃。这样获得的复合件在本发明的上下文中还被称为“第一棱镜”或“第二棱镜”。

68、在光学布置结构的一个实施方式中，附加地或替代地，第一和/或第二平面光学元件可以被构造为复合件。此外，这种复合件称作为“第一平面光学元件”或“第二平面光学元件”。但是在此有利地涉及由包含不同吸收滤波器的两个复合部件组成的复合件，例如由包含uv带阻滤波器的第一平面部件和包含nir带阻滤波器的第二平面部件组成的复合件。

69、当然，这种复合件也可以如上所述具有一个或多个光学涂层。

70、根据本发明的光学布置结构中的光学透镜系统可以是单个光学透镜，或者优选地是包括两个或更多个光学透镜的布置结构。通过在光学透镜系统中组合不同的单个透镜，可以避免图像中的色差和失真。光学透镜系统的示例性结构的细节对于本领域技术人员是已知的，并且可以在开始提及的现有技术中找到。