专利名称：变焦镜头模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变焦镜头模块，且特别涉及具有液态镜片辅助做变焦与对焦的镜 头模块。
背景技术：
变焦镜头模块是摄取影像所需要的基本功能。在早期的传统光学技术中，镜片群 组都是以固态的光学组件所组合。为达到有效的变焦与对焦的功能，其传统的镜片群组的 体积较大且复杂。随后，传统光学技术也提出液态透镜的镜片，其是利用二种不同的液体构成一界 面。此二种液体是不相溶且折射系数不同，但是密度相接近，如此以构成一界面。此界面会 有曲率，且利用电润湿的机制来改变界面的曲率。液态透镜虽然也被用在变焦镜头模块以取代固体的光学组件，但是由于设计组合 的方式不同，会产生不同的设计效果。如何加入液态透镜来设计更有效率的变焦镜头模块 仍是相关业者继续研发的方向。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种变焦镜头模块，其目的在于使用液态透镜 做变焦时像面位置补偿和对焦的双重功效，提供更高的光学变焦倍数，提供更大的光圈，更 亮，分辨率更高，能应用在口径较小的液态透镜，能应用在较高像素的传感器，像差校正能 力强，成本低廉。本发明提供一种变焦镜头模块，包括一第一镜片组、一第二镜片组以及一第三镜 片组。第一镜片组设置在一光轴上的固定位置，具有负的总光焦度。第二镜片组设置在该 光轴上可轴向前后移动，以同时达到对焦与变焦的调整，且第二镜片组具有正的总光焦度 包括一液态透镜单元以及光焦度不为零的至少一镜片，其中此至少一镜片是与液态透镜单 元分离设置或是整合设置。第三镜片组设置在该光轴上的固定位置，具有不为零的总光焦 度。本发明所提供的变焦镜头模块是使用液态透镜的光学设计，变焦时只需移动一个 镜组，对焦时没有任何光学组件需要移动，近拍时画质仍维持清晰，允许液态透镜的液体顺 序安排有较大自由度，因此允许可以较自由地直接配置现有多种结构的液态透镜。本发明 使用液态透镜做变焦时像面位置补偿(改变放大倍率)和对焦(相同放大倍率不同物距的 像面位置补偿)的双重功效，提供更高的光学变焦倍数2. 5倍，更大的光圈F/# = 2. 8(更 亮，分辨率更高)，能应用在口径较小的液态透镜，能应用在较高像素的传感器(sensor，2M 1/4”)，像差校正能力强，进而达到降低成本的设计方法。光圈设置的位置能有效减小液态 透镜口径的需求，因目前液态透镜口径例如是3. 4mm，所以光圈设置的位置要尽量靠近液态 透镜。而高画质O00万像素以上)影像传感器的对角线总长多半大于4. 4_，基于空间限 制光圈和液体镜片需设置在远离影像传感器，基于光束能全部通过液体镜片而不会有大量离轴光束被液体镜片遮蔽，造成影像传感器中央和边缘的亮度差超过50%。光圈设置在液 体镜片附近可以达成近轴和离轴光束全部获大部分通过液体镜片。本发明光学变焦的设计 可提升镜头模块的效能达到更亮，分辨率(Resolution)更高。
图1为依据本发明一实施例，具有液态镜片的变焦镜头模块剖面结构示意图；图2-3为依据本发明一实施例，以图1的具有液态镜片的变焦镜头模块，针对不同 物距的剖面结构示意图；图4为依据本发明一实施例，液态透镜单元110的结构变化剖面示意图；图5-7为依据本发明一些实施例，绘示调幅转换函数(MTF)随着空间频率变化的 特性仿真示意图；图8-10为依据本发明一些实施例，绘示纵向球差，像散场曲线以及畸变等的特性 模拟示意图；图11-13为依据本发明另一实施例，变焦镜头模块剖面示意图；图14-16为依据本发明一些实施例，绘示调幅转换函数(MTF)随着空间频率变化 的特性仿真示意图；图17-19为依据本发明一些实施例，绘示纵向球差，像散场曲线以及畸变等的特 性模拟示意图；图20-22为依据本发明另一实施例，变焦镜头模块针对不同物距的剖面结构示意 图；图23为依据本发明另一实施例，变焦镜头模块针对不同物距的剖面结构示意图。附图标记100、102、104 镜片组106 镜片108:次镜片组110:液态透镜单元IlOa:液体部IlObUlOc 透光基板IlOd:外壁150 影像感测面板200、202、204 镜片组206 影像感测面板208 次镜片组210 液态透镜单元212:成像位置300、302、304 镜片组306 影像感测面板308 次镜片组310 液态透镜单元
400 棱镜
具体实施例方式为让本发明的上述特征能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细 说明如下。本发明提出变焦光学镜头模块，包括三个镜片组。第一镜片组有总光焦度为负值 且固定不动。第二镜片组的总光焦度为正值，例如是由至少一片光焦度(focusing power) 不等于零的镜片和一个液态透镜所组合而成。此第二镜片组在轴向移动用来做变焦的用 途，其由广角端到长焦端的移动方向是由像方往物方移动。液态透镜用来做第二镜片组在 轴向移动变焦时，对像面位置的补偿和在相同放大倍率下不同物距的像面位置补偿。液态 透镜由二种不相溶且折射率不同但密度相近的液体组成，利用外部控制以改变二种不相溶 液体该界面的一曲率而改变该光焦度值。第三镜片组包含至少一片光焦度不等于零的镜 片，且固定不动。以下举一些实施例来说明本发明，但是本发明不仅限于所举的一些实施例。又，所 举的一些实施例之间也可以相互结合，构成其它实施例。图1为依据本发明一实施例，具有液态镜片的变焦镜头模块剖面结构示意图。参 阅图1(a)，本实施例的变焦镜头模块包括三个镜片组100、102、104。镜片组100与镜片组 104是在固定位置。镜片组102可以在光轴上移动。拍摄对象最后利用镜片组104在影像 感测面板150上成像，因此拍摄到影像。于本实施例，拍摄对象是在左方也称为物方，成像 位置是在右方也称为像方。镜片组100是由至少一镜片所组成，而较佳的简单实施方式例如是由一个镜片 106所构成，且总光焦度例如为负值。镜片106例如是一个凸凹镜片具有负的总光焦度。当 然，依照光学镜片的设计，所要的负的光焦度也可以由多个镜片组成。于本实施例，光轴是以直线为例来说明。然而，如果需要的话，镜片组100也可加 入光线偏折的光学组件，例如可以利用一棱镜改变光轴的路径方向，其方式会于后面描述。镜片组102是设置在光轴上，但是可以沿着光轴前后移动，达到广角与望远的变 焦。图1(a)是镜片组102被调置在广角端(wide-position)的情形，其中物距是以^ii为 例。图1(b)是镜片组102的位置是被调置在长焦端(tele-position)的情形。换句话说， 镜片组102从广角端到长焦端的位置变化例如是由像方到物方移动，也就是如在附图中是 由右向左移动。镜片组102的作用除了可以同时达到变焦与对焦的调整，可以使像高较高，不因 液态透镜口径的限制而影响像高，像高较高表示可以用面积较大的影像感测面板150，面积 较大的影像感测面板150像素较多，可以表现较高的分辨率。镜片组102的总光焦度例如是正值。镜片组102例如包括至少一镜片与一液态透 镜单元110。至少一镜片例如是由固态镜片所组成的次镜片组108。液态透镜单元110具 有可调的光焦度。次镜片组108包括至少一个光焦度不为零的镜片。又次镜片组108是与 液态透镜单元110可以是分离设置或是整合设置。又，镜片组102可以包括一光圈(stop)， 例如是设置在次镜片组108与液态透镜单元110之间，以增加进光量。镜片组104设置在光轴上的固定位置，具有不为零的总光焦度，其与其它二个镜片组100、102的关系是，镜片组102介于镜片组100与镜片组104之间。镜片组104也是 由至少一片光焦度不为零的镜片所组合，但是较佳的方式例如采用单一片的镜片。于本实 施例，镜片组104的总光焦度例如是负值。图2-3为依据本发明一实施例，以图1的具有液态镜片的变焦镜头模块，针对不同 物距的剖面结构示意图。参阅图2，用图1的相同结构，但是针对物距为25cm的取像操作时，镜片组102会 有不同的位置。在图2(a)，镜片组102的位置是调整在广角端。在图2(b)，镜片组102的 位置是调整在长焦端。另外，液态透镜单元110的光焦度会随着变化以补偿成像位置。液 态透镜单元110的光焦度变化是利用外部控制液态透镜单元110中的液体界面的曲率。参阅图3，其也是以图1的相同结构，但是针对物距为IOcm的取像操作。镜片组 102在图3(a)是调整在广角端的位置。镜片组102在图3(b)是调整在长焦端的位置。相 似情形，液态透镜单元110中的液体界面的曲率也随着由广角端到长焦端的变化而变化， 例如更凸向物方的变化。图4为依据本发明一实施例，液态透镜单元110的结构变化剖面示意图。参阅图 4(a)，就一般的液态透镜的结构而言，如传统方式会包括液体部110a，由二种液体，例如水 与油组成，另外还有二个透光基板光焦度为0，IlObUlOc在液体部IlOa的两端，又再配合 外壁IlOd将液体部IlOa包围成为液态透镜单元110。如传统方式，外壁IlOd上会有电极 结构利用一般所知的电润湿法(electro wetting)的机制改变曲面的曲率。参阅图4(b)，以图4(a)的传统架构为基础，配合镜片组102中的镜片组108所需 要的光焦度，镜片组108可以与液态透镜单元110整合。这就是说，图4(a)中的透光基板 IlOb可以也具有光焦度，因此可以取代镜片组108的至少一部分的构件。参阅图4(c)，其与图4(b)是类似的机制，将图4(a)中的透光基板IlOc改变为具 有光焦度的结构，其也是配合镜片组108的整体设计达到镜片组102所需要的总光焦度变 化。参阅图4(d)，其与图4(b)是类似的机制，更将图4(a)中的二个透光基板110b、 IlOc都改变为具有光焦度的结构，其也是配合镜片组108的整体设计达到镜片组102所需 要的总光焦度变化。图5-为依据本发明一些实施例，绘示调幅转换函数(MTF)随着空间频率变化的特 性仿真示意图。参阅图5，对应图1在物距为ail的操作条件下，图5 (a)是广角端的特性，图 5(b)是长焦端的特性。参阅图6，其是对应图2在物距为25cm的操作条件下的调幅转换函 数特性。参阅图7，其是对应图3在物距为IOcm的操作条件下的调幅转换函数特性。换句 话说，本发明的设计是具有实际效用的设计。图8-10为依据本发明一些实施例，绘示纵向球差，像散场曲线以及畸变等的特性 模拟示意图。参阅图8，其是对应图1的操作条件在物距为ail的纵向球差(Longitudinal spherical aberration)，像散场曲线(Astigmatic field curve)以及畸变(distortion) 的特性。图8(a)是广角端的特性，图8(b)是长焦端的特性。参阅图9，其是对应图2的操 作条件在物距为25cm的纵向球差，像散场曲线以及畸变的特性。图9(a)是广角端的特性， 图9(b)是长焦端的特性。参阅图10，其是对应图3的操作条件在物距为IOcm的纵向球差， 像散场曲线以及畸变的特性。图10(a)是广角端的特性，图10(b)是长焦端的特性。
在图1的实施例中，分别镜片的曲面型态(Surface type)、曲率半径(Radius)、厚 度(Thickness)以及材料等的实施例如表一到表四所列。表一曲面序号曲面型态半径(mm)厚度(mm)(Nd, Vd)物件球面1.0E+182000*11非球面123. 9964421. 694,56. 32非球面23. 4113496.813*23非球面39. 3074091.26240281. 53,55. 74非球面4-6. 062720.91017735非球面54.86368921. 639,236非球面62.0558570.38726877非球面73.7391240. 71. 53,55. 78非球面8-5. 433580.1657301光圈球面1.0E+180. 5510球面1.0E+180. 31. 51,56. 411球面1.0E+180.29*31. 48，38. 412球面11.1735*50.36*41. 39，58. 713球面1.0E+180. 551. 51,56. 414球面1.0E+180.622*615非球面96.8404980. 71. 639,2316非球面106.4405472.089355517球面1.0E+180. 31. 51,56. 418球面1.0E+180影像球面1.0E+180
在表一中，曲面型态是球面与非球面的组合，其顺序是由左到右从镜片106开始 到影像感测面板150的背面的18个面。影像感测面板150的背面是成像面。厚度是指从表 面在光轴上向右延伸的厚度。材料是以折射系数Nd与Abbe数值(Abbe number) Vd表示， 其中具有“*”表记的数值变化由表四描述。表二与表三描述非球面的型态。表四描述针对ail，25cm、IOcm的三种物距下对应 广角端与长焦端的位置，其对应表一中的厚度。表二
权利要求
1.一种变焦镜头模块，其特征在于，包括第一镜片组，设置在一光轴上的固定位置，具有第一总光焦度； 第二镜片组，在该光轴上可轴向前后移动，以同时达到对焦与变焦的调整，其中该第二 镜片组具有第二总光焦度，包括液态透镜单元，具有可调的光焦度；以及至少一镜片，该至少一镜片的光焦度不为零，其中该至少一镜片是与该液态透镜单元 分离设置或是整合设置；以及第三镜片组，设置在该光轴上的固定位置，具有不为零的第三总光焦度，其中该第二镜 片组是在该第一镜片组与该第三镜片组之间。
2.根据权利要求1所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第二镜片组在该光轴上轴向 移动以达到变焦作用，且从广角端到长焦端的移动方向是由像方往物方移动。
3.根据权利要求1所述的变焦镜头模块，其特征在于，该液态透镜单元是由二种液体 所组成，该二种液体是不相溶且折射系数不同但密度相接近而构成一界面，利用电润湿法 来改变该界面的曲率。
4.根据权利要求1所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第一镜片组包括一棱镜片转 折该光轴的方向。
5.根据权利要求1所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第二镜片组还包括一个光圈。
6.根据权利要求5所述的变焦镜头模块，其特征在于，该光圈设置在该液态透镜单元 或是该镜片上。
7.根据权利要求5所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第二镜片组的该光圈位置是 该光圈在该至少一镜片与该液态透镜单元的前方更接近该第一镜片组；或是该光圈在该至少一镜片与该液态透镜单元的后方更远离该第一镜片组。
8.根据权利要求5所述的变焦镜头模块，其特征在于，该光圈设置在该液态透镜单元 与该镜片之间。
9.根据权利要求1所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第二镜片组的该液态透镜单 元包括第一透光基板，可以为平面基板或曲面基板，朝向物方； 第二透光基板，可以为平面基板或曲面基板，朝向像方； 外壁，与第一透光基板及该第二透光基板构成容置空间； 第一液体，有第一折射系数，填入于该容置空间；以及第二液体，有第二折射系数，填入于该容置空间与该第一液体不相溶解，其中该第一液 体与该第二液体构成一界面，其中利用外部的电性控制以改变该界面的曲率。
10.根据权利要求9所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第二镜片组的该液态透镜单 元与该至少一镜片是整合设置，其中该第一透光基板是曲面基板，提供该第二镜片组至少 一镜片所需要的光焦度的至少一部份。
11.根据权利要求10所述的变焦镜头模块，其特征在于，该至少一镜片即是该第一透 光基板。
12.根据权利要求9所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第二镜片组的该液态透镜单元与该至少一镜片是整合设置，其中该第二透光基板是曲面基板，提供该至少一镜片所需 要的光焦度的至少一部份。
13.根据权利要求12所述的变焦镜头模块，其特征在于，该至少一镜片即是该第二透 光基板。
14.根据权利要求9所述的变焦镜头模块，其特征在于，该液态透镜单元的该第一透光 基板与该第二透光基板皆是平面基板。
15.根据权利要求9所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第二镜片组的该液态透镜单 元与该至少一镜片是分离设置。
16.根据权利要求1所述的变焦镜头模块，其特征在于，该液态透镜单元的作用包括 在该第二镜片组轴向移动变焦时，对像面位置做补偿；以及该第二镜片组在相同放大倍率下，对不同的物面位置所产生的该像面位置做补偿。
17.根据权利要求1所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第一总光焦度为负值且该第 二总光焦度为正值。
18.根据权利要求17所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第三镜片组的总光焦度是正值。
19.根据权利要求17所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第三镜片组的总光焦度是负值。
20.根据权利要求1所述的变焦镜头模块，其特征在于，该液态透镜单元的最大有效口 径小于影像感测面的对角线。
21.根据权利要求1所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第二镜片组中的该至少一镜 片是一个正焦度镜片。
22.根据权利要求1所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第二镜片组中的该至少一镜 片与该液态透镜单元是分离设置。
23.根据权利要求22所述的变焦镜头模块，其特征在于，该第二镜片组还包括一个光圈。
24.根据权利要求23所述的变焦镜头模块，其特征在于，该光圈设置在该至少一镜片 与该液态透镜单元之间。
全文摘要
本发明涉及一种变焦镜头模块，包括一第一镜片组、一第二镜片组以及一第三镜片组。第一镜片组设置在一光轴上的固定位置，具有负的总光焦度。第二镜片组设置在该光轴上可轴向前后移动，以同时达到对焦与变焦的调整，且第二镜片组具有正的总光焦度包括一液态透镜单元以及光焦度不为零的至少一镜片，其中此至少一镜片是与液态透镜单元分离设置或是整合设置。第三镜片组设置在该光轴上的固定位置，具有不为零的总光焦度。
文档编号G02B15/16GK102053344SQ200910209178
公开日2011年5月11日 申请日期2009年10月28日 优先权日2009年10月28日
发明者张奇伟, 林秉忠, 王淇霖, 苏铃达 申请人:菱光科技股份有限公司, 财团法人工业技术研究院