微距镜头的制作方法

本国际专利申请要求在2014年8月8日提交的国际专利申请No.PCT/US2014/050318的优先权。本国际申请还要求在2014年11月6日提交的美国临时专利申请No.62/076,303和在2014年12月18日提交的美国临时专利申请No.62/093,909的优先权。

上述专利文件中的每一个的公开内容通过引用被整体并入本文。

技术领域

本发明涉及变焦镜头(zoom lens)系统，并且，特别地，涉及多透镜微距镜头(macro lens)系统，多透镜微距镜头系统被配置为使其有效焦距作为系统的构成透镜的表面的轴向部分的展平的结果连续变化，在特定情况下，该轴向部分可被整形为扁长非球面。

附图说明

通过参照下面结合一般不按比例的附图的详细描述，将更充分地理解本发明，附图中，

图1A、图1B和图1C提供常规变焦微距镜头的示意性例示；

图2A和图2B是以侧视和正视图例示可变焦镜头系统在系统的相互面向的内表面没有导致压平(applanation)时的实施例的图；

图3A和图3B例示出图2A和图2B的实施例在实施例的单独透镜的阵列已经被轴向压缩(即，沿轴压缩)之后的侧视图和前视图；

图4A、图4B、图4C、图4D、图4E和图4F概括了表示本发明的实施例的操作特性依据实施例的构成透镜的相互接触表面的展平程度而改变的数据；

图5是示出微距镜头的实施例的光焦度的改变依据轴向地施加于实施例的构成透镜的压缩力的依赖性的曲线图；

图6是示意性地描绘根据本发明的实施例的方法的流程图；

图7A和图7B概括了表示本发明的相关实施例(包括三个构成透镜)的操作特性依据实施例的构成透镜的相互接触表面的展平程度而改变的数据；

图8A和图8B是以侧视和正视图例示包括镜头的前部子系统和镜头的后部子系统(被间隙相互分开)的可变焦镜头系统的相关实施例的图，这些子系统的焦距可根据本发明的实施例单独地调整；

图9A包含表示在前部子系统具有正光焦度、后部子系统具有负光焦度并且前部、后部子系统相对于彼此在伽利略(Galilean)配置中空间协作的情况下，图8A、图8B的实施例的镜头的前部、后部子系统的焦距的曲线图。

图9B包含表示在前部、后部子系统均具有对应的正光焦度并且前部、后部子系统相对于彼此在开普勒(Keplerian)配置中空间协作的情况下，图8A、图8B的实施例的镜头的前部、后部子系统的焦距的曲线图。

图10A、图10B给出表示在两个不同的操作点处的图9B的实施例的Zemax数据；

图11是示意性地描绘用于操作图8A、图8B的实施例的方法的流程图。

技术实现要素：

实施例提供可变焦距微距镜头系统，该微距镜头系统包括(i)第一小透镜，具有第一光焦度和限定第一小透镜的通光孔径的第一旋转对称光学部分；和(ii)第二小透镜，具有第二光焦度和限定第二小透镜的通光孔径的第二旋转对称光学部分，使得第一小透镜和第二小透镜被共轴设置，以限定在轴点处的其表面之间的接触。系统另外包括用于将施加于第一和第二小透镜中的至少一个的表面的运动传递为关于轴点地压平所述表面中的至少一个的力的构件，使得讨论中的表面的压平的区域取决于这种运动的程度。系统可装配有包围第一和第二小透镜并且与传递运动的构件机械地协作的外壳单元，在特定情况下，该传递运动的构件可包括相对于外壳在内部可移动的活塞。在一个实施例中，镜头系统被配置为响应于通过所述构件传递到第一和第二表面中的至少一个的非零力，使得第一小透镜的第一表面和第二小透镜的第二表面彼此交互作用，以诸如互相压平彼此，以限定随着通过用于传递运动的构件创建的这种非零力的增加而渐进增加的相应的压平区域直径。在特定情况下，第一和第二表面中的任意一个的压平区域的直径的增加过程响应于这种力的增加，由压平区域的直径的改变导致的透镜系统的光学像差被最小化。

在特定情况下，本发明的微距镜头另外包括与第一和第二透镜共轴设置并且通过第二透镜与第一透镜分开的第三透镜，第三透镜具有以光轴为中心的扁长非球面表面。微距镜头的这种特定的实现方式包含两组透镜，这里，第一和第二组透镜通过间隙相互分开。第一组包括第一和第二透镜，第二组包括第三透镜(并且可选地包括诸如第四透镜和第五透镜等的另外的透镜)。这种特定微距镜头装配有与第二组透镜可操作地协作的第二可重新定位元件。第二可重新定位元件被配置为响应于第二可重新定位元件的运动而改变第三透镜的表面的曲率。在微距镜头的这种特定实现方式中，微距镜头可被设计尺寸为使得第一组透镜的焦点与第二组透镜的焦点一致，同时维持微距镜头的后焦点在微距镜头的光焦度的整个改变范围上基本上恒定。第一组透镜可具有正光焦度，而第二组透镜具有负光焦度。作为替代方案，第一和第二组透镜中的每一组可具有对应的正光焦度(同时，可选地，第二组透镜被浸入于折射率高于第三透镜的折射率的流体中)。

本发明的实施例另外提供(i)包括上述的微距镜头系统和与第一组透镜光学通信并且通过第二组透镜与第一组透镜分开的光学检测器的光学照相机和(ii)用于操作微距镜头的方法。

具体实施方式

对于可变焦镜头系统的需求很多，其范围从用于光学工程(诸如，例如，用于出于质量控制的目的使用的成像系统)到拍摄。

为此，贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”、“相关实施例”或类似的语言的提及意味着结合提及的“实施例”描述的特定的特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书，出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”和类似的语言可能但未必都指代同一实施例。应当理解，采用其自身并且可能与附图结合的本公开的任何部分都不意在提供本发明的所有特征的完整描述。

另外，应当理解，没有单个附图意在或者甚至能够支撑本发明的所有特征的完全描述。换句话说，给定的附图一般仅描述本发明的特征中的一些，一般不是所有的。出于简化给定的附图和讨论以及将讨论引向在该附图中表征的特定元件的目的，给定的附图和包含参照这种附图的描述的本发明的相关联部分一般不包含特定示图的所有元件或者可以在该示图中给出的所有特征。本领域技术人员将认识到，可能能够在没有特定的特征、元件、部件、结构、细节或特性中的一个或多个的情况下或者通过使用其它的方法、部件、材料等来实践本发明。因此，尽管可能未必在描述这种实施例的每一个附图中示出本发明的实施例的特定细节，但是可以暗示在附图中存在该细节，除非说明书的上下文另外要求。在其它的情况下，为了避免混淆正被讨论的本发明的实施例的多个方面，公知的结构、细节、材料或操作可能没有在给出的附图中被示出或者被详细地描述。并且，所描述的本发明的单个特征、结构或特性可以任何适当的方式被组合在一个或多个其它的实施例中。

如本公开所附的权利要求书中陈述的本发明意在根据本公开被整体评价。

本文使用的术语微距镜头和微距镜头系统指代被配置并且适合用于例如诸如光学照相机或望远镜的光机仪器以及特别地适合于进行拍摄的镜头系统。出于本公开的目的，微距镜头系统与微透镜(本文中称为小的透镜系统，一般具有仅仅几毫米(例如，2毫米或3毫米)以及常常小于1毫米的透镜直径，例如，诸如人工晶状体或称为晶片级光学器件的光学器件或双凸透镜)的区别和差异不仅在于尺寸和结构，而且在于本发明的实施例的应用要求处于微距镜头系统的构成部件的外部并且容纳这些部件，同时使它们保持相互光学通信的微距大小的支撑结构。在本领域中已认识到，微透镜所特有的操作和材料要求和/或制造工艺不允许在设计具有合理的成功期望的微距镜头时重新使用或者适应微透镜的结构设计和/或特征。事实上，本领域技术人员不期望根据给定的微透镜系统的原理(例如，通过按比例改变系统的尺寸)构造微距镜头系统。根据本发明的实施例的微距镜头系统的配置特征选择为从系统的构成透镜中排除微透镜所特有的那些结构特征(诸如，例如常用于IOL结构中的触觉部分或双凸透镜的起伏表面)。

变焦镜头以复杂性为代价向用户提供可变焦距的便利，并且通过在图像质量、重量、尺寸、孔径、自动聚焦性能的速度和精度二者、加工质量和成本方面的妥协实现该便利性。例如，所有变焦镜头在它们的最大孔径处，特别是在它们的焦距范围的极值上，遭受图像分辨率的如果不明显也至少轻微的损失。当以大幅面或高分辨率显示时，这种影响在图像的角部明显。变焦镜头提供的焦距的范围越大，则这些妥协一定变得越夸大。

对于变焦镜头存在许多可能的设计，最复杂的那些具有三十个以上的单独透镜元件和多个移动部分。但是，大多数遵循相同的基本设计。一般地，它们包括可以或固定(其中它们沿光轴的位置保持相同)或沿透镜的主体轴向地滑动的大量的单独构成透镜。当变焦镜头的倍率改变时，补偿焦平面的任何移动以保持聚焦的图像清晰。可通过机械手段(在镜头的倍率改变的同时移动整个透镜组件)或者以光学方式(布置焦平面以在镜头变焦时尽可能小变化)完成这种补偿。

变焦镜头的已知的简单方案(诸如图1A、图1B、图1C中的变焦镜头的方案)包括由固定和可移动透镜元件形成的与标准、固定焦距拍摄镜头类似的聚焦镜头，该聚焦镜头的前面是无焦变焦系统。无焦变焦系统被构建为不聚焦光，而是改变行进通过它的光束的大小，并由此改变透镜系统的总倍率。图1A、图1B、图1C的例子示出由两个正透镜L₁和L₃以及在这两个正透镜之间的负透镜L₂形成的失焦系统。透镜L₃被固定，但透镜L₁和L₂可按照特定的非线性关系轴向地移动。当负透镜L₂从透镜的前面向其后面移动时，透镜L₂按抛物线弧向前以及然后向后移动。通过这样做，变化了系统的总角倍率，从而改变整个变焦镜头的有效焦距。在图1A、图1B、图1C所示的三个实例中的每一个中，三透镜系统是失焦的(不发散光也不会聚光)，并由此不改变透镜的焦平面的位置。而在与图1A、图1B、图1C对应的点之间，系统不是准确失焦的，但焦平面位置的变化可保持足够小(在0.01mm的量级上)以不对图像的清晰度造成显著的改变。

根据本发明的实施例，通过将微距镜头构建为与外部机构(被配置为微距镜头外壳布置的一部分)可操作地协作的至少两个单独构成透镜的共轴组件，以诸如形成、以及施加力给组件以变化构成透镜的两个相互面对表面之间的接触区域，以及可逆地减小这些相互面对表面中的至少一个在接触区域内的曲率，来解决改变微距镜头的有效焦距的问题。微距镜头的单独透镜被配置为具有至少一个柔性扁长非球面表面，其曲率可响应于外部施加的力而变化(至少在围绕光轴的区域中)。

根据本发明的相关实施例，通过提供其中的至少两个在位于微距镜头的轴上的点处接触的共轴排列(阵列)的单独构成透镜并且利用用于轴向压缩该透镜的阵列的至少一部分的构件使得在轴上点处接触的透镜的至少一个表面响应于轴向地施加压力(并且可选地响应于系统的部件的微小轴向移动)而变形以增加这些表面在关于轴的区域中的曲率半径，来解决变化多元件微距镜头的焦距的问题。

结构表面的编号。在描述本发明的透镜系统或这种系统的子集的实施例中的元件或部件的次序时，除非另外说明，否则本文一般遵循以下的惯例。在操作中和/或当安装时，从物体开始沿入射在透镜系统上的光的方向观看的透镜组件的依次定位的结构元件的表面的次序为升序，其中，这些表面被称为第一表面(或表面1、表面I)、第二表面(或表面2、表面II)、第二表面(或表面3、表面III)、第四表面(或表面4、表面IV)和其它表面(如果这些表面存在的话)。例如，在图1A、图1B、图1C的情况下，光的入射方向被指示为z轴。因此，一般地，本发明的实施例的结构元件(诸如各单独光学元件)的表面被数字标记，以对应于与透镜系统的前面部分并且接近物体的表面开始，以对应于组件的后面部分并且接近像平面的表面结束。因此，术语“在…后面”指代在空间上跟随其它某物的位置的位置，并且表明，当从透镜组件的前面观看时，该一个元件或物体处于另一个元件或物体的后面。类似地，术语“在…前面”指代从组件的前面观看时相对于特定元件靠前的地点或位置。本领域技术人员可以理解，配置透镜使得诸如通过表面I接收光(从环境介质入射于透镜上)；当表面的次序和/或各单独元件的参数相比于特定的配置改变时，光学特性的改变和微距镜头的操作可能是急剧且不可预测的，并且需要分开的考虑。换句话说，给定的微距镜头或其构成元件相对于入射光的取向的任意改变相对于物体成像不提供与已被配置的这种给定的微距镜头等同或类似的结果。

出于本公开和所附的权利要求的目的，应用于特定的特性或质量描述符的术语“基本上”意味着“大部分”、“主要地”、“在很大程度上但未必完全相同”，以诸如合理地指示近似的语言并且描述特定的特性或描述符，使得其范围被本领域技术人员理解。使用该术语既不暗示也不提供用于无定性(undefiniteness)以及用于向特定的特性或描述符添加数值限制的任何基础。例如，提到基本上与基准线或平面平行的矢量或线要被解释为沿与基准线或平面的方向相同或者非常临近(例如，具有相对基准方向的被考虑为是本领域中实际上典型的角度偏差)的方向延伸的这种矢量或线。作为另一例子，在提到特定表面时使用术语“基本上展平”，暗示在眼前的特定情形下，这种表面可具有如本领域技术人员通常理解的那样被定尺寸并且被表达的某种程度的不展平和/或粗糙度。在本领域中已知，术语“球面表面”一般指的是形成球的表面的一部分的表面，而术语非球面表面或类似的术语一般指的是在识别的边界内空间地偏离球面表面的表面。

例子I：一般考虑

图2A、图2B、图3A和图3B是根据本发明的想法构建和可操作的可变焦微距镜头系统的实施例1400的侧视图和前视图的示意性例示。一般地，本发明的微距镜头包括在外壳1460内依次设置并且关于光轴(示为1450)共轴的多个单独透镜(示为透镜1410、1420、1430、1440)的组(train)(阵列)，其中外壳1460具有限定在外壳1460中的中空体积的外壳体。透镜1410的前表面(表面I，没有标记)与微距镜头的前面对应。单独透镜1410、1420、1430和1440被设置在中空中。一般地，外壳1460在前面部分1460A处装配有适当的阻止元件(未示出)，以保持透镜处于外壳的中空内。如图所示，每两个直接相邻的透镜在相应的轴点处相互邻接，使得这两个直接相邻透镜的互相面对表面在轴点处相互接触。例如，如图所示，系统的表面II、III(分别与透镜1410、1420对应)在轴点C处接触，而系统的表面VI、VII(分别与透镜1430、1440对应)在轴点S处接触。根据本发明的想法，本发明的微距镜头系统的互相接触表面对的表面中的至少一个是扁长非球面表面。例如，表面II、III中的至少一个关于轴1450具有扁长非球面轮廓。具有非球面表面(或非球面)的透镜在本领域中认为是表面轮廓不是球形或圆柱形的一部分(或球面表面或圆柱形表面)的透镜。非球面的表面轮廓通常被定义为表示在距离光轴给定距离处表面距顶点的位移的函数。这种函数的参数包括曲率半径和在顶点处限定的圆锥常数(或圆锥参数)。扁长非球面是圆锥常数的值处于-1与0之间的非球面表面。术语表面被用于指示两个介质之间的边界或者可触知元件的边界或空间限制；表面被理解为具有长度和宽度但不具有厚度。

在外壳1460的后面部分上，致动活塞1470被配合(在本领域中已知)，以诸如允许作为沿轴1450移动活塞1470的结果向透镜组施加压力。图2A和图2B例示活塞1470处于中立位置时的实施例1400的状态，中立位置由系统的透镜与活塞的表面之间没有交互作用的轴向力限定。在这些情境下，如图2B的前视图所示，基本上没有透镜系统的内部表面的中的任意一个被展平(换句话说，构成透镜1410、1420、1430和1440中的每一个维持其原本的形状)。在操作中(以及参照图3A、图3B)，活塞1470沿轴1450(例如以箭头1474标示的方向被致动)以诸如向系统1400的单独透镜施加轴向指向的(沿光轴方向指向的)压力。

可以理解，取决于特定的设计，活塞1470可被具体地构建为或者向最外面的透镜1440施加压力(由此创建沿着箭头1474指向的力F并且轴向压缩透镜1410、1420、1430和1440的组合)或者向系统中的另一透镜施加压力。(在一个特定的实现中，例如，活塞1470可被构建为向透镜1420施加压力，由此轴向压缩透镜1410和1420，以诸如使其展平或者增加互相面对表面II、III中的至少一个的曲率半径)。但是，在一般的情况下，如图3A所示，活塞1470通过向接近活塞1470的透镜1440施加轴向指向力来压缩实施例1400的整个透镜组。作为结果，并且依据由活塞1470的移动导致的轴向施加力的强度，直接相邻透镜的相互面对表面中的至少一个变形，使得，在这种表面上，形成以轴为中心的压平的(即，以光轴为中心，并且与独立的透镜的形状相比，被展平的)区域1480。展平的区域1480的半径依据增加的力F而增加。图3B例示出具有依据增加的力F而增加的分别对应的半径R_i的这种区域1480的演进1480A。

应当理解，在一个实施例中，两个直接相邻透镜的相互面对表面均被配置为至少在系统的光轴处和/或围绕系统的光轴的分别对应的区域处改变它们的曲率。在图2A、图2B、图3A、图3B中的系统的一个实现方式中，表面II和III的曲率均响应于活塞1470朝着微距镜头1400的前面的重新定位而减小。

作为活塞1470沿相对方向的重新定位的结果，至少一个构成透镜的表面的以轴为中心的区域1480的展平过程是可逆和可重复的。为此，透镜材料用作与活塞1470处的致动压力的减小成比例地逆转透镜的致动的弹簧。

在一个特定的实现中，外壳1460是由刚性材料(例如，金属)制成的圆柱形结构，而活塞1470的致动气缸由具有大于1000kPA的弹性模量的光学透明材料(例如，诸如聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)制成。透镜系列中的第一透镜1410也可制成是具有高的弹性模量(诸如PMMA的弹性模量)的刚性的。内部透镜中的剩余的透镜(如图所示，透镜1420、1430、1440)由诸如具有在0.1kPa～100kPa的范围内的弹性模量的硅树脂、丙烯酸或collamer的软得多的材料构造。如图3B所示，至少一个内部表面(例如，诸如表面II和/或表面III)在活塞朝着系统1400的前面移动时在刚性活塞1470与刚性透镜1410之间被压缩，由此随着该表面展平到增加的直径2R_i上(如图3B所示)，渐进地否定这种表面对整个透镜系统1400的光焦度的贡献。可选地但优选地，这样的可变形表面被设计尺寸为扁长非球面，具有这样的圆锥常数，以使得i)作为由于力F引起的机械压缩所导致的渐进地压平的结果，从给定表面的顶点开始，增加这种表面的球形度；ii)最小化表面的压平的部分(以轴1450为中心)与透镜表面的环绕这种压平的区域的部分之间的空间过渡的不连续性；以及iii)最小化贯穿整个光焦度的改变范围的光学像差，使得当微距镜头的互相面对的内部表面被渐进地压平时，讨论中的扁长非球面表面的形状变得更扁平。

合理地选择材料、厚度和透镜表面曲率，使得串联表面的渐进地“步进”或“分阶段”压平在透镜焦度的整个幅度上接近球面透镜。换句话说，讨论中的相邻的相对透镜表面中的至少一个被限定为使得：在压平的区域的直径响应于力F的增加而增加的过程期间，由这种直径上的变化导致的整个光学系统的光学像差被最小化。相对于外壳壳体的尺寸，合理地选择活塞尺寸，以便以均匀的方式围绕活塞的凸缘环限定由活塞施加于微距镜头的构成透镜的压力。取决于构成透镜的大小和透镜材料的刚度，可通过使用压电晶体、液压系统、伺服电动机或机械螺纹机构等施加致动力(这里仅列举几种)。构成透镜中的任意一个(特别是表面作为根据本发明的实施例施加致动力的结果被展平的透镜)可被包括折射率小于透镜材料的折射率的外壳中空填充流体(液体或气体，例如，空气)的环境介质包围。在这种情况下，通过增加从外部施加于微距镜头的压力，导致微距镜头的总光焦度减小。作为替代方案，在特定的实施例中，构成透镜被设置在诸如硅油的折射率比透镜材料的折射率更高的流体(例如，诸如硅油)中，以依据施加于微距镜头的压力逆转屈光光焦度的改变方向。在该后一种情况下，表面被展平的微距镜头的给定构成透镜响应于其表面的展平的增加而渐进地增加其光焦度。

在相关的实施例中，微距镜头被构建为一系列的多个(沿光轴)空间分开的非平移透镜(non-translating lens)子系统，这些透镜子系统中的每一个可沿光轴可逆地以及独立地被压缩，以创建放大系统和/或传感器/眼睛聚焦系统。通过被设计尺寸以具有共同的焦点的空间相互分开的透镜子系统提供例子。一般地，可在维持这种共同的焦点的同时，响应于想要的倍率构建(一个或多个)透镜组件的致动压力。另外，传感器(光学检测器)可被设置(不管是可重新定位还是在固定位置中)在整个微距镜头的焦平面附近。

根据本发明的想法构建的压平型可变焦微距镜头系统被配置为在高达60屈光度的光焦度的调节范围内操作。如果实施例1400的6个内部表面(表面II、III、IV、V、VI和VII)中的每一个平均向系统1400的总光焦度贡献约10屈光度的光焦度，则例如通过图3B所示的分阶段压平来否定由这6个内部表面提供的光焦度贡献，使透镜系统的光焦度减少约60屈光度。一般地，为了最大化可变光焦度的范围，微距镜头系统要求例如几克的最小致动力，并且，在一些实现中，要求构成透镜约100微米的轴向移动。由本发明的实施例的活塞施加的致动力在一个实施例中利用压电晶体或常规的压力致动器(出于解释简化的原因，没有示出)来实现。

例子II：多透镜实施例

如图4A的特定实施例所示，具有光轴1904的微距镜头1900由两个轴向接触的透镜1910、1920形成。在图4A中示出处于未加压状态(即，当互相接触的表面II、III不变形时)的布局1900的设计参数。可以理解，标记为玻璃(Glass)的数据栏一般包含用于单独透镜的材料，该材料可与玻璃材料不同并且可以包括例如塑料材料。在该特定情况下，例如，透镜1910和1920均由硅树脂制成。

图4A、图4B、图4C、图4E和图4F描绘(相同实施例1900的)构成透镜1910、1920二者的变形和图像质量依据通过支撑微距镜头1900的外壳结构(未示出)的活塞机构可逆地施加于表面IV并且轴向地(沿透镜1900的光轴)指向表面III的压缩力的演进。在图5中示出微距镜头1900的光焦度的改变对这种轴向力的强度的对应依赖性。对于变形的演进的步骤中的每一步骤，在插图中，伴随描述透镜1910、1920的组的数据(标为“透镜数据编辑器”)和这两个透镜的示意图，提供光学传递函数(OTF)的曲线图。

如图4A所示，在微距镜头系统1900的未加压状态中(即，当构成的单独透镜1910、1920在它们之间没有任何交互作用力的情况下在轴点P处接触时)，表面II、III的形状在它们的顶点的区域中是具有相应的圆锥常数-12和-15的扁长非球面，而这些表面的球面曲率的半径分别为-44mm和44mm。对应于半径值以及对应的顶点的圆锥常数的改变，在离散的步骤中示出将表面II、III展平的效果。表面II、III的渐进的压平造成它们的半径改变为图4E中的(-500mm、500mm)，以及，在图4F中，表面II、III的近轴区域被示为基本上遍及其表面被压平(被展平)。如图5所示，以施加小于1.6克的微小轴向力的令人惊奇地小的操作代价，该二透镜微距镜头系统1900指定跨21.7屈光度范围的总光焦度改变和从约445线每mm(图4A)到约225线每mm等(图4F)的调制传递函数的截止频率的对应改变。图5的力-光焦度曲线示出利用有限元分析获取的数据。

图6给出本发明的实施例的操作方法的示意性流程图。这里，实施例的操作可以或者通过利用与微距镜头的外壳协作的诸如活塞(在特定的实现方式中)的外部压缩组件来压缩单独构成透镜的组(已在步骤1710中被预组装成得到的微距镜头的光学组)或者可替代地通过在步骤1710中形成这种组件来开始而被启动。本发明的实施例的微距镜头的形成步骤包括使第一和第二透镜的表面相互协作，以诸如在轴点处(即，在表面的顶点处，其中顶点位于光轴上)建立这些表面之间的接触。在特定的实现方式中，相互接触表面中的至少一个可被整形为扁长非球面。在步骤1720处，改变微距镜头轭具(harness)的元件的操作状态以产生沿光轴施加于微距镜头的构成透镜上的矢量力。操作状态的改变可包括例如位置的改变(在机械活塞或压缩器的情况下)、(施加至压电元件的)电压的改变、压力的改变(在气动元件的情况下)。这样形成的矢量力被转移到系统的透镜，以改变系统的直接相邻透镜的互相面对表面的接触区域，从而在步骤1730处导致互相接触表面中的至少一个的曲率的改变。在特定的实施例中，展平的步骤可伴随这种表面中的至少一个的轴向部分的曲率的减小(1740)。可选地，在步骤1740处，当这样展平的表面是扁长非球面表面时，扁长非球面表面的轴向部分的曲率被有意地比扁长非球面表面的外周部分(包围轴向部分)的曲率更多地改变。

例子III：多透镜实施例

在透镜组(图7A、图7B)中包括三个共轴设置的透镜的相关实施例800展示了在类似的表面压平演进中当实施例的内部表面被完全压平(展平)时出现的43.4屈光度焦度改变。与图4A～4F的实施例1900相比较，这要求增加外壳轭具布置中的活塞1450的轴向重新定位的范围。为了简化例示，示出的实施例800没有外壳轭具和活塞/压缩器布置。图7A示出具有光轴804的三透镜实施例800的布局，其中，透镜810、820和830中的直接相邻透镜在未加压的状态下相互物理接触。换句话说，透镜810和820在表面II和III的轴点O、O′处接触，以及，透镜820、830在表面IV和V的轴点O″、O″′处接触。图7A还提供表示针对该实施例的调制传递函数(MTF)的曲线840和针对这种未加压状态的Zemax透镜数据。在图7B中示出与透镜800的内部表面的曲率半径从模量44mm增加到模量300mm对应的加压状态中(通过将透镜810固定在外壳轭具中的同时向表面VI施加轴向指向表面I的力导致的)的透镜810、820、830的形状，这里，内部表面II、II、IV和V的展平区域被示意性并且不整体按比例地标为844。应当理解，具有多于三个的依次设置的单独透镜的实施例会以基本上类似的方式被构建，在这种情况下，可以实现焦距的甚至更大的改变。

如上面已经讨论的，图5的曲线图例示出利用活塞1470来相互压平具有两个构成透镜的实施例(诸如图4A～4F的实施例1900)的表面II、III所要求施加的轴向力依据透镜系统的光焦度的改变的依赖性。进一步参照图2(A、B)、图3(A、B)，示出了，随着组中的透镜的数目和因为本发明的轴向压缩器(活塞)的操作而变形的内部表面的数目的增加，通过使包含多于两个的单独透镜的实施例(例如，图7A、图7B的实施例800)的内部表面中的每一个与仅具有两个单独透镜的实施例(例如，实施例1900)的内部表面变形到相同的程度，则在外壳1460中并且通过活塞1470驱动的透镜系统的光焦度的总改变增加。

同时，施加具有相同模量的轴向指向矢量力(向共轴透镜组)的结果取决于组中的透镜的数目而不同。例如，比较第一微距镜头(仅包含单个透镜)与第二微距镜头(包含具有互相展平的相对表面的多个构成单独透镜，这些透镜彼此完全相同并且其中的每一个与第一微距镜头的单个透镜相同)：当选择轴向指向矢量力以使得完全展平构成透镜的互相面对的内部表面时，处于未加压状态的具有两个构成透镜的第二微距镜头的总光焦度可减少50％；处于未加压状态的具有三个构成透镜的第二微距镜头的总光焦度可减少约67％；并且，处于未加压状态的具有四个构成透镜的第二微距镜头的总光焦度可减少约75％。

例子IV：包含多个独立的多透镜子系统的微距镜头

图8A、图8B示出被构建为形成微距镜头的相关实施例1600，其中微距镜头被配置为作为压平构成实施例1600的透镜的表面的结果而提供大的光焦度变化。利用本实施例，可实现的光焦度变化的范围高达60屈光度。

系统1600的光学组包含于由外壳壳体1604限定的相同的圆柱体积1604A中，并且包含关于光轴1608共轴连结的透镜子系统1610、1620。根据本发明的想法，透镜子系统1610包括各自具有多个透镜的至少两个序列。透镜子系统中的一个的光焦度具有与另一子系统的光焦度的符号相反的符号。在实施例1600的特定例子中，子系统1610具有总的正光焦度，并且包括多个单独透镜(示为三个透镜1610A、1610B、1610C)，这些透镜中的至少两个具有在未加压状态下(即，在没有施加于这种多个透镜的轴向压力的情况下)在轴点处相互接触的相对表面。另一方面，子系统1620被示为整体地以及作为子系统具有负光焦度并且利用间隙1630与子系统1620分开的一组透镜1620A、1620B、1620C。透镜1620A、1620B、1620C中的至少两个具有在未加压的状态下在轴点处相互接触的表面。这种微距镜头的操作要求沿光轴1608施加几克的最小致动力；透镜1600在没有移动透镜或移动所使用的检测器元件(与这种透镜光学通信，未示出)的情况下获得20倍的光学变焦，以捕获图像。另外，可合理地完成约100微米的轴向透镜移动，以最大化透镜焦度变化的范围。在一个实施例中，仅有的诸如矢量力的驱动力影响被施加于子系统1610、1620，以i)致动微距镜头的变焦；ii)在检测器上聚焦图像。在操作尺寸方面，认识到根据本发明的原理构建的具有6mm的入射光瞳的20倍光学变焦镜头1600限定约拇指指甲大小(约7mm×10mm)的轴向足迹(表示微距镜头沿光轴1608投影到与光轴垂直的平面上的区域)，具有低至2.0的F数和在全变焦下范围从约40度到约12度的全视场(FOV)。

在一个实施例中，可致动在单独的透镜组1610、1620中的透镜，使得一组透镜的致动不连接或者影响另一组透镜的致动。例如，如图所示，可通过构建用于向系统1600的光学组施加轴向压力的构件为可一次一个地或者同时地在外壳壳体1604内单独地操作并且不相互干扰的两个活塞1670A和1670B的组合来实现它。(实践中，可例如通过均为“现货供应”可用的简单的压电晶体或压力致动器实现它。)

在一个实施例中，刚性外壳圆柱(盖子)1604和光学透明刚性致动气缸1670A、1670B由具有大于1000kPa的弹性模量的材料(例如，诸如聚甲基丙烯酸甲酯或者PMMA)制成。内部的、第一和第二子系统中的任意一个子系统中的单独透镜由比外壳和/或活塞的材料软得多的材料制成，材料诸如是具有0.1kPa～100kPa的弹性模量的硅树脂、丙烯酸或collamer(折射率的值大致在从1.3到1.5的范围内)。

透镜子系统1610是根据在本公开中讨论的原理配置的正的压平型透镜子系统，使得其折射力随着施加于子系统的透镜的轴向压力的增加而减小。在一个实现方式(在图8A中示出)中，第二透镜子系统(子系统1620)是在开普勒配置中的正透镜装置，其中，单独透镜1620A、1620B、1620C的表面之间的空间被空气填充。在相关的实施例(未示出)中，子系统1620是相对于子系统1610设置的在伽利略配置中的负透镜装置。(在子系统1620具有负光焦度并且与正子系统1610一起形成伽利略布置的这种负焦度子系统的实施例的特定情况下，子系统1620由被填充空间1673的高折射率流体而不是空气分开的正透镜形成。)利用活塞独立地操作第一和第二透镜子系统中的每一个的压缩以产生倍率并且在检测器(未示出)上聚焦图像。

内部的压平表面在刚性活塞元件与刚性盖子的一部分(诸如活塞1670A与部分1680；或者活塞1670B与部分1682)之间被压缩。内部的相互面对的单独透镜表面(相对表面)针对彼此地压平(展平)，以形成以光轴为中心的展平区域的演进，该展平区域具有依据矢量力的强度的渐进地更大的半径。随着表面在增加的直径上压平，透镜表面的这种曲率的变化导致渐进地否定这些表面对总透镜系统的焦度贡献。以类似的方式，负透镜系统与正系统具有相同的结构，除了透镜被诸如硅油(折射率为约1.5)的高折射率流体间隔开。

在一种特定的情况下，外壳部分1680、1682中的至少一个是环形的(被设计尺寸为使得直接相邻透镜的仅外周部分可与这种部分接触)。在另一特定情况下，当外壳由光学透明材料制成时，外壳壳体的部分1680、1682可被构建为跨着光轴和直接相邻透镜(在图8A的例子中，为透镜1610A、1620A)的通光孔径而横向延伸的实心部分。通过这样配置，外壳的识别部分可被整形为光学透镜自身并且被合理地设计尺寸以对微距镜头的总光学组做贡献。在这种特定的情况下，透镜1610A、1620A可以分别与部分1680、1682物理接触。透镜1610A、1620A的入射光面对表面形成关于光轴对称的展平区域(被压平)，其中压平区域的半径依据活塞1670A、1670B从它们对应于透镜的未加压状态的初始位置沿轴1608的增加的单向重定位而渐进地增加。外壳的识别的部分的这种特定配置允许利用由于将作为相应的透镜的组中的外表面的以及否则根本不会被使用的透镜表面压平而引起的总微距镜头的光焦度的另外的改变。

子系统1610、1620中的至少一个内的内部相对透镜表面中的至少一个被整形为限定例如扁长非球面表面，使得机械压缩(开始于矢量力被轴向地施加于子系统的透镜以限定其中的应力的时刻，在表面的顶点处)随着相对表面压平，增加表面的曲率半径和界面的球度，以及最小化给定压平表面的展平部分(以轴1608为中心)与这种表面的周围的外周部分之间的过渡的不连续性以及相关的光学像差。变化材料、厚度和透镜表面曲率，使得串联表面的渐进的“步进”压平在透镜焦度的整个幅度上接近球面透镜。透镜材料用作与致动压力的减小成比例地逆转透镜的致动的弹簧。

图9A提供对于在伽利略配置中串联设置以产生最高10倍的光学倍率的前部子系统和后部子系统1620A、1620B中的每一个的可变透镜焦度的曲线图。依据利用6mm直径前部透镜子系统1610的建模限定可变焦度曲线；透镜1610A停抵在外壳的部分1680上。透镜1620的直径也被选择为6mm。透镜1610的后表面(表面VI)与后透镜1620的前表面(表面VII)之间的分隔被选择为5mm。透镜1620A停抵在外壳的部分1682上。微距镜头1600至检测器的后焦距被定义为5mm。

图9B提供对于在开普勒配置中串联设置以产生最高20倍的光学倍率的前部和后部子系统1620A、1620B中的每一个的可变透镜焦度的曲线图。依据利用6mm直径前透镜子系统1610的Zemax^TM建模限定可变焦度曲率；透镜1610A停抵在外壳的部分1680上。透镜1620的直径也被选择为6mm。透镜1610的后表面(表面VI)与后透镜1620的前表面(表面VII)之间的分隔被选择为8mm。透镜1620A停抵在外壳的部分1682。微距镜头1600至检测器的后焦距被定义为5mm。

图10A和图10B例示在开普勒配置中由相对于彼此取向的正透镜子系统1610和负透镜子系统1620限定的微距镜头的操作参数。图10A例示未加压状态(其中，微距镜头1600的总有效焦距等于10mm)，而图10B例示加压状态，该加压状态源自子系统1610、1620中的至少一个的构成透镜中的至少一个的表面中的至少一个的轴向区域的展平。在这种加压状态中的微距镜头的有效焦距为42mm。(标记R、G、B指示在Zemax中设定的主要默认红色，绿色和蓝色波长处的光的透射。)图10A、图10B的数据示出在使子系统1610、1620之间的距离维持为常数且使微距镜头1600的最后(后)表面与像平面之间的分隔维持恒定时在该微距透镜组的光焦度改变的连续范围中的两个离散点处的倍率改变。

图11给出根据参照图8A、图8B在上面一般性讨论的开普勒或伽利略配置构建的实施例的操作方法的示意性流程图。通过在步骤1120处利用分别对应的多个外部压缩组件(例如，诸如活塞)轴向压缩多组的单独构成透镜中的至少一组(这些组中的每一个已在步骤1110中被预组装成得到的微距镜头的光学组)，启动实施例的操作。分别对应的活塞与微距镜头的外壳可操作地协作。

作为替代方案，通过在步骤1110处相对于彼此共轴地定位多个空间分开的单独构成透镜的组来初始化方法，以形成微距镜头。当多组透镜中的第一组被构建为具有正光焦度且多组透镜中的第二组被构建为具有负光焦度时，得到的微距镜头被构建为具有伽利略配置。当多组透镜中的第一组和第二组中的每一个具有对应的正光焦度时，得到的微距镜头被构建为具有伽利略配置。在步骤1110处形成微距镜头可包括通过将整体地具有正光焦度的一组透镜嵌入折射率超过制造这种透镜的材料的折射率的介质中来形成作为组整体地具有负光焦度的单独透镜的组。本发明的实施例的微距镜头的形成步骤包括使给定组的透镜中的多个透镜中的第一和第二透镜的表面相互协作，以在轴点处(即，在表面的顶点处，其中定点位于光轴上)建立这些表面之间的接触。

在一个实现方式中，相互接触表面中的至少一个可以是扁长非球面表面。(具体地，这种表面中的至少一个的直接接近光轴的一个空间限制部分具有由具有在-1～0的范围内的值的圆锥常数限定的形状)。在步骤1120处，改变微距镜头轭具的元件的操作状态以产生沿光轴施加于微距镜头的构成透镜的矢量力。操作状态的变化可包括例如位置的变化(在机械活塞或压缩器的情况下)、(施加于压电元件上的)电压的变化、压力的变化(在气动元件的情况下)。这样形成的矢量力被转移到系统的透镜，以改变系统的直接相邻透镜的互相面对表面的接触区域，导致在步骤1130处互相接触表面中的至少一个的曲率的改变。在特定的实施例中，展平的步骤可伴随这种表面中的至少一个的轴向部分的曲率的减小(1140)。可选地，在步骤1140处，当这样展平的表面是扁长非球面表面时，扁长非球面表面的轴向部分的曲率可被有意地比扁长非球面表面的外周部分(包围轴向部分)的曲率更多地改变。

因此，本领域技术人员应当理解，用于操作根据本发明的想法的微距镜头(至少具有第一和第二透镜)的方法一般包括(i)使入射在微距镜头的前表面上的光透射通过微距镜头的(在以光轴为中心的第一接触区域处相互接触的)两个表面，以形成第一图像，该第一接触区域具有第一表面面积；和(ii)以沿着光轴的第一方向相对于两个表面中的第二个轴向地重新定位两个表面中的第一个，以在两个表面中的第一个与第二个之间形成第二接触区域，第二接触区域具有第二表面面积，第一表面面积和第二表面面积相互不同。在特定的实现方式中，轴向重新定位的步骤在不改变第一和第二构成透镜的轴向位置的情况下被完成。该方法还包括以沿光轴的第二方向(与第一方向相对)相对于两个表面中的第二个轴向重新定位两个表面中的第一个，以在两个表面中的第一个与第二个之间形成第三接触区域，其中，第三接触区域具有第三表面面积(可选地，等于第一表面面积)。作为替代方案，或者，另外地，该方法包括从微距镜头外部的元件(例如第一和第二构成透镜中的至少一个的外周部分的外部)传递机械能量的步骤和/或使入射光透射通过具有第二接触区域的微距镜头以形成第二图像的步骤。方法还包括作为相对于两个表面中的第二个轴向重新定位两个表面的第一个的步骤的结果而改变两个表面中的第一个与第二个中的至少一个的圆锥常数的值的步骤和/或改变两个表面中的第一个与第二个中的至少一个的曲率的步骤。实际的重新定位的步骤可包括增加由两个表面中的一个表面沿光轴施加于两个表面中的所述另一个表面的矢量力以使得第二表面面积比第一表面面积更大，和/或展平具有两个表面中的第一个与第二个中的至少一个表面的顶点的表面以将第二接触区域限定为具有展平的表面。方法还可包括通过在两个表面中的第一个与第二个的顶点之间形成接触来限定第一接触区域，其中两个表面中的第一个的顶点是扁长非球面表面的顶点。在特定的情况下，当微距镜头包括与第一和第二透镜共轴设置并且与第一和第二透镜通过间隙分开的第三透镜时，方法另外包括使入射光透射通过这种第三透镜的表面并且展平该表面的一部分的步骤，该部分相对于光轴对称。

本领域技术人员很容易理解，根据本发明的微距镜头的想法，一个、两个或更多的单独的压平透镜元件被共轴定位于独立致动的活塞/气缸外壳布置中，该活塞/气缸外壳布置被设计尺寸以稳定和维持这些多个透镜元件的位置并且被构建为向分阶段的压平表面施加均匀的压力以诸如变化压平表面中的每一个中的压平区域的直径。响应于想要的输出(诸如微距镜头像差的减轻和/或焦距)，限定施加于压平型微距镜头系统的压力的量。活塞气缸外壳由通过透镜孔径的光学透明材料和沿外壳的“桶”的光吸收表面(例如，暗颜料)构成。构成可包括诸如刚性玻璃或丙烯酸(诸如PMMA)的材料。压平型透镜在前面被描述为具有非球面表面的机械软材料，以创建分阶段的压平。响应于改变的压力，分阶段地将透镜的表面的非球面性压平以及同心，使变形的像差最小化并且有助于利用微距镜头形成的图像的光学质量。以均匀的方式围绕活塞的凸缘环的周围(即，施加于微距镜头的外周部分或其部件)施加活塞压力。取决于构成透镜的和压平型透镜材料的刚度，可通过压电晶体、液压系统、伺服电动机或机械螺纹机构施加致动压力。各压平透镜组件可为正或负，并且被嵌入于(被包围在)环境介质中，该环境介质包括折射率或者高于或者低于制造压平型透镜的材料的折射率的流体。换句话说，给定压平型透镜的光焦度可响应于通过诸如活塞的外部元件施加于透镜的压力而增加或减小(即，与未加压状态相比，变得更正的或更负的)。

独立致动的透镜组件可被放置在一系列的两个或更多个的非平移透镜中，以创建放大系统和传感器/眼睛聚焦系统。在一种情况下，该系列的透镜被形成为失焦系统，其中该系列中的透镜的组具有共同的焦点。这种系列的透镜可被设计尺寸，以将透射通过该系列的光聚焦于相对于微距镜头的最后的透镜元件的想要的固定位置处的传感器上。微距镜头的第一和第二(或更多)构成透镜元件以及检测器或传感器在静止、固定的位置中操作，以产生诸如放大、聚焦和像差减轻的协作输出。

在本公开所附的权利要求书中陈述的本发明意在根据本公开被整体评价。公开的多个方面或者这些方面的多个部分可通过以上未列出的方式被组合。因此，本发明不应被视为限于所公开的实施例。