专利名称：变焦透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变焦透镜，其至少具有前透镜组和可控透镜组。
本发明还涉及包括这种变焦透镜的摄像机，以及包括这种摄像机的手提式设备。
常规的变焦透镜包括大量由例如玻璃或透明塑料的透明材料制成的固态透镜元件。这些透镜元件分为位于物侧的前透镜组、位于像侧的后透镜组以及位于前透镜组和后透镜组之间的可控透镜组。每个组可由一个或多个透镜元件组成。可控透镜的透镜元件可移动以进行变焦。变焦理解为表示通过改变变焦透镜的焦距来改变图像比例，即，选择成像的目标景物的尺寸。变焦透镜的最大设置是其中将目标景物的一小部分成像的摄远配置，和其中将目标景物的较大部分成像的广角配置。通过移动可控透镜组的透镜元件，可将变焦透镜设置在这两个极端配置之间和这两个配置之间的配置之间。
目前，在如移动电话的手提式装置中装入小型摄像机，因此出现了对用于这种摄像机的变焦透镜的需求。用于小型摄像机的变焦透镜的内置高度应适合于手提式装置中的可用空间。装入到移动电话的摄像机的内置高度是该摄像机图像传感器的前透镜元件和的后透镜元件之间的距离，该传感器将接收到的图像转换为电信号。这是因为前透镜元件应容纳在该装置的前表面中。这样，变焦透镜的光轴在装置的深度方向上延伸。移动电话或其他手提式装置的实际要求是其深度或厚度很小。具有变焦透镜的摄像机的内置高度主要由移动可控透镜组所需要的空间来决定。
除了变焦动作之外，还应该在变焦透镜中完成聚焦动作。聚焦理解为表示对于变焦透镜系统的每一个配置来说将选定的目标景物保持在焦点上。常规上，聚焦动作可以通过沿着变焦透镜的轴来回移动前透镜组或图像传感器来进行。这需要额外的空间，并且增大了变焦透镜的长度，因此增大了摄像机的内置高度。
如果在如小型变焦透镜的透镜系统中，透镜元件的数量尽可能的少，那么例如在变焦透镜的情况下可以在可控透镜组中包括全息光栅，以校正透镜元件的色散。对于入射到光栅上的自然光的不同波长来说，这种光栅的衍射角是不同的。这种波长依赖性可用于基本上校正该变焦透镜的透镜元件的波长依赖特性。如果不使用衍射光栅，那么必须使用附加的元件来校正透镜元件的色散。但是，这种光栅的衍射效率只对于一种波长是最佳的，对于其他波长则较低。这意味着不是所有所述其他波长的光都沿着所需方向偏转，从而导致由所述其他波长在图像传感器上形成附加的鬼像、模糊图像。因此损害了图像传感器上的图像对比度。
本发明的一个目的是提供一种变焦透镜，该变焦透镜具有小的内置高度，因此适合于小型摄像机，并有效地校正色散。该变焦透镜的特征在于可控透镜组包括两个透镜元件，这两个透镜元件由不同的透镜材料制成，并且可彼此相对移动。
将可控透镜的透镜功能分布到这两个透镜元件上，使该透镜执行两个附加功能。通过利用具有不同折射率的透镜材料可校正色散。使透镜元件彼此相对移动可进行聚焦，因此不需要额外的空间来移动前透镜组或图像传感器。通过移动整个可控透镜组来进行变焦。
变焦透镜的一个优选实施方案具有透镜光阑，其特征在于该透镜光阑设置在可控透镜组的第一透镜元件附近，并可与该透镜组一起移动。
透镜系统中的光阑是系统中最小的开口，由光圈形成。该光阑限制了成像光束的直径，并防止将杂散辐射或来自不需要的反射的辐射引入成像光束，同时防止降低图像的对比度。将该光阑设置在可控透镜组即可动透镜组附近，并且同时移动光阑与该透镜组，使该组的透镜元件的直径限制为近似于光阑孔径的直径。使用这种小透镜元件降低了虚光耦合到透镜系统中的机会。
变焦透镜系统中光阑的位置对于大大减小变焦透镜的内置高度的必要特征来说也非常重要。变焦透镜的实施方案包括这一特征，其特征在于其至少包括折叠式反射镜，该反射镜设置在前透镜组和可控透镜组之间。
变焦透镜的一种特别设计仅仅具有包括单个透镜元件的前透镜组和可控透镜，这种设计允许在前透镜组和可控透镜组之间形成足够的空间。具有折叠式反射镜的实施方案使得可将具有变焦透镜的摄像机的主要部分设置为与其中装有该摄像机的设备的主表面平行。
常规变焦透镜的设计不允许引入折叠式反射镜；在透镜之间没有足够的空间来放置折叠式反射镜。
注意，US6,339,508A公开了一种用于小型摄像机的变焦透镜，该小型摄像机装入到移动电话中，变焦透镜包括位于前透镜元件和可动透镜组之间的折叠式反射镜。该组包括数量较大的透镜元件。在该变焦透镜中，通过移动前透镜元件或后透镜元件进行聚焦，为此必须留出移动空间。
在一个实施方案中使尺寸进一步减小，该实施方案的特征在于其包括设置在可控透镜组后面的第二折叠式反射镜。
按照这种方式可以减小变焦透镜的轨迹长度，而基本上不会增大与该长度方向相垂直的方向上的尺寸。
US4,249,798A公开了一种用于袖珍摄像机的变焦透镜，该变焦透镜包括位于前透镜组和可动透镜组之间的第一折叠式反射镜，和位于可动透镜组和后透镜组之间的第二折叠式反射镜。前透镜组和后透镜组各包括两个透镜元件，可动透镜组包括四个透镜元件。透镜光阑设置在可动透镜组的第三和第四透镜元件之间。在该变焦透镜中，同样在可动透镜组的可动元件彼此相对移动时不执行聚焦。
变焦透镜的一个实施方案具有位于物侧部分的折叠式反射镜，其进一步的特征在于，该折叠式反射镜与前透镜组集成为一个整体。
按照这种方式，变焦透镜的元件数量减少了一个，从而降低了制造成本。
变焦透镜的另一个实施方案具有两个折叠式反射镜，其特征在于第一折叠式反射镜设置为其反射面的法线和光轴之间的角度大于45°。
因此，图像传感器可以更接近变焦透镜的光轴设置，因此可以进一步减小摄像机的总尺寸。
由于装入这种变焦透镜的摄像机与常规摄像机的区别在于本发明提供的这些特征，因此这种摄像机构成了本发明的一部分。
由于将这种摄像机装入到手提式装置提供了具有变焦功能的这样一种装置，因此，这样一种装置也构成了本发明的一部分。
通过非限制性实施例的方式，参考下文中描述的各个实施方案对本发明的这些和其他方面进行说明，使其更清楚。在图中
图1a和1b示出用于小型摄像机的变焦透镜的设计原理，以及该变焦透镜的摄远配置和广角配置各自的光线跟踪曲线图；图2a和2b示出根据本发明的变焦透镜的一个实施方案，以及该变焦透镜的摄远配置和广角配置各自的光线跟踪曲线图；图3a和3b示出具有第一折叠式反射镜的变焦透镜的实施方案和类似的光线跟踪曲线图；图4a和4b示出具有第一和第二折叠式反射镜的该变焦透镜的实施方案和类似的光线跟踪曲线图；图5a和5b示出具有两个折叠式反射镜的变焦透镜的另一实施方案；图6示出具有集成的折叠式反射镜和前透镜元件的变焦透镜；图7示出具有摄像机的移动电话，该摄像机包括根据本发明的变焦透镜，以及图8示出具有摄像机的膝上型计算机，该摄像机包括根据本发明的变焦透镜。
在图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图1a和1b示出用于小型摄像机1的变焦透镜10的基本设计。该摄像机具有CCD或CMOS图像传感器18和进行相关处理的电子设备(未示出)。摄像机必须非常小，使其能够装入到移动电话或其他手提式装置中。对于这种变焦透镜进行设置的要求主要由图像传感器的特征，如其尺寸和分辨率，以及所需的变焦系数来决定。实际上，传感器的对角线尺寸例如是3.36mm，决定分辨率的像素尺寸例如在5.6μm和4.2μm之间。变焦系数为2已经足够了。已经观察到，对于这样的应用，可将变焦透镜设计为仅仅具有两个透镜元件来成像。这些透镜是形成前透镜组的前透镜元件12和形成可控透镜组12的可动透镜元件14。透镜光阑16由设置在透镜元件14附近位于前透镜元件12一侧的光圈构成。该光圈限制成像光束的直径，并防止将杂散辐射或来自不需要的反射的辐射引入成像光束，同时防止降低传感器上形成的图像的对比度。这样一个光圈确保了对于所有成像光束部分来说光束直径都是相等的。变焦透镜的光轨迹，即前透镜元件的前表面与图像传感器的前表面(像平面)之间的距离例如可以是14mm这么小。
通过使透镜元件14连同光圈16沿着光轴OO′一起移动，改变该变焦透镜的焦距，从而进行变焦，即调整图像尺寸。
图1a示出变焦透镜的摄远配置的光线跟踪曲线图，其中对观看到的景物的小物体成像。图1b示出变焦透镜的广角配置的光线跟踪曲线图，其中对景物的大物体成像。
对于每种变焦配置来说为了保持图像聚焦在图像传感器上，除了变焦动作之外还需要聚焦动作。常规上，通过沿变焦透镜的光轴移动前透镜组或图像传感器来进行这种聚焦动作。应该为这种移动留出空间，结果使具有这种变焦透镜的摄像机的体积增大。
而且，该变焦透镜的透镜元件出现色散，即成像光束b的不同波长成分被这些透镜元件沿不同路径折射。为了使透镜元件的数量限制为最小，将全息光栅结合到该变焦透镜中，全息光栅将成像光束的不同波长成分沿不同路径衍射。该光栅和变焦透镜可以设计为通过该光栅的依赖波长的衍射来校正透镜元件的色散。但是，光栅的效率，即按所需衍射级衍射的辐射量与入射到光栅上的辐射量之比是依赖波长的。该光栅仅仅对于一个波长显示出最佳的衍射效率。对于其他波长，一部分辐射衍射为不需要的衍射级，导致图像传感器上的鬼像和模糊图像，因此导致图像传感器上形成的图像的对比度降低。
为了避免对比度的降低并且为了在进行聚焦时不移动前透镜组或图像传感器，本发明的变焦透镜包括由两个透镜元件构成的可控透镜组。图2a和2b示出这种变焦透镜20的第一实施方案。新型的可控透镜组由附图标记24表示，其透镜元件由25和26表示。透镜元件25可以是具有两个凸面的正透镜元件，透镜元件26可以是具有两个凹面的负透镜元件。透镜元件25和26由具有不同色散或阿贝数的不同透镜材料制成，使透镜元件之一校正另一个透镜元件的色散。例如，透镜元件25和26之一可由聚碳酸酯(PC)制成，而另一个透镜和前透镜元件可由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。这两种材料都是公知的光学材料。可替换的透明塑料，如环烯烃聚合物(COC)也可以用于这些透镜元件。
透镜元件25和26由单独的电动机来驱动，因此这些透镜元件可以独立地移动，该电动机本身是已知的，没有在图1a和1b中示出。执行聚焦时，透镜元件25和26彼此相对移动。执行变焦时，这些透镜元件同时沿相同的方向移动，并朝向和远离前透镜元件移动相同的距离，如图2a和2b中所示，图2a和图2b分别示出变焦透镜的摄远和广角配置。
如图2a和2b中所示，透镜光阑16设置在透镜元件25处，在变焦动作过程中，该光阑与透镜元件25和26沿着相同的方向同时移动，并经过与透镜元件25和26相同的距离。因为透镜光阑附近的透镜元件的直径可以与光阑孔径的直径大致相同，因此透镜元件的尺寸可以保持很小，从而没有虚光或有可忽略不计的虚光到达图像传感器。
图1a-2b中示出的变焦透镜设计使得可以将折叠式反射镜引入变焦透镜。在常规的变焦透镜设计中，透镜元件之间没有可供这种反射镜使用的足够空间。
图3a和3b示出变焦透镜30的一个实施方案，该变焦透镜具有设置在前透镜元件12和可控透镜组24的第一个透镜元件之间的折叠式反射镜32。来自目标景物的成像光束b垂直入射到前透镜元件12上。在光束穿过该元件之后，如果该反射镜相对于光束b的主光线成45°角放置，那么反射镜32将光束以90°角反射，即沿水平方向反射。其他元件透镜元件25和26以及图像传感器18都沿水平方向设置。该水平方向平行于装置的前表面，摄像机、即变焦透镜和图像传感器应该装入在该装置中。按照这种方式，摄像机的内置高度hc减小为反射镜32的高度和前透镜元件12的厚度之和。
变焦透镜中包括折叠式反射镜与通过包括具有两个可独立移动的透镜元件的可控透镜组相比，大大地减小了摄像机的内置高度。但是，已经具有折叠式反射镜的变焦透镜中包括这种透镜组允许在使用后者时可以减小摄像机的内置高度并使其高度不变。
如从图3a中清晰可见，该图示出变焦透镜的摄远配置的光线跟踪曲线图，在该配置中的透镜光阑16的位置非常靠近折叠式反射镜32。图3b示出变焦透镜的广角配置的光线跟踪曲线图。
向变焦透镜提供第二折叠式反射镜可进一步减小该变焦透镜的总尺寸。图4a和4b示出具有这种第二反射镜的变焦透镜的实施方案和分别在摄远配置和广角配置的光线跟踪曲线图。第二折叠式反射镜42置于可动透镜元件26和图像传感器18之间。如果该反射镜相对于来自透镜元件26的成像光束b的主光线成45°角设置，那么该反射镜以90°角反射该成像光束，即沿垂直方向反射，因此可将图像传感器设置在该方向上。按照这种方式，可以减小该变焦透镜在水平方向上的尺寸，因此减小摄像机在水平方向上的尺寸，而不会使垂直方向上的尺寸大大增加。现在这一尺寸，即内置高度是前透镜元件的前表面和图像传感器的前表面之间的距离。这一高度可以是3.7mm那么小。对于图像传感器及其封装可能需要例如1.5mm的一定额外尺寸。
向下反射光束的折叠式反射镜42可以用相对于反射镜42成90°角设置的折叠式反射镜来代替，从而向上反射光束。在这种情况下，图像传感器18可以与前透镜元件12设置在大致相同的高度处。
第二折叠式反射镜的优选项由图像传感器的厚度来决定。如果这个传感器(其封装足够小)或者如果传感器可以嵌入到印刷电路板(PCB)中，使PCB能够更接近该透镜元件设置，那么不需要第二反射镜。
第一折叠式反射镜的适当倾斜可以进一步减小变焦透镜和摄像机的内置高度。这种情况在图5a和5b中示出，该图分别示出该变焦透镜的这种改进实施方案50的摄远配置和广角配置的光线跟踪曲线图。第一折叠式反射镜12设置为成像光束b在该反射镜上的入射角θ大于45°。光束稍微偏离水平方向向上反射，第二折叠式反射镜42和图像传感器向上移动，使它们与前透镜元件12和第一反射镜32更大程度地成一直线。尽管图5a和5b示出变焦透镜具有单个可动透镜元件14，但是显而易见，也可以将具有适当倾斜的第一折叠式反射镜用在如图2a-4b中所示的变焦透镜中。
如图6中所示，第一折叠式反射镜可以与前透镜元件集成为反射镜透镜元件62。该元件具有相对于光束b的主光线成例如45°角设置的反射平面底面64，和形成该透镜元件的折射面的两个曲面66和68。按照这种方式，可减少变焦透镜的元件数量以及因此降低其制造成本。元件62的至少一个曲面可以是非球面，如用于上述变焦透镜实施方案的其他透镜元件的情况。
具有两个可动透镜元件并在图2a和2b中示出的新型变焦透镜的实际实施方案具有下面的特性摄远广角焦距 7.2mm 3.6mmF/数 5.9 4.0
视角对角线 26.8° 56°这种变焦透镜适合于与对角线尺寸为3.36mm并包括640×480像素的CCD或CMOS图像传感器协同工作，因此像素间距为4.2μm。
图7示出其中可使用本发明变焦透镜的手提式装置的一个实施例。在图7中该装置是以正视图示出的移动电话70。该移动电话具有将用户的语音作为数据输入的传声器72，输出通信对方的语音的扬声器74，以及发送和接收通信波的天线76。移动电话进一步包括输入拨号盘78和显示器80，用户通过输入拨号盘78输入数据，如要拨打的电话号码，显示器例如是液晶显示屏。该显示屏可用于显示通信对方或用户的照片，或者显示数据和图形。移动电话中包括数据处理单元(未示出)，用于处理输入数据和接收到的数据。
电话70具有小型摄像机82，该小型摄像机包括如上所述的变焦透镜，用于拍摄景物、图形或者传送给对方或用户的数据。在这种摄像机中，仅仅变焦透镜的前透镜元件12的入射面84是可见的。摄像机的其他元件，即可动透镜元件和图像传感器可以沿着垂直于电话前表面的线设置，即沿着与图7的图面相垂直的方向设置，前提是手机在该方向上的尺寸足够大。优选的是，该变焦透镜包括至少一个折叠式反射镜。这样，至少两个可动透镜元件沿着平行于电话前表面的线设置，那么可以相对薄一些。
变焦透镜的前透镜元件还可以设置在移动电话的后表面。如果该移动电话具有外壳或盖部分，那么变焦透镜可设置在该外壳中，前透镜元件可设置在该外壳的主表面中。
实施本发明的另一种手提式装置是配有小型摄像机的个人数字助理(PDA)。具有上述变焦透镜的这种摄像机可以按照与移动电话所述相同的方式设置在PDA中。
图8示出作为实施本发明的便携式装置的一个实施例的膝上型计算机(笔记本电脑)。膝上型计算机90包括基本部分92，其中安装了键盘95和处理器单元。盖部分96能够相对于基本部分转动，其包括显示器98和小型摄像机100。这种摄像机具有如上所述的变焦透镜，该摄像机可以按照与移动电话所述相同的方式设置在膝上型计算机中。
已经参考只包括前透镜元件和可控透镜组的变焦透镜对本发明做了描述，该变焦透镜拟用于具有小图像传感器的小型摄像机中，所述图像传感器具有中等像素间距或分辨率。用于具有其他类型图像传感器的摄像机的变焦透镜可具有后透镜元件以及具有不只一个透镜元件的前和/或后透镜组。本发明还可以用在这样一种类型的变焦透镜中。而且，本发明不仅可以用在如移动电话、个人数字助理、便携计算机和电子玩具之类的手提式装置的小型摄像机中，或者用在便携装置的小型摄像机中，而且还可以用在其他类型的嵌入式摄像机中。本发明还可以用在非嵌入式摄像机中，如台式计算机的摄像机，内部通信系统的摄像机，以及袖珍和其他尺寸的摄像机，例如数字摄像机中。摄像机可以是静止图像(照片)摄像机或者摄像机。对于本发明来说，摄像机使用胶片还是电子传感器，例如CCD传感器或CMOS传感器是无关紧要的。
权利要求
1.一种变焦透镜，其至少具有前透镜组和可控透镜组，其特征在于可控透镜组包括两个透镜元件，这两个透镜元件由不同的透镜材料制成，并可以彼此相对移动。
2.根据权利要求1所述的变焦透镜，具有透镜光阑，其特征在于该透镜光阑放置在可控透镜组的第一透镜元件附近，并可以与该透镜组一起移动。
3.根据权利要求1或2所述的变焦透镜，其特征在于其包括置于前透镜组和可控透镜组之间的折叠式反射镜。
4.根据权利要求3所述的变焦透镜，其特征在于其包括置于可控透镜组后面的第二折叠式反射镜。
5.根据权利要求3所述的变焦透镜，其特征在于该折叠式反射镜与前透镜组集成为一整体。
6.根据权利要求4所述的变焦透镜，其特征在于该折叠式反射镜设置为其反射面的法线与前透镜组的光轴之间的角度大于45°。
7.一种摄像机，包括如权利要求1至6中任一项所述的变焦透镜。
8.一种手提式装置，包括输入装置、信息处理装置、显示装置以及如权利要求7所述的摄像机。
全文摘要
在变焦透镜(30)中，从物侧到像侧包括前透镜组(12)和可控透镜组(24)，该可控透镜组包括两个透镜元件(25，26)，这两个透镜元件具有不同色散并可彼此相对移动以执行聚焦动作。透镜元件之一校正变焦透镜的色散。优选的是，该变焦透镜包括至少一个折叠式反射镜。
文档编号H04M1/02GK1711492SQ200380102948
公开日2005年12月21日 申请日期2003年10月31日 优先权日2002年11月11日
发明者W·G·奥普海伊 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司