微型光学变焦镜头的制作方法
【专利说明】微型光学变焦镜头
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本专利文件要求于2012年11月8日提交的、名称为“INTEGRATED ELASTICSUSPENS1N PLATFORM WITH OPTICAL COMPONENTS (带有光学组件的集成弹性悬挂平台)”的美国临时专利申请N0.61/724,221以及于2013年9月5日提交的、名称为“MINIATUREOPTICAL ZOOM LENS (微型光学变焦镜头)”的美国临时专利申请N0.61/874，333的优先权益。上述申请的全部内容通过引用合并为本专利文件的公开内容的一部分。
【背景技术】
[0003]本公开涉及光学系统及其制造方法，更具体地，涉及变焦镜头系统及其制造方法。
[0004]光学系统中的组件的对准是实现最佳系统性能和理想图像质量的重要因素。例如在各种手持式设备(比如，手机和手持式相机)中使用的小型光学系统的激增由于这样的设备内的光学组件的小的尺寸而给对准公差带来了额外的挑战。正因如此，存在提升光学系统中的组件的对准以在实现最佳性能的同时最小化系统的整体形状因子的需求。此外，最小化例如消费者设备(比如，手机和手持式相机)中使用的光学系统的尺寸是势在必行的。
【发明内容】
[0005]所公开的实施例涉及用于改善光学系统内的光学组件的对准的系统及方法。所公开的实施例进一步涉及微型变焦镜头系统及其制造和组装方法，这些方法允许以简化的方式生产小型镜头系统。在一些不例性实施例中，所公开的实施例被用于对准光学系统的可变焦距透镜，以减小系统的总体尺寸同时优化其性能。
[0006]在具有移动光学组件的系统(例如，变焦镜头系统)中，光学组件的对准由于其移动性而变得复杂。在一些系统中，光学组件仅沿光轴(即，沿z轴)移动，使得沿光轴的对准尤其重要。作为另一选择或另外，在一些系统中(例如，在阿尔瓦雷兹透镜(Alvarez lens)配置中)，光学组件能够垂直于光轴移动，这使得在多个维度中恰当地对准各元件更具挑战性。在其中使用具有非球面或自由曲面的组件的系统中，由于这样的组件可能不具有对称轴，因而对准问题会进一步加剧。
[0007]所公开的实施例试图提供以下方法及系统，所述方法及系统为了使光路长度最小化同时保持这样的光学系统所捕获的图像的质量，通过使光学组件在沿z轴(S卩，光轴)和垂直于z轴的两个方向移动来恰当地对准这些光学组件。通过使用自有曲面透镜(例如，阿尔瓦雷兹(Alvarez lens)透镜)，除使透镜及其他光学组件沿z轴移动之外，通过相对于z轴成直角地致动透镜，在小空间中实现图像的最佳聚焦和变焦也是可能的。
[0008]光路长度的减小会使光学系统的总尺寸减小，这是因为运送图像通过系统的透镜所需的空间较小。正因如此，根据所公开的实施例的微型光学系统中透镜元件的最佳对准会使使用这种系统的装置(例如，手机和数码相机)具有更小的光学系统。这种光学系统尺寸的减小允许这样的装置有更多空间来容纳其他组件(例如，电池和处理器)，或者允许它们一起实现尺寸的总体减小。随着这些装置变得愈来愈小，对关键技术组件的微型化的需求对于维持制造及出售这样的装置的那些企业的竞争优势而言是至关重要的。
[0009]所公开的实施例的一个方面涉及一种集成光学装置，该装置包括:使用第一工艺制作而成的弹性悬置固定件，以及集成至该弹性悬置固定件内的光学元件。该光学元件是使用第二工艺制作而成的。在一个示例性实施例中，该第一工艺包括如下工艺中的一种:注射模制工艺、模内装饰(in-mold decorat1n)工艺、热冲压工艺、金属冲压工艺、微加工工艺(生产基于芯片的模具)、或插入模制工艺。在另一示例性实施例中，该第二工艺包括如下工艺中的一种:注射模制工艺、由模具进行铸造的工艺(casting from a moldprocess)、热冲压工艺、金属冲压工艺、微加工工艺(生产基于芯片的模具)、或插入模制工
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[0010]根据一个示例性实施例，该集成光学装置还包括如下各项中的一项或多项:框架、一个或多个对准结构、被配置移动该光学元件的位置的致动器、一个或多个附加光学元件、一个或多个附加弹性元件以及一个或多个刚性元件。在另一示例性实施例中，该弹性固定件被配置为允许光学元件在一个或多个方向上移动。在另一示例性实施例中，该弹性固定件被配置为允许光学元件在三个维度上移动。
[0011]在一个示例性实施例中，该集成光学装置还包括致动器，该致动器被配置为移动该弹性固定件的位置，并由此移动光学元件的位置。在另一实例性实施例中，该光学组件包括如下表面中的至少一项:球面、非球面、或自由曲面。
[0012]所公开的实施例的另一方面涉及一种包括上述集成光学装置的变焦镜头。所公开的实施例的另一方面涉及一种包括上述集成光学装置的手持式电子装置。
[0013]所公开的实施例的另一方面涉及一种用于制造集成光学装置的方法，该方法包括:获得第一模具，该第一模具的结构被构造为形成弹性悬置固定件；注射第一注射材料至该第一模具中；以及将第二模具放置为与第一模具和该第一模具内的第一注射材料相接触，其中该第二模具的结构被构造为形成光学元件。该方法还包括:注射第二注射材料至该第二模具中；移除该第二模具；以及移除该第一模具，以获得其上集成有光学元件的弹性悬置固定件。
[0014]在一个示例性实施例中，该第一注射材料包括第一聚合物，该第一聚合物适合于形成该弹性悬置固定件，且该第二注射材料包括聚合物，该聚合物适于形成该光学元件。在另一示例性实施例中，该方法还包括:使用精密机械加工工具来精制该集成光学装置的结构。在另一示例性实施例中，该方法还包括在移除该第一模具之前:将第三模具放置为与该第一模具和第一注射材料相接触，其中该第三模具的结构被构造为形成附加元件；以及注射第三注射材料至该第三模具中。
[0015]根据另一示例性实施例，该附加元件系为如下各项中的一项:附加光学元件、附加弹性固定件、或刚性固定件。在一个示例性实施例中，该附加元件为对准固定件。在另一示例性实施例中，该集成光学装置中的元件是根据介于I微米至5微米之间的公差被定位的。在另一示例性实施例中，该第三注射材料为与该第一注射材料和该第二注射材料中的一者相同的材料。
[0016]在一个示例性实施例中，该第一模具的结构被进一步构造为包括用于放置致动机构的沟槽。在另一示例性实施例中，上述方法还包括将金属框架集成到弹性悬置固定件中。在另一示例性实施例中，该金属框架是使用金属冲压技术形成的。
[0017]所公开的实施例的另一方面涉及一种用于制造集成光学装置的方法，该方法包括:获得第一模具，该第一模具的结构被构造为形成弹性悬置固定件和光学元件；注射第一注射材料至该第一模具中；注射第二注射材料至该第一模具中；以及移除该第一模具，以获得其上集成有光学元件的弹性悬置固定件。
[0018]所公开的实施例的另一方面涉及一种用于制造集成光学装置的方法，该方法包括:获得模具，该模具的结构被构造为形成弹性悬置固定件和容纳光学元件；将该光学元件放置于该模具中；注射第一注射材料至该模具中，以形成弹性悬置固定件；以及移除该模具，以获得其上集成有光学元件的弹性悬置固定件。在一个示例性实施例中，在将该光学元件放置于该模具中之前，该光学元件由模具铸造而成。
[0019]所公开的实施例的另一方面涉及一种微型变焦镜头系统，其包括:第一棱镜，该第一棱镜被定位为通过该第一棱镜的第一面来从该微型镜头系统的入口接收入射光，并在允许所接收到的光从该第一棱镜的第二面出射之前，使所接收到的光弯折约90度；以及至少第一可变焦距透镜，该第一可变焦距透镜被定位为接收从该棱镜的第二面出射的光。该微型变焦镜头系统还包括至少一个基准透镜(base lens)，该基准透镜被定位为在该光穿过该第一可变焦距透镜的后接收该光；检测器，该检测器被定位为在光穿过该基准透镜之后接收该光；以及第一致动器，该第一致动器被配置为使该第一可变焦距透镜在至少一个方向上移动，该至少一个方向垂直于穿过该第一可变焦距透镜的光的传播轴线。
[0020]在一个示例性实施例中，该第一棱镜的至少一个面具有一自由曲面表面。在另一示例性实施例中，该第一可变焦距透镜是如下各项中的一项?廉晶透镜、液态透镜、或类阿尔瓦雷兹透镜。在另一示例性实施例中，该检测器包括互补金属氧化物半导体(CMOS)。在另一示例性实施例中，该第一致动器包括线圈或磁铁中的一项。在另一示例性实施例中，上述微型变焦镜头系统包括结构平台，以允许如下各项中的一项被直接模制在该结构平台上、被制造在该结构平台上、或与该结构平台相集成:第一棱镜、第二棱镜、第一可变焦距透镜、或第二可变焦距透镜。在一个实例性实施例中，该结构平台包括弹簧挠曲元件。在另一示例性实施例中，该结构平台包括框架和臂。
[0021]根据另一示例性实施例，该结构平台框架包括引线框架金属结构，该引线框架金属结构是如下各项中的一项或多项:金属冲压结构、激光切割结构、碾磨结构、蚀刻结构、或模制结构。在这样的示例性实施例中，该臂被模制在该引线框架结构上，且第一棱镜、第二棱镜、第一可变焦距透镜、或第二可变焦距透镜中的一个或多个被模制在该引线框架上。
[0022]在一个示例性实施例中，具有预成型透镜元件的晶圆级光学元件被结合至该平台。在另一示例性实施例中，该第一致动器是具有双向驱动的音圈致动器。在另一示例性实施例中，该微型变焦镜头系统还包括第二致动器，该第二致动器被配置为使该微型变焦镜头系统内除第一可变焦距透镜之外的光学组件移动。在另一示例性实施例中，该第