透镜系统的制作方法
【专利摘要】透镜系统。一种光学系统包括第一可形变透镜，第一可形变透镜包括具有形变部分的膜。传感器被设置为接收由第一可形变透镜聚焦的光。光路经由第一形变透镜延伸至传感器。根据所施加的电信号对第一可形变透镜进行调节，以将穿过光路的光直接聚焦到传感器上。所述膜的可形变部分至少部分地限定了第一体积的第一光介质和第二体积的第二光介质。第一体积和第二体积完全被壳体包住。第一体积和第二体积对于第一可形变透镜的所有结构都是基本上不变的。
【专利说明】透镜系统
[0001]本申请是原案申请号为201080020812.2的发明专利申请(国际申请号:PCT/EP2010/053025，申请日；2010年3月10日，发明名称:透镜系统)的分案申请。
[0002]根据35U.S.C.§ 119(e)，本发明享有2009年3月13日提交的N0.61/160，012的题为“Zoom Lens System and Method”的美国临时申请的优先权,并在此全文引入作为参考。
【技术领域】
[0003]本发明涉及透镜以及操作透镜的方法。
【背景技术】
[0004]目前存在运用不同工作原理的多种形式的光学系统。例如，无焦透镜(afocallens)不具备聚焦能力并且将一个光束直径的平行光转换为另一个直径的平行光。通过在无焦系统后加入单独的聚焦透镜，就创建了齐焦透镜(parfocal lens)。在传统的变焦镜头系统中，仅需前后移动无焦部分的透镜元件就能获得变焦效果，同时保持聚焦镜头静止。因此，当变焦倍率/焦距长度改变时，齐焦透镜保持对焦(in focus)。
[0005]在另一种方法中，可变焦距透镜系统有时应用于目前的光学系统中。可变焦距系统不是基于将一个光束直径的平行光转变为另一个光束直径的平行光。而是第一可轴向移动的聚焦透镜使光朝着第二或者第三透镜(是聚焦透镜)汇聚或者发散。为了在像平面总是获得清晰的像，聚焦透镜不能保持静止，必须是轴向可移动的或者焦距可调的。因此，当放大率/焦距长度改变时，可变焦距透镜调整最终聚焦透镜的位置或者形状。
[0006]无论使用哪种方法，传统的变焦镜头都体积大、价格昂贵、容易出现材料磨损，因为多个光学元件不得不通过使用电动的平动台(translat1n stage)相对于其他元件作轴向移动。由于这种透镜的工作原理和操作，对它们进行小型化从而用在在手机、医疗内窥镜或空间狭小的其他设备中的潜力是有限的。
[0007]为了克服以前系统中出现的上述缺陷，将使用焦距可调透镜来取代轴向移动的、固定的不可形变的透镜。在这些以前的系统中，透镜的形状被改变，以改变焦距长度等透镜的光学性质。
[0008]不幸的是，这些以前的方法仍然有一些缺点。更具体地说，由于所选的变焦原理(比如无焦点/齐焦点系统)，或者因为不具备足够调节范围的可形变透镜(比如电润湿透镜或者液晶透镜)的构成或工作原理，这些方法在充分减小轴向长度同时在传感器上产生高变焦因子以及充分大的图像尺寸的潜力是有限的。因此，这些以前系统中的缺点限制了它们的应用，并且采用这些以前的方法也不能让用户满意。
【发明内容】
[0009]变焦透镜提供了可形变的透镜，克服了传统变焦透镜和使用可形变透镜的传统方法中的缺点。这里的可形变透镜，举几个例子，至少部分地由一个元件来调节，比如静电致动器、电磁致动器、压电致动器、磁致伸缩致动器、步进电机或电活性聚合物致动器，这些元件可以提供更大的焦距调节范围。此外，本文给出的变焦透镜采用了变焦距操作原理，而不是无焦点/齐焦点原理。在本发明的一个实施例中，使用单个焦距可调透镜作为单个自动聚焦元件。
[0010]在许多实施方式中，包括第一可形变透镜的紧凑型变焦透镜由具有可形变部分的膜和填充材料构成。在这些方法中，形变至少部分地通过元件来实现，比如，静电致动器、电磁致动器、磁致伸缩致动器、压电电机、步进电机和电活性聚合物致动器。
[0011]该透镜还可包括一个静态发散透镜，其曲率半径提供了传感器上的图像的足够放大。例如，半径可大约为1.5毫米，从而提供很强的负聚焦能力。该透镜进一步包括第二可形变透镜，第二可形变透镜由具有可形变部分的膜和填充材料构成，并充当变焦元件将来自不同场角的光线转变为传感器上的希望图像尺寸。此外，该透镜包括传感器(比如传感器芯片)，其感测由光学系统形成的像。通过这样的配置，该透镜表现出了可形变透镜的特性并且具有很宽的调节范围。此外，该透镜遵循光学系统的变焦距工作原理，而不是无焦点/齐焦点工作原理(也就是，第二可形变透镜充当直接将光线聚焦到传感器芯片上的聚焦元件)。
[0012]在其他实施方式中，变焦透镜包括用来校正单个透镜或者整个光学系统的单色像差的透镜元件或者一个或更多个相位板。在一些实施例中，消色差元件被放置在第二可形变透镜的前面或者后面以校正色差。在另一些实施例中，场补偿致平透镜被放置在第二可形变透镜后面以校正光学系统的场曲。
[0013]在另外一些实施例中，提供了一种光学系统，其仅包含第一可形变透镜并且由具有可形变部分的膜和填充材料构成。另选地，第一可形变透镜的光学特性可由元件来调节以形成自动聚焦元件，这些元件例如是静电致动器、电磁致动器、磁致伸缩致动器、压电电机、步进电机或者电活性聚合物致动器。无论采用哪种方法，来自不同物距光束都被清晰地聚焦在传感器上。用来校正单色像差的校正透镜或者相位板也可以应用在这些方法中。
[0014]因此，本发明采用两个(或者更多)可形变透镜和一定数量的固定的、不可形变的光学元件一起构成了一种非常紧凑的变焦距系统。可调节透镜由具有可形变部分的膜和填充材料构成，并且形变至少部分地由元件来实现，所述元件例如是静电致动器、电磁致动器、磁致伸缩致动器、压电电机、步进电机或电活性聚合物致动器。经过如此的配置，它们能够提供非常宽的调节范围，优于其他透镜调节技术，比如电润湿或者液晶。此外，用于校正单色像差的校正透镜元件或者相位板可以与用在变焦透镜中的可形变透镜结合使用。
[0015]如前所述并与已有变焦系统对比，这里描述的变焦透镜并不遵循无焦点/齐焦原理，这种工作原理占用空间并且需要大量的光学元件。相反，透镜和配置有这些透镜的系统遵循变焦距工作原理，以大幅减小轴向长度和用于变焦的光学元件的数量。一般来说，举个例子，第一可形变透镜产生了各种角度的发散光束，而第二可形变透镜充当直接将这些光聚焦到传感器上的聚焦元件。
[0016]相比于变焦距工作原理，无焦透镜不具有聚焦能力，而是将具有一光直径的平行光线转变为具有另一直径的平行光线。通过在无焦系统或者元件后面增加单个聚焦透镜，形成了齐焦透镜。在以前的变焦系统中，只移动无焦部分的透镜元件来得到变焦效果，而聚焦透镜能够保持在固定的位置。也就是说，齐焦透镜是在放大率/焦距改变时保持对焦的透镜。
[0017]变焦距透镜系统并不是基于将平行光线从一个直径变为另一个直径。为了在传感器上总是能够获得清晰的像，聚焦透镜不是静止的。也就是说，当放大率/焦距改变时，变焦透镜调整最终聚焦透镜的位置或者形状。换句话说，变焦距透镜是不固定焦距的，焦点随着焦距而改变。
[0018]在许多实施方式中，一种光学系统包括第一可形变透镜、传感器和光路。第一可形变透镜包括具有形变部分的膜。传感器被配置成接收被第一可形变透镜聚焦的光，光路经过第一可形变透镜到达传感器。第一可形变透镜根据所施加的电信号来调节以便将穿过该光路的光直接聚焦至传感器上。第一体积的第一光介质和第二体积的第二光介质至少部分地被膜的可形变部分所限定，第一体积和第二体积完全被壳体围住。第一体积和第二体积对于第一可形变透镜的所有配置均保持基本不变。
[0019]在一些方面，第一可形变透镜通过一个元件至少部分地形变，所述元件例如是静电致动器、电磁致动器、磁致伸缩致动器、压电电机、步进电机或电活性聚合物致动器。
[0020]在另一些方面，第二可形变透镜被设置在所述光路上。第二可形变透镜和第一可形变透镜一起将穿过所述光路的光聚焦至传感器上。在一些实施例中，第一和第二可形变透镜根据所施加的电信号来调节以根据变焦操作直接将穿过光路的光聚焦至传感器上。在另一实施例中，第一可形变透镜和第二可形变透镜至少部分地通过一个元件被调节，所述元件例如是静电致动器、电磁致动器、磁致伸缩致动器、压电电机、步进电机和电活性聚合物致动器。也可以是其他致动器元件。
[0021 ] 在一些实施例中，第一可形变透镜被配置为从凹形变为凸形。在另一些实施例中，第二可形变透镜被配置为从凸形变为凹形。
[0022]也可以使用校正性的固定透镜元件，并且校正性的固定透镜元件与第一可调焦透镜构成一体，并且校正性的固定透镜与可形变透镜的可形变材料接触，并且被配置为校正单色像差或者多色像差。在一些方式中，校正性的固定透镜元件由刚性材料(比如玻璃或者聚碳酸酯或者PMMA或者环烷聚酯或者共聚物)构成。在一些实施例中，在两个可形变透镜中间设置了孔径光阑。在另一些方式中，孔径光阑被设置在第一可形变透镜的内部。
[0023]在一些方面，固定的不可形变透镜被设置在所述光路上。固定的不可形变透镜由刚性材料构成，并且固定的不可形变透镜被配置为校正单色或球面像差。
[0024]在另一些方面，至少一个固定的不可形变透镜被设置在所述光路上。固定的不可形变透镜由刚性材料构成，并且固定的不可形变透镜被配置为校正多色像差。
[0025]在另外一些实施例中，校正透镜设置在所述光路。校正透镜由刚性材料(比如玻璃或者聚碳酸酯或者PMMA或者环烷聚酯或者共聚物)构成，并且校正透镜被设置在最靠近传感器的可形变透镜与传感器之间。
[0026]在一些方式中，该光学系统的总轴向长度减小到了值L从而该透镜能够对于对角长度为d、比率r = L/(k*d)的图像传感器产生变焦因数k。比率R小于大约0.7，此时产生的图像尺寸以充分变焦的状态完全照亮了传感器。
[0027]致动信号也可以有多种来源。比如，致动信号可以是人工生成的信号或者自动生成的信号。
[0028]在其他一些实施方式中，一种透镜系统包括第一可形变透镜、校正光学元件、传感器和光路。第一可形变透镜包括填充材料，校正光学元件接触该填充材料。传感器被配置为接收被第一可形变透镜聚焦的光。光路经过第一可形变透镜和校正元件到达传感器。第一可形变透镜根据所施加的人工或者自动电信号来调节，以便将穿过光路的光直接聚焦至传感器上，并且校正元件调节穿过光路的光的至少一个特性。
[0029]第一可形变透镜可以通过一个元件来至少部分地被调节，所述元件例如是静电致动器、电磁致动器、压电电机、磁致伸缩致动器、步进电机和电活性聚合物致动器。也可以是其他致动元件。
[0030]在其他实施例中，第二可形变透镜设置在光路上，第二可形变透镜与第一可调节透镜一起将穿过光路的光聚焦至传感器上。在许多实施例中，第一可形变透镜和第二可形变透镜通过一个元件至少部分地被调节，所述元件例如是静电致动器、电磁致动器、压电电机、磁致伸缩致动器、步进电机和电活性聚合物致动器。
[0031]在其他方面，被校正光学元件和填充材料限定的界面在光通过的地方不存在屈折点(inflect1n point)。通常不希望在这些元件上出现屈折点，因为这和温度敏感度相关。如果光学表面存在屈折点，则当温度(作为对折射率差的增强敏感度而)偏离设计温度时，填充材料与校正透镜元件之间的界面中的任何超过二(二次的)的附加表面级数都会导致像质的急剧下降。消除所有的屈折点就能消除或者基本上消除这些问题。
[0032]这里所说的校正透镜包括被构造成某种形状的前表面和后表面。形状可以是很多种形状，比如球面或者非球面形状，或者可以由高阶多项式来描述，得到例如具有非球面系数级数等于或者大于大约4的m形状,或者具有非球面系数级数等于或者大于大约4的w形状。也可以是其他形状。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]为了更好地理解本发明，参考以下详细描述和附图，其中:
[0034]图1A和IB包括根据本发明原理的透镜系统的图；
[0035]图2A和2B包括根据本发明原理的变焦透镜系统的框图；
[0036]图3包括根据本发明原理的透镜系统的图；
[0037]图4A、4B、4C和4D是根据本发明多种实施方式的透镜系统的图；
[0038]图5A、5B、5C和包括根据本发明多种实施方式的透镜系统的图；
[0039]图6A和6B包括根据本发明多种实施方式的透镜系统的图；
[0040]图7A、7B、7C、7D、7E和7F包括根据本发明多种实施方式的透镜系统的图；
[0041]图8A和8B包括根据本发明多种实施方式的透镜系统的图；
[0042]图9包括根据本发明多种实施方式的透镜系统的图。
[0043]在一些具有相同或者相似元件的相关附图中，为清楚起见,没有标出一些元件。本领域技术人员会理解这些简化了的附图中的元件。还应理解，一些操作和/或步骤可描述或描绘为按照特定的顺序发生，同时本领域技术人员实际上并不需要知道顺序也会理解这种特殊性。还应理解，这里使用的词语和表达方式具有通常的意义，与相关领域的词汇的表达方式是一致的，除非在本文中提前说明了具有特殊的含义。
【具体实施方式】
[0044]现在参照附图特别是图1A来描述在不变焦的广角状态下(比如变焦因数=I)的变焦透镜。第一可形变透镜101被表示为低聚焦能力的状态。第一相位板或者校正透镜元件102可选地用来校正透镜的单色像差(比如球面像差)或者色差。透镜组103包括一个或更多个固定的可形变透镜，起到支持随后的第二可形变透镜104的变焦功能的作用，并且用来消除诸如球面像差的单色像差或者色差。
[0045]第二可形变透镜104处于高聚焦能力状态，遵循变焦距工作原理将光聚焦到图像传感器107上。第二相位板或者校正透镜元件105用来校正单色像差或者多色像差。场补偿致平透镜106用来校正光学系统的像场弯曲。像最终形成在图像传感器107上。在一些实施例中，可以省略校正透镜或者透镜组103或106，或者采用另外的校正元件。
[0046]第一可形变透镜101和第二可形变透镜104的形状可以通过采用元件来改变，比如静电致动器、电磁致动器、压电电机、磁致伸缩致动器、步进电机和电活性聚合物致动器。
[0047]可形变透镜101被第一电压或者电流控制元件108在接收到来自自动或者人工操作的输入信号的情况下进行电流或者电压控制。自动操作也许是自动聚焦算法。自动聚焦算法是提供对像进行自动聚焦的输入的任意类型的算法。这种自动聚焦算法是本领域技术人员熟知的，将不会在此进行描述。第二可形变透镜104被第二电压或者电流控制元件109在接收到来自自动或者人工操作的输入信号的情况下进行电流或者电压控制。
[0048]在此描述的任意一个可调节或者可形变透镜都能根据在题为“Lens AssemblySystem and Method”、代理人案卷号为97372并且在与本申请的同一天申请的申请中所描述的方法来调节，该申请的内容在此全文引入。也可以采用其他的调节方法。
[0049]图像传感器107可以是任何类型的感测装置。可以采用基于C⑶或者CMOS技术的任何图像传感器。这种图像传感器典型地应用在任何数字相机或者手机相机中，并且它们具有多种像素数量，比如300万像素或者1200万像素。图像传感器的一个例子是Omnivis1n Inc.0V56301/3.2” 500万像素传感器。也可以采用其他图像传感器技术和/或感测芯片。
[0050]现在参照图1B来描述如图1中的同样的变焦透镜处于充分变焦的长焦状态(变焦因数大于约2.5)。如图所示，第一可形变透镜101处于高聚焦能力状态，而第二可形变透镜104处于低甚至负聚焦能力状态，以将光束聚焦到图像传感器107上。
[0051]如图1A中的实施例，因为采用元件(比如静电致动器、电磁致动器、磁致伸缩致动器、压电电机、步进电机和电活性聚合物致动器)实现了表面形变，所以第一可形变透镜101和第二可形变透镜104改变了形状。如图1A中的例子，增大电流或者电压会增大或者减小透镜的聚焦能力。为了实现变焦，用户可以按下按钮，开始改变第二可形变透镜的形状(比如，通过向透镜施加电压或者电流)，同时第一可形变透镜被自动聚焦算法自动调整，如本文其他部分描述的一样。
[0052]如图1A的实施例，可形变透镜101被第一电压或者电流控制元件108在接收到来自自动或者人工操作的输入信号的情况下进行电流或者电压控制。第二可形变透镜104被带有来自自动或者人工操作的输入信号的第二电压或者电流控制元件109通过电流或者电压控制。自动聚焦算法是任何一种能够对透镜进行聚焦调整的算法，并且提供输入信号到第一电压或者电流控制元件108或者到第二电压或者电流控制元件109以指示这些调整。电压或者电流控制元件108调整其电压或电流，由此来改变透镜101的光学特性，从而使像自动聚焦。第一电压或者电流控制元件108和第二电压或者电流控制元件109是模拟或者数字电子元件的任意组合，其接收输入信号(比如，用户输入或者来自自动聚焦算法的信号)并且使用这个信号直接地或者间接地调整第一可形变透镜101或者第二可形变透镜104的形状。
[0053]更具体来讲，透镜的形状能够根据多种方式进行调节。除了本文描述的方式外，也可以采用其他的方式。在一个实施例中，电压或电流控制元件可以接收电压和电流，并且基于所接收到的电压或电流，通过直接接触透镜的电引线直接将电压或电流施加到透镜上。
[0054]本发明的固定的不可形变透镜(也就是那些具有不可形变或者不可调焦的形状的透镜)可以用任何方式形成。比如，图1A和IB中的静止透镜，比如第一相位板或校正透镜元件102 (如盖玻补偿器)、透镜组103 (如发散透镜或者弯月形透镜)或者致平透镜106 (例如用于补偿像场弯曲)，能够通过将材料进行注塑成型而得到，材料比如是玻璃或者聚碳酸酯或者PMMA或者环烧聚酯或者共聚物。也可以采用其他的形成方法和材料，比如玻璃。
[0055]进一步地，如果有必要和/或有利，可以采用另外的可形变透镜。在一些方式中，两个可形变透镜能够达到很高的效率。然而，在其他实施例中，也可以采用更多的可形变透镜。例如，可以使用第三可形变透镜来实现多种目的，比如提高光学质量或者增大变焦范围。
[0056]现在参照图2A和2B来描述处于不变焦的广角状态(如图2A)和处于充分变焦的长焦状态(如图2B)，主光线204代表光线在系统中的路径。变焦透镜包括第一透镜组201 (它部分地由可形变透镜和一个或更多个校正透镜元件构成)和第二透镜组202 (它部分地由可形变透镜和一个或更多个校正透镜元件构成)以及图像传感器203。在多个透镜组内部的校正元件是固定的不可形变透镜，具有特殊的表面用以补偿各种光学误差。此外，可以使用红外(IR)滤光片或者紫外(UV)滤光片。图2A和2B中整个系统的总长度为L。如图2A所示，从远方物体以角度α进入的光线可以成像为与传感器芯片203的对角线d的一半(其中d是长度的尺寸)相对应的像高。如图2B所示，变焦因数增大。更具体来讲，如图2B所示，以角度β (小于图2Α中的角度α )进入系统的主光线204成像为与传感器芯片的对角线一半相对应的像高。系统的变焦因数k被定义为角度α的正切除以角度β的正切。在本文中的许多方式中，光学系统的轴向总长度用值L表示，透镜对具有对角线d、比值r = L/(k*d)的图像传感器能够生成变焦因数k。比值r小于大约0.7，此时，生成图像的尺寸在不变焦(广角)状态和充分变焦(长焦)状态下能够完全照明传感器。
[0057]现在参照图3来描述单个自动聚焦元件，它被单独(或者与其他部分构成光学系统中的一部分)地使用。比如，与某个元件(比如静电致动器、电磁致动器、磁致伸缩致动器、压电电机、步进电机和电活性聚合物致动器，如图1A、1B中的元件101) —起工作的第一或者第二可形变透镜被用作自动聚焦元件，将来自不同物距的光束清晰地聚焦到传感器(比如传感器芯片)上。可以另选地使用相位板或者校正透镜元件或者具有校正范围的不可形变透镜的透镜栈(lens stack)来校正透镜的单色像差(比如球面像差)或者校正多色像差。
[0058]可形变透镜301通过调整自身的折射率来适应物体的距离。通过减小聚焦能力(实线)将远端物体的光线302清晰地聚焦在图像传感器304上，通过增大聚焦能力(虚线)将近端物体的光线303聚焦在图像传感器304上。可选的相位板或者校正透镜元件305能够被用来补偿聚焦可调透镜的单色像差或者多色像差。电压或者电流控制元件(未示出)用来控制可形变透镜301的形状，从而调节聚焦能力。通过自动聚焦算法来控制施加的电压。
[0059]图3的多种元件与图1A和IB中的元件具有类似的构造。例如，可形变透镜301可以由具有可形变部分的膜和填充材料构成，形变是至少部分地通过在一个元件(比如静电致动器、电磁致动器、磁致伸缩致动器、压电电机、步进电机和电活性聚合物致动器)上施加电压来实现的。例如，电压或者电流控制元件可以直接控制电压或者电流。
[0060]图像传感器304可以是任何一种图像感测装置。如本文描述的其他传感器一样，可以采用任何图像传感器，比如，基于CCD或者CMOS技术的图像传感器。也可以采用其他图像感测技术。图像传感器例如可以是Omnivis1n Inc.0V56301/3.2”500万像素传感器。
[0061]本文的方式提供了可以在很广的范围内应用的透镜结构。例如，可以应用在手机、任何类型的数字相机以及医疗内窥镜中。也可以用于采用应用这些方式的其他设备中。
[0062]如所述的，可以采用多种材料来构成透镜301。对于电活性聚合物，可以采任何弹性体，比如Cargill Inc.生产的20190聚合物。
[0063]现在参照图4A和4B来描述包含四个透镜元件并且作为自动聚焦系统进行操作的透镜系统。图4A中的例子描述了系统的状态，这时，透镜在无穷远处的物体上聚焦。光路沿着光轴402 (在其上或者在其两侧)并且穿过所示元件的中心。第一透镜元件411是可形变透镜，基于电活性聚合物技术进行工作，采用一个或更多个磁调制致动器、采用一个或更多个压电致动器、采用一个或更多个磁致伸缩致动器、采用一个或更多个致动器、或者采用一个或更多个静电致动器。使用光罩410 (例如由玻璃构成)来保护透镜元件411的可形变透镜表面。设置校正元件412，使之与可形变透镜材料(例如第一透镜元件中的填充材料)接触。在这方面，校正元件412和第一透镜元件411结合。校正元件412校正单色像差和多色像差。固定的不可形变校正透镜414的一个功能是校正球面像差和其他单色像差，并且在后面沿着光轴402放置光阑413。固定的不可形变透镜415沿着轴向402放置，其后设置有致平透镜416，其一个功能是消除像场弯曲。由光线(如沿着光轴402传播的光)传送的像最终形成在图像传感器平面417上。图像传感器可以是任何类型的感测装置。可以采用基于CXD或者CMOS技术的任一图像传感器。这种图像传感器典型地应用在任何数字相机或者手机相机中，并且它们具有多个不同数量的像素，比如300万像素或者1200万像素。例如可以是Omnivis1n Inc.0V56301/3.2” 500万像素传感器。也可以采用其他感测技术和/或传感器芯片。可形变透镜411被电流或者电压控制418在接收到来自自动聚焦算法的输入的情况下进行控制。图4A中的虚线表示源于相对接近透镜(近于大约500mm)的物体的光404，并且可形变透镜411的附加偏移将物体聚焦在像平面417上。
[0064]图4B例示了如图4A—样的系统。但是，在这个例子中，系统的状态改变了，物体相比图4A中投影的物体更接近系统。图4B中的元件和图4A中的一样，在此不再赘述。如图4B所示，由于透镜元件411曲率的变化，以发散角(从物体)进入透镜的光线404被清晰地聚焦在像平面417上。
[0065]在其他实施例中，变焦系统可以基于如图4A-4B所述的那样被构造。这种情况下，变焦系统使用了两个可形变透镜以及一定数量的固定的不可形变光学元件，以产生非常紧凑的基于可变焦距的系统。在本文的其他部分详细描述了变焦系统的实施例。
[0066]如同在自动聚焦系统中的透镜411，变焦系统中的可形变透镜是根据电活性聚合物技术构造的，可采用压电致动器、采用磁致伸缩致动器或者采用静电致动器来磁性地调节。经过这样构造，透镜能够提供非常宽的调节范围，优于其他调节技术，比如电润湿或者液晶。此外，用于校正单色像差的相位板或者校正透镜元件能够与用在变焦透镜中的可形变透镜结合使用。
[0067]在图4C和4D所示的实施例中，第一可形变透镜411包括可形变膜454。环形透镜锐化结构460将膜454分成中心部分、光作用部分456和外周的非光作用部分455。正如所说的，传感器417被配置为接收由第一可形变透镜411聚焦的光，并且光路449沿着第一可形变透镜411延伸到传感器417。通过机械联动结构461根据施加的电信号418而调节第一可形变透镜，以便直接将穿过光路的光聚焦到传感器417上。第一体积(以一种斜线方式图示)的第一光学介质(比如空气)和第二体积(以另一种斜线方式图示)的第二光学介质(比如填充介质)至少部分地被可形变膜454限定。第一体积450和第二体积452完全被壳体458封闭。也就是说,这两个体积没有延伸出壳体458。第一体积450和第二体积452对第一可形变透镜411的所有构造来说基本上是不变的。校正光学元件412与第一可形变元件411结合在一起，并且与第二可形变元件452接触。实际上，当其他可形变透镜被添加到如图4所示的系统中(形成其他类型的系统)时，应当理解的是，这些新的元件可以限定类似的新的体积，并且这些类似的新体积相对彼此将会保持不变或者基本不变(就像第一和第二体积相对彼此保持不变一样)。
[0068]图4D例示了与图4C同样的系统。但是，在这个实施例中，系统的状态发生了改变，物体比像在图4C中投影的物体更接近系统。根据通过在传感器417 (移动的方向462)的方向上移动机械联动结构461而施加的电信号，来增大可形变透镜411的曲率。在这个过程中，第一体积450和第二体积452被可形变膜454分开，并且保持基本不变。现在参照图5A、5B、5C和5D,描述了自动聚焦透镜的其他实施方式。系统包括光罩510、可形变透镜520、孔径光阑513、固定的不可形变透镜515、致平透镜521、校正透镜514以及图像传感器平面517。这些组件类似于图4中的组件，在此不再赘述。
[0069]在图5A中，系统被表示为这种状态:可形变透镜520被倒置，并且透镜曲率的改变发生在图像传感器平面517的方向上。图5B示出了具有可形变透镜520的系统，该系统采用m或者w形状的致平透镜521，用来校正像场弯曲和高阶像差。在图5C所示的实施例中，可形变透镜522作为第三光学元件而不是第一光学元件被放置。在图所示的透镜系统中，只采用了三个独立的透镜元件，而不是四个。可以采用这些实施方式的各种组合。
[0070]现在参照图6A和6B,描述了光学系统的另一个实施例。图6A描述了处于不变焦状态(也就是广角模式，变焦因数=D的变焦透镜。第一可形变透镜631处于低聚焦能力的状态。光罩630 (例如，由玻璃制成)用来保护可形变透镜的表面。校正元件632与可形变透镜材料(也就是在透镜631内部的填充材料)接触，并且校正单色像差和多色像差。非球面校正透镜634的一个功能是校正孔径光阑后的非球面像差。具有正聚焦能力的第二可形变透镜636与像差校正元件635接触。第二可形变透镜636的作用是改变变焦透镜的变焦状态。致平透镜637的作用，在一个实施例中，是消除像场弯曲，并被放置在图像传感器638的前方。可形变透镜631和636通过输入639和640被电流控制。第一可形变透镜631的控制输入639来自于自动聚焦算法，并且第二可形变透镜636的控制输入来自于用户决定的变焦输入(例如，用户手动控制或者调节)。
[0071]图6B描述了与图6A同样的变焦透镜，处于充分变焦状态(也就是长焦模式，变焦因数大于约2.5)。第一可形变透镜631处于高聚焦能力状态，而第二可形变透镜636处于负聚焦状态，以便将光束聚焦到传感器芯片638上。“高聚焦能力”的意思是焦距小于大约5.0mm(聚焦能力大于约200屈光度)，“负聚焦能力”的意思是焦距在大约-0.4mm到Omm之间(聚焦能力为更负于大约-250屈光度)。一个或者两个可调焦透镜的能力提供了正和负的屈光能力(也就是凸形和凹形)。
[0072]现在参照图7A、7B、7C、7D、7E和7F，描述了变焦透镜的其他实施例。第一可形变透镜731处于低聚焦能力状态。“低聚焦能力”是指焦距大于约12.0_。光罩730 (例如由玻璃制成)可以用来保护可形变透镜表面。校正元件732与可形变透镜材料(例如在透镜731内部的填充材料)接触，并且校正单色像差和多色像差。非球面校正透镜734的一个作用是校正孔径光阑733后方的球面像差。因为具有正聚焦能力的第二可形变透镜736与像差校正元件735接触。第二可形变透镜736的作用是改变变焦透镜的变焦状态。致平透镜740在一个实施例中的作用是消除像场弯曲，并被放置在图像传感器738前面。可形变透镜731和736通过控制输入739和741而被电流或电压控制。第一可形变透镜731的控制输入739源自自动聚焦算法，并且第二可形变透镜736的控制输入741源自由用户决定的变焦输入(例如用户手动控制或者调节)。
[0073]图7A示出了变焦透镜的广角状态，包括具有m或w形状的致平透镜740，用来校正像场弯曲和高阶像差。图7B示出了透镜的对应长焦状态。图7C和7D描述了仅具有两个焦距可调透镜(也就是透镜731和736)的变焦透镜系统，包括校正元件和致平透镜740。在该结构中，焦距可调透镜之间没有校正透镜。图7E例示了变焦透镜系统的实施例，其中第一焦距可调透镜742具有负屈光力(也就是在广角变焦模式中的凹形)。图7F示出了透镜的对应长焦状态下的系统，其中包括具有正屈光力(也就是凸形)的第一可形变透镜742。在其他实施方式中也可以更换或者去除各种光学元件。
[0074]参照图8A和SB，描述了可形变透镜的变型，包括校正透镜元件801和填充材料802。图8A示出了优选的版本，其中被校正光学元件901和填充材料802限定的界面803在其形状上至少相对于校正光学元件的起到光学作用的部分没有屈光点。在这些元件中存在于形状中的屈光点是不希望出现的，因为这会导致温度敏感。如果光学表面存在屈折点，则当温度(作为对折射率差的增强敏感度而)偏离设计温度时，填充材料与校正透镜元件之间的界面中的任何超过二(二次的)的附加表面级数都会导致像质的急剧下降。消除所有的屈折点就能消除或者基本上消除这些问题。图8B示出了一种不希望出现的界面804的实施例，其中界面804在校正光学透镜与填充材料之间。因为由高阶多项式表示，因此在表面出现了屈光点。
[0075]图9示出了光学系统的可选部分的实施例。该实施例包括上部可变光学部件990，其包括膜992、光学填充材料993、容器991和嵌入(或者集成)在容器991中的校正光学元件994。光学部件990是距离传感器999最远的光学元件。这种方式提供了性能最大化，同时从传感器999到光罩998 (例如玻璃光罩)的高度最小化的组件。本实施例进一步的方面是具有嵌入到容器991 (例如使得光学元件994与填充材料993接触)的光学元件994。在该实施例中，第二透镜能够从正屈光力变为负屈光力，从而允许实现非常紧凑的光学设计。
[0076]在图9所示的实施例中，磁性结构耦接在一起，并且通过系统的一个或多个光学元件耦接(例如，透镜、容器或者膜)。该系统具有进一步的特点，即在电机结构之间具有非常小的气隙。端返回(side return)结构可以自附接到壳体上，因此提供了不需要粘接剂(例如，胶)的易组装方式。从组装的观点来看，这种方式也是耐错的，因为前面提到的气隙将会自动地被带入到正确的中心位置。明确限定了磁体，并且壳体内部的位置限定了磁体的位置。所有这些结构依据的都是根据题为“Lens Assembly System and Method”、代理人案卷号为97372并且在与本申请的同一天申请的申请中所描述的任意方法，该申请的内容在此全文引入。
[0077]可对本发明进行多种修改和变换，本文用示例的方式说明了某种实施方式，并在此对这些实施方式进行了详细描述。可以理解地，本发明并不局限于已经描述的特定的形式，相反，在不脱离本发明主旨的情况下，本发明涵盖了所有的修改、形变和等同方式。
[0078]在此描述了本发明的优选实施方式，包括为了实现本发明的最佳实施方式。应当理解，所示的实施方式仅仅是示例性的，不应当作为对本发明主旨的限制。
【权利要求】
1.一种透镜系统，该透镜系统包括: 第一可形变透镜，其包括填充材料； 刚性的校正光学元件，其与所述填充材料接触； 传感器，其用于接收由所述第一可形变透镜聚焦的光； 光路，其通过所述第一可形变透镜和所述校正元件延伸到所述传感器； 其中，根据所施加的人工信号或电信号对所述第一可形变透镜进行调节，以将穿过所述光路的光直接聚焦至所述传感器上，并且其中，所述校正元件调节穿过所述光路的光的至少一个特性。
2.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，所述第一可形变透镜至少部分地由从以下元件构成的组中选择的元件进行调节:静电致动器、电磁致动器、压电电机、磁致伸缩致动器、步进电机以及电活性聚合物致动器。
3.根据权利要求1所述的透镜系统，该透镜系统还包括设置在所述光路中的第二可形变透镜，该第二可形变透镜与所述第一可形变透镜一起将穿过所述光路的光聚焦至所述传感器上。
4.根据权利要求3所述的透镜系统，其中，所述第一可形变透镜和所述第二可形变透镜至少部分地由从以下元件构成的组中选择的元件进行调节:静电致动器、电磁致动器、压电电机、磁致伸缩致动器、步进电机以及电活性聚合物致动器。
5.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，由所述校正光学元件和所述填充材料限定的界面的形状在设计光线经过的地方不存在屈折点。
6.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，所述第一可形变透镜被配置为从凹形变为凸形。
7.根据权利要求3所述的透镜系统，其中，所述第二可形变透镜被配置为从凸形变为凹形。
8.根据权利要求1所述的透镜系统，该透镜系统还包括固定的校正透镜元件，并且其中，所述固定的校正透镜元件与所述可形变透镜的填充材料接触并且被配置为校正单色像差或者多色像差。
9.根据权利要求8所述的透镜系统，其中，所述固定的校正透镜元件由刚性材料构成。
10.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，在两个可形变透镜之间设置有孔径光阑。
11.根据权利要求1所述的透镜系统，其中，在所述第一可形变透镜的内部设置有孔径光阑。
12.根据权利要求1所述的透镜系统，该透镜系统还包括设置在所述光路中的固定的不可形变透镜，其中，所述固定的不可形变透镜由刚性材料构成，并且其中，所述固定的不可形变透镜被配置为校正单色像差或者球面像差。
13.根据权利要求1所述的透镜系统，该透镜系统还包括设置在所述光路中的至少一个固定的不可形变透镜，其中，所述固定的聚焦透镜由刚性材料构成，并且其中，所述至少一个固定的不可形变透镜被配置为校正多色像差。
14.根据权利要求1所述的透镜系统，该透镜系统还包括设置在所述光路中的校正透镜，其中，所述校正透镜由刚性材料构成，所述校正透镜被设置在最靠近所述传感器的可形变透镜与所述传感器之间。
【文档编号】H04N5/225GK104317052SQ201410663141
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2010年3月10日 优先权日:2009年3月13日
【发明者】M·布勒, C·格莱兹尔, D·内德尔, M·阿希万登 申请人:奥普图恩公司