專利名稱：用于數字圖像獲取的袖珍透鏡和圖像獲取裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及用于數字圖像獲取的透鏡和裝置，且明確地說涉及一種具有固定焦距或可變焦距(變焦透鏡)的袖珍配置的透鏡，其用于在例如手機或PDA的移動信息技術裝置以及具有此透鏡的移動信息技術裝置(尤其是數據終端機)中的數字圖像獲取。
背景技術：
數字圖像獲取日益需要袖珍透鏡，即，具有較短總長度的透鏡。這尤其適用于需要盡可能平坦的裝置幾何形狀的數據終端機(例如，PDA或手機)中的數字圖像獲取。隨著微電子設備中增加的集成密度，當前也可利用數百萬個圖像獲取元件在極小的表面上的數字圖像獲取芯片(同樣例如，CCD圖像傳感器或CMOS圖像傳感器)；此也將使得將來對于較平坦的移動裝置(例如，上述移動數據終端機)需要高圖像清晰度。因此，對于具有較短的總長度的袖珍透鏡存在增長的需求，所述袖珍透鏡使得能夠具有非常高的圖像清晰度且將盡可能以經濟的方式進行生產。
作為成像光學元件的具有成本效益的透鏡尤其在模擬單透鏡相機(尤其是一次性相機)領域為人所知。因此，例如，US5,581,405揭示一種消色差混合透鏡，其具有由凸透鏡表面制成的折射基本元件，其中一個透鏡表面上存在可通過透鏡的壓制成形、用塑料進行噴射模制或通過再加工所述一個透鏡表面而提供的衍射結構。
EP1193512A2揭示另一衍射光學元件和由其提供的光學系統(tǒng)。
US6,157,494和US2005/0068637A1揭示一種袖珍變焦透鏡，其具備用于校正色差的衍射光學元件。所述透鏡具有較復雜的結構，且因此不適于在本申請案的意圖內作為用于數字圖像獲取的袖珍透鏡，尤其不適于在例如數據終端機的移動應用中的數字圖像獲取。
US6,072,634揭示一種用于數字相機的具有固定焦距的袖珍透鏡，其包括通過用塑料進行噴射模制而制造的四個透鏡，其中衍射光學結構形成在所述透鏡的一者的一個表面上以便適當地影響色差。衍射透鏡表面安置成接近透鏡中提供的孔徑。為了單透鏡的精確配準，單透鏡具備外圍結構來充當配準凸緣(其通過隨后從所述結構扭開而形成)，這是較為復雜且昂貴的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目標在于提供一種用于數字圖像獲取的具有固定或可變焦距的透鏡，其具有袖珍結構并可以經濟且容易的方式生產，且其經設計使得尤其對于移動應用中的數字圖像獲取(例如，對于手機、移動數據終端機(尤其是PDA)中的數字相機)或對于汽車領域中的應用(例如，對于路肩檢測、對于個體或障礙物的檢測、或對于反向行駛時用于圖像獲取的透鏡)能夠具有高圖像清晰度。根據本發(fā)明的另一方面，還將提供一種具有至少一個此透鏡的數字圖像獲取裝置。
根據第一方面，本發(fā)明從一種用于數字圖像獲取的具有固定焦距的袖珍透鏡開始，所述袖珍透鏡包括兩個或三個(優(yōu)選地為兩個)折射光學元件和至少一個衍射光學元件以便將入射光成像到檢測器陣列上。根據本發(fā)明，所述透鏡的特征在于成像折射光學元件提供為復合或混合透鏡，所述復合或混合透鏡具有第一透鏡元件，其由玻璃或由光學陶瓷制成且具有第一折射率；和第二透鏡元件，其由塑料制成且具有小于第一折射率的第二折射率，其中第一透鏡元件安置在第二透鏡元件前方的光束路徑中且位于透鏡的光入口側。因此，入射光在透鏡的光入口側已相對較強地折射，此大大縮減透鏡的總長度并相當程度上減少透鏡的成像誤差。在此種復合或混合透鏡的情況下，兩個透鏡元件通過材料結合而互連并(例如)通過噴射模制塑料透鏡或通過壓制玻璃透鏡而優(yōu)選地提供成單透鏡。材料結合連接優(yōu)選地通過結合來進行，但也可通過膠粘或玻璃結合來進行。
根據另一方面，本發(fā)明從一種用于數字圖像獲取的具有可變焦距的袖珍變焦透鏡開始，所述袖珍變焦透鏡具有至少兩個成像光學元件組和至少一個衍射光學元件以便將入射光成像到檢測器陣列上。根據本發(fā)明，所述變焦透鏡的特征在于透鏡的一個光入口側的元件組的折射元件制造成復合透鏡，所述復合透鏡具有第一透鏡元件，其由玻璃或由光學陶瓷制成且具有第一折射率；和第二透鏡元件，其由塑料制成且具有小于第一折射率的第二折射率，第一透鏡元件處于第二透鏡元件前方的光束路徑上且位于透鏡的光入口側。通過此方法，入射光在透鏡的光入口側已相對較強地折射，此大大縮減透鏡的總長度并相當程度上減少透鏡的成像誤差。在此種復合或混合透鏡的情況下，兩個透鏡元件通過材料結合而互連并(例如通過噴射模制塑料透鏡或通過壓制玻璃透鏡)優(yōu)選地提供成單透鏡。材料結合連接優(yōu)選地通過結合來進行，但也可通過膠粘或玻璃結合來實現(xiàn)。
用于實現(xiàn)有利地袖珍的透鏡的合適的材料組合包括折射率n＞1.6的玻璃作為第一折射率材料。合適的玻璃為(例如)具有低Tg的玻璃(例如，Schott的N-LASF47、Sumita的K-VC89或OHARA的S-LAH79)和所有其它光學玻璃(例如，Schott的N-SF6或N-SF66或LASF35)。作為具有第二折射率的材料，塑料便利地提供n＜1.6的折射率。明確地說，此塑料可選自包括以下各項的一組塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂。
根據另一實施例，在折射光學元件上提供至少一個衍射光學元件。便利地，此折射光學元件為光學透鏡，或者復合或混合透鏡，其包括兩個材料結合的互連單透鏡。由于根據本發(fā)明僅提供兩個或三個折射光學元件(明確地說為透鏡)，所以與具有更多透鏡的透鏡相比，根據本發(fā)明的透鏡可生產成具有非常短的總長度，從而導致構造物體積的大大減小。因此，根據本發(fā)明可進一步顯著節(jié)省成本。同時，可通過所述至少一個衍射光學元件來有效地彌補成像誤差。
根據另一實施例，直接在檢測器陣列的透明封蓋上或在檢測器陣列的透明封蓋處制造或提供至少一個衍射光學元件。通過此方法，成像到檢測器陣列上的光可直接在檢測器陣列前方被更加適當地校正；此進一步增強透鏡的重要特征，例如，成像品質、圖像對比度和信號強度，因為常規(guī)的檢測器陣列的感光度(尤其是CCD芯片或CMOS芯片的感光度)通常高度依賴于入射光的入射角。較高的感光度使透鏡可能具有較小的總長度。
明確地說，根據本發(fā)明還可實現(xiàn)具有較小直徑的透鏡，此在透鏡的相同的焦距比數(f-number)的情況下有助于進一步縮減透鏡長度。衍射光學元件直接位于透明封蓋前方或在透明封蓋上的配置或制造還使得可能更加有效地彌補透鏡的色差。
根據另一實施例，使衍射光學元件與透明封蓋成為整體。此可通過(例如)在透明封蓋中或透明封蓋上用相有源結構(phase-active structure)或類似結構制造衍射光柵(菲涅爾波帶板)來實施。衍射光學結構可通過沖壓(尤其是熱沖壓)，或通過透明封蓋表面的其它合適的熱成形，或通過例如蝕刻(WCE、RIE、IBE、CAIBE)的其它表面構造工藝，或通過激光切除工藝(UV激光、飛秒激光)，或通過加成的氣相沉積工藝來實施。根據另一實施例，還可向透明封蓋施加塑料或玻璃膜，并通過沖壓(尤其是熱沖壓)或通過其它合適的熱成形來進一步構造塑料或玻璃膜以便制造衍射光學元件。
根據另一實施例，復合透鏡的兩個透鏡元件制造成單透鏡并通過材料結合而互連。
根據另一實施例，透鏡的總長度L小于或等于透鏡的焦距L≤f。因此，根據本發(fā)明的透鏡顯然在對于具有固定焦距的袖珍透鏡的設計的常規(guī)設計限度以下。
根據另一實施例，兩個衍射光學元件提供或制造在兩個鄰近的光學元件的相對的邊界表面(界面)處或兩個鄰近的光學元件的相對的邊界表面(界面)上，所述兩個鄰近的光學元件中的一個光學元件是折射光學元件。
根據另一實施例，兩個衍射光學元件提供在透鏡中在兩個鄰近的光學元件的邊界表面(界面)處或兩個鄰近的光學元件的邊界表面(界面)上，所述表面背對著彼此，一個光學元件是折射光學元件。
根據另一實施例，透鏡中的兩個衍射光學元件由具有相同折射率的材料制成，兩個鄰近的光學元件之間的中間空間用透明的填充劑材料填充，所述透明的填充劑材料的折射率和阿貝系數(Abbe coefficient)不同于(明確地說，小于)兩個衍射光學元件和兩個鄰近的光學元件的折射率。根據本發(fā)明，利用透明的填充劑材料，可用另一參數來適當地影響透鏡的成像性質，尤其影響色差和色彩衍射效率。
根據另一實施例，選擇透明的填充劑材料的折射率和阿貝系數，從而使兩個衍射光學元件的光衍射之間的關系與將要成像的光的波長一致。
根據另一實施例，中間空間中的填充劑材料是塑料或聚合物，其阿貝系數小于衍射光學元件的材料的阿貝系數，從而透明的填充劑材料指定較強的色散。
根據另一實施例，衍射光學元件由塑料制成。
根據另一實施例，衍射光學元件由選自包括以下各項的群組的塑料制成聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂；且用選自上述群組的另一塑料或聚合物來填充中間空間。
根據另一實施例，衍射光學元件由具有低處理溫度Tg的玻璃制成，優(yōu)選地處理溫度Tg＜1000℃，且更優(yōu)選地處理溫度Tg＜700℃。
根據另一實施例，衍射光學元件由具有低Tg的玻璃形成，所述玻璃選自包括以下各項的群組具有低Tg的玻璃(例如，Schott的N-LASF47、Sumita的K-VC89或OHARA的S-LAH79)和所有其它光學玻璃(例如，Schott的N-SF6、N-SF66或LASF35)；且用選自包括以下各項的群組的塑料或聚合物來填充中間空間聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂。
根據另一實施例，衍射光學元件由凸起的衍射區(qū)形成，所述凸起的衍射區(qū)的最大高度H由H≤Nλ/Δn給定，其中λ表示將要成像的光的最小波長，Δn是衍射光學元件的材料的折射率與填充劑材料的折射率的差值的絕對值，且N是N＝1與N＝20之間的整數。
根據另一實施例，在每一情況下，衍射光學元件是通過光學透鏡或光學元件的表面的熱成形(尤其通過熱沖壓)，或例如蝕刻(WCE、RIE、IBE、CAIBE)的其它表面構造工藝，或激光切除工藝(UV激光、飛秒激光)，或加成的氣相沉積工藝制成的。
本發(fā)明的另一方面涉及一種數字圖像獲取裝置(尤其是手機相機)，其具有用于數字圖像獲取的檢測器陣列形式的固體檢測器且具有如上所述的透鏡。


下文將以舉例的方式并參看附圖來描述本發(fā)明，從附圖中將容易了解將要實現(xiàn)的其它優(yōu)點、特征和目標，且其中圖1展示根據本發(fā)明的第一實施例的透鏡的示意截面圖；圖2展示根據本發(fā)明的第二實施例的透鏡的示意截面圖；圖3展示根據本發(fā)明的第三實施例的透鏡的示意截面圖；圖4展示根據本發(fā)明的透鏡的柵極扭曲；圖5到圖7展示根據本發(fā)明的透鏡的各種光學性質；圖8展示根據本發(fā)明的透鏡的透射，其根據透鏡半徑而應用；圖9到圖11對應于圖5到圖7而展示常規(guī)透鏡的各種光學性質，常規(guī)透鏡的光學透鏡依照根據圖5到圖7的透鏡的光學透鏡而制造，但不包括根據本發(fā)明的衍射光學元件；圖12a和圖12b以俯視圖并以側面圖示意地展示具有根據本發(fā)明的相機光學元件的手機；圖13展示不具有衍射光學元件的常規(guī)的袖珍變焦透鏡的示意截面圖；圖14和圖15展示根據圖13的變焦透鏡的光學性質；圖16展示根據本發(fā)明的另一實施例的袖珍變焦透鏡的示意截面圖；圖17和圖18展示根據圖16的變焦透鏡的光學性質；且圖19。
在所有圖中，相同的參考標號表示相同或等效的元件或元件群組。
具體實施例方式
圖1展示根據本發(fā)明的第一實施例的袖珍透鏡的示意截面圖。根據圖1，透鏡在檢測器陣列21上從物體平面到圖像平面的光束路徑的方向上包括第一透鏡1，其提供成平凸透鏡；第二透鏡2，其提供成平凹透鏡；和圓盤形衍射光學元件(下文稱為DOE)6。DOE6直接安置在透明封蓋20前方，透明封蓋20充當容納在外殼22中的檢測器陣列21的光學和機械保護，且DOE6由(例如)玻璃或陶瓷圓盤組成。透明封蓋20可具備濾光器，(例如)用來過濾可見波長范圍(約400到700納米的波長)以外的光譜范圍，尤其過濾紅外線輻射(波長＞700納米)。所有的光學元件可具備合適的抗反射涂層以便以已知的方式增加透鏡的透射。在不進行進一步解釋的情況下所屬領域的技術人員將容易了解，包含透明封蓋20的外殼22的高度較小，即約為1毫米或更小的量值，以便盡可能制造袖珍的圖像獲取裝置。
根據圖1，第一透鏡1具有凸面前側10和與第二透鏡2的平面前側接觸的平面后側11，第二透鏡2具備凹面彎曲后側13。根據圖1，兩個透鏡1、2互連以便形成復合透鏡，所述復合透鏡具有由第一折射率材料制成的第一透鏡元件1和由小于第一折射率的第二折射率材料制成的第二透鏡元件2。通過此方法，衍射透鏡元件1的前側10處的入射光相對較強地折射，此有助于根據本發(fā)明有效地縮減透鏡的總長度。原則上，兩個透鏡1、2可通過膠粘而互連。已證明，將透鏡元件整體地提供成通過結合而連接到復合透鏡的單透鏡是尤其合適的。
已證明，對于第一透鏡元件1使用玻璃并對于第二透鏡元件2使用塑料是便利的。因此，第二透鏡元件2可通過將塑料簡單地成形(尤其是噴射模制)到以平凸透鏡為基礎的元件的平面后側上并通過在低于第一透鏡元件1的玻璃的軟化溫度或處理溫度Tg的溫度下沖壓塑料而制成，藉此減少制造成本。第一透鏡元件1也使得可能提供尤其穩(wěn)定且不易受影響的透鏡表面，明確地說所述表面較為抗刮傷并在透鏡的透鏡入口表面處吸引極少污染，這對于透鏡前方沒有保護性透明封蓋的應用尤其有利。
為了使由第一和第二透鏡元件1、2制成的復合透鏡實現(xiàn)較小的透鏡總長度，已證明使用較高折射的玻璃類型或甚至光學陶瓷與低折射的塑料的組合是尤其便利的。下文以舉例的方式詳述第一和第二透鏡元件1、2的材料的以下材料組合。第一折射率材料可為具有低Tg的玻璃，例如，選自包括以下各項的群組的玻璃具有低Tg的玻璃，例如，Schott的N-LASF47、Sumita的K-VC89或OHARA的S-LAH79；和所有其它光學玻璃，例如，Schott的N-SF6、N-SF66或LASF35；或光學陶瓷，例如，Murata的Lumicera。且第二折射率材料可(例如，塑料)優(yōu)選地選自包括以下各項的一組塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂。
根據圖1，平凸透鏡3具有平面前側15和凸面彎曲后側16，且便利地由玻璃制成，但根據另一實施例也可由塑料制成。
為了實現(xiàn)袖珍透鏡設計，透鏡之間的中間空間8、9保持最小。根據另一實施例，中間空間8、9的至少一者填充有塑料或聚合物。此“填充劑材料”的色散性質可進一步有利地影響透鏡的光學成像性質。填充劑材料的色散可進一步加強或至少部分地彌補透鏡中提供的至少一個DOE(根據圖1參考標號6)的波長依賴性，下文對此進行更詳細解釋。因此，填充劑材料的選擇使根據本發(fā)明的另一參數可用于影響光學成像性質并用于縮減透鏡的總長度。
圖2展示根據本發(fā)明的第二實施例的透鏡的截面圖。根據圖2，第三透鏡3制造成平凹透鏡，其具有凹面彎曲前側15和平面后側。根據圖2，DOE5制造或提供在第三透鏡3的后側上或直接處于第三透鏡3的后側處。根據圖2，透明封蓋20的前側上或直接在透明封蓋20的前側處制造或提供有另一DOE。因此，兩個DOE5、6直接提供在相對的表面處或相對的表面上(所謂的“緊密梯級(close-cascade)”配置)，且可經設計使得兩個DOE5、6的衍射效率的波長依賴性實質上相互完全彌補。同樣在第二實施例的情況下，至少第二透鏡中間空間9填充有具有合適的色散的填充劑材料，如上文所述。當然，第一中間空間8也可填充有具有合適的色散的填充劑材料。
圖3展示根據本發(fā)明的第三實施例的透鏡的截面圖。根據圖3，與第一實施例的情況一樣，第三透鏡3提供為平凸透鏡，其具有平面前側和凸面彎曲后側16。如圖3中可看出，第一DOE5制造或提供在第三透鏡3的前側上或直接處于第三透鏡3的前側處，從而兩個DOE5、6制造或提供在鄰近的光學元件3、20的彼此背對的邊界表面上或處于鄰近的光學元件3、20的彼此背對的邊界表面處。
透鏡中間空間8、9建議用阿貝系數小于圍限個別透鏡中間空間的元件材料的塑料或聚合物填充，以便能夠實現(xiàn)甚至更大的色散。
透鏡的元件為旋轉對稱的且容納在管狀透鏡管(未圖示)中。盡管圖中未展示，但可主要地在透鏡中間空間8、9中提供合適的孔徑，尤其用于減少散射的光。為了制造透鏡，初始地提供具有折射作用的光學元件。隨后，便利地通過將至少一個DOE直接制造或安置在衍射光學元件的一者的一個表面上或檢測器陣列的透明封蓋的一個表面上，使至少一個DOE可用。光學元件與透明封蓋沿著光軸配準并安置成彼此精確地平行。隨后，用合適的塑料或聚合物填充透鏡中間空間。通過此方法，光學元件的選定的配準且平行的配置被永久固定。以此方式，根據本發(fā)明制成具有固定焦距的透鏡。
根據圖1到圖3的兩個中間空間也可在不同的加工階段填充，因為在根據圖1到圖3的透鏡的情況下可選擇幾何形狀，使得在填充透鏡中間空間之后，提供相互面平行的表面，所述表面可用來進一步配準光學元件以填充另一透鏡中間空間。因此，在根據圖1到圖3的實施例的情況下，初始地可用塑料或聚合物填充第二透鏡中間空間9，在此填充之后的情況下，提供具有兩個面平行的表面(圖1和圖3透明封蓋的后側和第三透鏡的前側15)的管狀主體。
盡管上文未更詳細陳述，但通過學習上述描述所屬領域的技術人員將容易了解，折射光學元件1到3的彎曲表面可任選地制造成球面、非球面或制造成自由形狀的表面。
根據本發(fā)明，衍射結構可制造成表面相元件(surface phase element)。例如，陳述了菲涅爾波帶板或多項式形狀相元件(polynomial-shaped phase element)，其表面上由變化的周期的二元或發(fā)光或鋸齒結構的配置組成。凸起區(qū)凸出到填充有塑料或聚合物的鄰近的透鏡中間空間中。對于凸起區(qū)的最大高度H應用下式H≤Nλ/Δn，其中λ表示將要成像的光的最小波長，Δn是衍射光學元件5、6的材料的折射率與填充劑材料的折射率的差值的絕對值，且N是1與20之間的整數。
根據本發(fā)明的衍射結構可通過構造衍射光學元件的表面(例如，光學透鏡的表面或檢測器陣列的透明玻璃或塑料封蓋的表面)而制成。以舉例的方式羅列制造工藝精密模制；包含WCE(濕式化學蝕刻)、干式蝕刻、IBE(離子束蝕刻)、CAIBE(化學輔助的離子束蝕刻)的蝕刻；機械加工；噴射模制；熱沖壓；激光切除。舉例來說，為了熱沖壓的目的，可將另一玻璃或塑料層施加到玻璃或塑料襯底的表面，例如光學透鏡的表面或檢測器陣列的透明封蓋的表面，明確地說，可將另一玻璃或塑料層旋壓或擠壓在所述表面上，其在低于襯底材料的溫度下融化。當然，原則上其它構造工藝也可能用來形成衍射光學結構。
圖4展示根據本發(fā)明的透鏡的測量到的柵極扭曲，所述透鏡的總長度L＝4.9毫米且焦距f＝6.7毫米。在圖4中展示的尺寸為4.24×4.24毫米的成像平面上，測量到最大扭曲(柵極扭曲)為0.8％。
圖5到圖7概述根據本發(fā)明的透鏡的各種光學性質。透鏡具有總長度L＝4.9毫米(比較圖1)。圖5中展示入射光聚焦到接近中心的光點上且距透鏡中心約3.0毫米遠。如圖所示，在光軸上(接近中心)確定約2.1μm的點尺寸，且對于邊界光束約為8.8μm。圖6展示中心光束和入射在距透鏡中心3.0毫米遠處的光束的調制轉換函數(MTF)。最后，圖7展示橫向色差。圖8最后展示對于根據本發(fā)明的透鏡，作為透鏡半徑的因數的透鏡的透射，其表示為透射光的相對強度。
圖9到圖11對應于圖5到圖7而展示透鏡的各種光學性質，所述透鏡的光學透鏡對應于根據圖5到圖7的透鏡的光學透鏡而制造，然而不包括根據本發(fā)明的衍射光學元件(DOE)。透鏡的總長度(比較圖1)為L＝5.5μm。根據圖9，測量到接近中心的點尺寸約7.5μm，且距透鏡中心約3.0毫米距離處的點尺寸約19.1μm。
圖13到圖18涉及常規(guī)袖珍變焦透鏡和根據本發(fā)明的另一實施例的袖珍變焦透鏡的并置。圖13展示具有本發(fā)明意義上的衍射元件6的袖珍變焦透鏡，衍射元件6在圖13的右手側用粗體線表示。衍射光學元件6直接制造或提供在用于覆蓋檢測器陣列21(例如，CCD芯片)的透明封蓋圓盤20上。所屬領域的技術人員從圖14和圖15中可容易地了解相關的光學性質。
圖16展示具有可比較的結構和布局的袖珍變焦透鏡作為參照，所述袖珍變焦透鏡不具有衍射光學元件。所屬領域的技術人員從圖17和圖18中可容易地了解相關的光學性質。
通過比較圖13到圖15與圖16到圖18，可容易地看出光學成像性質(尤其關于色差)的改進。明確地說，可通過根據本發(fā)明令人驚訝的簡單方式的至少一個衍射光學元件來充分改進關于將要成像的光前方的相的誤差以及色彩誤差。
所屬領域的技術人員通過學習圖13到圖18將了解，衍射元件也還安置在袖珍變焦透鏡的其它透鏡表面上，尤其是在前透鏡的表面上，明確地說在其后表面上。
圖19展示根據本發(fā)明的另一實施例的固定焦距的袖珍透鏡。袖珍透鏡包括凸凹前透鏡1和安置在透明封蓋20前方的平凸透鏡3。如圖19中所展示，衍射光學元件5直接提供在前透鏡1的后側11上。所屬領域的技術人員將了解，衍射光學元件也可提供在根據本發(fā)明的透鏡(例如，圖1中所展示的前透鏡)的前端處混合或復合透鏡的表面的一者(尤其是后側)上。因此，由于在前透鏡的表面上提供衍射光學元件，所以袖珍透鏡的總長度的有利縮減可與低色差結合。
所屬領域的技術人員可容易地了解，根據本發(fā)明的透鏡可用于消費型光學元件、產業(yè)光學元件的領域中或甚至汽車領域中的任何光學裝置中。以下以舉例的方式羅列例如手機、PDA、便攜式數據終端機的移動數字裝置的透鏡。圖12詳細展示此應用的一個實例。根據圖12，手機30包括通過鉸鏈互連的下部部分31和上部部分32，下部部分以已知的方式包括鍵盤33和用于手機功能的選擇器切換鍵34，所述手機功能例如，打電話、SMS、PDA、數據存儲、數據下載、照相。根據本發(fā)明，在上部部分32的前側處提供顯示器，且在后側上提供透鏡36。
參考標號列表1 透鏡
2 透鏡3 透鏡5 衍射光學元件6 衍射光學元件8 透鏡中間空間9 透鏡中間空間10 透鏡1的前側11 透鏡1的后側13 透鏡2的后側15 透鏡3的前側16 透鏡3的后側20 透明封蓋21 檢測器陣列22 外殼30 手機31 下部部分32 上部部分33 鍵盤34 選擇器切換鍵35 顯示器36 透鏡
權利要求
1.一種具有固定焦距的袖珍光學玻璃，其具有兩個或三個折射光學元件(1到3)和至少一個衍射光學元件(5、6)以便將入射光成像到一檢測器陣列(21)上，至少一個衍射光學元件(6)被提供在一折射光學元件(1到3)上，所述袖珍光學玻璃的特征在于所述光學玻璃的一折射光學元件提供為一復合光學玻璃，所述復合光學玻璃具有一第一光學玻璃元件(1)，其由一玻璃或光學陶瓷制成且具有一第一折射率；和一第二光學玻璃元件(2)，其由一塑料制成且具有一小于所述第一折射率的第二折射率，所述第一光學玻璃元件(1)位于所述第二光學玻璃元件(2)前方的光束路徑上且位于所述光學玻璃的一光入口側。
2.根據權利要求1所述的袖珍光學玻璃，其中所述塑料選自包括以下各項的一組塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂。
3.根據權利要求1所述的袖珍光學玻璃，其中所述復合光學玻璃的所述兩個光學玻璃元件(1、2)提供成一單光學玻璃并通過材料結合而互連。
4.根據權利要求1所述的袖珍光學玻璃，其中所述至少一個衍射光學元件(6)直接被制造或提供在用于覆蓋所述檢測器陣列(21)的一透明封蓋(20)上或用于覆蓋所述檢測器陣列(21)的一透明封蓋(20)處。
5.根據權利要求4所述的袖珍光學玻璃，其中所述衍射光學元件與所述透明封蓋(21)成為整體。
6.根據權利要求4所述的袖珍光學玻璃，其中所述衍射光學元件形成在所述復合光學玻璃的一表面上。
7.根據權利要求1所述的袖珍光學玻璃，其中所述衍射光學元件通過沖壓或熱沖壓或通過熱形成所述透明封蓋的一表面或一成像折射光學元件的一表面而形成。
8.根據權利要求1所述的袖珍光學玻璃，其中所述光學玻璃的一總長度L小于或等于所述光學玻璃的一焦距L≤f。
9.根據權利要求1所述的袖珍光學玻璃，其具有兩個衍射光學元件，其中所述兩個衍射光學元件(5、6)提供或制造在兩個鄰近的光學元件(3、20)的相對的邊界表面中或兩個鄰近的光學元件(3、20)的相對的邊界表面上，所述兩個鄰近的光學元件中的一個光學元件是一折射光學元件(3)。
10.根據權利要求9所述的袖珍光學玻璃，其中所述兩個衍射光學元件(5、6)由一具有相同折射率的材料制成，且其中在所述兩個鄰近的光學元件(3、20)之間的一中間空間(9)用一透明的填充劑材料填充，所述透明的填充劑材料的一折射率不同于所述兩個衍射光學元件(3、20)的折射率和所述兩個鄰近的光學元件(3、20)的折射率。
11.根據權利要求10所述的袖珍光學玻璃，其中選擇所述透明的填充劑材料的所述折射率和厚度，從而使所述兩個衍射光學元件(3、20)的光衍射效率對于將要成像的光的波長的依賴性可以忽略。
12.根據權利要求10所述的袖珍光學玻璃，其中所述中間空間(9)中的所述填充劑材料是一塑料或一聚合物，其阿貝系數小于所述衍射光學元件(5、6)的所述材料的阿貝系數。
13.根據權利要求12所述的袖珍光學玻璃，其中所述衍射光學元件(5、6)由塑料制成。
14.根據權利要求13所述的袖珍光學玻璃，其中所述衍射光學元件(5、6)由選自一包括以下各項的群組的一塑料制成聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂；且其中用一不同的塑料或聚合物來填充所述中間空間(9)。
15.根據權利要求7所述的袖珍光學玻璃，其中所述衍射光學元件(5、6)由一具有一低處理溫度Tg的玻璃制成，優(yōu)選地具有一處理溫度Tg＜1000℃，且更優(yōu)選地具有一處理溫度Tg＜700℃。
16.根據權利要求15所述的袖珍光學玻璃，其中所述衍射光學元件(5、6)由一玻璃制成；且其中用選自一包括以下各項的群組的一塑料或一聚合物來填充所述中間空間(9)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂。
17.根據權利要求15所述的袖珍光學玻璃，其中所述衍射光學元件(5、6)由光學陶瓷制成；且其中用一選自一包括以下各項的群組的塑料或聚合物來填充所述中間空間(9)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂。
18.根據權利要求13所述的袖珍光學玻璃，其中所述衍射光學元件(5、6)由衍射的凸起區(qū)形成，所述衍射光學元件的一最大高度H由H≤Nλ/Δn給定，λ是所述將要成像的光的最小波長，Δn是所述衍射光學元件(5、6)的所述材料的所述折射率與所述填充劑材料的所述折射率的一差值的一絕對值，且N是N＝1與N＝20之間的一整數。
19.根據權利要求1所述的袖珍光學玻璃，其中所述衍射光學元件(5、6)通過一光學光學玻璃(1到3)或一光學元件(20)的一個表面的熱成形，尤其是熱沖壓而制成。
20.根據權利要求1所述的袖珍光學玻璃，其中所述衍射光學元件(5、6)分別是在一光學光學玻璃(1到3)或一光學元件(20)上通過例如尤其是WCE、RIE、IBE或CAIBE的蝕刻的一表面構造工藝，或通過激光切除工藝，尤其是通過UV激光或飛秒激光的激光切除工藝，或通過加成的氣相沉積工藝而制成的。
21.一種用于數字圖像獲取的具有可變焦距的袖珍變焦透鏡，其具有至少兩個成像光學元件組和至少一個衍射光學元件以便將入射光成像到一檢測器陣列上，所述袖珍變焦透鏡的特征在于所述透鏡的一光入口側的一元件組的一折射光學元件提供成一復合透鏡，所述復合透鏡具有一第一透鏡元件，其由一玻璃或光學陶瓷制成且具有一第一折射率；和第二透鏡元件，其由一塑料制成且具有一小于所述第一折射率的第二折射率，所述第一透鏡元件處于所述第二透鏡元件前方的光束路徑上且位于所述透鏡的所述光入口側。
22.根據權利要求21所述的袖珍變焦透鏡，其中所述塑料選自包括以下各項的一組塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂。
23.根據權利要求21所述的袖珍變焦透鏡，其中所述復合透鏡的所述兩個透鏡元件(1、2)提供成一單透鏡并通過材料結合而互連。
24.根據權利要求21所述的袖珍變焦透鏡，其中所述至少一個衍射光學元件(6)直接被制造或提供在用于覆蓋所述檢測器陣列(21)的一透明封蓋(20)上或用于覆蓋所述檢測器陣列(21)的一透明封蓋(20)處。
25.根據權利要求24所述的袖珍變焦透鏡，其中所述衍射光學元件與所述透明封蓋(21)成為整體。
26.根據權利要求24所述的袖珍變焦透鏡，其中所述衍射光學元件形成在所述復合透鏡的一表面上。
27.根據權利要求21所述的袖珍變焦透鏡，其中所述衍射光學元件通過沖壓或熱沖壓或通過熱形成所述透明封蓋的一表面或一成像折射光學元件的一表面而形成。
28.根據權利要求21所述的袖珍變焦透鏡，其中所述透鏡的一總長度L小于或等于所述透鏡的一焦距L≤f。
29.根據權利要求21所述的袖珍變焦透鏡，其具有兩個衍射光學元件，其中所述兩個衍射光學元件(5、6)提供或制造在兩個鄰近的光學元件(3、20)的相對的邊界表面中或兩個鄰近的光學元件(3、20)的相對的邊界表面上，所述兩個鄰近的光學元件中的一個光學元件是一折射光學元件(3)。
30.根據權利要求29所述的袖珍變焦透鏡，其中所述兩個衍射光學元件(5、6)由一具有相同折射率的材料制成，且其中在所述兩個鄰近的光學元件(3、20)之間的一中間空間(9)用一透明的填充劑材料填充，所述透明的填充劑材料的一折射率不同于所述兩個衍射光學元件(3、20)的折射率和所述兩個鄰近的光學元件(3、20)的折射率。
31.根據權利要求30所述的袖珍變焦透鏡，其中選擇所述透明的填充劑材料的所述折射率和厚度，從而使所述兩個衍射光學元件(3、20)的光衍射效率對于將要成像的光的波長的依賴性可以忽略。
32.根據權利要求30所述的袖珍變焦透鏡，其中所述中間空間(9)中的所述填充劑材料是一塑料或一聚合物，其阿貝系數小于所述衍射光學元件(5、6)的所述材料的阿貝系數。
33.根據權利要求32所述的袖珍變焦透鏡，其中所述衍射光學元件(5、6)由塑料制成。
34.根據權利要求33所述的袖珍變焦透鏡，其中所述衍射光學元件(5、6)由選自一包括以下各項的群組的一塑料制成聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂；且其中用一不同的塑料或聚合物來填充所述中間空間(9)。
35.根據權利要求27所述的袖珍變焦透鏡，其中所述衍射光學元件(5、6)由一具有一低處理溫度Tg的玻璃制成，優(yōu)選地具有一處理溫度Tg＜1000℃，且更優(yōu)選地具有一處理溫度Tg＜700℃。
36.根據權利要求35所述的袖珍變焦透鏡，其中所述衍射光學元件(5、6)由一玻璃制成；且其中用選自一包括以下各項的群組的一塑料或一聚合物來填充所述中間空間(9)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂。
37.根據權利要求35所述的袖珍變焦透鏡，其中所述衍射光學元件(5、6)由光學陶瓷制成；且其中用一選自一包括以下各項的群組的塑料或聚合物來填充所述中間空間(9)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基甲基丙烯酰亞胺(PMMI)、聚苯乙烯(PS)、聚(苯乙烯-共-丙烯腈)(SAN)、環(huán)烯共聚物(COC)、環(huán)烯聚合物(COP)、甲基戊烯共聚物(PMP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚亞安酯、脂族聚亞安酯和硅樹脂。
38.根據權利要求33所述的袖珍變焦透鏡，其中所述衍射光學元件(5、6)由衍射的凸起區(qū)形成，所述衍射光學元件的一最大高度H由H≤Nλ/Δn給定，λ是所述將要成像的光的最小波長，Δn是所述衍射光學元件(5、6)的所述材料的所述折射率與所述填充劑材料的所述折射率的一差值的一絕對值，且N是N＝1與N＝20之間的一整數。
39.根據權利要求21所述的袖珍變焦透鏡，其中所述衍射光學元件(5、6)通過一光學透鏡(1到3)或一光學元件(20)的一個表面的熱成形，尤其是熱沖壓而制成。
40.根據權利要求21所述的袖珍變焦透鏡，其中所述衍射光學元件(5、6)分別是在一光學透鏡(1到3)或一光學元件(20)上通過例如尤其是WCE、RIE、IBE或CAIBE的蝕刻的一表面構造工藝，或通過激光切除工藝，尤其是通過UV激光或飛秒激光的激光切除工藝，或通過加成的氣相沉積工藝而制成的。
41.一種數字圖像獲取裝置，其具有一用于數字圖像獲取的檢測器陣列(21)，所述數字圖像獲取裝置的特征在于根據權利要求1所述的透鏡(36)。
42.根據權利要求41所述的數字圖像獲取裝置，其提供成一手機相機(30)或一移動信息技術裝置。
43.一種數字圖像獲取裝置，其具有一用于數字圖像獲取的檢測器陣列(21)，所述數字圖像獲取裝置的特征在于根據權利要求21所述的透鏡(36)。
44.根據權利要求43所述的數字圖像獲取裝置，其提供成一手機相機(30)或一移動信息技術裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于數字圖像獲取的具有固定或可變焦距的袖珍透鏡。根據本發(fā)明，透鏡的折射光學元件或透鏡的光入口側的一組元件提供為復合透鏡，所述復合透鏡具有第一透鏡元件，其由玻璃或光學陶瓷制成且具有第一折射率；和第二透鏡元件，其由塑料制成且具有小于第一折射率的第二折射率，第一透鏡元件位于第二透鏡元件前方的光束路徑上且位于透鏡的光入口側。所述透鏡還包括至少一個衍射光學元件。利用制造為袖珍型的透鏡，成像誤差因此可通過簡單的方法而最小化。直接在透明封蓋上或處于透明封蓋處的衍射光學元件優(yōu)選地被制造或提供以便覆蓋檢測器陣列。本發(fā)明的另一方面涉及一種具有此透鏡的數字圖像獲取裝置。
文檔編號G02B1/04GK1971339SQ200610110900
公開日2007年5月30日 申請日期2006年7月17日 優(yōu)先權日2005年7月15日
發(fā)明者埃德加·帕夫洛夫斯基, 馬蒂亞斯·布林克曼, 沃爾弗拉姆·貝耶爾 申請人:史考特公司