專利名稱：變焦鏡頭模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變焦鏡頭模塊，且特別涉及具有液態(tài)鏡片輔助做變焦與對焦的鏡 頭模塊。
背景技術(shù)：
變焦鏡頭模塊是攝取影像所需要的基本功能。在早期的傳統(tǒng)光學技術(shù)中，鏡片群 組都是以固態(tài)的光學組件所組合。為達到有效的變焦與對焦的功能，其傳統(tǒng)的鏡片群組的 體積較大且復(fù)雜。隨后，傳統(tǒng)光學技術(shù)也提出液態(tài)透鏡的鏡片，其是利用二種不同的液體構(gòu)成一界 面。此二種液體是不相溶且折射系數(shù)不同，但是密度相接近，如此以構(gòu)成一界面。此界面會 有曲率，且利用電潤濕的機制來改變界面的曲率。液態(tài)透鏡雖然也被用在變焦鏡頭模塊以取代固體的光學組件，但是由于設(shè)計組合 的方式不同，會產(chǎn)生不同的設(shè)計效果。如何加入液態(tài)透鏡來設(shè)計更有效率的變焦鏡頭模塊 仍是相關(guān)業(yè)者繼續(xù)研發(fā)的方向。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種變焦鏡頭模塊，其目的在于使用液態(tài)透鏡 做變焦時像面位置補償和對焦的雙重功效，提供更高的光學變焦倍數(shù)，提供更大的光圈，更 亮，分辨率更高，能應(yīng)用在口徑較小的液態(tài)透鏡，能應(yīng)用在較高像素的傳感器，像差校正能 力強，成本低廉。本發(fā)明提供一種變焦鏡頭模塊，包括一第一鏡片組、一第二鏡片組以及一第三鏡 片組。第一鏡片組設(shè)置在一光軸上的固定位置，具有負的總光焦度。第二鏡片組設(shè)置在該 光軸上可軸向前后移動，以同時達到對焦與變焦的調(diào)整，且第二鏡片組具有正的總光焦度 包括一液態(tài)透鏡單元以及光焦度不為零的至少一鏡片，其中此至少一鏡片是與液態(tài)透鏡單 元分離設(shè)置或是整合設(shè)置。第三鏡片組設(shè)置在該光軸上的固定位置，具有不為零的總光焦 度。本發(fā)明所提供的變焦鏡頭模塊是使用液態(tài)透鏡的光學設(shè)計，變焦時只需移動一個 鏡組，對焦時沒有任何光學組件需要移動，近拍時畫質(zhì)仍維持清晰，允許液態(tài)透鏡的液體順 序安排有較大自由度，因此允許可以較自由地直接配置現(xiàn)有多種結(jié)構(gòu)的液態(tài)透鏡。本發(fā)明 使用液態(tài)透鏡做變焦時像面位置補償(改變放大倍率)和對焦(相同放大倍率不同物距的 像面位置補償)的雙重功效，提供更高的光學變焦倍數(shù)2. 5倍，更大的光圈F/# = 2. 8(更 亮，分辨率更高)，能應(yīng)用在口徑較小的液態(tài)透鏡，能應(yīng)用在較高像素的傳感器(sensor，2M 1/4”)，像差校正能力強，進而達到降低成本的設(shè)計方法。光圈設(shè)置的位置能有效減小液態(tài) 透鏡口徑的需求，因目前液態(tài)透鏡口徑例如是3. 4mm，所以光圈設(shè)置的位置要盡量靠近液態(tài) 透鏡。而高畫質(zhì)O00萬像素以上)影像傳感器的對角線總長多半大于4. 4_，基于空間限 制光圈和液體鏡片需設(shè)置在遠離影像傳感器，基于光束能全部通過液體鏡片而不會有大量離軸光束被液體鏡片遮蔽，造成影像傳感器中央和邊緣的亮度差超過50%。光圈設(shè)置在液 體鏡片附近可以達成近軸和離軸光束全部獲大部分通過液體鏡片。本發(fā)明光學變焦的設(shè)計 可提升鏡頭模塊的效能達到更亮，分辨率(Resolution)更高。


圖1為依據(jù)本發(fā)明一實施例，具有液態(tài)鏡片的變焦鏡頭模塊剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2-3為依據(jù)本發(fā)明一實施例，以圖1的具有液態(tài)鏡片的變焦鏡頭模塊，針對不同 物距的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為依據(jù)本發(fā)明一實施例，液態(tài)透鏡單元110的結(jié)構(gòu)變化剖面示意圖；圖5-7為依據(jù)本發(fā)明一些實施例，繪示調(diào)幅轉(zhuǎn)換函數(shù)(MTF)隨著空間頻率變化的 特性仿真示意圖；圖8-10為依據(jù)本發(fā)明一些實施例，繪示縱向球差，像散場曲線以及畸變等的特性 模擬示意圖；圖11-13為依據(jù)本發(fā)明另一實施例，變焦鏡頭模塊剖面示意圖；圖14-16為依據(jù)本發(fā)明一些實施例，繪示調(diào)幅轉(zhuǎn)換函數(shù)(MTF)隨著空間頻率變化 的特性仿真示意圖；圖17-19為依據(jù)本發(fā)明一些實施例，繪示縱向球差，像散場曲線以及畸變等的特 性模擬示意圖；圖20-22為依據(jù)本發(fā)明另一實施例，變焦鏡頭模塊針對不同物距的剖面結(jié)構(gòu)示意 圖；圖23為依據(jù)本發(fā)明另一實施例，變焦鏡頭模塊針對不同物距的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標記100、102、104 鏡片組106 鏡片108:次鏡片組110:液態(tài)透鏡單元IlOa:液體部IlObUlOc 透光基板IlOd:外壁150 影像感測面板200、202、204 鏡片組206 影像感測面板208 次鏡片組210 液態(tài)透鏡單元212:成像位置300、302、304 鏡片組306 影像感測面板308 次鏡片組310 液態(tài)透鏡單元
400 棱鏡
具體實施例方式為讓本發(fā)明的上述特征能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附附圖作詳細 說明如下。本發(fā)明提出變焦光學鏡頭模塊，包括三個鏡片組。第一鏡片組有總光焦度為負值 且固定不動。第二鏡片組的總光焦度為正值，例如是由至少一片光焦度(focusing power) 不等于零的鏡片和一個液態(tài)透鏡所組合而成。此第二鏡片組在軸向移動用來做變焦的用 途，其由廣角端到長焦端的移動方向是由像方往物方移動。液態(tài)透鏡用來做第二鏡片組在 軸向移動變焦時，對像面位置的補償和在相同放大倍率下不同物距的像面位置補償。液態(tài) 透鏡由二種不相溶且折射率不同但密度相近的液體組成，利用外部控制以改變二種不相溶 液體該界面的一曲率而改變該光焦度值。第三鏡片組包含至少一片光焦度不等于零的鏡 片，且固定不動。以下舉一些實施例來說明本發(fā)明，但是本發(fā)明不僅限于所舉的一些實施例。又，所 舉的一些實施例之間也可以相互結(jié)合，構(gòu)成其它實施例。圖1為依據(jù)本發(fā)明一實施例，具有液態(tài)鏡片的變焦鏡頭模塊剖面結(jié)構(gòu)示意圖。參 閱圖1(a)，本實施例的變焦鏡頭模塊包括三個鏡片組100、102、104。鏡片組100與鏡片組 104是在固定位置。鏡片組102可以在光軸上移動。拍攝對象最后利用鏡片組104在影像 感測面板150上成像，因此拍攝到影像。于本實施例，拍攝對象是在左方也稱為物方，成像 位置是在右方也稱為像方。鏡片組100是由至少一鏡片所組成，而較佳的簡單實施方式例如是由一個鏡片 106所構(gòu)成，且總光焦度例如為負值。鏡片106例如是一個凸凹鏡片具有負的總光焦度。當 然，依照光學鏡片的設(shè)計，所要的負的光焦度也可以由多個鏡片組成。于本實施例，光軸是以直線為例來說明。然而，如果需要的話，鏡片組100也可加 入光線偏折的光學組件，例如可以利用一棱鏡改變光軸的路徑方向，其方式會于后面描述。鏡片組102是設(shè)置在光軸上，但是可以沿著光軸前后移動，達到廣角與望遠的變 焦。圖1(a)是鏡片組102被調(diào)置在廣角端(wide-position)的情形，其中物距是以^ii為 例。圖1(b)是鏡片組102的位置是被調(diào)置在長焦端(tele-position)的情形。換句話說， 鏡片組102從廣角端到長焦端的位置變化例如是由像方到物方移動，也就是如在附圖中是 由右向左移動。鏡片組102的作用除了可以同時達到變焦與對焦的調(diào)整，可以使像高較高，不因 液態(tài)透鏡口徑的限制而影響像高，像高較高表示可以用面積較大的影像感測面板150，面積 較大的影像感測面板150像素較多，可以表現(xiàn)較高的分辨率。鏡片組102的總光焦度例如是正值。鏡片組102例如包括至少一鏡片與一液態(tài)透 鏡單元110。至少一鏡片例如是由固態(tài)鏡片所組成的次鏡片組108。液態(tài)透鏡單元110具 有可調(diào)的光焦度。次鏡片組108包括至少一個光焦度不為零的鏡片。又次鏡片組108是與 液態(tài)透鏡單元110可以是分離設(shè)置或是整合設(shè)置。又，鏡片組102可以包括一光圈(stop)， 例如是設(shè)置在次鏡片組108與液態(tài)透鏡單元110之間，以增加進光量。鏡片組104設(shè)置在光軸上的固定位置，具有不為零的總光焦度，其與其它二個鏡片組100、102的關(guān)系是，鏡片組102介于鏡片組100與鏡片組104之間。鏡片組104也是 由至少一片光焦度不為零的鏡片所組合，但是較佳的方式例如采用單一片的鏡片。于本實 施例，鏡片組104的總光焦度例如是負值。圖2-3為依據(jù)本發(fā)明一實施例，以圖1的具有液態(tài)鏡片的變焦鏡頭模塊，針對不同 物距的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。參閱圖2，用圖1的相同結(jié)構(gòu)，但是針對物距為25cm的取像操作時，鏡片組102會 有不同的位置。在圖2(a)，鏡片組102的位置是調(diào)整在廣角端。在圖2(b)，鏡片組102的 位置是調(diào)整在長焦端。另外，液態(tài)透鏡單元110的光焦度會隨著變化以補償成像位置。液 態(tài)透鏡單元110的光焦度變化是利用外部控制液態(tài)透鏡單元110中的液體界面的曲率。參閱圖3，其也是以圖1的相同結(jié)構(gòu)，但是針對物距為IOcm的取像操作。鏡片組 102在圖3(a)是調(diào)整在廣角端的位置。鏡片組102在圖3(b)是調(diào)整在長焦端的位置。相 似情形，液態(tài)透鏡單元110中的液體界面的曲率也隨著由廣角端到長焦端的變化而變化， 例如更凸向物方的變化。圖4為依據(jù)本發(fā)明一實施例，液態(tài)透鏡單元110的結(jié)構(gòu)變化剖面示意圖。參閱圖 4(a)，就一般的液態(tài)透鏡的結(jié)構(gòu)而言，如傳統(tǒng)方式會包括液體部110a，由二種液體，例如水 與油組成，另外還有二個透光基板光焦度為0，IlObUlOc在液體部IlOa的兩端，又再配合 外壁IlOd將液體部IlOa包圍成為液態(tài)透鏡單元110。如傳統(tǒng)方式，外壁IlOd上會有電極 結(jié)構(gòu)利用一般所知的電潤濕法(electro wetting)的機制改變曲面的曲率。參閱圖4(b)，以圖4(a)的傳統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，配合鏡片組102中的鏡片組108所需 要的光焦度，鏡片組108可以與液態(tài)透鏡單元110整合。這就是說，圖4(a)中的透光基板 IlOb可以也具有光焦度，因此可以取代鏡片組108的至少一部分的構(gòu)件。參閱圖4(c)，其與圖4(b)是類似的機制，將圖4(a)中的透光基板IlOc改變?yōu)榫?有光焦度的結(jié)構(gòu)，其也是配合鏡片組108的整體設(shè)計達到鏡片組102所需要的總光焦度變 化。參閱圖4(d)，其與圖4(b)是類似的機制，更將圖4(a)中的二個透光基板110b、 IlOc都改變?yōu)榫哂泄饨苟鹊慕Y(jié)構(gòu)，其也是配合鏡片組108的整體設(shè)計達到鏡片組102所需 要的總光焦度變化。圖5-為依據(jù)本發(fā)明一些實施例，繪示調(diào)幅轉(zhuǎn)換函數(shù)(MTF)隨著空間頻率變化的特 性仿真示意圖。參閱圖5，對應(yīng)圖1在物距為ail的操作條件下，圖5 (a)是廣角端的特性，圖 5(b)是長焦端的特性。參閱圖6，其是對應(yīng)圖2在物距為25cm的操作條件下的調(diào)幅轉(zhuǎn)換函 數(shù)特性。參閱圖7，其是對應(yīng)圖3在物距為IOcm的操作條件下的調(diào)幅轉(zhuǎn)換函數(shù)特性。換句 話說，本發(fā)明的設(shè)計是具有實際效用的設(shè)計。圖8-10為依據(jù)本發(fā)明一些實施例，繪示縱向球差，像散場曲線以及畸變等的特性 模擬示意圖。參閱圖8，其是對應(yīng)圖1的操作條件在物距為ail的縱向球差(Longitudinal spherical aberration)，像散場曲線(Astigmatic field curve)以及畸變(distortion) 的特性。圖8(a)是廣角端的特性，圖8(b)是長焦端的特性。參閱圖9，其是對應(yīng)圖2的操 作條件在物距為25cm的縱向球差，像散場曲線以及畸變的特性。圖9(a)是廣角端的特性， 圖9(b)是長焦端的特性。參閱圖10，其是對應(yīng)圖3的操作條件在物距為IOcm的縱向球差， 像散場曲線以及畸變的特性。圖10(a)是廣角端的特性，圖10(b)是長焦端的特性。
在圖1的實施例中，分別鏡片的曲面型態(tài)(Surface type)、曲率半徑(Radius)、厚 度(Thickness)以及材料等的實施例如表一到表四所列。表一曲面序號曲面型態(tài)半徑(mm)厚度(mm)(Nd, Vd)物件球面1.0E+182000*11非球面123. 9964421. 694,56. 32非球面23. 4113496.813*23非球面39. 3074091.26240281. 53,55. 74非球面4-6. 062720.91017735非球面54.86368921. 639,236非球面62.0558570.38726877非球面73.7391240. 71. 53,55. 78非球面8-5. 433580.1657301光圈球面1.0E+180. 5510球面1.0E+180. 31. 51,56. 411球面1.0E+180.29*31. 48，38. 412球面11.1735*50.36*41. 39，58. 713球面1.0E+180. 551. 51,56. 414球面1.0E+180.622*615非球面96.8404980. 71. 639,2316非球面106.4405472.089355517球面1.0E+180. 31. 51,56. 418球面1.0E+180影像球面1.0E+180
在表一中，曲面型態(tài)是球面與非球面的組合，其順序是由左到右從鏡片106開始 到影像感測面板150的背面的18個面。影像感測面板150的背面是成像面。厚度是指從表 面在光軸上向右延伸的厚度。材料是以折射系數(shù)Nd與Abbe數(shù)值(Abbe number) Vd表示， 其中具有“*”表記的數(shù)值變化由表四描述。表二與表三描述非球面的型態(tài)。表四描述針對ail，25cm、IOcm的三種物距下對應(yīng) 廣角端與長焦端的位置，其對應(yīng)表一中的厚度。表二
權(quán)利要求
1.一種變焦鏡頭模塊，其特征在于，包括第一鏡片組，設(shè)置在一光軸上的固定位置，具有第一總光焦度； 第二鏡片組，在該光軸上可軸向前后移動，以同時達到對焦與變焦的調(diào)整，其中該第二 鏡片組具有第二總光焦度，包括液態(tài)透鏡單元，具有可調(diào)的光焦度；以及至少一鏡片，該至少一鏡片的光焦度不為零，其中該至少一鏡片是與該液態(tài)透鏡單元 分離設(shè)置或是整合設(shè)置；以及第三鏡片組，設(shè)置在該光軸上的固定位置，具有不為零的第三總光焦度，其中該第二鏡 片組是在該第一鏡片組與該第三鏡片組之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第二鏡片組在該光軸上軸向 移動以達到變焦作用，且從廣角端到長焦端的移動方向是由像方往物方移動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該液態(tài)透鏡單元是由二種液體 所組成，該二種液體是不相溶且折射系數(shù)不同但密度相接近而構(gòu)成一界面，利用電潤濕法 來改變該界面的曲率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第一鏡片組包括一棱鏡片轉(zhuǎn) 折該光軸的方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第二鏡片組還包括一個光圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該光圈設(shè)置在該液態(tài)透鏡單元 或是該鏡片上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第二鏡片組的該光圈位置是 該光圈在該至少一鏡片與該液態(tài)透鏡單元的前方更接近該第一鏡片組；或是該光圈在該至少一鏡片與該液態(tài)透鏡單元的后方更遠離該第一鏡片組。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該光圈設(shè)置在該液態(tài)透鏡單元 與該鏡片之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第二鏡片組的該液態(tài)透鏡單 元包括第一透光基板，可以為平面基板或曲面基板，朝向物方； 第二透光基板，可以為平面基板或曲面基板，朝向像方； 外壁，與第一透光基板及該第二透光基板構(gòu)成容置空間； 第一液體，有第一折射系數(shù)，填入于該容置空間；以及第二液體，有第二折射系數(shù)，填入于該容置空間與該第一液體不相溶解，其中該第一液 體與該第二液體構(gòu)成一界面，其中利用外部的電性控制以改變該界面的曲率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第二鏡片組的該液態(tài)透鏡單 元與該至少一鏡片是整合設(shè)置，其中該第一透光基板是曲面基板，提供該第二鏡片組至少 一鏡片所需要的光焦度的至少一部份。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該至少一鏡片即是該第一透 光基板。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第二鏡片組的該液態(tài)透鏡單元與該至少一鏡片是整合設(shè)置，其中該第二透光基板是曲面基板，提供該至少一鏡片所需 要的光焦度的至少一部份。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該至少一鏡片即是該第二透 光基板。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該液態(tài)透鏡單元的該第一透光 基板與該第二透光基板皆是平面基板。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第二鏡片組的該液態(tài)透鏡單 元與該至少一鏡片是分離設(shè)置。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該液態(tài)透鏡單元的作用包括 在該第二鏡片組軸向移動變焦時，對像面位置做補償；以及該第二鏡片組在相同放大倍率下，對不同的物面位置所產(chǎn)生的該像面位置做補償。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第一總光焦度為負值且該第 二總光焦度為正值。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第三鏡片組的總光焦度是正值。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第三鏡片組的總光焦度是負值。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該液態(tài)透鏡單元的最大有效口 徑小于影像感測面的對角線。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第二鏡片組中的該至少一鏡 片是一個正焦度鏡片。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第二鏡片組中的該至少一鏡 片與該液態(tài)透鏡單元是分離設(shè)置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該第二鏡片組還包括一個光圈。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的變焦鏡頭模塊，其特征在于，該光圈設(shè)置在該至少一鏡片 與該液態(tài)透鏡單元之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種變焦鏡頭模塊，包括一第一鏡片組、一第二鏡片組以及一第三鏡片組。第一鏡片組設(shè)置在一光軸上的固定位置，具有負的總光焦度。第二鏡片組設(shè)置在該光軸上可軸向前后移動，以同時達到對焦與變焦的調(diào)整，且第二鏡片組具有正的總光焦度包括一液態(tài)透鏡單元以及光焦度不為零的至少一鏡片，其中此至少一鏡片是與液態(tài)透鏡單元分離設(shè)置或是整合設(shè)置。第三鏡片組設(shè)置在該光軸上的固定位置，具有不為零的總光焦度。
文檔編號G02B15/16GK102053344SQ200910209178
公開日2011年5月11日 申請日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者張奇?zhèn)? 林秉忠, 王淇霖, 蘇鈴達 申請人:菱光科技股份有限公司, 財團法人工業(yè)技術(shù)研究院