專利名稱：可變焦度光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
可變焦度光學(xué)系統(tǒng)相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)要求于2009年4月10日提交的第61/168，523號(hào)美國臨時(shí)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)， 該臨時(shí)申請(qǐng)的全部內(nèi)容通過引用并入本文并成為本說明書的一部分。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及可變焦度(power)光學(xué)系統(tǒng)。一些變焦透鏡設(shè)計(jì)對(duì)在設(shè)計(jì)中使用的透鏡分組，其中，一組主要用于變焦，第二組主要用于保持圖像聚焦，第三組用于保持像平面靜止。第四組還可用于形成清晰的圖像。聚焦組可被調(diào)節(jié)以使變焦透鏡在任一焦距位置處聚焦而不需要對(duì)該變焦透鏡的其他焦距重新聚焦。變焦組(或“變化器”)在變焦期間引起顯著的放大率變化。穩(wěn)定像平面的透鏡組還可用于提供放大率。變焦透鏡中的期望特征包括高變焦比和廣角視場(chǎng)。隨著透鏡系統(tǒng)的變焦范圍增加，通常長度和重量也增加。因?yàn)橄M(fèi)產(chǎn)品(諸如蜂窩電話或傻瓜相機(jī))通常小且輕，所以包含在這些產(chǎn)品中的變焦透鏡受到尺寸和重量的約束。此外，隨著透鏡系統(tǒng)的焦距范圍增加，通常聚焦問題也常常在廣角視場(chǎng)變焦位置處增加。

發(fā)明內(nèi)容
液體透鏡單元在腔內(nèi)包括兩種或多種流體。流體接觸以形成例如通過電節(jié)點(diǎn)可變的表面。流體可以是例如一種或多種氣體、一種或多種液體、或一種或多種固體與一種或多種液體的混合物。使用液體透鏡單元替換一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)透鏡組導(dǎo)致光路的額外配置選擇。液體單元可用于復(fù)合變焦透鏡系統(tǒng)以利用這些性質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。許多傻瓜相機(jī)和手機(jī)相機(jī)不具有用于長透鏡的大量空間。使用結(jié)合折疊的液體單元或重定向放射軸線允許在這些小的相機(jī)封裝中提供更好的變焦透鏡系統(tǒng)。更大的相機(jī)也能夠獲益。


圖1A-1D是采用6個(gè)液體透鏡單元的復(fù)合變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中通過改變液體的表面來提供一系列變焦位置；圖2A-2D是采用5個(gè)液體透鏡單元的復(fù)合變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中通過改變液體的表面來提供一系列變焦位置；圖3A-3D是采用5個(gè)液體透鏡單元的復(fù)合變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中通過改變液體的表面來提供一系列變焦位置；圖4A-4D是采用4個(gè)液體透鏡單元的復(fù)合變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中通過改變液體的表面來提供一系列變焦位置；圖5A-5D是采用3個(gè)液體透鏡單元的復(fù)合變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中通過改變液體的表面來提供一系列變焦位置；圖6A-6D是采用3個(gè)液體透鏡單元的復(fù)合變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中通過改變液體的表面來提供一系列變焦位置；圖7A-7D是采用2個(gè)液體透鏡單元的復(fù)合變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中通過改變液體的表面來提供一系列變焦位置；圖8A-8D是采用1個(gè)移動(dòng)透鏡組和2個(gè)液體透鏡單元的復(fù)合變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中通過改變液體表面來提供一系列變焦位置；以及圖9示出具有變焦透鏡的相機(jī)的框圖。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖進(jìn)行描述。應(yīng)理解，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可使用其它結(jié)構(gòu)和/或?qū)嵤┓绞?。液體透鏡單元能夠在不依靠液體單元的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的情況下改變光路。包括第一和第二接觸液體的液體透鏡單元可被配置為使得接觸液體之間的接觸光學(xué)表面具有可變形狀，該可變形狀可相對(duì)于液體透鏡單元的光軸基本對(duì)稱。多個(gè)透鏡元件可沿著公共光軸對(duì)齊并被配置為收集從物側(cè)空間發(fā)出并傳輸至像側(cè)空間的放射。液體透鏡單元可被插入由沿著公共光軸對(duì)齊的多個(gè)透鏡元件形成的光路中。液體透鏡單元的光軸可平行于公共光軸， 或其可與公共光軸成一角度或偏離公共光軸。目前預(yù)期的液體透鏡系統(tǒng)的折射率之差為約0. 2或更大，優(yōu)選地至少約0. 3，在一些實(shí)施方式中至少約0. 4。水具有約1. 3的折射率，且加鹽后折射率可變?yōu)榧s1. 48。適合的光學(xué)油可具有至少約1. 5的折射率。即使利用具有較高、較低、或較高和較低折射率的液體，例如較高折射率的油，焦度變化的范圍仍然有限。焦度變化的有限范圍提供的放大率變化通常比可移動(dòng)透鏡組的放大率變化小。因此，在簡單的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)中，為了提供變焦的同時(shí)保持恒定的像面位置，大部分的放大率變化可通過一個(gè)可移動(dòng)透鏡組提供，放大率變化期間像面處的大部分散焦補(bǔ)償可通過一個(gè)液體單元提供。應(yīng)注意，可利用更多的可移動(dòng)透鏡組或更多的液體單元，或可利用更多的可移動(dòng)透鏡組和更多的液體單元。在2008年10月6日提交的題為“Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus (液體光學(xué)變焦透鏡和成像裝置)”的第12/M6，224號(hào)美國專利申請(qǐng)中描述了結(jié)合一個(gè)或多個(gè)液體單元使用的一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)透鏡組的實(shí)施例，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。在系統(tǒng)中使用的透鏡元件的尺寸和性質(zhì)引入了在設(shè)計(jì)透鏡系統(tǒng)時(shí)將要考慮的約束。例如，一個(gè)或多個(gè)透鏡元件的直徑可限制在像面上形成的圖像的尺寸。對(duì)于具有可變性質(zhì)的透鏡系統(tǒng)，諸如可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)器件可基于透鏡元件的變化而改變。因此， 第一個(gè)透鏡元件可將透鏡系統(tǒng)約束在第一變焦配置中，而第二透鏡元件將透鏡系統(tǒng)約束在第二變焦配置中。例如，光束的邊緣光線可在變焦范圍的一個(gè)極端處接近透鏡元件的外邊緣，并在變焦范圍的另一個(gè)極端處顯著遠(yuǎn)離相同透鏡元件的外邊緣。圖1A-1D示出形成中間圖像108和最終圖像107的簡化的復(fù)合可變焦度光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)圖。如圖所述，光闌109被設(shè)置為剛好位于透鏡的中繼部分中的液體透鏡單元104 之后?？勺兘苟裙鈱W(xué)系統(tǒng)可以例如與相機(jī)一起使用。圖IA示出廣角位置中的變焦比，而圖 ID示出長焦位置(telephoto position)中的變焦比。圖1A-1D所示的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)不具有移動(dòng)透鏡組。相反，通過6個(gè)液體透鏡單元101、102、103、104、105和106完成了最終圖像處的變焦和恒定聚焦，其中液體透鏡單元 101、102、103、104、105 和 106 各自具有可變的表面 111、112、113、114、115 和 116。可使用控制系統(tǒng)來控制液體透鏡單元101、102、103、104、105和106中的接觸光學(xué)表面的可變形狀。應(yīng)理解，每個(gè)液體透鏡單元可包括多個(gè)表面，這些表面是可控的和/或固定的。在一些實(shí)施方式中，液體透鏡單元可包括兩個(gè)或多個(gè)液體單元的組合。在組合的單元之間可放置板。該板可具有可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要而設(shè)置的光焦度。液體透鏡單元還可具有位于外表面上的板。在一些實(shí)施方式中，外表面上的板可提供光焦度或折疊功能。板和其它透鏡元件可以是球面或非球面的，以提供改進(jìn)的光學(xué)特性。單獨(dú)的透鏡元件可由例如玻璃、塑料、結(jié)晶體或半導(dǎo)體材料的固相材料構(gòu)成，或它們可利用例如水或油的液態(tài)或氣態(tài)材料構(gòu)成。透鏡元件之間的空間可包含一種或多種氣體。例如，可使用標(biāo)準(zhǔn)空氣、氮?dú)饣蚝??？蛇x地，透鏡元件之間的空間可為真空。當(dāng)本公開中使用“空氣”時(shí)，應(yīng)該理解使用的是廣義含義，其可包括一種或多種氣體，或真空。透鏡元件可以具有諸如紫外線濾光片的覆層。液體透鏡單元中的液體可具有固定的體積，并且液體透鏡單元的外表面的形狀可以是固定的。在附圖中，液體透鏡單元中的一些以建議液體體積變化和/或液體透鏡單元的外表面的形狀變化的方式示出。這還意味著表面的頂點(diǎn)軸向移動(dòng)。圖示通過計(jì)算機(jī)軟件在不對(duì)液體透鏡單元的體積或形狀進(jìn)行約束的情況下生成。附圖示出了在可變焦度光學(xué)系統(tǒng)中使用液體透鏡單元的概念，并且可以對(duì)可能使用的各種液體透鏡單元進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?。圖1A-1D中所示的透鏡元件被設(shè)置為形成中間圖像108。雖然中間圖像108的位置和尺寸隨著變焦位置的變化而變化，但其仍然位于液體透鏡單元101與102之間。雖然圖1A-1D示出了在物鏡組之后跟隨著一個(gè)中繼光學(xué)器件組，但是還可以使用多個(gè)中繼光學(xué)器件組以獲得更高的放大率。附加的放大率可用高折射率流體獲得。使用液體透鏡單元替換一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)透鏡組導(dǎo)致光路的附加的配置選擇。通過用液體透鏡單元替換移動(dòng)透鏡組有助于附加的設(shè)計(jì)可能性。例如，線性光學(xué)設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致透鏡比所需的長。使用液體透鏡單元代替移動(dòng)組有助于使用光學(xué)元件(諸如折疊)以重定向放射軸線并減少透鏡的物理長度。雖然穿過透鏡的光路的總長度可保持不變，但液體透鏡單元可以為減少一個(gè)或多個(gè)方向上長度的折疊提供策略性空間。這允許在更小的相機(jī)封裝中使用更長的總透鏡長度。例如，許多傻瓜相機(jī)和手機(jī)相機(jī)不具有用于長透鏡的大量空間。使用結(jié)合折疊的液體單元允許在這些小相機(jī)封裝中提供更好的透鏡系統(tǒng)。更大的相機(jī)也能夠從減少相機(jī)封裝的長度中獲益，這將是不使用折疊的透鏡系統(tǒng)所需要的。使用液體透鏡單元還可允許更小的直徑，特別是朝向透鏡設(shè)計(jì)的前部并且特別是廣角視場(chǎng)位置。與傳統(tǒng)的移動(dòng)組變焦透鏡設(shè)計(jì)相比，與較小前部直徑結(jié)合的折疊可提供更加緊湊且按照人體工學(xué)成形的相機(jī)封裝。圖2A-2D示出采用5個(gè)液體單元121、122、123、IM和125的簡化的復(fù)合可變焦度光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中液體透鏡單元各自具有可變表面131、132、133、134和135。光闌 1 被設(shè)置為剛好位于中繼光學(xué)器件組中的液體單元123之后。光學(xué)系統(tǒng)形成中間圖像128 和最終圖像127。
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圖3A-3D示出采用5個(gè)液體單元121、122、123、IM和125的簡化的復(fù)合可變焦度光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中液體透鏡單元各自具有可變表面131、132、133、134和135。這個(gè)設(shè)計(jì)類似于圖2A-2D中所示的設(shè)計(jì)，但光闌1 設(shè)置在物鏡組中。這可以改善圖像質(zhì)量并且可允許液體單元具有更小的直徑，但也可以降低相對(duì)照度。圖4A-4D示出采用4個(gè)液體單元141、142、143和144的簡化的復(fù)合可變焦度光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中液體透鏡單元各自具有可變表面151、152、153和154。光闌149設(shè)置在中繼透鏡組中。光學(xué)系統(tǒng)形成中間圖像148和最終圖像147。圖5A-5D示出采用3個(gè)液體單元161、162和163的簡化的復(fù)合可變焦度光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中液體透鏡單元各自有可變表面171、172和173。光闌169設(shè)置在中繼透鏡組中。光學(xué)系統(tǒng)形成中間圖像168和最終圖像167。圖6A-6D示出采用3個(gè)液體單元161、162和163的簡化的復(fù)合可變焦度光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中液體透鏡單元各自具有可變表面171、172和173。光闌169設(shè)置在物鏡組中。光學(xué)系統(tǒng)形成中間圖像168和最終圖像167。圖7A-7D示出采用2個(gè)液體單元181和182的簡化的復(fù)合可變焦度光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中液體透鏡單元各自具有可變表面191和192。光闌189設(shè)置在物鏡組中。光學(xué)系統(tǒng)形成中間圖像188和最終圖像187。圖8A-8D示出采用2個(gè)液體單元201和202的簡化的復(fù)合可變焦度光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)圖，其中液體透鏡單元各自具有可變表面211和212。所示實(shí)施方式還具有移動(dòng)透鏡組 203。中間圖像形成于像面208處，位于液體單元201與202之間。光學(xué)元件的這種配置導(dǎo)致最終圖像207大于在先前實(shí)施方式中獲得的最終圖像。這允許使用更大的圖像傳感器， 諸如Ilmm至^mm及以上的傳感器。因?yàn)橐后w單元的直徑可能不足夠大到獲得所需的性能， 所以移動(dòng)透鏡組在傳感器附近使用。值得注意，最終圖像207還大于液體透鏡單元的可變表面211和212處的邊緣光線。對(duì)于圖1-8中所示的每一種透鏡設(shè)計(jì)，附上由市面上可買到的來自美國加利福尼亞州帕薩迪納市的Optical Research Associates公司的第9. 70版CodeV光學(xué)設(shè)計(jì)軟件所產(chǎn)生的列表作為本說明書的一部分，并且其全部內(nèi)容通過引用并入本文。圖9示出了具有變焦透鏡302的相機(jī)300的框圖。圖9還示出了透鏡控制模塊 304，其控制透鏡302中的透鏡組的移動(dòng)和操作?？刂颇K304包括控制液體透鏡單元的曲率半徑的電子電路。用于各種聚焦位置和變焦位置的適當(dāng)?shù)碾娮有盘?hào)電平可被預(yù)先確定和設(shè)置在一個(gè)或多個(gè)查找表中。可選地，模擬電路或電路與一個(gè)或多個(gè)查找表的組合可生成適當(dāng)?shù)男盘?hào)電平。在一個(gè)實(shí)施方式中，使用一個(gè)或多個(gè)多項(xiàng)式確定適當(dāng)?shù)碾娮有盘?hào)電平。沿著多項(xiàng)式的點(diǎn)可被存儲(chǔ)在查找表中，或者多項(xiàng)式可通過電路實(shí)現(xiàn)。查找表、多項(xiàng)式、和/或其他電路可以使用用于變焦位置、聚焦位置、溫度、或其他條件的變量。在控制液體之間的表面的曲率半徑時(shí)還可考慮熱效應(yīng)。多項(xiàng)式或查找表可包括與熱效應(yīng)相關(guān)的額外的變量?？刂颇K304可包括用于特定變焦設(shè)置或焦距的預(yù)置控制。這些設(shè)置可由使用者或相機(jī)制造商存儲(chǔ)。圖9進(jìn)一步示出圖像捕獲模塊306，圖像捕獲模塊306接收與外部物體相對(duì)應(yīng)的光學(xué)圖像。該圖像沿著穿過透鏡302的光軸被傳輸至圖像捕獲模塊306。圖像捕獲模塊306可采用不同的形式，諸如膠片(例如生膠片或靜止影像膠片)，或電子圖像檢測(cè)技術(shù)(例如 CXD陣列、CMOS裝置或視頻拾取電路)。光軸可為線狀的，或者光軸可包括折疊。圖像存儲(chǔ)模塊308將所捕獲的圖像保存在例如板上存儲(chǔ)器或膠片、磁帶或磁盤上。在一個(gè)實(shí)施方式中，存儲(chǔ)介質(zhì)為可移除的(例如閃存、膠片卷、盒式磁帶或磁盤)。圖像傳輸模塊310將所捕獲的圖像傳輸至其他裝置。例如，圖像傳輸模塊310可使用一種或多種連接，例如USB端口、IEEE 1394多媒體連接、以太網(wǎng)端口、藍(lán)牙無線連接、 IEEE 802. 11無線連接、視頻部件連接或S視頻連接。相機(jī)300可以以多種方式實(shí)施，諸如攝像機(jī)、手機(jī)相機(jī)、數(shù)字圖像攝像機(jī)或膠片攝像機(jī)。聚焦和變焦組中的液體單元可用于提供穩(wěn)定性，如2008年12月3日提交的題為 "liquid Optics Image Stabilization(液體光學(xué)圖像穩(wěn)定性)”的第12/327，666號(hào)美國專利申請(qǐng)所描述的，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。通過使用非移動(dòng)透鏡組，折疊可用于減少總體尺寸，如2008年 12月 3 日提交的題為‘‘Liquid Optics with Folds Lens and Imaging Apparatus (具有折疊透鏡的液體光學(xué)器件和成像裝置)，，的第12/327，651號(hào)美國專利申請(qǐng)所描述的，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)透鏡組可結(jié)合一個(gè)或多個(gè)液體單元使用，如2008年10月6日提交的題為‘‘Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus (液體光學(xué)變焦透鏡和成像裝置)，，的第12/M6，224號(hào)美國專利申請(qǐng)所描述，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。應(yīng)該注意，各種改變和修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。這些改變和修改應(yīng)理解為包含在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種位于公共光軸上并用于形成物體的最終圖像的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有物側(cè)和像側(cè)以及位于所述物體與所述最終圖像之間的至少一個(gè)中間實(shí)像，所述系統(tǒng)包括至少第一可變焦度光學(xué)部件，位于所述物體與中間實(shí)像之間，所述第一可變焦度光學(xué)部件使焦度發(fā)生變化以改變所述中間實(shí)像的放大率；以及至少第二可變焦度光學(xué)部件，位于所述中間實(shí)像與最終圖像之間，所述第二可變焦度光學(xué)部件使焦度發(fā)生變化以改變所述最終圖像的放大率，所述第一可變焦度光學(xué)部件和所述第二可變焦度光學(xué)部件中的至少一個(gè)靜止在所述光軸上并且包括至少兩種具有不同折射性質(zhì)的液體和兩種液體之間的至少一個(gè)可變形狀接觸表面，所述接觸表面的形狀的變化使所述光學(xué)系統(tǒng)中的光焦度發(fā)生了改變。
2.如權(quán)利要求1所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一可變焦度光學(xué)部件和所述第二可變焦度光學(xué)部件的變化提供變焦。
3.如權(quán)利要求2所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一可變焦度光學(xué)部件和所述第二可變焦度光學(xué)部件的變化提供聚焦。
4.如權(quán)利要求2所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一可變焦度光學(xué)部件的變化提供聚焦。
5.如權(quán)利要求2所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第二可變焦度光學(xué)部件的變化提供聚焦。
6.如權(quán)利要求1所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一可變焦度光學(xué)部件和所述第二可變焦度光學(xué)部件的變化提供變焦和聚焦的組合。
7.如權(quán)利要求1所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，光闌位于所述物體與所述中間圖像之間。
8.如權(quán)利要求1所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，光闌位于所述中間圖像與所述最終圖像之間。
9.如權(quán)利要求1所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第一可變焦度光學(xué)部件包括至少一個(gè)移動(dòng)透鏡組。
10.如權(quán)利要求1所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第二可變焦度光學(xué)部件包括至少一個(gè)移動(dòng)透鏡組。
11.如權(quán)利要求1所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，所述第二可變焦度光學(xué)部件是靜止的，所述可變焦度光學(xué)系統(tǒng)還包括位于所述中間實(shí)像與最終圖像之間的至少一個(gè)移動(dòng)透鏡組。
12.如權(quán)利要求1所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，至少一個(gè)光學(xué)表面具有非球面輪廓。
13.如權(quán)利要求7所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，光圈基本設(shè)置在所述光闌位置處以提供可變的孔徑。
14.如權(quán)利要求8所述的可變焦度光學(xué)系統(tǒng)，其中，光圈基本設(shè)置在所述光闌位置處以提供可變的孔徑。
全文摘要
液體透鏡單元用于在物體與最終圖像之間形成中間圖像的復(fù)合可變焦度光學(xué)系統(tǒng)。第一可變焦度光學(xué)部件位于物體與中間實(shí)像之間。第一可變焦度光學(xué)部件使焦度發(fā)生變化，以改變中間實(shí)像的放大率。第二可變焦度光學(xué)部件位于中間實(shí)像與最終圖像之間。第二可變焦度光學(xué)部件使焦度發(fā)生變化，以改變最終圖像的放大率。第一可變焦度光學(xué)部件和第二可變焦度光學(xué)部件中的至少一個(gè)靜止在光軸上并且包括至少兩種具有不同折射性質(zhì)的液體和這兩種液體之間的至少一個(gè)可變形狀接觸表面，通過接觸表面的形狀變化使光學(xué)系統(tǒng)中的光焦度發(fā)生了改變。
文檔編號(hào)G02B3/14GK102388332SQ201080016154
公開日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者艾恩·A·尼爾, 詹姆士·H·詹納德 申請(qǐng)人:黑眼睛光學(xué)有限公司