專利名稱：可變焦度光學系統(tǒng)的制作方法
可變焦度光學系統(tǒng)相關申請本申請要求于2009年4月10日提交的第61/168，5M號美國臨時申請的優(yōu)先權， 該臨時申請的全部內(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：
本發(fā)明涉及采用液體光學器件的可變焦度(power)光學系統(tǒng)。變焦透鏡通常具有三個或更多個移動透鏡組以實現(xiàn)變焦和聚焦功能。機械凸輪可連接兩個可移動透鏡組以進行變焦，第三可移動透鏡組可用于聚焦。變焦范圍部分地由可移動透鏡元件的移動范圍確定。更大的變焦范圍可能需要用于透鏡元件移動的額外空間。諸如電荷耦合器件(CXD)傳感器和CMOS圖像傳感器(CIS)的圖像傳感器通過諸如光電二極管的小的光敏區(qū)域收集光。圖像傳感器可使用微透鏡以通過從大的光收集區(qū)域收集和聚焦光來改善光敏性。到達微透鏡或光敏區(qū)域的光的入射角影響光敏區(qū)域所收集的光的量，其中在一些角度上接收的光比在其它角度上接收的光更不太可能到達光敏區(qū)域。理想地，光在光敏區(qū)域上的入射角是恒定的。然而，當變焦透鏡改變焦距時，光的入射角可以改變。因此，當入射角改變時，在變焦位置的范圍內(nèi)移動透鏡可能導致不期望的結果。

發(fā)明內(nèi)容
可變焦度光學部件可被用來使光在像面上的入射角的變化最小化。在一個實施方式中，可變焦度光學系統(tǒng)包括具有至少第一液體透鏡單元的第一透鏡組、具有至少第二液體透鏡單元的第二透鏡組、以及被配置為控制光線在傳感器上的入射角的第三液體透鏡單元。對變焦位置的控制基本至少部分地基于第一液體透鏡單元的光焦度的配置和第二液體透鏡單元的光焦度的配置。光闌可近似等距地位于第一透鏡組的第一表面與第二透鏡組的最后表面之間。第一液體透鏡單元的直徑與第二液體透鏡單元的直徑大約相同。在一個實施方式中，變焦范圍大于約3倍。在一個實施方式中，變焦范圍大于約4倍。在一個實施方式中，變焦范圍大于約5倍。在一個實施方式中，光學系統(tǒng)被配置為收集從物空間發(fā)出的放射并沿著公共光軸將該放射傳輸至像空間中的像面。靜止在公共光軸上的第一可變焦度光學部件包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面。該接觸表面的形狀被改變以使可變焦度光學部件中的光焦度發(fā)生改變，從而導致接近像面上的像點的主光線角的變化。第二可變焦度光學部件包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面。該接觸表面的形狀被改變以減小由改變第一可變焦度光學部件的形狀所引起的在像面上的像點處的主光線角的變化。第一可變焦度光學部件的形狀可被改變以提供變焦和/或聚焦功能。在一個實施方式中，可變焦度物鏡光學系統(tǒng)使用非軸向移動組。至少一個可變焦度光學部件提供變焦功能，其包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面。該接觸表面的形狀被改變以使可變焦度光學部件中的光焦度發(fā)生改變。另一個可變焦度光學部件包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面。該接觸表面的形狀被改變以至少部分地補償至少部分地由提供變焦功能的可變焦度光學部件所引起的接近像面上的像點的主光線角的變化。在一個實施方式中，可變焦度光學系統(tǒng)包括具有至少第一液體透鏡單元的第一透鏡組、具有至少第二液體透鏡單元的第二透鏡組、以及位于第一透鏡組與第二透鏡組之間的光闌。穿過第一透鏡組、第二透鏡組和光闌的光線表示變焦位置，對變焦位置的控制至少部分地基于第一液體透鏡單元的光焦度的配置和第二液體透鏡單元的光焦度的配置。光闌可近似等距地位于第一透鏡組的第一表面與第二透鏡組的最后表面之間。在一個實施方式中，變焦范圍可大于3倍。在一個實施方式中，變焦范圍可大于4倍。在一個實施方式中， 變焦范圍可大于5倍。在一個實施方式中，可變焦度物鏡光學系統(tǒng)包括至少一個可變焦度光學部件，該至少一個可變焦度光學部件包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面。該接觸表面的形狀被改變以至少部分地補償接近像面上的像點的主光線角的變化。主光線角的這種變化可至少部分地例如由變焦功能、聚焦功能、或變焦功能和聚焦功能的組合所引起。


圖IA和IB是描繪了采用液體的可變焦度光學系統(tǒng)中的軸向光束的邊緣光線的光學圖；圖2A和2B是描繪了采用液體的可變焦度光學系統(tǒng)中的軸向光束的邊緣光線和離軸場射束的邊緣光線的光學圖；圖3A、3B、3C、3D和3E示出光線在像面上的各種入射角；圖4A和4B示出使用液體透鏡單元來調整光線在像面上的入射角；圖5A、5B、5C、5D和5E示出示例性可變焦度光學系統(tǒng)設計的光學圖；以及圖6是相機的框圖。
具體實施例方式下面將參照附圖進行描述。應理解，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可使用其它結構和/或實施方式。液體透鏡單元能夠在不依靠液體單元的機械運動的情況下改變光路。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表面具有可變形狀，該可變形狀可相對于液體透鏡單元的光軸基本對稱。多個透鏡元件可沿著公共光軸對齊并被配置為收集從物側空間發(fā)出并傳輸至像側空間的放射(radiation)。液體透鏡單元可被插入由沿著公共光軸對齊的多個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透鏡組的放大率變化小。因此，在簡單的可變焦度光學系統(tǒng)中，為了提供變焦的同時保持恒定的像面位置，大部分的放大率變化可通過一個可移動透鏡組提供，放大率變化期間像面處的大部分散焦補償可通過一個液體單元提供。應注意，可利用更多的可移動透鏡組或更多的液體單元，或可利用更多的可移動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 (液體光學變焦透鏡和成像裝置)”的第12/M6，224號美國專利申請中描述了結合一個或多個液體單元使用的一個或多個移動透鏡組的實施例，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引入了在設計透鏡系統(tǒng)時將要考慮的約束。例如，一個或多個透鏡元件的直徑可限制在像面上形成的圖像的尺寸。對于具有可變性質的透鏡系統(tǒng)，諸如可變焦度光學系統(tǒng)，光學器件可基于透鏡元件的變化而改變。因此， 第一個透鏡元件可將透鏡系統(tǒng)約束在第一變焦配置中，同時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極端處接近透鏡元件的外邊緣，并在變焦范圍的另一個極端處顯著遠離相同透鏡元件的外邊緣。圖IA和IB示出采用液體透鏡單元的簡化的可變焦度光學系統(tǒng)的光學圖?？勺兘苟裙鈱W系統(tǒng)可以例如與相機一起使用。在圖IA中，第一液體透鏡單元LLCl 20和第二液體透鏡單元LLC2 22被配置為使得變焦比處于廣角位置(wide position)。成像透鏡M在與相機拾取裝置相對應的像面(被示為像平面26)上形成圖像。成像透鏡對可以是液體透鏡單元或其它透鏡類型。圖IA中所示的軸向光束的邊緣光線12接近液體透鏡單元LLC2 22 的外邊緣。因此，液體透鏡單元LLC2 22的直徑是透鏡設計中的限制因素。在圖IB中，液體透鏡單元LLCl 20和液體透鏡單元LLC2 22被配置為使得變焦比處于長焦位置(tel印hoto position)。圖IB中所示的軸向光束的邊緣光線12接近液體透鏡單元LLCl 20的外邊緣， 使液體透鏡單元LLCl的直徑成為限制因素。因此，對于位置范圍之間的軸向光束的邊緣光線12來說，圖IA和IB中所示的簡化設計被優(yōu)化以完全利用液體透鏡單元LLCl 20和液體透鏡單元LLC2 22上的區(qū)域。傳統(tǒng)的變焦透鏡系統(tǒng)利用移動變焦透鏡組來獲得不同的變焦位置。因為圖IA和 IB中所示的可變焦度光學系統(tǒng)利用液體透鏡單元，所以不需要移動透鏡組。相反，可使用控制系統(tǒng)來控制液體透鏡單元LLCl 20和LLC2 22中的接觸光學表面的可變形狀。使用液體透鏡單元取代移動透鏡組便于光闌10在液體透鏡單元LLCl 20和LLC2 22之間的放置。因為液體透鏡單元LLCl 20和LLC2 22不是移動透鏡組，所以不需要關心光闌10將會干擾它們的正確操作。光闌10不需要等距設置在液體透鏡單元之間，并且可根據(jù)需要優(yōu)化光闌的放置。應理解，液體透鏡單元LLCl 20和LLC2 22均可包括多個表面，這些表面是可控的和/或固定的。在一些實施方式中，圖IA和IB中所示的液體透鏡單元可包括兩個或多個液體單元的組合。在組合的單元之間可放置板。該板可具有可以根據(jù)設計需要而設置的光焦度。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，以提供改進的光學特性。
單獨的透鏡元件可由例如玻璃、塑料、結晶體或半導體材料的固相材料構成，或它們可利用例如水或油的液態(tài)或氣態(tài)材料構成。透鏡元件之間的空間可包含一種或多種氣體。例如，可使用標準空氣、氮氣或氦氣?？蛇x地，透鏡元件之間的空間可為真空。當本公開中使用“空氣”時，應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。圖2A和2B示出圖IA和IB的簡化的可變焦度光學系統(tǒng)的附加的光學圖，描繪了軸向光束的邊緣光線12和離軸場射束的邊緣光線14。離軸場射束的主光線16在光闌位置10處與光軸相交，光闌位置由位于邊緣光線外的刻度標記指示。如圖所示，離軸場射束的主光線16在像平面26上的入射角18隨著變焦透鏡從廣角位置變?yōu)殚L焦位置而改變。入射角是重要的，因為其在某種程度上決定到達圖像傳感器的光的量。圖像傳感器可使用微透鏡以通過從大的光收集區(qū)域收集和聚焦光來改善光敏性。然而，如果在變焦中入射角的尺寸和范圍太大，那么微透鏡可能不能將光引向圖像傳感器以在變焦中進行有效感測?？紤]圖3A-3D，其提供了到達圖像傳感器的光的示例性圖示。在圖3A中，主光線 28的入射角18垂直于圖像傳感器，以允許微透鏡將光線順利地引向圖像傳感器。圖3B和 3C還具有入射角18的小變化。微透鏡陣列可被移動以形成優(yōu)化的微透鏡陣列，從而允許將光線順利地重新引向圖像傳感器。圖3D和3E具有更大的入射角18變化和尺寸，從而使得微透鏡將光線弓I向圖像傳感器變得更加困難。因為主光線28的入射角18隨著可變焦度光學系統(tǒng)從廣角位置變?yōu)殚L焦位置而改變，所以一個變焦位置的入射角18可能如圖3B中所示，并且另一個變焦位置的入射角18 可能如圖3C中所示。然而，可能希望減少入射角18的變化。圖4A和4B示出液體透鏡單元LLC3 30被置于圖像傳感器附近的光學圖。當可變焦度光學系統(tǒng)在變焦范圍內(nèi)移動時，液體透鏡單元LLC3 30的光焦度也發(fā)生變化。液體透鏡單元LLC3 30的可變光焦度使得在整個變焦范圍內(nèi)入射角在像面上的變化和尺寸最小化。例如，在一個實施方式中，液體透鏡單元LLC3提供的入射角與垂直于像平面26的方向之間小于10°。在另一個實施方式中，液體透鏡單元LLC3提供的入射角與垂直方向之間小于5°。雖然圖4A和4B將透鏡30示作液體透鏡單元，但也可以使用其它類型的透鏡。延長總的可變焦度光學設計可以允許使用標準透鏡取代液體透鏡單元?？勺兘苟裙鈱W系統(tǒng)的長度部分取決于液體透鏡單元所提供的光焦度的范圍。可通過利用具有高折光率差的液體的液體透鏡單元使透鏡的長度最小化。也可通過利用多個液體透鏡單元和/或折疊使透鏡的長度最小化。為了簡化起見，圖1A、1B、2A、2B、4A和4B將透鏡元件示為包含光焦度的板。應理解，透鏡元件可以由具有不同的透鏡材料和/或光學表面的多個部件構成。圖5A-5E示出示例性可變焦度光學設計的光學圖。圖5A示出廣角位置，圖5E示出長焦位置。圖5B-5D示出中間變焦位置。無窮遠聚焦(infinity focus)被用于圖5A-5E 中所示的所有位置。這種可變焦度光學設計利用5個液體透鏡單元40、42、44、46和48，液體透鏡單元 40、42、44、46和48各自具有可變表面50、52、54、56和58。物空間附近的透鏡組包括兩個液體透鏡單元40、42并用于主要協(xié)助提供聚焦和變焦?？勺兘苟裙鈱W設計還包括用于主要協(xié)助提供變焦的兩個液體單元44、46。在所示實施方式中，光闌60位于包括液體透鏡單元 40,42的透鏡組與包括液體透鏡單元44、46的透鏡組之間?？勺兘苟裙鈱W設計還包括液體透鏡單元48，液體透鏡單元48部分地提供對像平面62處的入射角的控制。所有5個液體透鏡結合在一起以在可變焦度光學系統(tǒng)從廣角位置變?yōu)殚L焦位置并且從無窮遠聚焦變?yōu)榻劢?close focus)時提供對離軸場射束的主光線在像平面上的入射角、聚焦和變焦的控制。如圖5A-5D所示，可變表面54所提供的光焦度保持完全恒定，并且僅在圖5E中顯著改變。這說明如果變焦位置被限制在圖5A-5D所示的范圍，則可用固定透鏡元件替換液體透鏡單元44。因此，液體透鏡單元的數(shù)量可根據(jù)設計需要而發(fā)生變化。對于圖5A-5E中所示的透鏡設計，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光學設計軟件所產(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6示出了具有可變焦度光學系統(tǒng)102的相機100的框圖。圖6還示出了透鏡控制模塊104，其控制光學系統(tǒng)102中的透鏡組的移動和操作?？刂颇K104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?shù)碾娮有盘栯娖娇杀活A先確定和設置在一個或多個查找表中。可選地，模擬電路或電路與一個或多個查找表的組合可生成適當?shù)男盘栯娖?。在一個實施方式中，使用多項式確定適當?shù)碾娮有盘栯娖健?沿著多項式的點可被存儲在查找表中，或者多項式可通過電路實現(xiàn)。查找表、多項式、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還可考慮熱效應。多項式或查找表可包括與熱效應相關的額外的變量?？刂颇K104可包括用于特定變焦設置或焦距的預置控制。這些設置可由使用者或相機制造商存儲。圖6進一步示出圖像捕獲模塊106，圖像捕獲模塊106接收與外部物體相對應的光學圖像。該圖像沿著穿過光學系統(tǒng)102的光軸被傳輸至圖像捕獲模塊106。圖像捕獲模塊106可采用不同的形式，諸如膠片(例如生膠片或靜止影像膠片)，或電子圖像檢測技術 (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。圖像存儲模塊108將所捕獲的圖像保存在例如板上存儲器或膠片、磁帶或磁盤上。在一個實施方式中，存儲介質為可移除的(例如閃存、膠片卷、盒式磁帶或磁盤)。圖像傳輸模塊110將所捕獲的圖像傳輸至其他裝置。例如，圖像傳輸模塊110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100可以以多種方式實施，諸如攝像機、手機相機、數(shù)字圖像攝像機或膠片攝像機。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(液體光學圖像穩(wěn)定性)”的第12/327，666號美國專利申請所描述的，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 ImagingApparatus (具有折疊透鏡的液體光學器件和成像裝置)”的第12/327,651號美國專利申 請所描述的，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。ー個或多個移動透鏡組可結合一個或多個液 體單元使用，如2008年10月6日提交的題為“Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus (液體光學變焦透鏡和成像裝置)”的第12/M6，224號美國專利申請所描述，其 全部內(nèi)容通過引用并入本文。應該注意，各種改變和修改對于本領域技術人員而言是顯而易見的。這些改變和 修改應理解為包含在由所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。附錄
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權利要求
1.一種可變焦度光學系統(tǒng)，包括第一透鏡組，所述第一透鏡組包括至少第一液體透鏡單元；第二透鏡組，所述第二透鏡組包括至少第二液體透鏡單元；以及光闌，位于所述第一透鏡組與所述第二透鏡組之間，其中，穿過所述第一透鏡組、所述第二透鏡組和所述光闌的光線表示變焦位置，對所述變焦位置的控制至少部分地基于所述第一液體透鏡單元的光焦度的配置和所述第二液體透鏡單元的光焦度的配置。
2.如權利要求1所述的可變焦度光學系統(tǒng)，其中，所述光闌近似等距地位于所述第一透鏡組的第一表面與所述第二透鏡組的最后表面之間。
3.如權利要求1所述的可變焦度光學系統(tǒng)，其中，所述第一液體透鏡單元的直徑與所述第二液體透鏡單元的直徑大約相同。
4.如權利要求1所述的可變焦度光學系統(tǒng)，其中，變焦范圍大于約3倍。
5.如權利要求1所述的可變焦度光學系統(tǒng)，其中，變焦范圍大于約4倍。
6.如權利要求1所述的可變焦度光學系統(tǒng)，其中，變焦范圍大于約5倍。
7.—種可變焦度光學系統(tǒng)，包括第一透鏡組，所述第一透鏡組包括至少第一液體透鏡單元；第二透鏡組，所述第二透鏡組包括至少第二液體透鏡單元；以及第三液體透鏡單元，被配置為控制光線在傳感器上的入射角，其中，對變焦位置的控制至少部分地基于所述第一液體透鏡單元的光焦度的配置和所述第二液體透鏡單元的光焦度的配置。
8.如權利要求7所述的可變焦度光學系統(tǒng)，其中，對變焦位置的控制至少部分地基于所述第三液體透鏡單元的光焦度的配置。
9.如權利要求7所述的可變焦度光學系統(tǒng)，還包括位于所述第一透鏡組與所述第二透鏡組之間的光闌。
10.一種光學系統(tǒng)，所述光學系統(tǒng)被配置為收集從物空間發(fā)出的放射并沿著公共光軸將所述放射傳輸至像空間中的像面，所述光學系統(tǒng)包括第一可變焦度光學部件，靜止在所述公共光軸上，并包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面，該接觸表面的形狀被改變以使所述可變焦度光學部件中的光焦度發(fā)生改變，從而導致接近所述像面上像點的主光線角的變化；以及第二可變焦度光學部件，包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面，該接觸表面的形狀被改變以減小由改變第一可變焦度光學部件的形狀所引起的所述像面上的像點處的主光線角的變化。
11.如權利要求10所述的可變焦度光學系統(tǒng)，其中，所述第一可變焦度光學部件的形狀被改變以提供變焦功能。
12.如權利要求10所述的可變焦度光學系統(tǒng)，其中，所述第一可變焦度光學部件的形狀被改變以提供聚焦功能。
13.一種使用非軸向移動組的可變焦度物鏡光學系統(tǒng)，包括至少兩個可變焦度光學部件，與固定的像面一起提供變焦功能，所述可變焦度光學部件包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面，該接觸表面的形狀被改變以使所述可變焦度光學部件中的光焦度發(fā)生改變；以及至少一個可變焦度光學部件，包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面，該接觸表面的形狀被改變以至少部分地補償至少部分地由提供變焦功能的可變焦度光學部件所引起的接近所述像面上像點的主光線角的變化。
14.一種可變焦度物鏡光學系統(tǒng)，包括至少一個可變焦度光學部件，包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面，該接觸表面的形狀被改變以至少部分地補償至少部分地由變焦功能所引起的接近所述像面上像點的主光線角的變化。
15.一種可變焦度物鏡光學系統(tǒng)，包括至少一個可變焦度光學部件，包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面，該接觸表面的形狀被改變以至少部分地補償至少部分地由聚焦功能所引起的接近所述像面上像點的主光線角的變化。
16.一種可變焦度物鏡光學系統(tǒng)，包括至少一個可變焦度光學部件，包括至少兩種具有不同折射性質的液體和位于兩種液體之間的至少一個接觸表面，該接觸表面的形狀被改變以至少部分地補償至少部分地由聚焦功能和變焦功能所引起的接近所述像面上像點的主光線角的變化。
全文摘要
液體透鏡單元被用于可變焦度光學系統(tǒng)中。在一個實施方式中，光闌位于包括至少第一液體透鏡單元的第一透鏡組與包括至少第二液體透鏡單元的第二透鏡組之間。在一個實施方式中，液體透鏡單元控制光線在像面的入射角。
文檔編號G02B3/14GK102388325SQ201080016155
公開日2012年3月21日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權日2009年4月10日
發(fā)明者艾恩·A·尼爾, 詹姆士·H·詹納德 申請人:黑眼睛光學有限公司