專利名稱：可變透鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用可變透鏡的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，該可變透鏡包括在一彎月面上相接觸的第一流體和第二流體，并涉及一種包括這種光學(xué)透鏡系統(tǒng)的成像系統(tǒng)，還涉及一種設(shè)計(jì)這種可變透鏡系統(tǒng)和光學(xué)成像系統(tǒng)的方法。
背景技術(shù)：
可變透鏡是一種裝置，其中透鏡的一種或多種屬性能夠可控制地被調(diào)節(jié)，例如其中透鏡的焦距或位置可被改變。光學(xué)透鏡系統(tǒng)用于將一物體成像到一圖像傳感器上。該光學(xué)透鏡系統(tǒng)可包括一可變透鏡。
在用于相機(jī)模塊的圖像傳感器的發(fā)展過程中，總體趨勢(shì)是它們的分辨率不斷增加。從例如100k像素范圍CIF圖像傳感器和300k像素圖像傳感器的低分辨率傳感器開始，目前已有高分辨率的百萬像素圖像傳感器。這些更高的分辨率不僅要求光學(xué)透鏡系統(tǒng)的聚焦功能以便能夠在整個(gè)物距范圍(例如10cm至無窮遠(yuǎn))內(nèi)利用高分辨率，它們還需要一個(gè)包含至少兩個(gè)非球面透鏡的透鏡系統(tǒng)，以滿足比如與像差有關(guān)的其它光學(xué)性能要求。對(duì)于便攜式應(yīng)用，比如移動(dòng)電話中的相機(jī)，相機(jī)模塊的裝置高度很重要，以使模塊適合該應(yīng)用所需的形狀因素。
在國際專利申請(qǐng)WO2003/069380中公開了一種包含作為可變透鏡系統(tǒng)的由彎曲透鏡圍住的電潤(rùn)濕透鏡(electrowetting lens)的相機(jī)模塊。一個(gè)外加電壓控制著電潤(rùn)濕透鏡的兩種流體之間彎月面的形狀，并因而控制著電潤(rùn)濕透鏡的光焦度(optical power)。結(jié)果是，通過在成像系統(tǒng)中使用這種電潤(rùn)濕透鏡，該可變彎月面半徑能夠滿足聚焦要求，并從而可能消除圖像的散焦。由于電潤(rùn)濕透鏡的彎月面基本上為球形，它將不會(huì)對(duì)消除圖像中諸如慧形像差、畸變和球面像差的光學(xué)像差顯著地產(chǎn)生影響。
已知的電潤(rùn)濕透鏡由于光學(xué)表面數(shù)量有限，因而具有有限的放大率、平(像)場(chǎng)和像差減少能力。結(jié)果是，該模塊僅適用于諸如CIF和(S)VGA的低分辨率相機(jī)。對(duì)于具有更高分辨率傳感器的相機(jī)，該傳感器比如500k像素范圍的VGA圖像傳感器、1M像素范圍的XGA圖像傳感器和百萬像素裝置，這是不夠的。
一重影光闌和一孔徑光闌位于現(xiàn)有技術(shù)相機(jī)模塊的第一非球面透鏡之前。由于這種定位，進(jìn)入透鏡系統(tǒng)的漫射光仍可從透鏡系統(tǒng)的圓柱壁面上反射到圖像傳感器，造成重影。
在美國專利申請(qǐng)US2001/017985中公開了一種包含電潤(rùn)濕透鏡的相機(jī)透鏡疊層，其具有平整的入口和出口窗，并在電潤(rùn)濕透鏡之前和之后包含分離的透鏡群。聚焦是通過第一透鏡群的移動(dòng)來進(jìn)行的。該電潤(rùn)濕透鏡具有變焦功能。一光圈被置于電潤(rùn)濕透鏡之前，以控制到達(dá)圖像傳感器的光量。
在美國專利申請(qǐng)US2001/017985中描述的電潤(rùn)濕透鏡僅對(duì)相機(jī)的變焦作用有影響，而對(duì)提高其它光學(xué)性能沒有貢獻(xiàn)。結(jié)果是，在這種設(shè)計(jì)中，可用于透鏡疊層的空間量未被經(jīng)濟(jì)地利用，不必要地限制了模塊的性能。
為實(shí)現(xiàn)較低的裝置高度(building height)，在同一文件US2001/017985中建議使用一電潤(rùn)濕透鏡，該電潤(rùn)濕透鏡在未施加電壓時(shí)具有基本上平坦的彎月面。這種平坦的彎月面降低了裝置高度。
上述公開確實(shí)僅描述了單個(gè)方面，例如所用電潤(rùn)濕透鏡的聚焦或變焦，這對(duì)于用于例如移動(dòng)相機(jī)模塊中的緊湊型高分辨率成像系統(tǒng)是不夠的。
上述公開均未解決消色差問題，而消色差是實(shí)現(xiàn)成像透鏡系統(tǒng)的良好光學(xué)色彩校正所需要的。例如，通過形成雙膠合透鏡或通過將普通折射透鏡和衍射透鏡相結(jié)合，可使常規(guī)的透鏡系統(tǒng)消色差。對(duì)于雙膠合透鏡，通常形成透鏡的兩個(gè)元件具有基本上相同的折射率和不同的阿貝數(shù)。為提供消色差，應(yīng)選擇該兩個(gè)元件的光焦度K1和K2以及阿貝數(shù)V1和V2，以使它們符合方程K1V1+K2V2=0---(1)]]>對(duì)折射透鏡消色差的另一方法是通過添加一種衍射結(jié)構(gòu)。
上述用于提供消色差透鏡系統(tǒng)的方法均不適用于電潤(rùn)濕透鏡，因?yàn)樵陔姖?rùn)濕透鏡中，光焦度隨著依賴于外加電壓的兩流體之間彎月面的半徑而變化，而上述方法僅適用于固定光焦度的透鏡。
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供一種使用小型電潤(rùn)濕透鏡的、具有低裝置高度并且適用于高分辨率成像系統(tǒng)的可變透鏡系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一種基本上具有消色差特性的可變焦透鏡系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是通過一光學(xué)透鏡系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，該光學(xué)透鏡系統(tǒng)包括至少一個(gè)第一透鏡群和一個(gè)第二透鏡群以及一個(gè)光圈，至少其中一個(gè)所述透鏡群包括一個(gè)具有腔體的光學(xué)元件，該腔體具有一入口窗、一出口窗和一沿腔體縱向延伸的光軸，該腔體容納著在一個(gè)沿光軸橫向延伸的彎月面上相接觸的第一流體和第二流體，該兩種流體基本上不混溶，且至少入口窗和出口窗表面之一與一流體相接觸，并具有一曲率。
這種光學(xué)元件也被稱作電潤(rùn)濕透鏡，其包括用于施加電壓的電極，以使彎月面的形狀可依賴于外加電壓而變動(dòng)。在未施加電壓時(shí)，與一流體相接觸的入口窗或出口窗的表面可具有與彎月面曲率相同符號(hào)的曲率。在該情況下，可實(shí)現(xiàn)顯著的高度降低。這種高度降低的方法也適用于所述光學(xué)元件是唯一具有光焦度的元件的光學(xué)透鏡系統(tǒng)。并且，兩個(gè)窗口可均具有彎曲表面。
獨(dú)立于利用彎曲表面來降低裝置高度，該窗口的彎曲表面還可用于光學(xué)元件或者甚至整個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)的像差校正。
在將彎曲表面用于入口或出口窗至少其中之一時(shí)，該光學(xué)元件的表面可參加整體光學(xué)設(shè)計(jì)。該窗口的曲率可用作光學(xué)設(shè)計(jì)中的額外數(shù)量的自由度，以優(yōu)化光學(xué)透鏡系統(tǒng)的光學(xué)性能。這意味著窗口的曲率可適用于校正或削減光學(xué)透鏡系統(tǒng)中其它元件的像差。該優(yōu)化可造成諸如畸變和球面像差的光學(xué)誤差的實(shí)質(zhì)性削減。它還使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件數(shù)量減少，以實(shí)現(xiàn)所需的整體光學(xué)質(zhì)量。
該光學(xué)元件被用在可包括具有光焦度的更多透鏡的光學(xué)透鏡系統(tǒng)中。本發(fā)明的目標(biāo)正是該光學(xué)元件不僅充當(dāng)聚焦或變焦裝置，而且它還充當(dāng)光學(xué)透鏡系統(tǒng)中其它元件的像差削減元件。
本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例提供了一種具有物空間和像空間的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，其中第一透鏡群位于物空間一側(cè)，該第一透鏡群包括具有腔體的光學(xué)元件，第二透鏡群位于像空間一側(cè)，并且一個(gè)光圈位于第一和第二透鏡群之間。
第一透鏡群中電潤(rùn)濕透鏡的位置可產(chǎn)生一個(gè)小直徑電潤(rùn)濕透鏡，還導(dǎo)致較低的裝置高度和較長(zhǎng)的調(diào)焦范圍。在未施加電壓、彎月面的曲率半徑具有與同流體相接觸的透鏡表面的曲率半徑相同的符號(hào)的情況下，裝置高度可進(jìn)一步降低。較低的裝置高度適用于例如移動(dòng)電話中的相機(jī)之應(yīng)用。
當(dāng)在第一透鏡群中使用小型電潤(rùn)濕透鏡時(shí)，光圈應(yīng)優(yōu)選地放置在緊隨電潤(rùn)濕透鏡出口窗之后或集成到該出口窗并靠近該出口窗。該光圈可阻擋第一透鏡群中不需要的反射，否則該反射可能到達(dá)圖像傳感器并產(chǎn)生重影。
也可取代圖像傳感器，在整個(gè)系統(tǒng)中使用其它光敏元件用于存儲(chǔ)圖像。這種光敏元件的一個(gè)實(shí)例為感光膠片。
作為常用的圖像傳感器，例如百萬像素圖像傳感器，具有內(nèi)嵌的感光區(qū)域，該成像光束的接收角被限制在大約20至25度。這意味著在光學(xué)透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，朝向圖像傳感器的主光線與光學(xué)透鏡系統(tǒng)的光軸所呈的最大角優(yōu)選地低于該接收角。在電潤(rùn)濕透鏡和圖像傳感器之間可布置一平場(chǎng)透鏡，以削減主光線的角度并平整焦平面。
為了使由光學(xué)成像系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像的尺寸與圖像傳感器尺寸相配，可在電潤(rùn)濕透鏡和主光線減少角透鏡之間布置一個(gè)放大透鏡。
在另一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)與流體接觸的具有曲率的表面的窗口的材料的阿貝數(shù)與相接觸的流體的阿貝數(shù)基本上不相同。
消色差是在一光學(xué)系統(tǒng)中減少色散光焦度(dispersive opticalpower)。色散光焦度是由光學(xué)元件材料的折射率n對(duì)光波長(zhǎng)的依賴性引起。阿貝數(shù)V可表達(dá)這種波長(zhǎng)依賴性。
V=n(λd)-1n(λF)-n(λC)---(2)]]>其中n(λi)為波長(zhǎng)λi處的折射率，其中λd＝587.6nm，λF＝486.1nm，λC＝656.3nm。色散必須得以良好校正，以獲得較高的光學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)使用對(duì)煙霧敏感的光柵結(jié)構(gòu)或昂貴的雙透鏡組件用于色彩校正?；诹黧w的可變透鏡構(gòu)成一種可消色差的透鏡系統(tǒng)。例如，為使流體之間的界面消色差，流體“i”和“n”的折射率n和阿貝數(shù)V必須服從以下關(guān)系ViVj=ni-1nj-1---(3)]]>當(dāng)具有彎曲表面的窗口材料的阿貝數(shù)和與該表面相接觸的流體的阿貝數(shù)基本上相等時(shí)，不可能利用該界面對(duì)光學(xué)元件或整個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)消色差。因而，具有彎曲表面且阿貝數(shù)和與這些表面相接觸的流體的阿貝數(shù)基本上不相同，則有可能在整體設(shè)計(jì)中利用這些光學(xué)性質(zhì)對(duì)光學(xué)透鏡系統(tǒng)基本上削除色差。
附圖簡(jiǎn)述

圖1示意性地表示了根據(jù)第一實(shí)施例的一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)。
圖2示出了本發(fā)明第一實(shí)施例的效果。
圖3表示了根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施例的一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的波前像差。
圖4示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)。
圖5表示了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的波前像差。
圖6表示了根據(jù)第三實(shí)施例對(duì)于一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同波長(zhǎng)的光學(xué)傳遞函數(shù)的模數(shù)。
圖7示出了包括有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)透鏡系統(tǒng)的可變焦圖像捕捉裝置。
優(yōu)選實(shí)施方式詳述圖1示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)。光學(xué)透鏡系統(tǒng)(100)包括兩個(gè)透鏡群101和102以及位于第一透鏡群之前的一個(gè)光圈103。第一透鏡群101包括一個(gè)作為可變透鏡的電潤(rùn)濕透鏡104，并充當(dāng)可變焦距透鏡。在圖1所示的例子中，第一透鏡群還確定了光學(xué)透鏡系統(tǒng)的放大率，以使圖像的尺寸與位于光學(xué)透鏡系統(tǒng)之后的圖像傳感器105的尺寸相匹配。第二透鏡群102包括一個(gè)使光線122的焦平面平整的平場(chǎng)透鏡106，該光線122從物空間中的一個(gè)場(chǎng)角進(jìn)入。該圖像傳感器105被一個(gè)透明蓋子107覆蓋，這里透明蓋子107為一平面平行平板。
該電潤(rùn)濕透鏡包括一個(gè)腔體108，該腔體108具有一個(gè)入口窗109和一個(gè)出口窗110，以及一個(gè)穿過該腔體沿縱向延伸的光軸111。該腔體容納著在沿光軸橫向延伸的彎月面114上相接觸的第一流體112和第二流體113。這些窗口以及該光學(xué)透鏡系統(tǒng)中的其它透鏡可由玻璃、塑料或其它合適的材料制成。該腔體可具有任何形狀，例如圓柱形、圓錐形、或一種在腔體長(zhǎng)度上變化的形狀。
該光圈103減少了光線的量以及可在圖像傳感器105上造成重影的漫射光。
所使用的兩種流體112和113基本上不混溶。第一流體112為一導(dǎo)電流體，例如含鹽溶液的水，第二流體113為一電絕緣流體，例如下文將稱為油的硅酮油或一種烷烴。兩種流體優(yōu)選地具有相同的密度，因而透鏡獨(dú)立于其方位而工作，即不依賴于流體的重力效應(yīng)。
腔體中的第一電極115典型地為一半徑介于1和20mm之間的圓柱體，但也可依據(jù)腔體的形狀和幾何尺寸而具有不同的半徑或形狀。通常為環(huán)狀的第二電極116被布置在腔體的一端，在本例中靠近入口窗。該第二電極116與第一流體112直接接觸。
在未施加電壓到該電極115和116時(shí)，所述流體在一個(gè)具有曲率的彎月面114上相接觸。通過在該電極上施加電壓，該彎月面可被變成具有較小或較大的曲率半徑。此外，依據(jù)腔體的構(gòu)造和電極的排列，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同形狀的彎月面。
通常，依據(jù)所選用的油，油的折射率可在1.25和1.6之間變化。同樣，依據(jù)所添加鹽的類型和數(shù)量，該鹽溶液可具有在1.32和1.5之間變化的折射率。在本實(shí)施例中，所述流體的選擇應(yīng)使第一流體具有低于第二流體的折射率。
為了降低裝置高度，當(dāng)未在電極115和116上施加電壓的情況下，與第一流體相接觸的入口窗的表面117優(yōu)選地具有與彎月面114的曲率符號(hào)相同的曲率。
圖2A示出了電潤(rùn)濕透鏡301A的示意圖。該透鏡包括在一彎月面314上相接觸的兩種流體312和313，兩個(gè)平窗(309A和310)以及布置在外部的位于光軸311上的透鏡309B。彎月面214的曲率具有與透鏡309B面對(duì)電潤(rùn)濕透鏡的那個(gè)表面的曲率相同的符號(hào)。
當(dāng)透鏡309B被集成在電潤(rùn)濕透鏡301A中時(shí)，它還起到窗口作用，從而獲得一個(gè)如圖2B示意性地示出的電潤(rùn)濕透鏡301B。該圖顯示出電潤(rùn)濕透鏡301B沿光軸311具有比圖2A所示組合體尺寸更小的尺寸。
為提高整個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)的光學(xué)性能，圖1中的表面117還可具有像差校正特性。例如，它可具有一個(gè)包括非球面形狀的曲率，以校正由電潤(rùn)濕透鏡基本上為球形的彎月面所引入的非球面像差。表面117的形狀還可用于優(yōu)化整個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)100的整體像差水平。
在本發(fā)明的第二實(shí)施例中，通過正確選擇接觸流體112和入口窗109的材料，并與流體-窗口界面109優(yōu)化的表面曲率相結(jié)合，可使電潤(rùn)濕透鏡基本上消色差。這種材料的選擇可在諸如折射率和阿貝數(shù)等參數(shù)上進(jìn)行。
為了在選擇合適透鏡材料和流體中能夠擁有充分的自由度，需要允許較寬范圍的折射率。這可造成例如用于窗口和接觸流體的材料在折射率方面的顯著差異。允許這種在折射率方面的顯著差異還需要在窗口和流體的阿貝數(shù)方面的顯著差異，以優(yōu)化成為基本上消色差的電潤(rùn)濕透鏡。還可優(yōu)化窗口、流體和曲率材料的選擇，以基本上消除整個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)的色差。
根據(jù)以上實(shí)施例并如圖1所示的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例為一個(gè)F/2.5、f＝3.47mm的自動(dòng)聚焦相機(jī)透鏡，其具有60度的視場(chǎng)、1.4mm的入射光瞳和5.2mm的裝置高度，其將與一個(gè)具有5微米見方像素尺寸的VGA型圖像傳感器結(jié)合使用。該實(shí)例的設(shè)計(jì)包括面對(duì)物體的塑料非球面透鏡118。光圈103位于該塑料非球面透鏡的物空間。緊隨該塑料非球面透鏡之后的是電潤(rùn)濕透鏡104，該電潤(rùn)濕透鏡104被入口窗109密封，該入口窗109由截頂?shù)牟Ａ蛎?例如由Schott提供的n＝1.53且V＝53.8的LAK8)制成，緊隨其后的是由鹽水(n＝1.37且V＝38.0)構(gòu)成的第一流體112，然后是第二流體113油(n＝1.53且V＝29.0)。最后該單元被一個(gè)由例如B270玻璃材料制成的、作為出口窗110的平玻璃板封閉。緊隨該電潤(rùn)濕透鏡之后的是另一塑料透鏡，一平場(chǎng)透鏡106。傳感器的蓋子107在光學(xué)特性方面也應(yīng)被考慮。在本例中，使用一個(gè)具有n＝1.52和V＝64.2的玻璃板。
圖3表示了根據(jù)上述設(shè)計(jì)和第一實(shí)施例的光學(xué)透鏡系統(tǒng)的波前像差。圖中繪出了在三種波長(zhǎng)490nm、560nm和625nm下，以微米為單位的波前像差W分別對(duì)歸一化入射光瞳坐標(biāo)Px和Py的圖線。在圖3a中示出了場(chǎng)角為0度時(shí)的圖線，而在圖3b中示出了場(chǎng)角為30度的情形。兩圖中沿垂直方向的最大刻度均為20微米。這些圖線顯示了不同波長(zhǎng)下的像差具有相同的趨勢(shì)，且不同波長(zhǎng)之間像差的差別足夠小，從而形成基本上消色差的光學(xué)透鏡系統(tǒng)。
盡管第一實(shí)施例和第二實(shí)施例的實(shí)例使用了與第一流體相接觸的具有曲率的表面的入口窗，然而與第二流體相接觸的出口窗的表面也可具有曲率。并且，出口窗材料的選擇以及與其光學(xué)特性有關(guān)的形狀可被優(yōu)化，從而使它們對(duì)減少電潤(rùn)濕透鏡或整個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)的像差(例如畸變、球面像差、色像差)產(chǎn)生影響。
圖4示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的一個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)。在該實(shí)施例中，流體和窗口材料的選擇(例如折射率和阿貝數(shù)的選擇)與入口和出口窗兩者表面曲率的選擇相結(jié)合而被使用，以顯著地削減由電潤(rùn)濕透鏡或甚至整個(gè)光學(xué)透鏡系統(tǒng)引入的像差。該光學(xué)透鏡系統(tǒng)200包括兩個(gè)透鏡群201和202以及位于第一和第二透鏡群之間的一個(gè)光圈203。第一透鏡群201包括一個(gè)作為可變透鏡的電潤(rùn)濕透鏡204，并充當(dāng)可變焦距透鏡。第二透鏡群202還利用透鏡220來確定光學(xué)放大率，以使圖像的尺寸與位于光學(xué)透鏡系統(tǒng)之后的圖像傳感器205的尺寸相匹配。它還通過一個(gè)平場(chǎng)透鏡206來減少主光線的角度。該圖像傳感器205被一個(gè)透明蓋子207覆蓋，該透明蓋子207例如為一平面平行平板。
該電潤(rùn)濕透鏡204具有一個(gè)腔體208，該腔體208具有一個(gè)入口窗209和一個(gè)出口窗210，以及一個(gè)穿過該腔體沿縱向延伸的光軸211。該腔體容納著在沿光軸橫向延伸的彎月面214上相接觸的第一流體213和第二流體212。與第一流體213相接觸的入口窗的表面217的曲率半徑具有與介于第一和第二流體之間的彎月面214的曲率半徑相同的符號(hào)。并且，與第二流體212相接觸的出口窗的表面219的曲率半徑具有與介于第一和第二流體之間的彎月面214的曲率相同的符號(hào)。這導(dǎo)致裝置高度的降低。這些窗口和透鏡可由玻璃、塑料或其它合適的材料制成。
電潤(rùn)濕透鏡204位于第一透鏡群201中，并在放大透鏡220之前，以限制該電潤(rùn)濕透鏡的直徑，這是由于在光線穿過放大透鏡220之后，朝向圖像傳感器的光束直徑迅速增加。電潤(rùn)濕透鏡直徑的這種限制還對(duì)于成本、調(diào)焦范圍、開關(guān)速度以及裝置高度有利。
該光圈203位于第二透鏡群之前，以減少由例如電潤(rùn)濕透鏡中多余的反射造成的重影。優(yōu)選地，該光圈靠近電潤(rùn)濕透鏡或安裝到靠近出口窗的電潤(rùn)濕透鏡上，或者甚至集成到靠近出口窗的電潤(rùn)濕透鏡中。
如圖4所示，根據(jù)該第三實(shí)施例的一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例為一個(gè)F/2.8、f＝3.97mm的自動(dòng)聚焦相機(jī)透鏡，其具有66度的視場(chǎng)、1.42mm的入射光瞳和6.5mm的裝置高度，其將與一個(gè)百萬像素型圖像傳感器結(jié)合使用。所有透鏡(209、210、220和206)具有非球形表面，以優(yōu)化圖像的光學(xué)質(zhì)量。彎月面214基本上為球面。在560nm波長(zhǎng)處，電潤(rùn)濕透鏡204的圍住的塑料透鏡209和210的阿貝數(shù)為55.8，而它們的折射率大約為1.532。導(dǎo)電流體212包括鹽水，并在560nm波長(zhǎng)處具有阿貝數(shù)38和折射率1.376，而包括硅酮油的非導(dǎo)電的第二流體213在560nm波長(zhǎng)處的阿貝數(shù)為28，并具有折射率1.552。通過正確選擇這些透鏡的半徑，可使光學(xué)系統(tǒng)基本上消色差。
圖5表示了根據(jù)上述設(shè)計(jì)和第三實(shí)施例的光學(xué)透鏡系統(tǒng)的波前像差。圖中繪出了在三種波長(zhǎng)490nm、560nm和625nm下，以微米為單位的波前像差W分別對(duì)歸一化入射光瞳坐標(biāo)Px和Py的圖線。在圖5a中示出了場(chǎng)角為0度時(shí)的圖線，而在圖5b中示出了場(chǎng)角為33度的情形。兩圖中沿垂直方向的最大刻度均為50微米。這些圖線顯示了不同波長(zhǎng)下的像差具有相同的趨勢(shì)，且不同波長(zhǎng)之間像差的差別足夠小，從而形成基本上消色差的光學(xué)透鏡系統(tǒng)。
圖6表示了沿Px和Py兩個(gè)方向，對(duì)于高達(dá)33度的多個(gè)場(chǎng)角，根據(jù)上述設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡系統(tǒng)的多色光學(xué)傳遞函數(shù)的模數(shù)的計(jì)算結(jié)果，它是在三種相關(guān)波長(zhǎng)490nm、560nm和625nm上的平均值，并作為每毫米上的線數(shù)的函數(shù)。圖中示出了兩個(gè)線群601和602。線群601是沿Py方向?qū)τ诮嵌?0、29和33度的多色光學(xué)傳遞函數(shù)。線群602是沿Px方向?qū)τ诮嵌?、10、20、29和33度以及沿Py方向?qū)τ诮嵌?和10度的多色光學(xué)傳遞函數(shù)。圖中顯示了直至75線/mm，該調(diào)制足夠用于百萬像素成像的應(yīng)用，例如用于移動(dòng)電話中的相機(jī)。
在根據(jù)第三實(shí)施例的實(shí)例中，入口和出口窗兩者所有表面均具有半徑不等于零的表面曲率，以減少諸如畸變和球面像差的像差，并降低裝置高度。依據(jù)整體系統(tǒng)要求，也可能僅有入口或出口窗的單個(gè)表面具有一個(gè)曲率，以達(dá)到足夠低的像差水平和足夠低的色差。
結(jié)合圖1和圖4所描述的實(shí)施例和實(shí)例具有布置在第一透鏡群101中的電潤(rùn)濕透鏡104；然而，該電潤(rùn)濕透鏡也可位于第二透鏡群102中。
圖7A示出了包括有根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光學(xué)透鏡系統(tǒng)400的可變焦圖像捕捉裝置421。一個(gè)測(cè)量信號(hào)，比如一個(gè)聚焦信號(hào)可利用如在相機(jī)中使用圖像傳感器所常用的技術(shù)從圖像傳感器405獲得。該測(cè)量信號(hào)被用作電壓驅(qū)動(dòng)器422的輸入信號(hào)。該電壓驅(qū)動(dòng)器的輸出端被連接到光學(xué)透鏡系統(tǒng)400中電潤(rùn)濕透鏡404的電極415和416上，用于控制彎月面414的形狀。圖7B表示了可變焦圖像捕捉裝置421被集成到一個(gè)移動(dòng)電話423的實(shí)例中的應(yīng)用實(shí)例。其它集成位置也是可能的。
該光學(xué)元件非常適用于相機(jī)應(yīng)用中的光學(xué)透鏡系統(tǒng)和光學(xué)成像系統(tǒng)。這些相機(jī)應(yīng)用可例如為電影或靜態(tài)圖像手提相機(jī)，或者為電影或靜態(tài)圖像的移動(dòng)電話相機(jī)。特別地對(duì)于具有相機(jī)用途的移動(dòng)電話，對(duì)于具有小尺寸、高光學(xué)質(zhì)量、低能耗使用并且牢固的裝置有著增加的需要。不存在例如聚焦或變焦的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，使根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件更為牢固。使用根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件的光學(xué)透鏡系統(tǒng)和成像系統(tǒng)能夠滿足上述要求。
盡管以上實(shí)施例涉及適用于比如移動(dòng)電話的小型移動(dòng)相機(jī)系統(tǒng)的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，然而本發(fā)明也可被用于其它光學(xué)系統(tǒng)，例如在顯微鏡和光學(xué)記錄等應(yīng)用中降低裝置高度和減少像差。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件可被用作例如光學(xué)存儲(chǔ)應(yīng)用中的小尺寸有源球面像差校正元件。該光學(xué)元件可布置在該應(yīng)用中的光源和物鏡之間。與物鏡相結(jié)合，該光學(xué)元件光焦度的變化可在傳向物鏡的光束中引入球面像差。這種引入的球面像差可被用于補(bǔ)償由于基片厚度變化或在多層存儲(chǔ)介質(zhì)中讀取或記錄多個(gè)層時(shí)在光學(xué)系統(tǒng)中產(chǎn)生的球面像差。
以上關(guān)于可變透鏡元件的描述利用電潤(rùn)濕原理來改變彎月面的形狀。當(dāng)然，其它用于改變兩流體之間彎月面形狀的方法被認(rèn)為落入本發(fā)明的范圍，例如通過泵與圓錐形電極相結(jié)合的布置來可控制地改變彎月面的形狀和位置。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)透鏡系統(tǒng)(100、200)，所述光學(xué)透鏡系統(tǒng)包括一個(gè)第一透鏡群(101、201)、一個(gè)第二透鏡群(102、202)和一個(gè)光圈(103、203)，至少其中一個(gè)所述透鏡群包括一個(gè)光學(xué)元件(104、204)，所述光學(xué)元件具有-一個(gè)腔體(108、208)，所述腔體具有一入口窗(109、209)、一出口窗(110、210)和一沿所述腔體縱向延伸的光軸(111、211)，-所述腔體包括在一個(gè)沿所述光軸橫向延伸的彎月面(114、214)上相接觸的第一流體(112、212)和第二流體(113、213)，所述流體基本上不混溶，-所述入口窗或出口窗至少之一包括一個(gè)與所述第一或第二流體之一相接觸的表面(117、217、219)，所述表面具有一個(gè)曲率。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，所述腔體(108、208)還包括用于施加一個(gè)電壓的電極(115、116、215、216、415、416)，以使所述彎月面的形狀可依賴于所述外加電壓而變動(dòng)，在未施加電壓時(shí)，與第一流體或第二流體之一相接觸的入口窗表面(117、217)的曲率具有與所述彎月面相同的曲率符號(hào)。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，所述腔體還包括用于施加一個(gè)電壓的電極(115、116、215、216、415、416)，以使所述彎月面的形狀可依賴于所述外加電壓而變化，在未施加電壓時(shí)，與第一流體或第二流體之一相接觸的出口窗表面(219)的曲率具有與所述彎月面相同的曲率符號(hào)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，其中至少一個(gè)所述窗口由一種材料制成，所述窗口具有與一種流體相接觸的具有曲率的表面，所述材料具有與相接觸的流體的阿貝數(shù)基本上不相同的阿貝數(shù)。
5.一種根據(jù)任一前述權(quán)利要求的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，具有一個(gè)物空間和一個(gè)像空間，其中-所述第一透鏡群位于所述物空間一側(cè)，所述第一透鏡群包括所述腔體，-所述第二透鏡群位于所述像空間一側(cè)，-并且所述光圈位于第一和第二透鏡群之間。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求5的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，其中所述光圈被安裝在位于所述像空間一側(cè)的第一透鏡群上。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4的光學(xué)透鏡系統(tǒng)，具有一個(gè)物空間和一個(gè)像空間，其中-所述第一透鏡群位于所述物空間一側(cè)，所述第一透鏡群包括所述腔體，-所述第二透鏡群位于所述像空間一側(cè)，-并且所述光圈被集成到所述第一透鏡群中。
8.一種包括一個(gè)根據(jù)任一前述權(quán)利要求的光學(xué)透鏡系統(tǒng)的光學(xué)裝置。
9.一種包括一個(gè)根據(jù)任一前述權(quán)利要求的光學(xué)透鏡系統(tǒng)的移動(dòng)電話。
全文摘要
提供一種包括一個(gè)電潤(rùn)濕透鏡(104、204)的緊湊的、基本上消色差的光學(xué)透鏡系統(tǒng)(100、200)。所述光學(xué)透鏡系統(tǒng)使用一個(gè)電潤(rùn)濕透鏡，其中至少一個(gè)與一種流體(112、212、113、213)相接觸的入口窗表面(117、217)或出口窗表面(219)具有一個(gè)曲率。在未施加電壓時(shí)，所述表面曲率的符號(hào)與彎月面的曲率符號(hào)相同，從而獲得一個(gè)低裝置高度。所述光學(xué)元件(104、204)不僅充當(dāng)聚焦或變焦裝置，而且它還充當(dāng)所述光學(xué)透鏡系統(tǒng)(100、200)中其它元件的像差減少元件。
文檔編號(hào)G02B26/02GK1914522SQ200580003607
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月30日
發(fā)明者B·H·W·亨德里克斯, S·凱帕 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司