技术领域
[0001] 本
发明的
实施例涉及光学成像透镜系统及其安装构造和制造方法。
背景技术
[0002] 通常类型的可变焦系统包括多个固体透镜，其中可以调节两个或更多个透镜之间的相对距离以改变透镜系统的焦距。这种系统的缺点在于相对较大的形状因子，该相对较大的形状因子限制了包含有可变焦系统的装置的尺寸。
[0003] 随着对小型化装置的需求日益增加，期望具有更小的形状因子和改进的性能的光学系统。
发明内容
[0004] 本发明的实施例涉及光学成像透镜系统，系统具有配置成将源自布置在不同距离处的目标的光线同时地聚焦在与透镜组件保持固定距离的第一焦平面上的透镜组件。目标可以布置在离透镜组件近的距离处或者接近无穷远的距离处。为了这个目的，透镜组件具有至少一种非均匀光学特性。
[0005] 可以设想不同的构造来在透镜组件中实现至少一种非均匀光学特性。在一个实施例中，至少一个透镜可以具有至少一种渐变光学特性，即渐变透镜。在另外的实施例中，至少一些透镜具有在每一个透镜中基本上均匀的光学特性，即非渐变透镜；至少两个透镜具有至少一种不同的光学特性。在特定的实施例中，至少一些透镜可以沿不同的方向布置。
[0006] 在特定的实施例中，可以设置
定位结构来
支撑这些透镜。在特定的实施例中，可以采用合适的
致动器(如
压电致动器)与本发明的实施例配合使用以执行变焦或聚焦功能。
[0007] 本发明的实施例对于提供能够将源自布置在不同距离处的目标的光线同时地聚焦在与离透镜组件间保持固定距离的第一焦平面上的光学成像透镜系统特别有利。因此，本发明的实施例使得成像装置具有小且紧凑的形状因子，同时还提供良好的聚焦以及在一些应用中的变焦功能。
附图说明
[0008] 图1A示出根据本发明的一个实施例的具有包括两个透镜的透镜组件的光学系统。
[0009] 图1B示出与在设置在像平面的图像
传感器配合使用的图1A的实施例。
[0010] 图2示出根据本发明的一个实施例的具有包括多于两个透镜的透镜组件的光学系统。
[0011] 图3示出具有包括多个透镜的透镜组件的光学系统，其中至少一些透镜沿不同的方向设置。
[0012] 图4示出具有包括形成在透镜中的微小
缺陷的透镜组件的光学系统。
[0013] 图5示出具有其中的一个透镜与定位结构形成为一体的透镜组件的光学系统。
[0014] 图6示出一种具有其中的一个透镜在装配
位置与定位结构形成为一体的透镜组件的光学系统。
[0015] 图7A是压电致动器的侧向截面图。
[0016] 图7B是图7A中的压电致动器的俯视或仰视图。
[0017] 图7C示出由控制
电路产生的
输出电压图的示例性曲线。
[0018] 图8A和8B分别示出与图1A和图3的实施例配合使用的压电致动器。
[0019] 图9A至9C示出适合用作眼睛
植入物或
处方眼镜的光学系统的示例。
具体实施方式
[0020] 在接下来的描述中，阐明了大量的特定细节以便透彻地理解本发明的各种示例性实施例。然而，本领域技术人员应当理解，可以在不需要一些或所有的这些特定细节的情况下实现本发明的实施例。在其它示例中，没有详细描述众所周知的工艺操作以不对所说明的实施例的相关方面产生不必要的混淆。在图中，类似的附图标记表示贯穿在这些图中的相同或相似的功能或特征。应认识到图1A-图1B、图2-图6、图8A-图8B和图9A-图9C是从与各自的光学系统的光轴平行的平面上截取的截面图。
[0021] 本发明的实施例(例如但不限于在图1A-图1B、图2-图6、图8A-图8B和图9A-图9C中示出的)包括透镜组件，该透镜组件包括以并置排列的方式布置的多个透镜。透镜可以是透明基质，包括但不限于例如玻璃、环
氧树脂、
聚合物、
单体、塑料、适合的光学材料、光学活性物质或者是这些材料的组合。形成透镜的每一种材料可以是可
变形的或不可变形的、弹性的或弹性体的、可压缩的或/不可压缩的、或者是非弹性的或固定的。在成品中，至少一个透镜可以是固态的、或者是柔性形状的、或者是柔性态的、或者是液态的、或者是流动态的、或者是流动形态的。在透镜组件的制造期间，可以以气态、固态、或液态，或者以柔性形状来提供透镜。可以采用多种方法来提供并置排列的多个透镜，这些方法包括但不限于：对分离的透镜基质层进行耦合、从单透镜基质生长透镜基质层。
[0022] 该光学系统的透镜组件可进行动作以将源自不同距离的光线同时地聚焦在第一焦平面上。更具体地，可以将源自近距离(如至少几个毫米)处的目标的平行的、会聚的或发散的光线，以及来自远物或近无穷远距离处的目标的平行的或接近平行的光线同时地聚焦在第一焦平面上，同时将聚焦
质量保持在可接受的容许限度内。在特定的实施例中，第二焦平面(在其上可以形成近物图像)和第三焦平面(在其上可以形成远物图像)之间的分隔距离应当具有可接受的容许限度，例如至多约±300微米、至少约±300微米。不论光学系统是对近距离处的目标、或是对近无穷远距离处的目标、或是对两者都聚焦时，第一焦平面均可以适当地保持与透镜组件间的固定的距离。因此，当对不同距离处的目标聚焦时，光学系统不需要改变透镜组件与第一焦平面或像平面之间的相对距离，其中，目标的图像聚焦在第一焦平面或像平面上以待由图像传感器捕捉所聚焦的图像。换言之，用于形成所捕捉的布置在不同距离处(包括近距离处和近无穷远距离处)的图像的第一焦平面相对于透镜组件是固定的。由于当进行聚焦功能时不需要透镜之间的相对移动，因此光学系统需要较小的空间和较少的功率。可以将像平面作为图像传感器的一部分提供，图像传感器可以是例如但不限于电荷
耦合器件(CCD)、互补金属氧化
半导体(CMOS)有源
像素传感器和摄影胶片。
[0023] 可以通过使在透镜组件中具有至少一种非均匀光学特性，来在不调节第一焦平面和透镜组件之间的相对距离的情况下实现近距离处的目标和近无穷远距离处的目标的同时聚焦。为此可以采用多种结构，下文中对其中一些方式进行了说明。在一个实施例中，至少一个透镜可以具有至少一种渐变光学特性(还称为渐变透镜)，其中根据预设的或非预设的曲线，透镜的至少一种光学特性逐渐地或突然地变化。可以通过控制透镜材料的杂质成分，或控制透镜
制造过程中的
温度曲线或生长环境曲线来实现渐变。在另外的实施例中，至少一些透镜的每一个透镜中具有大致均匀的光学特性(也称为非渐变透镜)，至少两个透镜可以具有至少一种不同的光学特性。在又一个实施例中，透镜组件可以包括渐变透镜和非渐变透镜这两者。在特定实施例中，至少两个透镜可以沿不同的方向排列。上述的在透镜组件中实现至少一种非均匀光学特性的结构以及其它未说明的结构通常可以应用于本发明的实施例，因此在接下来的关于每个实施例的段落中将不作重复说明。
[0024] 在本公开中，术语“光学特性”包括但不限于：折射率、透光系数、吸收系数、色散本领、偏振、拉伸性能、阿贝数、焦距、屈光
力、反射性能、折射性能、光斑大小、
分辨率、调制传递函数(MTF)、失真和衍射性能。
[0025] 根据本发明的一些实施例，可以提供定位结构以支撑透镜。在其它特定的实施例中，可以不要求定位结构。取决于光学系统预期的应用，定位结构可以包括耐热材料，耐热材料包括但不限于
液晶塑料、黑液晶塑料、
环氧树脂、聚合物和单体。液晶塑料可以包括玻璃
纤维或釉料。如果需要，定位结构可以包括便于将光学系统装配或安装到外部机构或装置的
螺纹。定位结构可由透明或不透明(不透光)的材料形成。如果使用耐热材料，则光学系统可以在高温环境中(如回流换热炉中)使用。
[0026] 图1A示出根据本发明的一个实施例的光学系统。光学系统100包括透镜组件110，透镜组件110包括第一透镜110a和与第一透镜110a并置的第二透镜110b。可以提供定位结构120(定位结构120如图所示，但不限于这种结构)来支撑透镜110a、110b。可以在定位结构120上设置螺纹以便于将光学系统100装配或安装到外部机构或装置上。
[0027] 图1B示出与设置在成像装置中的像平面配合使用的图1A的实施例。如图1B所示，可以将来自近物平行的、会聚的或发散的光线，以及来自近无穷远距离处目标的平行的或接近平行的光线同时地聚焦在第一焦平面或像平面130上，该第一焦平面或像平面130可以保持与透镜组件110间的固定的距离。
[0028] 图2示出具有透镜组件210的光学系统200，光学组件210包括多个透镜210a、210b、210c、210d、210e、210f、210g。可以在定位结构220上设置螺纹以便于将光学系统200装配或安装到外部机构或装置上。尽管图2示出了由七个透镜形成的透镜组件，但应当认识到，在本发明的其它实施例中，可以设想在透镜组件中具有其它数量的(即至少为两个)透镜。
[0029] 图3示出具有透镜组件310的光学系统300，透镜组件310包括多个透镜，其中至少一些透镜沿不同的方向并置。可以在定位结构320上设置螺纹以便于将光学系统300装配或安装到外部机构或装置上。尽管图3示出的透镜组件由在特定方向上排列的多个透镜形成，但在本发明的其它实施例中，可以设想其它的方向以及方向的组合。
[0030] 图4示出具有透镜组件410的光学系统400，其中透镜410a、410b、410c、410d、410e、410f、410g中的至少一个透镜包括形成在透镜410a-410g的至少一个中的多个微缺陷440。可替选地，缺陷可以形成在相邻透镜之间的界面处。微缺陷的适当的示例包括但不限于凹坑、杂质以及表面起伏。该透镜组件410可进行动作以增加或最大化形成在缺陷
440之间的
对比度，从而执行自动聚焦功能。
[0031] 图5示出具有透镜组件510的光学系统500，其中透镜510a、510b、510c、510d、510e、510f、510g中的一个或居中的一个与定位结构520形成为一体。在该示例中，定位结构520可以包括透明材料。可以将不透光材料522施用于(通过例如但不限于涂覆或外膜成型)定位结构520的至少一部分上以阻挡来自特定方向的光线进入透镜组件510。
[0032] 图6示出具有透镜组件610的光学系统600，其中的一个或居中的一个透镜的与定位结构620形成为一体。在该示例中，定位结构620可以包括不透光的或透明的材料。可以使用螺纹旋进或其它适当的方式将光学系统600安装或接合至外部装置650上。透明盖652可以布置在靠近透镜组件610的一个端部以将光线接收至透镜组件610中。可以将不透光材料654施用于(通过例如但不限于涂覆或外膜成型)盖652的至少一部分来限定孔
656，通过孔656的光线可以进入透镜组件610。可以将像平面630设置在与透镜组件610间的距离适当的位置处，或者设置在透镜组件610的第一焦平面上以捕捉聚焦的图像。
[0033] 图1A-图1B、图2-图6的实施例可以与至少一个压电致动器配合使用以实现变焦和/或聚焦功能。图7A是压电致动器700的侧向截面图，压电致动器700可以包括布置或接合至致动基材720(如金属、聚合物、非金属和半导体材料)的各相对的面上的压电材料710，致动基材720可以接合至透镜组件的最外层或居中层。当经由控制电路740将电压施加至压电致动器700时，为了使致动基材720达到最大形变，可以对布置在致动基材720的相对面上的压电材料710进行适当的预极化，以使压电材料710具有相反的极性。图7B是图7A的压电致动器700的俯视或仰视图。在图7B中，致动基材720具有开口，以限定通向布置在其中的透镜组件的孔。压电材料710和孔可以设置为椭圆形、圆形、矩形或任何其它合适的形状。
[0034] 接合至致动基材720相对的面上的压电材料710可以与适当的控制电路740电连接，以在致动器700被启动时，在致动基材720上产生变形，或者
压缩力和/或解压力。图7C示出控制电路740产生的输出电压图形的示例性曲线。输出电压图形相对于具有固定极性的输入电压是交变或切换的。更具体地，控制电路配置成响应于极性固定的可变输入而产生极性交替改变的可变输出。应当认识到，可以提供直线、曲线、
正弦波、方波、三
角波、脉冲波或任何其它表现出极性变化的
波形或图形。
[0035] 可以从图像传感器或自动聚焦驱动电路接收控制电路740的输入电压。控制电路740的输出电压可以施加至压电材料(压电致动器)以使致动器主体变形来产生施加至透镜上的压缩力或解压力。当压电致动器700被启动时，压电致动器700在透镜上或与透镜连接的基质层上施压缩力或解压力以使透镜的光学特性和透镜的物理特性中的至少一个发生改变。作为物理特性和光学特性中的至少一个发生改变的结果，透镜可以变形或者不变形。在此描述中，术语“物理特性”包括但不限于质量、形状、体积、
密度、热性质、
磁性质、硬度、
能量转换系数、长度、宽度以及
曲率半径。
[0036] 取决于所用的材料，透镜组件的透镜在压电致动器700的动作下可以是可变形的或不可变形的、和/或可压缩的或不可压缩的。更具体地，可通过压电致动器产生变形的透镜可以是可压缩的或不可压缩的；不可通过压电致动器产生变形的透镜可以是可压缩的或不可压缩的。因此，通过使用一个或多个压电致动器，光学系统可进行动作以执行变焦功能。在此描述中，尽管使用压电致动器来使得能够在光学系统中实现聚焦和/或变焦功能，但应当认识到，可以在进行适当的变型的情况下使用其它类型的致动器(这些致动器包括但不限于音圈
马达、电磁致动器、热致动器、双金属致动器以及
电润湿装置)。
[0037] 尽管以上段落和图7C将控制电路740的输入和输出描述为电压
信号，但应当理解，在进行适当的变型的情况下，控制电路740的输入和输出可以是
电流信号。
[0038] 图8A示出了与图1A的实施例配合使用的压电致动器700。图8B示出了与图3的实施例配合使用的两个压电致动器700。类似地，压电致动器700可以用于图2的实施例。当压电致动器700被启动时，压电致动器700对连接到其上的透镜施加压缩力或解压力，以通过使透镜变形或通过改变该透镜的物理特性来改变透镜组件的至少一种光学特性。可以设置可拉伸材料824以适应于透镜组件中的任何变形。尽管图8A和图8B的示例使用了两个压电致动器，但应当认识到能够使用一个压电致动器。另外，在进行适当的变型的情况下，还可以针对透镜或基质层设想出压电致动器的其它结构或组合。
[0039] 图9A至图9C示出适合用作人眼植入物从而使得不需要眼镜或处方眼镜的光学系统的示例。在特定实施例中，图9A至图9C的透镜构造可以用在眼镜或处方眼镜上从而能够在不需要双焦点透镜的情况下进行近处查看和远处查看。
[0040] 图9A示出具有透镜组件910的光学系统的示例，在透镜组件910中，以分层并置排列的方式布置多个透镜。透镜包括透明材料。可以采用上述的各种方法来在透镜组件910中实现至少一种非均匀光学特性。透镜组件910可以在植入前是可变形的或弹性的。植入后，透镜组件910被眼肌926保持在适当的位置，透镜组件910的形状通常是固定的，或者通过选择合适的用于制造透镜的材料而能够被改变。适当地布置透镜组件910以使得在第一焦平面930(即与透镜组件保持固定距离的视神经或
视网膜)上形成聚焦的图像。第一焦平面930可以是也可以不是平坦表面。
[0041] 图9B示出具有由定位结构920所支撑的七个透镜形成的透镜组件910的光学系统的示例。透镜包括透明材料，并且定位结构可以是也可以不是透明的。
[0042] 图9C示出具有由定位结构920所支撑的两个透镜形成的透镜组件910的光学系统的示例。透镜包括透明材料，并且定位结构可以是也可以不是透明的。
[0043] 在图1A-图1B、图2-图6、图8A-图8B、图9A-图9C中示出的上述实施例和其它没有明确说明的实施例中，透镜组件可进行动作以将
波长在不可见波谱范围内的红外线转换成波长在可见波谱范围内的光线，以形成高质量的图像。更具体地，所形成的图像是使用来自目标的光线及经过转换的光线(即从红外线转换来的光线)这两者而形成的。
[0044] 为图示清楚起见，所示出的透镜组件在相邻的透镜或基质层或渐变层之间具有明确界定的边界。应当认识到，还可以不那么清晰地界定相邻的透镜或基质层之间的边界。具体地，可以以渐进的方式产生透镜间光学特性的变化。
[0045] 另外，渐变透镜可以具有与由多个透镜形成并具有至少一种不同光学特性的复合透镜相同的光学效果。理论上，多个透镜中的每一个可以具有较小的厚度(例如，具有
原子层的厚度)，因此可以认为渐变透镜是由大量的或接近无穷多个的很薄的透镜构成的。
[0046] 本发明的实施例可应用于多种光学应用，这些应用包括但不限于
条形码阅读器、数字
照相机、模拟照相机、
移动电话摄像头、使用胶卷的照相机以及眼睛植入物。这些数字和模拟照相机可以用于下述的装置和应用中，这些装置和应用包括但不限于自动照相机、监控照相机、远程控制照像机、远程控制装置、移动装置照相机、胶囊
内窥镜照像机、内窥镜照像机、医疗应用中使用的照像机、在望远镜中使用的照像机、在空间应用中使用的相机。
[0047] 下面说明如上述实施例中说明的光学系统的制造方法。可以通过例如，双色模制或
模内装饰来分别模制定位结构和第一透镜。定位结构或居中的透镜可以是也可以不是首先模制的。随后，可以通过将第一透镜和第二透镜以并置排列的方式布置在定位结构中来形成具有非均匀光学特性的透镜组件。适当地选择透镜的材料以使得第一和第二透镜中的至少一个具有渐变光学特性。另外，可替选地，第一和第二透镜中的至少一个可以是非渐变透镜。上述方法是示例性的，应当理解，在进行适当的变型的情况下可以使用其它的制造方法。
[0048] 在考虑本发明的
说明书和实践的情况下，本发明的其它实施例对于本领域技术人员而言变得明显。此外，为了表述清楚的目的使用了特定的术语，但不是为了限制所公开的实施例。上述的实施例和特征应当被认为是示例性的，本发明由随附的
权利要求书所限定。
