光学系统的透镜组件和致动器及其方法技术方案

一种适于在移动设备(诸如手机等)、安全相机和其它小规格成像系统中使用的小外形尺寸的光学变焦。一个或多个阿尔瓦雷斯透镜对被提供，并且横向于光轴运动。一个或多个阿尔瓦雷斯透镜对与致动器的结合允许在光学部件的横向位移距离为约5毫米以下的情况下具有至少3x的变焦能力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光学系统的透镜组件和致动器及其方法相关申请的交叉引用本申请涉及并主张于2013年8月11日提交的PCT申请PCT/US13/69288、于2014年8月1日提交的美国专利申请SN61/925,215、于2013年5月9日提交的美国专利申请SN61/874,333以及于2012年11月8日提交的美国专利申请SN61/724,221的权益，所有这些申请通过引用结合于此。
本专利技术涉及结合成像传感器使用的透镜组件和致动器，并且更具体地涉及用于在诸如集成到手机的相机之类的设备、安全相机或其它小外形尺寸(formfactor)的成像设备(特别是受益于小的Z尺寸的那些设备)中提供光学变焦。
技术介绍
用于光学系统的致动器通常用于相对于像平面重新定位光学系统的一个或多个透镜，以改变光学系统的焦距。重新定位通常意在实现对焦或变焦。用来实现对焦的致动器用于调节光学系统的焦距，以使图像鲜明或清晰。对于小规格光学系统，特别在手持设备(诸如电话等)中，电磁致动系统(亦称音圈马达)系统已用于对焦。在该配置中，透镜通常沿光轴移动小于350μm来对焦。该电磁系统向致动器供给电流，以实现在沿光轴的单个方向上的光学部件的运动。该运动由弹簧抵消，该弹簧在相反的方向上拉动光学部件。所移动的距离因此是供给的电流与弹簧张力的函数。用于实现变焦的致动器使光学系统的一个或多个透镜相对于像平面重新定位，因此光学系统的焦距改变，以使得在不移动相机的情况下远处的物体看起来更近。例如，2∶1变焦透镜在最大焦距处能够使物体距图像传感器的距离看起来只有当该变焦透镜在最小焦距处的距离一半。由于小规格外形尺寸仍需要良好的性能，各种小规格的光学系统例如在各种小型设备(诸如电话、平板电脑和监视摄像机等)中的广泛使用对致动系统施加了额外的挑战。在小规格的光学系统中，所期望的致动器系统的性能特征包括位置精度、低功率、低噪音水平、和速度。位置精度对于实现期望的图像质量而言是重要的。低功耗对于延长各种手持移动设备中的电池寿命是重要的，并且受到所需的行程长度、克服移动光学部件的重量所需的力、和摩擦的影响。避免或减少在致动期间产生的噪声对于防止在视频捕捉期间通过设备麦克风捕捉不期望的噪声是重要的。实现所期望的图像的合成和对焦(包括变焦)时的速度(其是部件移动的速度以及移动距离的函数)对于满足消费者针对放大的或对焦的图像所期望的响应时间是重要的。在许多现代的光学系统中，变焦也可以通过软件手段实现，典型地被称为“数码变焦”。数码变焦是减小(缩小)数字照相或视频图像的视图的视角的方法。数码变焦通过将图像裁小为纵横比与原图相同的中心区域。数码变焦是以电子方式完成的，而未调节相机的光学器件，并且在过程中没有增加光学分辨率。裁剪导致在图像的质量降低。在许多情况下，数码变焦还包括将结果插值回至原图的像素尺寸。像素的裁剪和放大的这种组合通常在图像中产生像素化/马赛克效果，并且通常引入插值伪影。该像素化通常导致显著降低质量的图像。此外，数码变焦通常实施为一系列的增量、而非连续变焦。因此，例如，一些数码变焦以十分之一的功率增量实施，而其他的则使用更大的增量。这相当于传感器的有效尺寸减小。一些现有技术试图通过提供超大的传感器(例如，四十一兆像素)来克服数码变焦的缺点。在这种布置中，视图的视场的缩小并且因此数码变焦中固有的裁剪仍照亮(illuminate)了相当大的兆像素。因此，最终的缩放图像即使以常规的方式裁剪似乎也更可接受。在这种现有技术设计的一个版本中，全尺寸传感器据称用在视图的全视场(或最大广角)处，但是2x变焦的图像仅使用约八兆像素的该传感器，并且3x变焦的图像仅使用约五兆像素的传感器。然而，除了对大多数此类设备而言非常昂贵之外，过大的传感器在物理上大于移动设备(诸如手机等)所期望的传感器。此外，较大的传感器还需要到达传感器的较长的光路，以确保图像覆盖整个传感器。因此，仍常具有z轴突起，而不仅具有传感器的较大的x、y值。不同于数码变焦，光学变焦早已在摄影和其他光学系统中用于提供变焦，而未使图像的质量损失。通过使用凹透镜元件或凸透镜元件来提供光学变焦的典型透镜系统使一个或多个透镜元件沿光轴移动，并且在大多数这种系统中，每个透镜元件的光学中心位于光轴上。虽然这种系统可以提供良好的图像清晰度，但是它们需要透镜元件行进过大的距离，以适合于要求小外形尺寸的许多应用。例如，在手机中使用的相机中，手机的电子器件对在手机的相机中使用的透镜模块的外形尺寸加以严格的限制，并且这种限制禁止使用常规的光学变焦。虽然一些手机已提供了与它们的集成相机一起使用的、提供光学变焦的透镜系统，但是这些通常大大增加了手机的至少在相机的透镜系统的区域处的厚度。此外，例如能够进行3x放大的现有技术的光学变焦(其中，透镜沿光轴移动)通常需要光学部件移动大于10mm。这么长的行进范围通常需要使用步进马达。这对于在移动设备中使用的小规格光学系统而言是不理想的，这是由于它们体积大、移动这么长的距离需要更多的功率、并且可能引起由设备的麦克风收录的噪声。其他致动系统包括压电马达，以平行于光轴致动光学元件，从而建立光学变焦和自动对焦。然而，压电马达也往往在听觉上是有噪音的，以及建立了需要更复杂的电子设备来克服的滞后的问题。压电马达往往使用比一些其他设计更大的功率。此外，使用常规的凹凸透镜以提供光学变焦的系统需要比目前所期望的显著较长的行程，从而增大电池消耗并且需要显著较大外形尺寸来用于透镜模块。因此，长期以来需要适于在移动设备(诸如手机等)或其他小规格系统中使用的、提供清晰的光学变焦的、小外形尺寸的光学系统。
技术实现思路
本专利技术提供了适于在移动设备(诸如手机等)、安全相机、和其他小规格成像系统中使用的小外形尺寸的光学变焦。为了实现这些装置所需的小外形尺寸，一个或多个阿尔瓦雷斯(Alvarez)(或洛曼(Lohmann))透镜对被提供，并借助于本文所述的致动器横向于光轴移动。在实施例中，一个或多个阿尔瓦雷斯透镜对和致动器的组合允许在光学元件的横向位移距离约5毫米以下具有高达6x的变焦能力。该光学系统由此非常适于手机设备，并且还可以易于作为具有非常小规格的外形尺寸(例如10x10x6mm[XxYxZ]以下)的透镜模块来实施。大于6x的变焦能力可以通过10毫米以下的位移来实现，虽然外形稍大。根据实施例，较大的外形尺寸也是可接受的，例如30x30x6mm。在一些实施例中，Z高度小于6mm，例如5.8mm以下。除了提供清晰的、小外形尺寸的光学变焦，本专利技术的系统还提供了非常低的功耗以及低噪声的优点。此外，本专利技术的致动器具有遍及行程平面磁化降解最小的额外优点。本专利技术还包括用于优化一对或多对阿尔瓦雷斯(或洛曼)透镜(为方便起见，在下文中有时也称为自由外形透镜)之间的间隔的方法，透镜配置为建立光学变焦系统，其中，透镜横向于光轴移动。自由外形透镜中的每一者可以有一个或多个自由外形表面。在一些实施例中，自由外形透镜对中的每个透镜具有一个平坦表面和一个自由表面，其中，自由外形表面彼此面对。透镜之间的距离或间隙要仔细选择，以当它们横向于光轴移动来提供放大时保证透镜不相互接触，同时最小化或降低光学像差。在实施例中，自由外形透镜相对于另一个的平移提供了对焦和放大、或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学变焦透镜系统，其包括：至少一个微致动器，其配置为移动一个或多个光学元件，至少四个光学元件，所述至少四个光学元件中的每一者配置用于使光信号沿光信号行进路径通过，所述至少四个光学元件中的每一者包括至少一个自由外形表面，其中，至少四个光学元件以成对的配置定位，使得第一光学元件和第二光学元件形成第一对，并且第三光学元件和第四光学元件形成第二对，每一对能够响应于所述至少一个微致动器在大致横向于所述光信号路径的方向上移动，以引起所述系统的光功率变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.08 US 61/925,2151.一种光学变焦透镜系统，其包括：至少一个微致动器，其配置为移动一个或多个光学元件，至少四个光学元件，所述至少四个光学元件中的每一者配置用于使光信号沿光信号行进路径通过，所述至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯昌伦，章焜霖，林明宙，高永原，
申请(专利权)人：威动光有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG