[发明专利]具有可变倍率元件的变焦透镜系统

说明书

技术领域

本发明一般而言涉及透镜设计，特别涉及具有至少一个可变倍率(power)元件的可变焦距透镜系统。

背景技术

常规的可变焦距透镜系统(例如变焦透镜系统)通常包括至少一个透镜组，沿光轴移动所述透镜组以便改变系统的焦距，从而导致物体在系统的像平面上的可变放大率。变焦透镜系统可以包括多个移动组或者固定透镜组和移动透镜组的组合。这些类型的透镜系统具有各种设计形式，其中每种设计形式在尺寸、性能、成本、机械复杂性等方面具有其自己的一组强度。常规的可变焦距透镜系统以机械的方式移动透镜组以便获得可变焦距。这种移动增加了透镜系统的成本、复杂性和尺寸。例如在消费照相机应用中，期望具有一种紧凑且廉价的变焦透镜系统。

可变倍率的透镜元件是已知的。例如，美国专利No.6,369,954 B1和PCT申请公布No.WO 2003/069380公开了电控液体透镜。这些透镜中的每一个都由在具有透明外表面的空腔中所包含的具有不同折射率的两种不混溶液体组成。电极位于空腔的内侧。当对电极施加电压时，响应于在电极之间建立的电场，这两种液体之间的界面的曲率改变，从而导致液体透镜的光焦度(optical power)改变。电控液体透镜的响应时间大约是0.02至0.1秒，并且尺寸通常为2至10mm。这些液体透镜的光学表面的形状可通过修改电极进行微调，从而允许像散存在于该光学系统中。

美国专利No.6,369,954 B1公开了使用凹的或凸的腔表面来获得该器件的特定屈光度值，其中该器件处于静止状态，并且第一和第二液体是不混溶的、具有不同光学指数、以及具有基本上相同的密度，其中第一液体是导电的，而第二液体是绝缘的。另外，可以通过添加离子组分来使导电液体导电。PCT申请公布No.WO 2003/069380公开了使用折射率在1.25与1.60之间并且具有增大其中一种液体的密度的附加的分子成分的液体，以便使得这两种液体的密度能够匹配，从而避免重力效应。另外，透明外表面具有非球面形状以便提供期望的初始聚焦特性并且充当视场致平器。

美国专利申请公布No.US 2004/0179280和No.US 2005/0018127公开了液晶透镜。在这类透镜中，液晶材料被保持在一系列电极之间。对电极施加电压导致液晶与电场对齐，从而改变液晶透镜的光焦度。液晶透镜的响应时间可以小到0.003秒，并且尺寸范围类似于电控液体透镜。与液体透镜一样，电场决定液晶透镜的总体光学性能。因此，液晶透镜可通过电极修改来进行微调，并且像散存在于该透镜系统中。

美国专利No.5,574,598公开了压力控制液体透镜。该透镜包括具有由弹性材料制成的透明表面的充液腔。当对邻近腔施加压力时，充液腔的弹性材料表面可以被拉伸成弯曲的形状。当这种情况发生时，液体透镜就具有了光焦度。通过改变对该邻近腔所施加的压力，可以将透镜的光焦度控制在透明弹性材料的弹性限度内。在压力控制液体透镜中，光学表面趋向于球形的形状，因为所述表面是由表面张力确定的。因此，在该透镜组件中也存在像散。

在H.Oku，K.Hashimoto，M.Ishikawa的论文“Variable-focus lenswith 1-kHz bandwidth”，Optics Express，Vol.12，No.10，May，2004，pages2138-2149中描述了一种压力控制液体透镜。该透镜也包括具有由弹性材料制成的透明表面的充液腔。使用压电致动器对该透明表面施加压力，以便改变这些表面的形状。通过改变对压电致动器所施加的电压来改变对透镜所施加的压力的量。这种透镜系统的响应速度大约为0.001秒。在该压力控制液体透镜中也存在像散。

虽然上述透镜中的任何一个都可以用在可变焦距透镜系统中，但是电控液体透镜和液晶透镜的响应时间(低于0.1秒)和尺寸(通常为2至10mm)特性使得这些透镜特别适合用于消费照相机的变焦透镜。还可以使用压力控制透镜，只要透镜的尺寸与所设想的应用相适应。

包括电控可变倍率透镜的变焦透镜是已知的。例如，PCT申请公布No.WO 2004/038480公开了一种变焦透镜，其包括从物侧到像侧的前固定透镜组、可控透镜组和后固定透镜组。该可控透镜组包括电压控制的电浸湿器件，该器件包含具有处在1.25至1.60的范围内的不同折射率的第一液体和第二液体，并且具有至少两个第一液体-第二液体的界面。通过对该器件的电极提供电压，可以独立地改变这些界面的曲率以及因此改变透镜的倍率，从而不需要透镜元件的机械运动。