專利名稱：無移動變焦鏡頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光學(xué)裝置，更具體地，涉及變焦鏡頭。
背景技術(shù)：
變焦鏡頭(即具有可變化的焦距的任何形式的鏡頭)是眾所周知和在各 種應(yīng)用場合中使用的。通常的變焦鏡頭可以包括至少二個鏡頭元件，其間 隔確定該變焦鏡頭的焦距。作為一個例子，照相機(jī)的機(jī)械補(bǔ)償?shù)淖兘圭R頭 一般可使二個元件運動，使圖像位置或圖像平面保持固定不變。作為另一 個例子，變焦鏡頭可以具有一個物鏡， 一個目鏡和該物鏡和該目鏡之間的 一個場鏡。通過使該場鏡和可能的話，該物鏡運動，可改變該變焦鏡頭的 焦距。
通常的變焦鏡頭的 一個缺點為它們大和重，迫使得難以將該變焦鏡頭 結(jié)合到一個小的裝置(例如，移動電話，個人數(shù)字助理(PDA)或緊湊照相機(jī)) 中。 一般，變焦鏡頭通常的另 一個缺點為必需使一個或多個鏡頭元件運動(例 如，在該變焦鏡頭內(nèi)機(jī)械地重新定位)以改變焦距，這通常需要空間和動力 來完成該運動。作為一個例子，隨著一般有嚴(yán)格的功率要求和受其電池容 量限制的移動電話的小照相機(jī)、PDA、和緊湊的數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展和快速進(jìn) 入市場，明顯地需要一種改善的變焦鏡頭。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在說明形成變焦鏡頭的系統(tǒng)和方法。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個實施 例，變焦鏡頭帶有一個可調(diào)諧的鏡頭。通過在不改變第一透鏡形狀的情況 下改變加在該可調(diào)諧鏡頭上的電壓電平，可改變該變焦鏡頭的焦距。因
此，可以不需要機(jī)械地使其鏡頭元件運動，即可以改變該變焦鏡頭的焦距。 結(jié)果，該變焦鏡頭比通常的變焦鏡頭有一些優(yōu)點，例如，功率要求低，沒 有機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)，能夠制造得較小，較輕和更加緊湊。
更具體地說，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，變焦鏡頭包括折射率可變化 的第一透鏡，和第二透鏡。根據(jù)該第一透鏡的折射率，該第一透鏡和第二 透鏡可提供該變焦鏡頭的可變化的焦距。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例， 一個光學(xué)裝置包括第一鏡頭；至少是相
對該第一透鏡放置的第二透鏡，使得光通過該光學(xué)裝置的第一透鏡和至少 是第二透鏡，并且該第一鏡頭的折射率可變化，以形成該光學(xué)裝置的可變 化的焦距。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，改變變焦鏡頭的焦距的方法包括提供具 有可變化的折射率的第一透鏡，提供第二透鏡，和改變第一透鏡的折射率 以改變變焦鏡頭的焦距。
本發(fā)明的范圍由包括在這部分中供參考的權(quán)利要求書確定。本領(lǐng)域的 技術(shù)人員通過考慮以下一個或多個實施例的詳細(xì)說明，將會完全了解本發(fā) 明的實施例以及其另外的優(yōu)點的實現(xiàn)?，F(xiàn)對附圖作第一次簡要的說明。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的變焦鏡頭； 圖2表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的變焦鏡頭； 圖3表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的變焦鏡頭； 圖4表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的變焦鏡頭；
圖5a和5b表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的可調(diào)諧的透鏡的頂部透視 圖和側(cè)^L圖6表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的非線性晶體和可調(diào)諧的透鏡。 通過參照下列的詳細(xì)說明，可以最好地了解本發(fā)明的實施例及其優(yōu)點。 應(yīng)當(dāng)明了利用相同的符號表示在一個或多個圖中所示的相同的元件。
具體實施例方式
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的變焦鏡頭100。變焦鏡頭100包括 一個物鏡102， 一個可調(diào)諧的場鏡104和一個成像透鏡106。物鏡102(標(biāo)記
為f。)和成像透鏡106(標(biāo)記為&)可以分別代表通常的物鏡和通常的像鏡(也 稱為成像透鏡或目鏡)，并可以由玻璃、塑料或其他已知的通常的鏡頭材料 制成。
成像透鏡106可以放置在靠近可調(diào)諧的場鏡104的地方，或形成可調(diào) 諧場鏡104的一部分(標(biāo)記為flx)。如進(jìn)一步詳細(xì)說明那樣，可調(diào)諧場鏡104 為通過將電壓加在可調(diào)諧場鏡104上，可以改變其折射率的透鏡。通過改 變可調(diào)諧場鏡104的折射率，可以改變變焦鏡頭100的焦距。
如圖1中作為一個例子所示，物鏡102,可調(diào)諧的場鏡104和成像透鏡 106作用是將光110引導(dǎo)(例如放大)和聚焦在成像平面108上。使用者可以 改變可調(diào)諧的場鏡104的折射率，以改變變焦鏡頭100的焦距(根據(jù)應(yīng)用情 況不同，也稱為變焦，變倍，變度數(shù)或變視場)。相反，通常的變焦鏡頭一 般需要使其一個或多個鏡頭元件物理方法運動或重新定位，以形成不同的 焦距。
因為變焦鏡頭100不需要使其鏡頭元件(例如，物鏡102，可調(diào)諧的場 鏡104和/或成像透鏡106)運動或機(jī)械地重新定位，以調(diào)節(jié)其焦距，因此變 焦鏡頭IOO(與這里所述的一個或多個其他實施例一起)比通常的變焦鏡頭具 有一些優(yōu)點。例如，變焦鏡頭100可為便攜時裝置(例如，照相機(jī)，移動電 話或PDA)提供無移動的、緊湊的變焦鏡頭。變焦鏡頭IOO可以設(shè)計成緊湊 的，同時仍然提供寬廣的視角和可變化的焦距。
變焦鏡頭100表示鏡頭元件的一個示例性結(jié)構(gòu)，但這個結(jié)構(gòu)不是限制 性的，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的原理可以用在各種可調(diào)諧透鏡的鏡頭結(jié)構(gòu)和應(yīng)用 中。例如，圖2表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的變焦鏡頭200。變焦鏡頭 200包括一個物《竟202和一個目《竟204。
物鏡202為一個可調(diào)諧的物鏡。如這里進(jìn)一步詳細(xì)說明的那樣，它例 如通過改變加在物鏡202上的電壓206,可以調(diào)諧(例如參見圖5a和5b)。 通過改變電壓206的電壓電平，物鏡202改變加在光IIO上的偏轉(zhuǎn)量(例如， 改變物鏡202的折射率)結(jié)果，改變變焦鏡頭200提供的變焦量或放大倍數(shù)。
作為另一個例子，圖3表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的變焦鏡頭300。 變焦鏡頭300包括一個物鏡302， 一個場鏡304和一個目鏡306。場鏡304 為一個可調(diào)諧的場鏡，它可通過改變加在場鏡304上的電壓308的電壓電 平而調(diào)諧。物鏡302，場鏡304和目鏡306可以實現(xiàn)的例如作為一個無移動
的變焦鏡頭，以提供可變化的焦距和將光110引導(dǎo)至成像平面310上。
場鏡304可以實現(xiàn)的例如作成為一個充滿液晶的透鏡，其倍率可由電 壓308的電壓電平(即場鏡304的外部偏壓)調(diào)諧。通過調(diào)諧場鏡304的倍率， 可以改變場鏡304的有效的折射率，結(jié)果，也可改變變焦鏡頭300的焦距。 作為另一個例子，圖4表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的變焦鏡頭400。 變焦鏡頭400包括一個物鏡402, —個場鏡404和一個目鏡406。變焦鏡頭 400與變焦鏡頭300(圖3)相同，但變焦鏡頭400提供一個可調(diào)諧的透鏡402， 而不是可調(diào)諧的場鏡304(圖3)。
通過加電壓408，物鏡402可調(diào)諧，當(dāng)改變電壓408的電壓電平時，物 鏡402的折射率改變。物鏡402,場鏡404和目鏡406可以實現(xiàn)的例如作為 一個無移動的變焦鏡頭，以提供可變化的焦距和將光110引導(dǎo)至成像平面 310上。
圖5a和5b表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的可調(diào)諧透鏡500的頂部透 視圖和側(cè)視圖?？烧{(diào)諧透鏡500包括一個基片502和一個透鏡504。基片 502可由玻璃或塑料或其他所希望的材料制成，以支承該透鏡504。
透鏡504可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道的向列液晶制成。由液晶制成的
諧透鏡。可將一個或多個導(dǎo)體508(例如，諸如銦錫氧化物(ITO)—類的透明 導(dǎo)體)包括在可調(diào)諧的透鏡500中以將外部偏壓506(例如， 一個可變化的電 壓源)加在透鏡504上。
作為一個例子，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在外部直流(DC)偏壓作用 下，向列液晶分子與電場重新對準(zhǔn)，以便有效地改變透鏡504的透鏡材料 的折射率，并從而改變可調(diào)諧透鏡500(或包括可調(diào)諧透鏡500的變焦鏡頭) 的焦距。結(jié)果，例如通過改變外部偏壓506的電壓電平，可以改變透銷504 的折射率，這又可改變使用該可調(diào)諧透鏡500的變焦鏡頭的焦距。
可調(diào)諧透鏡500還可包括一個透鏡510(例如， 一個定焦透鏡)。透鏡510 可以包括在該可調(diào)諧透鏡500中，作為可調(diào)諧透鏡500的一個整體部分。 例如，透鏡510可以通過光刻形成圖形或其他本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的技術(shù)， 利用擴(kuò)散、沉積、旋轉(zhuǎn)聚合物的方法制成。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，場鏡104、物鏡202、場鏡304或物鏡402 可以如對可調(diào)諧透鏡500所述的那樣實現(xiàn)。例如，如果可調(diào)諧透鏡500包
括透鏡510,則可用可調(diào)諧透鏡500代替圖1的可調(diào)諧的場鏡104和成像透 鏡106。這樣，可將所討論的用于制造可調(diào)諧透鏡500所述的方法用在這里 所述的可調(diào)諧透鏡中(例如，參見圖1~4)，以形成具有可調(diào)諧的焦距的正像 和負(fù)像透鏡。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，包括這里所述的一個可調(diào)諧透鏡的變焦鏡 頭可使放大倍數(shù)的量改變(例如，直至3倍或更大的可變化的放大倍數(shù))。有 效的焦距可由外部偏壓控制。根據(jù)所希望的應(yīng)用或放大要求的不同(例如， 提供電-光變焦鏡頭)，該外部偏壓可從IV變化至20V或更大。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了包括一個可調(diào)諧的透鏡作為其透鏡 零件之一的一個無移動的變焦鏡頭。該變焦鏡頭可提供具有連續(xù)地可變化 的焦距的一個光學(xué)系統(tǒng)，但這不是限制性的。例如，該成像平面可以保留 在一個固定位置上，或可需要在每一個增加的焦距上重新聚焦(例如，變焦 鏡頭那樣)。
一般，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供根據(jù)控制或改變其一個或多個 鏡頭元件的有效折射率的無移動變焦鏡頭。結(jié)果，在該變焦鏡頭內(nèi)，不需 要一個或多個鏡頭元件的^L械運動或物理的重新定位。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該可調(diào)諧的透鏡可作成一個基于液晶的可 調(diào)諧透鏡。然而，基于液晶的可調(diào)諧透鏡不是限制性的，該可調(diào)諧的透鏡 可用其他形式的，有效折射率可變化的材料制成。例如，可以與控制所選
料或與非線性光學(xué)軸線有關(guān)的雙折射材料。例如，變焦距透鏡可以由非線 性光學(xué)材料制成，包括該變焦距透鏡的變焦鏡頭的焦距，可通過將該非線 性光學(xué)材料從一個光學(xué)軸線轉(zhuǎn)動至另一個，不需沿著放大方向物理地推、 拉或滑動該變焦距透鏡來控制(即該變焦距透鏡不象在通常的變焦鏡頭中 那樣，向著其他的鏡頭元件運動或離開該其他鏡頭元件)。
例如，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，不在變焦鏡頭內(nèi)形成可調(diào)諧鏡頭500， 可以利用具有可變的折射率的非線性光學(xué)材料制造該可調(diào)諧的透鏡。作為 一個例子，該可調(diào)諧透鏡可以包括壓電材料或非線性光學(xué)晶體。該非線性 光學(xué)晶體(例如，參見圖6所述的晶體602)沿著不同的光學(xué)軸線(例如，晶體 602的X、 Y和/或Z軸)具有不同的折射率。通過將該非線性光學(xué)晶體從一 個光學(xué)軸線轉(zhuǎn)動至另一個，可以控制折射率的變化。
例如，圖6表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的非線性光學(xué)晶體602和可
調(diào)諧透鏡604的圖形?？烧{(diào)諧的透鏡604可由沿著一個或多個軸線(即如晶 體602那樣)具有不同的折射率的非線性光學(xué)晶體(例如晶體602)制成。例如， 可以轉(zhuǎn)動可調(diào)諧透鏡604(例如圖6所示)，以改變折射率，結(jié)果，改變包括 該可調(diào)諧透鏡604的變焦距透鏡的放大倍數(shù)。作為一個例子，可調(diào)諧透鏡 604可從X軸轉(zhuǎn)動至Y軸，或從X或Y軸轉(zhuǎn)動至Z軸，以提供增加的或連 續(xù)變化的折射率。
可調(diào)諧透鏡604可代替相應(yīng)的圖1 ~4中的場鏡104，物鏡202，場鏡 304或物鏡402，分別形成變焦鏡頭100-400。這樣，可以轉(zhuǎn)動可調(diào)諧透鏡 604以提供不同的折射率，而不是如這里所述的，改變電壓的偏壓。 一般， 轉(zhuǎn)動可調(diào)諧透鏡604，形成不同的折射率比機(jī)械地使鏡頭元件前后運動，以 改變變焦鏡頭元件之間的分開距離的通常的方法有某些優(yōu)點(例如，在尺寸、 重量等方面)。
如圖6中示例性地所示，晶體602可以成形、切斷或作成與可調(diào)諧透 鏡(例如球透鏡)相同的形狀。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，可調(diào)諧透鏡604可以 為KDP晶體、KTP晶體P-BaB202晶體，LiB305晶體或任何其他形式的非 線性光學(xué)晶體。例如，KDP晶體的折射率可以為ri。二1.4938(例如，對于Z 軸)，和n fl.4599(例如對于X或Y軸)；KTP晶體的折射率可以為ri z=c=1.8305， rix=a=1.7395，和ri y^^1.7367(例如，分別對于Z、 X和Y軸)； P-BaB202晶體的折射率可以為ri(Tl.6551(例如對于Z軸)和n e=l.5425(例 如對于X或Y軸)；和LiB305晶體的折射率可以為ri z=c=1.6055 ， ri x=a=1.5656，和ri y^-1.5905(例如分別對于Z、 X和Y軸)。
作為一個例子，可調(diào)諧透鏡604可以代表由(3-BaB202晶體制成的一個 球透鏡。通過轉(zhuǎn)動可調(diào)諧的透鏡604,可以沿著光學(xué)軸線改變折射率。例如， 可以放置可調(diào)諧透鏡604,形成折射率為n^l.5425(例如沿著其光學(xué)的Y 軸)，以提供在一個變焦距透鏡內(nèi)的一個放大倍數(shù)的大小。然后，可以轉(zhuǎn)動 可調(diào)諧透鏡604，形成ri 0=1.6551的折射率(例如，沿著其光學(xué)Z軸)，以形 成不同大小的放大倍數(shù)。
上述實施例說明，但不限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)了解，根據(jù)本發(fā)明的原理， 可以有許多改進(jìn)和改變。因此，本發(fā)明的范圍只由權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1. 一種照相機(jī)的變焦鏡頭，該變焦鏡頭包括:第一透鏡，其由向列液晶制成，并且適于在不改變第一透鏡形狀的情況下提供可變的折射率；和第二透鏡和第三透鏡，其中該第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡放置在固定的位置，以提供該變焦鏡頭的焦距，基于該第一透鏡的折射率改變所述焦距。
2. 如權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭，其特征為，該第一透鏡為可調(diào)諧的 場鏡，該第二透鏡為物鏡，該第三透鏡為像鏡，第一透鏡通過改變加在第 一透鏡上電壓是可調(diào)諧的，以控制第一透鏡的折射率，第一透鏡、第二透 鏡和第三透鏡適于為照相機(jī)的非偏振光提供變焦鏡頭功能。
3. 如權(quán)利要求2所述的變焦鏡頭，其特征為 或塑料的一個基片。
4. 如權(quán)利要求3所述的變焦鏡頭，其特征為 壓電平加在液晶材料上的導(dǎo)體。
5. 如權(quán)利要求3所述的變焦鏡頭，其特征為 旋轉(zhuǎn)聚合物方法中的至少 一種和光刻形成圖形技術(shù)制成。
6. 如權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭，其特征為，通過改變加在該第一透 鏡上的電壓電平，所述電壓電平改變該第一透鏡的折射率，來改變焦距。
7. 如權(quán)利要求1所述的變焦鏡頭，其特征為，該變焦距透鏡的放大倍 數(shù)只由第一透鏡的折射率確定。
8. —種光學(xué)裝置，包括 第一透鏡，其包括向列液晶材料；第二透鏡和第三透鏡，其放置在相對于該第一透鏡的固定位置上，使 光通過該光學(xué)裝置的第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡；和其中，第一透鏡適于提供可變化的折射率，以提供該光學(xué)裝置的可變 化的焦距而不改變第一透鏡的形狀；該第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡適 于為非偏振光提供變焦鏡頭功能，分別作為該光學(xué)裝置的場鏡、物鏡和像 鏡。
9. 如權(quán)利要求8所述的光學(xué)裝置，其特征為，該光學(xué)裝置結(jié)合在照相該第一透鏡還包括玻璃 該第一透鏡還包括將電 該基片由擴(kuò)散、沉積、 機(jī)、個人數(shù)字助理和電話中的至少一個中。
10. 如權(quán)利要求8所述的光學(xué)裝置，其特征為，通過改變加在該第一透 鏡上的電壓改變第一透鏡的折射率。
11. 一種改變照相機(jī)的無移動變焦鏡頭的焦距的方法，該方法包括 提供第一透鏡，其具有可變化的折射率，和包括向列液晶材料； 提供第二透鏡，其放置在離該第一透鏡一個固定距離上；和 在不改變第一透鏡形狀的情況下改變第一透鏡的折射率，以改變該變焦鏡頭的焦距，其中，焦距的變化由折射率確定。
12. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征為，它還包括提供第三透鏡； 其中，該第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡適于為非偏振光提供變焦鏡頭功 能，分別作為場鏡、物鏡和像鏡。
13. 如權(quán)利要求11所述的方法，其特征為，改變折射率的操作是通過 在該第 一透鏡內(nèi)調(diào)諧純向列液晶材料的折射率來進(jìn)行的。
全文摘要
本發(fā)明公開了無移動變焦鏡頭。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，變焦鏡頭(100)帶有一個可調(diào)諧的透鏡(104)。不需要機(jī)械地運動或改變一個或多個鏡頭元件之間的隔開距離，而可以改變該變焦鏡頭的焦距。
文檔編號G02F1/139GK101382643SQ200810210979
公開日2009年3月11日 申請日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月18日
發(fā)明者湯寅生 申請人:湯寅生