專利名稱：不動的變焦距透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光學(xué)裝置，更具體地，涉及變焦距透鏡。
背景技術(shù)：
變焦距透鏡(即具有可變化的焦距的任何形式的透鏡)是眾所周知和在各種應(yīng)用場合中使用的。通常的變焦距透鏡可以包括至少二個透鏡零件，其間隔確定該變焦距透鏡的焦距。作為一個例子，照相機的機械補償?shù)淖兘咕嗤哥R一般可使二個零件運動，使圖象位置或圖象平面保持固定不變。作為另一個例子，變焦距透鏡可以具有一個物鏡，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，可改變該變焦距透鏡的焦距。
通常的變焦距透鏡的一個缺點為它們大和重，迫使得難以將該變焦距透鏡結(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)中。一般，變焦距透鏡通常的另一個缺點為必需使一個或多個透鏡零件運動(例如，在該變焦距透鏡內(nèi)機械地重新定位)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、PDA、和緊湊的數(shù)碼相機的發(fā)展和快速進入市場，明顯地需要一種改善的變焦距透鏡。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在說明形成變焦距透鏡的系統(tǒng)和方法。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，變焦距透鏡帶有一個可調(diào)諧的透鏡。通過改變加在該可調(diào)諧透鏡上的電壓電平，可改變該變焦距透鏡的焦距。因此，可以不需要機械地使其透鏡零件運動，即可以改變該變焦距透鏡的焦距。結(jié)果，該變焦距透鏡比通常的變焦距透鏡有一些優(yōu)點，例如，功率要求低，沒有機械驅(qū)動機構(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，變焦距透鏡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距透鏡的可變化的焦距。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一個光學(xué)裝置包括第一透鏡；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，并且該第一透鏡的折射率可變化，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，改變變焦距透鏡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距透鏡的焦距。
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)。現(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距透鏡；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的變焦距透鏡；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的變焦距透鏡；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的變焦距透鏡；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)視圖；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零件。
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距透鏡100。變焦距透鏡100包括一個物鏡102，一個可調(diào)諧的場鏡104和一個成象透鏡106。物鏡102(標記為f0)和成象透鏡106(標記為f1)可以分別代表通常的物鏡和通常的象鏡(也稱為成象透鏡或目鏡)，并可以由玻璃、塑料或其他已知的通常的透鏡材料制成。
成象透鏡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(標記為fLC)。如進一步詳細說明那樣，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，可以改變變焦距透鏡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和成象透鏡106作用是將光110引導(dǎo)(例如放大)和聚焦在圖象平面108上。使用者可以改變可調(diào)諧的場鏡104的折射率，以改變變焦距透鏡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)或變視野)。相反，通常的變焦距透鏡一般需要使其一個或多個透鏡零件物理方法運動或重新定位，以形成不同的焦距。
因為變焦距透鏡100不需要使其透鏡零件(例如，物鏡102，可調(diào)諧的場鏡104和/或成象透鏡106)運動或機械地重新定位，以調(diào)節(jié)其焦距，因此變焦距透鏡100(與這里所述的一個或多個其他實施例一起)比通常的變焦距透鏡具有一些優(yōu)點。例如，變焦距透鏡100可為便攜式裝置(例如，照相機，移動電話或PDA)提供不動的、緊湊的變焦距透鏡。變焦距透鏡100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。
變焦距透鏡100表示透鏡零件的一個示例性結(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)諧透鏡的透鏡結(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距透鏡200。變焦距透鏡200包括一個物鏡202和一個目鏡204。
物鏡202為一個可調(diào)諧的物鏡。如這里進一步詳細說明的那樣，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110上的偏轉(zhuǎn)量(例如，改變物鏡202的折射率)結(jié)果，改變變焦距透鏡200提供的變焦距量或放大倍數(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距透鏡300。變焦距透鏡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)的例如作為一個不動的變焦距透鏡，以提供可變化的焦距和將光110引導(dǎo)至圖象平面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，其放大率可由電壓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的放大率，可以改變場鏡304的有效的折射率，結(jié)果，也可改變變焦距透鏡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距透鏡400。變焦距透鏡400包括一個物鏡402，一個場鏡404和一個目鏡406。變焦距透鏡400與變焦距透鏡300(圖3)相同，但變焦距透鏡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)的例如作為一個不動的變焦距透鏡，以提供可變化的焦距和將光110引導(dǎo)至圖象平面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。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，透鏡504可由向列液晶制成。由液晶制成的透鏡504可以提供可使用通常的半導(dǎo)體處理技術(shù)制造的一個低成本的可調(diào)諧透鏡?？蓪⒁粋€或多個導(dǎo)體508(例如，諸如銦錫氧化物(ITO)一類的透明導(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，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的變焦距透鏡)的焦距。結(jié)果，例如通過改變外部偏壓506的電壓電平，可以改變透鏡504的折射率，這又可改變使用該可調(diào)諧透鏡500的變焦距透鏡的焦距。
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和成象透鏡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)諧的焦距的正象和負象透鏡。
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)諧透鏡的變焦距透鏡可使放大倍數(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-光變焦距透鏡)，該外部偏壓可從1V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不動的變焦距透鏡。該變焦距透鏡可提供具有連續(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，該圖象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，變焦透鏡那樣)。
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透鏡零件的有效折射率的不動的變焦距透鏡。結(jié)果，在該變焦距透鏡內(nèi)，不需要一個或多個透鏡零件的機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，可以與控制所選擇的透鏡材料的有效的折射率的改變的適當(dāng)?shù)南鄳?yīng)技術(shù)一起，使用壓電材料或與非線性光學(xué)軸線有關(guān)的雙折射材料。例如，變焦透鏡可以由非線性光學(xué)材料制成，包括該變焦透鏡的變焦距透鏡的焦距，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、拉或滑動該變焦透鏡來控制(即該變焦透鏡不象在通常的變焦距透鏡中那樣，向著其他的透鏡零件運動或離開該其他透鏡零件)。
例如，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，不在變焦距透鏡內(nèi)形成可調(diào)諧透鏡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。可調(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，分別形成變焦距透鏡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械地使透鏡零件前后運動，以改變變焦距透鏡零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β-BaB2O2晶體，LiB3O5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η0＝1.4938(例如，對于Z軸)，和ηe＝1.4599(例如對于X或Y軸)；KTP晶體的折射率可以為ηZ＝C＝1.8305，ηx＝a＝1.7395，和ηY＝b＝1.7367(例如，分別對于Z、X和Y軸)；β-BaB2O2晶體的折射率可以為η0＝1.6551(例如對于Z軸)和ηe＝1.5425(例如對于X或Y軸)；和LiB3O5晶體的折射率可以為ηZ＝c＝1.6055，ηx＝a＝1.5656，和ηY＝b＝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β-BaB2O2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ηe＝1.5425(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η0＝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
1.一種照相機的變焦距透鏡，該變焦距透鏡包括第一透鏡，其由純向列液晶制成，并且適于提供可變化的折射率；和第二和第三透鏡；其中該第一透鏡、第二透鏡和第三透鏡放置在固定的位置，以提供該變焦距透鏡的焦距；根據(jù)該第一透鏡的折射率，焦距可以變化。
2.如權(quán)利要求1所述的變焦距透鏡，其特征為，該第一透鏡為一個可調(diào)諧的場鏡，該第二透鏡為一個物鏡，和該第三透鏡為一個象鏡。
3.如權(quán)利要求2所述的變焦距透鏡，其特征為，該第一透鏡還包括其包括玻璃或塑料的一個基片。
4.如權(quán)利要求3所述的變焦距透鏡，其特征為，該第一透鏡還包括將電壓電平加在液晶材料上的導(dǎo)體。
5.如權(quán)利要求3所述的變焦距透鏡，其特征為，該基片由擴散、沉積、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所述的變焦距透鏡，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所述的變焦距透鏡，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。
8.一種變焦距透鏡，包括第一透鏡，其適于提供可變化的折射率；和第二透鏡；其中，該第一透鏡和第二透鏡放置在固定位置，以提供該變焦距透鏡的焦距，而焦距可根據(jù)第一透鏡的折射率改變；并且其中，通過轉(zhuǎn)動該第一透鏡，改變該第一透鏡的折射率，改變焦距。
9.如權(quán)利要求8所述的變焦距透鏡，其特征為，該第一透鏡包括非線性晶體。
10.如權(quán)利要求9所述的變焦距透鏡，其特征為，該非線性晶體包括KDP晶體、KTP晶體、β-BaB2O2晶體和LiB3O5晶體中的至少一種。
11.如權(quán)利要求8所述的變焦距透鏡，其特征為，還包括第三透鏡。
12.如權(quán)利要求11所述的變焦距透鏡，其特征為，該第一、第二和第三透鏡可分別作為該變焦距透鏡的場鏡、物鏡和象鏡。
13.如權(quán)利要求12所述的變焦距透鏡，其特征為，該變焦距透鏡結(jié)合在照相機、電話和個人數(shù)字助理中的至少一個中。
14.一種光學(xué)裝置，包括第一透鏡，其包括純向列液晶材料；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；該第一、第二和第三透鏡可分別作為該光學(xué)裝置的場鏡、物鏡和象鏡。
15.如權(quán)利要求14所述的光學(xué)裝置，其特征為，該光學(xué)裝置結(jié)合在照相機、個人數(shù)字助理和電話中的至少一個中。
16.如權(quán)利要求14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，可改變第一透鏡的折射率。
17.一種改變照相機的不動的變焦距透鏡的焦距的方法，該方法包括提供第一透鏡，其具有可變化的折射率，和包括純向列液晶材料；提供第二透鏡，其放置在離該第一透鏡一個固定距離上；和改變第一透鏡的折射率，以改變該變焦距透鏡的焦距，其中，焦距的變化由折射率確定。
18.如權(quán)利要求17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分別作為場鏡、物鏡和象鏡。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征為，變化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行的。
全文摘要
公開了提供變焦距透鏡的系統(tǒng)和方法。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，變焦距透鏡(100)帶有一個可調(diào)諧的透鏡(104)。不需要機械地運動或改變一個或多個透鏡零件之間的隔開距離，而可以改變該變焦距透鏡的焦距。
文檔編號G02F1/13GK1890583SQ200480036130
公開日2007年1月3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)明者因·S·唐 申請人:因·S·唐