CN102822699A - 平面成像*** - Google Patents

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CN102822699A CN2011800116977A CN201180011697A CN102822699A CN 102822699 A CN102822699 A CN 102822699A CN 2011800116977 A CN2011800116977 A CN 2011800116977A CN 201180011697 A CN201180011697 A CN 201180011697A CN 102822699 A CN102822699 A CN 102822699A
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Abstract

成像***(100)具有面向对象的前侧(102)和背对对象的后侧(104)，以及当从对象观察时，所述后侧布置在前侧(102)的后面。前镜(106)位于前侧，通过其来自对象的前镜光线能进入成像***(100)。在后侧(104)或前侧(102)，成像***(100)具有至少一个光学元件(114；108；200)，将该元件以使它能影响光路(120；402)的方式布置，以该方式从而导致在前镜(106)和图像传感器(112)之间的折叠光路，并且对象的实像出现在图像传感器上。通过至少一个光学元件(114；108；200)的电驱动，可能以至少两个值之间可切换方式改变在成像***(100)内的焦距。由玻璃或弹性材料、液镜(500)、或液晶元件(600)构成的透镜用作光学元件(114；108；200)。使用电控制压力传动装置的辅助或通过应用至可变光学元件(114；108；200)的电场来实现焦距的改变。

Description

平面成像***
技术领域
本发明涉及用于使对象成像在图像传感器上的成像***。
背景技术
光学模块、特别是移动无线装置(手机)开发中的趋势日益朝向非常平坦的设计。在该情况下，这样的构造越来越是优选的，其中具有选择的折射、衍射、透射或反射性能的多个光学元件彼此联合，以实现期望的光路，并且在图像传感器上产生图像(参见图1；或例如J.Jahns：“Integratedoptical imaging system”，Appl.Opt.29(1990)1998)。
至于模块的最平坦的可能构造，不断增加的要求施加限制，然而，对于焦距的可变性，之前使用的装置和***特别也是这样的。
问题
本发明要解决的问题是提出用于使对象成像在图像传感器上的成像***，其具有非常平坦的设计并联合实现至少两个不同焦距。
方案
通过本发明解决的该问题包括独立权利要求的特征。本发明的有利发现的特征在于从属权利要求。此处，所有权利要求的术语通过引用的方式并入该说明书的内容中。本发明还包括所有便利方面，特别是所有提及的独立权利要求和/或从属权利要求的结合。
下面更详细描述成像***。
提出用于使对象成像在图像传感器上的成像***。光线整体穿过对象和图像传感器之间的光路，通过由固体透明材料或填充空气的外护套构成的(透明)载体，在其上安装一个或多个无源或/和有源的光学组件。所述光学组件的目的是通过改变(切换)从入射透镜至传感器的光学距离(改变有源元件的焦距和/或变更从入射透镜至传感器的光学距离)，能够连续或分立地调节***的光学焦距。
在成像***中，光线被光学元件的空间布置偏转。光线的偏转通过这样的光学元件实现，该光学元件使用不同的光学效果，例如：
-折射(从一种透明介质到另一种介质光线的方向的改变，前提是光线不垂直透过介质之间的界面)；
-衍射；以及
-反射(当光线撞击到具有不同光学性能的两种介质之间的界面上时，光线阻碍回来)。
光学元件可以是透镜、平面镜、光栅、全息图、和具有光学性能(其对期望光路是合适的)的其他元件。
图像传感器位于光路末端，在图像平面中，对象借助于元件而进入图像传感器中。所述图像传感器通常具体为CCD或CMOS类型的传感器。然而，原则上，可使用任何可以想象的传感器，例如膜、电图像传感器、扫描光检测器等。
成像***具有面向所述对象的前侧和背对对象的后侧，以及当从对象观察时，所述后侧布置在前侧的后面。
前镜(或多个透镜的组合)位于前侧，通过其来自对象的光线进入成像***。前镜可以实施为例如平面或曲面、或作为透镜***。这些元件可以为刚性或可变化的。
成像***还包括至少一个光学元件，将其布置在后侧或前侧上，以及能以这些方式影响在成像***内光路：折叠光路出现在前镜和图像传感器之间；以及对象的实像出现在图像传感器上。前侧和后侧以及折叠光路形成平面光学***。
将至少一个光学元件以使成像***的焦距能通过至少一个光学元件的电驱动改变的这种方式实施。
因此，取决于至少一个光学元件的电气开关状态，能为成像***设置焦距的至少一个第一值和焦距的不同于第一值的第二值。
通过改变(偏转)通过至少一个光学元件上光路来设置不同焦距。然而，也可能布置在光路中两个、三个、或更多可电驱动的光学元件。
***内距离图像传感器的具体光路取决于多少可电驱动的光学元件布置于光路中，并且将被它们特定光学性能而影响。所述光学元件的规格通过对象成像在图像传感器上的所需形式来确定，特别是通过所需放大率或焦距。
通过多个光学元件、还在前侧上能影响或改善成像质量。射线沿着光路穿过不同光学元件。在这种情况下，射线通常可交替地反射在前侧和后侧，因而实现光路的“折叠”。
通过所述***能够实现变焦距透镜和具有可变焦距的透镜。变焦距透镜理解为在特定范围中具有连续可变焦距的透镜。可变焦距理解为在不连续步骤中焦距的变化。
所述解决方案的一个优势实施方案也使成像***的焦距通过至少一个光学元件的电驱动持续可调节成为可能。
在成像***的另一优势实施方案中，至少一个光学元件的至少一种光学性质能通过电驱动的方式改变。例如，应当提及具有可控焦距的透镜，例如：
-膜透镜，其中以反射方式来实施膜以及通过机械或电驱动方式能改变焦距；
-基于液晶和电光材料具有可变焦距的透镜；或者
-液镜，在这种情况下，其中已知“电润湿透镜***”。
这些优选例将更详细解释在下面。
例如，光学元件包括弹性材料。在该优势实施方案中，在至少一个光学元件的至少一种光学性质中改变通过改变其几何形状来实现。
在这种情况下，例如，光学元件是由透明、弹性材料构成的透镜。尤其，在几何形状中所述改变涉及透镜表面弧线的半径。
如果在至少一个光学元件的几何形状中该可电切换改变是通过压电式力作用所引起，这也是有利的。在这种情况下，当接通控制电压时，压电元件影响透镜的弹性弯曲表面以及影响其半径。因此，改变透镜的光学性质以及设置焦距的变更值。如果关闭应用至压力-传动装置的控制电压，则恢复透镜的原始几何形状以及因而设置焦距的原始值。
压力-传动装置的运行依据压电现象(也称为压电效应)。压电现象描述电极化改变以及从而在某些固体中当其弹性变形时电气电压的出现(定向压电效应)。相反地，当应用电气电压时，某些材料变形(反向压电效应)。由于压电材料的定向变形，微观偶极(microscopic dipole)形成在单位晶格(elementary cell)内。在晶体的所有单元晶格中通过相关电场的加和得到宏观可测量的电气电压。相反地，通过施加电气电压可能达到由压电陶瓷构成的组件变形。
所述另一优选例涉及液镜。在该例子中，至少一个光学元件具有液镜。通过施加电气电压至光学元件，可能改变液镜的至少一种光学性质。
液镜通常由水性溶液和油组成。两种液体具有不同折射系数，并且不能混合。例如，液镜可以使两种液***于短管状容器中，在容器末端布置透明端盖的这种方式构成。端盖之一和管状容器的壁内表面设置防水涂层。这具有使水性溶液收集在管子的非涂覆端以及在此收集以形成半球形团块的作用。该半球形团块形成透镜形状主体，其也具有诸如凸透镜的透镜光学性质。
在液镜处产生的电场的辅助下，在数毫秒内可能实现形成透镜液滴表面几何形状(例如弯曲半径)的改变。
因此，可电控制透镜形状。施加的电场降低涂层的防水作用。因此，当接通或关闭液镜电极处电压时，水性溶液更大程度润湿管状容器的侧壁和在两种液体之间曲面的弯曲半径以及透镜变化的焦距。通过变化(增加或减少)甚至可能获得透镜形状从凸状变为平面或凹状。
成像***的优选实施方案也可能为使至少一个光学元件具有液晶元件和菲涅耳透镜的这种方式。
而且，在该优选安排情况下，光学元件的至少一种光学性质可通过施加至光学元件的电气电压来改变。
液晶是这样的物质，其一方面是液体，像液体物质，但另一方面也具有方向-依赖(各向异性)物理性能，像晶体。流体性和各向异性的该特定联合使得液晶在技术上令人感兴趣，主要是对于液晶屏幕，而且日益用于光学元件，例如液晶透镜。当溶解于溶剂(通常例如水)中时液晶通常表现出它们的性能。大部分液晶是光学双折射的。
热致液晶通常用于光学元件。这些液晶在特定物质加热熔融为固相和液相之间的中间(中间相)时发生。随着温度增加，该类型的物质可以连续地形成多种不同液晶相，所述液晶相就它们显微结构和它们宏观外观而言彼此显著区别，因此例如
-向列相；
-近晶相；
-圆柱相。
向列相是最简单类型的液晶相。向列相通常从这样的***形成，该***包括延长的、雪茄烟型分子。在该相中，相对于所谓定向器(方向的单位矢量)所述分子具有取向次序。确保的优选取向通常仅仅对于小体积是恒定的。小体积的优选取向是统计分布的。没有任何长范围次序发生。各向同性分布表现出存在于宏观尺寸。
通常，液晶分子的次序度和相关长范围取向次序随着温度的升高而降低。因此，物理性能例如例如折射率取决于温度。
然而，向列相的分子可以通过电场对齐。在小体积中优选方向因而在相同方向对齐，因此产生宏观各向异性次序。该电场引起的对齐发生而没有温度改变，即向列相内没有温度引起的相转变。
在宏观有序相中，对于平行于液晶分子的取向的偏振方向，折射率增加。垂直于对齐偏振的光线被阻断或极大地吸收。
通过电路布置液晶分子的靶向对齐被安装至液晶元件的电极影响。所述电极连接一个或多个电压源，该电压源可以彼此独立打开和关闭。
电极以根据期望功能构造的方式设置至光学元件或液晶元件。当打开电压时，电场通过液晶元件处的电极产生，所述电场引起预取向的液晶分子的区域改变的对齐。因此，具有不同折射率的区域在液晶元件中产生。在该情况下，折射率通过适于合适的偏振方向的电场而在具有液晶分子取向的区域中增加。
菲涅耳透镜或更准确菲涅耳阶梯透镜是光学透镜，其中通过和具有相同直径与相同焦距的常规光学透镜比较来减小重量和体积。特别在具有较短焦距的透镜的情况下(在通常形式中是非常厚和重的)这具有效果。在菲涅耳透镜中，通过分到环状区域中体积减小。在这些区域中的每者中厚度减小，使得透镜获取一些环状阶梯。由于仅当穿过透镜表面时光线折射，折射角度不取决于厚度，而是仅仅取决于两个表面之间的角度。透镜保持其焦距，但是图像质量被阶梯结构稍微损害。菲涅耳透镜通常用于透镜重量是关键而成像质量为其次重要处。
如果菲涅耳透镜被液晶覆盖，则液晶的折射系数可电切换。它可切换，例如使得在一种切换状态下，在菲涅耳透镜的材料和液晶之间折射系数有跳跃，因此，菲涅耳透镜具有作用。在其他切换状态下，折射系数差异可以消失，使得菲涅耳透镜不具有作用。在这种方式下，菲涅耳透镜的作用可以开和关。
在成像***中仅有一个可变光学元件，这也是可能的。在这种情况下，可以通过电驱动的这种方式设计光学元件，该电驱动沿着轴的位置可移动以及它的几何形状(例如透镜表面的弯曲)也是可变的，并且在焦距中改变因而通过可变性能的这种组合带来。
透镜或棱镜中折射通常导致分散，彩色分离。在透镜组件的构造中，通过使用具有不同折射系数和/或其他测量值的玻璃来最小化分散(颜色-矫正)。在本平面结构中，只要在任选表面处光路通过反射存在，则不存在分散。在传动装置中透镜或棱镜导致干扰性分散，但通过合适组合或在衍射元件的辅助下可最小化分散。
因此，成像***优选实施为反折射***，即作为平面镜-透镜***，其中在前镜远处的所有光学元件均是(弯曲的)平面镜。
在该结构中，光学元件特别适用于影响多色光的光路。术语多色光(希腊语：多色，事实上是指“多种颜色”)或白色光是指光线由不同颜色的混合光构成。多色光是多种波长的混合。
从优选示例性实施方案以及从属权利要求的所附描述中对进一步细节和特征会更显而易见。在这种情况下，通过它们自身或联合另外作为复合体可实现各自特征。解决问题的可能性不受示例性实施方案的限制。
示例性实施方案简略示出在图中。在这种情况下，在各图中相同的附图标记表示相同或功能相同的元件、或者依据它们的功能彼此对应。下图具体为：
图1显示依据现有技术的平面成像***的示意图；
图2显示具有可变焦距的平面成像***示意图；
图3显示具有通过电切换压力-元件(压力-传动装置)来改变形状的构件的光学元件示意图；
图4显示电切换液镜的示意图；以及
图5显示电切换液晶元件联合菲涅耳透镜的示意图。
图1示意性示出对应于现有技术的成像***100。***100具有前侧102和后侧104。前镜106、两个光学元件108、110和图像传感器112位于前侧102处。光学元件114、光学元件116和光学元件118布置在所示***100的后侧104的反面。光学元件108，110，114，116和118可以是折射或衍射、透射或反射光学性能的。
光路120从对象(未示出)通过前镜106进入第一光学元件114，还通过第二光学元件108、第三光学元件116、第四光学元件110和第五光学元件118，至其上对象成像的图像传感器112。
图2示意性示出具有可变焦距的提出的成像***100(例如相机模块)的示例性实施方案。
示出的***100具有前侧102和后侧104。在前侧102和后侧104之间的空间201可被空间填充，也可被透明载体材料填充。前镜106、光学元件108和图像传感器112位于前侧102处。两个光学元件114、200布置在所示成像***100的后侧104反面。光学元件114可以具有折射或衍射、透射或反射光性质。
光路120通过前镜106经光学元件114、108和200从对象(未示出)运行至图像传感器112，在其上对象成像。所述光路通过具体第一焦距定义。
通过光学元件108和200的电切换驱动，可能设置焦距改变为不同于第一焦距的值，因而改变在图像传感器112上成像的对象的实像，因此，实现所提出的成像***100的寻求的变焦性能。
在这种情况下，通过光学元件108和200的光学性质(例如弯曲表面的半径)的可电切换改变或者通过改变它们在光路120内位置来实现成像***100焦距改变。例如，光学元件108出现表面的新位置202。光学元件200类似地出现表面新位置204。这导致成像***100的变化的光路206。
因此，通过在所述成像***100内两种不同焦距的这种转换，例如，可实现具有至少两种离散可切换的不同焦距的成像***100。取决于电转换装置的具体结构，还可获得多个不同焦距。
在成像***100内实现变焦的光学元件200优选实施方案的一个例子示出在图3中。
在该示例性实施方案中，光学元件200是由弹性材料构成的透镜。将电气电压施加至压力-传动装置(未示出)。将压力-传动装置布置使得当施加压力时，所述压力-传动装置以类似于活塞(位移400)的方式作用弹性透镜，因而引起原始透镜形状(透镜弯曲)404的改变。透镜形状改变可通过透镜架403的半径(位移401)的变化来实现。改变的透镜形状406导致其光学性质改变，即焦距。因此，光学元件200影响透镜200的焦距。因此，改变光线的原始光路120以及产生改变的光路206。因此，以依赖于施加至压力-传动装置的方式改变焦距值，因而实现变焦。
光学元件200的另一优选实施方案示意性显示在图4中。在该例子中，光学元件200具有液镜500。液镜500由实际透镜液体502和环绕后者的液体504组成。反射材料506安排在液镜的下面。
将液镜安排在设置电极(例如ITO电极；未示出)的透镜架中。可将电压施加至电极，因此，在电极之间产生电场。当接通电压时，通过改变的两种液体之间表面张力的目标方式来改变液镜的光学性质，因此，接口的弯曲半径改变。液镜的光学性质的这种改变引起液镜焦距的改变，因而导致改变的光路206。因此，当在电极上接通电压时，成像***焦距的值改变，因而实现变焦。
示意性示出在图5中光学元件200是液晶602和菲涅耳透镜600的组合。将反射材料604安排在光学元件200的一侧，其背对对象侧入射光120，使得将光路120反射在图像传感器的方向中。菲涅耳透镜600从介电材料制备，例如塑料。
通过液晶602和菲涅耳透镜600的光学性质来测定进入对象侧光辐射的光路120。将电极(未显示)安排在光学元件200上，所述电极通过导体轨道连接至电压源。
通过开关电压源用电改变液晶602的光学性质(折射系数)，因此，使电极激活或失活。出现的光辐射206的光路，即偏角可因而用电改变。由于电极激活或失活的液晶602光学性质改变以类似于以上已描述方式反映。
当将电压源关闭时，光学元件200的液晶602是优选方向的各向同性分布。
打开电极电压导致沿着光线传播方向120的液晶602的对齐以及两极化方向的折射系数的改变。这连同菲涅耳透镜600的特定成形弹性表面导致通过光学元件200的射线206的偏向。
液晶602的对齐角度取决于施加电压的大小。然而，对齐角度也决定折射系数改变程度。这影响焦距。因此，通过施加的电压来控制焦距。这拓展了实现另外的焦距的可能性。
引用的文献
J.Jahns：“Integrated optical imagining system”，Appl.Opt.29(1990)1998
附图标记
100    成像***
102    前侧
104    后侧
106    前镜
108    光学元件
110    光学元件
112    图像传感器
114    光学元件
116    光学元件
118    光学元件
120    原始光路
200    光学元件
201    在光学元件的前侧和后侧之间的空气填充空间或载体材料
202    光学元件108的表面新位置
204    光学元件200的表面新位置
206    改变的光路
400    位移
404    弯曲半径
406    改变的弯曲半径
401    位移
403    安装可变半径(位移)的透镜
500    液镜
502    透镜液体
504    环绕液体
506    反射材料
600    菲涅耳透镜s
602    液晶
604    反射材料

Claims (2)

1.一种用于使对象成像在图像传感器(112)上的成像***(100)，其中光线穿过所述对象和所述图像传感器(112)之间的光路(120，402)，其中所述成像***(100)包括下列：
a)面向所述对象的前侧(102)；
b)背对所述对象的后侧(104)，当从所述对象观察时，所述后侧布置在所述前侧(102)的后面；
c)在所述前侧(102)处的前镜或透镜组合(106)，通过所述前镜或透镜组合(106)来自所述对象的光线进入所述成像***(100)；
d)至少一个光学元件(114；108；200)，将其布置在所述后侧(104)或前侧(102)，以及能以以下这些方式来影响在所述成像***(100)内的所述光路(120)：
d1)折叠光路出现在前镜(106)和图像传感器(112)之间；以及
d2)所述对象的实像出现在所述图像传感器(112)上；
其特征在于，
e)所述至少一个光学元件(114；108；200)具有液镜(500)；
f)所述液镜(500)的至少一种光学性质能通过施加至所述液镜(500)的电气电压改变；
h)将所述液镜(500)以使所述成像***(100)的焦距能通过所述液镜(500)的电驱动改变的这种方式来实施；
i)因此，取决于所述液镜(500)的所述电气开关状态，能为所述成像***(100)设置所述焦距的至少一个第一值和所述焦距的不同于所述第一值的第二值。
2.一种用于使对象成像在图像传感器(112)上的成像***(100)，其中光线穿过所述对象和所述图像传感器(112)之间的光路(120，402)，其中所述成像***(100)包括下列：
a)面向所述对象的前侧(102)；
b)背对所述对象的后侧(104)，当从所述对象观察时，所述后侧布置在所述前侧(102)的后面；
c)在所述前侧(102)处的前镜或透镜组合(106)，通过所述前镜或透镜组合(106)来自所述对象的光线进入所述成像***(100)；
d)至少一个光学元件(114；108；200)，将其布置在所述后侧(104)或前侧(102)，以及能以以下这些方式来影响在所述成像***(100)内的所述光路(120)：
d1)折叠光路出现在前镜(106)和图像传感器(112)之间；以及
d2)所述对象的实像出现在所述图像传感器(112)上；
e)其中所述至少一个光学元件(114；108；200)的至少一种光学性质能通过电驱动改变；
其特征在于，
f)所述光学元件(114；108；200)包括弹性材料；
g)在所述至少一个光学元件(114；108；200)的所述至少一种光学性质中改变通过改变其几何形状来达到；
h)将所述至少一个光学元件(114；108；200)以使所述成像***(100)的焦距能通过所述至少一个光学元件(114；108；200)的电驱动改变的这种方式来实施；
i)因此，取决于所述至少一个光学元件(114；108；200)的电气开关状态，能为所述成像***(100)设置所述焦距的至少一个第一值和所述焦距的不同于所述第一值的第二值。
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