TWI476455B - 可變功率光學系統及其形成物體之最終影像的方法 - Google Patents

可變功率光學系統及其形成物體之最終影像的方法 Download PDF

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TWI476455B TW099110561A TW99110561A TWI476455B TW I476455 B TWI476455 B TW I476455B TW 099110561 A TW099110561 A TW 099110561A TW 99110561 A TW99110561 A TW 99110561A TW I476455 B TWI476455 B TW I476455B
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Description

可變功率光學系統及其形成物體之最終影像的方法 【相關申請案】
本申請案主張2009年4月10日申請之美國臨時申請案第61/168,523號之權益，所述美國臨時申請案之全文特此以引用方式併入本文中且構成本說明書之一部分。
本發明是關於可變功率光學系統(variable power optical system)。
某些變焦透鏡(zoom lens)設計對設計中所使用之透鏡進行分組，其中一個組主要用於變焦，第二組主要用於將影像保持於焦點處，且第三組用以保持像平面(image plane)固定。第四組亦可用以形成清晰(sharp)影像。聚焦組可經調整以用於在任何焦距位置(focal length position)處對變焦透鏡進行聚焦，而無需針對變焦透鏡之其它焦距進行重聚焦(refocus)。變焦組(或「變動器(variator)」)造成變焦期間之顯著放大率(magnification)的改變。用來使像平面穩定之透鏡組亦可用以提供放大作用。
變焦透鏡中之所需特徵包含高變焦比(zoom ratio)及寬角度視野(field of view)。在透鏡系統之變焦範圍增加時，大體上長度及重量亦增加。諸如蜂巢式電話或全自動相機(point-and-shoot camera)之消費型產品(consumer product)常常較小且重量輕，因此彼等產品中所包含之變焦透鏡受大小及重量約束。此外，在透鏡系統之焦距範圍增加時，大體上聚焦問題通常在寬視野變焦位置處亦增加。
液體透鏡單元包括位於腔室中之兩種或兩種以上流體。所述流體相接觸以形成一表面，所述表面可藉由例如多個電節點(node)而變化。流體可例如為一種或多種氣體、一種或多種液體，或一種或多種固體與一種或多種液體之混合物。使用液體透鏡單元替換一個或多個移動的透鏡組造成用於光徑之額外組態選擇。液體單元可在複合變焦透鏡系統中使用以利用此等性質。許多全自動相機及蜂巢式電話相機不具有用於長透鏡之大量空間。與輻射軸的摺疊或重新引導相組合而使用液體單元時允許此等小的相機封裝中之較佳變焦透鏡系統。較大相機亦可獲益。
在以下描述中，參考附圖。應瞭解，在不脫離本發明之範疇的情況下可使用其它結構及/或實施例。
液體透鏡單元可在不依賴於液體單元之機械移動的情況下修改光徑(optical path)。包括第一及第二接觸液體(contacting liquid)之液體透鏡單元可經組態以使得接觸液體之間的接觸光學表面具有可變形狀，所述可變形狀可相對於液體透鏡單元之光軸(optical axis)成實質上對稱。多個透鏡元件可沿一共同光軸而對準，且經配置以收集自物體側空間(object side space)放射之輻射且遞送至影像側空間(image side space)。液體透鏡單元可***至由沿共同光軸而對準之所述多個透鏡元件形成的光徑中。液體透鏡單元之光軸可平行於共同光軸，或其可與共同光軸成一角度或偏心(decentered)。
目前預期之液體透鏡系統將具有約0.2或0.2以上、較佳至少約0.3且在某些實施例中至少約0.4的折射率(refractive index)差異。水具有約1.3之折射率，且添加鹽可允許將折射率改變為約1.48。合適的光學油(optical oil)可具有至少約1.5之折射率。即使藉由使用具有較高、較低、或較高及較低折射率之多種液體，例如較高折射率的油，功率變化範圍仍有限。此有限功率變化範圍通常提供比可移動的透鏡組之放大率(magnification)改變還少的放大率改變。因此，在簡單的可變功率光學系統中，為在維持一種恆定像面(image surface)位置的同時進行變焦，大部分的放大率改變可由一個可移動的透鏡組提供，且在放大率改變期間對在像面處之散焦(defocus)的大部分補償可由一個液體單元提供。
應注意，可使用較多可移動的透鏡組或較多液體單元，或兩者。與一個或多個液體單元組合使用一個或多個移動的透鏡組的實例已描述在2008年10月6日申請且以全文引用方式併入本文中的題為「Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus」之美國專利申請案第12/246,224號中。
系統中所使用之透鏡元件之大小及性質引入了在設計透鏡系統時應考慮之約束。舉例而言，一個或多個透鏡元件之直徑可能限制形成於像面上之影像的大小。對於具有可變性質之透鏡系統，諸如可變功率光學系統，光學元件可基於透鏡元件之變化而改變。因此，第一透鏡元件可在第一變焦組態中約束透鏡系統，而第二透鏡元件可在第二變焦組態中約束透鏡系統。作為實例，光束之沿邊光線(rim ray)可在變焦範圍之一個極端(extreme)處接近透鏡元件之外邊緣，而在變焦範圍之另一極端處與同一透鏡元件之外邊緣相距一明顯距離。
圖1A-圖1D顯示形成中間影像108及最終影像107之簡化的複合可變功率光學系統的光學圖。如圖所示，光闌(stop)109恰位於液體透鏡單元104之後處於透鏡之中繼部分(relay portion)中。可變功率光學系統可用於例如相機。圖1A說明寬位置中之變焦比，且圖1D說明遠攝(telephoto)位置中之變焦比。
圖1A-圖1D中所顯示之可變功率光學系統不具有移動的透鏡組。取而代之的是，變焦及最終影像處之恆定焦點是經由六個液體透鏡單元101、102、103、104、105及106完成，其中每一液體透鏡單元具有可變表面111、112、113、114、115及116。可使用控制系統來控制液體透鏡單元101、102、103、104、105及106中之接觸光學表面之可變形狀。
應瞭解，液體透鏡單元可各自包括多個表面，其中所述表面為可控制的及/或固定的。在一些實施例中，液體透鏡單元可包括兩個或兩個以上液體單元之組合。一板(plate)可置放於經組合的單元之間。所述板可具有可按設計需要而設定之光學功率。液體透鏡單元亦可在外表面上具有板。在一些實施例中，外表面上之板可提供光學功率或摺疊功能。板及其它透鏡元件可為球面的或非球面的，以提供經改良的光學特性。
個別透鏡元件可由諸如玻璃、塑料、晶體或半導體材料之固相(solid-phase)材料構成，或其可使用諸如水或油之液體或氣體材料來構成。透鏡元件之間的空間可含有一種或多種氣體。舉例而言，可使用標準空氣、氮氣或氦氣。或者，透鏡元件之間的空間可為真空。當在本發明中使用「空氣」時，應瞭解其是在廣義上使用，且可包含一種或多種氣體或真空。透鏡元件可具有塗層，諸如紫外線濾光片(ultraviolet ray filter)。
液體透鏡單元中之液體可具有固定體積，且液體透鏡單元之外表面之形狀可固定。在各附圖中，所述液體透鏡單元中之一些液體透鏡單元是以提示液體透鏡單元之液體體積之變化及/或外表面形狀之變化的方式來顯示。此亦意謂表面之頂點軸向地移位。所述顯示是在不對液體透鏡單元之體積或形狀施加約束之情況下以電腦軟體來產生。各附圖顯示了可變功率光學系統中使用液體透鏡單元之概念，且可針對可使用之各種液體透鏡單元進行適當修改。
圖1A-圖1D中所顯示之透鏡元件經配置以形成中間影像108。雖然中間影像108之位置及大小在變焦位置改變時改變，但其保持於液體透鏡單元101與102之間。雖然圖1A-圖1D顯示接物鏡(objective)光學元件組之後跟隨有一中繼光學元件組，但亦可使用多個中繼光學元件組來達成較高放大率。額外放大率可以高折射率流體達成。
使用液體透鏡單元替換一個或多個移動的透鏡組造成用於光徑之額外組態選擇。以液體透鏡單元替換移動的透鏡組促進額外的設計可能性。舉例而言，線性光學設計可帶來比所需還長的透鏡。替代移動的組而使用液體透鏡單元可促進使用諸如摺疊之光學元件來重新引導輻射軸且減小透鏡之實體長度。雖然穿過透鏡之光徑之總體長度可保持相同，但液體透鏡單元可提供用於摺疊之策略空間，其在一或多個方向上減少長度。此允許在較小的相機封裝中使用較長的總體透鏡長度。舉例而言，許多全自動相機及蜂巢式電話相機不具有用於長透鏡之大量空間。與摺疊組合使用液體單元允許此等小的相機封裝中之較佳透鏡系統。較大相機亦可得益於減少將對於不使用摺疊之透鏡系統所需要的相機封裝長度。使用液體透鏡單元亦可允許較小的直徑，尤其是對於透鏡設計之前部且尤其是對於寬視野位置。與習知移動的組變焦透鏡設計相比，與相對較小的前部直徑相組合的摺疊可提供較緊湊且適合人體工學形狀之相機封裝。
圖2A-圖2D顯示使用五個液體單元121、122、123、124及125之簡化的複合可變功率光學系統之光學圖，其中每一液體透鏡單元具有可變表面131、132、133、134及135。光闌129恰位於液體單元123之後處於中繼光學元件組中。光學系統形成中間影像128及最終影像127。
圖3A-圖3D顯示使用五個液體單元121、122、123、124及125之簡化的複合可變功率光學系統之光學圖，其中每一液體透鏡單元具有可變表面131、132、133、134及135。此設計類似於圖2A-圖2D中所說明之設計，但光闌129位於接物鏡光學元件組中。此可改良影像品質且可允許具有較小直徑之液體單元，但亦可減少相對的照明。
圖4A-圖4D顯示使用四個液體單元141、142、143及144之簡化的複合可變功率光學系統之光學圖，其中每一液體透鏡單元具有可變表面151、152、153及154。光闌149位於中繼透鏡組中。光學系統形成中間影像148及最終影像147。
圖5A-圖5D顯示使用三個液體單元161、162及163之簡化的複合可變功率光學系統之光學圖，其中每一液體透鏡單元具有可變表面171、172及173。光闌169位於中繼透鏡組中。光學系統形成中間影像168及最終影像167。
圖6A-圖6D顯示使用三個液體單元161、162及163之簡化的複合可變功率光學系統之光學圖，其中每一液體透鏡單元具有可變表面171、172及173。光闌169位於接物鏡透鏡組中。光學系統形成中間影像168及最終影像167。
圖7A-圖7D顯示使用兩個液體單元181及182之簡化的複合可變功率光學系統之光學圖，其中每一液體透鏡單元具有可變表面191及192。光闌189位於接物鏡透鏡組中。光學系統形成中間影像188及最終影像187。
圖8A-圖8D顯示使用兩個液體單元201及202之簡化的複合可變功率光學系統之光學圖，其中每一液體透鏡單元具有可變表面211及212。所顯示的實施例亦具有移動的透鏡組203。中間影像形成於像面208處且位於液體單元201與202之間。光學元件之組態造成最終影像207，其大於較早實施例中獲得之最終影像。此允許使用較大影像感測器，諸如11mm至28mm及其以上的感測器。在感測器附近使用移動的透鏡組，因為液體單元之直徑可能不足夠大以達成所要效能。應注意，最終影像207亦大於液體透鏡單元可變表面211及212處的沿邊光線。
對於圖1至圖8A-圖8D所示之透鏡設計中之每一者，由可自Optical Research Associates,Pasadena,CA USA購得之CodeV光學設計軟體版本9.70製作之清單附加至本說明書作為本說明書之一部分且以全文引用之方式併入。
圖9顯示具有變焦透鏡302之相機300的方塊圖。圖9亦顯示透鏡控制模組304，其控制透鏡302中之透鏡組的移動及操作。控制模組304包含控制液體透鏡單元中之曲率半徑(radius of curvature)的電子電路。用於各種聚焦位置及變焦位置之適當電子信號位準可預先確定且置放於一或多個查找(look-up)表中。或者，類比電路或電路與一個或多個查找表之組合可產生適當的信號位準。在一個實施例中，使用一個或多個多項式(polynomial)來確定適當的電子信號位準。沿多項式之點可儲存在查找表中，或 多項式可以電路來實施。查找表、多項式及/或其它電路可使用多個用於變焦位置、聚焦位置、溫度或其它條件之變數。
熱效應亦可在液體之間的表面之曲率半徑之控制中考慮。多項式或查找表可包含與熱效應相關之額外變數。
控制模組304可包含用於特定變焦設定或焦距之預設控制。此等設定可由使用者或相機製造商儲存。
圖9進一步顯示影像俘獲模組306，其接收對應於外部物體之光學影像。所述影像沿光軸傳輸而通過透鏡302至影像俘獲模組306。影像俘獲模組306可使用多種格式，諸如膠片(例如，生膠片(film stock)或靜態圖片膠片)，或電子影像檢測技術(例如，CCD陣列、CMOS裝置或視訊拾取電路)。光軸可為直線的，或其可包含摺疊。
影像儲存模組308將所俘獲的影像維持於例如機載(on-board)記憶體中或膠片、磁帶或磁盤上。在一個實施例中，儲存媒介是可裝卸的(例如，快閃記憶體、膠片罐(film canister)、磁帶匣(tape cartridge)或磁碟)。
影像傳送模組310使所俘獲的影像向其它裝置傳送。舉例而言，影像傳送模組310可使用一種或多種連接，諸如USB埠、IEEE 1394多媒體連接、乙太網(Ethernet)埠、藍芽無線連接、IEEE 802.11無線連接、視訊組件連接或S視訊連接。
相機300可以多種方式來實施，諸如視訊相機、蜂巢式電話相機、數位照相機或膠片相機。
聚焦及變焦組中之液體單元可用以提供穩定化，如2008年12月3日申請且以全文引用方式併入的題為「Liquid Optics Image Stabilization」之美國專利申請案第12/327,666號中所描述者。藉由使用非移動的透鏡組，摺疊可用以減少總體的大小，如2008年12月3日申請且以全文引用方式併入的題為「Liquid Optics with Folds Lens and Imaging Apparatus」之美國專利申請案第12/327,651號中所描述者。一個或多個移動的透鏡組可與一或多個液體單元組合而被使用，如2008年10月6日申請且以全文引用方式併入的題為「Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus」之美國專利申請案第12/246,224號中所描述者。
應注意，熟習此項技術者將瞭解各種改變及修改。此些改變及修改應理解為包含在所附申請專利範圍界定之本發明的範疇內。
101、102、103、104、105、106．．．液體透鏡單元
107．．．最終影像
108．．．中間影像
109．．．光闌
111、112、113、114、115、116．．．可變表面
121、122、123、124、125．．．液體單元
127．．．最終影像
128．．．中間影像
129．．．光闌
131、132、133、134、135．．．可變表面
141、142、143、144．．．液體單元
147．．．最終影像
148．．．中間影像
149．．．光闌
151、152、153、154．．．可變表面
161、162、163．．．液體單元
167．．．最終影像
168．．．中間影像
169．．．光闌
171、172、173．．．可變表面
181、182．．．液體單元
187．．．最終影像
188．．．中間影像
189．．．光闌
191、192．．．可變表面
201、202．．．液體單元
203．．．移動的透鏡組
207．．．最終影像
208．．．像面
211、212．．．可變表面
300．．．相機
302．．．變焦透鏡
304．．．透鏡控制模組
306．．．影像俘獲模組
308．．．影像儲存模組
310．．．影像傳送模組
圖1A-圖1D為使用六個液體透鏡單元之複合變焦透鏡系統之光學圖，其中液體之表面經改變以提供一範圍之變焦位置。
圖2A-圖2D為使用五個液體透鏡單元之複合變焦透鏡系統之光學圖，其中液體之表面經改變以提供一範圍之變焦位置。
圖3A-圖3D為使用五個液體透鏡單元之複合變焦透鏡系統之光學圖，其中液體之表面經改變以提供一範圍之變焦位置。
圖4A-圖4D為使用四個液體透鏡單元之複合變焦透鏡系統之光學圖，其中液體之表面經改變以提供一範圍之變焦位置。
圖5A-圖5D為使用三個液體透鏡單元之複合變焦透鏡系統之光學圖，其中液體之表面經改變以提供一範圍之變焦位置。
圖6A-圖6D為使用三個液體透鏡單元之複合變焦透鏡系統之光學圖，其中液體之表面經改變以提供一範圍之變焦位置。
圖7A-圖7D為使用兩個液體透鏡單元之複合變焦透鏡系統之光學圖，其中液體之表面經改變以提供一範圍之變焦位置。
圖8A-圖8D為使用一移動的透鏡組及兩個液體透鏡單元之複合變焦透鏡系統之光學圖，其中液體之表面經改變以提供一範圍之變焦位置。
圖9說明具有變焦透鏡之相機之方塊圖。
101、102、103、104、105、106．．．液體透鏡單元
107．．．最終影像
108．．．中間影像
109．．．光闌
111、112、113、114、115、116．．．可變表面

Claims (15)

  1. 一種可變功率光學系統，其在共同光軸上用於形成物體之最終影像，所述系統具有物側及像側以及位於所述物體與所述最終影像之間的至少一個中間實像，所述系統包括：至少一個第一可變功率光學組件，其位於所述物體與所述中間實像之間，其中所述第一可變功率光學組件改變功率以改變所述中間實像之放大率；至少一個第二可變功率光學組件，其位於所述中間實像與所述最終影像之間，其中所述第二可變功率光學組件改變功率以改變所述最終影像之放大率；具有固定正光學功率的像場透鏡，其位於所述中間實像與所述第二可變功率光學組件之間，所述像場透鏡位於相鄰所述中間實像的像側；以及光闌，其位於所述物體與所述中間實像之間，其中所述第一可變功率光學組件及所述第二可變功率光學組件中之至少一者在所述光軸上固定且包括至少兩種具有不同折射性質之液體及至少一個位於所述兩種液體之間的可變形狀接觸表面，其中所述接觸表面之形狀之變化產生所述光學系統中之光學功率的改變。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之可變功率光學系統，其中所述第一可變功率光學組件及所述第二可變功率光學組件之變化提供變焦。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之可變功率光學系 統，其中所述第一可變功率光學組件及所述第二可變功率光學組件之變化提供聚焦。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之可變功率光學系統，其中所述第一可變功率光學組件之變化提供聚焦。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之可變功率光學系統，其中所述第二可變功率光學組件之變化提供聚焦。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之可變功率光學系統，其中所述第一可變功率光學組件及所述第二可變功率光學組件之變化提供變焦與聚焦之組合。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之可變功率光學系統，其中所述光闌位於所述物體與和所述第一可變功率光學組件之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之可變功率光學系統，其中所述第一可變功率光學組件包括至少一個移動的透鏡組。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之可變功率光學系統，其中所述第二可變功率光學組件包括至少一個移動的透鏡組。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之可變功率光學系統，其中所述第二可變功率光學組件是固定的，所述可變功率光學系統更包括至少一個移動的透鏡組位於所述中間實像與所述最終影像之間。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之可變功率光學系統，其中至少一個光學表面具有非球面輪廓。
  12. 形成物體之最終影像的方法，包括：在可變功率光學系統的像側形成物體之最終影像；位於所述物體與所述最終影像之間形成中間實像；以位於所述物體與和所述中間實像之間的光闌來調節通過所述可變功率光學系統之光量；第一可變功率光學組件改變功率以改變所述中間實像之放大率，所述第一可變功率光學組件位於所述物體與所述中間實像之間；所述第二可變功率光學組件改變功率以改變所述最終影像之放大率，所述第二可變功率光學組件位於所述中間實像與所述最終影像之間；折射光從所述物體行進到所述最終影像朝向具有像場透鏡的所述可變功率光學系統的光軸，所述像場透鏡具有固定正光學功率，所述像場透鏡位於所述中間實像與所述第二可變功率光學組件之間，所述像場透鏡位於相鄰所述中間實像的像側，其中所述第一可變功率光學組件及所述第二可變功率光學組件中之至少一者在所述光軸上固定且包括至少兩種具有不同折射性質之液體及至少一個位於所述兩種液體之間的可變形狀接觸表面，其中所述接觸表面之形狀之變化產生所述光學系統中之光學功率的改變。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之形成物體之最終影像的方法，其中所述第一可變功率光學組件改變功率及所述第二可變功率光學組件改變功率以提供變焦。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之形成物體之最終影像的方法，其中所述第一可變功率光學組件改變功率及所述第二可變功率光學組件改變功率以提供變焦與聚焦之組合。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之形成物體之最終影像的方法，其中所述第二可變功率光學組件是固定的，所述可變功率光學系統更包括至少一個移動的透鏡組位於所述中間實像與所述最終影像之間。
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