TW200533957A - Variable optical element - Google Patents

Description

200533957 九、發明說明： 【电明所屬之技術領域】 本發明係關於一種包括在一彎月面上接觸之一第一流體 與一第二流體之可變光學元件，關於包括此類光學元件之 透鏡系統’關於包括此類光學透鏡系統之成像系統，以及 關於設計此類可變光學元件、透鏡系統及光學成像系統之 方法。 【先前技術】

可變透鏡係一裝置，在該裝置中，能夠以可控方式調整 透鏡之一或多種性質，例如可以改變透鏡之焦距或位置。 相機杈組之影像感測器之一般發展趨勢係其解析度不斷

增加。最初·係低解析度感測器，例如100k像素等級之CIF 影像感測器與300k像素等級之VGA影像感測器，目前則有 高解析度之百萬像素影像感測器。該等較高解析度不僅需 要光學透鏡系統之調焦功能，以便能在整個物距範圍（例 如1〇⑽至無窮遠）内使用高解析度，其還需要包含至少兩 非球面透鏡之透鏡系統，以符合其他光學參數要求，例如 與像差有關之參數。 ^國際專射請案第WC> 娜938G號中，揭示一種 二猎由曲透鏡封閉之電濕透鏡作為可變透鏡系統之相 果組。所施加之電壓控制該電濕透鏡之兩流體之間 面之：狀’並因此得以控制該電濕透鏡之光學功率。 此’猎由在成像系統中使用此電濕透鏡，可變的彎月面 徑能夠滿足含周隹亜本 、， 7弓月面， 求’亚因此可消除影像之散焦。由於, 100130.doc 200533957 濕透鏡之彎月面會w p a & , ^ 、貝上係球形，所以其不會對消除影 光學像差，例如缝开彡德兰 、 羞形像差、變形及球面像差，有明顯

用。 、F 由於光學表面之數目有限’該已知電濕透鏡之放大、平 場及像差減小潛力也有限。因此，該模組僅適於低解析度 相機，例如CIF與VGA。對於具有較高解析度感測器之ς 機’例如500 k像素等級之⑻VGA影像感測器、！ Μ像素等 鲁⑨之XGA影像感測器及百萬像素裝置，此性能無法滿足需 要。 在美國專利申請案第Us 2〇〇1/〇17985號中，揭示一相機 透鏡堆’其包括具有平坦入口與出口窗之電濕透鏡，並 包括位於該電濕透鏡之前與之後之不同透鏡群組。透過移 動第-透鏡群組執行調焦。該電濕透鏡具有變焦功能。其 對其他光學性能之改善不起作用。 以上該等揭示案無一能解決消除色差問題，而此係達成 • 成像透鏡系統之優良光學色彩校正所需要的。 消除色差係減小光學系統之色散光學功率。色散光學功 率係由於光學元件之材料之折射率〇對光之波長之依賴所 致。py貝數v可表達該波長相依性·· ηΜ-η(λα) ⑴ 此處nU,.)係弋=587.6 nm、心=486」nm及夾=656 3 nm時波 長4.處之折射率。必須良好地校正色散，以獲得較高光學 品質。傳統透鏡系統使用易於模糊之光栅結構或昂貴的雙 合透鏡組件以進行色彩校正。 100130.doc 200533957 〜％ %错由將普诵 折射透鏡與衍射透鏡組合在一起實現色差消除。對於雔诉 透鏡，形成透鏡之兩元件通常具有實質上相同之折射二= 及不同之阿貝數。為實現色差消㉟，選擇該等兩元件^ 等式： ΚΙ K2 一 +-= 〇 Vi V2 學功率!〇與〖2以及阿貝數Vmv2,使該等參數滿足以下 式： (2) 消除折射透鏡之色差之另一方法係藉由增加 衍射透鏡之阿貝數僅依賴於廡田+ %仕 、、、°構 只数偟依賴於應用中所使用之波長範圍，. 對於相機模έ且I $夕、士 & 一 m 3 452广、、且要求之波長#圍"可貝數4有固定值 二述用於提供消除色差之透鏡系統之兩種方法都不適於 琶濕透鏡’此係由於在電 私”、、運鏡中先學功率隨兩流體之 ^ ♦月面之半徑之—介而妈：# , 文化而、交化，其中該彎月面之半徑依 賴於所施加之雷厭 品l、丄、 土，上述該等方法僅適用於具有固定光 学功率之透鏡。 未預先公開之歐洲專利申請案第EP 04100100.9號 二:者^考一為PHNLG4GGG8)中，提出—種具有消色差

Mf 透鏡。其揭示，可藉由調整所涉及之液體之光 學性質（例如阿貝教、y r 、）例如在該等液體中混合或溶解精心 遠擇之物質，央斜^么 ^亥不統進行色差消除。基於流體之可變 還鏡構成可實爾#、、 、色差消除之透鏡系統。例如，為使該等流 體之間之介面消^ &圣 ^ a ,, Λ 除色差，流體「i」與「η」之折射率η及 阿貝數V必須遵w 貝遷從以下關係： 100130.doc 200533957 % -1 對於具有平坦入口與出口窗表面之電濕透鏡，此僅僅足 以使流體-流體介面消除色差。對於具有彎曲人口與出口 固表面之電濕透鏡，此會導致非最佳之消色差性質。 本發明之一目的係提供具有實質上之消色差性質之可變 透鏡糸統。 【發明内容】 本發明之目的係藉由一光學元件達成，纟中該光學元件 具有一至，該室具有一入口窗、一出口窗以及縱向延伸穿 :該室之-光軸，|亥室包含一第一流體與一第二流體，該 第〃IL體與该第二流體在橫向延伸穿過該光軸之彎月面上 接觸’該等流體實質上係不互溶流體，該入口窗或出口窗 _已括與5亥苐一或該第二流體中之一流體接觸 之一表面，該表面具有曲率，該入口與出口窗中之該至少 囱之材料之阿貝數與接觸具有該曲率之表面之流體之阿 貝數具有實質之差異。 當該彎曲窗表面與該接觸流體之阿貝數實質上相等時， 則不可能使用該介面使光學元件或整個光學透鏡系統消除 色差。如果該彎曲窗表面與該接觸流體之阿貝數實質上不 同，則可在總體設計中使用該等光學性質來達成實質上消 除色差之光學透鏡系統。 光學透鏡系統之最終整體設計通常係成像之所有方面之 取佳化之結果，以滿足，例如與解析度、視場、最大主光 線角及光學像差（例如變形、球面像差及色差）有關之系統 100130.doc 200533957 規格。 因此’有必要藉由’例如選擇合適之透鏡材料或在流體 中混合或溶解精心選擇之物質，來調整所涉及之流體與透 鏡材料之光學性質，以便可使整個光學透鏡系統實質上消 除色差，並避免使用昂貴的傳統消色差方法。 當電濕透鏡之入口及/或出口窗允許使用彎曲表面時， 也可根據系統之整體光學設計調整該等曲率，以最佳化其 φ 他像差，例如變形、球面像差或場曲率。例如，彎曲表面 可以係球面或非球面。 【實施方式】 圖1概略顯示依據本發明之一光學透鏡系統。該光學透 鏡系統（200)包括兩透鏡群組201與202以及位於第一與第二 透鏡群組之間之光圈203。該第一透鏡群組2〇1包括可變透 鏡，例如電濕透鏡204，並用作可變焦距透鏡。該第二透 鏡群組202使用透鏡220決定光學放大倍數，以使影像之大 • 小與位於該光學透鏡系統之後之影像感測器205之大小相 匹配。另外’其也藉由平場透鏡206減小主光線角。使用 透明覆盍物207，例如平面平行板，覆蓋影像感測器2〇5。 電濕透鏡204具有室208，該室208具有入口窗209與出口 窗210以及縱向延伸穿過該室之光軸211。該室包含在橫向 穿越該光軸之彎月面214上接觸之第一流體21 3與第二流體 212。與第一流體213接觸之入口窗217之表面之曲率半徑 具有與δ亥弟一及弟一^流體之間之彎月面214之曲率相同之 符號。另外，與第二流體212接觸之出口窗21 9之表面之曲 100130.doc 200533957 率半輕具有與該第一及第二流體之間之彎月面214之曲率 相同之符號。如此即可減小高度。該等窗以及該等透鏡可 由玻璃、塑膠或其他合適之材料製造。 所使用之該等兩流體212與213實質上係不互溶流體。第 -流體2"係電絕緣流體，例如矽油或烯烴(此處稱為油）， 而第二流體212係導電流體，例如含有鹽溶液之水。該等 兩流體較佳具有相同密度，以便透鏡操作時與其方向無 關，即不依賴於重力對流體之影響。依據光學系统之： 要，也可按以下方法進行設計，即第一流體係電絕緣： 體，而第二流體係導電流體。 該室中之第-電極215通常係具有m2〇贿之間之半徑 之圓柱，但根據該室之形狀與幾何結構，㈣—電極也= 具有其他形狀’例如圓錐形。藉由絕緣塗層，例如可由覆 盍AF-1600疏水頂部塗層之聚對二甲苯_n形成，使電極us 與該等流體電絕緣。第二電極216(通常係環形）配置於該室 之末端，在此例中靠近出口窗。配置此第二電極Η二吏 其至少-部分與第二流體212連接。該連接可能係直接連 接，或者也可能係經由薄絕緣層之電容性耦合。 當未向電極215與216施加電壓時，該等流體在具有曲率 之彎月面214上相接觸。藉由向該等電極施加電壓，可改 變該彎月面，使其具有更小或更大之曲率半徑。另外，依 據該室之組態與該等電極之配置，可實現複數 ： 月面形狀。 3 當入口或出口窗之至少一窗使用彎曲表面時，該光學元 100130.doc -10- 200533957 件之該等表面可能參與整體光學設計。該等窗之曲率可能 闕光學設計之額外數目之自由度，以最佳化光學透鏡系 統之光學性能。可能藉由應用非球面表面，以及使電濕透 鏡、使用其之透鏡群組或甚至整個光學透鏡系統消除色差 而調整該等窗之曲率，以進行像差校正。 該光學元件可能用於可包括更多具有光學功率之透鏡之 - A學⑽系統。本發明之目的係，該光學元件不僅用作調 .籲 纟或變焦裝置，而且其還可能用作減小光學透鏡系統中之 其他元件之色差之元件。 彎曲窗與接觸流體之材料之折射率差異向該介面提供一 些$學功率。兩種材料之實質上相等之折射率會導致該介 面實質上不具有光學功率。但是，纟以上兩種情況下，阿 貝數之差異都會因不同波長而導致光學功率之不同。不同 波長所致之光學功率之差異可用於校正系統之色差。 、L #相機透鏡係設計為使用正透鏡，該正透鏡由玻璃 籲《塑膠製造，具有正半徑，並接觸空氣。正常條件下之空 氣具有大約90之高阿貝數。此僅會對色差產生正面影響。 例如，藉由在雙合透鏡中應用具有與設計匹配之合適介面 半徑以及折射率及阿貝數之埋藏式透鏡一透鏡介面，可以 引起對補償之不利影響。可使用之玻璃與塑膠之數目係有 _ 限的’且使用雙合透鏡不具有成本效益。 - 在本發明中，使用流體之光學參數與窗材料之光學性質 之組合來獲得具成本效益並實質上消除色差之光學透鏡系 統。該光學透鏡系統可能僅包括該光學元件，或者包括該 I00i30.doc 200533957 光學元件以及一或多個折射或衍射元件。 通常，依據用作流體之油之選擇，該油之折射率可能在 1·25與1·65之間變化。同樣，依據添加之鹽之類型與數 量，用作另一流體之鹽溶液可能具有在^^與丨·％之間變 化之折射率。類似地，在該油或鹽溶液中使用添加劑可改 變流體之阿貝婁丈。此意味著有可能在較大範圍内調整所應 用之流體之光學參數，以滿足有關色差之設計。

為了能夠在a光學透鏡系統設計選擇合適之透鏡材料與 流體時有充足之自由，較佳係允許大範圍之折射率。例 如，此可導致用於窗及接觸流體之材料之折射率之實質差 。呈式（3)中對消除色差之要求也可表示為： 此處Δν係材料讀1之阿貝數之差，Δη係材料η與i之折射率 之差。允許折射率之實質差異也要求窗與流體之阿貝數之 實質差異’以最佳化實質上消除色差之電濕透鏡之設計。 還可能選擇最佳化窗、流體及彎曲之材料，以實質上、、肖 除整個光學透鏡系、統之色差。在該情況下，例>，必_ 光學透鏡系統中之所有表面調整方程式⑺中給出之要求。 因Hf鏡之統設計之要求係： y^L, v -ij 如丨 -1) 此處K i係光學功率， 存在於光學系統中之 折射率與阿貝數分別

Vi係傳統透鏡元件i之阿貝數，j計算 所有流體彎月面之總和。第一流體之 係Hj與V」，第二流體之折射率與阿貝 100130.doc -12- 200533957 數分別係111 + 1與\^· , ^ α J匕、ν』·Μ，而穹月面之半徑係Ri。 由於具有蠻曲本 表面之與接觸流體之阿貝數之間存在較 大差異戶斤以权正裝置或系統之色差較為容易。其也允許 為具有光學功率之表面使用較小半徑。 因此，呈右縷从* /、蜀弓曲表面之窗與接觸流體之阿貝數之差異較 佳係大於5。 具有4曲表面之窗與接觸流體之阿貝數之差異大於10則 更佳。 圖1顯示依據本發明之設計之範例。其係f/2.8，f=3 97 mm自動聚焦相機透鏡，該透鏡具有66度的視場、⑽_ 的入射光瞳以及6·5 mm的高度，與百萬像素型影像感測器 組合使用。所有的透鏡（2〇9、21〇、22〇及2〇6)都具有非球 面表面，以最佳化影像之光學品質。彎月面214實質上係 球面。電濕透鏡204之封閉塑膠透鏡2〇9與21〇之阿貝數係 55.8，其折射率在56〇 nm波長處大約係1532。導電流體 • 212包括鹽水，其阿貝數為38並在56〇 nm波長處具有1376 之折射率，而第一不導電流體213(其係矽油）之阿貝數係 28，並在560 nm波長處具有！·552之折射率。藉由正確選 擇透鏡之半徑，可使該光學系統實質上消除色差。 圖2顯示依據以上設計之光學透鏡系統之波前像差。圖 中針對490 nm、560 nm& 625 nm三種波長繪出以微米為單 位之波前像差W分別相對於正規化之入射光瞳座標卜與巧 之圖形。在圖2a中，其係針對〇度視場角顯示，在圖几 中’其係針對大約3 3度之視場角顯示。兩圖中垂直方向之 100130.doc -13 - 200533957 最大刻度都係50微米。該等圖式顯示，不同波長之像差具 有同一趨勢，不同波長間之像差差異很小，足以獲得實質 上消除像差之光學透鏡系統。 圖3顯示依據以上設計之光學透鏡系統之多色光學傳遞 函數之計算模數，其係對三個相應波長490 nm、560 nm及 625 nm平均之結果，該等模數與在Px方向與Py方向都最高 達33度之數字視場角之每毫米線數成函數關係。其顯示線 301與302之兩群組。線3〇1之群組係2〇、以及”度之”方 向之多色光學傳遞函數。線3〇2之群組係〇、1〇、2〇、29及 33度之Ρχ方向以及〇與1〇度角度之卜方向之多色光學傳遞 函數。其顯示，高達75線/毫米之調變足以滿足百萬像素 成像應用，例如用於行動電話中的相機。 在以上範例設計中，入口與出口窗兩者之所有表面都具 有表面曲率，以便能夠減少像差，例如變形及球面像差， 以及同度。依據整體系統要求，也可能僅入口或出口窗之 單表面具有曲率，以貫現足夠低之像差層級以及足夠低 之色差。 圖4Α顯示可變焦距影像捕捉裝置421之使用，其中該裝 置42 1使用依據本發明之光學透鏡系統彻。可能從影像感 二杰405獲取測量信號，例如調焦信號，#中該影像感測 。〇5使用之技術在使用影像感測器之相機中廣泛使用。 4測$信號係用作電壓驅動器422之輸入信號。該電壓驅 動器之輸出連接至光學透鏡系統彻之電濕透鏡404之電極 415與416，以控制彎月面414之形狀。圖4Β顯示使用整合 100130.doc 200533957 例。亦可使用其他整合位置。 - 藉由調整所涉及之流體與透鏡材料之光學性質，有可能 使電濕透鏡實質上消除色差並避免使用昂貴的傳統消除色 差方法。例如，可藉由選擇透鏡之合適材料，或者在流體 中混合或溶解精心選擇之物質，達成該調整。 很明顯，料熟悉技術人士，藉由考慮其他光學介面， 本方法還可用於使包括此一電洚 ^濕透鏡之透鏡系統實質上消 除邑差。 該光學元件非常適用於先學类 錢與用於相機應用之 片=Γ例如，該等相機應用可以係電影或靜止照 =式相機，或可拍攝電影或靜止照片之手機相機。尤 學口併且女， 于機口之，對小尺寸、具有高光 〜貝、具有低能量消耗並且耐用之裝置之需求 :二於沒有機械移動零件，例如調焦與變焦零件，使‘ 依據本發明之光學元杜 、 件之光與锈浐 、、。使用依據本發明之光學元 予透鏡錢與成料統可滿足該等需求。 雖然上述說明伟κ、吞 手機之相機… 於小型行動相機系統(例如用於 其他光學系統(例如顯微但本發明還可用於使 減小像差以及減小高度。 ⑺J月I示邑差、 在光學儲存應用中，

u^ , 對夕波長項取與記錄系統之需臾X 辦增加，此係由於4 彳兄之而求不 式，例如⑶、物與5:糸、“取與記錄多種碟片格 例如，所說明之本發明可用於 100130.doc ' 15- 200533957 之光學系統中之其他光學元件所致之波長相依 、、有關可Μ透鏡元件之具體實施例與範例使用電濕原

文又弓月面之形狀。當然，將改變兩流體之間之彎 月面开^沿2 + +X 之其他方法視為在本發明之範圍之内

用與配置Α π , J ^ 置為以可控方式改變彎月面之形狀與位置之圓錐狀 电極配合之幫浦。

月=外，本發明可能應用於基於流體之透鏡，藉由調整彎 位置而不係藉由調整形狀而使該透鏡運作。 【圖式簡單說明】 圖1概略顯示依據本發明之一光學透鏡系統。 ° 匕括圖2Α及圖2Β，顯示依據本發明之光學透鏡系 統設計之波前像差。 μ 圖3顯示依據本發明之光學透鏡系統設計之光學傳遞函 數對不同波長之模數。

補償由應用 像差。 圖4，包括圖4Α及圖4Β，顯示包括依據本發明之具體實 施例之光學透鏡系統之可變焦距影像捕捉裝置。 【主要元件符號說明】 200 201 202 203 204 205 光學透鏡系統 透鏡群組 透鏡群組 光圈 電濕透鏡 影像感測器 100130.doc -16 - 200533957

206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 219 220 400 404 405 414 415 416 421 422 423 平場透鏡 透明覆蓋物 室 入口窗 出口窗 光軸 第二流體 第一流體 彎月面 第一電極 第二電極 曲率 曲率 透鏡 光學透鏡系統 電濕透鏡 影像感測器 彎月面 電極 電極 可變焦距影像捕捉裝置 電壓驅動器 手機 W)〇 130.doc -17-

Claims (1)

1. 200533957 十、申請專利範圍： 1. 一種光學元件（204)，其具有 -一室（208)，其具有一入口窗（209)、一出口窗（210)以 及一縱向延伸穿過該室之光軸（2 π); 該室包括一第一流體（2 13)與一第二流體（212)，在一 延伸k穿該光軸之彎月面（214)上接觸，該等流體實質上 係不互溶流體；

   -忒入口窗或出口窗中之至少一窗包括與該第一或該 第二流體中其一流體接觸之一表面（217、219)，該表面 具有一曲率； -亚且該入口窗與出口窗中之該至少一窗之材料之阿 貝數（Abbe-number)與接觸該具有曲率之表面之該流體之 阿貝數具有一實質差異。 2. 如請求们之光學元件，其中該阿魏之差異大於卜 3. 如請求们之光學元件’其中該阿貝數之差異大於1〇。 4. 如請求们之光學元件，其實質上係消色差光學元件。 學元件 5· -種光學透鏡系統，其包括如前述請求項中任—項之光 6. 一種光學透鏡系統，其包括如請求項!之光學元件，复 中該光學透鏡系統實質上係消色差光學透鏡系統。 :種包括如請求項卜2、3或4之光學元件之光學成像裝 8. 一種包括如請求項6之亦學读於么μ 貝6之光子透鏡糸統之光學成 9 · 一種包括如請求項7七sΑ、你 、置 員7或8之^成像裝置之行動電話。 100130.doc