CN102422627A - 晶片级光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供利用一个或多个电活性聚合物致动器来调整光学装置或系统的光学参数的光学系统、装置和方法。

Description

晶片级光学系统
相关申请
本申请是于2009年3月18日提交的美国临时申请第61/161,374号的非临时申请，其内容以其整体引用的方式并入本文。
发明领域
本发明涉及光学透镜系统，并且特别地涉及采用电活性聚合物换能器来调整透镜以提供自动对焦、缩放、图像稳定和/或快门/光圈能力的这样的系统。
背景
在常规的光学系统中，例如在数字照相机中，马达和螺线管被用作电源以使作用在光学元件例如透镜上的齿轮和凸轮位移，从而提供聚焦、缩放和图像稳定(也被称为防止震动)。这样的常规的系统具有许多缺点——即高电力消耗、长响应时间、有限的精确度和高空间要求。
微型化技术的进步已经导致高品质的、高度功能化的、轻重量的便携式装置，以及对于甚至进一步改进的不断增长的消费者需求。其一个实例是包括照相机的移动电话的开发，其经常被称为照相机电话。虽然这样的照相机电话的大多数采用具有小形式要素透镜的全机械透镜模块，但是这种途径不提供可变的或自动对焦、缩放以及图像稳定能力，这是由于所需要的活动零件的数量巨大。例如，缩放能力需要透镜元件、马达和凸轮机构的组合，以将马达的旋转运动变换为线性运动，以调整透镜和相关联的图像传感器的相对位置，从而获得期望的放大率。除了马达和凸轮机构之外，多个减速齿轮被用于精确地控制透镜的相对定位。
包括产生磁力的线圈——其中磁体具有比该线圈在光轴方向的长度长的长度——(普遍被称为“音圈”)的电磁型致动器被普遍用于在数字式静物照相机以及在某种程度上是在照相机电话内进行很多的自动对焦和缩放致动器的功能。这种音圈技术已经被广泛接受，因为其能够实现小的和更轻的光学透镜系统。然而，对于较轻的且较小的照相机，特别是对于具有较长的曝光时间的能力并且具有较高的分辨率的传感器的那些照相机，一个缺点是，主要因手抖动而导致的摄影机抖动对照片的品质有较大的影响，即导致模糊。为了补偿摄影机抖动，陀螺仪经常被用于图像稳定。陀螺仪测量倾斜和旋角，然而，其不能够测量滚动，即围绕由透镜镜筒限定的轴线的旋转。常规地，两个单轴线压电或石英陀螺仪已经被用于许多外部部件，以实现全量程的图像稳定。InvenSense公司提供整合的双轴线陀螺仪，该陀螺仪使用MEMS技术进行图像稳定，其提供了较小的尺寸调整。
虽然可变的聚焦、缩放和图像稳定的特征在照相机电话和其他的具有相对小的形式要素的光学系统内是可能的，但是这些特征很大地增加了这些装置的总质量。此外，由于需要大数量的运动部件，所以电力消耗是很高的并且生产成本被增加。
因此，提供克服了现有技术的限制的光学透镜系统将是有利的。提供使得透镜及其致动器结构的布置以及它们之间的机械接口被高度地整合从而尽可能地减少形式要素的系统，将是特别有利的。如果这样的光学系统涉及最小数量的机械部件，由此减少系统的复杂性和制造成本，那么这将是非常有益的。
发明概述
本发明包括光学透镜系统和装置以及用于使用它们的方法。系统和装置包括被整合在其中的一个或多个基于电活性聚合物(EAP)的致动器，以调整装置/系统的参数。例如，一个或多个EAP致动器可以被配置为自动地调整透镜的焦距(自动对焦)、放大被透镜聚焦的图像(缩放)、和/或对透镜系统所经历的任何不想要的运动进行调整(图像稳定或摇动防止)。
一个或多个EAP致动器包括一个或多个EAP换能器，并且一个或多个输出构件与本主题的透镜系统/装置的透镜部分、传感器部分和快门/光圈部分中的一个或多个整合。透镜部分(即透镜堆叠物或镜筒)包括至少一个透镜。在某些实施方案中，透镜部分典型地包括聚焦透镜部件以及无焦透镜部件。传感器部分包括图像传感器，图像传感器从装置的透镜部分接收图像以通过图像处理电子技术进行数字处理。EAP致动器的激活，即通过向EAP换能器施加电压，来调整透镜和/或传感器部件的相对位置以影响或修改透镜系统的光学参数。
在一个变化形式中，致动器组件(包括至少一个EAP致动器)可以用于调整透镜堆叠物的一部分沿其纵轴(Z轴)相对于传感器部分的位置，以改变透镜堆叠物的焦距。在另一个变化形式中，相同或不同的致动器可以用于调整堆叠物内的一个或多个透镜相对于彼此沿纵轴(Z轴)的位置，以调整透镜系统的放大率。在另一个变化形式中，致动器可以用于使系统部分的传感器部分在平面方向(X轴和/或Y轴)内相对于透镜部分运动，或反之亦然，以补偿被施加在系统上的不想要的运动，即以稳定被施加在图像传感器上的图像。本发明的其他特征包括使用EAP致动器来控制透镜系统的光圈尺寸和/或控制快门机构的打开和关闭。EAP致动器可以提供仅单一的功能(例如快门控制或图像稳定)或功能的组合(例如自动对焦和缩放)。
本发明还包括使用本主题的装置和系统来聚焦和/或放大图像或消除装置/系统的不想要的运动的方法。其他方法包括制造本主题的装置和系统的方法。
根据阅读本发明的如在下文更完全地描述的细节，本发明的这些和其他的特征、目的以及优点对于本领域技术人员将变得明显。
附图简述
当结合所附的示意性的附图来阅读时，本发明从以下的详细描述能被最好地理解，其中本发明的来自图中所示的那些变化形式被设想。为了帮助对本发明描述的理解，相同的参考数字用于(在可行时)标记附图共用的相似元件。附图中包括以下的图：
图1A和1B分别是本发明的采用被配置为提供自动对焦的电活性聚合物致动器的光学透镜系统的剖视透视图和分解组件图；
图2A和2B提供了在施加电压之前和之后用于与本发明的光学系统的一起使用的电活性聚合物膜的示意性的图示；
图3是本发明的采用另一个类型的用于聚焦控制的电活性聚合物膜的另一个光学透镜系统的剖视透视图；
图4A和4B分别是采用致动器组合来控制缩放和自动对焦中的每个的另一个光学透镜系统的剖视透视图和分解组件图；
图5A和5B是示出了可选择的控制缩放的器件的透视图；
图6A-6C是示出了图5A和5B中的换能器设备的致动的渐进层级(progressive stage)的透视图；
图7A和7B分别是本发明的被配置为提供自动对焦和图像稳定能力的另一个光学透镜系统的剖视透视图和分解组件图；
图8是图7A和7B的透镜系统的图像稳定盒座(cartridge)的分解组件图；
图9A和9B分别是图8的图像稳定盒座的电活性聚合物换能器的电极配置的俯视平面图和仰视平面图；
图10A和10B分别是与图8的图像稳定盒座可一起使用的框架式电活性聚合物换能器的另一个实施方案的俯视平面图和仰视平面图；图10C和10D分别是在图10A和10B的换能器中采用的电活性膜的俯视平面图和仰视平面图；
图11A和11B分别示出了图7A和7B的透镜系统的钝态刚度(passivestiffness)和负荷响应；
图12A是可用于偏移本发明的EAP自动对焦致动器的板弹簧偏移构件的透视图；图12B和12C是本发明的光学透镜系统的透视横截面图和俯视图，其中图12A的板弹簧偏移构件处于被操作性地使用中；
图13是本发明的使用整合的板弹簧偏移构件的另一个光学透镜系统的透视横截面图；
图14A和14B分别是带有和不带有相关联的透镜镜筒的具有另一个类型的整合的弹簧偏移构件的透镜系统壳体的透视横截面图；
图15A和15B是与本发明的透镜系统可一起使用的被组装的透镜镜筒和凸缘组件的透视图和横截面图，其中组件提供了用于聚焦校准的目的的可调整的镜筒设计；图15C图示了工具的校准图15A和15B的透镜镜筒组件的无限远聚焦参数(infinity focus parameter)的用途；
图16A和16B是具有用于聚焦校准的目的的可调整的凸缘设计的另一个透镜镜筒组件的透视图和横截面图；
图17A和17B分别是具有提供了非常紧凑的低轮廓(1ow-profile)形式要素的单相致动器配置和双相致动器配置的透镜系统的横截面图；
图18A和18B是本发明的示例性的基于EAP致动器的透镜位移机构的透视图和横截面图；
图19A和19B分别是可用于本发明的另一个EAP透镜位移机构的透视图和横截面图；
图20A和20B分别是采用EAP致动器和机械联动件的另一个透镜位移机构的透视图和横截面图；
图21是本发明的另一个混合型透镜(hybrid lens)位移系统的横截面图；
图22A和22B分别是本发明的“尺蠖”型的透镜位移机构的透视图和横截面图；
图23A和23B分别是本发明的多层级“尺蠖”型(multi-stage“inchworm”type)的透镜位移机构的透视图和横截面图；
图24A是图23A和23B的透镜位移机构的致动器盒座的横截面的示意性的图示；图24B-24F示意性地图示了致动器和相关联的透镜导轨的在致动循环期间的多个位置；
图25A-25C是本发明的多致动器透镜位移系统的横截面图；
图26A和26B是本发明的透镜图像稳定系统的非活性状态和活性状态的横截面图；
图27A-27C是本发明的在多个激活状态中的另一个透镜图像稳定系统的横截面图；
图28是本发明的适合于与本主题的透镜系统以及其他已知的透镜系统一起使用的光圈/快门机构的分解图；图28A是图28的快门/光圈机构的旋转卡圈的侧视图；
图29A-29C示出了分别在完全打开、部分打开和完全关闭状态中的图28的光圈/快门机构；
图30A和30B是用于本发明的透镜位移机构中的单形态致动器膜的横截面图；
图31A和31B分别图示了本发明的采用图30A和30B的单形态致动器膜的在非活性状态和活性状态中的另一个透镜位移机构的侧视图；
图32A和32B图示了本发明的采用单形态致动器的另一个透镜位移机构的侧视图；
图33A和33B图示了具有起到调节透镜系统在其中被操作时的周围环境的某种条件例如湿度以优化性能的作用的特征的EAP致动器的使用；
图34示出了本发明的采用另一个用于调节周围条件的配置的透镜位移系统的横截面图；图34A和34B是图34的系统的周围条件控制机构的透视图和俯视图；
图35示出了本发明的具有透镜位置传感器的另一个透镜位移系统的横截面图；
图36A是本发明的快门/光圈机构的机械元件部分(mechanicalcomponentry)的另一个变化形式的透视图；图36B和36C分别图示了在完全打开状态和完全关闭状态中的图36A的快门/光圈；以及图36D是被操作性地耦合于本发明的EAP致动器的图36A的机构的透视图；以及
图37A至37E图示了与晶片级光学系统(wafer level optic system)一起使用的传感器和透镜配置的变化形式。
本发明的详细描述
在描述本发明的装置、系统和方法之前，将理解，本发明不限于如这些可以变化的具体形式的装配或应用。因此，虽然本发明主要地以可变聚焦照相机透镜的背景来描述，但是本主题的光学系统可以在显微镜、双目镜、望远镜、摄像机、投影仪、眼镜以及其他类型的光学应用中使用。还将理解，本文所使用的术语仅旨在为了描述具体的实施方案的目的，并且不旨在作为限制，这是因为本发明的范围将仅由所附的权利要求来限制。
现在参照附图，图1A和1B图示了本发明的具有自动对焦能力的光学透镜系统。图详细表示了具有保持一个或多个透镜(未示出)的透镜镜筒108的透镜模块100。光圈106被设置在透镜镜筒108的远端或前端处。具有电活性聚合物膜120的电活性聚合物(EAP)致动器102被定位在光圈106的远端。膜120围绕其外周被框架侧122a、122b夹住并且在中央被圆盘侧104a、104b夹住，留出膜120的暴露的环形节段。现在参照图2A和2B更详细地讨论电活性膜的结构和功能。
如在图2A和2B的示意图中所图示的，电活性膜2包括材料的复合物，该材料的复合物包括被夹在顺从性电极板(compliant electrode plate)或层6之间的薄的聚合物介电层4，由此形成电容性结构。如在图2B中看到的，当电压被施加通过电极时，在两个电极6中的异种电荷彼此吸引并且这些静电吸引力压缩介电层4(沿Z轴)。此外，在每个电极中的同种电荷之间的排斥力趋于将电介质在平面内伸展(沿X轴和Y轴)，由此减小膜的厚度。由此导致介电层4在电场内变化地偏转。因为电极6是顺从性的，所以它们随介电层4而变化形状。一般地说，偏转是指介电层4的一部分的任何位移、膨胀、收缩、扭曲、线性或区域应变或任何其他的变形。取决于形式匹配架构(form fit architecture)，例如其中采用了电容性的结构的框架，这种偏转可以被用于产生机械功。可以使电活性膜2在框架内预应变(pre-strained)，以改进电能和机械能之间的转换，即预应变允许膜更大地偏转并且提供更多的机械功。
当电压被施加时，电活性膜2继续偏转，直到机械力平衡驱动偏转的静电力。机械力包括介电层4的弹性恢复力、电极6的顺从度(compliance)以及由耦合于膜2的装置和/或负载提供的任何外部阻力。膜的作为外加电压的结果而得到的偏转还可以取决于许多其他的因素，例如弹性体材料的介电常数以及其尺寸和刚度。电压差和感应电荷的去除可引起向如图2A中图示的非活性状态返回的逆转效应(reverse effect)。
电活性聚合物膜2的长度L和宽度W比其厚度t大很多。典型地，介电层4具有在约1μm至约100μm的范围内的厚度，并且可能比电极中的每个电极都厚。期望的是，选择电极6的弹性模量和厚度，使得它们向致动器贡献的另外的刚度大体上小于介电层的刚度，该介电层具有相对低的弹性模量，即小于约100MPa。
适合于与本主题的光学系统一起使用的电活性聚合物材料的类别包括但不限于介电弹性体、电致伸缩聚合物、电子电活性聚合物和离子电活性聚合物、以及某些共聚物。合适的介电材料包括但不限于硅氧烷、丙烯酸类、聚氨酯、氟硅酮等等。电致伸缩聚合物以电活性聚合物的非线性反应为特征。典型地，电子电活性聚合物由于电子的响应于(通常干的)电场的迁移而改变形状或尺寸。离子电活性聚合物是由于离子的响应于(通常湿并且含有电解质的)电场的迁移而改变形状或尺寸的聚合物。合适的电极材料包括碳、金、铂、铝等等。用于与本发明的隔膜盒座一起使用的合适的膜和材料在以下美国专利中公开：6,376,971、6,583,533、6,664,718，其通过引用并入本文。
再次参照图1A和1B，EAP致动器102与透镜镜筒和堆叠物108的操作性接合能够实现透镜组件的自动对焦。框架122借助于被接收在孔126b中的螺栓126a而固定于壳体114的远端，同时EAP致动器102的圆盘或帽部分104被定位或安装为紧贴透镜镜筒108的远端，由此光圈106与帽104内的光圈118轴向地对准以允许光向透镜组件的通过。以板弹簧机构110的形式的偏移构件被操作性地接合在透镜镜筒108和框架122之间，以将圆盘104在箭头125的方向上预负载(preload)或偏移，以提供平截头体形状的架构。这样的平截头体类型的致动器在美国专利申请第11/085,798、11/085,804和11/618,577序列号中详细地描述，其每个以其整体引用的方式并入。预负载或偏移确保了致动器102在电极激活时在期望的方向上致动而不是简单地皱缩。当使用图示的板弹簧机构110时，壳体114可以设置有壁凹陷部132或类似结构，以容纳一个或多个板弹簧和将一个或多个板弹簧相对于致动器102操作性地定位。其他的偏移器件，例如图7A中所示的简单的正速率(positive rate)弹簧(例如螺旋弹簧)，可以可选择地被使用。
图像传感器/探测器116(例如电荷耦合装置(CCD))是在透镜组件或堆叠物108的近端侧或背部侧上，该图像传感器/探测器116接收图像以通过控制电子设备128(仅在图1B中示出)来数字处理。透镜堆叠物108的焦距通过EAP致动器102的选择性的致动可被调整(其中一个或多个透镜的轴向位置相对于其他的透镜来调整)。传感器116和致动器102可以通过电耦合于电源130来被供电。
如图1B中所示的，完整的照相机组件将至少包括套罩或覆盖物112。普遍地用于常规的透镜系统的其他的部件，例如红外(IR)过滤器(未示出)，也可以被操作性地结合到系统100中。
图3图示了本发明的另一个透镜模块140。具有一个或多个透镜144的圆柱形形状的透镜镜筒142被可运动地保持在外壳体构件和内壳体构件146、148内，使远端部分142a可滑动地定位穿过在外壳体146中的开口并且使近端部分142b可滑动地定位穿过在内壳体148中的开口。在远端镜筒部分和近端镜筒部分142a、142b之间的接合部界定环形的肩部150，EAP致动器152的环形的内框架构件158被安装于该环形的肩部150。致动器152具有双平截头体架构，其中每个平截头体通过在内框架构件158之间被保持处于伸展状态中的膜154a、154b来界定，其中远端膜154a的外周部分被保持在外壳体146和框架块或间隔物156之间，并且近端膜154b的外周部分被保持在内壳体148和框架块156之间。代替被板弹簧机构偏移，双平截头体结构的远端膜154a向致动器152提供在箭头155的方向的预负载，由此使透镜镜筒142在相同的方向运动，以调整聚焦透镜144。当不被偏移的膜154b是EAP膜时，被偏移的膜154a不需要是弹性体网络结构，并且可以简单地是弹性体网络结构。然而，如果膜154a包括电活性聚合物材料，那么其可以被用于通过电容变化感应位置，或可以与膜154b共同地提供双相致动器。在后一种情况下，当膜154b被激活时，其使透镜镜筒142在箭头157的方向运动，由此将透镜144的焦距在相反的方向调整。
在本发明的另一个变化形式中，图4A和4B示出了光学系统160，其采用致动器组合来控制聚焦和缩放中的每个。该系统具有被容纳在壳体182内的聚焦层级(focus stage)，并且包括被保持在透镜镜筒162内并且被隔膜致动器166驱动的聚焦透镜164。聚焦通过以与关于图1A和1B描述的方式相似的方式改变透镜164和图像传感器180之间的距离来被调整。系统160还提供缩放层级(zoom stage)，缩放层级包括被保持在透镜固定器170内和在透镜覆盖物176下方的缩放透镜168，其分别借助于电枢174a、174b而被机械地耦合至一对平面致动器172a、172b。这些致动器172a、172b中的每个通过将EAP膜在被固定于电枢的共用框架元件178上伸展来形成。缩放功能通过改变透镜164和透镜168之间的距离来实现。通常，聚焦调整需要在约0.1至2.0mm之间的运动；而缩放经常需要冲程量的约5至10倍。虽然未示出，但是也设想到了，被组合的框架的多重的面可以单独地承载隔膜致动器或单独地承载平面致动器。此外，可以采用非正交的框架几何构形。
在具有较大的可用空间的情况下，可以期望的是，提供适合于较长的缩放行程的EPAM缩放/聚焦引擎，以增大装置的操作范围。图5A和5B是示出了可选择的透镜系统190的透视图，在该透镜系统190中，成对设置的平面致动器192a、192b组的可伸缩布置，其中每对中的一个被定位在透镜托架194的相反的侧上，透镜托架194被固定于承载缩放透镜198的透镜镜筒196。当被致动时，平面致动器设备将透镜镜筒196和缩放透镜198沿焦轴相对于图像传感器200在箭头202和204的方向平移，其中图5A和5B分别示出了最小和最大缩放位置。
致动器被连接和操作的方式通过图6A-6C的放大剖视图而清楚化，图6A-6C图示了图5A和5B的致动器堆叠物的多个致动层级(actuationstage)。渐进的运动通过相继的输出条208与致动器框架节段206的连接并使最内的输出条附接于棒210以驱动缩放部件来实现。
现在转向图7A和7B，示出了本发明的另一个光学透镜系统300，其除了自动对焦之外还提供图像稳定的能力。透镜模块302包括透镜镜筒312，透镜镜筒312保持一个或多个透镜，并且在此被示出为具有四个透镜314a、314b、314c和314d，但是可以采用更少的或更多的透镜。透镜组件314被具有在外框架322和内圆盘或帽构件328之间延伸的EAP膜325的EAP致动器320位移。外框架322被固定在底部壳体324和顶部壳体326之间。以螺旋弹簧332的形式的偏移构件被定位为围绕透镜镜筒312并且操作性地接合在底部壳体324的背部端334和透镜镜筒312的肩部或凸缘336之间，由此将帽或圆盘328在箭头335的方向预负载，以向EAP致动器320提供平截头体形状。
致动器的圆盘构件328的径向刚性以及被施加在透镜镜筒312的远端上的反作用力/偏移(与箭头335的方向相反的)辅助保持透镜模块302内的镜筒的同心。此外，被偏移的EAP致动器的总体结构将透镜镜筒有效地悬挂，使其不被重力影响，如图11A的图所证实的，图11A示出了这样的透镜定位系统的钝态刚度。在另一方面，图11B图示了在从急停(hard stop)位置开始的初始化之后的系统的正常负荷响应。
衬套壁318从壳体324的背部端334向上延伸并且坐落在螺旋弹簧332和透镜镜筒312的外表面之间。衬套318用作用于透镜镜筒312的线性导向器，并且与凸缘336共同地提供在最大“宏观(macro)”(接近)聚焦位置处的行进停止。具有嵌入式的行进或急停在制造系统300的组件期间对于镜筒的位置的初始校准也是有用的。衬套壁318的刚性在正常使用期间还向透镜组件提供增加的挤压保护。此外，EAP致动器320的总体结构向透镜镜筒提供某些震荡吸收性。共同地，EAP致动器、偏移弹簧、衬套和总体镜筒设计提供了均一的径向对准以用于透镜系统的最优性能。
EAP致动器的平截头体架构可以被其他类型的偏移构件提供，例如在图12A中图示的板弹簧偏移机构390，这种配置提供特别低的轮廓。偏移机构390包括环形的基部392，环形的基部392具有径向地延伸的叉状翼片394，叉状翼片394围绕基部392的圆周在挠曲点396处间隔开并且从基部392的圆周在挠曲点396处向上地成角度。图12B和12C示出了被操作性地用作光学透镜系统内的偏移构件的板弹簧偏移机构390，该光学透镜系统具有与图7A和7B的系统300的构造相似的构造。板弹簧的基部部分392在凸缘336下方环绕透镜镜筒312，并且叉状翼片394中的每个都接合外框架322的用作支承表面的下侧。为了提供均一地平衡的同心的偏移，板弹簧机构优选提供至少三个均匀地间隔开的翼片394。此外，为了防止板弹簧390的意外的旋转运动，在狭缝内的叉状翼片394的齿或腿部被定位在壳体的每个角落处。当在“无限”(即最近端)位置时，内壳体块398用作对透镜镜筒312的线性衬套或止挡件(backstop)。
偏移构件还可以被整合到光学透镜系统的透镜镜筒和/或壳体结构中。图13图示了这样的实施例，其中本发明的透镜系统的结构部分410包括被同心地定位在壳体部件414内的透镜镜筒412。偏移构件416被定位在透镜镜筒和壳体之间并且跨越透镜镜筒和壳体，其中偏移构件可以与这些部件形成为一体的或整体的结构(例如借助于模塑)或以其他方式被设置为在其之间的插入物。图示了后一种配置，其中环形的隔膜418具有凸状构型(从顶部或外侧透视)；然而，凸状构型可以可选择地被采用。硅氧烷、聚氨酯、EPDM、其他的弹性体或任何低粘性弹性体是对于隔膜418的合适的材料。隔膜在内侧壁和外侧壁420a、420b之间延伸，内侧壁和外侧壁420a、420b分别紧贴着外透镜镜筒壁和内壳体壁支撑。弯曲的隔膜418提供具有负速率偏移(negative rate bias)的弹簧机构。具有负速率偏移的EAP致动器的其他实例在之前参考的美国专利申请第11/618,577序列号中被公开。
图14A和14B图示了将致动器的弹簧偏移整合到本主题的透镜系统中的其他方式。在图14A中，将被应用于EAP致动器(未示出)的弹簧偏移由两个或更多个翼片422来提供，翼片422在结构上被整合到例如图7A和7B的透镜系统300的底部壳体324中并且在壳体324的外壁和衬套壁318之间的同心的缝隙内径向地向内延伸。翼片422以在负载被施加时能提供弹簧偏移的方式被弯曲或模塑。透镜镜筒312还可以与翼片422一体地形成(例如通过模塑)并且被固定于翼片422，如图14B中所示的。
本发明的透镜系统可以配备有在相对于透镜的任何合适的位置处的一个或多个光过滤器。再次参照图7A和7B的系统300，顶部壳体326具有被定位在其中的用于通过光线的透明的或半透明的覆盖物330。可选择地，顶部壳体326的整体可以由透明的/半透明的材料模塑成。在任何一个情况下，覆盖物可以用作防止约670nm和更大的红外波长被传输穿过透镜组件同时允许可见光波长被大体上无损失地传输的过滤器。可选择地或另外地，红外过滤器366可以被定位在透镜组件的近端。
本发明的透镜系统还可以具有图像稳定能力。再次参照图7A和7B，图像稳定模块304的示例性的实施方案是被定位在透镜模块302的近端，图像稳定模块304包括图像传感器306和相关联的电子设备，其中图像传感器306用于通过透镜模块302来接收被聚焦至其上的图像，相关联的电子设备用于处理那些图像。图像稳定模块304还包括EAP致动器310，EAP致动器310起到补偿图像传感器360在x-y平面中的任何运动，即“摇动”，以保持被聚焦的图像清晰的作用。Z轴校正也可以与用于感应这样的运动的传感器共同地被提供。
EAP致动器310具有平面构型，该平面构型包括具有在图8的分解组件图以及图9A和9B的平面图中最好地图示的“热”侧338和接地侧348的二重EAP膜换能器。EAP膜338包括弹性体层342和电绝缘的电极340，电绝缘的电极340其每个在弹性体342的一部分上延伸同时使层342的中央部分362a不含有电极材料。EAP膜348包括弹性体层352和单一的接地电极350。接地电极350的环形的形状能够实现并置于每个热电极340，并且使中央部分362b不含有与膜338的部分362a的电极材料匹配的电极材料。共同地，两个膜提供具有四个活性象限(即具有四个活性接地电极对)的换能器，以提供四相致动器；然而，可以采用更多或更少的活性部分，如在下文关于图10A-10D所讨论的。每个象限分别地或与其他象限中的一个或多个串联地被选择性地激活，以响应于和为了补偿系统所遭受的摇动来提供在x-y平面中的一定范围的致动运动(即具有两个自由度)。电翼片344被夹在两个膜之间，每个用于一个热电极。一对接地的电翼片346设置在EAP膜338、348的相反的外表面上。翼片334和348用于将EAP致动器耦合于电源和控制电子设备(未示出)。二重换能器膜进而被夹在将EAP膜保持在伸展和应变状态中的顶部框架构件和底部框架构件354a、354b之间。
致动器310还包括两个圆盘356、358，每个被居中地定位在复合膜结构的一个侧上。圆盘用于多种功能。被设置在热电极膜338的外侧上的圆盘356由背部板或覆盖物360b保持为在框架侧354b的环形空间或切口部内以平面对准。圆盘356用作行进停止器——防止膜338接触背部板，并且用作为对传感器补充的承载支持物。圆盘358被设置在膜348的外侧上，并且由前部板或覆盖物360a保持为在框架侧354a的切口部的环形空间内以平面对准，前部板或覆盖物360a也具有切口部部分，圆盘358将致动器310的运动通过所述切口部部分转移至图像传感器306。为了帮助将输出致动器的运动从圆盘358传输至图像传感器306，线性支承结构/悬挂构件308被设置在圆盘358和图像传感器306之间。结构/构件308具有一种平面基板362的形式，该平面基板362具有多个震荡吸收元件364，例如从基板362的边缘延伸的弹簧翼片，该弹簧翼片用作震荡吸收器以优化致动器310的输出运动。基板362可以是具有弹簧翼片364的柔性电路的形式，该弹簧翼片364(当由导电材料制成时)提供在图像传感器306及其相关联的控制电子设备之间通向致动器310的电接触。
共同地，图像传感器306、悬挂构件308和致动器310在壳体316内被安置在一起。壳体316在远端侧368上凹陷，以接收透镜模块302。在壳体316的近端侧370上，壳体316具有凹口或凹陷部372，用于容纳支承/悬挂构件308的弹簧翼片364和/或致动器310的电接触翼片344、346。
如上文相对于四相致动器310的讨论所提到的，本发明的图像稳定致动器可以具有任何数量的提供期望的分阶段致动的活性区域。图10A-10D图示了适合于与本发明的主题的光学透镜系统一起使用的用于至少图像稳定的三相EAP致动器380。致动器380具有拥有三个电极区域386的热EAP膜384a，三个电极区域386中的每个电极区域导致致动器380的活性区域的约三分之一的致动。接地的EAP膜384b具有单一的环形接地电极388，环形接地电极388在通过框架侧382a和382b而与膜384a包装时提供用于致动器380的三个活性部分中的每个活性部分的接地侧。虽然这种三相的设计在机械和电两方面都是比四相设计更基本的，但是更复杂的电子控制算法是必需的，这是因为三相的致动器不可以单独地提供在X轴或Y轴的离散的运动。
许多制造的硬件部件具有落入可接受公差范围内的尺寸，由此在相似的部件中间和在相关联的部件之间的部分尺寸变化不影响生产率。然而，在使用诸如光学透镜的装置时，更高的精确度经常是必需的。更具体地，重要的是，透镜组件相对于图像传感器的位置应当被设置为当在“无限”位置中时(即在“关闭”状态中时)优化透镜组件的聚焦，从而确保在被终端用户使用时的精确聚焦。因此，无限位置优选在制造过程期间被校准。
图15A和15B图示了用于在制造过程期间校准透镜组件的无限位置，即调整图像传感器和透镜组件之间的距离，以建立最优聚焦的无限位置的示例性的设计配置。透镜镜筒组件430包括透镜镜筒432和可分离凸缘434。凸缘434在内部具有螺纹439，以与透镜镜筒432的外部螺纹437旋转地接合。凸缘434设置有径向地延伸的翼片436，翼片436在被置于系统壳体442内时，如图15C中所示的，从被指定的开口436突出。因此，凸缘434的旋转位置相对于透镜镜筒432被固定。透镜镜筒432的顶部覆盖物435的顶峰部分438设置有用于接收校准工具444的工作端446的凹槽或压痕440，如图15C中所示的。工具444允许接近透镜镜筒432，即使是在被包封在壳体442内之后，并且被用于将透镜镜筒432在相对于被螺纹地接合的凸缘434的任何方向旋转，被螺纹地接合的凸缘434的位置借助于翼片436和开口436而被固定在壳体内。这种相对的旋转运动进而将整个透镜镜筒组件430相对于图像传感器(未示出)以及在透镜系统内的其他固定部件而(在取决于透镜镜筒旋转方向的任何方向)线性地或轴向地平移。透镜组件448(见图15B)和图像传感器之间的距离界定了系统的无限位置。
图16A和16B图示了另一个用于校准透镜组件的目的(至少部分地)的透镜镜筒配置450。相对于图15A-15C的配置的差异是，凸缘456相对于在操作性地坐落在壳体452内时被旋转地固定的透镜镜筒是可运动的。这种固定通过从透镜镜筒的外壁径向地延伸的缓冲器或突出部460来提供。当透镜镜筒被坐落在系统壳体452内时，缓冲器460被定位在壳体壁内的开口或窗458内，这防止透镜镜筒的旋转运动。凸缘456的外周界设置有压痕462，压痕462被配置为与校准工具(未示出)接合。壳体452设置有窗464，凸缘456的外周边缘通过窗464露出。通过利用校准工具(或手指，如果可能的话)，凸缘456在任何方向可旋转，如所需要的。如同上文描述的配置一样，凸缘对于透镜镜筒的相对运动将整个透镜组件相对于图像传感器(未示出)线性地/轴向地平移。两种配置都提供用于在透镜系统的最终的组装期间校准透镜组件的无限位置的便利的且容易的方式。
图17A和17B图示了本发明的透镜系统的具有更简单直接地和更低轮廓设计的两个其他实施方案，其中透镜472(在多个透镜中的任何单一的透镜或最远端的透镜)直接地与EAP致动器整合并且由EAP致动器选择性地定位。
图17A的透镜系统470采用单相致动器，单相致动器包括分别的内框架构件和外框架构件474、476，且使EAP膜478在内框架构件和外框架构件474、476之间伸展。透镜472被同心地定位和固定在内框架474内，使得由致动器输出的运动被直接地施加在透镜472上。单相致动器通过被定位在界定于内框架476和背部板482之间的平截头体空间内的紧凑的螺旋弹簧480而在朝向透镜的前部侧472a的方向偏移。背部板482用作在最大“宏观”(接近聚焦)位置处的急停。当致动器在“关闭”状态中时，透镜472在宏观位置中，并且当被激活时，透镜在箭头488的方向朝向无限位置运动。在仅于宏观位置中操作的透镜定位器应用中，初始宏观设置通过消除不必要的位移范围来改进系统的可靠性。
具有相似的低轮廓构造的双相透镜系统510在图17B中图示。此处，EAP致动器包括用于使彼此偏移的两个层或隔膜。顶部或背部致动器包括在内框架和外框架490a、490b之间延伸的EAP膜494，并且底部或前部致动器包括在内框架和外框架490a、492b之间延伸的EAP膜496。内框架490a、492a被耦合在一起，同时分别的外框架490b、492b被中间的壳体构件500间隔开，并且分别被夹在中间的壳体构件500和顶部壳体构件498以及底部壳体构件502之间。透镜472(具有截断的低轮廓形状)被同心地定位在被耦合的内致动器框架内。当使用两个活性致动器时，每个提供另一个的偏移并且允许透镜472的双相的或双向的(bid-directional)运动。具体地，当底部致动器被激活并且顶部致动器被关闭时，被顶部致动器进行的偏移使透镜472在箭头504的方向运动，并且同样地，当顶部致动器被激活并且底部致动器被关闭时，被底部致动器进行的偏移使透镜472在箭头506的方向运动。这使透镜472能够具有是单相系统470的行进距离的双倍(2X)的行进距离。这种双隔膜配置可以通过使致动器中的一个或另一个致动器成为钝态的，即总是在关闭状态中，从而被用作单相致动器。在任何一个情况下，双隔膜致动器提供对于透镜系统的非常低轮廓的形式要素。
无论是对于自动对焦还是对于缩放，透镜行进/冲程都可以通过采用另外的能够导致透镜运动的结构部件来增大(以及减小)。这种运动可以涉及单一的透镜或透镜的堆叠物的绝对位移和/或在透镜的组件内的透镜之间的相对运动。用于导致这样的运动的另外的部件可以包括与透镜镜筒/组件整合或耦合于透镜镜筒/组件的一个或多个EAP致动器、机械联动件或类似物，或二者的组合。
图18和19提供本发明的示例性的透镜位移机构的透视图，其中多个EAP致动器/换能器被串联地堆叠，以放大冲程输出，如被箭头525、535所分别图示的。如所图示的，换能器可以以期望的配置耦合或结合在一起，以实现期望的输出。
图18A和18B的透镜位移机构520提供多个双平截头体EAP致动器528单元，其中每个致动器单元528包括两个凹部面对(concave-facing)的换能器隔膜526，凹部面对的换能器隔膜526具有其被结合在一起的内框架或盖532。进而，致动器的外框架534被结合或耦合于毗邻的致动器的外框架534。远端最外框架534a被安装于透镜框架524，透镜框架524具有被定位在其中的透镜522。近端最外框架534b被定位在图像传感器模块(未示出)的远端。
图19A和19B图示了相似地起作用的透镜位移机构540，其中多个EAP致动器单元548中的每个都具有倒置的配置，由此换能器隔膜544使其凹侧面向内并且使其外框架538结合在一起。进而，致动器的内框架536被结合或耦合于毗邻的致动器的内框架536。远端最内框架536a用于将透镜522同心地保持在其中。近端最内框架536b被定位在图像传感器模块(未示出)的远端。
当使用任一种设计时，致动器级(actuator level)的数量越大，冲程潜力(stroke potential)就越大。此外，在堆叠物内的一个或多个致动器级可以被用于缩放应用，其中另外的透镜可以与多种致动器级整合并且可以作为无焦透镜组件被共同地操作。另外地或可选择地，换能器级(transducerlevel)中的一个或多个可以被设置用于感应——与致动相反——以帮助活性致动器控制或操作验证。当使用这些操作中的任何操作时，任何类型的反馈途径，例如PI或PID控制器，可以在系统中被采用，从而以非常高的精确度和/或精密度来控制致动器位置。
现在参照图20A和20B，图示了另一个透镜位移机构550，透镜位移机构550利用了基于EAP的部分或部件552以及机械透镜驱动部分或部件554，由此前者被用于驱动后者。EAP部分552包括双平截头体致动器，在该双平截头体致动器中外框架556a、556b被保持在底部壳体部分558a、558b之间，且使被耦合的换能器的内框架555a、555b沿光轴576相对地可平移。如上文讨论的，致动器可以被配置成作为能够导致在沿光轴576的两个方向的活性运动的双相致动器，或作为在沿光轴的向上/向前方向可运动的单相致动器。
位移系统550的机械部分554包括被联动对(linkage pair)566a、566b和568a、568b互相连接的第一和第二驱动板或平台560、564。板中的每个都具有用于保持和承载透镜(未示出)的中央开口，其共同地提供在沿焦轴运动时调整被居中地布置在顶部壳体574内的透镜开口578中的聚焦透镜(未示出)的放大率的无焦透镜组件。虽然仅提供了两个缩放位移板，但是可以采用任何数量的板和相应的透镜。
联动对提供了剪式千斤顶作用，以响应于被作用在第一驱动板560上的力而将第二驱动板564沿光轴运动。如被本领域的技术人员所理解的，这样的剪式千斤顶作用将第二驱动板564以比第一驱动板560大的速率平移，其中在第一板和第二板之间的平移比率提供伸缩效果。板560、564沿着并借助于在底部壳体部分558a和顶部壳体574之间延伸的线性导向杆572而被滑动地导向。在致动器部分552的激活时，帽555a被位移，由此施加抵着驱动板560的近端562的向上力。这会驱动第一板560，第一板560进而运动联动对，从而以所选择的更大的平移速率来驱动第二板564。虽然图示性地描述了剪式千斤顶联动件，但是其他类型的联动件或机械设备可以被用于以比另一个板成比例地大的平移速率和距离来平移一个板。
图21提供本发明的另一个混合(致动器-联动件)透镜位移机构580的横截面图，其中致动器部分582包括由螺旋弹簧586沿光轴588向上偏移的单一的EAP换能器584，然而可以采用任何弹簧偏移器件(例如板弹簧)。在致动器的激活时，帽590抵着第一驱动板592运动，第一驱动板592驱动联动机构596，然后将第二驱动板594沿光轴588向上运动。
现在参照图22和23，图示了本发明的采用混合构造的两个其他的透镜位移机构。这两个机构都通过利用两个类型的致动器机构以渐增的或“尺蠖”方式来平移其各自的透镜组件/镜筒。
图22A和22B的透镜位移机构600采用两个类型的致动运动来导致透镜组件/镜筒602的尺蠖位移——“厚度模式”致动和平面内致动。透镜镜筒602容纳可以形成用于缩放目的的无焦透镜组件的一个或多个透镜(未示出)。镜筒602具有从外表面侧向地延伸的衬套606。衬套606与在顶部致动部分和底部致动部分608a、608b之间延伸的导轨604摩擦地且可滑动地接合。机构600的致动部件包括底部部分608a和顶部部分608b。每个致动部分包括具有厚度模式致动器EAP膜610和平面致动器EAP膜612的致动器堆叠物。膜被彼此分离并且被包封在柔性材料的层614a-614c之间，以形成致动器堆叠物608a，其中柔性材料例如粘弹性材料并且优选具有非常低的粘性和硬度计等级(durometer rating)。图22A示出了在致动器堆叠物608a的剖视图中的分别的电极层型式610a和612a。中心孔或光圈616延伸穿过堆叠物608a，以允许被聚焦至图像传感器/探测器(未示出)上的图像的通过。
在操作中，当导轨的背部或底部端604a与膜堆叠物608a(或至少与致动器层614b、614c)以基本上直角接合时，平面致动器EAP膜612的激活使导轨端604a在相反的方向侧向地运动，例如在垂直于导轨604的轴向长度的方向605从彼此分开。当导轨的前部端或顶部端604b在固定位置中时，这种运动使导轨604紧贴支承件606来支承，由此摩擦地固定透镜镜筒602在导轨604上的位置。膜612的去活化(deactivation)将导轨拉动回至它们的相对于膜堆叠物608a的中间位置或直角位置。然后厚度模式致动被采用以将导轨604在轴向方向607平移，由此将当前被摩擦地接合于导轨603的透镜镜筒602在相同方向上平移，以调整透镜组件的焦距。更具体地，当EAP膜610被激活时，膜堆叠物608a扣住(buckles)，由此轴向地位移导轨604。在透镜镜筒602的前伸时，摩擦支承表面(未示出)被定位成接合镜筒的外表面，由此这种摩擦接合大于由镜筒衬套606施加在导轨604上的摩擦接合。支承表面在镜筒的壁上的摩擦接合克服了衬套在导轨上的摩擦接合，使得当厚度模式EAP膜610被去活化并且导轨返回至非活性位置时，透镜镜筒被保持在前伸位置中。上文描述的平面-厚度模式致动次序可以被逆转，以将透镜组件在相反的轴向方向平移。
可选择地，顶部致动部分608b可以被采用，以调整轨道604的相对位置或角度，和/或以增大透镜镜筒602在任一轴向方向607的潜在的行进距离。在本实例中，致动器608b被构建为提供用于为了将导轨紧贴衬套606摩擦地接合的目的而调整导轨的位置的平面致动。特别地，致动器堆叠物608a包括被夹在层620a、620b之间的平面致动EAP膜618，层620a、620b可以由与底部致动器608a的层614a-614c相同的材料制成。复合结构具有延伸穿过其的孔或光圈622，以允许穿过聚焦透镜(未示出)的光线的向缩放或无焦透镜组件602的穿过。优选地，608a和608b的平面节段同时地致动，以将导向器杆604保持为以与彼此平行的关系。
顶部致动器608b可以代替底部致动器608a的平面致动而被采用，以提供如上文描述的导轨的角位移，或其可以与底部致动器608a的平面致动部分串联地使用，以侧向地位移导轨的两端。这种串联致动可以被控制，以精确地调整导轨的角布置或可选择地将导轨保持为相对于分别的致动器的平面表面成直角(即导轨被保持为平行于彼此)，但是提供充分的侧向位移(朝向或远离透镜镜筒602)以产生紧贴衬套606的摩擦支承。顶部致动器608b还可以配备有如上文描述的厚度模式致动能力，以产生导轨的被放大的轴向移动。虽然已经描述了两个导轨的平移，但是本发明还包括透镜位移机构的被配置为仅使单一的导轨或多于两个的导轨运动的变化形式。
图23A和23B图示了采用尺蠖型的致动运动的另一个透镜位移机构625。机构625容纳了含有多个透镜层级(lens stage)626a、626b、626c、626d的透镜组件，每个透镜层级都具有用于保持透镜(未提供)的切口部627。本领域的技术人员将意识到，可以采用比图示的四个更少或更多的层级，并且层级可以保持用于聚焦、缩放的透镜，或仅提供光线的通过。此外，不是所有的层级都需要是可平移的以及可以被固定于机构壳体或支柱628。在所图示的变化形式中，例如，第一和第四层级626a、626d被固定，同时第二和第三层级626b、626c可平移。四个透镜层级通过线性导轨642而保持为彼此间隔开地平行对准，其中该线性导轨642被固定于顶部和底部透镜层级626a、626d并且在顶部和底部透镜层级626a、626d之间延伸。可运动透镜层级626b、626c沿导轨642穿过支承件648线性地可平移。
位移机构625的致动部分包括第一/顶部和第二/底部致动器盒座630a和630b。盒座630a的构造在图24A中图示出，其中设置了彼此串联堆叠的两个致动器——单相的线性致动器632和双相的平面致动器634。每个致动器包括在内构件和外构件638a、638b之间延伸的EAP膜，由此分别的内部构件638a被结合在一起，并且分别的外构件638b被耦合于被定位在其之间的间隔物640。在图示的变化形式中，每个平面致动器634的EAP膜被分为至少两个可分离地激活的部分636a、636b，以提供双相(或更多)的致动。在本变化形式中，每个线性致动器632具有在整体上可激活的整体的EAP膜636c。两个单相的线性(从顶部套筒和底部套筒中的每个)致动器632共同地形成双相的线性致动器，其中底部线性致动器借助于将致动器保持为相对于彼此受拉的推杆644而实现被顶部线性致动器偏移，并且反之亦然。因此，当相应的线性致动器632是钝态的时，每个平面致动器634不具有被施加于其的在平面外的力。致动器632和634二者的内部构件638a(还被称为致动器输出构件)的输出运动都可以被控制，以分别展示如由箭头640a、640b指示的轴向运动和/或平面运动，以提供期望的致动循环或次序。顶部盒座630b的构造可以是相同的，但是被定向成面向底部盒座630a，使得盒座的凹侧面向外。
以推杆644的形式的联动部分在致动器盒座630a、630b的面向内的输出构件638a之间延伸，穿过在透镜层级中的每个层级内的被轴向地对准的光圈并且在透镜层级中的每个层级内的被轴向地对准的光圈内可滑动。离合器或断开机构646a、646b与在可运动的层级626b和626c内的光圈毗邻并且彼此相反地或径向地被定位，离合器或断开机构646a、646b选择性地与推杆644可接合以固定分别的透镜层级的轴向位置。离合器机构646a、646b可以具有任何合适的构造，包括但不限于摩擦的支承表面或用于与推杆644上的相应凹槽配合地接合的齿。
在操作中，两个致动器盒座630a、630b的线性和平面致动器632、634的选择性的致动使得推杆644的循环运动能够渐增地平移透镜层级626b、626c。这样的渐增的或“尺蠖”运动在图24B-24F中示意性地图示出。图24B示出了导轨644在致动器632、634二者都是非活性的时处于中性位置中，即不与透镜层级626b或636c接合。为了使透镜层级626b在向前方向上运动，每个平面致动器634的EAP膜的第一部分636a(即图23A和23B中的顶部和底部)被激活，如图24C中所示的，以使推杆644从中性位置侧向地运动为接合离合器机构646a(在本图中未示出)。然后，如图24D中图示的，线性致动器632被激活，同时每个平面致动器634的第一部分636a保持活性，以使输出构件638a运动至平面外。这种向平面外的运动将推杆644并因此将透镜层级626b在向前方向上推动或提升。一旦被运动至期望的轴向位置，那么推杆644通过去活化每个平面致动器634的第一EAP部分636a而与离合器646a脱离接合，如图24E中图示的。最终，每个线性致动器632被去活化以将推杆644回撤至其中性位置，如图24F中所示的。为了运动透镜层级626c，过程被重复，但是激活平面致动器634的第二EAP部分636b而不是第一EAP部分636a。可分离地激活的相，即EAP膜部分，可以与另外的离合器机构共同地被加入到每个平面致动器634中，以使透镜位移机构能够串联地运动两个透镜层级或根据情况的更多层级。
图25A-25C图示了具有聚焦和缩放两种能力的另一个透镜位移系统650。系统650包括两个整合的单相的被弹簧偏移的致动器——一个具有单平截头体隔膜配置652和另一个具有双平截头体隔膜配置654。致动器652包括容纳聚焦透镜组件658的透镜镜筒结构656。被容纳在镜筒结构662内的无焦透镜组件660沿系统的焦轴邻近于透镜组件658。两个透镜镜筒656、662通过螺旋弹簧664而远离彼此偏移。径向地延伸的侧向结构666进一步整合两个致动器，致动器652、654的分别的外框架或输出构件668a、668b耦合于该径向地延伸的横向结构666。EAP膜670在外框架668a和被安装于聚焦致动器652的透镜镜筒656的远端的相应的内框架或输出构件672之间伸展。然后，第一EAP膜676a在外框架668b和被安装于透镜镜筒662的近端的相应的内框架或输出构件674之间伸展。第二EAP膜676b在内框架674和接地的外框架或输出构件668c之间伸展，以形成缩放致动器654的双隔膜结构。第二螺旋弹簧678使被耦合的外框架668a、668b从接地的外框架668c偏移。
如图25A中图示的，系统致动器的所有相都是钝态的，使聚焦在“无限”位置处。使系统聚焦涉及激活聚焦致动器652的EAP膜670，如图25B中图示的。被置于透镜镜筒656上的预负载允许透镜镜筒656在箭头680的方向前伸，以提供减小的焦距。透镜镜筒656所经历的位移量可以通过控制被施加于致动器652的电压量来控制。缩放致动是相似的，但是具有致动器654的激活，如图25C中图示的，其中电压被施加于EAP膜676a、676b二者，以将透镜镜筒662在箭头682的方向前伸。如同聚焦一样，缩放位移的程度可以通过调节被施加于致动器654的电压量来控制。为了获得更大的位移的量值，可以采用以串联布置的另外的致动器层级。为了提供渐增的缩放位移，致动器654可以在两个相中被操作，由此两个隔膜被彼此独立地激活。虽然图示出了聚焦(图25B)和缩放(图25C)透镜组件的独立操作，但是二者可以被同时地操作或串联地控制，以提供聚焦和缩放的对于具体的透镜应用的所期望的组合。
图26A和26B示出了适合于透镜图像稳定的另一个位移机构690。致动器机构具有在外框架安装部692和中央输出圆盘或构件694之间伸展的多相EAP 696。输出圆盘694被安装于将圆盘向平面外偏移的枢轴698。在静止时，如图26A中图示的，多相膜的所有相或一部分是钝态的并且输出圆盘694是水平的。当膜696a的所选择的(在任何数量的可分离地激活的部分中的)一个或多个部分被激活时，被偏移的膜在被激活的区域696a中松弛，导致在输出平台694上的力的不对称并且使输出平台694倾斜，如图26B中所示的。多个可激活部分可以被选择性地激活，以响应于系统摇动来提供图像传感器或镜子(未示出，但是以其它方式被定位在中央圆盘或输出构件694的顶部)的三维位移。
图26A和26B的位移机构可以被进一步修改，以补偿图像传感器所经历的不期望的z方向运动。这样的位移机构700在图27A-27C中被图示，其中代替将致动器的输出构件704枢转地安装于地，弹簧偏移机构708被采用。也使用多相膜706，当一个706a或小于所有相的膜被激活时，如图27b中图示的，致动器输出圆盘694经历不对称的倾斜和轴向的平移。如果膜部分706的全部都被同时地激活或如果某些被激活以提供对称的响应，那么输出构件704经历在轴向方向的完全线性的位移，如图2C中图示的。这种线性位移的量值可以通过调节被应用于全部相的电压或通过选择被同时激活的膜部分的相对数量来控制。
本发明还提供了用于成像/光学系统例如本文公开的那些系统的快门/光圈机构，其中必要的或期望的是，关闭透镜光圈(快门功能)和/或控制穿过光学元件或部件的光的量(光圈功能)。图28图示了本发明的一个这样的快门/光圈系统710，其采用EAP致动器712来致动多个配合板或桨叶(blade)724，从而调整光通过成像路径的通路。致动器712具有平面构型，该平面构型具有在外框架构件和内框架构件714、716之间延伸的双相的EAP膜718a、718b，其中内框架构件具有用于使光通过的环形开口715。虽然在所图示的实施方案中仅采用了两个膜部分718a、718b，但是也可以使用多相膜。快门/光圈的机械/运动部件被容纳在具有顶部板和底部板720a、720b的盒座723内，顶部板和底部板720a、720b每个具有分别的用于光通过的开口725a、725b。
光圈桨叶724具有弯曲的或拱形的泪珠形状，由此它们的环形的对准被保持在重叠的平面布置中。桨叶借助于向上延伸的凸轮销736而被枢转地安装于底部板720，向上延伸的凸轮销736相应地与分别的延伸穿过桨叶724的较宽的端的孔匹配，由此界定桨叶围绕其操作性地枢转的枢轴点或支轴点。桨叶的锥形端指向相同的方向，使它们的凹边缘界定透镜光圈，透镜光圈的开口尺寸通过桨叶724的选择性的枢转是可变的。桨叶724每个具有凸轮从动件狭缝730，另一组的凸轮销732从被定位在桨叶724的相反侧上的旋转卡圈722的底部侧延伸穿过凸轮从动件狭缝730(如图28A中图示的)。凸轮从动件狭缝730被弯曲，以在卡圈722被旋转时由凸轮销732提供期望的拱形的行进路径，这进而使弯曲的桨叶724围绕其支轴枢转。从卡圈722的顶部或面向致动器的侧延伸的销726突出穿过顶部盒座板720a的开口725a，该销726与在致动器712的内框架构件716内的孔717匹配。致动器双相膜718的选择性激活使内致动器框架716在相反的方向于平面内侧向地运动。致动器的输出运动通过卡圈销726的拉动/推动使卡圈727并因此使凸轮销732在分别的光圈桨叶724内的凸轮狭缝730内旋转。这进而使叶枢转，由此使桨叶的锥形端运动为更接近在一起或更远离开，以提供可变的光圈开口，这在图29B中的盒座723的俯视图中最好地图示出。光圈开口的尺寸可以在完全打开(图29A)和完全关闭(图29C)之间改变，以作为透镜快门来操作。
图36A-36D图示了本发明的另一个光圈/快门机构840。机构840包括平面基部842，在该平面基部842上，光圈/快门桨叶844在一个端处被枢转地安装于枢轴点845。桨叶844的枢转运动使其自由端在平面中往复地越过光通行成像光圈854。桨叶844的运动通过杠杆臂846的枢轴运动来实现，其中该杠杆臂846具有被可运动地接收在桨叶844的内部边缘内的凹口856内的自由端。杠杆臂846在枢轴点852a处被枢转地安装于基部842。被作为整体件与杠杆臂846一体地耦合或形成的挠曲件(flexure)848在第一枢轴点852a和第二枢轴点852b之间延伸。翼片850从在挠曲件848上的中央点向内朝向光圈854延伸。桨叶、杠杆臂和挠曲件可以适合于提供在正常开状态或正常关闭状态中的光圈854。
翼片850朝向光圈850在箭头860a的方向的运动将挠曲件848在相同的方向偏转，如图36C中图示的。这种动作进而将杠杆臂846在箭头860b的方向旋转地枢转，使杠杆臂的自由端在凹口856内朝向枢轴点845运动，这进而使桨叶844在箭头860c的方向枢转地旋转，由此覆盖光圈854。这样的致动由安装或堆叠在机构840的运动部件的顶部上的致动器856的激活而导致，如图36D中图示的。相似于图28的致动器710，致动器856包括分别在外框架构件和内框架构件858a、858b之间延伸的双相的EAP膜860a、860b配置。翼片850的自由端被机械地耦合于内框架构件858b。基于图36D中图示的致动器856相对于快门机构840的取向，EAP节段860a的激活单独地向外推动翼片850，同时EAP节段860b的激活单独地向内拉动翼片850。
如所图示的，机构840主要用作快门，使光圈854被打开或关闭。在桨叶844内设置当桨叶844处在关闭位置中时与光圈854对准并且具有比光圈854的直径小的直径的孔862(在图36A中以虚线示出)，使得机构能够用作具有两个档的光圈机构，该两个档中的一个使桨叶在打开位置中，由此使更多的光经过光圈854到达透镜模块，而另一个使桨叶关闭光圈854，由此使光通过较小的孔862。
其他透镜位移机构可以通过使用采用了“单形态”膜结构或复合物的致动器来赋予透镜或透镜堆叠物运动。图30A和30B示出了这样的膜结构740的节段的横截面。膜结构包括弹性体电介质膜742，弹性体电介质膜742被结合于比电介质膜742更刚性——即具有更高的弹性模量——的膜背衬或基板744。这些层被夹在位于电介质膜742的暴露的侧上的柔性电极746和位于刚性膜背衬744的内侧或暴露的侧上的较刚性的电极748之间。由此，复合结构740被“偏移”成仅在一个方向偏转。特别地，当膜结构740被激活时，如图30B中图示的，电介质膜742被侧向地压缩和位移，使结构在远离基板744的方向弯曲或成拱形。被施加在结构上的偏移可以以任何已知的方式来产生，包括在国际公开第WO98/35529号中大体上描述的那些。现在描述多种本发明的采用这样的单形态类型EAP致动器的透镜位移机构。
图31A和31B的透镜位移系统750包括透镜镜筒或组件754，透镜镜筒或组件754被耦合于利用单形态EAP膜结构752的致动器机构。膜结构752的所选择的区域或长度在透镜镜筒754和固定基部构件756之间延伸。膜结构可以是围绕透镜镜筒类似于裙子的整体件，膜结构可以包括单相结构或用于提供多相动作的多重的可控制(addressable)区域。可选择地，致动器可以包括膜的可以被配置为共同地或独立地可控制的多重的离散的节段。在任何一种变化形式中，较刚性的膜侧或层(即基板侧)面向内，使得膜被向外偏移。在膜被激活时，如图31B中图示的，膜在被偏移的方向膨胀，使膜远离其的固定侧——即远离基部构件756——而延伸，由此将透镜镜筒754在箭头758的方向运动。膜复合物的多个参数，例如膜面积/长度、在EAP层和基板层之间的变化弹性(variance elasticity)等等可以被调整，以提供期望的位移量，从而引起透镜系统的自动聚焦和/或缩放操作。
图32A和32B的透镜位移机构760还采用单形态膜致动器。系统760包括透镜镜筒或组件762，透镜镜筒或组件762被安装于在导轨766上行进的透镜托架764。致动器770包括以串联方式被耦合在一起的折叠或堆叠的单形态膜片材。在所图示的实施方案中，每个单形态片材被构建为使较柔性的侧772a面向透镜镜筒并且使较刚性的侧772b面向远离透镜镜筒，但是也可以采用相反的取向。当所有的致动器片材都是非活性的时，堆叠物处在其最被压缩的位置，即透镜镜筒762在最近端的位置中，如图32A中图示的。在聚焦透镜组件的背景中，该位置提供了最大的焦距，而在无焦透镜组件的背景中，缩放透镜处在宏观位置中。一个或多个片材772的共同的或独立的激活使透镜镜筒762在箭头765的方向位移，以调整透镜系统的聚焦和/或放大率。
在某些环境条件下，例如在高湿度环境和极端温度环境中，EAP致动器的性能可能受影响。本发明通过加入一特征来解决这样的环境条件的问题，其中所述特征可以被整合到EAP致动器自身中或以其他方式被构建在系统内而不增加系统的空间要求。在某些变化形式中，EAP致动器配置有加热元件，以根据需要产生热来保持或控制EAP致动器和/或所邻近的周围环境的湿度和/或温度。加热元件是电阻性的，具有被整合到EAP膜中或毗邻于EAP膜的导体，其中导体上的电压低于致动器的激活所需要的电压。采用用于透镜位移和/或图像稳定的相同的EAP致动器来控制系统的周围参数，进一步减少系统中的部件的数量以及其总质量和重量。
图33A图示了可与本发明的采用了用于加热功能的串联电极布置的透镜/光学系统一起使用的示例性的EAP致动器780。图示出了致动器的具有接地电极型式782的接地侧以及在致动器780的另一个侧上以虚线示出的高压电极型式784。接线片(lug)786a和786b分别建立与地的电连接以及与来自系统的用于操作致动器的电源(未示出)的高压输入的电连接。第三接线片或连接器786c提供与来自用于串联式电阻加热器电流路径的电源的低压输入的连接。箭头788示出了由使用整个接地电极782作为电阻加热元件的电极布置提供的环形电流路径。
图33B图示了采用用于加热功能的并联电极布置的另一个EAP致动器790。本图示出了致动器的具有接地电极型式792的接地侧，并且具有在致动器790的另一个侧的以虚线示出的高压电极型式784。接线片796a和796b分别建立与地的电连接以及与来自系统的用于操作致动器的电源(未示出)的高压输入的电连接。并联总线棒798a、798b被设置在致动器790的接地侧上，以用于从电源(未示出)分别连接到地和低压输入。箭头800图示了由并联电极布置建立的电流的径向路径。以与串联相反的并联方式使用电极，允许使用较低的电压来获得为了诱导膜的加热所必需的电流。
如上文提到的，另一个用于系统湿度和温度控制的途径是被定位为毗邻EAP致动器的电阻加热元件的使用。图34图示了采用具有EAP膜812的EAP致动器的透镜位移机构810。被在顶部壳体/覆盖物813和EAP膜812之间界定的间隔816提供足以在其中定位加热元件814的空间。优选地，加热元件具有与EAP膜的轮廓和尺寸匹配的轮廓和尺寸——在这种情况下是如图34A中图示的平截头体形状，以最小化系统的间隔要求以及最大化在加热元件814和EAP膜812之间的热传递。加热元件包括电接触件818和在绝缘基板815b的上的电阻迹线(resistive trace)815a，以将加热元件电耦合于系统的电力和感应电子设备。
本发明的透镜位移系统的另一个可选择的特征是，设置传感器以感应透镜或透镜组件的位置，其中所述透镜或透镜组件提供了透镜位移的闭环控制。图35图示了被整合到透镜位移系统820的这种位置感应设备的示例性的实施方案，透镜位移系统820具有与图7A的透镜位移系统相似的构造。感应设备包括具有圆柱形构型的嵌套(nested)电极对。一个电极822a，例如接地侧电极，环绕透镜镜筒824的外部部分。接地电极822a通过致动器偏移弹簧830而电耦合于接地导线830a。另一个电极822b，例如活性的或动力/感应电极822b，环绕衬套壁826的内部表面，从壳体828的背部端向上延伸并且坐落在透镜镜筒824的外表面和致动器偏移弹簧830之间。电极822b被电耦合于动力/感应导线830b。附着于活性电极822b的绝缘材料可以设置在被界定在两个电极之间的缝隙中，以提供电容性结构。当透镜镜筒在如图示的位置时，跨越电极的电容处于其最大值。当透镜镜筒824在远端方向被位移时，电极的重叠的表面区域减小，进而减少了它们之间的电容性电荷。电容的这些变化被反馈至系统的控制电子设备(未示出)，以进行透镜位置的闭环控制。
通过利用EAP致动器进行自动对焦、缩放、图像稳定和/或快门控制，本主题的光学透镜系统具有最小化的空间和电力需要，并且因此对于在高度紧凑的光学系统例如移动电话照相机中的使用是理想的。
本公开内容还包括使用EAP致动器或EAP膜(或EAP膜的层的组合)来运动透镜的组合或透镜，从而变化在晶片级光学系统中的光学路径。晶片级光学设备通常由于紧凑的形式要素、改进的分辨率以及成本效果而典型地在与照相机有关的技术中被采用。这样的晶片级光学系统典型地用于便携式电子设备中，例如照相机电话、游戏系统、计算机等等。在这样的系统中，晶片级光学设备的光学部件被制造在晶片上，与制造集成电路的工艺相似。在典型的构造中，如图37A至37E中所示的，晶片级照相机包括图像传感器315和透镜元件314的简单的配置。典型地被以200mm或300mm工艺(然而用于晶片级光学系统的任何尺寸范围都在本公开内容的范围内)制造的cmos图像传感器晶片以及光学晶片(典型地由半导体工艺、UV复制或其他工艺形成)被安装，并且所得到的晶片堆叠物被切片成大量的个体的照相机模块。整个照相机部件可以以晶片级来对准和组装，并且然后可以分割以形成个体的照相机模块。在某些工艺中，图像传感器晶片和光学晶片在组装之前被切片。个体的图像传感器和透镜元件被结合，以创造出个体的照相机模块。包括光学设备的完整的晶片照相机使用标准的半导体制造技术以晶片级来制造和包装。
在用于消费类电子设备的光学系统中，显著地减少照相机模块的高度是一种引人注目的优势。因此，EAP膜325或EAP膜325的层的组合的使用允许照相机透镜的相对于光学路径的轴线的直接的操纵和复位，而不需要在常规的透镜定位系统中典型地所使用的相对大或笨重的马达。
在第一变化形式中，第一透镜可以被固定于机械基础。第二透镜可以使用一个或多个EAP膜来相对于与机械基础有关的(如由光学路径界定的)轴线而自由地运动。EAP膜的致动可以使透镜在正方向、反方向或两种方向上运动。
在另一个变化形式中，EAP可以被直接地附接于一个或多个透镜元件。EAP膜可以以任何数量的常规的工艺施用于透镜或模块元件，所述工艺包括但不限于丝网印刷、黏合、滚压对滚压(roll-to-roll)工艺等等或其他的方法。
在又另一个变化形式中，EAP膜可以接合杠杆或其他的传输器件，以运动透镜从而改变晶片级照相机的光学路径。在另外的变化形式中，EAP膜可以被直接地附接于透镜元件以及杠杆或其他的传输器件，以根据需要来调整光学路径。
在这样的晶片级光学系统中的EAP膜可以与任何种类的软件应用组合地使用，以提供图像的后期处理。
EAP膜可以在单通道晶片级照相机(单光学路径)上使用，如图37A中所示的；或在采用多重照相机通道的照相机系统(融合照相机(fusioncamera))上使用，该照相机系统从多个通道产生一个或多个图像。融合照相机可以由采用了在传感器上的多重子区域的单一的CMOS/CCD图像传感器来构造(如图37C中所示的)，或其可以是分别的CMOS/CCD图像传感器的组合(如图37B中所示的)。
在制造中，EAP可以被施加于个体的透镜的外环或施加于整个平面透镜阵列的外周，如在融合照相机中所使用的。此外，EAP膜可以用于使融合照相机中所使用的通道的子集运动。在该变化形式中，通道中的某些可以改变焦距，然而不耦合于EAP膜的其他的通道将具有固定的焦距。在任何的变化形式中，弹簧或其他的偏移机构/结构可以与EAP共同使用，以运动透镜元件。
EAP材料在晶片级光学系统中的使用还可以允许具有整体式构造的光学系统的变化形式。在这样的情况下，光学系统的构造可以包括在晶片被构建时将透镜和致动器直接地沉积、构建或层压至晶片上。在另外的变化形式中，EPAM的使用允许透镜的全部或一部分由EPAM材料形成。例如，与EPAM接触的电极可以是透明的(例如导电聚合物或Cambrios的银纳米线材料)。电极可以选择性地变形EPAM，以在现场创造透镜。
EAP膜325的使用不仅仅允许操纵一个或多个透镜。对于单通道应用的情况，EAP膜可以将一个或多个透镜相对于传感器运动。此外，对于采用了多重个体透镜的多通道配置来说(无论对于CMOS传感器的组合还是被分为多通道的单一的CMOS传感器来说)，EAP膜的使用允许对任何数量的透镜或任何数量的透镜子集的独立控制。例如，参照图37C和37D，被耦合于离散的通道的每个透镜可以被独立地操纵，或被耦合于特定的通道(例如红色、绿色、蓝色、IR或其组合等等)的每个透镜的子集都可以被EAP操纵。
在可选择的变化形式中，EPAM还允许混合晶片光学系统。在这样的情况下，混合构造可以采用不透明的或半透明的电极，即激活电极材料的环将使得在中央的非活性区域变形和改变焦距从而改变或产生透镜。这样的构造可以更好地适合于鱼眼透镜配置。
环型EPAM致动器的使用还可以允许具有复合透镜的被堆叠的配置，其中透镜将与像垫片状的光圈间隔开，或与像泡沫状的可压缩材料间隔开。在另外的变化形式中，被模塑的透镜的标准片材可以被堆叠以产生复合透镜，其中EPAM被用于修改透镜之间的间隔。明显地，任何类型的透镜制造可以用于代替被模塑的透镜。例如，透镜可以通过蚀刻、铸造、光刻法或任何其他的透镜和透镜阵列制造技术来生产。
设想了与本主题的光学系统、装置、部件和元件相关联的本发明的方法。例如，这样的方法可以包括选择性地将透镜聚焦在图像上，使用透镜组件选择性地放大图像，和/或选择性地运动图像传感器以补偿透镜或透镜组件所经历的不想要的摇动。方法可以包括提供了合适的采用本主题发明的装置或系统的动作，其中所述提供可以由终端用户来实施。换句话说，“提供”(例如透镜、致动器等等)仅需要终端用户获得、进入、接近、定位、设置、激活、上电(power-up)或以其他方式动作，以提供本主题的方法中必需的装置。本主题的方法可以包括与所描述的装置的使用相关联的机械活动性以及电活动性中的每个活动性。因此，对于所描述的装置的使用隐含的方法也形成本发明的一部分。此外，适合于进行本方法的电硬件和/或软件控制以及电源也形成本发明的一部分。
本发明的又另一个方面包括具有本文描述的装置的任何组合的成套工具(kit)——无论是以包装的组合来提供还是由技术人员组装以用于操作用途、对使用的指导说明等等。成套工具可以包括任何数量的根据本发明的光学系统。成套工具可以包括用于与光学系统一起使用的多种其他部件，包括机械或电连接器、电源等等。本主题的成套工具还可以包括用于装置或其组件的使用的书面指导说明。这样的指导说明可以被印刷在基材上，例如纸或塑料等等。因此，指导说明可以作为包装嵌入物、作为成套工具或其部件的容器的标签(即与包装或子包装相关联)等等而存在于成套工具中。在其他实施方案中，指导说明作为在合适的计算机可读存储介质——例如CD-ROM、磁盘等等——上存在的电子存储数据文件而存在。在又其他的实施方案中，实际的指导说明不存在于成套工具中，而是提供了例如通过互联网络从远程源获得所述指导说明的方法。本实施方案的实施例是包括了下述网址的成套工具，该网址指的是指导说明可以在该网址察看到，和/或指导说明可以从该网址下载。如同指导说明一样，这种用于获得指导说明的方法被记录在合适的介质上。
对于本发明的其他的细节来说，可以采用材料和可选择的有关的配置，如在相关领域的技术人员的水平内的。这对于本发明的基于方法方面在另外的被普遍地或在逻辑上采用的方面也是适用的。此外，虽然已经参照多个可选择地结合多个特征的实施例描述了本发明，但是本发明不是要限制于所描述或提出的内容，如对于本发明的每个变化形式所设想的。可以对所描述的本发明作出多种变化，并且等效物(无论在本文中叙述的还是为了简洁未被包括的)可以被代替，而不偏离本发明的真正的精神和范围。任何数量的所示出的个体的零件或子组件可以在其设计中被整合。这样的变化或其他的变化可以根据用于组件的设计原理来进行或被指导。
此外，设想，所描述的本发明的变化形式的任何可选择的特征可以被独立地或与本文描述的特征中的任何一个或多个特征组合地提出和要求保护。对单数的项目的指代包括存在多个相同的项目的可能性。更具体地，除非特别地声明，否则如在本文中以及在所附的权利要求中使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”、“所述(said)”和“所述(the)”包括复数形式的指代。换句话说，术语的使用允许在上文的说明书以及权利要求中的主题项目的“至少一个”。此外注意，权利要求可以被制定成排除任何可选择的元件。因此，这种声明旨在作为对于排他性的术语例如“仅(solely)”、“仅有(only)”以及类似术语与要求保护的要素的叙述共同使用的先行基础或“否定”限制的使用的先行基础。不使用这样的排他性的术语时，权利要求中的术语“包括”应当允许任何另外的要素的加入——无论是给定数量的要素在权利要求中被列举、还是特征的加入可以视为是变换权利要求中所提出的要素的性质。以其他方式声明，除非本文特别地定义，否则本文所使用的所有技术和科学术语将被给予尽可能宽泛的普遍所理解的含义，同时保持权利要求的有效性。
总之，本发明的范围不是要由所提供的实施例来限制。

Claims (2)

1.一种晶片透镜系统，包括：
图像传感器，其被制造在第一晶片上；
透镜单元，其包括被沿焦轴定位并且被耦合于所述第一晶片的至少一个透镜；以及
至少一个电活性聚合物膜，其被耦合于所述透镜单元，使得所述电活性聚合物的激活将所述透镜单元相对于所述焦轴平移。
2.根据权利要求1所述的晶片透镜系统，还包括杠杆构件，所述杠杆构件被耦合在所述透镜单元和所述电活性聚合物膜之间，使得所述电活性聚合物膜的激活致动所述杠杆构件以平移所述透镜单元。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120418