CN104297893B - 微型成像系统的光学变焦装置 - Google Patents

Abstract

提供一种光学装置，其包括将光从一个光轴反射到和该光轴基本垂直的一个光学平面的反射元件。该装置进一步包括在光学平面内设置的第一和第二透镜单元，以及一个致动器机械耦合到第一和第二透镜单元，并导致同步的相应的第一和第二位移。在第一和第二位移发生之前，通过第一和第二透镜单元的光以第一倍率在对应的焦平面成像；在第一和第二位移发生之后，通过第一和第二透镜单元的光以不同于第一倍率的第二倍率在对应的焦平面成像，从而实现光学变焦效果。

Description

微型成像系统的光学变焦装置

相关申请

本申请对美国临时申请61/856，639，“微型成像系统的光学变焦装置”，申请日2013年7月19日，宣称优先权。所述申请全文在此以引用的形式被包括在本申请说明书内。

技术领域

本发明公开的实施一般涉及光学变焦装置。具体而言，所公开的实施涉及到微型成像系统，如智能/普通手机相机的光学变焦装置。

背景技术

在许多成像应用中其空间制约严重限制了图像采集系统的设计（例如，照相机和其中的透镜系统）。例如，为保持智能/普通手机在市场上的竞争力，这些装置必须保持足够小以避免给随身携带它们的用户在任何时间造成不便（例如，它们常处于用户的口袋中）。同样，隐藏的监控摄像头也一定要小，以避免注意。在许多其他存在的成像应用中，有限的空间限制了或严重制约了对光学和机械部件的设计。

虽然在这样的成像应用中光学变焦是高度需要的，然而由于可资使用的有限设计空间，光学变焦并没有在此类成像应用中被有效实施。此外，智能/普通手机相机趋向于向更薄，更小的尺寸发展。由于许多智能手机/普通手机的相机光轴位于垂直于薄的移动装置的表面，并且传统的光学变焦装置依赖于沿着光轴移动的光学-机械部件，在这类装置上采用传统的光学变焦装置本质上是不良的或违背趋势的。因此，这类的成像装置经常使用具有一个固定焦距的单透镜或透镜单元，从而放弃了光学变焦能力。

因此，需要有一个袖珍的光学变焦装置来克服受限制的空间要求。

发明内容

为了解决上述问题，一些实施方式提供了一种光学装置。此光学装置包括第一反射元件，其被配置为将成像光从第一光轴反射至基本垂直于第一光轴的一个光学平面内。此光学装置进一步包括了在光学平面内设置的第一透镜单元，在光学平面内设置的第二透镜单元，以及一套机械致动系统。该致动系统机械式耦合了上述第一透镜单元，并使第一透镜单元产生从在光学平面内的第一位置到在光学平面内的第二位置的第一位移；该系统也机械耦合到第二透镜单元，并且使第二透镜单元产生从在光学平面内的第三位置到光学平面内的第四位置的第二位移。所述第一和第二位移同时发生。此外，所述第一透镜单元的第一位移由第二透镜单元的第二位移所补偿，其结果是：成像光通过在第一位置的第一透镜单元和通过在第三位置的第二透镜单元后以第一倍率被成像在特定的焦平面；以及，成像光通过在第二位置的第一透镜单元和通过在第四位置的第二透镜单元，然后以不同于第一倍率的第二倍率被成像在同样的焦平面上，从而实现光学变焦效果。

在一些实施方式中，致动器被机械地耦合到所述第一透镜单元，并使其产生具有第一传动比的第一传动；同时它也被机械地耦合到所述第二透镜单元，并使其产生具有第二传动比的第二传动。第一和第二传动比的设置要使得致动器的致动运动产生所述第一透镜单元从第一位置到第二位置的第一位移，和产生所述第二透镜单元从第三位置到第四位置的第二位移。

在一些实施方式中，该光学装置还包括第二个反射元件，其设置为把通过第一和第二透镜单元的成像光从光学平面内反射到平行于第一光轴的第二光轴。

在一些实施方式中，相应的焦平面是垂直于第二光轴的，并且此光学装置还包括沿着第二光轴设置的成像传感器。

在一些实施方式中，第一反射元件将光从第一光轴反射至位于光学平面内的第三光轴。在一些实施方式中，该光学装置还包括第三反射元件，并设置为将成像光从位于光平面内的第三光轴反射至同一平面内的第四光轴；以及包括第四反射元件并配置为把光从位于光学平面内的第四光轴反射至同一平面内的第五光轴。在一些实施方式中，第一透镜单元是沿着第三光轴设置的，而第二透镜单元则是沿第五学轴设置的。

在一些实施方式中，第一反射元件将光从第一光轴反射至位于光学平面内的第六光轴。在一些实施方式中，该光学装置还包括第五反射元件，其被设置为把光从第六光轴反射至在同一光学平面内的第七光轴。在一些实施方式中，所述第一透镜单元是沿第六光轴而第二透镜单元则沿第七光轴设置。

在一些实施方式中，所述装置是集成到移动电话相机中的光学变焦单元的一部分。在一些实施方式中，该装置被配置为用户可拆卸交换型。

为了解决前述的问题，一些实施方式中提供了另一种光学装置。该装置包括第一反射元件，其被设置为把光从第一光轴反射至和第一光轴基本垂直的一个光学平面内。该装置进一步包括在此光学平面内设置的第一透镜单元，在同一光学平面内设置的第二透镜单元，成像传感器，及致动器。该致动器机械地耦合于第一透镜单元，并使第一透镜单元产生从位于光学平面内的第一位置到位于光学平面内的第二位置的第一位移；同时，此致动器也机械耦合到所述成像传感器，并使成像传感器产生从第一焦平面到第二焦平面的第二位移。所述第一和第二位移同时发生。第一透镜单元的第一位移由所述成像传感器的第二位移所补偿，使得通过在第一位置的第一透镜单元以及第二透镜单元的光以第一倍率成像于第一焦平面；另外，通过在第二位置的第一透镜单元以及第二透镜单元的光则以不同于第一倍率的第二放大倍率成像在第二焦平面，从而实现光学变焦效果。

在一些实施方式中，致动器被机械地耦合到所述第一透镜单元，并产生具有第一传动比的第一传输，同时它也被耦合到所述成像传感器而产生具有第二传动比的第二传输，第一和第二传动比的设置是这样的，致动器所引起的致动使第一透镜单元产生从第一位置到第二位置的第一位移和使成像传感器产生从第一焦平面到第二焦平面位置的第二位移。

在一些实施方式中，该光学装置还包括第二反射元件，其被设置为待成像光通过位于光学平面内的第一和第二透镜单元后将其反射至第二光轴，其特征在于，所述第二光学轴线是平行于第一光轴的。

在一些实施方式中，所述的第一和第二焦平面垂直于第二光轴，而成像传感器则沿第二光轴设置。

在一些实施方式中，第一反射元件把光从第一光轴反射至位于光学平面内的第三光轴，此光学装置还包括第三反射元件并设置成将光从第三光轴反射至在光学平面内的第四光轴，以及包括第四反射元件，其设置为把光从第四光轴反射至在光平面上内的第五光轴。

在一些实施方式中，第一透镜单元是沿着第三光轴设置的和第二透镜单元沿着第五光轴设置。

在一些实施方式中，第一反射元件将光从第一光轴反射至在光学平面内的第六光轴，并且该装置进一步包括第五反射元件，其被设置为将光从第六光轴反射至在光学平面内的第七光轴。

在一些实施方式中，所述第一透镜单元沿第六光轴设置及第二透镜单元沿着第七光轴设置。

在一些实施方式中，所述装置是集成到移动电话相机中的光学变焦单元的一部分。在一些实施方式中，该装置被设置为用户可拆卸交换型的。

为了解决前述的问题，一些实施方式提供了一种便携式多功能装置。这个便携式多功能装置包括一个具有显示器和可拆卸的光学变焦单元的手机电话。可拆卸的光学变焦单元包括：定义进入光学变焦单元的成像光线的光轴的第一透镜单元，及第二透镜单元，其被设置为可以在一个基本垂直于第一光轴的平面内运动。第二透镜单元的运动就形成了可拆卸光学变焦单元的焦距的变化。

在一些实施方式中，所述光学变焦单元还包括了第三透镜单元，其被设置为以这样的方式移动以补偿焦距的变化，使得无论第二透镜单元如何的移动被便携式多功能装置成像的物体总是在一个固定的焦平面上成像。

附图说明

为了更好的理解，应结合附图并参考随后的详细描述，其中：

图1展示了一种装置，根据一些实施方式中的设计，其具有固定的（例如，非拆卸更换型的）光学变焦单元。

图2展示了一种装置，根据一些实施方式中的设计，它具有一个可拆卸更换的光学变焦单元。

图3根据一些实施方式，展示了光学变焦单元的三维透视图。

图4A根据一些实施方式，展示了一个沿着光轴实现光学变焦的四透镜单元设计。

图4B根据一些实施方式，展示了一个沿着光轴实现光学变焦的三透镜单元设计。

图5根据一些实施方式，展示出了一个四透镜单元设计的光学布局。

图6根据一些实施方式中的设计，展示出了另外一种四透镜单元设计中的光学布局。

图7根据一些实施方式，展示了一种三透镜单元设计的光学布局。

图8根据一些实施方式，展示出了另外一种四透镜单元设计中的光学布局。

图9是一个示意性顶视图，根据一些实施方式中的设计，展示了在一个光学变焦单元中使用的一种示例性的光学变焦装置。

图10是图9的示意性侧视图，根据一些实施方式，展示了在一个光学变焦单元中使用的一种示例性的光学变焦装置。

图11根据一些实施方式，展示了在机械传动和透镜单元之间的一个示例性的机械啮合的透视图。

图12根据一些实施方式，展示了在机械传动和透镜单元之间的另外一种示例性的机械啮合的透视图。

图13A-13D根据一些实施方式，展示出在变焦透镜单元和补偿透镜单元之间的用于实现各种相对运动的机制。

图14A-14B根据一些实施方式中的设计，展示出了用于放大来自于凸轮的运动的各种机制。

图15A-15B根据一些实施方式中的设计，展示出了用于放大来自于凸轮的运动的另外的机制。

所有附图中相同的参考标号所对应的部件都相同。

具体实施方式

现在将对各种实施方式进行详细说明，其示例将在对应的附图中展示出。在下面的详细描述中，许多特定细节的陈述是为了提供一种对本发明及所述实施方式的透彻理解。然而，没有这些具体细节本文在此所描述的实施方式也可以实现。在其他情况下，众所周知的方法，程序，元件，和机械装置没有被详细描述，以免不必要地模糊实施方式的主体。

为了实现在一个紧凑空间里的光学变焦（例如，在一个智能/普通手机相机或其他微型成像装置中），在此所描述的一些实施方式提供了一种结构，它的焦距可在一个预定义的变焦范围内和在一个和入射光线的光轴相垂直的方向上由镜头驱动运动的方式连续调节。作为和传统的光学变焦单元相比，在本公开的一些实施方式所介绍的方法中光学元件和光学-机械部件被组合到一个单一的模块化腔室中，该腔室不同并可分离于智能/普通手机的腔室，并由此提供了和现存的智能/普通手机设计的更大程度的相容性。例如，在某些情况下，一个手机制造商可以在他们现存的手机设计中指定一组分配给相机光学系统的尺寸，然后在此所描述的光学变焦组件的供应商可以据此设计带有模块化腔室的光学变焦单元，使得对现有的手机电话设计不需要做任何改动或只需要做很少的变动。

本公开的一些实施方式中还提供了可拆卸交换的变焦单元，其中允许，例如，一个智能/普通手机相机的用户变换具有不同的预先定义变焦范围的光学变焦单元，进一步增加了在同一个智能/普通手机相机（或其他成像装置）上可实现的光学变焦的范围。

根据一些实施方案，图1展示了具有光学变焦单元102的装置100。在一些实施方式中，光学变焦单元102具有一个在预先定义的变焦范围内可以连续调节的焦距。例如，一些实施方案提供了一种具有3倍光学变焦能力的光学变焦单元（例如，焦距范围从9毫米至27毫米）。另外，有些实施方案则可提供具有5倍光学变焦能力的光学变焦单元（例如，焦距范围从6毫米到30毫米）。然而，应该理解不同的焦距和变焦范围也是可以实施的（例如，除了上述提供的例子之外）。

在一些实施方式中，光学变焦单元102被嵌入在移动设备100的腔室中，从而对用户是不可见的。另外，在另一些实施方式中，光学变焦单元102被配置成为可以被用户从装置100的顶部或侧面插入预设位置。在一些实施方式中，光学变焦单元102可被安装到装置100的正面，或者，也可以被安装在装置100的背面（例如，根据装置100的设计要求）。光学变焦单元102包括一个光入射窗口104，通过此入射窗口入射射束（例如，入射光）进入光学变焦单元102。光入射窗口104定义了一个沿入射射线进入的入射光轴。例如，在一些实施方式中，光学轴线就是对光入射窗口104其有某种程度的旋转对称性的轴线（例如，光轴就是垂直于光入射窗口104的几何中心的垂线）。光学变焦单元102还包括一个变焦轮106，借助于它用户可以在预定义的变焦范围内调节光学变焦单元102的焦距，从而实现光学变焦。在一些实施方式中，这个变焦轮106可由一个步进电机代替。在一些实施方式中，光学变焦可通过步进电机的自动的或可编程的驱动来实现。例如，在一些实施方式中，装置100包括一个显示相机视场的预览图像的触摸屏显示器。在一些实施方式中，用户可以通过“捏挤到变焦”（”pinch-to-zoom”）来执行一个在触摸屏显示器上预定义的触摸手势。在一些实施方式中，装置100通过软件解释手势并相对应的驱动步进电机以实现光学变焦运动。在一些实施方式中，步进电机的驱动通过机械手段来完成。例如，装置100包括一个和电位器耦合的涡轮。在这个例子中，步进电机将按照电位器两端的电压来定位一个或多个光学-机械部件。应当理解，这里所描述的任何实施方式可以利用硬件，软件，机械元件，或由此产生的组合，来驱动在此所描述的光学-机械部件的运动。

该装置100还包括一个手机装置的功能区108（例如，触摸屏显示器），通过它，用户可以执行移动装置的操作，比如电话呼叫和获取图片，例如，通过存储在移动装置100的存储器中的相机应用程序。

根据一些实施方式，图2展示了具有一个可更换的模块化光学变焦单元202的移动装置200。由于可用空间的约束以及光学设计和光学-机械结构的限制，光学变焦单元102（图1）的预定义的变焦范围是有限的。为了实现更大的变焦范围，从而允许更广泛的成像应用，装置200提供了一个可交换的平台。例如，在此所述的光学变焦单元的供应商可以销售成套的具有衔接的或略微重叠的变焦范围的光学变焦单元系列。如一组系列可包括一个具有在6毫米和18毫米之间的可变焦距的光学变焦单元，一个具有在16毫米和35毫米之间的可变焦距的光学变焦单元，和一个具有在30毫米和60毫米之间的可变焦距的光学变焦单元，从而提供了一种有效的光学变焦范围为从6毫米到60毫米，或10倍的光学变焦系列组元。

在一些实施方式中，光学变焦单元202被配置为可以从装置200的一侧（例如，或者是左侧或右侧）插入移动装置200。另外，光学变焦单元202也可被配置成从装置200的顶表面插入装置200。除了提供一种拓展移动装置200的光学变焦范围的方式，光学变焦单元202的可交换本质也允许了所述光学变焦单元202是可根据应用选定的。例如，一个相应的光学变焦单元202可以被用于自然摄影或可以具有在低光照条件下摄影的高的数值孔径。

根据一些实施方式，图3展示了光学变焦单元102/202（例如，无论是光学变焦单元102或光学变焦单元202）的三维透视图。在一些实施方式中，装置包括了前透镜组302，其中包括一个或多个安装在光学变焦单元102/202外部的入口透镜（例如，在装置壳体上，未示出）。该装置100/200还包括一个后透镜组304，其中包括一个或多个安装在光学变焦单元102/202外部的后透镜（例如，在装置的壳体上，未示出）。在一些实施方式中，入射和出射的射线是平行的（例如，沿入射射线的光轴方向）。光学变焦由在光学变焦单元102/202内的一个或多个机械变焦部件306的驱动运动来实现，更详细的描述如下。

在一些实施方式中，光束通过出射窗口从光学变焦单元102/202出射并且射至后透镜组304，随后进入与光学变焦单元102/202机械性分开的成像传感器308（例如，安装在装置100/200外壳上的探测器）。成像传感器308具有一个固定的位置使得从所述壳体的外部看不出来位于光学变焦单元102/202内的机械变焦部件306，并且对装置100/200的其他组件没有任何影响。在一些实施方式中，一个或多个辅助成像传感器（例如自动对焦或控制部件）都可集成在光学变焦单元102/202内，或可替代地，集成在光学变焦单元102/202之外。

如图3所示，光线沿光轴310传输，原始光轴由入射束定义，而光轴310由原始光轴弯折形成并位于一个和原始光轴基本垂直的光学平面中。

图4A展示了沿光轴η的光学变焦的四透镜单元设计400。应当理解的是，虽然η显示出沿一个单一的方向，但光轴可以改变方向，例如，当沿着光轴传输的光被一面镜子反射。在一些实施方式中，四透镜单元设计400包括一个被称为前透镜单元的透镜单元402，一个称为变焦透镜单元的透镜单元404，一个称为补偿透镜单元的透镜单元406，和被称为后透镜单元的透镜单元408。在一些实施方式中，一个或多个透镜单元402，404，406和408由一个单一的透镜组成。或者，一个或多个透镜单元402，404，406和408包括多个透镜（例如，用于减少像差和其他的图像质量改善）。光学变焦是通过透镜单元402，404和408之间的相对运动而实现的，同时透镜单元406以运动来补偿由于透镜单元402，404，和408的相对运动而引起的焦平面位置的移动。特别是，补偿透镜单元406的移动要使得成像平面保持在一个固定的焦平面412（即，图3中图像传感器308的位置）。

现在，沿着光轴η的用于四透镜单元设计400的光学变焦可以用数学方式描述。当变焦透镜单元404处于变焦透镜单元的初始位置以及补偿透镜单元406处于补偿透镜单元的初始位置时，设物体和光学变焦单元102/202的焦平面之间的初始距离为L₁。在变焦透镜单元404平移至变焦透镜单元所需位置以及补偿透镜单元406平移至补偿透镜单元的所需位置之后，物体和光学变焦单元102/202的焦平面之间的距离成为L₂。在一些实施方式中，成像传感器的位置是固定的（例如，在设备的壳体上），以致焦平面需要保持在一个固定的位置。焦平面保持在一个固定的位置之条件意味着L₁-L₂=0，这可以表示为：

此处f’_b和f’_c分别是变焦透镜单元404和补偿透镜单元的焦距。M_b和M’_b分别是变焦透镜单元404在初始的变焦透镜单元位置和在最后的变焦透镜单元位置时之放大率；而M_c和M’_c分别是补偿透镜单元406在初始的补偿透镜单元位置和在最后的补偿透镜单元位置时之放大率。

在变焦运动中，变焦透镜单元404的位移是Δη_z，这是最终的变焦透镜单元位置和初始变焦透镜单元位置之间的差别。变焦透镜单元404的位移由下式给出：

同样地，补偿单元406的位移是Δη_c，这是最终的补偿透镜单元的位置和初始的补偿透镜单元的位置之间的差别。补偿透镜单元406的位移由下式给出：

Δη_c＝f'_c(M'_c-M_c) （3）

在一些实施方式中，下列对四透镜单元设计的约束条件存在，包括：（A）变焦透镜单元404不能和补偿透镜单元406碰撞，以及（B）变焦透镜单元404和补偿透镜单元406都不可与沿着光轴的任何反射镜所碰撞。条件（A）和（B），以及一个或多个成像性能的设计要求，就构成了一组条件以及用于设计光学变焦单元102/202的设计参数。

传统的光学变焦是沿着光轴实现的，即沿着由光的入射轴所定义的单一方向（在此不失一般性地定义为z方向）。这并不适合于智能/普通手机相机或其他微型成像装置，因为上述提到的空间设计制约。本发明提供的光学变焦装置将成像光束从z方向反射进入x-y平面内（其中x-，和y-在一个标准的笛卡尔坐标系内是和z方向正交的方向），并由此产生一个折叠的光轴。光学-机械部件和光学透镜/反射镜沿着折叠光轴310被以一个紧凑的方式集成在一个单一的光学变焦单元中（例如，光学变焦单元102/202）。

图4B类似于图4A，根据一些实施方式，差别就是图4B展示了用于沿着光路路径η的光学变焦的三透镜单元设计410。公式（1），（2）和（3）仍然适用于三透镜单元设计410。三透镜单元设计410和四透镜单元设计400在其他方面类似，除了三透镜单元设计410不包括前透镜单元402。

根据一些实施方式，图5展示了一个四透镜单元设计的光学布局500（例如，四透镜单元设计400）。光学布局500中的光学元件被安装在一个光学基面502上。光学布局500包括前透镜单元402和后透镜单元408。在一些实施方式中，前透镜单元402和后透镜单元408处于运作的变焦区域之外（例如，光轴处于x-y平面内的一个区域）。这种布局的好处是它为光学-机械部件的运动提供了额外的空间，有效地允许了更大的预定义变焦范围。在一些实施方式中，前透镜单元402和后透镜单元408处于光学变焦装置之外（例如，在光学变焦单元102/202之外）。

光学布局500包括反射元件504（例如，504-a，504-b，504-c，504-d）。在一些实施方式中，反射部件504-c是可选的，它可以被包括以增加透镜单元404和透镜单元406之间的空间。在一些实施方式中，反射部件504包括任何能够改变光轴方向的光学元件。在一些实施方式中，反射元件504中的一个或多个元件是反射镜。在一些实施方式中，反射元件504中的一个或多个元件是棱镜。在一些实施方式中，反射元件504中的一个或多个元件被连接在一个光学导轨上，可参照图9的后续描述。变焦透镜单元404和补偿透镜单元406被安装在导轨上并沿着光学导轨运动。在一些实施方式中，变焦透镜单元404和补偿透镜单元406沿相同的方向移动。在一些实施方式中，变焦透镜单元404和补偿透镜单元406沿不同的方向移动（例如，相反的方向）。反射元件504-a把入射束从z方向转换至x-y平面。反射元件504-d则在出射束照射到后透镜单元408和成像传感器（未示出）之前将出射束转换回z方向。

根据一些实施方式，图6示出了一个四透镜单元设计的光学布局600（例如，四透镜单元设计400）。光学布局600和光学布局500（如图5所示）类似，不同的是在光学布局600中前透镜单元402和后透镜单元408处于变焦路径之内（例如，在反射元件504-a和反射元件504-d之间），它的好处是减少了在z方向上装置所必需的尺寸，因此，允许更为紧凑的光学部件的安排。

根据一些实施方式，图7展示了一个三透镜单元设计的光学布局700（例如，三透镜单元设计410）。在一些实施方式中，前透镜单元402可被消除（如图所示的光学布局700中）。在这样的实施中，光学变焦装置700的空间尺寸可以在一个或多个方向上被最小化。类似地，尽管未示出，在一些实施方式中，后透镜单元408也可被消除，从而使光学变焦装置700的空间尺寸可以在一个或多个方向上被进一步最小化。

根据一些实施方式，图8示出了一个四透镜单元设计的光学布局800（例如，四透镜单元设计400）。要增加变焦范围，通常需要一个较长的变焦透镜单元404的位移，这也需要一个较长的补偿透镜单元406的位移。在光学布局800中，借助于反射元件504-e和504-f，前透镜单元402和变焦透镜单元404分离，这个基本上是实现光轴沿本来方向折反。例如，在各种实施方式中，反射部件504-e和504-f可以按一个大于90度的值，或一个大于120度的值，或一个大于170度的值，或一个基本上等于180度的值来折叠光轴。同样，借助于反射元件504-g和504-h，后透镜单元408和补偿透镜单元406分离，也用于将光轴基本上沿着本身折反（例如，光轴被一个大于90度，或大于120度，或大于170度，或基本上等于180度的值所折反）。反射元件504-e，504-f，504-g和504-h可用于能更有效地利用光学基面502的面积，从而使变焦透镜单元404和补偿透镜单元406的相对位置可以有更长的相应的位移，以致延长了预定义的变焦范围，同时仍然满足上述约束条件（A）和（B）。

如上所述，在一些实施方式中，透镜单元402，404，406，和408中的任何一个可包括多个透镜。在一些实施方式中，透镜单元402，404，406，和408中的每一个都分别作为一个单一的单元运动。在透镜单元404和406之间的环形箭头代表着机械调节系统，它控制着至少透镜单元404和406的运动，因此，光学变焦。

根据一些实施方式，图9是一个示意性顶视图，它展示了在一个光学变焦单元中（例如，光学变焦单元100/200）使用的示例性的光学变焦装置900。

光学变焦装置900包括一齿轮组902。在一些实施方式中，齿轮组902包括一个单一的齿轮。在一些实施方式中，齿轮组902包括一组复杂的齿轮系列。例如，在一些实施方式中，齿轮组902包括一个或多个对应于变焦透镜单元404的齿轮和一个或多个对应于补偿透镜单元406的齿轮。无论如何，齿轮组902机械式的和一个致动器相耦合（例如，变焦轮106或一个步进电机），从而允许用户在预定义的范围内调节光学变焦。该齿轮组902通过一个或多个第一齿轮组906（例如，齿轮906-a，906-b，和906-c）进一步和变焦透镜运动单元904相耦合，于是，借助于第一传输（例如，齿轮组902和第一齿轮组906），从致动器到变焦透镜运动单元904的耦合就获得了对应于齿轮组902和第一齿轮组906的第一传动比（例如，齿轮比）。变焦透镜运动单元904机械式承载着变焦透镜单元404（图4）。例如，组成变焦透镜单元404的相应的各个透镜就被安装在变焦透镜运动单元904上。

类似地，借助于一个或多个第二齿轮组912（例如，齿轮912-a，912-b，和912-c），齿轮组902也和一个补偿透镜运动单元910相耦合，从而通过第二传输（例如，齿轮组902和第二齿轮组912）从致动器到补偿透镜运动单元910的耦合就具有了对应于齿轮组902和第二齿轮组912的第二传动比（例如，齿轮比）。补偿透镜运动单元910机械式承载着补偿透镜单元406（未示出）。例如，组成补偿透镜单元406的各个透镜被安装在补偿透镜运动单元910上。

在一些实施方式中，变焦透镜运动单元904被安装在一个第一透镜导轨914-a上。第一齿轮组906的一个对应齿轮（例如，齿轮906-c）与变焦透镜运动单元904相啮合，将致动器的旋转运动转化成变焦透镜运动单元904的平移运动，从而实现由等式（2）给出的变焦透镜单元404的位移。图9中未示出第一齿轮组相应的齿轮与变焦透镜运动单元904之间的啮合，但是，参照图11和图12有更详细地描述。

同样地，补偿透镜运动单元910被安装在一个第二透镜导轨914-b上。第二齿轮组的一个对应齿轮（例如，齿轮912-c）与补偿透镜运动单元910相啮合，将致动器的旋转运动转换成补偿透镜运动单元910的平移运动，从而实现由等式（3）给定的补偿透镜单元406的位移。图9中未示出第二齿轮组相应的齿轮与补偿透镜运动单元910间的啮合，但参照图11和图12有更详细地描述。

用另一种方式陈述，第一和第二传动比的选择（例如，第一和第二传动被相应设计）要使致动器的致动造成变焦透镜单元404被移动一个第一量值以及造成补偿透镜单元406被移动一个第二量值，其中变焦透镜单元404的第一量值的位移和补偿透镜单元406的第二量值的位移要使得焦平面的位置保持不变。

在一些实施方式中，变焦透镜运动单元904和补偿透镜运动单元910在基本相同的方向运动（例如，当变焦透镜运动单元904基本上在+y方向上运动时，则补偿透镜运动单元910也基本上在+y方向上运动）。在一些实施方式中，变焦透镜运动单元904和补偿透镜运动单元910在基本不同的方向上运动（例如，当变焦透镜运动单元904基本上在+y方向上运动时，则补偿透镜运动单元910基本上在-y方向上运动。

根据一些实施方式，图10是一个示意性侧视图，其展示了在一个光学变焦单元中（例如，光学变焦单元100/200）所使用的示例性光学变焦装置900。透镜导轨914和第一及第二传动被锚定到光学基面502。该装置是装在光学变焦单元100/200的一个腔体916中。根据一些实施方式，图10还示出了变焦透镜单元404对应于变焦透镜运动单元904的相对位置；及根据一些实施方式，也示出了补偿透镜单元406对应于补偿透镜运动单元910的相对位置。

所描述的示例性光学变焦装置900是为了提供一个机械系统（或系统的一部分）的一种实施，该系统用于光学-机械部件（例如，补偿透镜运动单元910）的致动运动，实施光学-机械部件的致动运动的其他方法对本技术领域的普通技术人员将是显而易见的。

图11是一个透视图，其展示了在第一或第二齿轮组中的一个相应的齿轮（例如，906-c/912-c）和对应的变焦透镜运动单元904或补偿透镜运动单元910之间的一种示例性的机械啮合。在一些实施方式中，通过一种直齿条1102，相应的齿轮被耦合到对应的透镜运动单元，如上所述的，将旋转运动转换为平移运动。在一些实施方式中，直齿条1102被安装在对应的透镜运动单元，这里仅被部分地画出。这种类型的啮合有时被归类为“线性运动”，因为相应的透镜运动单元随着变焦轮（或步进电机）的角位移做线性运动。这种类型的啮合会简化传输系统的机械设计。

图12是另一例机械啮合的透视图，此啮合是在第一或第二齿轮组的一个相应的齿轮（例如，906-c/912-c）和对应的变焦透镜运动单元904或补偿透镜运动单元910之间的。在一些实施方式中，如图所示，相应的齿轮是一个凸轮1202，其中还包括一个伞状齿轮1200。通过相应的透镜运动单元的伞状齿轮1200，各齿轮被耦合到对应的透镜运动单元，借助于凸轮1202及它和一个被连接或集成到透镜导轨914上的机械挡块的相互作用，旋转运动被转换成平移运动。当伞状齿轮1200旋转时，凸轮1202随之旋转。通过沿轨道的机械挡块，相应的镜头运动单元沿着透镜导轨914运动。这种类型的啮合有时也被归类为“非线性运动”，因为相应的透镜运动单元随着变焦轮（或步进电机）的角位移做非线性运动。正如下面所描述的，这种类型的啮合允许更大程度的设计的灵活性。例如，借助一个凸轮机构，非线性运动可以被放大，如参考图14和15的解释。

图13A是变焦透镜运动单元904和补偿透镜运动单元910之间的相对运动的示意图。如图所示，该相对运动可以是在基本相同的方向（1300-a）上，或在基本相反的方向（1300-b）上，取决于设计要求。图13A还示出了用于参照图13B-13D的右手坐标系统（即，坐标系包括一个z轴，未示出，根据右手规则+z方向是“离开纸的方向”）。

图13B-13D示出了用于实现变焦透镜运动单元904和补偿透镜运动单元910之间的相对运动的各种机制，如示意性地示出在图13A中。参考图13A，图13B-13D也显示了右手坐标系统。图13B-13D展示了一个伞状齿轮1302，其被连接到变焦透镜运动单元904或补偿透镜运动单元910中的相应的一个。在一些实施方式中，伞状齿轮1302包括凸轮1202，参考图12描述。

图13B示出了一种机制1304，它在给定了相应齿轮906-c/912-c的旋移方向时，使透镜运动单元向一特定方向运动。图13C示出了另一机制1306，它在给定了相应齿轮906-c/912-c的同一旋移方向时，使透镜运动单元向一相反的特定方向运动。作为一个例子，考虑一个实施中，其中伞状齿轮1302被连接到补偿透镜运动单元910。当机制1304被使用时，变焦轮106在一特定方向上的致动将引起在变焦透镜运动单元904和补偿透镜运动单元910之间的第一相对运动。当机制1306被使用时，变焦轮106在同一特定方向上的致动将导致和第一相对运动基本上相反的第二相对运动（假设其他传动元件保持固定）。图13D显示了一个在齿轮组902和相应的齿轮组906/912之间的传输机构1308的例子，其特征在于，所述齿轮组902和相应的齿轮906/912都是伞状齿轮。

图14A展示了一种用于放大来自于凸轮1202的运动的机制1400。当凸轮1202转动时，它推动滑动杆1404-a。滑动杆1404-a的平移运动通过铰链关节1406-a被传递到另一个滑动杆1404-b，然后通过铰链关节1406-b再被传递到滑动杆1404-c。根据由杠杆支点1408-a所提供的杠杆比率，滑动杆1404-a的平移运动被放大成滑动杆1404-c的平移运动。通过调整杠杆支点1408-a的位置，杠杆比率乃至滑动杆1404-c的平移运动放大率得到调整。

图14B示出了一种用于放大来自于凸轮1202（图12）的运动的运动机制1410。当凸轮1202转动时，它推动滑动杆1404-d。滑动杆1404-d的平移运动通过铰链关节1406-c被传递到滑动杆1404-e；通过铰链关节1406-d，从滑动杆1404-e到滑动杆1404-f；由铰链关节1406-e，从滑动杆1404-f到滑动杆1404-g；然后由一个铰链关节1406-f从滑动杆1404-g到滑动杆1404-h。根据由杠杆支点1408-c和1408-d所提供的相应杠杆比率，滑动杆1404-d的平移运动被放大至滑动杆1404-h的平移运动。在一些实施方式中，更多数目的杠杆支点（例如两个以上）可以结合成一系列。通过调整这些杠杆支点各自的位置，平移运动可以被进一步放大。

图15A是一个透视图，它展示出一个用于放大来自于凸轮1202的运动的机制1500。图15B是相同机制1500的顶视图。在该机制中，凸轮1202位于x-y平面。凸轮1202包括一个具有一预定轮廓的凸轮环1504（例如，轨道形状）。在一些实施方式中，凸轮环1504具有一个预定的轮廓，其是一个在凸轮板的顶部凸起的凸缘。在一些实施方式中，凸轮环1504具有一个预定的轮廓，它可以是一个嵌入式的中空环。一个凸轮载体1506在x-y平面内旋转，旋转被转换为滑动杆1404的平移运动。滑动杆1404，铰链关节1406，及杠杆支承点1408一起和位于x-z平面内的透镜运动单元904/910相耦合。通过调节那些杠杆支承点的各自的位置，平移运动可以被放大，如参照图14A-14B所描述的。

为了说明的目的，前面的描述中参照了特定的实施。然而，上述展示性的讨论不旨在无遗漏或限制所公开的精确形式的实施。根据上述的指导，许多修改和变化都是可能的。那些实施方式被选择和描述是为了最好地解释本公开的原理及其实际应用，从而使本领域的技术人员能够最好地利用各种实施，并以各种修改来匹配预期的特定用途。

将会理解的是，虽然术语“第一”，“第二”等，时时会在本文中使用来描述各种元件，但这些元件不应被这些术语所限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可被称为第一元件，而不改变原文的含义，只要“第一元件”的所有出现被一致性的重新命名和“第二元件”的所有出现被一致性的重新命名。第一元件和第二元件都是元件，但它们是不相同的元件。

在此使用的术语仅是为了描述特定的实施，并不试图在限制权利要求。正如在实施方式的描述和所附的权利要求书中所使用的，单数形式“a”，“an”和“the”也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地另有所指。还应当理解的是，术语“和/或”在本文中是指包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有可能的组合。还将理解的是，当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时，指定所述的特征，整数，操作，元件，和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征，整数，操作，元件，组件，和/或它们的组合存在或相加。

如本文所用，术语“如果”可被解释为“何时”或“然后”或“响应于确定”或“根据确定”或“响应于探测”，所述的先决条件是否真实取决于上下文。类似的，短语“如果确定（所述的先决条件是真实的）”或“如果（所述的先决条件是真实的）”或“当（所述的先决条件是真实的）”可以被理解为“经确定“或”响应于确定“或”根据确定“或”经探测“或”响应于检测“所述的先决条件是真实的，这取决于上下文。

贯穿于前面的描述，各种实施是在智能/普通手机相机的范围内描述的。这纯粹是为了便于说明，并不意味着对随后的权利要求加以限制。所描述的各种实施也可以实施在隐蔽的安全成像系统，微型数码相机，在各种各样的机械和电气设备中嵌入的相机，等等。

Claims (18)

1.一种光学装置，包括：

第一反射元件，所述第一反射元件被配置成将来自第一光轴的光反射至和第一光轴基本垂直的光学平面内；

第一透镜单元，所述第一透镜单元被设置在该光学平面内；

第二透镜单元，所述第二透镜单元被设置在该光学平面内；并且

一个致动器，所述致动器被机械式地耦合到所述第一透镜单元，造成所述第一透镜单元从位于所述光学平面内的第一位置到位于所述光学平面内的第二位置的第一位移，并且所述致动器被机械式地耦合到所述第二透镜单元，造成所述第二透镜单元从位于所述光学平面内的第三位置到位于所述光学平面内的第四位置的第二位移，在此所述第一和第二位移同时发生；

其特征在于，所述第一透镜单元的所述第一位移由所述第二透镜单元的所述第二位移所补偿，使得当所述第一透镜单元在所述第一位置和所述第二透镜单元在所述第三位置时通过的透射光被以第一倍率成像在相应的焦平面上，以及当所述第一透镜单元在所述第二位置和所述第二透镜单元在所述第四位置时通过的透射光被以不同于第一倍率的第二倍率成像在所述相应的焦平面上，从而实现光学变焦效果，并且

所述致动器，通过第一传输以第一传动比被机械地耦合到所述第一透镜单元，并通过第二传输以第二传动比被耦合到所述第二透镜单元，所述第一和第二传动比被设置为导致致动器的致动产生所述第一透镜单元从所述第一位置到所述第二位置的所述第一位移，和所述第二透镜单元从所述第三位置到所述第四位置的所述第二位移。

2.权利要求1的光学装置，还包括：

第二反射元件，所述第二反射元件被配置为将通过所述第一和第二透镜单元的光从所述光学平面内反射至第二光轴，所述第二光轴平行于所述第一光轴。

3.权利要求2的光学装置，所述的相应焦平面垂直于所述第二光轴，该光学装置还包括一个沿着第二光轴设置的成像传感器。

4.权利要求1的光学装置，其特征在于，所述第一反射元件将来自所述第一光轴的光反射至在所述光学平面内的第三光轴；并且

该装置还包括：

第三个反射元件，所述第三个反射元件被配置为将来自所述第三光轴的光反射至在所述光学平面内的第四光轴；及

第四反射元件，所述第四反射元件被配置为将来自所述第四光轴的光反射至在所述光学平面内的第五光轴。

5.权利要求4的光学装置，其特征在于：

所述第一透镜单元被沿着所述第三光轴配置，及所述第二透镜单元被沿着所述第五光轴配置。

6.权利要求1的光学装置，其特征在于，所述第一反射元件将来自所述第一光轴的光反射至在所述光学平面内的第六光轴；以及

该装置还包括：

第三反射元件，被配置为将来自所述第六光轴的光反射至在所述光学平面内的第七光轴。

7.权利要求6的光学装置，其特征在于：

所述第一透镜单元被沿着所述第六光轴配置，及所述第二透镜单元沿着所述第七光轴配置。

8.权利要求1的光学装置，其特征在于，所述装置是集成到移动相机电话的光学变焦单元的一部分。

9.权利要求8的光学装置，其特征在于，所述装置被配置成可被用户拆卸交换的。

10.一种光学装置，包括：

第一反射元件，所述第一反射元件被配置成将来自第一光轴的光反射至和所述第一光轴基本垂直的光学平面内；

第一透镜单元，所述第一透镜单元被设置在所述光学平面内；

第二透镜单元，所述第二透镜单元被设置在所述光学平面内；

一个成像传感器；以及

一个致动器，所述致动器和所述第一透镜单元机械式耦合，产生所述第一透镜单元从位于所述光学平面内的第一位置到位于所述光学平面内的第二位置的第一位移，以及所述致动器和所述成像传感器机械式耦合，产生所述成像传感器从第一焦平面到第二焦平面的第二位移，其特征在于，所述第一和第二位移同时发生；

所述第一透镜单元的所述第一位移由所述成像传感器的所述第二位移来补偿，使得通过在所述第一位置的所述第一透镜单元以及所述第二透镜单元的光以第一倍率在所述第一焦平面成像，和使得通过在所述第二位置的所述第一透镜单元以及所述第二透镜单元的光以不同于第一倍率的第二倍率在所述第二焦平面成像，从而实现光学变焦效果，并且

所述致动器，通过第一传输以第一传动比被机械地耦合到所述第一透镜单元，和通过第二传输以第二传动比被耦合到所述成像传感器，所述第一和第二传动比要使得所述致动器的致动可以产生所述第一透镜单元从所述第一位置到所述第二位置的所述第一位移和所述成像传感器从所述第一焦平面位置到所述第二焦平面位置的所述第二位移。

11.权利要求10的光学装置，还包括：

第二反射元件，所述第二反射元件被配置成将通过位于所述光学平面内的所述第一和第二透镜单元的光反射到第二光轴，所述第二光轴平行于所述第一光轴。

12.权利要求11的光学装置，其特征在于，所述第一和第二焦平面垂直于第二光轴，所述成像传感器被沿着第二光轴设置。

13.权利要求10的光学装置，其特征在于，所述第一反射元件将来自所述第一光轴的光反射至位于所述光学平面内的第三光轴；并且

该装置还包括：

第三反射元件，所述第三反射元件被配置为将来自所述第三光轴的光反射到在所述光学平面内的第四光轴；

第四反射元件，所述第四反射元件被配置为将来自所述第四光轴的光反射至在光学平面内的第五光轴。

14.权利要求13的光学装置，其特征在于，

所述第一透镜单元被沿着所述第三光轴配置，和所述第二透镜单元被沿着第五光轴配置。

15.权利要求10的光学装置，其特征在于，所述第一反射元件将来自所述第一光轴的光反射至在所述光学平面内的第六光轴；并且

该装置还包括：

第三反射元件，所述第三反射元件被配置为将来自所述第六光轴的光反射至在所述光学平面内的第七光轴。

16.权利要求15的光学装置，其特征在于：

所述第一透镜单元被沿着所述第六光轴配置，和所述第二透镜单元被沿着所述第七光轴配置。

17.权利要求10的光学装置，其特征在于，所述装置是集成到移动相机电话的光学变焦单元的一部分。

18.权利要求17的光学装置，其特征在于，装置被配置成可被用户拆卸交换的。