CN106461901A - 微型透镜组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种透镜组件包括固定在透镜镜筒中的至少一对透镜以及最初具有相对于其它透镜的至少一个移动自由度的附加透镜。附加透镜可以相对于其它透镜固定在期望的对准位置中。

Description

微型透镜组件及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年4月10日提交的美国临时专利申请序列号61/977,906的优先权，该专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体涉及透镜组件，并且更具体地涉及在微型照相机和投影仪中使用的微型透镜组件。
背景技术
诸如移动电话和膝上型计算机的各种便携式电子设备使用数字照相机来捕捉照片和视频，并且被预期使用数字投影仪在屏幕上或在物体上显示图片或视频。这些是微型数字照相机，并且包括微型透镜组件，即具有大约0.25英寸或更小的透镜直径的透镜组件，其捕捉光且将其聚焦在CMOS成像器上以捕捉图像。在微型投影仪内部，透镜组件将来自LED阵列的光聚焦到屏幕或物体上。对于较小且更高质量的低成本成像透镜组件的持续需求给光学和机械设计带来相当大的挑战。组件中的微小透镜应该在几微米之内相对于彼此或相对于透镜镜筒对准，以确保良好的图像质量。透镜之间的对准误差导致图像质量的降低。当透镜组件的图像质量不可接受时，透镜组件被拒绝。这导致制造透镜组件时的不期望的良率损失。
为了减小透镜对准误差并提高透镜组件的制造良率，已经设计各种被动的对准方法。
例如，参考图1A和图1B，其分别再现Recco等人的题为“Passively AlignedOptical Elements(被动对准的光学元件)”的美国专利7,088,530的图2和图4。在图1A中，两个透镜L1和L2的对准使用匹配的锥形表面24和34。在图1B中，透镜L1和L3使用透镜镜筒22彼此对准。在该透镜组件中的透镜被紧密地堆叠在透镜镜筒22内至预定位置中，并且不被允许移动。
随着微型照相机的分辨率增加并且对透镜组件的性能要求变得更严格，透镜组件中的透镜的数量通常增加。堆叠起来的光学元件的数量的增加倾向于增加任何对准误差的影响。因此，当组件中透镜的数量增加时，使用现有技术被动对准的透镜组件的制造的良率损失变得更差。
随着透镜组件变得更小，由透镜组件汇集的光量被减少，并且需要较低的焦距比数(f-number)设计。较大的光圈设计放大对透镜对准误差的敏感性，并且使用现有技术被动对准的透镜组件的制造的良率损失变得更差。
透镜的主动对准通常用于高性能的光学系统，在高性能的光学系统中主动对准的成本不是问题。但是，已知的主动对准技术(诸如使用自动准直仪和旋转台来逐个单独地对准透镜)对于微型透镜组件的大批量生产可能是太复杂和昂贵的。
现有技术中存在对制造用在微型照相机和微型投影仪中的透镜组件的低成本方法的需要，所述方法结合了主动对准的性能优点和被动对准的低成本优点。
发明内容
根据本发明，通过本文所描述的透镜组件及其制造方法实现了这些和其它目标和优点。
根据本发明的一个实施例，一种透镜组件包括：多个透镜；被配置为接收并固定地对准透镜的透镜镜筒；以及具有相对于其它透镜的至少一个移动自由度的至少一个附加透镜；其中附加透镜相对于其它透镜能够被固定在期望的对准位置。
根据本发明的另一个实施例，一种透镜组件包括第一多个透镜和被配置成接收和固定地对准第一多个透镜的透镜镜筒。提供了至少一个附加透镜，其具有相对于第一多个透镜的至少一个移动自由度，其中至少一个附加透镜相对于第一多个透镜可固定在期望的对准位置。
根据本发明的另一个实施例，一种制造透镜组件的方法包括下列步骤：提供第一多个透镜，提供透镜镜筒，将第一多个透镜容纳在透镜镜筒中，以及固定地对准透镜镜筒中的第一多个透镜。该方法还包括提供至少一个附加透镜，其具有相对于第一多个透镜的至少一个移动自由度，并且将至少一个附加透镜相对于第一多个透镜固定在期望的对准位置。
根据本发明的另一个实施例，一种透镜组件包括在透镜镜筒内部对准的多个透镜，其中一个可移动透镜被对准，以补偿透镜组件中其它透镜的被动对准的误差或其中的固有缺陷。为了允许这种主动的对准，最初在可移动透镜的周围留下“晃动(rattle)”空间，因此其不被完全地机械约束，并且能够以至少一个对准自由度移动。透镜组件中的其它透镜使用被动对准(诸如但不限于透镜相对于彼此的被动部件对准或透镜相对于透镜镜筒的被动对准)在所有的自由度上被机械约束。
在一个实施例中，可移动透镜具有与光轴正交的两个对准自由度。
在另一个实施例中，可移动透镜具有沿着光轴的一个对准自由度。在另一个实施例中，可移动透镜的可允许的移动足够小，以使得透镜组件的光学性能足够好，从而在可移动透镜被对准之前确定透镜质量。
在另一个实施例中，环氧树脂和附加粘合剂被用来在完成主动对准之后固定可移动透镜。在另一个实施例中，对准机构用来将可移动透镜与透镜镜筒或其它的透镜被动地对准，并且当进行可移动透镜的主动对准时，对准机构能够至少部分地被移除。
在可替代实施例中，可移动透镜具有相对于相邻透镜的光滑界面，从而可移动透镜能够在相邻透镜的表面上滑动，同时透镜之间的尖端、倾斜或间距没有显著的变化。
在另一个实施例中，可移动透镜具有在其外径上的光滑表面，从而可移动透镜能够沿透镜镜筒光轴滑动，同时尖端、倾斜或偏心没有显著的变化。在另一个实施例中，可移动透镜位于透镜镜筒的第一部分的内部，并且剩余的透镜位于透镜镜筒的第二部分的内部，并且透镜镜筒的这两个部分被对准并且然后彼此固定在对准的位置。
用于制造透镜组件的方法的另一个实施例包括下列步骤：将多个透镜装载在透镜镜筒中，留下用于可移动透镜的一些晃动空间，调整可移动透镜的位置以优化透镜组件的光学性能，以及固定可移动透镜的位置。在另一个实施例中，该方法包括被动地对准可移动透镜，以便在主动对准之前测量透镜的质量。
参考例示性附图和如下面阐述的示例性实施例的详细描述将更好地理解本发明。
附图说明
图1A和图1B对应于现有技术美国专利7,088,530的图2和图4。
图2是根据本发明的一个实施例的透镜组件的横截面图。
图3是根据本发明的附加实施例的透镜组件的横截面图。
图4是根据本发明的另一个实施例的透镜组件的横截面图。
图5是根据本发明的又一个实施例的透镜组件的横截面图。
图6是根据本发明的另一个实施例的透镜组件的横截面图。
图7是根据本发明的再一个实施例的透镜组件的横截面图。
图8是根据本发明的附加实施例的透镜组件的横截面图。
图9是根据本发明的另一个实施例的透镜组件的横截面图。
图10是图9的透镜组件的前视图。
图11是用于制造根据本发明的一个实施例的透镜组件的方法的流程图。
图12是用于制造根据本发明的附加实施例的透镜组件的方法的流程图。
具体实施方式
根据本文进一步描述的实施例，提供了各种透镜组件，其可以在包括在例如便携式电子设备诸如移动电话中的微型照相机或微型投影仪中使用。
现在参考附图，其被包括用于图示说明本发明的实施例的目的，并不是用于限制本发明，图2示出根据本发明的一个实施例的透镜组件的横截面图。透镜组件120包括四个透镜L11、L12、L13和L14，三个挡板123、125和127以及被插入透镜镜筒121中的IRCF(红外截止滤光器)129。挡板如图所示被插置在透镜之间。透镜L11、L12、L13和L14由常规的透镜材料诸如玻璃、塑料、光学晶体等制成。挡板123、125和127由常规的挡板材料诸如塑料、布料、纸材等制成。透镜镜筒121由常规的透镜镜筒材料诸如塑料、金属等制成。IRCF 129由具有IR涂料的玻璃、塑料或其它常规材料制成。
IRCF 129在传递可见光的同时滤除红外光，以便改善由CMOS图像传感器(未示出)捕捉的图像的颜色。IRCF 129是透镜镜筒组件的可选部件，并且其存在和位置取决于照相机设计。可替代地，IRCF 129可以用另一种常规的滤光器替换。
透镜镜筒的前部包含在前侧上的孔口122，其用作成像系统的入射光瞳。
透镜L12被定位在透镜镜筒121内部与透镜镜筒121的内边缘103和内表面104接触。透镜L13与透镜L12相邻并通过挡板125与透镜L12分开，并且也与内表面104接触。透镜L4与透镜L13相邻并通过挡板127与透镜L13分开，并且也与内表面104接触。IRCF 129被定位成与透镜L14和内表面104接触。该光学元件叠堆通过连接IRCF 129与透镜镜筒121的环氧树脂109被固定在透镜镜筒内部。
因此，透镜L12、L13和L14通过透镜L12、L13和L14、挡板以及透镜镜筒121之间的物理接触在透镜组件中被动地对准。可替代地，透镜L12、L13和L14可以仅仅通过它们之间的连接而对准。根据所使用的方法以及透镜和透镜镜筒的尺度公差，透镜之间的最终光学对准精度在x、y和z方向上可以是在小于1微米到15微米以上之间。
可移动透镜L11通常被定位在孔口122和透镜L12之间。挡板123分开透镜L11和L12。可移动透镜L11未被透镜镜筒121精确地定位，并且存在允许透镜L11在z方向被移动的间隙101以及允许其在x和y方向被移动的径向间隙102。间隙102允许透镜L11在x和y方向上移动5微米至50微米，并且优选在5微米和25微米之间。间隙101可以可选地被省略。
为了减少诸如像散的某些光学像差，可移动透镜L11可以在x和y方向上被对准，使得其光轴基本上与透镜组件120的光轴O重合。这可以通过在可移动透镜L11的位置被调整时监测透镜组件的离焦(through focus)MTF(调制传递函数)来完成。MTF测量在本领域是已知的，并且通常借助于发出穿过被放置在透镜的图像平面处的掩模的光并且用照相机监测投影图像的清晰度来执行。离焦MTF测量在本领域中也是已知的，并且由在改变透镜组件和掩模之间的间距的同时进行多个MTF测量组成。透镜组件的其它常规光学测量可以用于指导可移动透镜L11的位置的调整，包括但不限于点扩展函数、线扩展函数、清晰度、对比度、亮度、空间频率响应(SFR)、主观质量因数(SQF)以及波前测量。
透镜L12、L13和L14的不对准和透镜自身的缺陷通常将导致透镜组件的光轴O不与透镜L12的光轴精确地重合。图2中示出透镜组件的理想化光轴O。调整透镜L11的对准可以用来完全或部分地补偿这种不对准和缺陷，或者可替代地产生期望的光学效应。
可替代地，由于透镜L11在x和y方向上的移动也影响图像平面倾斜，因此透镜L11的位置可以被调整以便使光轴O与成像器(未示出)的垂线对准，从而整个图像处于更好的对焦。这可以在透镜组件的制造期间或者在透镜组件被安装在照相机中之后实现。
一旦可移动透镜L11在期望的位置被对准，环氧树脂111被用来将其固定在适当位置。如图2中所示，在优选的实施例中，透镜L11具有平坦表面L11A，且透镜L12具有平坦表面L12A，并且两个表面L11A和L12A都与挡板123接触。在可替代的实施例中，挡板123、125和127被省略，从而允许透镜在一个或多个界面处彼此直接接触。透镜之间的挡板和界面被优选地设计以避免允许杂散光到达成像器(未示出)。
图3示出根据本发明的另一个实施例的透镜组件130的横截面图。透镜组件130包括四个透镜L21、L22、L23和L24以及被插入透镜镜筒131中的四个挡板132、133、135和137。挡板如图所示被插置在透镜之间。透镜L21、L22、L23和L24由常规的透镜材料(诸如玻璃、塑料、光学晶体等)制成。挡板133、135和137由常规的镜筒材料(诸如塑料、布料、纸材等)制成。透镜镜筒131由常规的透镜镜筒材料(诸如塑料、金属等)制成。
透镜L24被定位在透镜镜筒131内部并且与透镜镜筒131的后边缘和内表面304接触。透镜L33与透镜L24相邻且通过挡板137与透镜L24分开，并且也与内表面304接触。透镜L22与L23相邻且通过挡板135与透镜L23分开，并且也与内表面304接触。
因此，透镜L22、L23和L24通过透镜L22、L23和L24、挡板以及透镜镜筒131之间的物理接触在透镜组件中被动地对准。可替代地，透镜L22、L23和L24可以仅仅通过它们之间的连接而被对准。根据所使用的方法以及透镜和透镜镜筒的尺度公差，透镜之间的最终光学对准精度在x、y和z方向上可以在小于1微米到15微米以上之间。
可移动透镜L21被定位在透镜L22的前面。挡板133分开透镜L21和L22。可移动透镜L21不被透镜镜筒131精确地定位。挡板133被定位成与透镜镜筒131的内表面304接触，或者通过与透镜L22的前表面上或透镜L21的后表面上的特征部配合来定位。透镜L21的前侧上的前挡板132用作成像系统的入射光瞳，并且可以使用例如粘合剂附接到透镜L21。存在允许透镜L21在z方向上被移动的空间301以及允许其在x和y方向上被移动的径向间隙302。间隙302允许透镜L21在x和y方向移动5微米至50微米，并且优选在5微米和25微米之间。
为了减少诸如像散的某些光学像差，透镜L21可以在x和y方向上被对准，使得其光轴基本上与透镜组件130的光轴O重合。这可以通过在调整透镜L21的位置的同时监测透镜组件的离焦MTF(调制传递函数)来实现。透镜L22、L23和L24的不对准和透镜自身的缺陷通常将导致透镜组件的光轴O不与透镜L22的光轴精确地重合。图3中示出透镜组件的理想化光轴O。调整透镜L21的对准可以用来完全或部分地补偿这种不对准和缺陷，或者可替代地产生期望的光学效应。
可替代地，由于透镜L21在x和y方向上的移动也影响图像平面倾斜，因此可以调整透镜L21的位置以便使光轴O与成像器(未示出)的垂线对准，从而使得整个图像处于更好的对焦。这可以在透镜组件的制造期间或在透镜组件被安装在照相机中之后完成。
一旦透镜L21被对准到期望的位置，则使用环氧树脂311将其相对于透镜L22固定在适当位置。在可替代的实施例中，环氧树脂311可以与透镜镜筒131接触并且将所有的透镜固定在透镜镜筒内部。如图3所示，在优选的实施例中，透镜L21具有平坦表面L21A，且透镜L22具有平坦表面L22A，并且两个表面L21A和L22A都与挡板133接触。在可替代的实施例中，挡板133、135和137被省略，从而允许透镜在一个或多个界面处彼此直接接触。透镜之间的挡板和界面被优选地设计以避免允许杂散光到达成像器(未示出)。
图4示出图3的透镜组件130的横截面图，其具有被添加以填充间隙302的一部分的被动对准环321。被动对准环321优选地由橡胶、塑料、环氧树脂、金属或其它常规材料制成。被动对准环321可以用来将可移动透镜L21被动地对准到一个位置，在该位置处透镜组件的光学性能具有足够的质量以允许MTF测量来确定是否保证可移动透镜L21的更精确对准。在进行初始MTF测量之后以及在可移动透镜L21的主动对准之前，优选地移除被动对准环321。如图3所示，优选地从最终的透镜组件中省略环321。
可替代地，如果MTF测量表明透镜组件满足最终需求，则被动对准环321可以留在适当位置并且仍然存在于最终的透镜组件中。因此，一些透镜组件可以具有如图4所示的被动对准环，并且一些透镜组件可以如图3所示不具有被动对准环。如果被动对准环321被留在透镜组件130上，则其可以优选地使用环氧树脂、焊接或另一种常规的附接方法固定到透镜镜筒131。
图5示出根据本发明的另一个实施例的透镜组件150的横截面图。透镜组件150包括四个透镜L31、L32、L33和L34、IRCF窗159以及被插入透镜镜筒151中的四个挡板152、153、155和157。挡板如图所示被插置在透镜之间。透镜L31、L32、L33和L34由常规的透镜材料(诸如玻璃、塑料、光学晶体等)制成。挡板153、155和157由常规的挡板材料(诸如塑料、布料、纸材等)制成。透镜镜筒151由常规的透镜镜筒材料(诸如塑料、金属等)制成。IRCF窗159由具有IR涂料的玻璃、塑料或其它常规的材料制成。
IRCF窗159在传递可见光的同时滤除红外光，以便改善由CMOS图像传感器(未示出)捕捉的图像的颜色。IRCF窗159是透镜镜筒组件的可选部件，并且其存在和位置取决于照相机设计。可替代地，IRCF窗159可以用另一种常规的滤光器替换。
IRCF窗159被定位在透镜镜筒131内部并且与透镜镜筒131的后边缘和内表面504接触。透镜L34与IRCF窗159和内表面504接触。透镜L33与透镜L34相邻且通过挡板157与透镜L34分开，并且也与内表面504接触。透镜L32与透镜L33相邻且通过挡板155与透镜L33分开，并且也与内表面504接触。
因此，透镜L32、L33和L34通过透镜L32、L33和L34、挡板以及透镜镜筒151之间的物理接触在透镜组件中被动地对准。可替代地，透镜L32、L33和L34可以仅仅通过它们之间的连接而对准。根据所使用的方法以及透镜和透镜镜筒的尺度公差，透镜之间的最终光学对准精度在x、y和z方向上可以是在小于1微米到15微米以上之间。
可移动透镜L31被定位在透镜L32的前面。挡板153分开透镜L31和L32。可移动透镜L31不被定位在透镜镜筒151内。挡板153粘附于透镜L32的前表面或透镜L31的后表面上的特征部或与其配合。透镜L31的前侧上的前挡板152用作成像系统的入射光瞳并且可以使用例如粘合剂附接到透镜L31。可移动透镜131大体上位于透镜镜筒151外面并且在x、y和z方向上自由地移动。
为了减少诸如像散的某些光学像差，透镜L31可以在x和y方向上被对准，从而其光轴基本上与透镜组件150的光轴O重合。这可以通过在调整透镜L31的位置的同时监测透镜组件的离焦MTF(调制传递函数)来实现。透镜L32、L33和L34的不对准和透镜自身的缺陷通常将导致透镜组件的光轴O不与透镜L32的光轴精确地重合。图5中示出透镜组件的理想化光轴O。调整透镜L21的对准可以用来完全或部分地补偿这种不对准和缺陷，或者可替代地产生期望的光学效应。
可替代地，由于透镜L31在x和y方向上的移动也影响图像平面倾斜，因此透镜L31的位置可以被调整以使光轴O与成像器(未示出)的垂线对准，从而使得整个图像处于更好的对焦。这可以在透镜组件的制造期间或在透镜组件被安装在照相机中之后实现。
一旦透镜L31被对准到期望的位置，则使用环氧树脂511将其相对于透镜L32和透镜镜筒151固定在适当位置处并且将所有的透镜固定在透镜镜筒内部。如图5所示，在优选的实施例中，透镜L31具有平坦表面L31A，且透镜L32具有平坦表面L32A，并且两个表面L31A和L32A都与挡板153接触。在可替代的实施例中，挡板153、155和157被省略，从而允许透镜在一个或多个界面处彼此直接接触。透镜之间的挡板和界面被优选地设计以避免允许杂散光到达成像器(未示出)。
图6示出图5中的透镜组件150的横截面图，其具有替代挡板152的透镜盖162。盖162优选地防止杂散光通过透镜131的侧面进入光学系统。如同挡板152那样，透镜盖162可以为成像系统定义入射光瞳。盖162优选地由注模塑料制成，并且通过过盈配合利用粘合剂等附接件附接到透镜131。
图7示出根据本发明的另一个实施例的透镜组件170的横截面图。透镜组件170包括四个透镜L41、L42、L43和L44以及四个挡板172、173、175和177。第一可移动透镜L41和第二可移动透镜L44的位置是可调整的，以便优化透镜组件170的光学性能。第二透镜L42和第三透镜L43被动地对准。挡板如图所示被插置在透镜之间。透镜L41、L42、L43和L44由常规的透镜材料(诸如玻璃、塑料、光学晶体等)制成。挡板173、175和177由常规的挡板材料(诸如塑料、布料、纸材等)制成。透镜镜筒171由常规的透镜镜筒材料(诸如塑料、金属等)制成。
镜筒177被定位在透镜镜筒171内部并且与透镜镜筒171的边缘703和内表面704接触。透镜L43被定位在透镜镜筒171内部并且与挡板177和透镜镜筒171的内表面704接触。透镜L42与透镜L43相邻且通过挡板175与透镜L43分开，并且也与内表面704接触。可选地，环氧树脂712将透镜L42附接到内表面704并且固定透镜L42和L43的位置。
因此，透镜L42和L43通过透镜L42和L43、挡板以及透镜镜筒171之间的物理接触在透镜组件中被动地对准。可替代地，透镜L42和L43可以仅仅通过它们之间的连接而被对准。根据所使用的方法以及透镜和透镜镜筒的尺度公差，透镜L42和L43之间的最终光学对准精度在x、y和z方向上可以是在小于1微米到15微米以上之间。
可移动透镜L41被定位在透镜L42前面。挡板173分开透镜L41和L42。可移动透镜L41被定位在透镜镜筒171中，但是不被精确地定位。径向间隙702允许透镜L41在x和y方向上移动5微米至50微米，并且优选在5微米和25微米之间。挡板173粘附于透镜L42的前表面或透镜L41的后表面，与其上的特征部配合，或者与其上的凹陷特征部对准。
前挡板172使用例如粘合剂附接到可移动透镜L41的前表面。挡板172具有孔口172A，该孔口限定成像系统的入射光瞳。入射光瞳也可以由挡板173或系统中的另一个孔口来形成。存在允许透镜L41在z方向上被移动的空间701。
可移动透镜L44被定位在透镜L43和挡板177后面的透镜镜筒171中，但是不被精确地定位。间隙705分开挡板177和透镜L44，并且允许可移动透镜L44在z方向上被移动以调整其相对于固定透镜L43的间距。通过接触透镜镜筒171的内表面704，透镜L44在x和y方向上的位置以及其围绕x和y轴的倾斜被被动地设定。
在可替代的实施例中，透镜L44和透镜镜筒171之间存在径向间隙，以允许在x和y方向上调整透镜L44的位置和倾斜。
为了减少诸如像散的某些光学像差，透镜L41可以在x和y方向上被对准，从而使得其光轴基本上与透镜组件170的光轴O重合。这可以通过在调整透镜L41的位置的同时监测透镜组件的离焦MTF(调制传递函数)来实现。透镜L42、L43和/或L44的不对准和透镜自身的缺陷通常将导致透镜组件的光轴O不与透镜L42的光轴精确地重合。图7中示出透镜组件的理想化光轴O。调整透镜L41的对准可以被用来完全或部分地补偿这种不对准和缺陷，或者可替代地产生期望的光学效应。
可替代地，由于透镜L41在x和y方向上的移动也影响图像平面倾斜，因此透镜L41的位置可以被调整以便使光轴O与成像器(未示出)的垂线对准，使得整个图像处于更好的对焦。这可以在透镜组件的制造期间或在透镜组件被安装在照相机中之后完成。
一旦透镜L41被对准到期望的位置，则环氧树脂711被用来将其相对于透镜L22固定在适当位置。在可替代的实施例中，环氧树脂711可以与透镜镜筒171接触并且将透镜L41、L42和L43固定在透镜镜筒内部。如图7所示，在优选的实施例中，透镜L41具有平坦表面L41A，且透镜L42具有平坦表面L42A，并且两个表面L41A和L42A都与挡板173接触。在可替代的实施例中，挡板173、175和177被省略，从而允许透镜在一个或多个界面处彼此直接接触。透镜之间的挡板和界面被优选地设计以避免允许杂散光到达成像器(未示出)。
为了减少诸如场曲率的某些光学像差，可移动透镜L44优选地在z方向上被对准，以便设定透镜L43和L44之间的最佳间距。一旦可移动透镜L44在期望的位置被对准，则环氧树脂713被用来将其固定在适当位置。
可替代地，附加透镜和挡板可以被包括在透镜组件中，以实现期望的光学性能，并且少于四个透镜和四个挡板可以被用来降低成本。
在该示例中，透镜L41在x和y方向上的移动强烈地影响图像平面倾斜和像散，而透镜L44在z方向上的移动强烈地影响场曲率。为了确定哪些透镜以及其在什么方向主动地对准，可以对特定的光学设计进行敏感性分析，从而确定哪些透镜对需要校正的像差具有大的贡献。更一般地，通过调整透镜L41和L44的位置可以诱发或校正特定的光学像差，从而获得透镜组件的期望光学性能。
图8示出根据本发明的另一个实施例的透镜组件180的横截面图。透镜组件180包括四个透镜L51、L52、L53和L54以及被插入透镜镜筒181中的三个挡板183、185和187。挡板如图所示被插置在透镜之间。透镜L51、L52、L53和L54由常规的透镜材料(诸如玻璃、塑料、光学晶体等)制成。挡板183、185和187由常规的挡板材料(诸如塑料、布料、纸材等)制成。透镜镜筒181由常规的透镜镜筒材料(诸如塑料、金属等)制成。
透镜L52被定位在透镜镜筒181内部并且与透镜镜筒121的内边缘803和内表面804接触。透镜L53与透镜L52相邻且通过挡板185与透镜L52分开，并且也与内表面804接触。透镜L54与透镜L53相邻且通过挡板187与透镜L53分开，并且也与内表面804接触。光学元件的叠堆通过连接透镜L54与透镜镜筒121的环氧树脂809被固定在透镜镜筒内部。挡板182限定用作成像系统的入射光瞳的孔口。挡板182可选地使用环氧树脂810附接到透镜L51的前部，和/或使用环氧树脂811附接到透镜镜筒181。
因此，透镜L52、L53和L54通过透镜L52、L53和L54、挡板以及透镜镜筒181之间的物理接触在透镜组件中被动地对准。可替代地，透镜L52、L53和L54可以仅仅通过它们之间的连接而被对准。根据所使用的方法以及透镜和透镜镜筒的尺度公差，透镜之间的最终光学对准精度在x、y和z方向上可以是在小于1微米到15微米以上之间。
可移动透镜L51被定位在透镜L52前面。挡板183分开透镜L51和L52。可移动透镜L51没有通过透镜镜筒181被精确地定位，并且存在允许可移动透镜L51在z方向上被移动的间隙801，以及允许其在x和y方向上被移动的径向间隙802。间隙802允许透镜L51在x和y方向上移动5微米至50微米，并且优选地在5微米和25微米之间。透镜L51的位置优选通过挡板182、环氧树脂810和环氧树脂811的组合相对于透镜镜筒181被固定。间隙801或802可以可选地被省略。
为了减少诸如像散的某些光学像差，可移动透镜L51可以在x和y方向上被对准，以使得其光轴基本上与透镜组件180的光轴O重合。这可以通过在调整可移动透镜L51的位置的同时监测透镜组件的离焦MTF(调制传递函数)来实现。透镜组件的其它常规光学测量可以用于指导可移动透镜L51的位置的调整，包括但不限于点扩展函数、线扩展函数、清晰度、对比度、亮度、空间频率响应(SFR)、主观质量因数(SQF)以及波前测量。
透镜L52、L53和L54的不对准和透镜自身的缺陷通常将导致透镜组件的光轴O不与透镜L52的光轴精确地重合。图8中示出透镜组件的理想化光轴O。调整透镜L51的对准可以用来完全或部分地补偿这种不对准和缺陷，或者可替代地产生期望的光学效应。
可替代地，由于透镜L51在x和y方向上的移动也影响图像平面倾斜，因此透镜L51的位置可以被调整以使光轴O与成像器(未示出)的垂线对准，从而整个图像处于更好的对焦。这可以在透镜组件的制造期间或在透镜组件被安装在照相机中之后完成。
在进一步可替代的实施例中，一旦可移动透镜L51在期望的位置被对准，则透镜L51和内表面804之间的环氧树脂(未示出)被用来将其固定在适当位置。如图8所示，在优选的实施例中，透镜L51具有平坦表面L51A，且透镜L52具有平坦表面L52A，并且两个表面L51A和L52A都与挡板183接触。在可替代的实施例中，挡板183、185和187被省略，从而允许透镜在一个或多个界面处彼此直接接触。透镜之间的挡板和界面被优选地设计以避免允许杂散光到达成像器(未示出)。
图9示出根据本发明的实施例的透镜组件的横截面图，其类似于结合图2所描述的透镜组件。透镜组件190包括：五个透镜L61、L62、L63、L64和L65；三个挡板193、195和197；透镜间隔件199；以及被插入透镜镜筒191中的IRCF 194。挡板和透镜间隔件如图所示被插置在透镜之间。透镜L61、L62、L63、L64和L65由常规的透镜材料(诸如玻璃、塑料、光学晶体等)制成。挡板193、195和197由常规的挡板材料(诸如塑料、布料、纸材等)制成。透镜镜筒191由常规的透镜镜筒材料(诸如塑料、金属等)制成。IRCF194由具有IR涂料的玻璃、塑料或其它常规的材料制成。透镜间隔件199由塑料、橡胶、金属等制成。
可移动透镜L61没有通过透镜镜筒191被精确地定位，并且存在允许透镜L61在z方向上被移动的间隙901，以及允许其在x和y方向上被移动的径向间隙902。间隙902允许透镜L61在x和y方向上移动5微米至50微米，并且优选地在5微米和25微米之间。间隙901可以可选地被省略。
透镜镜筒191的前表面优选地包括三个开口192，这些开口允许接近可移动透镜L61，用于执行透镜L61与透镜堆叠L62、L63、L64和L65的主动对准，或者用于将透镜L61的位置固定在期望的位置。透镜L61经由孔洞192被移动到期望的对准位置，并且环氧树脂被插入穿过孔洞192以将透镜L61固定在期望的位置。
图10是图9的透镜组件190的顶视图。为了清楚起见，图9是沿图10的线AA截取的透镜组件190的横截面图。
图11是根据本发明的一个实施例用于制造透镜组件的方法的流程图。在步骤1001中，提供了透镜镜筒和包括至少一个可移动透镜的多个透镜，并且其它的光学元件被插入透镜镜筒中。不可移动的透镜彼此被对准或者相对于透镜镜筒处于固定的位置。
在步骤1002中，被动对准的透镜中的至少一个被固定在适当位置，从而防止在稍后步骤期间的运动。例如，如果由于与透镜镜筒的紧密配合而使被动对准的透镜不能移动，或者通过附加部件(诸如保持器环、IRCF窗、透镜、环氧树脂或其它的光学或机械结构等)将被动对准的透镜保持在适当位置，步骤1002可选地被省略。
在步骤1003中，可移动透镜被暂时地被动对准。这可以通过使用如先前结合图4描述的被动对准环或者借助下降到透镜组件上以使可移动透镜相对于透镜组件的剩余透镜对准的固定装置来实现。步骤1003可选地被省略。
在步骤1004中，测量透镜组件的至少一个光学特性。例如，可以通过发出穿过放置在透镜组件的图像平面处的掩模的光并且借助放置在各个场位置(例如在中心和在80％场的四个角落处)的照相机监测投影图像来执行MTF测量。可替代地，可以通过在改变透镜组件和掩模之间的间距的同时在不同场位置处进行多个MTF测量来执行离焦MTF测量。可以使用透镜组件的图像质量的其它测量值，包括但不限于点扩展函数、线扩展函数、清晰度、对比度、亮度、空间频率响应(SFR)、主观质量因数(SQF)以及波前测量。
在步骤1005中，测量的透镜组件的光学特性与用于合格/不合格判定的初始规范进行比较。如果部件不通过，则其在步骤1010中被拒绝。如果部件合格，则其继续移动到主动对准。该初始规范可以不与透镜组件的最终要求一样严格，但是应该确定透镜组件中的光学元件质量足够好，以保证主动对准的效果。例如，当使用离焦MTF测量时，不同的场位置可以在掩模相对于透镜组件的不同位置处达到峰MTF，如同图像平面倾斜或场曲率的情况那样。此外，切向MTF曲线和矢向MTF曲线在给定的场位置处可以不对准，如同像散的情况那样。
通过使用诸如Zeemax或Code V的程序，本领域技术人员能够确定可移动透镜在透镜组件中的可允许范围内的移动可具有的对离焦MTF曲线的影响。例如，在一个透镜组件中，其中第一透镜在x和y方向上的移动(与光轴正交)显著地影响像散和图像平面倾斜，但是不显著地影响任何离焦MTF曲线的场曲率或峰MTF，则初始规范可以是不管是否不对准都具有针对每个曲线的峰MTF的最小需求，因为可移动透镜在主动对准中的调整将不会实质增加每个离焦曲线的峰MTF。初始规范也可以包括对场曲率的最小需求，因为可移动透镜在主动对准中的调整将不会实质减小场曲率。
在步骤1007中，执行可移动透镜的主动对准。优选地，借助于例如第一夹持器保持可移动透镜，并且借助于例如第二夹持器保持透镜组件中剩余的透镜。第一夹持器位置相对于第二夹持器位置被修改，从而在监测图像质量的同时调整透镜组件中的可移动透镜的位置。一旦发现可移动透镜的期望位置或最佳位置，则将透镜组件的光学特性与最终规范进行比较。如果光学特性不满足最终规范，则在步骤1010中拒绝该透镜组件。如果透镜组件的特性满足最终规范，则在步骤1009中使用例如但不限于在暴露于UV光时硬化的环氧树脂、压敏粘合剂、激光焊接或局部熔化来将可移动透镜固定在适当位置。
在可替代的实施例中，可以通过消除步骤1002、1003、1004和1005来简化图11的方法，从而允许在步骤1001之后进行步骤1007。这些省略在例如已知透镜组件的性能通过采用其它质量控制过程具有足够的质量的情况下是可接受的。
图12是根据本发明的另一个实施例用于透镜组件的方法的流程图。用相同数字标识的步骤具有与结合图11描述的步骤相同的功能。
在步骤1006中，将透镜组件的光学特性与最终规范进行比较以确定是否甚至需要步骤1007中的主动对准。如果在步骤1004中测量的透镜组件的光学特性(诸如图像质量)满足步骤1006中的最终规范，则跳过步骤1007和1008，并且可移动透镜位置在步骤1009中被固定。可替代地，如果可移动透镜的位置已经例如借助先前参考图4描述的被动对准环321被暂时地固定，则可以使用例如但不限于环氧树脂、粘合剂、激光焊接或局部熔化来将透镜组件固定在适当位置。
虽然上面已经描述本公开的各种实施例，但是应当理解，它们已经仅仅以示例的方式被呈现，而不是限制性的。同样，各个图可以描绘本发明的示例结构或者其它构造，这么做有助于理解可包含在本发明中的特征和功能。本公开并不限于所说明的示例结构或者构造，但是应用多种可替代的结构和构造能够实现所需特征。实际上，对本领域技术人员来说，如何能够实现可替代的功能、逻辑或者物理的划分和构造以实现本公开的期望特征是显而易见的。另外，关于流程图、操作的描述和方法权利要求，除非文中另外指出，在本文呈现的步骤的顺序不强制要求各个实施例以相同的顺序实现以执行所述功能。
虽然通过上面各个示例实施例和实施方式描述了本公开，但是应该理解在一个或更多单独的实施例中所描述的各种特征、方面和功能不限于其对于它们所描述的具体实施例的适用性，相反地，可以单独地或以各种组合方式应用到本公开的其它实施例中的一个或多个，而无论这些实施例是否被描述，以及无论这些特征是否被呈现为所描述的实施例的一部分。因此，本发明的宽度和范围不应被上述示例实施例中任何一个所限制，并且本领域技术人员应当理解，在权利要求的范围内可以对先前的说明书进行各种改变和修改。

Claims (30)

1.一种透镜组件，其包括：
第一多个透镜；
透镜镜筒，其被配置为接收并固定地对准所述第一多个透镜；以及
至少一个附加透镜，其具有相对于所述第一多个透镜的至少一个移动自由度；
其中所述至少一个附加透镜相对于所述第一多个透镜能够固定在期望的对准位置。
2.根据权利要求1所述的透镜组件，其中所述透镜镜筒被配置为接收所述至少一个附加透镜，并且在所述透镜镜筒和所述至少一个附加透镜之间限定间隙，从而允许正交于所述透镜组件的光轴的至少一个自由度，以适应所述至少一个附加透镜移动到所述期望位置中。
3.根据权利要求2所述的透镜组件，其中所述至少一个附加透镜能够固定地连接到所述镜筒。
4.根据权利要求2所述的透镜组件，其中所述至少一个附加透镜能够固定地连接到所述第一多个透镜之一。
5.根据权利要求2所述的透镜组件，其还包括至少一个挡板，并且其中所述至少一个附加透镜能够固定地连接到一个挡板。
6.根据权利要求2所述的透镜组件，其中所述间隙允许5至50微米的移动。
7.根据权利要求1所述的透镜组件，其中所述至少一个附加透镜延伸到所述透镜镜筒的一个端部外面。
8.根据权利要求7所述的透镜组件，其中所述至少一个附加透镜能够固定地连接到所述第一多个透镜之一并且连接到所述透镜镜筒。
9.根据权利要求1所述的透镜组件，其中所述至少一个附加透镜在一侧上具有面向所述第一多个透镜中的相邻透镜的平坦表面，并且所述第一多个透镜中的所述相邻透镜在所述侧上具有面向所述至少一个附加透镜的平坦表面。
10.根据权利要求1所述的透镜组件，其中所述至少一个附加透镜是所述透镜组件中距离所述透镜组件的图像平面最远的透镜。
11.根据权利要求1所述的透镜组件，其中所述至少一个附加透镜是所述透镜组件中最靠近所述透镜组件的图像平面的透镜。
12.根据权利要求1所述的透镜组件，其中所述至少一个附加透镜能够沿所述透镜镜筒的光轴移动到所述期望位置。
13.根据权利要求1所述的透镜组件，其中沿所述光轴的所述移动自由度高达100微米。
14.根据权利要求1所述的透镜组件，其中所述至少一个附加透镜能够通过环氧树脂固定在适当位置。
15.根据权利要求1所述的透镜组件，其中所述至少一个附加透镜能够通过焊接固定在适当位置。
16.一种制造透镜组件的方法，其包括以下步骤：
提供第一多个透镜；
提供透镜镜筒；
将所述第一多个透镜接收在所述透镜镜筒中；
在所述透镜镜筒中固定地对准所述第一多个透镜；
提供至少一个附加透镜，所述至少一个附加透镜具有相对于所述第一多个透镜的至少一个移动自由度；以及
将所述至少一个附加透镜相对于所述第一多个透镜固定在期望的对准位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述透镜镜筒被配置为接收所述至少一个附加透镜，并且在所述透镜镜筒和所述至少一个附加透镜之间限定间隙，从而允许正交于所述透镜组件的光轴的至少一个自由度，以适应所述至少一个附加透镜移动到所述期望位置中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述固定的步骤包括将所述至少一个附加透镜固定地连接到所述镜筒。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述固定的步骤包括将所述至少一个附加透镜固定地连接到所述第一多个透镜之一。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述固定的步骤包括提供至少一个挡板并且将所述至少一个附加透镜固定地连接到所述挡板。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述至少一个附加透镜能够移动5至50微米。
22.根据权利要求16所述的方法，其中在被固定时，所述至少一个附加透镜延伸到所述透镜镜筒的一个端部外面。
23.根据权利要求16所述的方法，其中所述固定的步骤包括将所述至少一个附加透镜固定地连接到所述第一多个透镜之一并且连接到所述透镜镜筒。
24.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个附加透镜在一侧上具有面向所述第一多个透镜中的相邻透镜的平坦表面，并且所述第一多个透镜中的所述相邻透镜在所述侧上具有面向所述至少一个附加透镜的平坦表面。
25.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个附加透镜是所述透镜组件中距离所述透镜组件的图像平面最远的透镜。
26.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个附加透镜是所述透镜组件中最靠近所述透镜组件的图像平面的透镜。
27.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个附加透镜能够沿所述透镜镜筒的光轴移动到所述期望位置。
28.根据权利要求16所述的方法，其中所述至少一个附加透镜能够沿所述光轴移动高达100微米。
29.根据权利要求16所述的方法，其中所述固定的步骤包括使用环氧树脂。
30.根据权利要求16所述的方法，其中所述固定的步骤包括焊接。
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