CN107843978A - 变焦距镜头、图像采集装置和镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变焦距镜头、图像采集装置和镜头。变焦距镜头包括第一相位板和第二相位板，第一相位板包括具有彼此不同尺寸的多个第一相位转换元件，第二相位板包括彼此不同尺寸的多个第二相位转换元件，第一相位板和第二相位板沿光轴彼此面对，并在垂直于光轴的方向上相对彼此移动，以在第一相位板和第二相位板之间产生位移，多个第一相位转换元件和多个第二相位转换元件构造成透过第一相位板和第二相位板的光根据第一相位板和第二相位板之间的位移聚焦在光轴的不同位置处。

Description

变焦距镜头、图像采集装置和镜头

技术领域

与本文公开的示例性实施例一致的方法和设备涉及变焦距镜头，更具体地涉及能够以小的厚度以平面形式制造的变焦距镜头，在变焦距镜头中，焦点随着焦距的变化而变化。

背景技术

与小型相机和用于移动装置的相机类似，无反相机和单镜头反光相机被制造成具有更小的尺寸。相应地，需要用于小相机的镜头。至今，用于小相机的大多数镜头被设计为定焦镜头，即具有固定焦距的镜头。然而，由于定焦镜头的视角是固定的，所以难以拍摄各种效果的照片。特别地，小型相机或用于移动装置的相机一般设计成适于特写摄影，并且由此不适于远距离摄影。

具有多个焦距的多焦点镜头或具有可变焦距的变焦镜头广泛用作既从距离被拍摄对象的短距离又从距离被拍摄对象的远距离拍照的镜头。然而，由于变焦镜头通常由多个镜头元件构成，所以使用变焦镜头的相机既长又重。

发明内容

示例性实施例提供了变焦距镜头。

根据示例性实施例的一方面，提供了一种变焦距镜头，包括：第一相位板，第一相位板包括多个第一相位转换元件，多个第一相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸；以及第二相位板，第二相位板包括多个第二相位转换元件，多个第二相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸，其中，第一相位板和第二相位板沿光轴彼此面对，并可在垂直于光轴的方向上相对彼此移动，以在第一相位板和第二相位板之间产生位移，多个第一相位转换元件和多个第二相位转换元件构造成透过第一相位板和第二相位板的光根据第一相位板和第二相位板之间的位移而聚焦在光轴上的不同位置上。

第一相位板还可包括透明的第一基板，多个第一相位转换元件可以设置在第一基板上，第二相位板还可包括透明的第二基板，多个第二相位转换元件可以设置在第二基板上。

多个第一相位转换元件中的每个和多个第二相位转换元件中的每个可包括具有高于第一基板和第二基板的折射率的折射率。

第一基板和第二基板均可具有平板形状，第一相位板和第二相位板可以布置成多个第一相位转换元件和多个第二相位转换元件彼此面对。

第一相位板还可包括填充在多个第一相位转换元件之间的第一介电层，第二相位板还可包括填充在多个第二相位转换元件之间的第二介电层，第一介电层和第二介电层是透明的。

第一介电层的厚度可以大于多个第一相位转换元件的厚度，使得第一介电层完全覆盖多个第一相位转换元件，第二介电层的厚度可以大于多个第二相位转换元件的厚度，使得第二介电层完全覆盖多个第二相位转换元件。

第一相位板和第二相位板可以构造成第一介电层和第二介电层彼此接触。

多个第一相位转换元件中的每个和多个第二相位转换元件中的每个可具有柱形形状。

多个第一相位转换元件可根据多个第一相位转换元件在第一相位板上的位置而具有彼此不同的直径，使得透过第一相位板的光的相位根据多个第一相位转换元件在第一相位板上的位置而不同地变化，多个第二相位转换元件可根据多个第二相位转换元件在第二相位板上的位置而具有彼此不同的直径，使得透过第二相位板的光的相位根据多个第二相位转换元件在第二相位板上的位置而不同地变化。

多个第一相位转换元件的直径和第二相位转换元件的直径可以被确定为透过第一相位板和第二相位板的光的相位满足Alvarez-Lohmann条件。

多个第二相位转换元件的布置可以与第一相位转换元件的布置镜像对称。

第一相位板和第二相位板可以在垂直于多个第一相位转换元件和多个第二相位转换元件之间的对称轴的方向上相对彼此移动。

多个第一相位转换元件的厚度可以等于多个第二相位转换元件的厚度。

变焦距镜头还可包括：第三相位板，其包括多个第三相位转换元件，多个第三相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸；以及第四相位板，其包括多个第四相位转换元件，多个第四相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸，其中，多个第一相位转换元件和多个第二相位转换元件可构造成第一相位板和第二相位板共同地充当第一镜头元件，多个第三相位转换元件和多个第四相位转换元件可构造成第三相位板和第四相位板共同地充当第二镜头元件。

第一相位板、第二相位板、第三相位板和第四相位板可以沿光轴相继地设置，第三相位板和第四相位板可以在垂直于光轴的方向上相对彼此移动，以在第三相位板和第四相位板之间产生位移，多个第三相位元件和多个第四相位元件可以构造成透过第三相位板和第四相位板的光根据第三相位板和第四相位板之间的位移聚焦在光轴上的不同位置上。

多个第三相位转换元件的每个和多个第四相位转换元件中的每个可具有柱形形状，多个第三相位转换元件可根据第三相位转换元件在第三相位板上的位置而具有彼此不同的直径，使得透过第三相位板上的第三相位转换元件中的每个的光的相位根据第三相位转换元件在第三相位板上的位置而彼此不同地变化，多个第四相位转换元件可根据第四相位转换元件在第四相位板上的位置而具有彼此不同的直径，使得透过第四相位板上的第四相位转换元件中的每个的光的相位根据第四相位转换元件在第四相位板上的位置而变化。

第一相位板可包括设置有多个第一相位转换元件的第一区域和设置有多个第二相位转换元件的第二区域，第二相位板可包括设置有多个第二相位转换元件的第三区域和设置有多个第二相位转换元件的第四区域。

第一相位板和第二相位板可构造成第一区域和第三区域彼此面对，第二区域和第四区域彼此面对。

多个第一相位转换元件和多个第二相位转换元件可构造成第一区域和第二区域共同地充当第一镜头元件，第三区域和第四区域共同地充当第二镜头元件。

多个第一相位转换元件在第一区域中的布置和多个第一相位转换元件在第二区域中的布置可以彼此相同，多个第二相位转换元件在第三区域中的布置和多个第二相位转换元件在第四区域中的布置可以彼此相同。

第一镜头元件和第二镜头元件可在第一相位板和第二相位板之间的一定位移处具有彼此相同的焦距。

多个第一相位转换元件在第一区域中的布置和多个第一相位转换元件在第二区域中的布置可以彼此不同，多个第二相位转换元件在第三区域中的布置和多个第二相位转换元件在第四区域中的布置可以彼此不同。

第一镜头元件和第二镜头元件可在第三相位板和第四相位板之间的一定位移处具有彼此不同的焦距。

根据另一示例性实施例的一方面，提供了一种图像采集装置，包括：变焦距镜头，其包括：第一相位板，第一相位板包括多个第一相位转换元件，多个第一相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸；以及第二相位板，第二相位板包括多个第二相位转换元件，多个第二相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸；致动器，构造成移动第一相位板和第二相位板以在第一相位板和第二相位板之间产生位移；控制器，构造成控制致动器；以及图像拾取装置，其中，第一相位板和第二相位板可沿光轴彼此面对，并可在垂直于光轴的方向上相对彼此移动，以产生位移，多个第一相位转换元件和多个第二相位转换元件可布置成透过第一相位板和第二相位板的光根据第一相位板和第二相位板之间的位移聚集在光轴上的不同位置上。

图像采集装置还可包括至少一个光学镜头元件。

额外方面在下面的说明中部分地阐述，并且从该说明中是明显的，或者可以通过实施所呈现的实施例来学习到。

附图说明

结合附图，上面和/或其它方面从下面对示例性实施例的描述中变得明显和更易明白，附图中：

图1是根据示例性实施例的变焦距镜头的截面图；

图2是图1所示变焦距镜头的相位板的透视图；

图3是示出布置在相位板中的相位转换元件之一的直径与透过光的相位变化之间的关系的表；

图4A是根据示例性实施例，示出第一相位板的多个第一相位转换元件的布置的平面图；

图4B是根据示例性实施例，示出第二相位板的多个第二相位转换元件的布置的平面图；

图5A、5B和5C是分别示出当第一相位板和第二相位板之间的位移为0.6mm时，透过第一相位板的透过光的相位图、透过第二相位板的透过光的相位图和从变焦距镜头输出的透过光的合成相位图的图表；

图6A、6B和6C是分别示出当第一相位板和第二相位板之间的位移为0.3mm时，透过第一相位板的透过光的相位图、透过第二相位板的透过光的相位图和从变焦距镜头输出的透过光的合成相位图的图表；

图7A、7B和7C是分别示出当第一相位板和第二相位板之间的位移为0mm时，透过第一相位板的透过光的相位图、透过第二相位板的透过光的相位图和从变焦距镜头输出的透过光的合成相位图的图表；

图8A、8B和8C是分别示出当第一相位板和第二相位板之间的位移为-0.3mm时，透过第一相位板的透过光的相位图、透过第二相位板的透过光的相位图和从变焦距镜头输出的透过光的合成相位图的图表；

图9A、9B和9C是分别示出当第一相位板和第二相位板之间的位移为-0.6mm时，透过第一相位板的透过光的相位图、透过第二相位板的透过光的相位图和从变焦距镜头输出的透过光的合成相位图的图表

图10是示出第一相位板和第二相位板之间的位移与变焦距镜头的焦距之间的关系的图表；

图11是示出第一相位板和第二相位板之间的位移与变焦距镜头的折射力之间的关系的图表；

图12是根据另一示例性实施例的变焦距镜头的截面图；

图13是根据另一示例性实施例的变焦距镜头的截面图；

图14A、14B和14C是示意性地示出根据另一示例性实施例的变焦距镜头的构造的平面图；以及

图15是根据示例性实施例的图像采集装置的示意图。

具体实施方式

在下文中，参考附图，详细地描述平面变焦距镜头。在文中，相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中，为了清楚和便于解释，元件的尺寸被扩大。下述实施例仅是示例性的，对示例性实施例的各种改造是可能的。在下述层状结构中，诸如“上方”或“在…上”的表述不仅包括“以接触方式直接在….上/下/左/右”的含义，而且还包括“以非接触方式在….上/下/左/右”的含义。

图1是根据示例性实施例的变焦距镜头100的截面图。参见图1，变根据示例性实施例的焦距镜头100可包括第一相位板110和第二相位板120，它们沿光轴OX彼此面对地布置，并构造成在垂直于光轴OX的方向上相对彼此移动。第一相位板110可包括透明的第一基板111和多个第一相位转换元件112，多个第一相位转换元件二维地布置在第一基板111的面向第二相位板120的一个表面上。第二相位板120可包括透明的第二基板121和多个第二相位转换元件122，多个第二相位转换元件二维地布置在第二基板121的面向第一相位板110的一个表面上。即，第一相位板110和第二相位板120可以布置成第一相位转换元件112和第二相位转换元件122彼此面对。第一相位转换元件112和第二相位转换元件122不彼此接触，使得当第一相位板110和第二相位板120相对彼此移动时不会发生损坏。根据示例性实施例，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122可以彼此分隔开一距离g。

第一相位转换元件112和第二相位转换元件122可以分别突出到第一基板111的表面和第二基板121的表面上方。图2是图1所示变焦距镜头100的第一相位板110的示例性透视图。如图2所示，第一相位转换元件112可以二维地布置在第一基板111上，以形成预定图案。第一相位转换元件112中的每个可具有例如柱形形状。第二相位转换元件122中的每个也可具有柱形形状。然而，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的形状不必一定是柱形的。第一相位转换元件112和第二相位转换元件122可以使用通用半导体图案化工艺来形成，但是不限于此，还可以使用许多其它类型的工艺来形成。例如，在分别将第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的材料层堆叠在第一基板111和第二基板121的表面上之后，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122可以通过使用光刻工艺或本领域技术人员已知的一些其它类型的工艺图案化材料层而简单地形成。

第一基板111和第二基板121可包括例如透明玻璃板、透明塑料材料或其组合。第一相位转换元件112和第二相位转换元件122可包括具有比第一基板111和第二基板121的折射率更大的折射率。例如，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122可包括高折射率材料，比如锗(Ge)、非晶硅(a-Si)、多晶硅(p-Si)、单晶硅(c-Si)、第III-V族化合物、TiO₂或SiNx，但是不限于此。例如，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的折射率在可见光波长下可以大于3.5，包括但不限于UV、可见或红外。当然，应理解，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的折射率还可以等于或小于3.5。

当入射光穿过具有高折射率的第一相位转换元件112和第二相位转换元件122时，入射光的相位通过第一相位转换元件112和第二相位转换元件122延迟，透过第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的透过光的相位与入射光的相位不同。入射光的相位的改变程度可以根据第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的尺寸和厚度t来确定。如果第一相位转换元件112和第二相位转换元件122是例如圆柱形的，则透过光的相位根据第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的直径和厚度t变化。

例如，图3是示出分别布置在第一相位板110和第二相位板120中的第一相位转换元件112和第二相位转换元件122之一的直径与透过光的相位变化之间的关系的图表。在图3的图表中，假设第一相位转换元件112和第二相位转换元件122均包括具有600nm的晶格常数的非晶硅，并具有750nm的厚度。然而，示例性实施例不限于此。例如，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122可包括与非晶硅不同或除了非晶硅之外的材料，并可具有大于或小于600nm的晶格常数和大于或小于750nm的厚度。参见图3，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的直径与相位变化不是线性相关的，而是非线性相关的。如图3所示，相位变化随着第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的直径的增加而增加。

相应地，当第一相位转换元件122和第二相位转换元件122中的至少一些具有不同尺寸或不同厚度时，透过第一相位板110和第二相位板120的透过光可根据第一相位转换元件122和第二相位转换元件122在第一相位板110和第二相位板120上的位置而具有不同相位。即，透过光的相位根据第一相位转换元件122和第二相位转换元件122在第一相位板110和第二相位板120上的位置而局部地变化。通过恰当地布置具有不同尺寸或不同厚度的第一相位转换元件112和第二相位转换元件122，可根据需要控制透过第一相位板110和第二相位板120的透过光的波前。例如，根据第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的布置，第一相位板110和第二相位板120可用作折射光学元件，比如透镜。除了透镜或者代替透镜，第一相位板110和第二相位板120还可用作其它类型的光学元件。

根据本示例性实施例，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的布置可以设计成透过光的相位特性具有满足Alvarez-Lohmann透镜条件的三次函数，第一相位板110和第二相位板120可彼此面对地布置。在该构造中，当第一相位板110和第二相位板120在垂直于光轴OX的方向上相对彼此移位，变焦距镜头100的总相位变化(由第一相位板110和第二相位板120的组合导致)根据第一相位板110和第二相位板120之间的相对位移而改变。例如，变焦距镜头100的折射力可以根据第一相位板110和第二相位板120的相对位移和位移方向而改变，使得变焦距镜头100的焦距改变。为了实现该特征，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122可以布置成透过第一相位板110和第二相位板120的光根据第一相位板110和第二相位板120之间的位移而聚焦在光轴OX的不同位置上。

例如，图4A是根据示例性实施例，示出第一相位板110的多个第一相位转换元件112的布置的平面图，图4B是根据示例性实施例，示出第二相位板120的多个第二相位转换元件122的布置的平面图。参见图4A和4B，多个第一相位转换元件112根据它们在第一相位板110上的位置而具有不同直径，使得透过第一相位板110的光的相位根据多个第一相位转换元件112在第一相位板110上的位置而不同地变化。类似地，多个第二相位转换元件122根据它们在第二相位板120上的位置而具有不同直径，使得透过第二相位板120的光的相位根据多个第二相位转换元件122在第二相位板120上的位置而不同地变化。第一相位转换元件112的直径在图4A中说明性地示出，第二相位转换元件122的直径在图4B中说明性示出。多个第一相位转换元件112的取决于它们在第一相位板110上的位置的直径以及多个第二相位转换元件122的取决于它们在第二相位板120上的位置的直径可以选择成使得透过第一相位板110和第二相位板120的光的相位满足方程式1所示的Alvarez-Lohmann条件。

方程式1

在方程式1中，Φ表示透过光的相位变化，x和y表示当变焦距镜头100的中心位于坐标系的原点时的坐标，A、D和E表示任意常数。

当确定了第一相位板110和第二相位板120的每个的位置处的相位变化Φ时，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122在第一相位板110和第二相位板120的相应位置处的直径可以基于第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的直径与透过光的相位变化之间的关系而确定，如图3所示。透过光的相位变化可以受到第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的厚度的影响。然而，当第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的厚度彼此不同时，制造第一相位板110和第二相位板120的工艺是复杂的，由此，在图4A和4B的示例性实施例中，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的厚度固定为750nm。应理解，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的厚度不限于固定为750nm，还可替代地固定为许多其它厚度。

在图4A的示例性实施例中，多个第一相位转换元件112设计成基于第一相位板110的水平中心线是对称的。类似地，在图4B的示例性实施例中，多个第二相位转换元件122设计成基于第二相位板120的水平中心线是对称的。第一相位板110的第一相位转换元件112的布置和第二相位板120的第二相位转换元件122的布置在水平方向上关于彼此镜像对称。相应地，由于第一相位板110的相位变化和由于第二相位板120的相位变化正好相反。在该情况下，第一相位板110和第二相位板120可以在垂直于第一相位转换元件112和第二相位转换元件122之间的对称轴的方向上移位，即在水平方向上移位。应理解，第一相位板110和第二相位板120不限于在垂直于对称轴的方向上移位，可根据设计考虑替代地关于对称轴线以各种角度移位。

图5A、5B和5C是当第一相位板110和第二相位板120之间的位移为0.6mm时，分别示出透过第一相位板110的透过光的相位图、透过第二相位板120的透过光的相位图和从变焦距镜头100输出的透过光的合成相位图的图表。在图5A至5C的示例中，假设第一相位转换元件112和第二相位转换元件122分别具有图4A所示布置和图4B所示布置。还假设第一基板111和第二基板121包括玻璃，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122包括非晶硅(a-Si)。还假设第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的高度为750nm，入射光是具有850nm波长的红外光。在图5A-5C的图表中，横轴表示位移，横轴的单位是mm，竖轴表示相位，竖轴的单位是千弧度。应理解，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122的高度不限于750nm，并可替代地大于或小于750nm。还应理解，入射光不限于具有850nm波长的红外光，而是可替代地是具有大于或小于850nm波长的光(例如可见光、紫外线等)。

根据示例性实施例，术语位移代表第一相位板110和第二相位板120之间的相对偏移距离。当第一相位板110相对于第二相位板120向右移动时，移动方向表示为正(+)方向，当第一相位板110相对于第二相位板120向左移动时，移动方向表示为负(—)方向。参见图5A和5B，透过第一相位板110的透过光的相位图和透过第二相位板120的透过光的相位图关于彼此对称，如上所述。透过第一相位板110的透过光的相位图从透过第二相位板120的透过光的相位图向右偏移0.6mm。那么，通过组合第一相位板110的相位图和第二相位板120的相位图得到的变焦距镜头100的合成相位图具有指示正折射力的凸形，如图5C所示。因此，在该情况下，变焦距镜头100可用作具有约25mm焦距的凸透镜。

图6A、6B和6C是当第一相位板110和第二相位板120之间的位移为0.3mm时，分别示出透过第一相位板110的透过光的相位图、透过第二相位板120的透过光的相位图和从变焦距镜头100输出的透过光的合成相位图的图表。如图6A至6C所示，当透过第一相位板110的透过光的相位图和透过第二相位板120的透过光的相位图逐渐更靠近彼此移动时，变焦距镜头100的折射力变得越来越小。例如，变焦距100可用作具有约50mm焦距的凸透镜。

图7A、7B和7C是当第一相位板110和第二相位板120之间的位移为0mm时，分别示出透过第一相位板110的透过光的相位图、透过第二相位板120的透过光的相位图和从变焦距镜头100输出的透过光的合成相位图的图表。当第一相位板110和第二相位板120完全彼此重叠时，由第一相位板110的相位变化和由第二相位板120的相位变化彼此抵消。那么，如图7C所示，变焦距镜头100的折射力变为零，像平板一样。在该情况下，变焦距镜头100的焦距为无限长(∞)。

图8A、8B和8C是当第一相位板110和第二相位板120之间的位移为-0.3mm时，分别示出透过第一相位板110的透过光的相位图、透过第二相位板120的透过光的相位图和从变焦距镜头100输出的透过光的合成相位图的图表。参见图8A和8B，当位移是负的时，第一相位板110的相位图位于第二相位板120的相位图的左侧。在该情况下，如图8C所示，变焦距镜头100的合成相位图具有指示负折射力的凹形。因此，在该情况下，变焦距镜头100可用作具有-50mm焦距的凹透镜。

图9A、9B和9C是当第一相位板110和第二相位板120之间的位移为-0.6mm时，分别示出透过第一相位板110的透过光的相位图、透过第二相位板120的透过光的相位图和从变焦距镜头100输出的透过光的合成相位图的图表。如图9A至9C所示，当第一相位板110更向左移动，变焦距镜头100的负折射力可逐渐增加。例如，变焦距镜头100可用作具有约-25mm焦距的凹透镜。

如上所述，取决于第一相位板110和第二相位板120之间的相对位移，变焦距镜头100的折射力和焦距可以改变。例如，图10是示出第一相位板110和第二相位板120之间的位移与变焦距镜头100的焦距之间的关系的图表。参见图10，在正位移范围中，变焦距镜头100用作凸透镜。因此，当位移增加时，焦距减小，当位移减小时，焦距增加。特别地，当位移为零时，焦距是无限的。在负位移范围中，变焦距镜头100用作凹透镜。因此，当位移增加时，焦距减小，当位移减小时，焦距增加。图11是示出第一相位板110和第二相位板120之间的位移与变焦距镜头100的折射力之间的关系的图表。如图11所示，应理解，变焦距镜头100的折射力相对于位移具有线性比例关系。例如，当位移为0时，变焦距镜头100具有折射力0，当位移增加或减小时，变焦距镜头100的折射率也与该位移成比例地增加或减小。

根据本示例性实施例的变焦距镜头100可以平面形状形成，由此可以具有小厚度。例如，变焦距镜头100可以具有几μm至几mm的小厚度，但是不限于此，可具有大于或小于几μm至几mm的厚度。因此，变焦距镜头100可给小型相机或用于移动装置的相机提供变焦功能。此外，由于根据本示例性实施例的变焦距镜头100可以由图案化方法使用光刻工艺来制造，不需要用于形成光学镜头元件的复杂弯曲表面的复杂处理步骤。相应地，变焦距镜头100可以容易地制造，并且可以减小由加工误差导致的质量恶化，由此，图像质量得以改进。应理解，变焦距镜头100不限于通过使用光刻工艺来制造，还可以使用除光刻工艺之外的其它工艺或者与光刻工艺组合的其它工艺来制造。

图12是根据另一示例性实施例的变焦距镜头200的截面图。参见图12，变焦距镜头200还可包括第一介电层113和第二介电层123，它们是透明的，并围绕和保护第一相位转换元件112和第二相位转换元件122。例如，第一相位板110可包括填充在多个第一相位转换元件112之间的第一介电层113，第二相位板120可包括填充在多个第二相位转换元件122之间的第二介电层123。第一介电层113和第二介电层123可包括诸如玻璃上的基于硅氧烷旋转(SOG)、透明聚合物材料、SiO₂等。第一和第二介电层113和123可以由许多不同类型的材料制成，如本领域技术人员所理解的。

为了充分地保护第一相位转换元件112和第二相位转换元件122，第一介电层113的厚度可以大于第一相位转换元件112的厚度，以完全覆盖第一相位转换元件112，第二介电层123的厚度可以大于第二相位转换元件122的厚度，以完全覆盖第二相位转换元件122。在该情况下，当第一相位板110和第二相位板120相对移动时，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122不会受损。相应地，如图12所示，第一相位板110和第二相位板120可以布置成使得第一介电层113和第二介电层123彼此接触。应理解，第一相位板110的表面仅部分地接触第二相位板120的表面(例如接触第二相位板的表面的一部分)，或者可完全接触第二相位板120的整个表面。

图13是根据另一示例性实施例的变焦距镜头300的截面图。参见图13，除了第一相位板110和第二相位板120，变焦距镜头300还可包括第三相位板130和第四相位板140。例如，第一相位板110、第二相位板120、第三相位板130和第四相位板140可以沿光轴相继地布置。第三相位板130可包括第三基底131、具有不同尺寸的多个第三相位转换元件132和第三介电层133。第四相位板140可包括第四基板141、具有不同尺寸的多个第四相位转换元件142和第四介电层143。

多个第一相位转换元件112和多个第二相位转换元件122可以布置成使得一对第一相位板110和第二相位板120充当第一镜头元件。多个第三相位转换元件132和多个第四相位转换元件142可以布置成使得一对第三相位板130和第四相位板140充当第二镜头元件。第一相位板110和第二相位板120可以构造成在垂直于光轴的方向上相对彼此移动，第三相位板130和第四相位板140可以构造成在垂直于光轴的方向上相对彼此移动。第一相位转换元件112和第二相位转换元件122可以布置成使得透过第一相位板110和第二相位板120的光根据第一相位板110和第二相位板120之间的位移聚焦在光轴的不同位置上。第三相位转换元件132和第四相位转换元件142可以布置成使得透过第三相位板130和第四相位板140的光根据第三相位板130和第四相位板140之间的位移聚焦在光轴的不同位置上。相应地，变焦距镜头300的焦距可以根据第一相位板110和第二相位板120之间的相对位移以及第三相位板130和第四相位板140之间的相对位移改变。

如上关于图2和3所述，第一至第四相位转换元件112、122、132和142可具有柱形形状，但是不限于此，还可具有许多其它形状。第一至第四相位转换元件112、122、132和142可根据在第一至第四相位板110、130、130和140上的位置而分别具有不同直径，使得透过第一至第四相位板110、120、130和140的光的相位根据第一至第四相位板110、120、130和140上的位置而不同的变化。在该情况下，第一相位转换元件112的布置和第二相位转换元件122的布置可以在水平方向上相对于彼此镜像对称，第三相位转换元件132的布置和第四相位转换元件142的布置可以在水平方向上相对于彼此镜像对称。

在根据本示例性实施例的变焦距镜头300中，包括一对第一相位板110和第二相位板120的第一镜头元件以及包括一对第三相位板130和第四相位板140的第二镜头元件可以设计成彼此具有不同光学特性。例如，当第一相位板110和第二相位板120之间的位移等于第三相位板130和第四相位板140之间的位移时，第一镜头元件可具有正折射力，第二镜头元件可具有负折射力，或者第一镜头元件可具有负折射力，第二镜头元件可具有正折射力。替代地，第一相位板110和第二相位板120之间的位移以及第三相位板130和第四相位板140之间的位移可以被独立地驱动，以任意地选择第一镜头元件和第二镜头元件的折射力。尽管在图13中变焦距镜头300显示为具有两个相位板对110、120、130和140，但是不限于此，并可具有三个或更多个相位板对。

根据本示例性实施例的变焦距镜头300可积累由第一至第四相位板110至140导致的相位变化以获得更大的折射力变化效果，即使在小位移的情况下也如此。此外，变焦距镜头300可充当具有多个镜头元件的变焦镜头。第三相位板130和第四相位板140可以相对于第一相位板110和第二相位板120在光轴的方向上移动。即，通过改变包括第一相位板110和第二相位板120的第一镜头元件与包括第三相位板130和第四相位板140的第二镜头元件之间的光轴方向上的距离而调节聚焦。

图14A、14B和14C是示意性示出根据另一示例性实施例的变焦距镜头400的构造的平面图。参见图14A，变焦距镜头400可包括多个区域400a、400b、400c和400d，第一相位转换元件112和第二相位转换元件122局部地布置在这些区域中。第一相位转换元件112和第二相位转换元件122布置在仅多个区域400a、400b、400c和400d。多个区域400a、400b、400c和400d可以规则地二维布置。因此，变焦距镜头400可充当透镜阵列，多个镜头元件二维地布置在透镜阵列中。

参见图14B和14C，变焦距镜头400可包括第一相位板410和第二相位板420。第一相位板410可包括二维布置的第一至第四区域410a、410b、410c和410d，第一相位转换元件112可局部地布置在仅第一至第四区域410a、410b、410c和410d中。第二相位板420可包括第五至第八区域420a、420b、420c和420d，第二相位转换元件122可以局部地布置在仅第五至第八区域420a、420b、420c和420d中。第一相位板410和第二相位板420可以布置成第一至第四区域410a至410d分别面对第五至第八区域420a至420d。例如，第一相位板410和第二相位板420可以布置成第一区域410a和第五区域420a彼此面对，第二区域410b和第六区域420b彼此面对，第三区域410c和第七区域420c彼此面对，第四区域410d和第八区域420d彼此面对。

因此，一对第一区域410a和第五区域420a可充当第一镜头元件，一对第二区域410b和第六区域420b可充当第二镜头元件，一对第三区域410c和第七区域420c可充当第三镜头元件，一对第四区域410d和第八区域420d可充当第四镜头元件。第一相位转换元件112在第一至第四区域410a、410b、410c和410d中的布置可以设计成彼此相同，第二相位转换元件122在第五至第八区域420a、420b、420c和420d中的布置可以设计成彼此相同，使得第一至第四镜头元件具有相同的光学特性。替代地，第一相位转换元件112在第一至第四区域410a、410b、410c和410d中的布置可以设计成彼此不同，第二相位转换元件122在第五至第八区域420a、420b、420c和420d中的布置可以设计成彼此不同，使得第一至第四镜头元件具有不同的光学特性。在该情况下，第一至第四镜头元件在第一相位板410和第二相位板420之间的一定位移处可具有不同焦距。

上述变焦距镜头100、200、300和400可以用在图像采集装置中，比如小型相机或用于移动装置的相机。例如，图15是根据示例性实施例的图像采集设备500的示意图。参见图15，图像采集装置500还可包括变焦距镜头200、用于移动变焦距镜头200的第一相位板110的第一致动器531、用于移动变焦距镜头200的第二相位板120的第二致动器532、通过驱动第一致动器531和第二致动器532来控制第一相位板110和第二相位板120之间的位移的控制器520以及具有感光的多个像素的图像拾取装置510。

尽管图12所示变焦距镜头200在图15中以示例方式示出，但是图像采集装置500可包括其它变焦距镜头100、300或400，或者其一些组合。此外，第一致动器531和第二致动器532之一可以在图15中省略。换言之，第一相位板110和第二相位板120两者可以通过使用第一致动器531和第二致动器532两者而移位，或者第一相位板110和第二相位板120中仅一个可通过使用第一致动器531和第二致动器532中的仅一个移位。第一致动器531和第二致动器532可以是使用静电力或磁力的电装置，或者可以是机械装置。控制单元520可根据预编程程序或用户选择计算出位移以获得变焦距镜头200的期望焦距，并可控制第一致动器531和第二致动器532以通过计算的位移移动第一相位板110和第二相位板120。应理解，示例性实施例不限于使用第一致动器531和第二致动器532，并可替代地使用代替第一致动器531和第二致动器532或除此之外的许多其它类型的装置，以移位第一相位板110和第二相位板120。

此外，图像采集装置500可使用仅变焦距镜头200，或者还可包括额外的光学镜头元件550。尽管仅一个光学镜头元件550在图15中以示例方式示出，但是图像采集装置500可以许多不同组合使用两个或更多个光学镜头元件550与变焦距镜头200一起。额外地，本领域技术人员已知的许多其它光学元件(例如分束器等)也可与图像采集装置500一起使用。

图像采集装置500还可通过在连续地调节变焦距镜头200的焦距的同时拍照来执行深度传感器的功能。例如，由于对象的距离根据变焦距镜头200的焦距而变化，所以通过在从最小焦距向最大焦距连续地改变焦距的同时执行拍摄获得的多个图像可用于产生深度图。额外地，图像采集装置500还可执行除感测深度之外的其它功能，比如特定类型的3D拍摄等。

尽管与附图所示的示例性实施例关联地示出了平面变焦距镜头的各示例性实施例，但是本领域技术人员应理解，可以进行各种改造和等同实施例。因此，所公开的示例性实施例应当被认为是说明性的，而不是限制性的。示例性实施例的范围由权利要求限定，其等同范围中的所有差别应当理解为包含在示例性实施例中。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年9月19日向韩国专利局提交的韩国专利申请No.10-2016-0119553的优先权，该韩国专利申请的公开内容作为引用完全并入本文。

Claims (28)

1.一种变焦距镜头，包括：

第一相位板，包括多个第一相位转换元件，多个第一相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸；以及

第二相位板，包括多个第二相位转换元件，多个第二相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸，

其中，所述第一相位板和所述第二相位板沿光轴彼此面对，并在垂直于光轴的方向上相对彼此移动，以在第一相位板和第二相位板之间产生位移，多个第一相位转换元件和多个第二相位转换元件构造成使得透过第一相位板和第二相位板的光根据第一相位板和第二相位板之间的位移聚焦在光轴上的不同位置。

2.如权利要求1所述的变焦距镜头，其中，所述第一相位板还包括透明的第一基板，所述多个第一相位转换元件布置在所述第一基板上，并且

所述第二相位板还包括透明的第二基板，所述多个第二相位转换元件布置在第二基板上。

3.如权利要求2所述的变焦距镜头，其中，所述多个第一相位转换元件中的每个和所述多个第二相位转换元件中的每个包括折射率高于第一基板和第二基板的折射率的材料。

4.如权利要求2所述的变焦距镜头，其中，第一基板和第二基板中的每个具有平板形状，所述第一相位板和所述第二相位板布置成使得所述多个第一相位转换元件和所述多个第二相位转换元件彼此面对。

5.如权利要求1所述的变焦距镜头，其中，所述第一相位板还包括设置在多个第一相位转换元件之间的第一介电层，

第二相位板还包括设置在多个第二相位转换元件之间的第二介电层，

第一介电层和第二介电层中的每个是透明的。

6.如权利要求5所述的变焦距镜头，其中，第一介电层的厚度大于多个第一相位转换元件的厚度，使得第一介电层完全覆盖多个第一相位转换元件，

第二介电层的厚度大于多个第二相位转换元件的厚度，使得第二介电层完全覆盖多个第二相位转换元件。

7.如权利要求6所述的变焦距镜头，其中，第一相位板和第二相位板构造成第一介电层和第二介电层彼此接触。

8.如权利要求1所述的变焦距镜头，其中，所述多个第一相位转换元件中的每个和所述多个第二相位转换元件中的每个具有柱形形状。

9.如权利要求8所述的变焦距镜头，其中，所述多个第一相位转换元件根据所述多个第一相位转换元件在所述第一相位板上的位置而具有彼此不同的直径，使得透过所述第一相位板的光的相位根据所述多个第一相位转换元件在所述第一相位板上的位置而不同地改变，

所述多个第二相位转换元件根据所述多个第二相位转换元件在所述第二相位板上的位置而具有彼此不同的直径，使得透过所述第二相位板的光的相位根据所述多个第二相位转换元件在所述第二相位板上的位置而不同地改变。

10.如权利要求9所述的变焦距镜头，其中，所述多个第一相位转换元件的直径和所述多个第二相位转换元件的直径被确定为使得透过第一相位板和第二相位板的光的相位满足Alvarez-Lohmann条件。

11.如权利要求9所述的变焦距镜头，其中，所述多个第二相位转换元件的布置与所述多个第一相位转换元件的布置镜像对称。

12.如权利要求11所述的变焦距镜头，其中，所述第一相位板和所述第二相位板在垂直于所述多个第一相位转换元件和所述多个第二相位转换元件之间的对称轴的方向上相对彼此移动。

13.如权利要求9所述的变焦距镜头，其中，所述多个第一相位转换元件的厚度等于所述多个第二相位转换元件的厚度。

14.如权利要求1所述的变焦距镜头，还包括：

第三相位板，包括多个第三相位转换元件，所述多个第三相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸；以及

第四相位板，包括多个第四相位转换元件，所述多个第四相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸，

其中，所述多个第一相位转换元件和所述多个第二相位转换元件构造成使得第一相位板和第二相位板共同地充当第一镜头元件，所述多个第三相位转换元件和所述第四相位转换元件构造成使得第三相位板和第四相位板共同地充当第二镜头元件。

15.如权利要求14所述的变焦距镜头，其中，所述第一相位板、所述第二相位板、所述第三相位板和所述第四相位板沿光轴相继地布置，所述第三相位板和所述第四相位板在垂直于光轴的方向上相对彼此移动，以在第三相位板和第四相位板之间产生位移，并且

多个第三相位转换元件和多个第四相位转换元件构造成使得透过第三相位板和第四相位板的光根据第三相位板和第四相位板之间的位移而聚焦在光轴上的不同位置。

16.如权利要求15所述的变焦距镜头，其中，所述多个第三相位转换元件中的每个和所述第四相位转换元件中的每个具有柱形形状，

所述多个第三相位转换元件根据第三相位转换元件在第三相位板上的位置而具有彼此不同的直径，使得透过第三相位板上的第三相位转换元件的每个的光的相位根据第三相位转换元件在第三相位板上的位置而彼此不同地变化，并且

所述多个第四相位转换元件根据第四相位转换元件在第四相位板上的位置而具有彼此不同的直径，使得透过第四相位板上的第四相位转换元件的每个的光的相位根据第四相位转换元件在第四相位板上的位置而变化。

17.如权利要求1所述的变焦距镜头，其中，所述第一相位板包括布置有多个第一相位转换元件的第一区域和布置有多个第一相位转换元件的第二区域，并且

所述第二相位板包括布置有多个第二相位转换元件的第三区域和布置有多个第二相位转换元件的第四区域。

18.如权利要求17所述的变焦距镜头，其中，所述第一相位板和所述第二相位板构造成第一区域和第三区域彼此面对，第二区域和第四区域彼此面对。

19.如权利要求18所述的变焦距镜头，其中，所述多个第一相位转换元件和所述多个第二相位转换元件构造成第一区域和第二区域共同地充当第一镜头元件，第三区域和第四区域共同地充当第四镜头元件。

20.如权利要求19所述的变焦距镜头，其中，所述多个第一相位转换元件在第一区域中的布置和所述多个第二相位转换元件在第二区域中的布置彼此相同，

所述多个第二相位转换元件在第三区域中的布置和所述多个第二相位转换元件在第四区域中的布置彼此相同。

21.如权利要求20所述的变焦距镜头，其中，所述第一镜头元件和所述第二镜头元件在第一相位板和第二相位板之间的一定位移处具有相同焦距。

22.如权利要求19所述的变焦距镜头，其中，所述多个第一相位转换元件在第一区域中的布置和所述多个第二相位转换元件在第二区域中的布置彼此不同，

所述多个第二相位转换元件在第三区域中的布置和所述多个第二相位转换元件在第四区域中的布置彼此不同。

23.如权利要求22所述的变焦距镜头，其中，所述第一镜头元件和所述第二镜头元件在第三相位板和第四相位板之间的一定位移处具有彼此不同的焦距。

24.一种图像采集装置，包括：

变焦距镜头，包括：

第一相位板，包括多个第一相位转换元件，多个第一相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸；以及

第二相位板，包括多个第二相位转换元件，多个第二相位转换元件中的至少一些具有彼此不同的尺寸，

致动器，构造成移动第一相位板和第二相位板，以在第一相位板和第二相位板之间产生位移；

控制器，构造成控制所述致动器；以及

图像拾取装置，

其中，所述第一相位板和所述第二相位板沿光轴彼此面对，并在垂直于光轴的方向上相对彼此移动，以产生位移，所述多个第一相位转换元件和所述多个第二相位转换元件布置成使得透过第一相位板和第二相位板的光根据第一相位板和第二相位板之间的位移而聚焦在光轴上的不同位置。

25.如权利要求24所述的图像采集装置，还包括至少一个光学镜头元件。

26.一种镜头，包括：

第一相位板，包括第一基板和设置在第一基板表面上的第一突起，所述第一突起的折射率与第一基板的折射率不同；以及

第二相位板，包括第二基板和设置在第二基板表面上的第二突起，所述第二突起的折射率与第二基板的折射率不同，

其中，所述第一基板的表面平行于所述第二基板的表面，所述第二相位板能够在平行于表面的方向上相对于第一相位板移动。

27.如权利要求26所述的镜头，其中，所述第一突起的折射率高于所述第一基板的折射率，所述第二突起的折射率高于所述第二基板的折射率。

28.如权利要求27所述的镜头，其中，所述第一突起以第一图案布置，所述第二突起以第二图案布置，所述第一图案匹配所述第二图案。