CN109844575A - 具有一体式光学过滤器的可变焦透镜以及包含其的图像捕获设备 - Google Patents

具有一体式光学过滤器的可变焦透镜以及包含其的图像捕获设备 Download PDF

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J·M·昆尼克
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Abstract

液体透镜包括透镜主体，该透镜主体包括第一窗口、第二窗口、以及设置在该第一窗口与第二窗口之间的腔体。第一液体和第二液体被设置在透镜主体的腔体内。第一液体和第二液体彼此基本上不混溶并且具有不同的折射率，以使得第一液体与第二液体之间的界面形成透镜。光学过滤器与第一窗口或第二窗口中的至少一者集成。图像捕获设备包括具有可变焦透镜的光学系统、图像传感器、以及与该光学系统集成的光学过滤器。图像传感器和光学过滤器中的每一者沿光学系统的光轴对准。

Description

具有一体式光学过滤器的可变焦透镜以及包含其的图像捕获 设备
本申请要求于2016年10月18日提交的美国临时申请第62/409850号和2016年10月31日提交的美国临时申请第62/415069号的优先权权益，所述临时申请中的每一项申请的内容通过引用整体结合于此。
背景
1.领域
本公开涉及透镜，并且更具体地涉及具有一体式光学过滤器的可变焦透镜。
2.技术背景
液体透镜或流体透镜是一种类型的可变焦透镜，这种类型的可变焦透镜通常包括具有极性液体或导电液体的腔体以及设置在该极性液体或导电液体中的非极性液体或绝缘液体。液体彼此不混溶，并且具有不同的折射率，使得液体之间的界面形成透镜。界面的形状可以经由电浸润来改变。例如，可以在极性液体与腔体的表面之间施加电压，以增加或降低该表面相对于极性液体的润湿性(wettability)并改变界面的形状。改变界面的形状改变了透镜的焦距或焦点。
数码相机图像传感器(诸如，互补式金属-氧化物-半导体(CMOS)检测器)对相当大的波长区域上的电磁辐射敏感。由于尺寸和成本限制，相机中的光学系统通常不被设计成校正由图像传感器覆盖的全光谱区域。因此，应当过滤或去除超出经校正的频带的电磁频谱的部分，以避免负面地影响相机的图像质量。可以将具有带电介质涂层的衬底的板式过滤器添加到相机透镜系统。电介质涂层被设计成用于在其中光学系统被校正的可见区域中透射光，并且在其中光学系统未被校正的红外区域和/或紫外区域中阻挡光。板式过滤器可以被直接附接到图像传感器，使得它还起到防尘盖的辅助功能，该防尘盖防止从相机的其他部分生成的或转移的颗粒落在图像传感器表面上(例如，当出于自动对焦或光学图像稳定化的目的而移动透镜叠层时)。
发明内容
本文中公开的是包括具有可变焦透镜的光学系统的图像捕获设备。
本文中公开的是一种液体透镜，该液体透镜包括透镜主体，该透镜主体包括第一窗口、第二窗口和设置在第一窗口与第二窗口之间的腔体。第一液体和第二液体被设置在透镜主体的腔体内。第一液体和第二液体彼此基本上不混溶并且具有不同的折射率，以使得第一液体与第二液体之间的界面形成透镜。光学过滤器与第一窗口或第二窗口中的至少一者集成。
本文中公开的一种图像捕获设备，其包括光学系统、图像传感器和与光学系统集成的光学过滤器。光学系统包括可变焦透镜。图像传感器和光学过滤器中的每一者沿光学系统的光轴对准。
本文公开的是一种液体透镜，该液体透镜包括透镜主体，该透镜主体包括第一窗口、第二窗口和设置在第一窗口与第二窗口之间的腔体。第一液体和第二液体被设置在透镜主体的腔体内。第一液体和第二液体彼此基本上不混溶并且具有不同的折射率，以使得第一液体与第二液体之间的界面形成透镜。第一光学过滤器分段被设置在第一窗口的外表面上并且包括电介质叠层。第二光学过滤器分段被设置在第二窗口的外表面上并且包括吸收层和电介质叠层。
本文公开的是一种用于形成液体透镜的方法，该方法包括：在第一外层或第二外层中的一者的表面上形成光学过滤器的至少一部分。该方法进一步包括：将第一外层接合至中间层的物体侧表面，并且将第二外层接合至中间层的图像侧表面，由此形成设置在第一外层与第二外层之间的腔体。
应理解的是，前述概括描述和以下详细描述都仅是示例性的，并且旨在为理解所要求保护的主题的本质和特征提供概述或框架。各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被收入并构成本说明书的一部分。附图图示一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。
附图说明
图1是常规图像捕获设备的示意图。
图2是包括具有集成式光学过滤器的可变焦透镜的图像捕获设备的示例性实施例的示意图。
图3是图像捕获设备的示例性实施例的示意性横截面图。
图4是图像捕获设备的示例性实施例的示意性横截面图。
图5是具有一体式光学过滤器的可变焦透镜的示例性实施例的示意性横截面图。
图6是图5中所示的一体式光学过滤器的光学过滤器分段的示例性实施例的特写图。
图7是图5中所示的一体式光学过滤器的光学过滤器分段的示例性实施例的特写图。
图8是光学过滤器的示例性透射分布的曲线图。
具体实施方式
现将详细参考在附图中图示出的示例性实施例。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标号来指示相同或类似的部件。附图中的组件并不一定是按比例的，而是将重点放在说明示例性实施例的原理上。
包括范围的端点的数值在本文中可以被表达为前面带有术语“约”、“大约”等的近似。在这种情况下，其他实施例包括特定数值。无论数值是否被表达为近似，本公开中都包括以下两个实施例：一个被表达为近似，并且另一个不被表达为近似。将进一步理解，每个范围的端点相对于另一个端点并且独立于另一个端点都是重要的。
在各种实施例中，液体透镜包括透镜主体，透镜主体包括第一窗口、第二窗口和设置在第一窗口与第二窗口之间的腔体。第一液体和第二液体被设置在透镜主体的腔体内。第一液体和第二液体彼此基本上不混溶并且具有不同的折射率，使得第一液体与第二液体之间的界面形成透镜。光学过滤器与第一窗口或第二窗口中的至少一个窗口集成。例如，光学滤器被设置在第一窗口或第二窗口中的至少一个窗口的外表面上。在一些实施例中，第一窗口或第二窗口中的至少一个窗口本身用作光学过滤器的至少一部分(例如，吸收层)。与包括未集成到光学系统中的单独的光学过滤器板的常规图像捕获设备相比，将光学过滤器集成到液体透镜中使得包括液体透镜的图像捕获设备能够具有减小的厚度。附加地或替代地，液体透镜的平坦外表面能够使用沉积技术在其上沉积光学过滤器，该沉积技术可能不适用于将光学过滤器沉积在固定透镜的弯曲表面上。
在各种实施例中，图像捕获设备包括光学系统、图像传感器以及与该光学系统集成的过滤器。光学系统包括可变焦透镜。图像传感器和过滤器中的每一个沿光学系统的光轴对准。可变焦透镜可以在没有光学系统相对于图像传感器的移动的情况下，使光学系统能够执行光学聚焦、自动聚焦和/或光学图像稳定化功能。因此，光学系统可以直接被接合到图像传感器和/或光学系统，并且图像传感器可以设置在密封腔室内，这可以消除对接合到图像传感器的单独的防尘盖的需要并且能够使光学过滤器集成到光学系统中。
图1是常规图像捕获设备100的示意图。图像捕获设备100包括光学系统110，该光学系统110定位成用于将图像光聚焦在图像传感器120上。光学系统110包括多个透镜。例如，光学系统110按照从物体侧到图像侧的顺序包括：第一透镜111、第二透镜112、第三透镜113、第四透镜114、第五透镜115、和第六透镜116。光学系统110的每个透镜是固定透镜。因此，光学系统110的每个透镜的焦距是固定的。图像捕获设备100包括设置在光学系统110与图像传感器120之间的光学过滤器130。光学过滤器130是透射可见光并阻挡红外(IR)线和紫外(UV)线的带通过滤器。光学过滤器130可以被接合到图像传感器120的物体侧表面。光学系统110可以与光学过滤器130隔开，使得气隙设置在光学系统与光学过滤器之间(例如，在第六透镜116与光学过滤器之间)。光学系统110或其一部分可以在物体侧方向(例如，远离图像传感器)上或图像侧方向(例如，朝向图像传感器)上相对于图像传感器120移动。光学系统110的这种移动可以改变光学系统的焦点。光学系统110的这种移动可以使用线性致动器(诸如，音圈)来完成。光学系统110的物理移动会生成或释放颗粒(例如，灰尘)和/或使颗粒能够进入光学系统与光学过滤器130之间的气隙。接合到图像传感器120的光学过滤器130可以用作防尘罩，以保护图像传感器免受可能以其他方式沉积在图像传感器上并使图像质量降级的颗粒的影响。
图2是图像捕获设备200的示例性实施例的示意性视图。图像捕获设备200包括光学系统210和图像传感器220。光学系统210可定位成用于将图像光10聚焦在图像传感器220上，如图2所示。
在一些实施例中，光学系统210包括多个透镜。例如，在图2中所示的实施例中，光学系统210按照从物体侧到图像侧的顺序包括：第一透镜211、第二透镜212、第三透镜213、第四透镜214、第五透镜215、第六透镜216、和第七透镜217。多个透镜可以沿光学系统210的光轴OA对准。在一些实施例中，光学系统210的至少一个透镜是可变焦透镜。例如，在图2所示的实施例中，第一透镜211是可变焦透镜。在一些实施例中，可变焦透镜是如本文所描述的液体透镜或流体透镜。液体透镜或流体透镜的焦点可以通过以下方式来改变：改变包含在透镜内的不同液体之间的界面的形状，并且不相对于图像传感器220平移、倾斜或以其他方式移动光学系统210。在其他实施例中，可变焦透镜是包括设置在柔性膜内的流体的流体静力学流体透镜。可以通过以下方式来改变流体静力学透镜的焦点：改变流体的流体静力学压力并且从而改变柔性膜的曲率，并且不相对于图像传感器平移、倾斜或以其他方式移动光学系统。在其他实施例中，可变焦透镜是另一类型的透镜，这一类型的透镜具有可以在不相对于图像传感器平移、倾斜或以其他方式移动光学系统的情况下被改变的焦距。
在一些实施例中，图像捕获设备200在光学系统210与图像传感器220之间没有气隙。例如，光学系统210被直接接合到图像传感器220，如本文所述。因此，光学系统210相对于图像传感器220不是可移动的。可以通过光学系统的可变焦透镜来实现光学系统210与图像传感器220之间不存在气隙和/或直接接合。例如，光学系统210的焦点可以在没有光学系统相对于图像传感器220的物理移动的情况下改变(例如，通过改变可变焦透镜的焦点)。因此，在光学系统210与图像传感器220之间不需要气隙来允许这种物理移动。
在一些实施例中，图像捕获设备200包括光学过滤器230。例如，光学过滤器230是光谱过滤器，其阻挡或移除图像传感器220对其敏感但不未被光学系统(例如，光学系统210)校正的辐射。在一些实施例中，光学系统210在可见区域(例如，约450nm至约650nm)中被校正，并且光学过滤器230阻挡或拒绝近红外区域(例如，约650nm至约1500n m)和较短的紫外(UV)区域(<约450nm)中的辐射。
在一些实施例中，光学过滤器230被集成到光学系统210中。例如，在图2所示的实施例中，光学过滤器230被设置在第一透镜211(例如，可变焦透镜)的表面上。因此，光学过滤器230与第一透镜211集成。在其他实施例中，光学过滤器230与光学系统210的另一透镜(例如，固定透镜)的表面集成或设置在光学系统210的另一透镜(例如，固定透镜)的表面上。在一些实施例中，光学过滤器230包括多个光学过滤器分段。例如，在图2所示的实施例中，光学过滤器230包括第一光学过滤器分段230A和第二光学过滤器分段230B。不同的光学过滤器分段可以被设置在光学系统210内的不同表面上。例如，在图2所示的实施例中，第一光学过滤器分段230A被设置在第一透镜211的物体侧，并且第二光学过滤器分段230B被设置在第一透镜的图像侧。将光学过滤器230划分成多个光学过滤器分段可有助于改善光学过滤器的性能。在一些实施例中，光学过滤器230包括电介质叠层。例如，电介质叠层包括具有合适厚度的高折射率材料和低折射率材料的交替层，以便反射一个或多个特定波长范围(例如，红外线和/或紫外线)中的光。另外或替代地，光学过滤器230包括吸收一个或多个特定波长范围(例如，近红外线)的光的吸收性材料。因此，光学过滤器230可以用作带透射可见光并反射和/或吸收红外线、近红外线和/或紫外线中的一种或多种的带通过滤器。
图3是图像捕获设备200的示例性实施例的示意性横截面图。在图3所示的实施例中，图像捕获设备200包括光学系统210和图像传感器220，该图像捕获设备200可以如本文中参考图2所描述的那样进行配置。尽管在图3中示意性地将光学系统210显示为单个块，但光学系统可以包括如本文所描述的多个透镜，包括可变焦透镜。在一些实施例中，图像捕获设备200包括壳体250。例如，壳体250包括围绕内部区域的侧壁252，光学系统210可以如本文所描述的那样设置在该内部区域中。在一些实施例中，侧壁252围绕光学系统210的光轴OA设置。例如，侧壁252关于光轴OA旋转对称。在一些实施例中，侧壁252包括具有圆形或椭圆形横截面的圆柱形形状。在其他实施例中，侧壁252包括正方形、三角形、矩形或其他多边形或非多边形横截面。在一些实施例中，壳体250包括端帽254。例如，端帽254被设置在壳体250的远端(例如，物体端)并且从侧壁252朝向光轴OA向内突出到壳体250的内部区域中。端帽254可有助于将光学系统210固定在壳体250内(例如，通过防止光学系统或其组件离开壳体的物体端)。在一些实施例中，端帽254限定孔256，图像光10可以通过该孔256以由光学系统210聚焦到如本文所述的图像传感器220上。
在一些实施例中，光学系统210被设置在壳体250内。例如，光学系统210被设置在壳体250的内部区域内。在一些实施例中，光学系统210被耦合到壳体250。例如，壳体250的侧壁252包括与光学系统210的外螺纹接合的内螺纹，使得光学系统与壳体螺纹接合。另外或替代地，壳体的侧壁252包括与光学系统210的外部凹口接合的一个或多个内部棘爪，使得光学系统与壳体以卡扣配合的方式接合。光学系统210与壳体250的这种耦合可有助于将光学系统固定在正确的位置并防止光学系统相对于如本文所描述的图像传感器220的不期望的移动。
在一些实施例中，图像传感器220被设置在壳体250内。例如，光学传感器220被设置在壳体250的内部区域内。在一些实施例中，图像传感器220被耦合到壳体250。例如，图像传感器220可以参照光学系统210耦合到如本文所描述的壳体250。在图3中所示的实施例中，图像传感器220被设置在衬底222上。例如，衬底222包括印刷电路板(PCB)。衬底222可以实现与图像传感器220的电连接(例如，通过设置在衬底上或衬底中的电迹线)。另外或替代地，可以将控制图像传感器220的操作或处理去往或来自图像传感器220的信号的各种电子组件设置在衬底222上。在一些实施例中，壳体250被耦合到衬底222。例如，侧壁252的近端(例如，图像端)被耦合到衬底222，使得图像传感器220被设置在如图3所示壳体250内。
在一些实施例中，光学系统210与图像传感器220间隔开，使得气隙被设置在光学系统与图像传感器之间。例如，光学系统210的近端透镜(例如，被设置在光学系统的图像端)与图像传感器220间隔开，使得气隙被设置在近端透镜与图像传感器之间，如图3中所示。
在其他实施例中，光学系统210被直接接合到图像传感器220。图4是图像捕获设备200的示例性实施例的示意性横截面图。图4中所示的实施例与图3中所示的那些实施例相同，例外在于图4中所示的光学系统210直接接合到图像传感器220，使得没有气隙被设置在光学系统与图像传感器之间。例如，光学系统210的近端透镜直接接合到图像传感器220(例如，用光学透明的粘合剂或其他合适的粘合剂)，使得没有气隙被设置在近端透镜和图像传感器之间。
在一些实施例中，光学系统210和图像传感器220中的每一个直接地或间接地耦合到壳体250，使得密封腔室被限定在壳体内(例如，在光学系统的第一透镜211与图像传感器之间)。例如，在图3-图4中所示的实施例中，密封腔室被限定在光学系统210的第一透镜211与衬底222之间的壳体250内。在一些实施例中，图像传感器220被设置在密封腔室内。在此类实施例中的一些实施例中，光学系统210包括如本文所述的可变焦透镜。因此，可以调节光学系统210的焦距(例如，用于聚焦和/或自动聚焦)和/或可以倾斜液体之间的界面(例如，用于光学图像稳定化)而无需相对于图像传感器220物理地移动光学系统。将图像传感器220定位在密封腔室内以及缺少光学系统210的移动可以减少(例如，通过音圈或其他机械致动器的移动)生成颗粒或允许颗粒(例如，通过机械地倾斜固定透镜而产生的间隙)进入壳体并落在图像传感器上的可能性。因此，设置在密封腔室内的图像传感器220可以没有防尘盖(例如，图1中所示的光学过滤器130或另一个盖)，该防尘盖旨在防止颗粒落在图像传感器的表面上并使图像质量降级。
图5是具有一体式光学过滤器230的可变焦透镜260的示例性实施例的示意性横截面图。例如，可变焦透镜260可以用作本文中参考图2至图4所描述的光学系统210的一个透镜(例如，第一透镜211)。在一些实施例中，可变焦透镜260是液体透镜或流体透镜。例如，可变焦透镜260包括透镜主体261和形成在该透镜主体中的腔体262。第一液体264和第二液体266被设置在腔体262内。在一些实施例中，第一液体264是极性液体或导电液体。另外或可替代地，第二液体266是非极性液体或绝缘液体。在一些实施例中，第一液体264和第二液体266彼此不混溶并且具有不同的折射率，以使得第一液体与第二液体之间的界面形成透镜。界面的形状可以经由电浸润来改变。例如，可以在第一液体264与腔体262的表面(例如，位于腔体的表面附近并且与第一液体绝缘的电极)之间施加电压，以增加或减小腔体的表面相对于第一液体的润湿性并改变界面的形状。在一些实施例中，改变界面的形状改变可变焦透镜260的焦距或焦点。例如，这种改变焦距可使得可变焦透镜260能够用于手动聚焦或自动聚焦应用。另外或替代地，改变界面的形状使可变焦透镜260相对于光轴OA倾斜。例如，当光学系统210抖动或振动(例如，用于光学图像稳定化)时，这种倾斜可以使可变焦透镜260保持图像在图像传感器220上的位置。可以在没有可变焦透镜260相对于如本文所描述的图像传感器220的物理移动的情况下实现改变界面的形状。例如，随着界面的形状改变，镜头主体261可以相对于图像传感器220保持静止。在一些实施例中，第一液体264和第二液体266具有基本相同的密度，这可有助于避免由于改变可变焦透镜260的物理定向(例如，由于重力)而导致的界面形状的变化。
在一些实施例中，可变焦透镜260的透镜主体261包括第一窗口268和第二窗口270。在此类实施例中的一些实施例中，腔体262被设置在第一窗口与第二窗口之间。在一些实施例中，镜头主体261包括多个层，这些层协同地形成镜头主体。例如，在图5所示的实施例中，透镜主体261包括第一外层272、中间层274和第二外层276。在此类实施例中的一些实施例中，中间层274包括穿过其形成的钻孔，第一外层272接合到中间层的一侧(例如，物体侧)，第二外层276接合到中间层的另一侧(例如，图像侧)，使得钻孔在相对的侧上被第一外层和第二外层覆盖，并且腔体262被限定在钻孔内。因此，覆盖腔体262的第一外层272的一部分用作第一窗口268，并且覆盖腔体的第二外层276的一部分用作第二窗口270。在一些实施例中，腔体262是如图5所示的锥形的，使得腔体的横截面积沿光轴OA在从物体侧到图像侧的方向上减小或增大。这种锥形腔体可以帮助保持第一液体264与第二液体266之间的界面沿光轴OA的对准。在其他实施例中，腔体是非锥形的，使得腔体的横截面积沿光轴OA保持基本恒定。在一些实施例中，图像光10通过第一窗口286进入可变焦透镜260，在第一液体264与第二液体266之间的界面处被折射，并通过第二窗口270离开可变焦透镜。在一些实施例中，第一外层272和/或第二外层276包括足够的透明度以使图像光10能够如本文所描述的那样通过。例如，第一外层272和/或第二外层276包括玻璃、陶瓷或玻璃-陶瓷材料。另外或替代地，第一外层272和/或第二外层276的外表面基本上是平面的。因此，即使可变焦透镜260可以用作透镜(例如，通过折射穿过其中的图像光10)，可变焦透镜的外表面也可以是平坦的，而不是像固定透镜的外表面那样是弯曲的。这种平坦的外表面可以使光学过滤器能够与如本文所描述的可变焦透镜集成。在一些实施例中，中间层274包括金属、聚合物、玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷材料。因为图像光10可以通过中间层274穿过钻孔，所以中间层可以是透明的或可以不是透明的。
在一些实施例中，光学过滤器230与可变焦透镜260集成。在此类实施例中的一些实施例中，光学过滤器230被设置在可变焦透镜260的外表面上。例如，在图5所示的实施例中，第一光学过滤器分段230A被设置在可变焦透镜260的一个外表面(例如，物体侧表面)上，并且第二光学过滤器分段230B被设置在可变焦透镜的另一个外表面(例如，图像侧表面)上。在一些实施例中，光学过滤器230包括电介质叠层。例如，光学过滤器230包括高折射率材料和低折射率材料的交替层。在一些实施例中，高折射率材料和/或低折射率材料包括金属氧化物材料(例如，TiO2、Al2O3、SiO2或另一种金属氧化物材料)。可以选择电介质叠层的层的厚度，使得电介质叠层反射如本文所述的确定的波长范围中的光。因此，电介质叠层可以用作干涉过滤器。
在一些实施例中，光学过滤器230包括吸收层。例如，在一些实施例中，吸收层包含染料(例如，花菁化合物、酞菁化合物、萘酞菁化合物、二硫醇金属化合物、二亚铵化合物、聚甲炔化合物、苯酞化合物、萘醌化合物、蒽醌化合物、靛酚化合物、方酸鎓化合物或其他吸收化合物)，该染料吸收如本文所述的所确定的波长范围中的光。在此类实施例中的一些实施例中，染料被分散在树脂(例如透明树脂)中。在其他实施例中，吸收层包含有色玻璃、陶瓷或玻璃陶瓷层。例如，吸收层包括蓝色滤光玻璃。
图6是图5中所示出的第一光学过滤器分段230A的特写视图。在一些实施例中，光学过滤器分段230A包括电介质叠层，该电介质叠层包括交替的高折射率层232和低折射率层234。层的数量和层厚度可以被选择，以使得光学过滤器分段230A透射相对少量的UV射线。由此，光学过滤器分段230A阻挡UV射线，以使得光学过滤器230能够展现本文中所描述的下截止波长。
图7是图5中所示出的第二光学过滤器分段230B的特写视图。在一些实施例中，光学过滤器分段230B包括吸收层236，该吸收层236包括分散在透明树脂中的吸收染料。该染料、树脂以及层厚度可以被选择，以使得吸收层236透射相对少量的近IR射线。由此，吸收层236阻挡近IR射线，以使得光学过滤器230能够展现本文中所描述的上截止波长。
在一些实施例中，光学过滤器分段230B包括电介质叠层，该电介质叠层包括交替的高折射率层232和低折射率层234。层的数量和层厚度可以被选择，以使得光学过滤器分段230B充当抗反射(AR)层。该AR层可以帮助减少由可变焦透镜260反射的可见光的量，并且因此增加朝向图像传感器220透射的可见光的量。在一些实施例中，AR层被定位在光学过滤器230(例如，设置在AR层上)的图像表面处。例如，吸收层236被设置在可变焦透镜260与AR层之间。由此，可以在图像光19到达AR层之前，(例如，分别由第一光学过滤器分段230A和/或吸收层236)从该图像光滤除UV射线和/或近IR射线。此类定位可以帮助提升AR层的效率。
如本文中所使用，术语“高折射率”和“低折射率”是相对术语。例如，高折射率层或材料具有比低折射率层或材料更高的折射率，并且反之亦然。在图5-图7中所示出的实施例中，第一光学过滤器分段230A的高折射率层或材料可以与第二光学过滤器分段230B的高折射率层或材料相同或不同，并且第一光学过滤器分段的低折射率层或材料可以与第二光学过滤器分段的低折射率层或材料相同或不同。
虽然本文中参考图5-图7所描述的光学过滤器230包括第一光学过滤器分段230A和第二光学过滤器分段230B，但是其他实施例也被包括在本公开中。例如，在其他实施例中，光学过滤器包括单个光学过滤器分段或多个光学过滤器分段，该单个光学过滤器分段或多个光学过滤器分段包括电介质叠层、吸收层或电介质叠层和吸收层两者。另外或替代地，电介质叠层可以包括多个分段。例如，电介质叠层可以包括阻挡UV射线的阻挡分段以及增强对可见光的透射的AR分段。在各实施例中，电介质叠层(具有或不具有多个分段)和吸收层可以被设置在可变焦透镜的相同或相对的外表面上。在各实施例中，“被设置”在可变焦透镜的外表面上的层可以被直接设置在该外表面上或者被设置在直接或间接设置在该外表上的另一层上。
虽然本文中参考图5-图7所描述的光学过滤器230的吸收层236被设置在可变焦透镜260的外表面上，但是其他实施例也被包括在本公开中。例如，在其他实施例中，可变焦透镜的第一窗口和/或第二窗口包括吸收层。由此，由吸收高于本文中所描述的上截止波长的较高波长范围中的光的吸收材料形成相应的第一窗口和/或第二窗口。例如，在一些实施例中，可变焦透镜260的第一层274和/或第二层276包括蓝色滤光玻璃或如本文中所描述的包括吸收染料的聚合材料，或者由该蓝色滤光玻璃或聚合材料形成。另外或替代地，光学过滤器包括设置在吸收性的第一窗口和/或第二窗口的外表面上的一个或多个电介质叠层。
如本文中所描述的与光学系统210集成的光学过滤器230可以使得图像捕获设备200能够具有相较于具有单独的光学过滤器板的常规图像捕获设备(例如，如图1中所示)的减小的厚度。例如，因为在其上设置光学过滤器230的透镜(例如，可变焦透镜260)可以充当光学过滤器230的衬底，消除了在光学过滤器板中包括单独的衬底的要求，所以与光学系统210集成的光学过滤器230可以比单独的光学过滤器板更薄。由此，包括集成有光学过滤器230的光学系统210的图像捕获设备200可以比具有单独的光学过滤器板的常规图像捕获设备更薄(例如，薄了该单独的光学过滤器板的衬底的厚度)。例如，包括具有集成的光学过滤器230的光学系统210的图像捕获设备200可以比具有单独的光学过滤器板的常规图像捕获设备薄大约0.1mm至大约3mm。
如本文中所描述的与光学系统210集成的光学过滤器230相较于具有单独的光学过滤器板的常规图像捕获设备(例如，如图1中所示)可以帮助降低破坏光学过滤器的可能性。例如，常规图像捕获设备中光学系统相对于图像传感器的移动可能引起光学系统同设置在该光学系统与图像传感器之间的光学过滤器之间的物理接触，光学系统与光学过滤器之间的该物理接触会破坏或损坏光学过滤器。与光学系统210集成的光学过滤器230降低了此类接触和破坏的可能性。例如，即使光学系统210相对于图像传感器220移动，光学过滤器230也将移动，由此防止光学过滤器的接触和/或破坏。另外或替代地，将可变焦透镜260合并到光学系统210中可以避免如本文中所描述的光学系统相对于图像传感器220的移动，由此防止光学过滤器230的接触和或破坏。
在一些实施例中，使用物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、等离子体沉积、离子辅助沉积或另一合适的沉积工艺将电介质叠层沉积在可变焦透镜260的外表面上。另外或替代地，使用旋涂、喷涂、浸涂、模涂、狭缝模涂、凹版印刷、或者另一合适的涂敷或印刷工艺将吸收层沉积在可变焦透镜260的外表面上。在各实施例中，可变焦透镜260的外表面可以是平面的或非平面的。具有平面外表面的可变焦透镜260可以实现具有精确层厚度的电介质叠层和/或吸收层的应用。由此，具有平面外表面的可变焦透镜260可以使用沉积、印刷和/或涂敷工艺实现将光学过滤器230集成到光学系统210中，这些沉积、印刷和/或涂敷工艺可能不适于对具有非平面外表面的固定透镜使用。
在一些实施例中，可以使用高温沉积工艺将电介质叠层沉积在可变焦透镜260的外表面上。例如，此类高温沉积工艺包括在至少大约300℃的温度下、在至少400℃下或者至少在500℃下沉积电介质叠层的一个或多个层。在一些实施例中，包括玻璃、陶瓷和/或玻璃陶瓷材料的可变焦透镜260的第一层272和/或第二层276可以使得该第一层和/或第二层能够耐受高温沉积过程。在一些实施例中，第一层272和/或第二层276包括如本文中所描述的吸收材料(例如，蓝滤光玻璃)。例如，吸收材料是无机材料，以使得包括该吸收材料的第一层272和/或第二层276能够耐受高温沉积过程。
在一些实施例中，光学过滤器230是带通过滤器。图8是光学过滤器230的示例性透射率分布的图示。该透射率分布是作为波长的函数的光学过滤器230的透射率。以纳米(nm)给出x轴上的波长值。以百分比(％)给出y轴上的透射率值。光学过滤器230的截止波长是该光学过滤器展现50％的透射率处的波长。在一些实施例中，光学过滤器透射处于透射波长范围中的光(例如，可见光)，并且阻挡低于透射波长范围(例如，低于下截止波长)的较低波长范围中的光(例如，UV射线)以及高于透射波长范围(例如，高于上截止波长)的较高波长范围中的光(例如，近IR射线)。在一些实施例中，在300nm至1300nm的操作波长范围中时，光学过滤器230包括至多大约450nm、至多大约440nm、至多大约430nm、至多大约420nm、至多大约410nm、或至多大约400nm的下截止波长。另外或替代地，在300nm至1300nm的操作波长范围中时，光学过滤器230包括至少大约600nm、至少大约610nm、至少大约620nm、至少大约630nm、至少大约640nm、至少大约650nm、至少大约660nm、或至少大约670nm的上截止波长。下截止波长小于上截止波长。例如，在图8中所示出的实施例中，光学过滤器230包括450nm的下截止波长和670nm的上截止波长。另外或替代地，光学过滤器230在大约450nm至大约580nm的透射波长范围中包括至少80％的透射率。例如，在图8中所示出的实施例中，光学过滤器230在465nm至655nm的透射波长范围上包括至少80％的透射率。由此，在从465nm至655nm的所有波长下，光学过滤器230展现出至少80％的透射率。
在一些实施例中，光学过滤器230包括(例如，第一光学过滤器分段230A的)电介质叠层，该电介质叠层阻挡(例如，反射)低于下截止波长的较低波长范围中的光。另外或替代地，光学过滤器230包括(例如，第二光学过滤器分段230B的)吸收层，该吸收层阻挡(例如，吸收)高于上截止波长的较高波长范围中的光。
在各实施例中，图像传感器220包括半导体电荷耦合器件(CCD)、互补式金属-氧化物-半导体(CMOS)、N型金属-氧化物-半导体(NMOS)、另一图像感测设备或其组合。图像传感器220检测由光学系统210聚焦在该图像传感器上的图像光10，以捕获由图像光表示的图像。
在一些实施例中，形成可变焦透镜的方法包括：接合多个层以形成限定在第一窗口与第二窗口之间的腔体。例如，形成可变焦透镜260的方法包括：将第一外层272接合至中间层274的物体侧表面。另外或替代地，该方法包括：将第二外层276接合至中间层274的图像侧表面。在一些实施例中，中间层274包括如本文中所描述的穿过该中间层274形成的钻孔。例如，方法包括：在接合之前，在中间层274中形成该钻孔。在一些实施例中，方法包括：将第一液体264和第二液体266沉积到在中间层274中所形成的钻孔中。例如，该方法包括：将第一外层272或第二外层276中的一者接合至中间层274；将第一液体264和第二液体266沉积到在中间层中形成的钻孔中；以及将第一外层或第二外层中的另一者接合至中间层，以在第一窗口268与第二窗口270之间形成腔体，其中第一液体和第二液体设置在该腔体中。由此，在接合之后，第一液体264和第二液体266可以被密封在该腔体中。
在一些实施例中，方法包括形成可变焦透镜阵列。例如，中间层274包括薄片(例如，基本上平面的薄片)，该薄片包括形成于其中的钻孔阵列。在此类实施例中的一些实施例中，第一外层272和第二外层276中的每一者包括薄片(例如，基本上平面的薄片)，以使得将第一层和第二层接合至中间层274形成腔体阵列。在一些实施例中，方法包括：将第一液体264和第二液体266沉积到每个钻孔中，以使得该接合在第一窗口的阵列与相对应的第二窗口的阵列之间形成腔体阵列，该腔体阵列具有设置于其中的大量的第一液体和第二液体(例如，液体透镜阵列)。在一些实施例中，方法包括：使可变焦透镜阵列单片化，以形成多个单独的可变焦透镜。例如，单片化包括切断相邻腔体之间的区域中的第一外层272、中间层274和第二外层276。形成可变焦透镜阵列可以实现对可变焦透镜的大批量制造。另外或替代地，形成可变焦透镜阵列可以实现如本文中所描述的更高效地将光学过滤器集成到可变焦透镜中。
在一些实施例中，方法包括：在可变焦透镜的层上形成光学过滤器的至少部分。例如，方法包括：在第一外层272上形成第一光学过滤器分段230A。在一些实施例中，形成第一光学过滤器分段230A包括：(例如，使用如本文中所描述的沉积工艺)将交替的高折射率材料层和低折射率材料层沉积在第一外层的表面上。另外或替代地，方法包括：在第二外层276上形成第二光学过滤器分段230B。在一些实施例中，形成第二光学过滤器分段230B包括：(例如，使用本文中所描述的沉积工艺)将吸收层和/或AR层沉积在第二外层276的表面上。在一些实施例中，形成第一光学过滤器分段230A和/或形成第二光学过滤器分段230B在将第一外层272和/或第二外层276接合至中间层274之前被执行。由此，形成第一光学过滤器分段230A和/或形成第二光学过滤器分段230B可以使用可能不适合于中间层274、第一液体264和/或第二液体266的沉积工艺(例如，高温沉积工艺)来执行。另外或替代地，形成第一光学过滤器分段230A和/或形成第二光学过滤器分段230B作为形成可变焦透镜阵列的部分而被执行。由此，第一外层272和/或第二外层276可以是相对大的薄片，这可以使得在其上形成光学过滤器230能够更高效地被完成。此类高效过程可以由可变焦透镜260的平面外表面实现，并且对于将光学过滤器与具有非平面外表面的可能无法被形成为阵列的固定透镜集成而言可能是不可行的。
通过将可变焦透镜(例如，液体透镜)包括在透镜叠层中而不是音圈电机中来执行自动对焦和/或光学图像稳定化的功能，图像捕获设备可以没有移动部件。另外或替代地，可变焦透镜包括平坦玻璃相对表面，这些平坦玻璃相对表面容纳光学过滤器的带通截止电介质涂层。透镜叠层中没有移动部件可以使得该透镜叠层能够被持久地固定至图像传感器，这可以使得透镜叠层能够充当防尘盖。这消除了图像捕获设备中某个单独的组件(例如，单独的光学过滤器板)，并且使得光学系统能够变得更薄，这对于移动电话相机来说是尤其关键的特征。
在可变焦透镜上放置截止过滤器实现了更薄的相机透镜设计。另外或替代地，由于透镜设计中可变焦透镜的位置通常更靠近于瞳孔，因此可变焦透镜具有比图像或图像传感器更小的直径。因此，光学过滤器的直径可以更小，并且相对于包括接近图像传感器的单独的光学过滤器板的设备，电介质涂覆的成本可降低。例如，与光学系统集成的光学过滤器的直径可以比具有同一尺寸的图像传感器和同一光学功率的光学系统的常规成像设备的单独的光学过滤器板的直径小4倍。
为了在常规图像捕获设备(例如，如图1中所示)中实现自动对焦，整个透镜叠层轴向地(例如，沿光轴)移动，以针对不同的物距对光学系统进行重新对焦。此动作典型地使用音圈电机组件来实现。此动作会生成和/或移动小颗粒。由此，光学过滤器可以被放置在图像传感器表面上，以充当防尘盖并防止颗粒落在图像传感器上。由于图像传感器的像素一般是很小的(例如，接近1微米)，因此甚至很小的灰尘颗粒都可以阻挡整个像素，从而限制功能并影响图片质量。
如果利用包括本文中所描述的可变焦透镜的图像捕获设备(例如，如图2中所示)来实现自动对焦和光学图像稳定化功能，则不需要相对于图像传感器来移动光学系统。替代地，在一些实施例中，可以跨液体透镜的四个电极均等地施加电压，以在液体透镜的极性流体与油之间产生表面张力，并且引起流体与正光学功率之间的曲率差。另外或替代地，通过跨四个电极中的两个电极施加不相等的电压，液体透镜表面可以被倾斜，以补偿手部动作并实现光学图像稳定化。
由于在可变焦透镜的实现方式的情况下光学系统不需要相对于图像传感器移动，因此透镜叠层可以被持久地附连至图像传感器并充当防尘盖。另外或替代地，液体透镜具有两个平坦玻璃表面，这两个平坦玻璃表面中的任一者可以是用于应用电介质带通光谱过滤器(例如，光学过滤器)的理想位置。
在一些实施例中，电子设备包括本文中所描述的可变焦透镜和/或图像捕获设备。例如，该电子设备包括相机模块，该相机模块包括图像捕获设备。在一些实施例中，电子设备包括智能电话、平板计算机或数码相机。另外或替代地，该电子设备包括光学对焦、自动对焦和/或光学图像稳定化功能，这些功能通过如本文中所描述改变可变焦透镜的界面的形状来控制。
对本领域技术人员显而易见的是，可做出各种修改和变型，而不背离所要求的主题的精神或范围。因此，除了所附的要求保护的主题及其等效方案之外，要求保护的主题不是限制性的。

Claims (27)

1.一种液体透镜，包括：
透镜主体，所述透镜主体包括第一窗口、第二窗口、以及设置在所述第一窗口与所述第二窗口之间的腔体；
第一液体和第二液体，设置在所述透镜主体的所述腔体内，所述第一液体和所述第二液体彼此基本上不混容并且具有不同的折射率，以使得所述第一液体与所述第二液体之间的界面形成透镜；以及
光学过滤器，与所述第一窗口或所述第二窗口中的至少一者集成。
2.如权利要求1所述的液体透镜，其中，所述光学过滤器是带通过滤器。
3.如权利要求2所述的液体透镜，其中，在300nm至1300nm的操作波长范围中，所述光学过滤器包括至多大约450nm的下截止波长以及至少大约600nm的上截止波长。
4.如权利要求2或权利要求3所述的液体透镜，其中，所述光学过滤器在大约450nm至大约580nm的透射波长范围中包括至少80％的透射率。
5.如权利要求1至4中任一项所述的液体透镜，其中，所述光学过滤器包括电介质叠层，所述电介质叠层设置在所述第一窗口或所述第二窗口中的至少一者的外表面上并且包括高折射率材料层和低折射率材料的交替层。
6.如权利要求5所述的液体透镜，其中，所述电介质叠层阻挡处于低于下截止波长的较低波长范围中的光。
7.如权利要求5或权利要求6所述的液体透镜，其中，所述电介质叠层包括抗反射过滤器。
8.如权利要求5所述的液体透镜，其中：
所述光学过滤器包括设置在所述第一窗口的外表面上的第一电介质叠层以及设置在所述第二窗口的外表面上的第二电介质叠层；
所述第一电介质叠层阻挡处于低于下截止波长的较低波长范围中的光；并且
所述第二电介质叠层是抗反射过滤器。
9.如权利要求5至8中任一项所述的液体透镜，其中，所述光学过滤器包括吸收层，所述吸收层吸收处于高于上截止波长的吸收波长范围中的光。
10.如权利要求9所述的液体透镜，其中，所述吸收层被设置在所述第一窗口或所述第二窗口中的至少一者的外表面上。
11.如权利要求9所述的液体透镜，其中，所述第一窗口或所述第二窗口中的至少一者由吸收材料形成，以使得所述第一窗口或所述第二窗口中的至少一者包括所述吸收层。
12.如权利要求1至11中任一项所述的液体透镜，其中，所述第一窗口或所述第二窗口中的至少一者的外表面基本上是平面的。
13.如权利要求1至11中任一项所述的液体透镜，其中，所述第一窗口或所述第二窗口中的至少一者的外表面是非平面的。
14.一种图像捕获设备，包括：
光学系统，所述光学系统包括可变焦透镜；
图像传感器；以及
光学过滤器，与所述光学系统集成；
其中，所述图像传感器和所述光学过滤器中的每一者沿所述光学系统的光轴对准；并且
其中，所述可变焦透镜和所述图像传感器中的每一者被接合至壳体，以使得密封腔室在所述可变焦透镜与所述图像传感器之间的所述壳体内被限定。
15.如权利要求14所述的图像捕获设备，其中，所述光学过滤器的至少部分被设置在所述可变焦透镜的表面上。
16.如权利要求14或权利要求15所述的图像捕获设备，其中：
所述光学系统包括固定透镜；并且
所述光学过滤器的至少部分被设置在所述固定透镜的表面上。
17.如权利要求14至16中任一项所述的图像捕获设备，其中，所述可变焦透镜能调整以便在无需相对于所述图像传感器平移所述光学系统的情况下改变所述光学系统的焦距。
18.如权利要求14至17中任一项所述的图像捕获设备，其中，所述光学系统被定位成用于将图像光聚焦在所述图像传感器上。
19.如权利要求14至18中任一项所述的图像捕获设备，其中，所述可变焦透镜是液体透镜，所述液体透镜包括第一液体与第二液体之间的界面。
20.如权利要求14至19中任一项所述的图像捕获设备，其中，所述光学过滤器包括带通过滤器。
21.一种液体透镜，包括：
透镜主体，所述透镜主体包括第一窗口、第二窗口、以及设置在所述第一窗口与所述第二窗口之间的腔体；
第一液体和第二液体，设置在所述透镜主体的所述腔体内，所述第一液体和所述第二液体彼此基本上不混容并且具有不同的折射率，以使得所述第一液体与所述第二液体之间的界面形成透镜；
第一光学过滤器分段，设置在所述第一窗口的外表面上并且包括电介质叠层；以及
第二光学过滤器分段，设置在所述第二窗口的外表面上并且包括吸收层和电介质叠层。
22.一种电子设备，包括如权利要求1至13、以及21中任一项所述的液体透镜或者如权利要求14至20中任一项所述的图像捕获设备。
23.如权利要求22所述的电子设备，其中，所述电子设备是智能电话、平板计算机或数码相机。
24.一种用于形成液体透镜的方法，所述方法包括：
在第一外层或第二外层中的一者的表面上形成光学过滤器的至少部分；
将所述第一外层接合至中间层的物体侧表面，并且将所述第二外层接合至所述中间层的图像侧表面，由此形成设置在所述第一外层与所述第二外层之间的腔体。
25.如权利要求24所述的方法，进一步包括：在将所述第一外层接合至中间层的物体侧表面的步骤与将所述第二外层接合至所述中间层的图像侧表面的步骤之间，将第一液体和第二液体沉积至在所述中间层中形成的钻孔中，由此将所述第一液体和所述第二液体密封在所述腔体内。
26.如权利要求24或权利要求25所述的方法，其中，形成所述光学过滤器的至少部分包括：将高折射率材料层和低折射率材料的交替层沉积在所述第一外层或所述第二外层中的一者的表面上。
27.如权利要求24至26中任一项所述的方法，其中，所述液体透镜是液体透镜阵列中的一个液体透镜，并且所述方法进一步包括：使所述液体透镜阵列单片化。
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