CN112068292A - 一种微型光学装置及设有该微型光学装置的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型光学装置及设有该微型光学装置的光学系统，属于光学成像设备技术领域。微型光学装置包括由成对的两片多项式自由曲面透镜组成的透镜组，以及用于驱动所述多项式自由曲面透镜沿垂直光轴的方向移动的驱动机构；所述多项式自由曲面透镜包含两个多项式自由曲面，其中相对的两个表面和背对的两个表面分别具有相同的面形。通过两片多项式自由曲面透镜组成的透镜组中两片多项式自由曲面沿垂直于光轴方向相向同步的运动实现光焦度的变化。本光学系统能够在保持光学系统长度不变的情况下，实现光学连续变焦，适用于一些空间受限的光学系统，如手机内置变焦光学系统和内窥变焦光学系统中。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像设备技术领域，具体地说，涉及一种微型光学装置及设有该微型光学装置的光学系统。
背景技术
光学变焦系统的焦距能够在一定范围内连续变化，通过焦距的连续变化能够实现对不同远近的物体清晰成像。光学变焦系统的成像质量取决于镜头的焦距，所以分辨率及画质不会改变。而数码变焦只能将原先的图像尺寸裁小，让图像在显示屏幕上变得比较大，但是细节的清晰度会变差。捕捉到的数字图像通过内部程序对图像中心部分放大或缩小时，复杂的矩阵获得相邻像素，并用类似细胞再生的方法将图像放大(或插值)，从而产生了数码变焦。插值程度越大，数码变焦越大。插值过度时就会产生颗粒和像素化情况。
近二十年，手机拍摄应用越来越广泛，但是由于采用传统光学变焦方式的镜头结构复杂，体积大，光学变焦系统在手机上的应用受到了非常大的限制。目前手机内变焦的方式大多是采用多个不同焦距的定焦镜头，通过数码变焦的方式实现变焦，却无法获得在连续焦距范围的清晰成像。
另外，光学系统成像满足下面的几何关系式：
其中f为光学系统的焦距，u为物距，V像距。
由上式可知，当某一光学系统对不同距离的物体成像时，由于焦距为固定值，为了对不同距离的物体获得清晰成像，像距的大小要随物距的变化而作相应的改变。传统的单反相机中通常采用移动镜头中的某一个或一组镜片来微调相距，或者是直接移动图像探测器的位置来改变相距获得清晰图像。现在广泛使用的手机拍摄成像系统中，采用的方法是通过音圈马达(VCM)来实现像距的动态调节。音圈马达主要由线圈，磁铁组和弹片构成，线圈通过上下两个弹片固定在磁铁组内，当给线圈通电时，线圈会产生磁场，线圈磁场和磁石组相互作用，线圈会向上移动，而锁在线圈里的摄像头便一起移动，当断电时，线圈在弹片弹力下返回，这样就实现了自动对焦功能。通过图像算法或者激光测距获取成像物体距离信息，通过驱动音圈马达来实现像距的动态实时调节，从而获取不同距离物体的清晰成像。
近年来，为了实现更大焦距范围的成像，手机上的成像镜头越来越多，有3个摄像头、4个摄像头甚至5个摄像头，镜头的焦距范围变化越来越大，从超短焦距到5倍甚至10倍焦距变化。随着透镜的焦距变长，当物距变化时(从无穷远到微距)，像距的变化范围也越来越大。对于1X焦距镜头，物距从无穷远到3cm距离变化时，VCM驱动镜头范围400um可以实现清晰成像，而对3X焦距镜头，物距从无穷远到3cm距离变化时，像距变化范围超过 1.5mm,如果仍采用VCM来调节像距，那么VCM的行程大大增加，同时随着镜头焦距的增加，光学系统的体积和质量也增加，驱动的载荷和功耗也会增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种微型光学装置及设有该微型光学装置的光学系统，能够在保持光学系统长度不变的情况下，实现光焦度的变化，适用于一些空间受限的变焦光学系统，如手机内置光学系统和内窥光学系统中。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的微型光学装置包括由成对的两片多项式自由曲面透镜组成的透镜组，以及用于驱动所述多项式自由曲面透镜沿垂直光轴的方向移动的驱动机构；所述多项式自由曲面透镜包含两个多项式自由曲面，其中相对的两个表面和背对的两个表面分别具有相同的面形。
上述技术方案中，通过两片多项式自由曲面透镜组成的透镜组中两片多项式自由曲面沿垂直于光轴方向相向同步的运动实现光焦度的变化。本光学系统能够在保持光学系统长度不变的情况下，实现光学连续变焦，适用于一些空间受限的光学系统，如手机内置变焦光学系统和内窥变焦光学系统中。
优选的，以x方向为移动方向，每个多项式自由曲面透镜的表面多项式方程为：
其中，z为两个多项式表面高度，A为多项式系数，f(x，y)为高阶多项式，f(x，y)＝b10xy0+b20x2y0+b02x0y2+b04x0y4+ b22x2y2+b40x4y0+b14x1y4+b32x3y2+b50x5y0+…
其中，b10，b20，b02，...为高阶多项式系数。
每个多项式自由曲面变焦透镜组中，相邻的两个表面(间隔前后两个表面)具有相同的面形，
产生光焦度为：
其中，
为两个相邻多项式自由曲面产生的光焦度，A1为多项式系数，δ为两个自由曲面透镜之间的相对移动的距离，n为自由曲面透镜的材料折射率。
每个多项式自由曲面变焦透镜组中，远离的两个表面(最前和最后的两个表面)具有相同的面形，
产生光焦度为：
其中，
为两个远离的两个多项式自由曲面产生的光焦度，A2为多项式系数，δ为两个自由曲面透镜之间的相对移动的距离，n为自由曲面透镜的材料折射率。
优选的，两个多项式自由曲面透镜沿垂直于光轴方向移动时，所产生的总的光焦度为：
其中，
为相对的两个表面产生的光焦度，
为背对的两个表面产生的光焦度；
和
光焦度分配比例范围为0.02～50。
可选地，在一个实施例中，所述的驱动机构包括旋转驱动器、设置在所述旋转驱动器输出端的螺杆、以及与所述螺杆配合的左旋螺母和右旋螺母；成对的两片多项式自由曲面透镜分别与所述左旋螺母和所述右旋螺母固定连接。
当旋转驱动器带动螺杆旋转时，使左旋螺母和右旋螺母朝向相反的方向移动，从而实现成对的两片多项式自由曲面透镜的错位移动，满足光焦度的变化。
可选地，在一个实施例中，所述的驱动机构包括直线驱动器、设于所述直线驱动器输出端的移动板、安装在所述移动板上且反向设置的两个楔形块、以及端部分别顶在两楔形块的楔面上的两个导杆；成对的两片多项式自由曲面透镜的端面分别与两导杆的另一端部固定，且在所述多项式自由曲面透镜的另一端面处设有复位弹片。
直线驱动器带动移动板上下移动，由于两楔形块的楔面方向相反，当在移动板的带动下向上移动时，其中一个楔形块会顶住导杆向后移动，另一个楔形块会松开，并在复位弹片的作用下，使另一个导杆向前移动，从而实现成对的两片多项式自由曲面透镜的错位移动，满足光焦度的变化。
可选地，在一个实施例中，所述的驱动机构还包括一固定座，以及设置在所述的多项式自由曲面透镜的端面且与所述导杆平行设置的辅助导杆，所述固定座上设有与所述导杆及辅助导杆配合的导槽。
可选地，在一个实施例中，所述的驱动机构包括直线驱动器、设于所述直线驱动器输出端的推杆、活动连接在所述推杆上的两连杆、活动安装在两连杆的端部的滑块、以及与两滑块配合的导杆；推杆移动时，使两连杆带动两滑块沿导杆朝向相反的方向滑动；成对的两片多项式自由曲面透镜的端面分别与两滑块固定连接。
直线驱动器带动推杆上下移动，两连杆带动滑块朝向相反的方向移动，从而实现成对的两片多项式自由曲面透镜的错位移动，满足光焦度的变化。
可选地，在一个实施例中，所述的导杆包括平行设置的两个，所述的滑块上设有分别与两导杆滑动配合的通孔。
第二方面，本发明提供的一种变焦光学系统，包括依次设置的第一变焦装置和第二变焦装置，所述第一变焦装置和第二变焦装置为上述微型光学装置，在第一变焦装置和第二变焦装置之间设置光阑和透镜，在第二变焦装置后设置聚焦透镜。
当两个多项式自由曲面透镜产生沿着垂直于光轴的方向的相对移动时，变焦透镜组的光焦度为所有多项式自由曲面透镜所产生光焦度的叠加。每组多项式自由曲面变焦透镜组中，由于采用了4个多项式自由曲面(两两一对)，在相对移动距离相同的情况下，可以产生更大的光焦度的变化。由于两个多项式自由曲面透镜相对移动的距离非常短，就可以获得非常大的光焦度的改变，能够实现快速的变焦过程。
第三方面，本发明提供的一种对焦光学系统，包括上述微型光学装置，当对不同距离的物体成像时，保持探测器与镜头距离不变，利用所述驱动机构沿垂直于光轴方向移动两片多项式自由曲面透镜，实现清晰成像。
当对不同距离的物体成像时，不用调整探测器与镜头的距离 (保持探测器与镜头距离不变)，沿垂直于光轴方向移动两片多项式自由曲面透镜，可以实现对焦和清晰的成像。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
通过本发明由两组多项式自由曲面变焦透镜组成的微型光学装置，透镜的光焦度变化过程由驱动机构驱动两片多项式自由曲面在垂直于光轴方向相向同步微小运动。整个光学装置能够保持在焦距变化的过程中，光学系统沿光轴的长度保持不变，适合于一些空间受限的应用场合，比如内窥变焦光学系统和手机内置变焦光学系统。
附图说明
图1为本发明实施例中微型光学装置的工作原理图，(a)(b) (c)分别表示两个多项式自由曲面透镜不同位置时的状态；
图2为本发明实施例中自由曲面位于相邻表面的自由曲面透镜组原理图；
图3为本发明实施例中自由曲面位于远离的两个表面自由曲面透镜组原理图；
图4为本发明实施例中由4个多项式自由曲面(图2和图3的组合)组成的自由曲面透镜组原理图；
图5为本发明实施例中4个多项式自由曲面(相邻的两个表面和远离的两个表面构成两对表面)组成的自由曲面透镜组光焦度变化原理图；
图6为本发明实施例中变焦光学系统一的结构示意图；
图7为本发明实施例中变焦光学系统二的结构示意图；
图8为本发明实施例中变焦光学系统三的结构示意图；
图9为本发明实施例中变焦光学系统四的结构示意图；
图10为本发明实施例中变焦光学系统五的结构示意图；
图11为本发明实施例中变焦光学系统六的结构示意图；
图12为本发明实施例中变焦光学系统最前端放置45°反射镜 (a)或者等腰直角棱镜(b)实现对入射光路的90°折转；
图13为本发明应用例1中光学变焦系统在三个焦距位置光学系统结构图，其中(a)为广角端，(b)为中间焦距位置，(c)为望远端；
图14为本发明应用例2中光学变焦系统在三个焦距位置光学系统结构图，其中(a)为广角端，(b)为中间焦距位置，(c)为望远端；
图15为本发明实施例中驱动结构1的工作原理图；
图16为本发明实施例中驱动结构1的结构示意图；
图17为本发明实施例中驱动结构1的结构爆炸图；
图18为本发明实施例中驱动结构2的工作原理图；
图19为本发明实施例中驱动结构2的结构示意图；
图20为本发明实施例中驱动结构2的结构爆炸图；
图21为本发明实施例中驱动结构2的结构示意图；
图22为本发明实施例中驱动结构2的结构爆炸图；
图23为本发明实施例中驱动结构3的工作原理图；
图24为本发明实施例中驱动结构3的结构示意图；
图25为本发明实施例中驱动结构3的结构爆炸图；
图26为本发明实施例中对焦光学系统的工作原理图；
图27为透镜成像物像共轭距离中像距随物体变化示意图；
图28为本发明实施例中用于手机内置长焦距潜望式成像系统快速对焦系统结构；
图29为本发明实施例中对焦光学系统的结构示意图，其中，(a) 物体位于无穷远，(b)物体位于1000mm位置，(c)物体位于38.5mm 位置，(a)(b)(c)中透镜最后表面到图像传感器距离固定不变；
图30为本发明实施例中对焦后光学系统的调制传递函数(MTF)，其中，(a)物体位于无穷远，(b)物体位于1000mm位置，(c)物体位于 38.5mm位置；
图31为本发明实施例中采用调整光学系统与图像传感器之间距离的方式对焦的光学系统结构，其中，(a)物体位于无穷远，透镜最后表面到图像传感器距离0.99mm，(b)物体位于1000mm位置，透镜最后表面到图像传感器距离1.04mm(c)物体位于38.5mm位置，透镜最后表面到图像传感器距离2.732mm；
图32为本发明实施例中采用调整光学系统与图像传感器之间距离的方式对焦后光学系统的调制传递函数(MTF)，其中，(a)物体位于无穷远，(b)物体位于1000mm位置，(c)物体位于38.5mm位置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
参见图1至图5，本实施例的微型光学装置包括由成对的两片多项式自由曲面透镜组成的透镜组，以及用于驱动多项式自由曲面透镜沿垂直光轴的方向移动的驱动机构；多项式自由曲面透镜包含两个多项式自由曲面，其中相对的两个表面和背对的两个表面分别具有相同的面形。当两个多项式自由曲面透镜产生沿着垂直于光轴的方向的相对移动时，具有相同的面形的两对表面会分别产生一个随移动距离变化的光焦度，透镜组的光焦度为所有多项式自由曲面所产生光焦度的叠加。每组多项式自由曲面透镜组中，由于采用了 4个多项式自由曲面(两两一对)，在相对移动距离相同的情况下，可以产生更大的光焦度的变化。由于两个多项式自由曲面透镜相对移动的距离非常短，就可以获得非常大的光焦度的改变，能够实现快速的光焦度变化过程。
微型光学装置中的多项式自由曲面镜片有三种结构形式：a)两片多项式自由曲面镜片的相邻光学表面为多项式曲面，另外一面为平面，如图2所示；b)两片多项式自由曲面镜片的相邻光学表面为平面，另外一面为多项式自由曲面，如图3所示；c)两片多项式自由曲面镜片的光学表面均为多项式自由曲面，如图4所示，其中相邻两个表面为一组，远离的两个表面为另一组。
本实施例的驱动机构包括但不限于以下三种形式：
1.参见图15至图17，驱动机构包括旋转驱动器100、设置在旋转驱动器100输出端的螺杆101、以及与螺杆101配合的左旋螺母102和右旋螺母103；成对的两片多项式自由曲面透镜分别通过连接块104与左旋螺母102和右旋螺母103固定连接。当旋转驱动器100带动螺杆101旋转时，使左旋螺母102和右旋螺母103朝向相反的方向移动，从而实现成对的两片多项式自由曲面透镜的错位移动，满足光焦度的变化。
2.参见图18至图22，驱动机构包括直线驱动器200、设于直线驱动器输出端的移动板201、安装在移动板201上且反向设置的两个楔形块202和203、以及端部分别顶在两楔形块202和203的楔面上的两个导杆204和205；成对的两片多项式自由曲面透镜的端面分别与两导杆的另一端部固定，且在多项式自由曲面透镜的另一端面处设有复位弹片206。还包括一固定座207，以及设置在多项式自由曲面透镜的端面且与导杆平行设置的辅助导杆208，固定座上设有与导杆及辅助导杆配合的导槽209。
直线驱动器200带动移动板201上下移动，由于两楔形块202 和203的楔面方向相反，当在移动板201的带动下向上移动时，其中一个楔形块会顶住导杆向后移动，另一个楔形块会松开，并在复位弹片的作用下，使另一个导杆向前移动，从而实现成对的两片多项式自由曲面透镜的错位移动，满足光焦度的变化。
3.参见图23至图25，驱动机构包括直线驱动器300、设于直线驱动器300输出端的推杆301、活动连接在推杆301上的两连杆 302和303、分别活动安装在两连杆302和303的端部的两滑块304 和305、以及与两滑块304和305配合的导杆306；推杆301移动时，使两连杆302和303带动两滑块304和305沿导杆306朝向相反的方向滑动；成对的两片多项式自由曲面透镜的端面分别与两滑块304和305固定连接。直线驱动器300带动推杆301上下移动，两连杆302和303带动滑块朝向相反的方向移动，从而实现成对的两片多项式自由曲面透镜的错位移动，满足光焦度的变化。
将本实施例的微型光学装置应用在变焦光学系统中，包括但不限于以下六种结构：
(1)参见图6，变焦光学系统一中包括两个微型光学装置，即包括两组四个多项式曲面组成的变焦透镜，分别为变焦装置01 和变焦装置02，光阑03位于两变焦装置之间，紧挨光阑03之前有一个球面或非球面正透镜04(变焦装置01和光阑03之间)，紧挨光阑03之后有一个球面或非球面的负透镜05(光阑03和变焦装置 02之间)，像面07之前有一个由球面或者非曲面透镜组成的聚焦镜组06。参见图6(a)，在广角端(短焦时)，变焦装置01为负光焦度，变焦装置02为正光焦度；参见图6(b)，在望远端(长焦时)，变焦装置01为正光焦度，变焦装置02为负光焦度。
(2)参见图7，变焦光学系统二中包括两个微型光学装置，即包括两组四个多项式曲面组成的变焦透镜，分别为变焦装置11 和变焦装置12，光阑13位于两变焦装置之间，紧挨光阑13之前有一个球面或非球面的负透镜14(变焦装置11和光阑13之间)，紧挨光阑13之后有一个球面或非球面正透镜15(光阑13和变焦装置 12之间)，像面17之前有一个由球面或非曲面透镜组成的聚焦镜组16。参见图7(a)，在广角端(短焦时)，变焦装置11为负光焦度，变焦装置12为正光焦度；参见图7(b)，在望远端(长焦时)，变焦装置11为正光焦度，变焦装置12为负光焦度。
(3)参见图8，变焦光学系统三中包括两个微型光学装置，即包括两组四个多项式曲面组成的变焦透镜，分别为变焦装置21 和变焦装置22，光阑23位于两组变焦装置之间，紧挨光阑23之前有一个球面或非球面的负透镜24(变焦装置21和光阑23之间)，像面26之前有一个由球面或非曲面透镜组成的聚焦镜组25。参见图8(a)，在广角端(短焦时)，变焦装置21为负光焦度，变焦装置22为正光焦度；参见图8(b)，在望远端(长焦时)，变焦装置21为正光焦度，变焦装置22为负光焦度。
(4)参见图9，变焦光学系统四中包括两个微型光学装置，即包括两组四个多项式曲面组成的变焦透镜，分别为变焦装置31 和变焦装置32，光阑33位于两组变焦装置之间，紧挨光阑33之后有一个球面或非球面的正透镜34(变焦装置31和光阑33之间)，像面36之前有一个由球面或非曲面透镜组成的聚焦镜组35。参见图9(a)，在广角端(短焦时)，变焦装置31为负光焦度，变焦装置32为正光焦度；参见图9(b)，在望远端(长焦时)，变焦装置31为正光焦度，变焦装置32为负光焦度。
(5)参见图10，变焦光学系统五中包括两个微型光学装置，即包括两组四个多项式曲面组成的变焦透镜，分别为变焦装置41 和变焦装置42，光阑43位于两组变焦装置之间，紧挨光阑43之前有一个球面或非球面的正透镜44(变焦装置41和光阑43之间)，像面46之前有一个由球面或非曲面透镜组成的聚焦镜组45。参见图10(a)，在广角端(短焦时)，变焦装置41为负光焦度，变焦装置42为正光焦度；参见图10(b)，在望远端(长焦时)，变焦装置41为正光焦度，变焦装置42为负光焦度。
(6)参见图11，变焦光学系统六中包括两个微型光学装置，即包括两组四个多项式曲面组成的变焦透镜，分别为变焦装置51 和变焦装置52，光阑53位于两组变焦装置之间，紧挨光阑53之后有一个球面或非球面的负透镜54(变焦装置51和光阑53之间)，像面之前有一个由球面或者是非曲面透镜组成的聚焦镜组。参见图 11(a)，在广角端(短焦时)，变焦装置51为负光焦度，变焦装置52为正光焦度；参见图11(b)，在望远端(长焦时)，变焦装置51为正光焦度，变焦装置52为负光焦度。
参见图12，变焦光学系统最前端放置45°反射镜或者等腰直角棱镜实现对入射光路的90°折转。
将本实施例的变焦光学系统应用到智能变焦眼镜上，眼镜上的距离传感器检测出目标平面的距离，移动活动自由曲面镜片的位置，使变焦透镜组的光焦度为0，人眼工作在正常状态下(不戴眼镜时看远处物体的状态，眼部肌肉处于放松状态)，当人眼观察近处目标时(比如看书，看手机屏幕)，智能眼镜上的位移传感器检测出此时的物体距离人眼的距离，控制活动自由曲面镜片移动到合适的位置，使变焦透镜组的光焦度为负(如-300度)，这个时候人眼仍能在观察远处物体时的状态看清楚近处的目标，且人眼步的肌肉处于放松状态。智能变焦眼镜可以使人眼始终工作在眼部肌肉放松的状态，从而预防和避免眼睛长时间工作在近距离看物体导致的近视，特别使青少年学生的近视。
将本实施例的微型光学装置应用在快速对焦光学系统中，参见图26和28，在传统光学系统中置入上述微型光学装置，透镜组中两片多项式自由曲面可以沿垂直于光轴方向相向同步的运动，当对不同距离的物体成像时，不用调整探测器与镜头的距离(保持探测器与镜头距离不变)，沿垂直于光轴方向移动两片多项式自由曲面镜片，可以实现对焦和清晰的成像。本实施例能够使光学成像系统在保持光学系统长度不变和光学镜头与探测器的距离不变的情况下，实现对不同距离的物体清晰成像，适用于一些空间受限的光学系统的自动对焦，如手机内置光学系统特别是手机内置长焦距光学系统的自动对焦。
传统的对焦方式主要采用调整镜头与图像传感器之间的距离，通过移动镜头或者图像传感器来实现对焦，如图27所示。相对于移动整个镜头部件或者图像传感器，本实施例中的快速对焦光学系统能够内置在手机里面或作为内窥光学变焦成像系统，具有结构紧凑，实现快速对焦，相对于现有的手机内采用音圈马达带动整个镜头运动的对焦方式，具有速度更快，功耗低，获得的图像质量更高，具有非常重要的意义。
应用例1
一个3X倍光学变焦系统，焦距变化范围5.5mm～14.5mm，探测器为1/3”CMOS，采用两组多项式自由曲面变焦透镜组，光阑位于两组变焦透镜组之间，紧挨光阑之前有一个负光焦度的非球面透镜，紧挨光阑后有一个正光焦度的非球面透镜，探测器前有四个非球面透镜组成的聚焦透镜组，如图13所示，分别为光学变焦系统在焦距为5.5mm，10.0mm和14.5mm位置的结构图。所有光学透镜材料均为树脂材料，材料分布为：
变焦装置1的相邻的两个多项式自由曲面，系数A1＝0.038，高阶系数如下表，变焦装置1的远离的两个多项式自由曲面，系数 A2＝-0.019，高阶系数如下表：
| 序号 | 高阶系数 | 相邻表面 | 远离表面 |
| 1 | b<sub>20</sub> | 0.003056 | 0.00001782 |
| 2 | b<sub>02</sub> | 0.108 | -0.026 |
| 3 | b<sub>04</sub> | -0.01 | -0.0005384 |
| 4 | b<sub>22</sub> | 0.001134 | -0.001074 |
| 5 | b<sub>40</sub> | -0.0008145 | -0.0006348 |
| 6 | b<sub>14</sub> | -0.001423 | 0.0002748 |
| 7 | b<sub>32</sub> | -0.0008993 | 0.0004588 |
| 8 | b<sub>50</sub> | -0.0006350 | 0.00002828 |
| 9 | … | … | … |
变焦装置2的相邻的两个多项式自由曲面，系数A1＝0.032，高阶系数如下表，变焦装置2的远离的两个多项式自由曲面，系数 A2＝-0.03，高阶系数如下表：
| 序号 | 高阶系数 | 相邻表面 | 远离表面 |
| 1 | b<sub>20</sub> | -0.025 | 0.019 |
| 2 | b<sub>02</sub> | -0.006695 | 0.092 |
| 3 | b<sub>04</sub> | 0.003932 | 0.011 |
| 4 | b<sub>22</sub> | 0.001301 | 0.003008 |
| 5 | b<sub>40</sub> | 0.001473 | -0.0002309 |
| 6 | b<sub>14</sub> | 0.0003249 | 0.0003072 |
| 7 | b<sub>32</sub> | 0.0003576 | 0.0002542 |
| 8 | b<sub>50</sub> | -0.0001061 | -0.000008602 |
| 9 | … | … | … |
图13为光学变焦系统在三个焦距位置光学系统结构图。
应用例2
一个3X倍光学变焦系统，焦距变化范围5.30mm～15.5mm，探测器为1/2.7”CMOS，采用两组多项式自由曲面变焦透镜组，光阑位于两组变焦透镜组之间，紧挨光阑后有一个正光焦度的非球面透镜，探测器前有四个非球面透镜组成的聚焦透镜组，如图14所示，分别为光学变焦系统在焦距为5.30mm，10.5mm和15.5mm位置的结构图。所有光学透镜材料均为树脂材料，材料分布为：
变焦装置1的相邻的两个多项式自由曲面，系数A1＝0.026，高阶系数如下表，变焦装置1的远离的两个多项式自由曲面，系数 A2＝-0.026，高阶系数如下表：
| 序号 | 高阶系数 | 相邻表面 | 远离表面 |
| 1 | b<sub>20</sub> | 0.005626 | -0.012 |
| 2 | b<sub>02</sub> | 0.055 | -0.035 |
| 3 | b<sub>04</sub> | 0.004972 | 0.003223 |
| 4 | b<sub>22</sub> | -0.0006529 | -0.0002119 |
| 5 | b<sub>40</sub> | -0.0003496 | 0.001090 |
| 6 | b<sub>14</sub> | -0.00004864 | 0.00001836 |
| 7 | b<sub>32</sub> | -0.001298 | 0.001881 |
| 8 | b<sub>50</sub> | -0.0002431 | 0.00009178 |
| 9 | … | … | … |
变焦装置2的相邻的两个多项式自由曲面，系数A1＝0.021，高阶系数如下表，变焦装置2的远离的两个多项式自由曲面，系数 A2＝-0.022，高阶系数如下表：
| 序号 | 高阶系数 | 相邻表面 | 远离表面 |
| 1 | b<sub>20</sub> | -0.006123 | -0.002577 |
| 2 | b<sub>02</sub> | -0.081 | -0.013 |
| 3 | b<sub>04</sub> | 0.008796 | -0.0007117 |
| 4 | b<sub>22</sub> | 0.002346 | -0.0005061 |
| 5 | b<sub>40</sub> | 0.00211 | 0.0001791 |
| 6 | b<sub>14</sub> | 0.00004028 | -0.00001478 |
| 7 | b<sub>32</sub> | 0.003787 | 0.0008692 |
| 8 | b<sub>50</sub> | 0.0002014 | -0.00007387 |
| 9 | … | … | … |
变焦透镜组在不同焦距位置光焦度值：
图14为光学变焦系统在三个焦距位置光学系统结构图。
应用例3
一个手机内置的长焦距定焦系统，焦距为7.25mm，探测器为 1/3”CMOS。用于对焦的自由曲面透镜组位于成像系统前端。自由曲面透镜组的四个表面均为多项式自由曲面，其中相邻的两个表面具有相同的系数为一组，远离的另外两个表面具有相同的系数为另一组。通过沿垂直于光轴方向同步相向移动两个自由曲面透镜，可以对不同距离物体成像的清晰对焦，如图29所示，(a)(b)(c)分别为成像物体在距离为无穷远，1000.0mm和38.5mm位置的对焦光学系统结构图。
自由曲面透镜组1的相邻的两个多项式自由曲面，系数 A1＝0.010，远离的两个多项式自由曲面，系数A2＝0.0032，高阶系数如下表：
| 序号 | 高阶系数 | 相邻表面 | 远离表面 |
| 1 | b<sub>20</sub> | 0.044 | 0.052 |
| 2 | b<sub>02</sub> | -0.0009536 | 0.004824 |
| 3 | b<sub>04</sub> | 0.000415 | 0.0006004 |
| 4 | b<sub>22</sub> | 0.0004575 | -0.0002628 |
| 5 | b<sub>40</sub> | -0.0004571 | -0.005376 |
| 6 | b<sub>14</sub> | -0.001108 | -0.001363 |
| 7 | b<sub>32</sub> | -0.0006908 | -0.0007255 |
| 8 | b<sub>50</sub> | -0.00009706 | -0.00001820 |
| 9 | … | … | … |
不同距离物体自动对焦时自由曲面透镜移动距离：
图29为光学系统在对物体在三个不同距离位置成像的光学系统结构图。图30为在三个对焦位置的调制传递函数。对比图31和图32采用调整光学系统和图像传感器之间间隔(整体移动光学镜头) 的对焦方式，其中图31为物体在无穷远，1000mm和38.5mm位置移动镜头对焦的光学系统结构图。当物体位于无穷远位置时，透镜最后表面到图像传感器距离0.99mm；当物体位于1000mm位置时，透镜最后表面到图像传感器距离1.04mm；当物体位于38.5mm位置时,透镜最后表面到图像传感器距离2.732mm。图32为在这三个位置对焦后的光学系统调制传递函数。对比图30和图32在三个相同位置的调制传递函数，可以看出采用自由曲面透镜组的对焦方式在无穷远或者远距离位置也能够保持与直接调整镜头与图像传感器间隔的对焦方式相当的成像质量，而在微距或者近距离位置可以获得更佳的成像质量。
Claims (10)
1.一种微型光学装置，其特征在于，包括由成对的两片多项式自由曲面透镜组成的透镜组，以及用于驱动所述多项式自由曲面透镜沿垂直光轴的方向移动的驱动机构；所述多项式自由曲面透镜包含两个多项式自由曲面，其中相对的两个表面和背对的两个表面分别具有相同的面形。
2.根据权利要求1所述的微型光学装置，其特征在于，以x方向为移动方向，每个多项式自由曲面透镜的表面多项式方程为：
其中，z为两个多项式表面高度，A为多项式系数，f(x，y)为高阶多项式，f(x，y)＝b10xy0+b20x2y0+b02x0y2+b04x0y4+b22x2y2+b40x4y0+b14x1y4+b32x3y2+b50x5y0+…
其中，b10，b20，b02，...为高阶多项式系数。
3.根据权利要求1所述的微型光学装置，其特征在于，两个多项式自由曲面透镜沿垂直于光轴方向移动时，所产生的总的光焦度为：
其中，
为相对的两个表面产生的光焦度，
为背对的两个表面产生的光焦度；
和
光焦度分配比例范围为0.02～50。
4.根据权利要求1所述的微型光学装置，其特征在于，所述的驱动机构包括旋转驱动器、设置在所述旋转驱动器输出端的螺杆、以及与所述螺杆配合的左旋螺母和右旋螺母；成对的两片多项式自由曲面透镜分别与所述左旋螺母和所述右旋螺母固定连接。
5.根据权利要求1所述的微型光学装置，其特征在于，所述的驱动机构包括直线驱动器、设于所述直线驱动器输出端的移动板、安装在所述移动板上且反向设置的两个楔形块、以及端部分别顶在两楔形块的楔面上的两个导杆；成对的两片多项式自由曲面透镜的端面分别与两导杆的另一端部固定，且在所述多项式自由曲面透镜的另一端面处设有复位弹片。
6.根据权利要求5所述的微型光学装置，其特征在于，所述的驱动机构还包括一固定座，以及设置在所述的多项式自由曲面透镜的端面且与所述导杆平行设置的辅助导杆，所述固定座上设有与所述导杆及辅助导杆配合的导槽。
7.根据权利要求1所述的微型光学装置，其特征在于，所述的驱动机构包括直线驱动器、设于所述直线驱动器输出端的推杆、活动连接在所述推杆上的两连杆、活动安装在两连杆的端部的滑块、以及与两滑块配合的导杆；推杆移动时，使两连杆带动两滑块沿导杆朝向相反的方向滑动；成对的两片多项式自由曲面透镜的端面分别与两滑块固定连接。
8.根据权利要求7所述的微型光学装置，其特征在于，所述的导杆包括平行设置的两个，所述的滑块上设有分别与两导杆滑动配合的通孔。
9.一种变焦光学系统，其特征在于，包括依次设置的第一变焦装置和第二变焦装置，所述第一变焦装置和第二变焦装置为权利要求1～8中任一权利要求所述的微型光学装置，在第一变焦装置和第二变焦装置之间设置光阑和透镜，在第二变焦装置后设置聚焦透镜。
10.一种对焦光学系统，其特征在于，包括权利要求1～8中任一权利要求所述的微型光学装置，当对不同距离的物体成像时，保持探测器与镜头距离不变，利用所述驱动机构沿垂直于光轴方向移动两片多项式自由曲面透镜，实现清晰成像。
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