CN1890583A - 不动的变焦距透镜 - Google Patents

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Abstract

公开了提供变焦距透镜的系统和方法。例如，根据本发明的一个实施例，变焦距透镜(100)带有一个可调谐的透镜(104)。不需要机械地运动或改变一个或多个透镜零件之间的隔开距离，而可以改变该变焦距透镜的焦距。

Description

不动的变焦距透镜
技术领域
本发明一般涉及光学装置，更具体地，涉及变焦距透镜。
背景技术
变焦距透镜(即具有可变化的焦距的任何形式的透镜)是众所周知和在各种应用场合中使用的。通常的变焦距透镜可以包括至少二个透镜零件，其间隔确定该变焦距透镜的焦距。作为一个例子，照相机的机械补偿的变焦距透镜一般可使二个零件运动，使图象位置或图象平面保持固定不变。作为另一个例子，变焦距透镜可以具有一个物镜，一个目镜和该物镜和该目镜之间的一个场镜。通过使该场镜和可能的话，该物镜运动，可改变该变焦距透镜的焦距。
通常的变焦距透镜的一个缺点为它们大和重，迫使得难以将该变焦距透镜结合到一个小的装置(例如，移动电话，个人数字助理(PDA)或紧凑照相机)中。一般，变焦距透镜通常的另一个缺点为必需使一个或多个透镜零件运动(例如，在该变焦距透镜内机械地重新定位)以改变焦距，这通常需要空间和动力来完成该运动。作为一个例子，随着一般有严格的功率要求和受其电池容量限制的移动电话的小照相机、PDA、和紧凑的数码相机的发展和快速进入市场，明显地需要一种改善的变焦距透镜。
发明内容
现在说明形成变焦距透镜的系统和方法。例如，根据本发明的一个实施例，变焦距透镜带有一个可调谐的透镜。通过改变加在该可调谐透镜上的电压电平，可改变该变焦距透镜的焦距。因此，可以不需要机械地使其透镜零件运动，即可以改变该变焦距透镜的焦距。结果，该变焦距透镜比通常的变焦距透镜有一些优点，例如，功率要求低，没有机械驱动机构，能够制造得较小，较轻和更加紧凑。
更具体地说，根据本发明的一个实施例，变焦距透镜包括折射率可变化的第一透镜，和第二透镜。根据该第一透镜的折射率，该第一透镜和第二透镜可提供该变焦距透镜的可变化的焦距。
根据本发明的另一个实施例，一个光学装置包括第一透镜；至少是相对该第一透镜放置的第二透镜，使得光通过该光学装置的第一透镜和至少是第二透镜，并且该第一透镜的折射率可变化，以形成该光学装置的可变化的焦距。
根据本发明的另一个实施例，改变变焦距透镜的焦距的方法包括提供具有可变化的折射率的第一透镜，提供第二透镜，和改变第一透镜的折射率以改变变焦距透镜的焦距。
本发明的范围由包括在这部分中供参考的权利要求书确定。本领域的技术人员通过考虑以下一个或多个实施例的详细说明，将会完全了解本发明的实施例以及其另外的优点的实现。现对附图作第一次简要的说明。
附图说明
图1表示根据本发明的一个实施例的变焦距透镜；
图2表示根据本发明的一个实施例的变焦距透镜；
图3表示根据本发明的一个实施例的变焦距透镜；
图4表示根据本发明的一个实施例的变焦距透镜；
图5a和5b表示根据本发明的一个实施例的可调谐的透镜的顶部透视图和侧视图；
图6表示根据本发明的一个实施例的非线性晶体和可调谐的透镜。
通过参照下列的详细说明，可以最好地了解本发明的实施例及其优点。应当明了利用相同的符号表示在一个或多个图中所示的相同的零件。
具体实施方式
图1表示根据本发明的一个实施例的变焦距透镜100。变焦距透镜100包括一个物镜102，一个可调谐的场镜104和一个成象透镜106。物镜102(标记为f0)和成象透镜106(标记为f1)可以分别代表通常的物镜和通常的象镜(也称为成象透镜或目镜)，并可以由玻璃、塑料或其他已知的通常的透镜材料制成。
成象透镜106可以放置在靠近可调谐的场镜104的地方，或形成可调谐场镜104的一部分(标记为fLC)。如进一步详细说明那样，可调谐场镜104为通过将电压加在可调谐场镜104上，可以改变其折射率的透镜。通过改变可调谐场镜104的折射率，可以改变变焦距透镜100的焦距。
如图1中作为一个例子所示，物镜102，可调谐的场镜104和成象透镜106作用是将光110引导(例如放大)和聚焦在图象平面108上。使用者可以改变可调谐的场镜104的折射率，以改变变焦距透镜100的焦距(根据应用情况不同，也称为变焦，变倍，变度数或变视野)。相反，通常的变焦距透镜一般需要使其一个或多个透镜零件物理方法运动或重新定位，以形成不同的焦距。
因为变焦距透镜100不需要使其透镜零件(例如，物镜102，可调谐的场镜104和/或成象透镜106)运动或机械地重新定位，以调节其焦距，因此变焦距透镜100(与这里所述的一个或多个其他实施例一起)比通常的变焦距透镜具有一些优点。例如，变焦距透镜100可为便携式装置(例如，照相机，移动电话或PDA)提供不动的、紧凑的变焦距透镜。变焦距透镜100可以设计成紧凑的，同时仍然提供宽广的视角和可变化的焦距。
变焦距透镜100表示透镜零件的一个示例性结构，但这个结构不是限制性的，应当理解本发明的原理可以用在各种可调谐透镜的透镜结构和应用中。例如，图2表示根据本发明的一个实施例的变焦距透镜200。变焦距透镜200包括一个物镜202和一个目镜204。
物镜202为一个可调谐的物镜。如这里进一步详细说明的那样，它例如通过改变加在物镜202上的电压206，可以调谐(例如参见图5a和5b)。通过改变电压206的电压电平，物镜202改变加在光110上的偏转量(例如，改变物镜202的折射率)结果，改变变焦距透镜200提供的变焦距量或放大倍数。
作为另一个例子，图3表示根据本发明的一个实施例的变焦距透镜300。变焦距透镜300包括一个物镜302，一个场镜304和一个目镜306。场镜304为一个可调谐的场镜，它可通过改变加在场镜304上的电压308的电压电平而调谐。物镜302，场镜304和目镜306可以实现的例如作为一个不动的变焦距透镜，以提供可变化的焦距和将光110引导至图象平面310上。
场镜304可以实现的例如作成为一个充满液晶的透镜，其放大率可由电压308的电压电平(即场镜304的外部偏压)调谐。通过调谐场镜304的放大率，可以改变场镜304的有效的折射率，结果，也可改变变焦距透镜300的焦距。
作为另一个例子，图4表示根据本发明的一个实施例的变焦距透镜400。变焦距透镜400包括一个物镜402，一个场镜404和一个目镜406。变焦距透镜400与变焦距透镜300(图3)相同，但变焦距透镜400提供一个可调谐的透镜402，而不是可调谐的场镜304(图3)。
通过加电压408，物镜402可调谐，当改变电压408的电压电平时，物镜402的折射率改变。物镜402，场镜404和目镜406可以实现的例如作为一个不动的变焦距透镜，以提供可变化的焦距和将光110引导至图象平面310上。
图5a和5b表示根据本发明的一个实施例的可调谐透镜500的顶部透视图和侧视图。可调谐透镜500包括一个基片502和一个透镜504。基片502可由玻璃或塑料或其他所希望的材料制成，以支承该透镜504。
本领域的技术人员知道，透镜504可由向列液晶制成。由液晶制成的透镜504可以提供可使用通常的半导体处理技术制造的一个低成本的可调谐透镜。可将一个或多个导体508(例如，诸如铟锡氧化物(ITO)一类的透明导体)包括在可调谐的透镜500中以将外部偏压506(例如，一个可变化的电压源)加在透镜504上。
作为一个例子，根据本发明的一个实施例，在外部直流(DC)偏压作用下，向列液晶分子与电场重新对准，以便有效地改变透镜504的透镜材料的折射率，并从而改变可调谐透镜500(或包括可调谐透镜500的变焦距透镜)的焦距。结果，例如通过改变外部偏压506的电压电平，可以改变透镜504的折射率，这又可改变使用该可调谐透镜500的变焦距透镜的焦距。
可调谐透镜500还可包括一个透镜510(例如，一个定焦透镜)。透镜510可以包括在该可调谐透镜500中，作为可调谐透镜500的一个整体部分。例如，透镜510可以通过光刻形成图形或其他本领域技术人员已知的技术，利用扩散、沉积、旋转聚合物的方法制成。
根据本发明的一个实施例，场镜104、物镜202、场镜304或物镜402可以如对可调谐透镜500所述的那样实现。例如，如果可调谐透镜500包括透镜510，则可用可调谐透镜500代替图1的可调谐的场镜104和成象透镜106。这样，可将所讨论的用于制造可调谐透镜500所述的方法用在这里所述的可调谐透镜中(例如，参见图1～4)，以形成具有可调谐的焦距的正象和负象透镜。
根据本发明的一个实施例，包括这里所述的一个可调谐透镜的变焦距透镜可使放大倍数的量改变(例如，直至3倍或更大的可变化的放大倍数)。有效的焦距可由外部偏压控制。根据所希望的应用或放大要求的不同(例如，提供电-光变焦距透镜)，该外部偏压可从1V变化至20V或更大。
根据本发明的一个实施例，提供了包括一个可调谐的透镜作为其透镜零件之一的一个不动的变焦距透镜。该变焦距透镜可提供具有连续地可变化的焦距的一个光学系统，但这不是限制性的。例如，该图象平面可以保留在一个固定位置上，或可需要在每一个增加的焦距上重新聚焦(例如，变焦透镜那样)。
一般，根据本发明的一个实施例，提供根据控制或改变其一个或多个透镜零件的有效折射率的不动的变焦距透镜。结果，在该变焦距透镜内，不需要一个或多个透镜零件的机械运动或物理的重新定位。
根据本发明的一个实施例，该可调谐的透镜可作成一个基于液晶的可调谐透镜。然而，基于液晶的可调谐透镜不是限制性的，该可调谐的透镜可用其他形式的，有效折射率可变化的材料制成。例如，可以与控制所选择的透镜材料的有效的折射率的改变的适当的相应技术一起，使用压电材料或与非线性光学轴线有关的双折射材料。例如，变焦透镜可以由非线性光学材料制成，包括该变焦透镜的变焦距透镜的焦距，可通过将该非线性光学材料从一个光学轴线转动至另一个，不需沿着放大方向物理地推、拉或滑动该变焦透镜来控制(即：该变焦透镜不象在通常的变焦距透镜中那样，向着其他的透镜零件运动或离开该其他透镜零件)。
例如，根据本发明的一个实施例，不在变焦距透镜内形成可调谐透镜500，可以利用具有可变的折射率的非线性光学材料制造该可调谐的透镜。作为一个例子，该可调谐透镜可以包括压电材料或非线性光学晶体。该非线性光学晶体(例如，参见图6所述的晶体602)沿着不同的光学轴线(例如，晶体602的X、Y和/或Z轴)具有不同的折射率。通过将该非线性光学晶体从一个光学轴线转动至另一个，可以控制折射率的变化。
例如，图6表示根据本发明的一个实施例的非线性光学晶体602和可调谐透镜604的图形。可调谐的透镜604可由沿着一个或多个轴线(即如晶体602那样)具有不同的折射率的非线性光学晶体(例如晶体602)制成。例如，可以转动可调谐透镜604(例如图6所示)，以改变折射率，结果，改变包括该可调谐透镜604的变焦距透镜的放大倍数。作为一个例子，可调谐透镜604可从X轴转动至Y轴，或从X或Y轴转动至Z轴，以提供增加的或连续变化的折射率。
可调谐透镜604可代替相应的图1～4中的场镜104，物镜202，场镜304或物镜402，分别形成变焦距透镜100～400。这样，可以转动可调谐透镜604以提供不同的折射率，而不是如这里所述的，改变电压的偏压。一般，转动可调谐透镜604，形成不同的折射率比机械地使透镜零件前后运动，以改变变焦距透镜零件之间的分开距离的通常的方法有某些优点(例如，在尺寸、重量等方面)。
如图6中示例性地所示，晶体602可以成形、切断或作成与可调谐透镜(例如球透镜)相同的形状。本领域的技术人员知道，可调谐透镜604可以为KDP晶体、KTP晶体β-BaB2O2晶体，LiB3O5晶体或任何其他形式的非线性光学晶体。例如，KDP晶体的折射率可以为η0＝1.4938(例如，对于Z轴)，和ηe＝1.4599(例如对于X或Y轴)；KTP晶体的折射率可以为ηZ＝C＝1.8305，ηx＝a＝1.7395，和ηY＝b＝1.7367(例如，分别对于Z、X和Y轴)；β-BaB2O2晶体的折射率可以为η0＝1.6551(例如对于Z轴)和ηe＝1.5425(例如对于X或Y轴)；和LiB3O5晶体的折射率可以为ηZ＝c＝1.6055，ηx＝a＝1.5656，和ηY＝b＝1.5905(例如分别对于Z、X和Y轴)。
作为一个例子，可调谐透镜604可以代表由β-BaB2O2晶体制成的一个球透镜。通过转动可调谐的透镜604，可以沿着光学轴线改变折射率。例如，可以放置可调谐透镜604，形成折射率为ηe＝1.5425(例如沿着其光学的Y轴)，以提供在一个变焦距透镜内的一个放大倍数的大小。然后，可以转动可调谐透镜604，形成η0＝1.6551的折射率(例如，沿着其光学Z轴)，以形成不同大小的放大倍数。
上述实施例说明，但不限制本发明。应当了解，根据本发明的原理，可以有许多改进和改变。因此，本发明的范围只由权利要求书确定。

Claims (19)

1.一种照相机的变焦距透镜，该变焦距透镜包括：
第一透镜，其由纯向列液晶制成，并且适于提供可变化的折射率；和
第二和第三透镜；其中该第一透镜、第二透镜和第三透镜放置在固定的位置，以提供该变焦距透镜的焦距；根据该第一透镜的折射率，焦距可以变化。
2.如权利要求1所述的变焦距透镜，其特征为，该第一透镜为一个可调谐的场镜，该第二透镜为一个物镜，和该第三透镜为一个象镜。
3.如权利要求2所述的变焦距透镜，其特征为，该第一透镜还包括其包括玻璃或塑料的一个基片。
4.如权利要求3所述的变焦距透镜，其特征为，该第一透镜还包括将电压电平加在液晶材料上的导体。
5.如权利要求3所述的变焦距透镜，其特征为，该基片由扩散、沉积、旋转聚合物方法中的至少一种和光刻形成图形技术制成。
6.如权利要求1所述的变焦距透镜，其特征为，通过改变加在该第一透镜上的电压电平，所述电压电平改变该第一透镜的折射率，来改变焦距。
7.如权利要求1所述的变焦距透镜，其特征为，该变焦距透镜的放大倍数只由第一透镜的折射率确定。
8.一种变焦距透镜，包括：
第一透镜，其适于提供可变化的折射率；和
第二透镜；其中，该第一透镜和第二透镜放置在固定位置，以提供该变焦距透镜的焦距，而焦距可根据第一透镜的折射率改变；并且其中，通过转动该第一透镜，改变该第一透镜的折射率，改变焦距。
9.如权利要求8所述的变焦距透镜，其特征为，该第一透镜包括非线性晶体。
10.如权利要求9所述的变焦距透镜，其特征为，该非线性晶体包括KDP晶体、KTP晶体、β-BaB2O2晶体和LiB3O5晶体中的至少一种。
11.如权利要求8所述的变焦距透镜，其特征为，还包括第三透镜。
12.如权利要求11所述的变焦距透镜，其特征为，该第一、第二和第三透镜可分别作为该变焦距透镜的场镜、物镜和象镜。
13.如权利要求12所述的变焦距透镜，其特征为，该变焦距透镜结合在照相机、电话和个人数字助理中的至少一个中。
14.一种光学装置，包括：
第一透镜，其包括纯向列液晶材料；
第二透镜和第三透镜，其放置在相对于该第一透镜的固定位置上，使光通过该光学装置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；和
其中，第一透镜适于提供可变化的折射率，以提供该光学装置的可变化的焦距；该第一、第二和第三透镜可分别作为该光学装置的场镜、物镜和象镜。
15.如权利要求14所述的光学装置，其特征为，该光学装置结合在照相机、个人数字助理和电话中的至少一个中。
16.如权利要求14所述的光学装置，其特征为，通过改变加在该第一透镜上的电压，可改变第一透镜的折射率。
17.一种改变照相机的不动的变焦距透镜的焦距的方法，该方法包括：
提供第一透镜，其具有可变化的折射率，和包括纯向列液晶材料；
提供第二透镜，其放置在离该第一透镜一个固定距离上；和
改变第一透镜的折射率，以改变该变焦距透镜的焦距，其中，焦距的变化由折射率确定。
18.如权利要求17所述的方法，其特征为，它还包括提供第三透镜；其中，该第一透镜、第二透镜和第三透镜分别作为场镜、物镜和象镜。
19.如权利要求17所述的方法，其特征为，变化的操作是通过在该第一透镜内，调谐纯向列液晶材料的折射率来进行的。
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