TWI267661B - Motionless zoom lens - Google Patents

Description

1267661 九、發明說明： 【發明所屬之技彳軒甸域】 發明領域 本發明一般而言係有關於光學元件，更特定言之，係 5 有關於可變焦距透鏡。 L先前技術3 發明背景 可變焦距透鏡（亦即’具有一可變焦距之任何型式透鏡） 係廣為熟知的，並且應用廣泛。傳統式可變焦距透鏡，例 10如，可包括至少二透鏡組件，其之間隔決定可變焦距透鏡 之焦距。就—實例而言’相機用的_機械補償可變焦距透 鏡’-般可安排二組件之動作，因此影像位置或影像平面 保持固就另-實例而言，可變焦距透鏡可具有一物鏡、 接目鏡以及位在物鏡與接目鏡之間的像場鏡。藉由 15移動像場鏡且可能移動物鏡，變化可變焦距透鏡之焦距。 傳統式可變焦距透鏡的一缺點在於其往往大且重，難 以將可變焦距透鏡與-小型元件(例如，可攜式電話、個人 數位助理(PDA)、或是輕便相機)結合。一般地，傳統式可 變焦距透鏡的另-缺點在於必需移動—或更多透鏡組件 2〇 (例如’在可變焦距透鏡内機械地再定位）用以變化焦距，-般而:需要空間及動力用以達成該移動。就一實例而言， 、’十、十仃動电活、PDAs、以及輕便數位相機所用的小裂相機 之發展及快速市場採用，典型地具有嚴格動力需求並因其 之電池能量而受到限制，對於改良式可變焦距透鏡具有明 1267661 確的需求。 【韻^明内溶1】 發明概要 於此所揭露係為用以提供可變焦距透鏡的系統及方 5 法。例如，根據本發明之一具體實施例，可變焦距透鏡配 置一可調透鏡。藉由變化施加至該可調透鏡的電壓電平， 改變可變焦距透鏡之焦距。因此，可不用機械地移動其之 透鏡組件即可改變可變焦距透鏡之焦距。因此，該可變焦 距透鏡可提供超越傳統式可變焦距透鏡的特定優點，例 10 如，諸如具動力需求較低、無機械傳動機構、以及能夠製 成為較小、較輕並更為輕便的形式。 更特定言之，根據本發明之一具體實施例，一可變焦 距透鏡包括一第一透鏡，其係設計用以提供一可變折射 率；以及一第二透鏡，其中該所配置的第一透鏡及第二透 15 鏡用以根據第一透鏡之折射率，針對可變焦距透鏡提供一 可變焦距。 根據本發明之另一具體實施例，一光學元件包括一第 一透鏡；至少一第二透鏡係相對於第一透鏡而配置，致使 光線通過光學元件之第一透鏡及至少第二透鏡；並且其中 20該第一透鏡係設計用以提供一可變折射率，針對光學元件 提供一可變焦距。 根據本發明之另一具體實施例，改變可變焦距透鏡之 焦距的方法包括提供具有一可變折射率的一第一透鏡；提 供一第二透鏡「以及改變弟一透鏡之折射率用以變化可變 1267661 焦距透鏡之焦距。 本發明之範嗜係藉由申請專利範圍所界定，其係併入 本部分以為苓考資料。藉由考量以下一或更多具體實施例 之詳細說明，熟知此技藝之人士應可更為完整地瞭解本發 5明之該等具體實施例，以及體認其之附加的優點。參考首 先簡要地加以說明的附加圖式。 圖式簡單說明 第1圖係為本發明之一具體實施例的一可變焦距透鏡。 第2圖係為本發明之一具體實施例的一可變焦距透鏡。 10 第3圖係為本發明之一具體實施例的一可變焦距透鏡。 第4圖係為本發明之一具體實施例的一可變焦距透鏡。 第5a及5b圖係為本發明之一具體實施例的一可調透鏡 的一頂部透視圖及一側視圖。 第6圖係為本發明之一具體實施例的一非線性晶體及 j5 一可調透鏡。 藉由相關於以上的詳細說明而能夠對本發明之該等具 體實施例及其之優點有最佳的瞭解。應察知的是在一或更 多的圖式中相同的代表符號係用以視為相同的元件。 【實施方式J 20 較佳貫施例之詳細說明 第1圖係圖示本發明之一具體實施例之可變焦距透鏡 100。可變焦距透鏡1〇〇包括一物鏡102、一可調像場鏡104 以及一成像透鏡106。物鏡102(標示為fQ)及成像透鏡106(標 示為fi)可分別地代表一傳統式物鏡及一傳統式影像透鏡 1267661 (亦視為-成像透鏡或是-接目鏡），並可以玻璃、塑膠、或 是其他所熟知的傳統透鏡材料所窜成。 成像透鏡1〇6之位置與可調像場鏡1〇4相鄰或是構成為 可調像場鏡104(標示為fLC)的一部分。可調像場鏡1〇4，如 5 於此進一步地詳加說明，係為一透鏡，其之折射率可加以 變化，例如，諸如藉由施加電壓至該可調像場鏡1〇4。藉由 改又可凋像場鏡104之折射率，變化可變焦距透鏡1〇〇之焦 距。 、、 就於第1圖中所示之一實例而言，物鏡1〇2、可調像場 10鏡1〇1 2 3、以及成像透鏡106，例如，係用以將光線削導引（例 如放大)及聚焦在一影像平面1〇8上。使用者能夠變化可 调像场鏡1G4之折料，用以改變可變焦距透鏡削之焦距 (二見所應用而定，亦可視為變焦距、放大倍數、放大率、或 疋視野）。對比地，—般而言傳統式可變焦距透鏡實際上需 要私動或將-或更多的透鏡組件再定位，用以提供不同的 焦距。 由於可變焦距透鏡100不需移動其之透鏡組件（例如， 么、兄102、可凋像場鏡1〇4、及/或成像透鏡1〇6)或是將組件 1 〇同械地再定位，即可調整其之焦距，可變焦距透鏡100(連 2 :此所4兒明之一或更多其他具體實施例）可提供超越傳 3 、弋可夂焦距透鏡的特定優點。例如，可變焦距透鏡100可 為可払式裝置(例如，相機、行動電話、或是PDA)之固定 、動I便式可變焦距透鏡所用。可變焦距透鏡100可設計 4 成麵便的，而同時仍能提供，例如，廣視角及可變焦距。 1267661 可變焦距透鏡100係為所圖示之透鏡組件的一示範形 式，但此形式並不受限制，並且應瞭解的是本發明之原理 係可應用在廣泛的透鏡形式以及應用在可調透鏡。例如， 第2圖係為本發明之一具體實施例的一可變焦距透鏡200。 5 可變焦距透鏡200包括一物鏡202及一接目鏡2〇4。 物鏡202係為一可調物鏡，例如，其可藉由變化施加至 物鏡202的電壓206而調諧，於此作進一步地詳細說明（例 如，相關於第5a及5b圖）。藉由變化電壓2〇6之電壓電平， 物鏡202改變對光線11〇造成的偏斜量（例如，改變物鏡 10之折射率），並因而改變由可變焦距透鏡200所提供的變焦 距或放大倍數量。 就另-實例而言，第3圖係為本發明之—具體實施例的 一可變焦距透鏡300。可變焦距透鏡3〇〇包括一物鏡3〇2、一 像場鏡304、及-接目鏡306。像場鏡3〇4係為一可調像場 15鏡，例如，其係藉由變化施加至像場鏡304的一電壓308之 電壓電平而加以調譜。可作動物鏡3〇2、像場鏡3〇4、及接 目鏡3 〇 6，例如，作為一固定不動的可變焦距透鏡，用以提 供一可變焦距並將光線n〇導引至一影像平面31〇上。 像場鏡304,例如，可作動作為—液晶填注透鏡，可藉 如由電壓删之電壓電平而調諧其之放大率（亦即，像場鏡綱 的外偏壓）。藉由调諧像場鏡3〇4的放大率，變化像場鏡 304之有效折射率，並因而亦變化可變焦距透鏡之焦距。 —就另-實_言’第4圖係為本發明之—具體實施例的 可變焦距透鏡400。可變焦距透鏡包括一物鏡4〇2、一 1267661 像場鏡404、及一接目鏡406。可變焦距透鏡400係與可變焦 距透鏡300(第3圖）相似，但可變焦距透鏡4〇〇提供一可調物 鏡402而非一可調像場鏡3〇4(第3圖）。 物鏡402係藉由施加電壓408而可加以調諧，物鏡4〇2 5之折射率係隨著電壓408之電壓電平變化而變化。可作動物 鏡402、像％鏡404、及接目鏡406 ’例如，作為一固定不動 的可變焦距透鏡，用以提供一可變焦距並將光線11〇導引至 一影像平面310上。 第5a及5b圖係為本發明之一具體實施例的一可調透鏡 10 500的頂部透視圖及側視圖。可調透鏡500包括一基板502及 一透鏡504。基板502，例如，係可以玻璃或塑膠或是其他 所需材料製成，用以支撐該透鏡504。 該透鏡504,例如，可以熟知此技藝之人士所熟知的向 列液晶所製成。液晶製成的透鏡5〇4可提供一低成本的可調 15透鏡，其係可使用傳統式半導體製程技術製成。在可調透 鏡500中可包括一或更多導體5〇8(例如，諸如氧化錫銦(〖το) 的一透明導體）’用以對透鏡5〇4施以一外偏壓5〇6(例如，一 可變電壓源）。 就一實例而言，根據本發明之一具體實施例，在一外 20 直流(Dc)偏壓下，該向列液晶分子與電場重新對準，用以 有效地改變透鏡504之透鏡材料的折射率，並因而改變了可 調透鏡500(或是與可調透鏡5〇〇結合的可變焦距透鏡）之焦 距。因此’例如，藉由變化外偏麼506之電壓電平，變化利 用該可調透鏡500的一可變焦距透鏡之焦距。 10 1267661 可調透鏡500亦可包括一透鏡51〇(例如，一固定焦距透 鏡）。透鏡510可與該可調透鏡500結合成為可調透鏡500的 一體成型部分。例如，透鏡510可經由微影蝕刻圖案化、或 是熟知此技藝之人士所熟知的其他技術藉由擴散、沉積、 5 旋轉塗佈聚合物而構成。 根據本發明之一具體實施例，像場鏡104、物鏡202、 像場鏡304、或是物鏡402可如說明般使用作為可調透鏡 500。例如，假若可調透鏡500包括透鏡510，因而可調透鏡 500可代替第1圖之可調像場鏡1〇4及成像透鏡106。因而， 10 製造可調透鏡500之技術可應用在於此所說明之可調透鏡 (例如，相關於第1-4圖），用以提供具有可調焦距的正及負 透鏡。 如於此所說明的結合一可調透鏡的一可變焦距透鏡， 根據本發明之一具體實施例，例如可提供一變化的放大倍 15數量（例如，可變的放大倍數上達三倍或更高）。例如，視所 需應用或放大倍數需求，可藉由一外偏壓，其可由一伏特 又化至一十伏特或更咼，控制有效焦距，（例如，用以提供 一電光可變焦距透鏡）。 根據本發明之一具體實施例，提供一固定不動的可變 2〇焦距透鏡，其結合-可調透鏡作為其之該等透鏡組件中的 1鏡組件。可距透鏡可提供—具有連射變焦距的 光學系統’但並不限定於此。例如’景彡像平面可維持在一 固定位置，或是在每-增加的焦距下需再次聚焦（例如，正 如可變焦距透鏡一樣）。 11 1267661 般地，根據本糾之—具體實施例，提供_固 動的可變焦距透鏡，其係基於控制及變化其之—或 ，組件的有效折射率。因此，在可變焦距透助該， 夕透鏡組件不需機械移動或是實體再定位。 根據本發明之一具體實施例，該可調透鏡可配置 用液M的可_透鏡。然而，並非限定在應用液晶的; 周透鏡，並且可以其之有效折射率係為可變的任何其： 型材料構成該可調透鏡。例如，可使用一壓電材料或是: 非線ϋ光軸相依雙折射材料連同適合的相應技術，用於# 制所選定透鏡材料之有效折射率的改變。例如，可以 線性光學材料製成一變焦透鏡，藉由將非線性光學材料由 光軸轉變至另一光軸，不需沿著放大倍數方向實體上推 動、拉動或滑動可變焦透鏡即可控制與變焦透鏡結合的可 k焦距透鏡之焦距（亦即，變焦透鏡並未如傳統式可變焦距 15透鏡朝向其他透鏡組件移動或是移離）。 例如，根據本發明之一具體實施例，並非在可變焦距 透鏡内作動可調透鏡500,可調透鏡可利用一具有可變折射 率的非線性光學材料製成。就一實例而言，可調透鏡可結 合一壓電材料或是一非線性光學晶體。非線性光學晶體(例 20如，相關於第6圖中所說明的一晶體602)沿著不同的光軸(例 如’晶體602之X、y、及/或z軸）具有不同的折射率。例如， 藉由將非線性光學晶體由一光軸轉向至另一光轴而能夠控 制折射率之變化。 例如，第6圖係為本發明之一具體實施例的一非線性光 12 1267661 學晶體602及一可調透鏡604的代表視圖。可調透鏡6〇4可以 沿著其之一或更多軸（亦即’正如晶體602—樣)具有不同折 射率的一非線性光學晶體(例如，諸如晶體602)製成。例如， 可轉動該可調透鏡604(例如，於第6圖中所示）用以改變折射 5 率，並因而改變與可調透鏡604結合的可變焦距遂鏡之放大 倍數。就一實例而言，可將該可調透鏡604由X軸轉動至丫軸 或是由X或y軸轉動至z軸，用以提供一增加的或是連續可變 的折射率。 對應於第1至4圖，可調透鏡6〇4可替代像場鏡1〇4、物 10鏡202、像场鏡304、或疋物鏡402 ’用以分別地提供可變焦 距透鏡100至400。因而，可轉動該可調透鏡6〇4用以提供一 不同的折射率，而非變化於此所說明的一電壓偏壓。一般 地，轉動可調透鏡604用以提供一不同的折射率，可提供超 越機械地來回移動透鏡組件用以變化可變焦距透鏡組件間 15的一分離距離的傳統技術的特定優點(例如，就尺寸、重量 等而言）。 能夠將第6圖中所示之示範形式的晶體6〇2加以塑造、 切割或構成為與可調透鏡604(例如，球形透鏡）相似的形 狀。可調透鏡6G4’例如，可為熟知此技#之人士所熟知的 20 KDP晶體、KTP晶體、p_BaB2〇2晶體、他〇5晶體或是其他 型式的非線性光學晶體。例如，該KDp晶體可具有 〜=1_4938(例如，針對_及ne=1 4599(例如針對乂及丫軸) 之折射率，ktp晶體可具有nz=c=1•請5、nx=a=l 7395、及 ny=b=1.7367(例如，分別針對z、xAy軸)之折射率，p_BaB2〇2 13 ^67661 晶辨7 針董/具有η°=1·6551(例如，針對及〜=1.5425(例如， 心二兀及y軸）之折射率，以及LiB3〇5晶體可具有 c ^055^5656、及ny=b=l.59〇5(例如分別針對z、 久y輛）之折射率。 就—實例而言，可調透鏡60何代表1p_BaB2〇2晶體 I成的球形透鏡。藉由轉動可調透鏡_，可沿著光轴變化 折射率。例如，可安置該可調透鏡604提供y則之折射 率（彳Η，沿著其之光學y軸），用以在可變焦距透鏡内提供 一放大倍數等級。接著將可調透鏡604轉動提供nQ=1 6551 10 之折射率（例如，沿著其之光學ζ軸），用以提供另一放大倍 數等級。 上述說明之具體實施例僅係說明之用，並不限定本發 明。亦應瞭解的是能夠根據本發明之原理進行複數之修改 及變化。因此，本發明之範疇係僅由以下的申請專利範圍 15 加以界定。 【圖武簡單説明】 第1圖係為本發明之一具體實施例的一可變焦距透鏡。 第2圖係為本發明之一具體實施例的一可變焦距透鏡。 第3圖係為本發明之一具體實施例的一可變焦距透鏡。 20 第4圖係為本發明之一具體實施例的一可變焦距透鏡。 第5 a及5 b圖係為本發明之一具體實施例的一可調透鏡 的一頂部透視圖及一側視圖。 第6圖係為本發明之一具體實施例的一非線性晶體及 一可調透鏡。 14 1267661 【主要元件符號說明】 100…可變焦距透鏡 102…物鏡 104…可調像場鏡 106…成像透鏡 108···影像平面 110···聚焦光線 200···可變焦距透鏡 202…物鏡 204…接目鏡 206…電壓 300…可變焦距透鏡 302…物鏡 304…像場鏡 306…接目鏡 308…電壓 310…影像平面 400···可變焦距透鏡 402…物鏡 404…像場鏡 406…接目鏡 408…電壓 500…可調透鏡 502…基板 504…透鏡 506…外偏壓 508…導體 510…透鏡 602…晶體 604…可調透鏡 15

Claims (1)

1267661 十、申請專利範圍： L 一種相機用可變焦距透鏡’該可變焦距透鏡包括： 一第—透鏡’其係由1向列液晶所製成，並經設 計用以提供一可變折射率；以及 一第二及—第三透鏡，其中該第-透鏡、第二透 鏡、以及第三透鏡係安置在固定位置，提供可變焦距透 鏡之焦距，可根據第一透鏡之折射率變化焦距。 2.如申請專利範圍第！項之可變焦距透鏡，其中該第一透 鏡係為-可調像場鏡，第二透鏡係為—物鏡，以及第三 透鏡係為一影像透鏡。 3·如申請專利範圍第2項之可變焦距透鏡，其中該第一透 鏡進一步包括-基板，其係由破璃或是塑膠所構成。 4·如申請專利範圍第3項之可變焦距透鏡，其中該第一透 鏡進一步包括用以將電壓電平提供至液晶材料的爷 導體。 ~ 5·如申請專利範圍第3項之可變焦距透鏡，其巾該基板係 藉由擴散、沉積、旋轉塗佈聚合物、以及一微影蝕刻圖 案化技術的其中至少一技術所構成。 6·如申請專利範圍第1項之可變焦距透鏡，其中該焦距係 藉由改變所提供至第一透鏡用以變化第一透鏡之折射 率的電壓電平而加以變化。 •如申請專利範圍第1項之可變焦距透鏡，其中該可變焦 巨透鏡之放大倍數係僅藉由第一透鏡之折射率所決定。 •—種可變焦距透鏡，其包括： 16 7 1267661 一第一透鏡，其經設計用以提供一可變折射率；以及 一第二透鏡，其中該第一透鏡及第二透鏡係安置在 固定位置，提供可變焦距透鏡之焦距，可根據第一透鏡 之折射率變化焦距，並且其中該焦距係藉由轉動第一透 5 鏡變化第一透鏡之折射率而加以改變。 9. 如申請專利範圍第8項之可變焦距透鏡，其中該第一透 鏡包括一非線性晶體。 10. 如申請專利範圍第9項之可變焦距透鏡，其中該非線性 晶體包括KDP晶體、KTP晶體、P-BaB202晶體、以及 10 LiB305晶體其中之至少一晶體。 11. 如申請專利範圍第8項之可變焦距透鏡，其進一步包括 一第三透鏡。 12. 如申請專利範圍第11項之可變焦距透鏡，其中就可變焦 距透鏡而言該第一、第二及第三透鏡係分別地作一像場 15 鏡、一物鏡、以及一影像透鏡所用。 13. 如申請專利範圍第12項之可變焦距透鏡，其中該可變焦 距透鏡係與一相機、一電話、以及一個人數位助理其中 至少之一者結合。 14. 一種光學元件，其包括： 20 一第一透鏡，其係由一純向列液晶材料所製成； 一第二透鏡及一第三透鏡係相對於第一透鏡安置 在一固定位置，致使光線通過光學元件之第一透鏡、第 二透鏡、以及第三透鏡；以及 其中該第一透鏡係經設計用以提供一可變折射 17 1267661 率，對光學元件提供一可變焦距，就光學元件而言，分 別地將第一、第二、以及第三透鏡作為一像場鏡、一物 鏡、以及一影像透鏡所用。 15. 如申請專利範圍第14項之光學元件，其中該光學元件係 5 與一相機、一個人數位助理、以及一電話其中之至少之 一者結合。 16. 如申請專利範圍第14項之光學元件，其中該第一透鏡之 折射率係藉由變化施加至第一透鏡之一電壓而得以改 變。 10 17. —種改變相機用固定不動之可變焦距透鏡之焦距的方 法，該方法包括以下步驟： 提供一第一透鏡，其具有一可變折射率並係由一純 向列液晶材料所製成， 提供一第二透鏡，其係配置在距該第一透鏡的一固 15 定距離處；以及 改變第一透鏡之折射率用以變化可變焦距透鏡之 焦距，其中該焦距之變化係由折射率所決定。 18. 如申請專利範圍第17項之方法，其進一步包括提供一第 三透鏡，其中該第一透鏡、第二透鏡、以及第三透鏡係 20 分別地作一像場鏡、一物鏡、以及一影像透鏡所用。 19. 如申請專利範圍第17項之方法，其中該變化動作係藉由 在第^一透鏡内調協純向列液晶材料的折射率而進行。 18