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CN107041156B - 光学系统的透镜组件和致动器及其方法 - Google Patents

光学系统的透镜组件和致动器及其方法 Download PDF

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CN107041156B CN201580004170.XA CN201580004170A CN107041156B CN 107041156 B CN107041156 B CN 107041156B CN 201580004170 A CN201580004170 A CN 201580004170A CN 107041156 B CN107041156 B CN 107041156B
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Abstract

一种适于在移动设备(诸如手机等)、安全相机和其它小规格成像系统中使用的小外形尺寸的光学变焦。一个或多个阿尔瓦雷斯透镜对被提供，并且横向于光轴运动。一个或多个阿尔瓦雷斯透镜对与致动器的结合允许在光学部件的横向位移距离为约5毫米以下的情况下具有至少3x的变焦能力。

Description

光学系统的透镜组件和致动器及其方法
相关申请的交叉引用
本申请涉及并主张于2013年8月11日提交的PCT申请PCT/US13/69288、于2014年8月1日提交的美国专利申请SN61/925,215、于2013年5月9日提交的美国专利申请SN61/874,333以及于2012年11月8日提交的美国专利申请SN61/724,221的权益，所有这些申请通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及结合成像传感器使用的透镜组件和致动器，并且更具体地涉及用于在诸如集成到手机的相机之类的设备、安全相机或其它小外形尺寸(form factor)的成像设备(特别是受益于小的Z尺寸的那些设备)中提供光学变焦。
背景技术
用于光学系统的致动器通常用于相对于像平面重新定位光学系统的一个或多个透镜，以改变光学系统的焦距。重新定位通常意在实现对焦或变焦。用来实现对焦的致动器用于调节光学系统的焦距，以使图像鲜明或清晰。对于小规格光学系统，特别在手持设备(诸如电话等)中，电磁致动系统(亦称音圈马达)系统已用于对焦。在该配置中，透镜通常沿光轴移动小于350μm来对焦。该电磁系统向致动器供给电流，以实现在沿光轴的单个方向上的光学部件的运动。该运动由弹簧抵消，该弹簧在相反的方向上拉动光学部件。所移动的距离因此是供给的电流与弹簧张力的函数。
用于实现变焦的致动器使光学系统的一个或多个透镜相对于像平面重新定位，因此光学系统的焦距改变，以使得在不移动相机的情况下远处的物体看起来更近。例如，2∶1变焦透镜在最大焦距处能够使物体距图像传感器的距离看起来只有当该变焦透镜在最小焦距处的距离一半。
由于小规格外形尺寸仍需要良好的性能，各种小规格的光学系统例如在各种小型设备(诸如电话、平板电脑和监视摄像机等)中的广泛使用对致动系统施加了额外的挑战。在小规格的光学系统中，所期望的致动器系统的性能特征包括位置精度、低功率、低噪音水平、和速度。位置精度对于实现期望的图像质量而言是重要的。低功耗对于延长各种手持移动设备中的电池寿命是重要的，并且受到所需的行程长度、克服移动光学部件的重量所需的力、和摩擦的影响。避免或减少在致动期间产生的噪声对于防止在视频捕捉期间通过设备麦克风捕捉不期望的噪声是重要的。实现所期望的图像的合成和对焦(包括变焦)时的速度(其是部件移动的速度以及移动距离的函数)对于满足消费者针对放大的或对焦的图像所期望的响应时间是重要的。
在许多现代的光学系统中，变焦也可以通过软件手段实现，典型地被称为“数码变焦”。数码变焦是减小(缩小)数字照相或视频图像的视图的视角的方法。数码变焦通过将图像裁小为纵横比与原图相同的中心区域。数码变焦是以电子方式完成的，而未调节相机的光学器件，并且在过程中没有增加光学分辨率。裁剪导致在图像的质量降低。在许多情况下，数码变焦还包括将结果插值回至原图的像素尺寸。像素的裁剪和放大的这种组合通常在图像中产生像素化/马赛克效果，并且通常引入插值伪影。该像素化通常导致显著降低质量的图像。此外，数码变焦通常实施为一系列的增量、而非连续变焦。因此，例如，一些数码变焦以十分之一的功率增量实施，而其他的则使用更大的增量。这相当于传感器的有效尺寸减小。
一些现有技术试图通过提供超大的传感器(例如，四十一兆像素)来克服数码变焦的缺点。在这种布置中，视图的视场的缩小并且因此数码变焦中固有的裁剪仍照亮(illuminate)了相当大的兆像素。因此，最终的缩放图像即使以常规的方式裁剪似乎也更可接受。在这种现有技术设计的一个版本中，全尺寸传感器据称用在视图的全视场(或最大广角)处，但是2x变焦的图像仅使用约八兆像素的该传感器，并且3x变焦的图像仅使用约五兆像素的传感器。
然而，除了对大多数此类设备而言非常昂贵之外，过大的传感器在物理上大于移动设备(诸如手机等)所期望的传感器。此外，较大的传感器还需要到达传感器的较长的光路，以确保图像覆盖整个传感器。因此，仍常具有z轴突起，而不仅具有传感器的较大的x、y值。
不同于数码变焦，光学变焦早已在摄影和其他光学系统中用于提供变焦，而未使图像的质量损失。通过使用凹透镜元件或凸透镜元件来提供光学变焦的典型透镜系统使一个或多个透镜元件沿光轴移动，并且在大多数这种系统中，每个透镜元件的光学中心位于光轴上。虽然这种系统可以提供良好的图像清晰度，但是它们需要透镜元件行进过大的距离，以适合于要求小外形尺寸的许多应用。例如，在手机中使用的相机中，手机的电子器件对在手机的相机中使用的透镜模块的外形尺寸加以严格的限制，并且这种限制禁止使用常规的光学变焦。
虽然一些手机已提供了与它们的集成相机一起使用的、提供光学变焦的透镜系统，但是这些通常大大增加了手机的至少在相机的透镜系统的区域处的厚度。此外，例如能够进行3x放大的现有技术的光学变焦(其中，透镜沿光轴移动)通常需要光学部件移动大于10mm。这么长的行进范围通常需要使用步进马达。这对于在移动设备中使用的小规格光学系统而言是不理想的，这是由于它们体积大、移动这么长的距离需要更多的功率、并且可能引起由设备的麦克风收录的噪声。其他致动系统包括压电马达，以平行于光轴致动光学元件，从而建立光学变焦和自动对焦。然而，压电马达也往往在听觉上是有噪音的，以及建立了需要更复杂的电子设备来克服的滞后的问题。压电马达往往使用比一些其他设计更大的功率。此外，使用常规的凹凸透镜以提供光学变焦的系统需要比目前所期望的显著较长的行程，从而增大电池消耗并且需要显著较大外形尺寸来用于透镜模块。
因此，长期以来需要适于在移动设备(诸如手机等)或其他小规格系统中使用的、提供清晰的光学变焦的、小外形尺寸的光学系统。
发明内容
本发明提供了适于在移动设备(诸如手机等)、安全相机、和其他小规格成像系统中使用的小外形尺寸的光学变焦。为了实现这些装置所需的小外形尺寸，一个或多个阿尔瓦雷斯(Alvarez)(或洛曼(Lohmann))透镜对被提供，并借助于本文所述的致动器横向于光轴移动。
在实施例中，一个或多个阿尔瓦雷斯透镜对和致动器的组合允许在光学元件的横向位移距离约5毫米以下具有高达6x的变焦能力。该光学系统由此非常适于手机设备，并且还可以易于作为具有非常小规格的外形尺寸(例如10x10x6mm[X x Y x Z]以下)的透镜模块来实施。大于6x的变焦能力可以通过10毫米以下的位移来实现，虽然外形稍大。根据实施例，较大的外形尺寸也是可接受的，例如30x30x6mm。在一些实施例中，Z高度小于6mm，例如5.8mm以下。除了提供清晰的、小外形尺寸的光学变焦，本发明的系统还提供了非常低的功耗以及低噪声的优点。此外，本发明的致动器具有遍及行程平面磁化降解最小的额外优点。
本发明还包括用于优化一对或多对阿尔瓦雷斯(或洛曼)透镜(为方便起见，在下文中有时也称为自由外形透镜)之间的间隔的方法，透镜配置为建立光学变焦系统，其中，透镜横向于光轴移动。自由外形透镜中的每一者可以有一个或多个自由外形表面。在一些实施例中，自由外形透镜对中的每个透镜具有一个平坦表面和一个自由表面，其中，自由外形表面彼此面对。透镜之间的距离或间隙要仔细选择，以当它们横向于光轴移动来提供放大时保证透镜不相互接触，同时最小化或降低光学像差。
在实施例中，自由外形透镜相对于另一个的平移提供了对焦和放大、或者变焦。在替代的实施例中，自由外形透镜的平移提供了放大，而基础透镜分离地致动以提供对焦。在一些实施例中，基础透镜沿光轴致动，并且包括一个或多个凹或凸透镜。
在实施例中，在由系统提供的焦距的整个范围内变焦是连续的。在替代实施例中，一个或多个锁定位置用于提供离散的变焦增量。在实施例中，锁定位置由一个或多个磁性锁保持，而在另一个实施例中，使用机械锁。
因此，本发明的一个目的在于提供具有光学变焦的、尺寸设计为在不增大智能手机的高度的情况下装配在小型设备(诸如智能手机等)内的相机透镜模块。
本发明的另一个目的在于在透镜模块中提供光学变焦，该透镜模块配置成装配在集成到智能手机中的相机所需的外形尺寸之内。
本发明的另一个目的在于提供包括致动器和至少一个透镜对的光学系统，其中，致动器使透镜在不与系统的光轴平行或共线的方向上移动，以实现变焦和对焦。
本发明的另一个目的在于提供用于适于在智能手机中使用的透镜系统的致动器，连续变焦锁定保持至少一个自由外形透镜的位置。
结合下述附图，本发明的这些和其他目的将会从下面的详细描述中得到更好地理解。
附图说明
图1以框图的形式图示出根据本发明的包括横向致动的光学变焦的光学系统。
图2A以分解立体图图示出用于变焦透镜组的、使组合的一个或多个透镜横向于光轴移动的致动器的实施例。
图2B图示出变焦透镜组和致动器实施例的部分组装，其包括示出用于致动器的磁铁组件。
图2C示出变焦透镜和致动器完全组装的实施例。
图2D示出对图2C的变焦透镜组件的某些方面进行替代后的实施例，其中，透镜框架容纳在壳体的凹槽内，从而避免了一个或多个导向框架的需要。
图3A以分解立体图图示出包括致动器的对焦透镜组的实施例。
图3B示出具有致动器的对焦透镜组部分组装的实施例。
图3C示出具有致动器的对焦透镜组完全组装的实施例。
图4A图示出用于本发明的包括如图2A中所示的变焦透镜组和如图3A中所示的对焦透镜组的实施例(其中，阿尔瓦雷斯透镜对布置在广角位置处)的光路。
图4B图示出用于本发明的包括如图2A中所示的变焦透镜组和如图3A中所示的对焦透镜组的实施例(其中，阿尔瓦雷斯透镜对布置在变焦或远摄位置处)的光路。
图4C图示出阿尔瓦雷斯透镜对如何产生相对的凹面和相对的凸面的等同效果，这取决于在阿尔瓦雷斯对的透镜在其行程中彼此相对的位置。
图4D图示出改进的阿尔瓦雷斯透镜对，其中，每个阿尔瓦雷斯透镜对的两侧是旋转非对称的，并且通过适当的多项式来定义。
图4E图示出适用于小型环境(诸如手机、安全相机或两个阿尔瓦雷斯透镜对提供光功率的有关系统)的透镜系统，其中，每个透镜对中的两个透镜具有双旋转非对称表面。
图5图示出适用于图2A的致动器的双线圈的音圈马达(VCM)的实施例。
图6图示出图2中所示的、具有用于保持如图5中所示的双线圈VCM的护板(armature)的透镜保持件。
图7图示出了根据本发明的实施例的在VCM中使用的各种线圈和磁铁尺寸。
图8以立体图图示出本发明的实施例，在该实施例中，致动器配置为在一般称为1-4，2-3的配置中使来自两对阿尔瓦雷斯透镜中的每一者的一个透镜沿通常横向于光轴的方向一起移动。
图9以立体图图示出本发明的实施例，在该实施例中，致动器配置为在一般称为1-3，2-4的配置中使来自两对阿尔瓦雷斯透镜中的每一者的一个透镜沿通常横向于光轴的方向一起移动。
图10示出机械止挡(stop)或机械锁由导向框架和其相联的透镜框架来配合建立的实施例。
图11图示出在本发明的一些实施例中使用的磁性锁。
图12图示出图11的磁性锁的侧视图。
图13图示出导向框架限制至少一个阿尔瓦雷斯透镜元件行进的本发明的实施例。
图14A-14B图示出适用于本发明的一些实施例的用于离散位置磁性锁的两种不同的设计。
图15图示出磁性锁包括开/关线圈的本发明的实施例。
图16示出具有多个离散位置的使用磁锁定的实施例。
图17图示出使用位置传感器识别透镜框架在其整个横向行程的位置。
图18绘示出阿尔瓦雷斯透镜或透镜对的一般化的模型。
图19示出当阿尔瓦雷斯对中的每个透镜移动通过其行程时出现的有效孔径。
图20以简化形式图示出偶联到用于将图像对焦在像平面上的基础透镜的、具有中间孔的两个阿尔瓦雷斯透镜对的相互作用。
图21图示出用于在像平面上建立图像的可调透镜的固定的相互作用。
图22图示出在阿尔瓦雷斯透镜对的相对的元件中使用不同的材料，其中，不同的材料协助减少或消除像差或其他偏差。
图23-28图示出根据本发明的实施例的致动器和透镜系统的替代实施例。
图29A-29D图示出在各种位置处的阿尔瓦雷斯对的活动光学区域以及用于通过修改透镜轮廓而改进透镜可制造性的技术。
图30A-30D图示出用于找到自由外形表面的x和y位置以及中心的技术。
图31A-31D图示出用于在制造期间确保自由外形透镜对准的技术。
图32A-32G图示出能够单独定位多个阿尔瓦雷斯对的每侧(例如，使布置在两个阿尔瓦雷斯对内的四个阿尔瓦雷斯透镜中的每一者移动通过单独的行程)的凸轮驱动致动器的操作。
图33A-33B图示出也能够使多个透镜移动通过单独的行程的线性凸轮致动器的操作。
图34A-34B图示出适于使阿尔瓦雷斯透镜横向于其光轴移动的齿轮驱动致动器和摩擦驱动致动器。
具体实施方式
首先参照图1，包括自动对焦和光学变焦的光学系统100以系统框图的形式被示出。具体地，虽然本发明的相机模块也可以独立于智能电话而实施，诸如摄像头或期望具有光学变焦的小型或微型规格的其他形式的图像捕捉设备等，但是相机模块105可与诸如集成到智能手机的处理器模块110相配合。在相机模块中，当用户想要拍摄照片时(为方便起见，图1中未示出用户驱动输入)，驱动电路115将电流发送给透镜模块120，并且在实施例中最初发送给对焦致动器125以允许用户看到清晰的图像。对焦致动器(在下文中被更详细地描述)使用图像信号处理器(“ISP”)140向驱动电路115提供必要的反馈以实施本领域中已知的任何合适的自动对焦方法(例如，反差式对焦(contrast detection))，从而自动调整对焦透镜组130的位置直至在传感器135处获得清晰的图像。可从图1中的虚线理解自动对焦回路。将会理解，虽然ISP 140在图1中被示为在电话处理器内，但是在至少一些实施例中，ISP包含在透镜模块105内。在一些实施例中，特别是在智能电话中实施的那些实施例中，来自于在智能电话处理器中存在的自动对焦算法的输出被转换成能够被驱动电路的对焦部识别的输入。
如果用户想要按照用户输入(为方便起见，再次未在图1示出)所指示的放大物体，则驱动电路115向透镜模块120内的变焦致动器145供给电流。变焦致动器(在下文中被更详细地描述)来回移动变焦透镜组150，直到用户指示变焦量为可接受的。在传感器处，变焦透镜组和自动对焦透镜组配合实现放大率和图像清晰度。重要的是，对于本文所述的小外形尺寸的发明，变焦致动器沿大致横向于光轴的方向移动变焦透镜，并且在实施例中沿基本垂直于光轴的方向移动变焦透镜。具体地，变焦透镜包括一对或多对自由外形透镜(诸如，阿尔瓦雷斯透镜或洛曼透镜)，而不是通常在通过沿光轴移动透镜来实现对焦和变焦的现有技术的光学变焦系统中发现的常规的凹形或凸形透镜。将会理解，在所有的实施例中，只要实现合适的放大率和可接受的清晰度，横向运动无需大致垂直。
一旦用户满意图像的放大量及其清晰度，用户通过使ISP 140和图形处理单元(GPU)155从传感器135处捕捉图像来“拍摄”照片。将会理解，GPU通常嵌入在现代智能电话内，但是在本发明的至少一些实施例中，处理器保持在不同类型的设备(诸如，摄像头、计算机系统、平板电脑等)内。
接着参照图2A-图2D，可以更好地理解本发明的变焦致动器和相联的变焦透镜组。自由外形透镜壳体盖200位于变焦透镜组组件的顶部，如在图2B和2C中以部分和完全组装的形式示出。壳体盖200装配在第一自由外形透镜盖205之上，反过来，壳体盖位于第一自由外形透镜组组件200之上，其中，该第一自由外形透镜组组件包括安装在支架上的透镜框架中的第一自由外形透镜，如在下文中结合图5和图6等更详细地描述的。支架(如结合图6所讨论的)还适于容纳用于使第一自由外形透镜相对于光轴横向移动的机构的至少一部分。虽然运动诱导机构也可以是压电马达、外形记忆合金(SMA)或其他合适的设备，但是在实施例中，该机构为音圈马达。虽然可以理解，除了由权利要求所限定的之外，其他形式的马达是可以接受的，但是为方便起见，下文所使用的马达将是VCM。
第一透镜子组件210装配到第一导向框架215中，该第一导向框架位于第二自由外形透镜子组件220之上。子组件220包括安装在棱镜上方或与棱镜集成的第二自由外形透镜，该棱镜用于以图4A-4B中所描绘的射线路径所示的方式重定向光轴，并且子组件还包括其上安装透镜框架的臂，以至少用于支撑第二自由外形透镜以及结合图5和图6所讨论的VCM的线圈。
子组件210和220一起形成第一自由外形透镜对，并且在下文中的一些情况下，子组件210和220被称为透镜一和透镜二。子组件220装配在基座225内，该基座具有子组件210以及相联的导向框架和子组件的顶部上的盖，如在图2B和图2C中更好地示出。在图2A所示的实施例中，示出也包括具有其中安装第三自由外形透镜的透镜框架的臂的第三自由外形透镜子组件230。将会理解，第三子组件230与第一和第二子组件210和220呈直角，以考虑由棱镜引起的光轴的变化。第二导向框架235位于第三子组件230之上，并且第四自由外形透镜子组件240被容纳在导向框架235内。将会理解，第三子组件和第四子组件的透镜组成第二对自由外形透镜，并且在下文中的一些情况下将被称为透镜三和透镜四。
磁铁结构245对保持在护罩和壳体250内，其中，磁铁结构对与安装在第一子组件和第二子组件上的线圈一起形成VCM对(一对一个)。在实施例中，磁铁结构245包括多个永久磁铁(例如三个)，该永久磁铁适于与每个VCM中的两个VCM线圈配合，以形成用于第一子组件和第二子组件的双线圈VCM。第二对盖255位于第四子组件之上，以包围变焦透镜组和致动器，如从图2B和图2C中更好地理解。
在实施例中，第三子组件和第四子组件不包括VCM的任何部分。相反，对于图2A中所示的实施例，第三子组件包括与臂的其余部分保持相垂直的延伸部260。该延伸部装配到第一子组件210上的凹槽265中，使得第一透镜和第三透镜一起移动。类似地，第四子组件臂包括装配到第二子组件中的凹槽275内的延伸部270，使得第二透镜和第四透镜一起移动。该配置(下文有时会称为1-3，2-4配置)可从图8中得到更好地理解。在替代实施例中，第四透镜子组件可安装到第一透镜子组件，并且第三透镜子组件可安装到第二透镜子组件，从而导致图9中所示的1-4，2-3配置。在又一个替代实施例中，第三子组件和第四子组件可以包括VCM并且独立于第一子组件和第三子组件移动，尽管该实施例将需要较大的外形尺寸并通常将使用更多的电力。此外，其他实施例可以包括安装在相同致动器臂上的、联合或独立地移动的两个或更多个透镜元件，以使透镜元件对准。鉴于本文的教导，本领域的技术人员将得出针对本文所示的特定实施例的、与所讨论的基本的发明结构和方法不同的多种替代。
更具体地参照图2B和2C，可以看出四个自由外形透镜的子组件形成紧凑、微型的光学变焦透镜组件，如280A(被部分组装)和280B(被完全组装)处所指。图2B还对线圈285进行了更清楚地说明，该线圈安装在第二子组件上并且与磁铁结构245一起在壳体250的左方形成VCM。类似地，所示的位于壳体和磁护罩250的右方的其他磁铁结构245配合第一子组件上的线圈，以形成用于该结构的VCM。
接着参照图2D，示出导向框架的替代实施例。在图2D的结构中，壳体286包括用于容纳第一透镜框架290和第二透镜框架292的凹部288，其中，第一自由外形透镜和第二自由外形透镜(未示出)分别安装在第一透镜框架和第二透镜框架上。类似地，但垂直而非水平地安装，第三透镜框架和第四透镜框架294和296容纳在壳体286中的凹槽298内。与图2A-2C的结构相比，这种结构允许减小零件数并简化制造。
接着参照图3A-3C，可以更好地理解对焦透镜组(有时简称为基础透镜组(baselens group))。对焦透镜组沿光轴移动凹凸透镜元件组，并且在实施例中，提供了相对于变焦透镜组的对焦和畸变校正。在结构上，基础透镜盖300包围基础透镜镜筒305的顶部，该基础透镜镜筒包含在基础透镜保持件310内。压缩弹簧315对和相联的杆320装配在基础透镜保持件的孔中，以提供抵抗由线圈325和成对磁铁结构330组成的VCM对的平衡力。磁铁结构330容纳在保持件310内，同时线圈安装到镜筒305的任一侧并且装配到结构330的任一侧的磁铁之间的空间中，从而在电流供给到线圈时向镜筒提供洛伦兹力。在供给相反极性的电流而导致双向运动的一些实施例中，弹簧315可以是不必要的。透镜元件335装配在镜筒305内，并且由挡板340保持在适当的位置，该挡板还可用作定位透镜的机械止挡。在一些实施例，止挡可位于透镜之间。
图3B中示出部分组装的对焦透镜组和致动器，如300，310和345处所指。图3C中示出完全组装的致动器和透镜组，如350处所指。
接着参照图4A-4C，变焦透镜组的元件与对焦透镜组的元件之间的光学关系可以得到更好地理解，其中，图4C大体示出了图4A-4B中所指的阿尔瓦雷斯透镜对的形状。关于阿尔瓦雷斯透镜对的更多细节可在于2014年4月7日以新加坡国立大学名义递交的、名称为基于MEMS的变焦透镜系统的共同待审的美国专利申请S.N.14/246571(其通过引用结合于此)以及国际专利申请PCT/US13/69288(其被转让给与本发明相同的受让人并且也通过引用结合于此)中找到。对于图4C，应当理解，虽然为方便起见并排示出两对，但是一对位于棱镜前方(或包括棱镜)并且另一对位于棱镜之后，如图4A-4B所示。
在图4A的实施例中，示出透镜处于广角位置(示为“WA”)的自由外形(有时也称为变焦距)透镜的布置。为了说明起见，在该位置处，第一阿尔瓦雷斯对400可以表示为具有两个相对的凹面。参考图4C，可以看出，阿尔瓦雷斯对的该横向位置被绘示为470。将会理解，棱镜405的顶表面可以形成为阿尔瓦雷斯表面，或者可以是与位于棱镜上方的阿尔瓦雷斯表面分离的透镜，或者可以是以本领域中公知的方式粘接到棱镜的分离的阿尔瓦雷斯透镜。再次为了简单起见，第二阿尔瓦雷斯对410在广角位置表示为具有两个相对的凸面，并且在变焦透镜组的出口处具有基本平坦的表面。在图4C中，480处示出阿尔瓦雷斯对的该横向位置。如将在下文中理解，在各种实施例中，阿尔瓦雷斯对在两侧具有旋转非对称表面，而非平坦表面，并且在横向行程中更多的任何给定的组合比凹或凸面对更加复杂。对焦透镜组415包括常规凸凹光学器件，并且将图像发送到传感器420。这些旋转对称透镜可以包括一组或多组，并且根据实施例可以包括从1个至4个或者更多个这样的透镜。
在图4B的实施例中，示出处于变焦状态(示为“Z”)的自由外形透镜对。第一透镜对450可表示为两个相对的凸形透镜表面，而第二对460可表示为两个相对的凹面，如图4C所示。对焦组和传感器保持与图4A相同。
重要的是并且如在下文结合图18进行更详细的讨论，在适合于在适于移动电话的透镜模块中使用的实施例中，当实现3∶1的放大倍率时，透镜从广角位置移动至变焦位置所需的横向平移仅约2毫米。该较短的行程除了允许希望的小外形尺寸外，还允许低功率运行、具有低噪声。在这样的布置中，根据所希望的外形尺寸和传感器的尺寸，透镜的尺寸范围通常为4至10毫米。在其他的布置中，不同的透镜尺寸将是合适的。此外，在一些实施例中，阿尔瓦雷斯透镜对可以在透镜对中的每个透镜的两侧具有旋转非对称表面，如在图4D中示出的透镜对485和490，其中，在两对中的每个透镜的每个表面由合适的高次多项式定义。鉴于本文的教导，将会理解，在一些实施例中并非所有表面都是旋转非对称。图4E示出了第一阿尔瓦雷斯透镜对400’在所有四个表面上为自由外形的系统。光穿过透镜对400’，并且继而通过棱镜405A弯曲光路。根据实施例，棱镜可以为玻璃或塑料，即使一些玻璃棱镜会提供比塑料棱镜更好的像差性能。光继而穿过所有四个表面也为旋转非对称的第二阿尔瓦雷斯透镜对410’。在一些实施例中，可以在棱镜405A和对410’之间插入额外的透镜，以提供图像稳定性。在对410’之后，进入的光穿过基础透镜415’。基础透镜415’辅助对焦，并且可以包括一个或多个透镜，例如四个或五个。根据实施例，这些透镜可以被设计成一起移动或分离地移动。穿过基础透镜的光因此直接聚焦在传感器420’上或者在穿过第二棱镜405B之后聚焦在传感器420’上。第二棱镜可用于期望Z高度较低、同时仍允许使用较大的传感器(如提供例如十六兆像素的1/2″的传感器)的实施例中。
接着参照图5，导致阿尔瓦雷斯透镜之间相对运动的双线圈致动器的实施例可得到更好地理解。在图5中，透镜集合A(示为500)固定到位于左侧且串联连接的双线圈510。线圈510位于三个永磁对515之间。类似地，透镜集合B(示为505)固定到位于右侧且串联连接的双线圈510。磁护罩520(图2A)围绕磁铁和线圈，以防止磁通量的泄漏。通过将电流供给到线圈510，产生洛伦兹力，并且透镜集合沿着线圈510两侧的箭头所指的方向移动。在一些实施例中，包括压缩弹簧以平衡洛伦兹力，使得当电流从线圈中去除时，弹簧自动地使透镜集合返回至止动位置。在其他实施例中，供给相反极性的电流以使透镜集双向移动。在实施例中，线圈导体的一个竖直支腿保持在一个磁极区，而回路(return)存在于相反的极性区。此外，如结合图2A-2D所示，在实施例中，通常在1-3，2-4配置或1-4，2-3配置(虽然如以上结合图2A-2D所讨论的其他的配置也是可以的)中的每对的一个透镜一起移动。
接着参考图6，子组件210(图2A)可以得到更好地理解。具体地，臂600提供了第一透镜框架605，第一透镜(图6中未示出)通过常规方式安装到该透镜框架605内。凹槽610集成到臂600中，以允许子组件230或子组件240中固定到子组件210，这取决于优选1-3，2-4配置还是1-4，2-3配置。对于其他配置，凹槽610可以是不必要的。在臂600的下侧，通常使用粘合或包胶技术安装线圈510对。在实施例中，通常图2A中示出的除透镜本身以及线圈和磁铁之外的部分中，臂和透镜框架诸如通过对本领域中公知的材料注射制模、以统一的方式集成并形成。用于模制该种材料的新方法在国际申请PCT/IB2013/002905中进行更详细地描述，该申请转让给与本申请相同的受让人并通过引用结合于此。
接着参考图7，可以更好地理解具有气隙的磁结构的平衡。本发明的VCM的目的在于能够平稳并准确地移动光学器件，这要求不管主设备(例如智能电话)的位置如何，VCM能够产生足够的洛伦兹力来克服相关组件的重力和摩擦力。此外，VCM通常需要满足越过行程平面的下降最小的全行程要求。更进一步地，期望致动机构在停止或锁定位置处、甚至在没有电流通过线圈时维持一定程度的持住力。在本发明的一些实施例中，只可以实施单个线圈。然而，上面所讨论的并且图7中所图示的双线圈设计更有效地利用从磁铁515获得的磁通量。更具体地，由于磁铁必须相隔较远，双线圈配置允许在线圈上使用增加数量的线材匝数而没有增大气隙的缺点，该气隙通常与增加数量的匝数有关。如示出五毫米规格的图7所示，可以看出线圈700比磁铁相对较薄。相比之下，线圈710和720比线圈700更大(有更多的匝数)并且提供更大的洛伦兹力。此外，对于线圈710和720的VCM包括锁定机构，如在下文中图11处开始讨论。
接着参考图8和9，用于移动图2A-2D中的阿尔瓦雷斯对的1-3，2-4配置和1-4，2-3配置能够得到更好地理解。在绘示出1-3，2-4配置的图8中，其上安装透镜一和透镜三的臂彼此固定，使得与子组件210(图2A)相联的VCM移动透镜一和透镜三。类似地，其上安装透镜二和透镜四的臂固定，使得与子组件220(图2A)相联的VCM移动透镜二和透镜四。
接着参考图10，示出透镜框架和导向框架的实施例，其中，相匹配的突起部和缺口允许锁定或停止位置。具体地，导向框架215或235上的突起部1000与透镜框架605上的一个或多个缺口1005相匹配，从而沿臂600的行程设置机械锁定点。通过提供两个缺口1005，存在两个锁定位置。例如，一个锁定位置可以在广角处，而另一个锁定位置在全变焦处。然而，要实施这样的设计，导向框架、或至少突起部1000需要根据所施加的洛伦兹力折曲或弯曲到足以允许透镜框架经过它。将会理解，突起部和缺口的位置可以颠倒，使得该突起部在光学部件部分上。
图11和12图示出提供磁锁定方法的实施例，其中，图11是俯视剖视图并且图12是侧剖视图。如图11所示，锁定磁铁或铁磁销或板1100固定到相联的线圈510，并且靠近磁护罩520中的间隙1105定位。间隙1105的尺寸被设计为表示VCM的行程的全部或一部分。在第一位置，磁铁1100在间隙1105一侧，而在第二位置磁铁1100在间隙1105的相对侧。如图11所示，锁定销或磁铁可定位成在VCM行程的最远端、或只在一端、或在之间的任何位置处锁定。然而，在一些实施例中，较大的初始电流必须供给到线圈510以使致动器脱离锁定位置。作为附加的特征，在处理器模块中实现算法，在冲击主设备的情况下，该算法使驱动电路将致动器移动到锁定位置。
接着参照图13，图示出导向框架1300可以被配置成：为使用磁锁定的设计提供两个位置的机械停止的实施例。具体地，导向框架1300容纳透镜框架和一个(或多个)透镜1305。导向框架1300的任一端为止挡1310和1315，其为臂600的行进提供了机械“止挡”。此外，为了通过减小接触表面来减少摩擦，可以在导向框架1300上或在臂600上设置凸块或突起部1320。
接着参考图14A-14B，示出用于离散位置的磁锁定的两种不同的设计，这两个不同的设计适于实施以上所讨论的实施例的双线圈VCM。在图14A中，间隙1400延伸过两个线圈，并且按照结合图11所讨论的方式使用两个锁定磁铁或销1100。在图14B中，间隙1400只延伸过单个线圈，并且仅使用单个锁定磁铁或销1100。
图15示出用于磁锁定的替代实施例，其中，小线圈1500对沿着臂和透镜夹持器600的行程在表示锁定点的位置处位于壳体1510内。在所示的实施例中，单个磁铁或销1100位于臂600上。当线圈1500中合适的一者通电时，磁铁被吸引到线圈并且臂锁定在两个线圈位置中的一者处。如果磁铁用于销1100，本实施例也具有这样的优点：电流的反向可以排斥磁铁，使得无需额外的洛伦兹力来克服锁定力。
图16示出提供多个离散锁定位置的实施例中，其中多个(例如四个)间隙1600形成在护罩520内。多个锁定磁铁1605(例如在图示的实施例中为三个)位于相联的线圈510下方，使得当施加适当大小和持续时间的洛伦兹力时，线圈从间隙移动到间隙。
图17示出了用于使变焦致动器跨过整个行程定位的又一个替代实施例，其提供了基本连续的变焦的选择，而非其他实施例中提供的仅具有几个固定位置的增加的、离散的变焦。更具体地，位置传感器1700(如霍尔效应传感器或惯性传感器)位于组件壳体520上。靠近位置传感器1700定位的是磁铁1705。当臂600在导向框架215内行进时，在闭环配置中监测传感器1700，这允许将臂定位在其整个行程的基本任意选定的位置处。例如，如果传感器的输出是8位数据，可能是256个位置，而对于10位数据，可能是1024个位置。可能的位置的数量仅由输出中可用的信号梯级以及可读取的传感器步数来限定。对于如此大数量的增加，用户的感觉是变焦是连续的。
在该实施例中，每个位置传感器是组装过程之后并在整个行程范围内被校准。校正数据被存储在驱动电路或主机设备中的其他方便的位置内。使用位置传感器1700的闭环控制可以例如在驱动电路中实施，或者可以是主机设备的控制器内的软件层的一部分。在采用运动控制的实施例中，当照相机倾斜或旋转时结构的重力变化优选在闭环处理中考虑。机械或磁力锁定也可以用在实施运动感应、提供防震保护或降低功耗，或者当静止时保持定位的一些实施例中。
还应当理解，位置感测可以用于校准透镜元件的位置，以调整由制造公差引起的图像质量的任何下降。通过在校准过程中调节透镜对的横向位置，最佳位置数据可以存储在驱动电路或设备中的其他数据存储位置内，并且在供给电力时应用到透镜模块。
在根据本发明实施例中，通过以0.2-0.3g的移动质量、使用基本垂直于光轴的2mm的横向位移、在少于0.2秒内实现3倍变焦。根据施加的电流量，达到这样的结果所施加的洛伦兹力在10-50毫牛顿的一般范围内。在约0.1瓦的功率下，实现该力所施加的电流小于120毫安。在该实施例中，在没有位置传感器的情况下，位置精度在30μm内，并且在具有操作闭环的位置传感器的情况下，位置精度在10μm内。此外，这种操作在低于25dBA的噪声水平处进行。
接着参照图18，本发明的另一个方面可以得到更好地理解。从图4A-4C中，可以理解阿尔瓦雷斯对的透镜元件的横向移动的效果。在一些实施例中，除了横向移动，透镜之间的间隙也是重要的。在大型系统中，由于平缓的表面轮廓，间隙的效果可能较小。当光线在两个光学表面之间行进时，缓坡使光线的偏差最小。然而，当光学系统和透镜直径尺寸减小时，这种近似变得不精确。光功率和透镜的行进距离两者影响自由外形表面的整体斜率。当间隙增大时，通过间隙的光线的行进路径的偏差增大。在分析系统的近似模型时，该偏差是不希望的。
另一方面，间隙可以是多小是被限制的。光功率、透镜的运动的位移、系统的有效孔径都影响自由外形表面的斜率以及操作时两个表面可以被放置的有多近。具有波浪形的自由外形表面，当透镜横向移动时，可以围绕透镜表面发生接触。使小外形尺寸最小化的做法也限制光学配置。为了在空间约束内实现最佳的图像质量，限制可调透镜的光功率。
如图18(a)中所示，考虑了类阿尔瓦雷斯表面的集合。在第一透镜元件和第二透镜元件的厚度(在z轴方向上测量)分别由以下公式描述：
Figure BDA0001044992070000171
每个透镜的厚度由下式给出：
Figure BDA0001044992070000172
Figure BDA0001044992070000173
两个透镜的总厚度则为
Figure BDA0001044992070000174
Figure BDA0001044992070000175
其中A和C是常数，x和y是垂直于z的横向坐标到，
Figure BDA0001044992070000176
是光功率。这里，我们假定A是正的常数。显然，两元件系统的组合厚度则为t＝t1+t2-2C，其相当于平行板。可以示出当第一元件沿x方向移动位移δ并且第二元件沿x方向移动位移-δ时，组合厚度t具有抛物线形式-2Aδ(x2+y2)，从而仿真用于正位移δ的聚光透镜和用于负位移δ的发散透镜。其中，n是透镜材料的折射率。图2示出当每个透镜移动位移δ时的有效重叠。
假定在两个自由外形之间的间隙为t，且Δ为有效孔径D中的两个自由外形表面之间的距离。
Figure BDA0001044992070000181
Figure BDA0001044992070000182
为了避免在透镜的移动过程中碰撞，我们的条件为
Δ＞0，
也就是说，镜片不得接触。
如果我们假设D＞＞δ，那么我们就可以将条件建立为：
Figure BDA0001044992070000183
Figure BDA0001044992070000184
成像系统(如照相机)中的变焦透镜有两个基本要求：可调节焦距和固定像平面。为了满足两个基本要求，在变焦透镜系统中需要两对类阿尔瓦雷斯透镜。如图2所示，通过将作为可变焦距透镜和固定对焦透镜的两对阿尔瓦雷斯透镜相结合，我们提出了新设计。两对阿尔瓦雷斯透镜不仅可以调整系统的整个焦距还可以补偿像平面的位置变化。
假设阿尔瓦雷斯透镜对等同于薄透镜，为了在变焦期间使像平面保持固定，我们有：
Figure BDA0001044992070000185
其中f1是第一阿尔瓦雷斯透镜对的焦距，并且f2是第二阿尔瓦雷斯透镜对的焦距，k是常数，d1是两个阿尔瓦雷斯透镜对之间的距离。
整个系统的焦距为：
Figure BDA0001044992070000191
其中，f是整个系统的焦距，d2是第二阿尔瓦雷斯透镜对与固定对焦透镜之间的距离。
对于移动电话中使用的变焦透镜(如图3所示的光学配置)，系统包括两个可调透镜(可调透镜1和可调透镜2)和固定对焦透镜集合，止挡孔径(aperture)位于可调透镜1和可调透镜2之间。为了使像平面在变焦期间保持在相同的位置处，在广角，可调透镜1光功率为正，可调透镜2的光功率为负(如在图3(a)中)，在远摄端，可调透镜1光功率为负，可调透镜2的光功率为正(如图3(b)中)。当从广角变焦到远摄时，可调透镜1光功率范围从正变为负；另一方面，可调透镜2的光功率范围从负变为正。
对于移动电话和平板的厚度小尺寸要求，变焦光学系统至少光学地弯曲一次，如图4所示。
光功率分布
整个系统的光功率由图像检测器的尺寸(通常是CMOS或CCD)及视场角来确定。
假设
Figure BDA0001044992070000192
和
Figure BDA0001044992070000193
分别是第一组和第二组的功率，且d是第一组和第二组之间的主距。两个透镜的组合光功率是：
Figure BDA0001044992070000194
Figure BDA0001044992070000197
其中f是焦距，θ是视场角，并且D是像圈的直径。
Figure BDA0001044992070000195
假定变焦比为β，在广角端：
Figure BDA0001044992070000196
在远摄端：
Figure BDA0001044992070000201
其中，d是第一阿尔瓦雷斯透镜对与第二阿尔瓦雷斯透镜对之间的距离。
Figure BDA0001044992070000202
在有限的空间内，透镜对之间的距离只能约束在4mm至8mm之间。
为了满足小型相机模块的成像要求，阿尔瓦雷斯透镜1的光功率的范围为从0.3(1/mm)至-0.3(1/mm)(焦距的范围为从3.33mm到无穷以及从无穷到-3.33mm)
阿尔瓦雷斯透镜2的光功率范围从-0.3(1/mm)至0.3(1/mm)(焦距范围从-3.33mm到无穷且从无穷到3.33mm)。
该范围的集合将满足适于装配在照相手机中的光学变焦模块的光学配置。
示例：对于1/4英寸的CMOS，FOV为64度，变焦比为3。在广角端，焦距为：
Figure BDA0001044992070000203
在远摄端，焦距是：
ft＝fw×β＝3.62×3＝10.86(mm)
在这些范围的结果在于，对于小型系统而言，可以确定阿尔瓦雷斯透镜对之间的最佳间隙。从图(6)中，对于5mm的焦距、2mm的孔径以及1.5倍的材料折射率，间隙必须大于0.2mm，以避免运动期间的干扰。对于在2.5mm的孔径尺寸处考虑到的最大光功率(0.3mm-1)，我们可以判定每对透镜之间的间隙的最佳范围为
0.2mm＜间隙＜0.5mm
减小光学像差可以通过在自由外形表面的多项式方程中利用更高阶的项来实现。通过材料配置和选择，像差减小地更多。实现此的一种方法是具有由不同阿贝数的两种材料制成的透镜(图22)。该透镜可通过分离地注射模制两个透镜并在组装过程中将它们粘合在一起制成。两种材料的折射率中的相对近似性使界面处引入的光学误差最小。另一种方法是首先模制透镜的一侧，然后直接在预先模制的部件上模制另一个表面。本文所述的镜片可由光学性能的环烯烃聚合物(例如，Zeonex)制成，或者可以由聚碳酸酯或聚苯乙烯、或低色散玻璃制成。从本文的教导中也将会理解，在一些实施例中，一种材料可用于一个透镜，且另一种材料用于不同的透镜，或者用于图4A-4B所示的棱镜。也将会理解，透镜可以包括粘结在一起的两种不同的材料，如以上结合图22所讨论的。通常，用于手机相机实施例的透镜的尺寸范围为从4至10毫米，尽管其他的应用(如安全摄像机等)可以较大。
接着参考图23-28，具有适用于手机或其他小型应用的致动器的透镜系统的替代实施例可以得到更好地理解。参考图23，可以看出透镜系统或模块包括配合基础透镜组件2305的自由外形透镜组件2300。基础透镜组件包括传感器托架2310，传感器安装在传感器托架上。FPC盖2320装配在配对组件2300和2305上，并且金属盖2315装配在该组合的顶部上。进入开口或进入窗口可以设置在盖2315内，并且用于放置传感器的开口也可以被设置。
自由外形透镜组件可以从图24中得到更详细地理解，其中，成对的透镜1和4被安装在单个护板上，并且从而形成透镜组2400。在一些情况下，透镜与护板以统一的方式被模制。同样，第二成对的透镜2和3被一起安装为透镜组2405。透镜组最终以可移动的关系借助于导向杆容纳件2415，2420和2425安装在基座2410上。容纳件的一些方面可以从图25中得到更好地理解，其中，透镜护板反过来看作是示出容纳件与导向杆之间的关系。更具体地，导向杆容纳件2415和2420具有导向杆中的一者穿过的孔，而容纳件2425包括该第二导向杆穿过的光滑槽。
容纳件与导向杆之间的关系可以被看作是对透镜护板的三点支撑，其虽然并非在所有实施例中是必需的，但有助于大幅减少倾斜，如下文中更详细地讨论的。导向杆被胶合或以其他方式刚性地固定到导向杆支撑件2435和2440。基座上的电线圈2445和相联的印刷电路板与安装在透镜组2400和2405的护板上的永久磁铁相匹配。磁铁和线圈相互作用以使透镜组沿基本垂直于该对的光轴的方向彼此相对地延伸或收缩，同时保持与棱镜2455充分对准，光经过该棱镜向前到达基础透镜。金属带2460可以放置在基座中，使得透镜组上的永久磁铁与带2460相互作用，以提供磁锁定作用，这将在下文中结合图27进行更详细地解释。
图26以分解立体图图示出根据本发明的方面的基础透镜。具体地，基础透镜包括底座2600、基础透镜镜筒2605、一个或多个基础透镜2610、棱镜和棱镜保持件2615、可选IR滤波片2620、传感器托架2625、传感器2630、具有匹配的电线圈和印刷电路板2640的磁铁2635、装配到基础透镜容纳件2650中的基础导向杆对、以及导向杆支架2655。类似于上述自由外形透镜组件，当供给电源以移动基础透镜镜筒(至少一些基础透镜安装在其中)时，线圈和磁铁相互作用，以便使从自由外形的子组件接收的光聚焦到传感器上的图像中。
接着参照图27，结合本文所述的自由外形和基础透镜子组件一起使用的磁性锁可以得到更好地理解。具体地，金属带2455位于基座2410上。当磁铁和线圈相互作用以使透镜组沿导向杆移动时，最靠近金属带的透镜组的端部由于磁铁的吸引力向下偏置至金属带。相反，透镜组的相对端稍微向上驱动。如果不解决，这些力会导致足够的倾斜以引起不可接受的图像失真。然而，通过设置两个导向杆(一个在透镜组的任一侧)以及被分离的三个容纳件(两个在一侧并且一个在另一侧)，在三维空间内倾斜可以显著减小。在透镜和有关元件具有本文所述的尺寸的情况下，上述方法能够使自由外形透镜的倾斜减小至+/-0.2度，并且使基础透镜的倾斜减小至+/-0.1度。
反过来在某些方面，相关的问题是静摩擦：为提供良好的用户体验，透镜组沿导向杆的移动必须是平滑的且可靠的。同时，需要使导向杆通过的、具有孔口的非常小的间隙。为了对此进行协助，通过其开口的一部分的孔口被解除(relief)，如图28中更好的示出，其中，小的平坦区域2800设置在一个或多个侧面上。这提供了比整个孔更小的接触区，从而允许使透镜组或基础透镜沿导向杆可靠平稳地运动。
接着参考图29A-29D，根据本发明的用于改进旋转非对称透镜的可制造性的技术可以得到更好地理解。一般而言，单个阿尔瓦雷斯元件的活动区域不包括整个透镜区域，如图29A所示。未使用的区域可能导致难以制造并且在横向移动期间会在透镜之间产生干扰的非常陡的轮廓。因此，希望以消除透镜之间的潜在干扰且还保证易于制造的方式调节这些区域。
一个可行的方法是追踪活动区域的周界，并且用具有最靠近周界的值的表面轮廓填充未使用区域。例如，一种方法是利用沿x轴的与活动区域的周界值相同的值填充表面轮廓，如一般在图29B中所示。
可采用其他步骤来建立更加可制造的表面。在上述示例中，伴随补偿，表面仍然可以导致在与轴线相切的圆的边缘处的非常陡的轮廓。相关的问题在于期望在制造期间及和在组装期间具有检查透镜的对准的手段。为了同时解决这两个问题，沿未使用的区域找到最低点或最高点并且用该值填充区域的其余部分是有用的。这将使透镜区域的四个角处平坦，如图29C所示。
可以进行进一步的工作以辅助制造。活动区域和补偿区域之间的过渡可以以线性或多项式函数逐渐变化的方式平滑化。这有利于去除可能存在制造挑战的表面梯度的急剧变化。
使用自由外形透镜所构成的其他挑战包括对准和测量困难，这是由于自由外形透镜缺少光学中心。相关的挑战在于需要在组装期间识别不期望的转动。可以通过将对准特征模制在透镜主体内并且因此将透镜主体或护板用作透镜基准来克服这些挑战。然后，可以以光学的方式或以机械的方式测量这些特性(例如透镜、光栅线、或斜面(slope))，以协助检查透镜对准。
由于整个表面被轮廓化并与理论数据对比来确定位置，很难使自由外形透镜沿Y轴精确地定位。克服这一点的一种技术为在单次扫描中建立可以轮廓化的平面(B)和斜面(C)，例如图30A所示的设计。在自由外形表面的侧面，附加的倾斜和平坦参照区域可以与透镜一起模制。模制不会在斜面与平面之间建立陡的相交线，因此倾斜和平坦区域要在一起轮廓化。然而，与沿Y轴的所有自由外形的表面的点相交的理论位置是已知的。通过靠模加工斜面和平面，交点可以通过计算发现。
另一种变化是再次通过使用图30B中所示的倾斜特征将X或Y轴位置映射到Z的高度。为了确定沿X轴的自由外形透镜的位置，特征的“E”被使用。斜面的Z高度当被精确测量时可用于确定沿透镜表面的实际的X轴的位置。类似地，特征的“D”可用于定位Y轴的位置。通过“E”和“D”两者，可以推断自由外形表面的X轴和Y轴的位置。
图30C和30D示出设计轮廓和测量轮廓的对比。在所测量的轮廓中，假设所测量的点A1，A2，A3，...，An，B1，B2，B3，...，Bm的坐标为(Xa1，Ya1)，(Xa2，Ya2)，(Xa3，Ya3)，...，(Xan，Yan)，(Xb1，Yb1)，(Xb2，Yb2)，(Xb3，Yb3)，...，(Xbm，Ybm)
假设方程y＝k1x+b1表示线段A’C’，方程y＝k2x+b2表示线段B’C’。
对于线段A’C’：
Ya1’＝k1Xa1；
Ya2’＝k1Xa2；
Ya3’＝k1Xa3；
…
Yan’＝k1Xan；
最小误差函数的形式用于获得最佳拟合线，使得K1和b1由下式确定：
Figure BDA0001044992070000241
类似地，对于线段B’C：
Yb1’＝k2Xb1；
Yb2’＝k2Xb2；
Yb3’＝k2Xb3；
…
Ybm’＝k2Xbm；
K2和b2由下式确定：
Figure BDA0001044992070000242
扫描轨迹的倾斜角为：
α＝arctan(k2)
斜角为：
θ′＝arctan(k1)
因此，线段A’C和B’C的交叉点的坐标可确定为：
Figure BDA0001044992070000251
Figure BDA0001044992070000252
接着参照图31A-31D，在一些实施例中，可以通过在形成自由外形透镜的同时在护板或透镜框架上制造光学特征来辅助对准。这些光学特征可以是使用传统方法进行对准的透镜。以这种方式，可以克服在自由外形的表面上具有不容易识别的特征的限制。如图31A中所示，光学特征3100和3105(诸如旋转对称透镜等)可以分别形成在用于自由外形透镜3110和3115的透镜框架上。为了对准自由外形透镜，每个框架可以使这些透镜中的至少一者位于彼此对准的位置，并且传统对准方法可应用于对准。例如，旋转对称透镜的定心可以通过旨在找到旋转透镜的顶点(apex)的激光束来完成。布置在透镜框架的各种位置处的多个这样的透镜(例如多达三个)可为对准提供额外的改进。甚至每个透镜框架或护板只使用单个光学特征的做法允许多个自由外形透镜的对准组装，该对准组装包括要求光路弯曲的配置的对准，如示出四个自由外形透镜通过经过各个光学特征的单个激光束对准的图31B中所示。对于一些系统而言，更初步的、不太有效的对准方法可以包括在透镜框架上仅有孔。
虽然光学特征协助建立透镜的基准位置，在随后的操作中，其他的参考位置可以有助于校准模块上的任何位置反馈传感器。这些位置反馈传感器可以包括霍尔传感器、电容传感器、压电效应传感器和线性编码器。对于任何传感器，校准是实现高的定位精度所必需的步骤。该校准步骤针对各个传感器所测量的信号承担透镜的实际位置的定位。例如，对于霍尔传感器，透镜框架可以承载磁铁，当磁铁与框架一起移动时，建立了由安装在模块壳体上的固定霍尔传感器采集的变化的磁场。这种变化的磁场反映了透镜框架的位置变化。
校准允许传感器识别其应感测到的针对期望的框架位置的磁场信号。该实际位置的输入需从外部装置获得。框架之间的相对初始位置可以由前面所述的对准标记来确定。从这些相对初始位置中，可以通过使用外部位移测量工具(如激光位移传感器)获得透镜框架的后续位置。以这种方式，由霍尔传感器在框架的各种位置处收集的磁场的大小可以与框架的位置相关联。测量过程的一个示例在图31C和31D中被图示出。在初始基准位置处，可以记录霍尔传感器信号。从左侧的图中，激光位移传感器可用于测量该透镜框架的一部分以获得它的位置。通过根据需要将框架移动到各种位置处，每个位置的霍尔传感器读数可以与已知的位置值一起被制成表格。
每个框架上的单个透镜对准功能允许在X，Y，Z轴上对准并且在X和Y轴上旋转。仅有Z轴(关于透镜的对称轴)无法确定。通过在每个框架中利用两个透镜对准特征可以完全确定框架的位置。更多的透镜对准特征可按有效性递减的方式被添加。
根据实施和应用，每个透镜对准特征的范围可以为0.1mm到10mm。在至少一些情况下，较小的透镜尺寸可以与更小的对准特征相关联。较小的透镜尺寸的限制包括易于对焦或准直的激光束以及可以获得的信号强度的量被有效地使用。
对于直径或对角线为4mm的透镜，自由外形表面的最大斜度将小于60度。当透镜的对角线变大至10mm时，预期的轮廓的斜度可以减小至小于40度。
在10mmx40mmx40mm模块封装内，合适的图像传感器的尺寸范围可以为从1/2″到1/4″。
横向于光轴平移的自由外形透镜提供了紧凑方式来实现光学变焦和其他特征。为了实现光学变焦，透镜的移动必须是双向和同步的。在实现低成本的解决方案的一个因素在于能够减少系统中的致动器的数量。实现这一点的一个方法为减少致动器的数量、使多个透镜连接在一起。
假设光学系统包括两个透镜，一个是G1(阿尔瓦雷斯透镜对1)，另一个是G2(阿尔瓦雷斯透镜对2)。
整个系统的光功率
Figure BDA0001044992070000271
是：
Figure BDA0001044992070000272
工作距离L为：
Figure BDA0001044992070000273
假设从广角到远摄的阿尔瓦雷斯透镜的行进范围为2mm，在广角端，两个透镜的光功率为
Figure BDA0001044992070000274
和
Figure BDA0001044992070000275
在远摄端，两个透镜的光功率为
Figure BDA0001044992070000276
和
Figure BDA0001044992070000277
在随机位置，两个透镜的光功率为
Figure BDA0001044992070000278
和
Figure BDA0001044992070000279
在广角端，工作距离是：
Figure BDA00010449920700002710
在远摄端，工作距离是：
Figure BDA00010449920700002711
在随机位置：
Figure BDA00010449920700002712
在随机位置，每个透镜对的光功率是：
Figure BDA00010449920700002713
Figure BDA00010449920700002714
而
Figure BDA00010449920700002715
分别是透镜组G1和G2在广角端和远摄端的光功率。
如果我们在变焦期间将自由外形1与自由外形4固定在一起并将自由外形2与自由外形3固定在一起，这意味着我们必须在变焦期间保持Δ1＝Δ2＝Δ；
如果我们想要在保持工作距离的同时进行连续变焦，如公式(8)：
Lw＝LT＝Lr (8)
Figure BDA0001044992070000281
只有当Δ＝0或者Δ＝2时，上述方程才是有效。
可以通过成对连接透镜来简化致动器系统。这可导致与两个离散变焦点的光学变焦配置。这是可以用于该光学变焦透镜的最简单的配置。
在本发明的一些实施例中，特别是提供大于3x的光功率的那些实施例，期望能够分离地移动包括两个阿尔瓦雷斯透镜对的四个透镜元件中的每一者。虽然这需要附加的复杂性，如上述讨论所示，但是在一些情况下，附加的复杂性对于增强的性能而言是合理的权衡。接着参照图32A-34B，示出实现透镜的独立移动的各种致动器。这样的致动器必须能够提供一个或多个以下特征：(a)透镜1和2沿不同的方向移动相同的距离，而透镜3和4沿不同的方向移动彼此相同的、但与透镜1和2不同的距离。(b)透镜1，2，3和4全部移动不同的距离，而两者沿彼此相同的方向移动，并且另两者沿与前两者相反的方向移动。期望的设计特点是这些致动器必须满足小于6.5mm的Z高度的外形尺寸要求，它们必须以5μm的位置精度使透镜移动至少3mm，它们必须有足够数量的止挡，以提供良好的用户体验，它们必须有成本效益，它们不能使用过大的功率，并且它们必须易于制造和组装。
图32A-32E图示出可以使四个透镜中的每一者移动不同距离的旋转凸轮致动器，其中，两个与其他两个反向移动。图33A-33B图示出达到相同结果的驱动仿形凸轮的线性马达，而图34A和34B图示出也能够驱动多个透镜移动不同距离的齿轮和摩擦轮的实施例，其也是一些透镜沿一个方向移动并且相同数量的透镜反向移动。
按照前述制造的设计实现了以下特性：
参数 自由外形透镜 基础透镜
表面轮廓(PV) ＜0.5μm ＜0.3μm
表面偏心(X,Y) +/-2μm +/-2μm
表面倾斜 +/-0.02deg +/-0.02deg
元件和元件之间的偏心 +/-5μm +/-5μm
厚度 +/-1μm +/-1μm
元件倾斜 +/-0.2deg +/-0.1deg
指数 +/-0.00025 +/-0.00025
阿贝％ +/-0.25 +/-0.25
框架倾斜(L形)：+/-0.1度
子模块组件：+/-5μm
棱镜(45deg角)：+/-0.02度
棱镜组件倾斜：+/-0.1度
在对本发明的多个实施例进行了全面的描述的情况下，本领域的技术人员将认识到有很多不脱离本发明的范围的替代和等同物。由此，本发明不限于前述说明，而仅由所附的权利要求书来限定。

Claims (1)

1.一种光学变焦透镜系统，其包括：
至少一个微致动器，其配置为移动一个或多个光学元件，
至少四个光学元件，所述至少四个光学元件用于引起所述系统的光功率变化，所述至少四个光学元件中的每一者配置用于使光信号沿光信号行进路径通过，所述至少四个光学元件中的每一者包括至少一个自由外形表面，所述至少四个光学元件中的每一者由具有透镜框架的臂支撑，
其中，至少四个光学元件以成对的配置定位，使得各自安装在其相应的所述透镜框架中的第一光学元件和第二光学元件形成第一对，并且各自安装在相应的所述透镜框架中的第三光学元件和第四光学元件形成第二对，每一对能够通过相应的所述透镜框架中至少一者的移动响应于所述至少一个微致动器在大致横向于所述光信号路径的方向上相对于关联的第一导向框架和第二导向框架相对移动，以引起所述系统的光功率变化，所述第一导向框架与所述第一对关联，所述第二导向框架与所述第二对关联。
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