CN105637403A - 具有两个液体透镜的光学变焦透镜 - Google Patents
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Abstract
一种用于将物平面(100)成像到像平面(200)的光学变焦系统(1)，其例如用于智能电话照相机，并且包括两个液体透镜(10、20)及其随后的固定的校正透镜(30、50、60)，所述液体具有大于60的阿贝数。
Description
技术领域
本发明涉及提供变焦和聚焦可能性的光学系统。
背景技术
例如依赖于齐焦操作原理或依赖于变焦距操作原理，已经提出不同类型的光学变焦透镜系统。
在齐焦光学变焦透镜系统中，无焦子系统提供各种放大或变焦级别(变焦的)。齐焦光学变焦透镜系统的另外的聚焦分段提供各种聚焦位置(聚焦的)。因此，聚焦的是独立于变焦的，即当改变变焦级别时，齐焦光学变焦透镜系统通常停留于聚焦中。然而，用于这样的齐焦光学变焦透镜系统的小型化的可能性是相当受限的，这对于诸如智能电话或医疗内窥镜之类的空间敏感应用是特别相关的。
在变焦距光学变焦透镜系统中，具有可调相对位置和/或可调焦距的两个聚焦透镜被利用于使能变焦和聚焦。通常，当改变变焦级别时，变焦距光学变焦透镜系统不得不重新聚焦。在变焦距光学变焦透镜系统更易于小型化的时候，提供好的光学质量是有挑战的，特别是当使用可调透镜(即具有可调焦距的透镜)时。
WO2010/103037A1公开了具有可调透镜的光学变焦透镜系统，该可调透镜具有分离两个光学介质的膜。然而，仍可改善这样的光学变焦透镜系统的光学质量。
发明内容
因此，本发明的目的是提供具有变焦和聚焦可能性和更好的光学质量的改善的光学系统，该光学系统更易于小型化以及/或者更易于应用在空间敏感应用中。
本目的通过独立权利要求所述的光学系统来达到。
因此，用于将物平面(其中布置例如待被成像的物体，例如人、建筑物，或医疗结构)成像到像平面(其中布置例如成像传感器，CCD或CMOS传感器)上的光学系统包括所述物平面、所述像平面、以及被布置在所述物平面与所述像平面之间的第一可调透镜。
第一可调透镜本身包括由刚性材料制成的第一固定的(即，非轴向可移动的)容器。在本文中，术语“刚性材料”涉及例如具有抗拉强度K>2000MPa的聚碳酸酯或环烯烃聚合物的材料，其特别是可不或仅由光学系统的可选的致动器(参见下文)显著地变形。第一可调透镜此外包括由弹性材料制成的第一可变形膜。在本文中，术语“弹性材料”涉及例如具有抗拉强度K<5MPa的弹性体(特别是硅酮或玻璃)的材料，其特别是例如可借助于光学系统的可选致动器(参见下文)来弹性地变型。因此，通过使第一可调透镜的可变形膜(或其区域)变形，可改变第一可调透镜的焦距。有利地，只有单个可变形膜连接到(例如密封到)第一可调透镜的容器，这简化光学系统的结构。
此外，光学系统包括被布置在第一可调透镜与像平面之间的第二可调透镜。第二可调透镜本身包括由刚性材料制成的第二固定的容器(参见上面的示例)。第二可调透镜此外包括由弹性材料制成的第二可变形膜(参见上面的示例)。因此，例如通过使第二可变形膜(或其区域)变形，也可改变第二可调透镜的焦距。如在第一可调透镜中，有利地，只有单个膜连接到第二可调透镜的容器，这简化光学系统的结构。
由于改变(或“调谐(tune)”)第一可调透镜的和第二可调透镜的焦距的可能性，不同的聚焦位置(即聚焦可能性)和不同的变焦级别(即变焦可能性)的组合被获得用于光学系统。这增强光学系统的适用性。
此外，光学系统包括至少一个固定的校正透镜。所述校正透镜由刚性材料(参见上面的示例)来制成，并且被布置在第二可调透镜与像平面之间。通过该固定的校正透镜校正各种光学像差，例如球面像差、色像差、彗形像差等。因此，改善了光学系统的光学质量和成像属性。
在根据本发明的光学系统中，第一可调透镜进一步包括由至少第一容器和第一膜(或其区域)包围的第一流体。第二可调透镜进一步包括由至少第二容器和第二膜(或其区域)包围的第二流体。第一可调透镜的第一流体和第二可调透镜的第二流体中的每个的阿贝数(其指示光学材料的色散)大于60，特别是大于80。因此，获得较低色散以用于穿越第一和第二流体的光。因此，光学系统的诸如色像差的光学像差不太明显以及/或者更易于校正。这导致光学系统的更好的光学性能，并且因此导致光学系统的改善的成像质量。
作为对这样的更高阿贝数流体的替代，第一可调透镜的第一容器朝向物平面取向。在本文中，术语“朝向……取向”涉及在轴向方向中的配置。换句话说，第一可调透镜的第一容器面向朝向物平面的轴向方向，而不是面对像平面的方向。在本文中，术语“轴向”涉及与“光学上游”(即朝向物平面)平行的方向以及与“光学下游”(即朝向像平面)平行的方向。在光学系统的光轴(参见下文)的直的(例如非折叠的)特殊情况中，该直的光轴限定光学系统的直的轴向方向。当光轴被折叠时，轴向方向也以与光轴相同的方式被折叠。通常，在光学系统的旋转对称的透镜的情况中，轴向方向与这些透镜的旋转对称的轴相重合。此外，第一可调透镜的第一膜的至少第一区域朝向像平面取向。换句话说，第一可调透镜包括具有第一容器的侧，以及例如具有可变形膜及其第一区域的相反侧。然后，可调透镜的容器侧朝向物平面取向，同时膜侧朝向像平面取向。因此，光学系统的诸如色像差的光学像差不太明显以及/或者更易于校正。这导致光学系统的更好的光学性能，并且因此导致光学系统的改善的成像质量。
两种途径的组合，即具有如下项的光学系统：
-具有均大于60(特别是均大于80)的阿贝数的第一和第二可调透镜流体，以及
-第一容器的朝向物平面的取向和第一膜(或其第一区域)的朝向像平面的取向
是有利的，因为它进一步减小光学像差以及/或者使得它们更易于校正。这导致光学系统的甚至更好的光学性能，并且因此导致光学系统的改善的成像质量。
在有利的实施例中，光学系统具有3.4或更快的f数(即，在一般的摄影术标记中，f/3.4＝(f/1)/(sqrt(2)3.5)))。因此，经过光学系统透射更多的光，这有助于改善成像质量并使能减小的景深(其常常被用在美学原因(散景)的摄影中)。
在另一个有利的实施例中，至少对于所述第一可调透镜的焦距和所述第二可调透镜的焦距的一个组合，光学系统被构造为将来自所述物平面的平行光线成像到在所述像平面中的焦点。因此，光学系统可被聚焦于“无限远”，这增强光学系统的适用性。
在有利的实施例中，至少对于所述第一可调透镜的焦距和所述第二可调透镜的焦距的一个组合，光学系统被构造为将来自物平面(例如来自在物平面中的待被成像的物体的点)的发散光线成像到在像平面中的焦点。在物平面与第一可调透镜之间的轴向距离可小于30mm，特别是小于20mm。因此，光学系统可被聚焦于例如“大镜头(macro)”，这增强光学系统的适用性。在物平面与第一可调透镜之间的其它距离也是可能的。
在有利的实施例中，光学系统被构造为提供连续多个变焦级别(即，连续可调整的变焦级别)和连续多个聚焦位置(即，连续可调整的聚焦)。这通过连续地调谐第一和第二可调透镜的焦距来获得。因此，可提供不仅离散的变焦级别以及/或者聚焦位置，这增强光学系统的适用性。
在另一个有利的实施例中，光学系统的第二可调透镜的第二容器朝向物平面取向。第二可调透镜的第二膜的至少第二区域朝向像平面取向。换句话说，第二可调透镜的容器侧朝向物平面取向，同时具有第二可调透镜的第二区域的膜侧朝向像平面取向。这导致光学系统的甚至更好的光学性能，并且因此导致光学系统的改善的成像质量。
所述第一可调透镜的第一膜的所述第一区域和第二可调透镜的第二膜的第二区域中的每个被有利地构造为呈现凸形和凹形。这意味着，两个膜区域可呈现凸形和凹形二者。因此，获得可获得的变焦级别和聚焦位置的更多个组合，并且增强光学系统的适用性。
在这样的情况中，至少当光学系统在诸如远程变焦级别的第一变焦级别中时，当第二区域呈现/是凹形时，第一区域有利地呈现(或换句话说，它处于)凸形。
有利地，至少当光学系统在诸如广角变焦级别的第二变焦级别中时，当第二区域呈现/是凸形时，第一区域可呈现/是凹形。
换句话说，第一膜和第二膜有利地具有反向的偏转状态。因此，获得了光学系统的改善的光学质量，并且减小了像差，更易于校正，以及/或者它们至少部分补偿彼此。
光学系统的又另一个有利实施例包括至少一个致动器，特别是两个致动器，有利地如下项中的组：
-静电致动器，
-电磁致动器，
-电活性聚合物致动器，
-压电致动器，以及
-流体泵致动器。
第一可调透镜和/或其第一区域以及第二可调透镜和/或其第二区域被构造为由至少一个致动器(特别是由所述两个致动器)来变形。这样做，使得第一可调透镜的焦距或所述焦距和第二可调透镜的焦距或所述焦距可借助于致动器来改变。作为示例，第一流体泵致动器和第二流体泵致动器可被用于分别调谐第一和第二可调透镜的焦距。因此，借助于致动器，特别地独立于彼此，第一可调透镜的焦距和/或第二可调透镜的焦距更易于改变。因此，光学系统的聚焦和变焦可更容易地实现。这增强可获得的变焦级别和聚焦位置的可能的组合，以及因此增强光学系统的适用性。
在另一个有利的实施例中，光学系统包括至少3个，特别是至少4个，特别地精确地4个，固定的校正透镜。这些校正透镜由刚性材料(参见上面的示例)来制成，并且适用于减小在光学系统中的像差，例如色像差、球面像差、活塞、倾斜、彗形像差、像散性等。因此，改善了光学系统的成像质量。特别是，固定的校正透镜被布置在第二可调透镜与像平面之间，这已经被证明甚至进一步改善光学质量。
有利地，这些固定的校正透镜的光学表面，特别是所有的光学表面，具有2mm或更大的最小最佳绝对曲率半径值。因此，这些校正透镜更易于生产，例如他们可通过注塑技术由弹性材料制成。此外，在光学系统的组装期间校正透镜更易于对准。这减小生产成本并且提高良品率。
当校正透镜被布置在第二可调透镜和像平面之间时，这些校正透镜中的一个(该校正透镜被布置在最接近于第二可调透镜)的光学表面比这些校正透镜的任何其它光学表面有利地具有更强的曲率(即更小的最佳曲率半径值)。换句话说，第一校正透镜(即，被布置在最接近于第二可调透镜的校正透镜)由于其具有最强的曲率的光学表面而用作主聚焦透镜。因此，改善了光学系统的光学质量。
在本发明的另一个有利的实施例中，至少一个固定的矫正透镜适应于矫正光学系统的场曲率。因此，改善了光学系统的光学质量，因为阻止了光学系统的像平面中的弯曲的成像场，或者至少减小了它的曲率。
光学系统的又另一个有利的实施例被构造为具备至少远程变焦级别配置和广角变焦级别配置。然后，在远程变焦配置中的第二可调透镜与像平面之间的在轴向位置处的最大主射线角与在所述广角变焦配置中的第二可调透镜与像平面之间的在轴向位置处的最大主射线角未相差超过5°。在连续多个变焦级别的情况中，这适用于所有变焦级别。因此，固定的校正透镜/透镜(多个)更易于优化，并且由这些固定的校正透镜提供的改善的光学校正增强光学系统的成像性能。
在光学系统的另一个有利的实施例中，第一可调透镜的第一容器是弯月形，即具有第一容器的凸外侧以及具有第一容器的凹内侧。当膜处于凹的状态时，第一可变形膜然后可跟随(有或没有直接接触)第一容器的凹内侧。因此，光学系统可以以更节省空间的方式来实现。
附加地或作为替代，第二可调透镜的第二容器是具有凸外侧和凹内侧的弯月形。再次，当第二膜处于凹的状态时，第二可变形膜然后可跟随第二容器的凹内侧。
因此，可调透镜更易于实现并且光学系统可以以更节省空间的方式来生产。此外，增强了光学系统的光学质量。
更有利地，第一可调透镜的第一容器的光学前表面具有凸形，并且第一可调透镜的第一容器的光学后表面具有凹形。因此，改善了光学系统的光学质量。特别是，所述光学前表面朝向所述物平面取向，以及所述光学后表面朝向所述第一可调透镜的所述第一膜取向。因此，进一步改善了光学系统的光学质量。光学后表面有利地是基本上球形的表面。因此，阻止或至少减小了由于在容器和可调透镜的其它部分(例如流体)的折射率上的不同变化造成的光学系统的光学性能的热诱导退化。
更有利地，第二可调透镜的第二容器的光学前表面具有凸形，并且第二可调透镜的第二容器的光学后表面具有凹形。因此，改善了光学系统的光学质量。特别是，所述光学前表面朝向所述物平面取向，以及所述光学后表面朝向所述第二可调透镜的所述第二膜取向。因此，进一步改善了光学系统的光学质量。光学后表面有利地是基本上球形的表面。因此，阻止或至少减小了由于在容器和可调透镜的其它部分(例如流体)的折射率上的不同变化造成的光学系统的光学性能的热诱导退化。
光学系统有利地包括孔径光阑，特别地圆孔径光阑，其特别是被布置在第一可调透镜与第二可调透镜之间。因此，更易于最小化第一和第二可调透镜的尺寸，同时保持可获得的f数为低以及保持像平面的相对照明为高。
作为替代，孔径光阑也可被轴向地布置在第二可调透镜的下游，即在第二可调透镜与像平面之间，这使得更易于将光学系统的f数保持在基本上恒定于所有变焦级别之上。
在另一个有利的光学系统中，第一可调透镜另外包括第一固定的(即，非轴向地或横向地可移动的)透镜成形器。这样的固定的透镜成形器可例如被实现为由刚性材料(例如硅酮、硅)制成的固定的环，并且该环与第一可变形膜的段相接触。因此，通过透镜成形器，第一膜被分离成光学主动段(例如在第一膜的中心)以及被分离成光学被动段(例如在第一膜的横向部分)。光学被动段特别地连接(例如胶合或焊接)到透镜成形器。可替代地或另外，第二可调透镜还可包括第二固定的透镜成形器，其可再次被实现为与第二可变形膜的段相接触的刚性环。因此，可变形膜(多个)或至少它的/它们的光学主动段(多个)中的至少一个的形状更易于控制，并且增强了光学系统的光学质量。
然后，有利地，在第一可调透镜的第一透镜成形器和孔径光阑之间的轴向距离与在第二透镜成形器与孔径光阑之间的轴向距离未相差超过±50％，并且特别是相差不超过±20％。由于围绕孔径光阑的透镜成形器的该基本上对称的布局，增强了光学系统的光学质量，因为光学像差被避免并且/或者易于校正。
又另一个有利的光学系统进一步包括折叠棱镜，该折叠棱镜用于使光学系统的光轴转向。换句话说，光轴不是直线，而是可被折叠，例如90°。因此，光学系统可被实现为更小，特别是更小的总长度。这增强光学系统的适用性，特别是对于空间敏感应用，例如医疗内窥镜或智能电话或其它配备相机的技术装置。
有利地，折叠棱镜可具有非正方形，特别是矩形的截面，以及/或者它可包括切割边缘。因此，非正方形(例如矩形)传感器可经过光学系统被完全照明，同时光学系统可采用更小的总高度来实现。因此，光学系统更适合于空间敏感的应用，例如智能电话。
有利地，第一可调透镜的第一膜的第一区域或所述第一区域直接面对折叠棱镜。换句话说，在第一膜的第一区域与折叠棱镜之间，没有布置另外的光学部件，例如弯曲的光学部件。因此，光学系统可以以节省空间的方式来实现，并且它更适合于空间敏感的应用，例如智能电话。
更有利地，第二可调透镜的第二容器的光学前表面或所述光学前表面直接面对折叠棱镜(该光学前表面朝向所述物平面取向)。换句话说，在第二容器的光学前表面与折叠棱镜之间，没有布置另外的光学部件，例如弯曲的光学部件。可替代地，在第二容器的前表面与折叠棱镜之间，仅布置一个或多个孔径和/或孔径光阑。因此，光学系统可以以节省空间的方式来实现，并且它更适合于空间敏感的应用，例如智能电话。
在包括孔径光阑和折叠棱镜的另一个有利的光学系统中，在孔径光阑与折叠棱镜之间的轴向距离小于或等于孔径光阑的最小横向半径的1.5倍。因此，光学系统可以以节省空间的方式来实现，并且它更适合于空间敏感的应用，例如智能电话。
在光学系统的另一个有利的实施例中，第一可调透镜(特别是第一可调透镜的第一容器的第一光学表面或所述第一光学表面)直接面对物平面。换句话说，在第一可调透镜与物平面之间，没有布置另外的光学部件，例如弯曲的光学部件。
可替代地，在第一可调透镜与物平面之间布置保护元件，例如盖板玻璃，特别是只有这样的保护元件(即，没有另外的光学部件，例如弯曲的光学部件)。
因此，第一可调透镜或保护元件用作用于光学系统的保护盖板，例如免于灰尘或划痕，光学系统可被实现为更轻巧，并且更易于清洁。
在光学系统的有利的实施例中，第一可调透镜的第一流体或所述第一流体包括液体，特别是由液体组成。可替代地或另外，第二可调透镜的第二流体或所述第二流体包括液体，特别是由液体组成。因此，可调透镜(多个)可以以更加简单和光学有利的方式来实现，并且依赖于具有不同的折射指数的超过一种流体的更复杂的流体透镜和流体接口是不必要的。这使得光学系统的实现更简单并且增强光学系统的光学质量。
在光学系统的又另一个有利的实施例中，所述第一可调棱镜的所述第一容器的光学前表面或所述光学前表面(该表面有利地朝向所述物平面取向)是非球形表面。因此，增强了光学系统的光学质量，特别是对于光学系统的广角变焦级别。
在另一个有利的光学系统中，所述第二可调透镜的所述第二膜的第二区域或所述第二区域被构造为可围绕零位置对称地偏转。作为示例，对于光学系统的远程变焦级别，第二膜的第二区域是凹形，而对于光学系统的广角变焦级别，第二膜的第二区域是凸形。然后，凹形和凸形围绕零位置(即围绕未被位移的第二膜位置)是基本上对称的。因此，改善了光学系统的成像质量，因为光学像差不太明显以及/或者更易于校正。
本发明的又另一个有利的实施例包括内筒，在该内筒中布置第一可调透镜、第二可调透镜、以及固定的校正透镜。此外，光学系统另外包括外筒，在该外筒中布置用于改变所述第一可调透镜的焦距和/或所述第二可调透镜的焦距的至少一个致动器的至少部分。因此，致动器可至少部分地与光学系统的光学部件机械解耦，这有助于改善光学系统的光学质量。
有利地，所述至少一个固定的校正透镜的阿贝数大于50，特别是大于55。这更进一步增强光学系统的光学质量。
如本发明的另一个方面，一种用于操作如上所述的光学系统的方法，其包括如下步骤：
-提供用于将物平面成像到像平面的如上所述的光学系统，
-调谐所述光学系统的第一可调透镜的焦距，以及/或者
-调谐所述光学系统的第二可调透镜的焦距，
其中当所述第二可调透镜的第二膜的第二区域呈现凹形时，所述第一可调透镜的第一膜的至少第一区域呈现凸形，以及/或者
其中当所述第二可调透镜的第二膜的第二区域呈现凸形时，所述第一可调透镜的第一膜的至少第一区域呈现凹形。
因此，改善了光学系统的光学质量。
如本发明的又另一个方面，移动电话或平板计算机包括：
-如上所述的光学系统，以及
-被布置在所述光学系统的像平面中的成像传感器。因此，显著地改善了移动电话或平板计算机的成像质量，同时节省了空间。
注意：
所描述的实施例类似地涉及装置和方法。从实施例的不同组合中可出现协同效应，即使它们可能没有被详细描述。
附图说明
在以下详细的描述中描述本发明的实施例。这些描述参考所附的附图，其中：
图1示出根据本发明的第一实施例的光学系统1，其中光学系统1是远程变焦配置，
图2示出图1的光学系统1，其中光学系统1是广角变焦(wide-zoom)配置，
图3示出图1和图2的光学系统1，其中示出折叠的光轴A以及折叠棱镜80的切割边缘81，
图4示出根据本发明的第二实施例的光学系统1，该光学系统1包括三个固定的校正透镜30、50和60，以及可选的盖板玻璃300，
图5示出包括光学系统1和成像传感器(202)的移动电话999，以及
图6示出根据图4的第二实施例的光学系统1的部件的属性的表。
具体实施方式
图1示出根据本发明的第一实施例的光学系统1。光学系统1包括物平面100，在其中布置待被成像的物体(未示出)。在此具体地，光学系统1聚焦于“无限远(infinity)”，即，来自物平面100的平行光线被成像到在像平面200中的焦点201，在其中，该平行光线被CMOS传感器(未示出)数字化。为清楚起见，仅示意性地示出来自光学仿真的6条这样的光线。在图1中，光学系统1是远程变焦(tele-zoom)配置，即具有在入射光线与光学系统的光轴A之间的最大角度θ＝12度。
光线然后穿过包括第一固定的容器11和第一可变形膜12的第一可调透镜10。第一容器11的直接面对物体表面100的凸光学前表面11a是非球形表面，但其斜率随着增加的半径而减小。这创建更多用于倾斜的外部场(同时参见关于图2的下文)的光功率。第一容器11的面对第一膜12的光学后表面11b具有凹的以及基本上球形的形状。这使得第一容器呈弯月形。
第一固定的环形硅透镜成形器13将第一膜12分离成中央光学主动段12a和环状光学被动段。光学主动段12a被包括在膜12的第一区域12a中，该第一区域12a适合于低损耗光透射，例如使用抗反射涂层(未示出)。在该情况中，第一区域12a以及光学主动段12a重合。
由于透镜成形器13，光学主动段12a的形状易于控制。第一固定的容器11由Zeonex来制成，Zeonex是不被第一致动器70(在第一实施例中的流体泵致动器)变形的刚性材料。
弹性膜12由硅酮来制成，并且其形状以及因此第一可调透镜10的焦距f1可受到在第一腔14中的单液15的压力影响。该第一腔14被第一可调透镜10的第一容器11和第一膜12包围。为了连续地调整第一可调透镜10的焦距，第一致动器70被构造为调节在第一腔14里面的流体压力，并且因此影响第一膜12的光学主动段12a的曲率半径。在图1中示出的远程变焦配置中，第一膜12的形状(及其光学主动段/第一区域12a)呈现凸形，使得第一可调透镜10呈现双凸形。第一可调透镜10的第一容器11朝向物平面100取向，并且第一可调透镜10的膜12朝向光学系统1的像平面200取向。因此，容易校正光学像差并且增强光学系统1的光学质量。第一流体15的阿贝(Abbe)数是94，使得色像差不太明显且易于校正。
在第一可调透镜10之后，光沿着光学系统1的光轴A(其在该情况中平行于z方向)轴向地往下游行进，并且穿过在光学系统1的第一可调透镜10与第二可调透镜20之间布置的圆孔径光阑90和渐晕光圈91。孔径光阑90(半径1.09mm)和渐晕光圈91(半径1.35mm)的穿透区域如图1中的黑线所示。
第二可调透镜20包括朝向物平面100取向的第二固定的容器21、朝向像平面200取向的第二可变形膜22、以及第二固定的环形硅透镜成形器23。第二可调透镜20的第二容器21也是弯月形，且具有朝向物平面100取向的凸光学前表面21a和朝向第二膜22取向的凹的、基本上球形光学后表面21b。第二致动器71(如同第一可调透镜10，用于第二可调透镜20的第二致动器71也是流体泵致动器)被用于通过将液体25泵送入第二腔24以及从该第二腔24泵送出来连续地调整第二可调透镜20的焦距f2。在此具体地，第二膜22(及其由第二透镜成形器23限定的光学主动段22a)呈现凹形。类似于第一可调透镜10，第二可调透镜20的光学主动段22a被包括在膜22的第二区域22a中，该第二区域22a适合于低损耗光透射，例如使用抗反射涂层；第二区域22a以及光学主动段22a重合。
第二流体25的阿贝数是94，使得色像差不太明显且易于校正。
在第一透镜成形器13和孔径光阑90之间的距离d13与在第二透镜成形器23和孔径光阑90之间的距离d23未相差超过20％。由于该布置，减小了光学像差。
光然后穿过第二渐晕光圈92(半径1.82mm)以及四个固定的校正透镜30、40、50和60。这些固定的校正透镜30、40、50、60由诸如COC或聚碳酸酯之类的刚性材料来制成，并且被构造为校正光学系统1的光学像差。校正透镜包括布置在各自的光学后表面30b、40b、50b和60b的光学上游的光学前表面30a、40a、50a和60a。固定的校正透镜60校正在像平面200中的曲率场。这增强光学系统1的成像质量。校正透镜30的第一表面/光学前表面30a具有在所有校正透镜的所有光学表面中的最大曲率。因此，校正透镜30用作改善光学系统1的光学质量的主要聚焦透镜。光学表面都不具有使得校正透镜易于产生和/或对准的低于2mm的最佳匹配的绝对曲率半径值。
所描述的光学系统1具有3.4的f数，并且因此允许更大量的光的透射，其增强数字化图像的信噪比，特别是在低光场合。
通过能够连续地调整如上所述的第一和第二可调透镜10、20的焦距，连续多个变焦级别和聚焦位置对于光学系统1是可获得的。这增强光学系统1的适用性，因为不只用于聚焦和/或变焦的离散步骤是可能的。
具有光学前表面93a和光学后表面93b的红外阻挡滤光片93布置在校正透镜60与像平面200之间。滤光片93被用于阻挡可能降低光学系统1的成像质量的不需要的红外光。
应注意，渐晕光圈91和92也可具有正方形或矩形形状(未示出)。
图2示出图1的光学系统1，其中光学系统1是广角变焦(wide-zoom)配置，即具有在入射光线与光学系统的光轴A之间的最大角度θ＝30度。从图2中明显的是，在该配置中，第一可调透镜10的第一膜12呈现凹形，而第二可调透镜20的第二膜22呈现凸形。因此，膜12、22具有反向的偏转状态。
在图1的远程变焦配置中的第二可调透镜20与像平面200之间的在轴向位置处的最大主射线角μ＝25.8度与在图2的广角变焦配置中的第二可调透镜20与像平面200之间的在轴向位置处的最大主射线角μ＝24.3度未相差超过1.5°。因此，对于光学系统1的远程和广角变焦级别(以及所有连续的中间变焦级别)二者，固定的校正透镜易于优化。这增强光学系统1的光学质量。
在图1和图2中，光学系统1的具有光学前表面80a和光学后表面80b的折叠棱镜80的位置以虚线来指示。该折叠棱镜80具有在y-z平面中的矩形截面，以用于促进在像平面200中的被完全照明的矩形传感器的使用，同时保持其尺寸较小。然而，为清楚起见，光学系统1在图1和图2中以线性配置示出。
图3示出图1和图2的从x-z视图的光学系统1，其中借助于折叠棱镜80及其切割边缘81，光轴A的折叠是显而易见的。为清楚起见，仅示出各自来自图1和图2(用于远程和广角变焦配置)的2条光线。在图3中，第一和第二膜12、22的凸形和凹形以虚线示出。光学系统1可以以节省空间的方式来实现，因为
-第一可调透镜10的第一膜12的光学主动段/第一区域12a直接面对折叠棱镜80，
-第二可调透镜20的第二容器21的光学前表面21a直接面对折叠棱镜80(在它们之间仅布置孔径光阑90和渐晕光圈91，即没有弯曲的光学组件)，以及
-在孔径光阑90与折叠棱镜80之间的轴向距离d90小于或等于孔径光阑90的最小横向半径的1.5倍。
这使得光学系统1更适合于空间敏感的应用，例如移动电话。
此外，应注意，在远程变焦级别以及在广角变焦级别配置中，第二可调透镜20的第二膜22的光学主动段/第二区域22a围绕零位置(短划线)基本上对称地偏转。因此，透镜偏转被最小化，并且光学像差不那么明显并且/或者它们易于被校正。
图4示出根据本发明的第二实施例的光学系统1。光学系统非常类似于在图1到图3中示出的本发明的第一实施例，除了在第二可调透镜20与像平面200之间仅布置三个固定的校正透镜30、50和60。因此，光学系统1可以以不太复杂的方式来实现。此外，可选的盖板玻璃300布置在物平面100与第一可调透镜10的容器11之间，以用于保护光学系统1免于灰尘和划痕。
另外，在物平面100与第一可调透镜10之间的距离d100小于20mm。因此，使能微距摄影模式。因此，光学系统1(即，第一可调透镜10的焦距f1和第二可调透镜20的焦距f2)被构造为将发散光线从物平面100成像到像平面200的焦点。这增强光学系统1的适用性。
图5示出移动电话999，其包括如上所述的光学系统1以及在光学系统1的像平面200中布置的成像传感器202。通过使用光学系统1，可大大改善配备相机的移动电话999(智能电话)的成像质量。
图6示出根据图4的第二实施例的光学系统1的组件10、80、90、91、20、92、30、50、60和93的属性(元件名称、元件编号、光学表面、曲率、厚度、材料折射率Nd、材料阿贝数Vd、半直径，偶次非球面次数(evenasphereorder)2、4、6、8和10)的表。在此，使用光学设计软件的标准标记，其中给定材料属性以用于“开始表面”并且一直到(但不包括)随后的光学表面光学下游是有效的。
虽然有示出的以及描述的本发明的目前优选的实施例，将确实理解的是，本发明不限于此，而且在所附权利要求的范围内可另有各种体现和实践。
Claims (33)
1.一种光学系统(1)，其用于将物平面(100)成像到像平面(200)，所述光学系统包括：
-所述物平面(100)，
-所述像平面(200)
-第一可调透镜(10)，其布置在所述物平面(100)与所述像平面(200)之间，所述第一可调透镜(10)包括：
*第一固定的容器(11)，其由刚性材料制成，
*第一可变形膜(12)，其由弹性材料制成，以及
*第一流体(15)，其由至少所述第一容器(11)和所述第一膜(12)包围，
-第二可调透镜(20)，其布置在所述第一可调透镜(10)与所述像平面(200)之间，所述第二可调透镜(20)包括：
*第二固定的容器(21)，其由刚性材料制成，
*第二可变形膜(22)，其由弹性材料制成，以及
*第二流体(25)，其由至少所述第二容器(21)和所述第二膜(22)包围，
-至少一个固定的校正透镜(30、40、50、60)，由刚性材料制成，并且被布置在所述第二可调透镜(20)与所述像平面(200)之间，
其中所述第一流体(15)和所述第二流体(25)中的每个的阿贝数大于60，特别是大于80。
2.一种光学系统(1)，其用于将物平面(100)成像到像平面(200)，所述光学系统包括：
-所述物平面(100)，
-所述像平面(200)，
-第一可调透镜(10)，其布置在所述物平面(100)与所述像平面(200)之间，所述第一可调透镜(10)包括：
*第一固定的容器(11)，其由刚性材料制成，以及
*第一可变形膜(12)，其由弹性材料制成，以及
-第二可调透镜(20)，其布置在所述第一可调透镜(10)与所述像平面(200)之间，所述第二可调透镜(20)包括：
*第二固定的容器(21)，其由刚性材料制成，以及
*第二可变形膜(22)，其由弹性材料制成，
-至少一个固定的校正透镜(30、40、50、60)，其由刚性材料制成，并且被布置在所述第二可调透镜(20)与所述像平面(200)之间，
其中所述第一可调透镜(10)的所述第一容器(11)朝向所述物平面(100)取向，以及
其中所述第一可调透镜(10)的所述第一膜(12)的至少第一区域(12a)朝向所述像平面(200)取向。
3.根据权利要求2所述的光学系统(1)，
其中所述第一可调透镜(10)包括第一流体(15)，所述第一流体(15)由至少所述第一容器(11)和所述第一膜(12)包围，
其中所述第二可调透镜(20)包括第二流体(25)，所述第二流体(25)由至少所述第二容器(21)和所述第二膜(22)包围，
其中所述第一流体(15)和所述第二流体(25)中的每个的阿贝数大于60，特别是大于80。
4.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中至少对于所述第一可调透镜(10)的焦距(f1)与所述第二可调透镜(20)的焦距(f2)的一个组合，所述光学系统(1)被构造为将来自所述物平面(100)的平行光线成像到在所述像平面(200)中的焦点(201)。
5.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中在所述物平面(100)与所述第一可调透镜(10)之间的距离小于30mm，特别是小于20mm，以及
其中至少对于所述第一可调透镜(10)的焦距(f1)与所述第二可调透镜(20)的焦距(f2)的一个组合，所述光学系统(1)被构造为将来自所述物平面(100)的发散光线成像到在所述像平面(200)中的焦点(201)。
6.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述光学系统(1)被构造为提供连续的多个变焦级别和连续的多个聚焦位置。
7.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)
其中所述第二可调透镜(20)的所述第二膜(22)包括朝向所述像平面(200)取向的第二区域(22a)，
其中所述第二可调透镜(20)的所述第二容器(21)朝向所述物平面(100)取向，以及
特别是其中所述第一可调透镜(10)的所述第一膜(12)包括第一区域(12a)或所述第一区域(12a)，以及
其中所述第一可调透镜(10)的所述第一膜(12)的所述第一区域(12a)和所述第二可调透镜(20)的所述第二膜(22)的所述第二区域(22a)被构造为呈现凸形和凹形。
8.根据权利要求7所述的光学系统(1)，其中，至少在所述光学系统(1)的第一变焦级别中，所述第一区域(12a)呈现凸形，以及所述第二区域(22a)呈现凹形。
9.根据权利要求8或9中的任一个所述的光学系统，其中，至少在所述光学系统(1)的第二变焦级别中，所述第一区域(12a)呈现凹形，以及所述第二区域(22a)呈现凸形。
10.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，所述光学系统(1)进一步包括至少一个致动器(70)，特别是两个制动器(70、71)，特别是如下项的组中的：
-静电致动器，
-电磁致动器，
-电活性聚合物致动器，
-压电致动器，以及
-流体泵致动器，
其中所述第一可调透镜(10)的所述第一膜(12)的至少第一区域(12a)或至少所述第一区域(12a)和所述第二可调透镜(20)的所述第二膜(22)的至少第二区域(22a)或至少所述第二区域(22a)被构造为由所述至少一个致动器(70)来变形，使得所述第一可调透镜(10)的焦距(f1)或所述焦距(f1)以及所述第二可调透镜(20)的焦距(f2)或所述焦距(f2)能借助于所述致动器(70)来改变。
11.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述光学系统(1)包括由刚性材料制成的至少3个，特别是至少4个，特别地精确地4个固定的校正透镜(30、40、50、60)，并且特别是其中所述固定的校正透镜(30、40、50、60)被布置在所述第二可调透镜(20)与所述像平面(200)之间。
12.根据权利要求11所述的光学系统(1)，其中所述固定的校正透镜(30、40、50、60)的光学表面，特别是所有光学表面，具有2mm或更大的最小绝对曲率半径值。
13.根据权利要求11到12中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述矫正透镜(30、40、50、60)被布置在所述第二可调透镜(20)与所述像平面(200)之间，以及
其中被布置在与所述第二可调透镜(20)最近的矫正透镜(30)的光学表面(30a)具有比所述矫正透镜(30、40、50、60)的任何其它光学表面更小的最佳匹配曲率半径值。
14.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中至少一个固定的矫正透镜(60)适应于矫正所述光学系统(1)的场曲率。
15.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述光学系统(1)被构造为具备至少远程变焦级别配置和广角变焦级别配置，以及
其中，在±2.5°的范围内，在所述远程变焦级别配置中的所述第二可调透镜(20)与所述像平面(200)之间的在轴向位置处的最大主射线角等于在所述广角变焦级别配置中的所述第二可调透镜(20)与所述像平面(200)之间的在轴向位置处的最大主射线角。
16.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述第一可调透镜(10)的所述第一容器(11)是弯月形，以及/或者其中所述第二可调透镜(22)的所述第二容器(21)是弯月形。
17.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述第一可调透镜(10)的所述第一容器(11)的光学前表面(11a)具有凸形，以及
其中所述第一可调透镜(10)的所述第一容器(11)的光学后表面(11b)具有凹形，以及
特别是其中所述光学前表面(11a)朝向所述物平面(100)取向，以及其中所述光学后表面(11b)朝向所述第一可调透镜(10)的所述第一膜(12)取向。
18.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述第二可调透镜(20)的所述第二容器(21)的光学前表面(21a)具有凸形，以及
其中所述第二可调透镜(20)的所述第二容器(21)的光学后表面(21b)具有凹形，以及
特别是其中所述光学前表面(21a)朝向所述物平面(100)取向，以及所述光学后表面(21b)朝向所述第二可调透镜(20)的所述第二膜(22)取向。
19.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，所述光学系统(1)进一步包括孔径光阑(90)，特别是圆孔径光阑(90)，其中所述孔径光阑(90)被特别地布置在所述第一可调透镜(10)与所述第二可调透镜(20)之间。
20.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)
其中所述第一可调透镜(10)另外地包括第一固定的透镜成形器(13)，以及/或者
其中所述第二可调透镜(20)另外地包括第二固定的透镜成形器(23)。
21.根据权利要求19和权利要求20所述的光学系统(1)，其中在±50％的范围内，特别是在±20％的范围内，在所述第一透镜成形器(13)与所述孔径光阑(90)之间的轴向距离等于在所述第二透镜成形器(23)与所述孔径光阑(90)之间的轴向距离。
22.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，所述光学系统(1)进一步包括
-用于使所述光学系统(1)的光轴(A)转向的折叠棱镜(80)。
23.根据权利要求22所述的光学系统(1)，其中所述折叠棱镜(80)具有非正方形，特别是矩形的截面。
24.根据权利要求22到23中的任一个所述的光学系统，其中所述折叠棱镜(80)包括切割边缘(81)。
25.根据权利要求22到24中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述第一可调透镜(10)的所述第一膜(12)的至少第一区域(12a)或至少所述第一区域(12a)直接面对所述折叠棱镜(80)。
26.根据权利要求22到25中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述第二可调透镜(20)的所述第二容器(21)的光学前表面(21a)或所述光学前表面(21a)直接面对所述折叠透镜(80)，所述光学前表面(21a)朝向所述物平面(100)取向，或者其中只有一个或多个孔径和/或孔径光阑(90)被布置在所述第二容器(21)与所述折叠透镜(80)之间。
27.根据权利要求19到21中的任一个以及权利要求22到26中的任一个所述的光学系统(1)，其中在所述孔径光阑(90)与所述折叠棱镜(80)之间的轴向距离小于或等于所述孔径光阑(90)的最小横向半径的1.5倍。
28.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述第一可调透镜(10)直接面对所述物平面(100)；或
其中保护元件(300)，特别是只有保护元件(300)，特别地盖板玻璃(300)，被布置在所述第一可调透镜(10)与所述物平面(100)之间。
29.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述第一可调透镜(10)的第一流体(15)或所述第一流体(15)包括液体，特别是由液体组成，以及/或者
其中所述第二可调透镜(20)的第二流体(25)或所述第二流体(25)包括液体，特别是由液体组成。
30.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述第一可调透镜(10)的所述第一容器(11)的光学前表面(11a)或所述光学前表面(11a)是非球形。
31.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，其中所述第一可调透镜(10)的所述第一容器(11)的光学后表面(11b)或所述光学后表面(11b)基本上是球形，所述光学后表面(11b)朝向所述第一可调透镜(10)的所述第一膜(12)取向，以及/或者
其中所述第二可调透镜(20)的所述第二容器(21)的光学后表面(21b)或所述光学后表面(21b)基本上是球形，所述光学后表面(21b)朝向所述第二可调透镜(20)的所述第二膜(22)取向。
32.根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，所述第二可调透镜(20)的所述第二膜(22)的第二区域(22a)或所述第二区域(22a)被构造为能围绕零位置对称地偏转。
33.一种移动电话(999)或平板计算机，所述移动电话(999)或平板计算机包括：
-根据前述权利要求中的任一个所述的光学系统(1)，以及
-成像传感器(202)，其被布置在所述光学系统(1)的像平面(200)中。
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