[发明专利]光学系统的透镜组件和致动器及其方法

说明书

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。

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。