基于mems的變焦鏡頭系統的制作方法
【專利摘要】本申請提供基于微機電(MEMS)的變焦鏡頭系統，以用于諸如微型電子成像裝置之類的微型裝置應用中。該基于MEMS的變焦鏡頭系統包括：至少四個光學元件，或兩個阿爾瓦雷斯透鏡或羅曼透鏡，其被配置為使光信號沿光信號路徑通過。每一光學元件都是MEMS驅動的并且可在大體上橫向于光信號路徑的方向上進行位移。在使用時，該光學組件的橫向位移改變該MEMS變焦鏡頭系統的總焦距，例如用于提供光學變焦功能。另一方面，還提供了一種制造MEMS變焦鏡頭系統的方法。
【專利說明】基于MEMS的變焦鏡頭系統
【技術領域】
[0001]本申請一般涉及一種變焦鏡頭系統、設備、裝置及結構。特別是，本申請的實施例涉及一種基于微機電(MEMS)的微型變焦鏡頭系統或設備。再者，本申請的實施例針對包括基于MEMS的變焦鏡頭系統的電子成像裝置。
【背景技術】
[0002]隨著科學和技術的持續快速發展，越來越多的新技術以及相關聯的產品在各個領域已經成功地呈現在商業市場上，大大地加強/促進了人類的生活并且提高了生活質量。在通信領域，移動或蜂窩電話也就提供了此技術的一個例子。在其發明的前，人們必須留在靠近固定電話處，以避免錯過重要的來電。隨著手機的發明，這樣的問題就很容易解決。用戶們可以于任何時間保持聯系，不管他們在哪里或他們在做什么，通常不會干擾日常活動。
[0003]最近，隨著人類生活的標準日益提高及日益增加的技術能力，手機僅提供簡單的音頻功能已不符合市場需求或需要。附加的功能裝置或模塊的逐漸被開發而有隨的而來的進化，使得手機越來越多功能化且智能化。微型相機即為一個這樣的模塊，視頻通信和圖像/視頻采集功能可以通過此方式實現。由于其出色的便攜性及強大的功能性，現今智能電話非常受歡迎且已經成為在日常生活中最不可缺少的裝置的。如今，近二十億個移動電話具有數字相機，并且每年發貨另外的8億個智能型手機相機。除先前所述的智能電話，微型化的相機也相當廣泛地應用于各種民用或軍用領域，包括用于醫療保健的內視鏡、安全相機及用于無人駕駛飛行器(UAV)及微型飛行器(MAV)的監控相機。考慮到這種極大的視場前景，微型相機獲得了世界各地的自學術界到產業界的研究人員的極大的興趣。
[0004]已經采取了許多努力來提高微型化數字相機的性能，因而使得其操作更接近于傳統的數字相機。在微型數字相機開發的早期階段，相關聯的光學系統被刻意設計成擁有長的焦點深度。這樣的光學系統可同時地提供幾乎視場中的所有對象的清晰圖像，而不需要自動對焦功能。這種處理大大地簡化了系統配置，但這樣的簡化是以較低的圖像對比度以及降低的或次優的圖像質量為代價而發生的。雖然已經通過增加像素數和提升與圖像處理相關聯的相應的硬件和軟件實現了更好的圖像和視頻質量，但是對于諸如自動對焦及變焦的類的更復雜的功能仍存在巨大的需求而等待技術突破。
[0005]不同于其傳統的對應技術，微型化數字相機必須滿足與有限或及其有限的可用空間相關聯的尺寸要求。因此，常用的自動對焦及變焦機件因為這樣的機件的笨重的體積，而不適于微型化數字相機。因此在微型化數字相機內實現這些功能提出了具有挑戰性的技術問題。
【發明內容】
[0006]所公開的實施例涉及用于在真正的微型化裝置中提供對光學變焦功能的成功、可靠和強大的實現方式的裝置、系統及方法。根據本申請的一個方面，變焦鏡頭系統包括至少一個微機電(MEMS)致動器，其被配置為位移或驅動一個或多個光學元件；以及至少四個MEMS驅動的光學元件，該至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都被配置為使光信號沿光信號傳播路徑通過。該至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都包括:至少一個自由表面，該至少四個MEMS驅動的光學元件以成對配置方式被定位，以使得第一MEMS驅動的光學元件和第二 MEMS驅動光學的元件形成第一對光學元件，并且第三MEMS驅動的光學元件和第四MEMS驅動的光學元件形成第二對光學元件，該至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都能夠在大體上橫向于光信號傳播路徑的方向上進行位移，以允許該第一對光學元件和第二對光學元件中的一者或兩者的光焦度(optical power)上發生改變。
[0007]依據本申請的另一實施例，該至少四個MEMS驅動的光學元件包括一組可變焦透鏡，例如，第一可變焦透鏡和第二可變焦透鏡。該第一可變焦透鏡能夠與至少四個MEMS驅動的光學元件的第一透鏡元件和第二透鏡元件相關聯或相對應；而第二可變焦透鏡能夠與至少四個MEMS驅動的光學元件的第三透鏡元件和第四透鏡元件相聯或相對應。在各種實施例中，第一對光學元件對應于或大致上類似或類似于或成對配置為阿爾瓦雷斯(Alvarez)透鏡或羅曼(Lohmann)透鏡；并且以附屬于、配套、推論或對應于第一透鏡元件和第二透鏡元件的配置的方式，第二對光學元件對應于或大致上類似或類似于或成對配置為阿爾瓦雷斯透鏡或羅曼透鏡。在實施例中，第一對光學元件和第二對的光學元件中的一者或兩者包括對應的可變焦透鏡，其被配置為作為阿爾瓦雷斯或阿爾瓦雷斯類型的透鏡的和羅曼或羅曼類型的透鏡之一。在另一實施例中，第一對光學元件和第二對的光學元件中的一者或兩者包括對應的可變焦透鏡，并且其中該可變焦透鏡包括關于高于三階的多項式相關的表面。
[0008]至少四個MEMS驅動的光學元件被配置為提供具有光學變焦和自動對焦功能中的每項的MEMS變焦鏡頭系統。光學變焦功能是通過組合調節第一變焦透鏡的第一焦距和第二變焦透鏡的第二焦距來實現的，而自動對焦功能系通過獨立于第二變焦透鏡調整第一變焦透鏡的第一焦距來實現的。本申請的特定實施例能夠實現至少約2倍的光學放大倍率。至少四個MEMS驅動的光學元件能夠包括:初始透鏡元件或光學表面(例如，光能夠入射于其上)和最終透鏡元件或光學鏡面(例如，光可以出射)，他們以小于大約30mm(例如，約20mm)的距離隔開。
[0009]本申請的某些實施例包括:光圈(例如，可變光圈)，其被配置為限制傳播通過至少四個MEMS驅動的光學元件的光的量。例如，特定實施例包括可變光圈，其被安裝在鄰近或接近于至少四個MEMS驅動的光學元件的第一 MEMS驅動的光學元件處，以使得該光圈能夠限制進入第一 MEMS驅動的光學元件的光的量。
[0010]本申請的實施例還能夠包括:一組附屬的或輔助的光學元件，其中這樣的附加光學元件系為或被配置為提供附加光焦度或校正的像差。依據實施例的具體情況，該組附加光學元件能夠包括:一個或多個球面、非球面或自由(freeform)表面。在實施例中，該組附加光學組件基本上固定在大體上橫向于光信號傳播路徑的位置上。
[0011]除上述方案之外或作為上述方案的替代，本申請的實施例能夠包括或包含:與第一可變焦透鏡和/或第二可變焦透鏡相對應的光學元件結構和/或材料屬性修改或變化(例如，表面或厚度分布修改)，以用于像差降低、最小化或校正的目的。例如，一組像差校正函數fi(X，y)能夠被映射到或并入與至少四個MEMS驅動的光學元件相關聯的特定初始或起始定義的阿爾瓦雷斯透鏡或羅曼透鏡自由表面的厚度分布中。因此，與至少四個MEMS驅動的光學元件中的一個或多個相對應的可變焦透鏡能夠以促進像差校正的方式顯現出基本自由、大體自由或準自由的表面。
[0012]依據本申請的另外的實施例，MEMS變焦鏡頭系統包括:第一位移設備，其被配置為在大體上橫向于光信號傳播路徑或光軸的方向上，相對于第二 MEMS驅動的光學元件或第二透鏡元件位移第一 MEMS驅動的光學元件或第一透鏡元件。位移設備能夠包括透鏡元件載體(例如，平臺構件)，其相對于大體上橫向于光軸的位移或平移軸自由或大致自由地懸掛。例如，透鏡元件載體能夠被耦合到被配置為沿位移或平移軸進行彈性變形的懸架設備或構件(例如，一組撓性懸架)。在特定實施例中，位移設備包括至少一個基準支撐構件；第一平臺，其被配置為承載第一透鏡元件；第一撓性懸架，其耦合于第一平臺和至少一個基準支撐構件之間；第二平臺，其被配置為承載第二透鏡元件；及第二撓性懸架，其耦合于第二平臺和至少一個基準支撐構件之間。第一撓性懸架和第二撓性懸架中的每個都被配置為在大體上橫向于光信號傳播路徑的方向上進行彈性變形。
[0013]該位移設備還能夠包括:一組驅動機件，其被配置為將位移作用力傳遞或傳送至透鏡元件，以使得該透鏡元件能夠在大體上橫向于透鏡元件的光軸的方向上被移位。例如，該組驅動機件能夠包括至少一個MEMS致動器，其被配置為將位移作用力傳送至被配置為承載透鏡元件的平臺。該組驅動機件還能夠包括位移放大機件(例如，一組撓性梁)，其耦合于該平臺和MEMS致動器之間。
[0014]在本申請的實施例中，至少四個MEMS驅動的光學元件中的一個或多個包括:一組定向指示符，其用于允許少四個MEMS驅動的光學元件中的一個或多個在變焦鏡頭系統內的對齊。
[0015]在本申請的另一方面，提供一種用于提供光學變焦的過程，其包括:提供至少四個微機電(MEMS)驅動的光學元件，該至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都被配置為使光信號沿光信號傳播路徑通過，該至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都具有至少一個自由表面，以及至少四個MEMS驅動的光學元件以成對配置方式被定位，以使得第一 MEMS驅動的光學元件和第二 MEMS驅動的光學元件形成的第一對光學元件并且第三MEMS驅動的光學元件和第四MEMS驅動的光學元件形成的第二對光學元件，其中激活至少一個MEMS致動器，該至少一個MEMS致動器使至少四個MEMS驅動的光學元件中的一個或多個在大體上橫向于光信號傳播路徑的方向上進行位移，以允許第一對光學元件和第二對光學元件的一者或兩者的光焦度發生改變。
[0016]第一對光學元件包括第一可變焦透鏡并且第二對光學元件包括第二可變焦透鏡。相對于第二透鏡元件位移第一透鏡元件改變了第一可變焦透鏡的第一焦距。MEMS的總焦距能夠通過同時改變第一和/或第二焦距被操控，以使得所得的對象的圖像僅通過移動變焦系統中的透鏡元件就能夠變得清晰。
[0017]在實施例中，第一焦距被改變，而第二可變焦透鏡的第二焦距保持不變。這向MEMS變焦鏡頭系統提供了自動變焦功能。在另一實施例中，一光學變焦功能是通過組合調節第一可變焦透鏡的第一焦距和第二可變焦透鏡的第二焦距而提供的。MEMS驅動的光學元件中的至少一個能夠使用包括至少一個MEMS致動器的驅動機件進行位移。再者，MEMS致動器的致動操作可使用位移放大機件(例如，一組撓性梁)進行放大。
[0018]為降低MEMS變焦鏡頭系統中的光學像差，任何輔助光學元件和光學元件修改功能可以被提供并放置在光信號傳播路徑上。這樣的輔助元件的位置和/或形狀可能是固定的。再者，諸如光學元件結構和/或材料屬性修改或變化之類的光學元件修改功能，可以通過像素校正功能的方式并入光學元件的厚度分布中。在另一實施例中，傳播通過MEMS變焦鏡頭系統的光的量是以使用可變光圈進行限制的。
[0019]在本申請的又一實施例中，過程還包括:使用一組定向指示符對齊至少四個MEMS驅動的光學元件，其中該組定向指示符與一個或多個MEMS驅動的光學元件的自由表面的至少一個基準軸相對應，該至少一個基準軸橫向于該自由表面的厚度分布變化軸，并且該對齊包括:提供由可移動微結構裝配所承載的一組對齊構件，以及通過相對于該組對齊構件對齊于該組定向指示符，在空間上對齊一個或多個MEMS驅動的光學元件和可移動微結構裝配。
[0020]依據本申請的一方面，一種用于制造或制作MEMS變焦鏡頭系統的工藝，包括:制作第一可移動微結構裝配作為集成單元；提供具有自由表面的透鏡元件；以及建立該自由表面相對于該可移動微結構裝配的對齊。該集成可移動微結構裝配能夠包括:大致平坦的平臺，其被配置為承載透鏡元件，以使得該透鏡元件的光軸基本上垂直于該第一表面和第二表面；基準支撐構件；撓性懸架，其耦合于該平臺和該基準支撐構件之間，并且被配置為沿橫向于光軸的方向進行彈性變形；以及一位移機件(例如，其包括一微致動器，并且還能夠包括位移放大機件)，其被配置為在橫向于光軸的方向上向該平臺施加位移作用力。
[0021]該可移動微結構裝配能夠通過絕緣層覆硅(SOI)微機械加工工藝的方式進行制作。在某些實施例中，該可移動微結構裝配和承載于此的透鏡元件被共同組制作為集成單元。在一些實施例，該可移動微結構裝配及該透鏡元件被制作為分離單元，之后該可移動微結構裝配及該透鏡元件被耦合或結合。依據本申請的另一方面的一種工藝能夠包括:提供與透鏡元件的自由表面的至少一個軸相對應的一組定向指示符；提供由該可移動微結構裝配承載的一組對齊構件(例如，衍射光柵和/或其他結構元件)；以及通過相對于該可移動微結構裝配的(一個或多個)對齊構件對齊透鏡元件的(一個或多個)定向指示符，在空間上對齊該第一透鏡元件和該可移動微結構裝配。
[0022]再者，在實施例中，通過使帶有已對齊的具有自由表面的第一透鏡元件的第一可移動微結構裝配與帶有已對齊的具有自由表面的第二透鏡元件的第二可移動微結構裝配相配對來裝配一組可變焦透鏡。在這種配對中，第一透鏡元件的自由表面與第二透鏡元件的自由表面相對應。以這樣的方式，通過相對于彼此移動該第一透鏡元件和該第二透鏡元件該改變可變焦透鏡的焦距。
[0023]另一實施例提供了利用復制模塑(molding)工藝制作具有自由表面的透鏡元件。復制模塑工藝可以包括:使用具有所需的自由表面的主模具，并且該主模具是通過單點金剛石切削(turning)技術制作而成的。要產生的透鏡元件可由紫外光可固化的光學粘合劑構成。
[0024]在本申請的另一方面，提供了一種電子成像裝置。這樣的電子裝置包括:光學窗口，其具有橫向于光軸的橫截面，該光學窗口被配置為允許光信號沿光軸傳播至電子裝置；微機電(MEMS)變焦鏡頭系統，其被配置為接收沿光軸傳播通過光學窗口的光信號，該MEMS變焦鏡頭系統包括至少四個MEMS驅動的光學元件，該至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都包括至少一個自由表面，該至少四個MEMS驅動的光學元件以成對配置的方式被定位，以使得第一 MEMS驅動的光學元件和第二 MEMS驅動的光學元件形成第一對光學元件并且第三MEMS驅動的光學元件和第四MEMS驅動的光學元件形成第二對光學元件，該至少四個MEMS驅動的光學兀件中的每個都能夠在大體上橫向于光信號傳播路徑的方向上進行位移，以允許該第一對光學元件和第二對光學元件中的一者或兩者的光焦度發生改變。該電子裝置還包括圖像傳感器，其被配置為接收沿光軸傳播通過該MEMS變焦鏡頭系統的光信號。
[0025]在一實施例中，該電子裝置包括或為:個人數字助理、移動電話、平板計算機、移動電話-平板計算機組合裝置、膝上型計算機、桌面計算機、計算機監視器、電視、網絡相機、微型監控相機、和內窺鏡。在某些情況下，該光軸是折疊的，且包括第一光軸段和第二光軸段，該第二光軸段不平行于(例如，折疊、橫向于或基本上垂直于、相對于)該第一光軸段。該第一光軸段和第二光軸段也能夠基本上相互垂直。
[0026]在實施例中，該MEMS變焦鏡頭系統的功能基本上不受重力、大氣壓力、及該MEMS變焦鏡頭系統的物理性移動影響。在某些實施例中，第一對光學元件和第二對光學元件以及圖像傳感器中的至少一者被配置為允許沿光軸相對于彼此的相對運動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是依據示例性實施例的具有兩個可變焦透鏡的代表性變焦鏡頭系統的示意圖。
[0028]圖2A及2B是依據示例性實施例的具有包括兩個相隔很近的透鏡元件的可變焦透鏡的代表性變焦鏡頭系統的示意圖。
[0029]圖3是依據示例性實施例的變焦鏡頭系統、設備或模塊的各部分的示意圖。
[0030]圖4是依據示例性實施例的基于MEMS的可變焦鏡頭的示意圖，其包括一對MEMS驅動的光學元件或裝置。
[0031]圖5是依據示例性實施例的MEMS驅動的光學裝置耦合到位移放大設備、裝置或機件的示意圖。
[0032]圖6是依據示例性實施例的基于MEMS的可變焦鏡頭的示意圖。
[0033]圖7是依據示例性實施例的與阿爾瓦雷斯透鏡元件相對應的自由表面的示意圖。
[0034]圖8是依據示例性實施例的用于阿爾瓦雷斯透鏡元件的制作的模具的圖示。
[0035]圖9是依據示例性實施例的復制的透鏡元件的圖示。
[0036]圖10是依據示例性實施例的透鏡位移組件的示意圖,其包括懸掛的MEMS平臺及梳狀驅動致動器。
[0037]圖11是依據示例性實施例的MEMS制作工藝的示意圖,其指示能夠使用標準的SOI的微機械加工工藝制作梳狀驅動致動器連同剛性平臺的方式。
[0038]圖12a是依據示例性實施例制作的圖10的透鏡位移組件的代表性圖不。
[0039]圖12b是依據示例性實施例的具有已對齊(aligned)及排列的阿爾瓦雷斯透鏡元件的圖12a透鏡位移組件的代表性圖示。
[0040]圖13是依據示例性實施例示出了組裝和/或對齊過程的個部分的示意圖，其涉及MEMS靜電梳狀驅動致動器及阿爾瓦雷斯或羅曼透鏡組件。
[0041]圖14是依據示例性實施例的具有兩個MEMS驅動的光學裝置的基于MEMS的可變焦鏡頭的示意圖。
[0042]圖15是依據示例性實施例的通過測試已制作的基于MEMS可變焦透鏡所取得的實驗數據繪制圖。
[0043]圖16是依據示例性實施例的MEMS驅動的光學裝置的示意圖,其包括MEMS靜電梳狀驅動致動器、阿爾瓦雷斯或羅曼透鏡元件及位移放大機件。
[0044]圖17是并入超薄設計智能電話中的、依據本申請的示例性實施例的變焦鏡頭系統的示意圖。
[0045]圖18是根據本申請的一方面的方法的流程圖或流程示意表。
[0046]圖19是根據本申請的實施例的方法的流程圖或流程示意表。
[0047]圖20是根據本申請的另一方面的制作方法的流程圖或流程表。
【具體實施方式】
[0048]在本申請中，在與描述材料相對應的特定附圖或引用中，描述給定的元件或者考慮或使用特定的元件編號能夠包含相同、等同或類似的元件，或另一附圖中所標識的元件編號或與之相關的描述材料。
[0049]在本申請書，“示例性(exemplary) ” 一詞是用來表示作為一個例子、實例或圖示。本文中描述為“示例性”的任何實施例或設計不一定被詮釋為更受偏愛或優于其他實施例或設計。相反地，“示例性” 一詞的使用旨在以具體的方式呈現概念。
[0050]除非另有明確規定，在以下的描述中，對特定數值或數值范圍的記載被認為是對特定近似數值或近似值范圍的記載。因此，以下所提供的給定數值或數值范圍應被解釋或被定義為近似數值或數值范圍。
[0051]如本文所使用，術語“組(set)”對應于或者被定義為數學上顯示基數至少為I的元素的非空有限組織(即，本文所定義的集合能夠與單線態(singlet)或單元素集、或者多元素集相對應)，按照已知的數學定義(例如，以與Peter J.Eccles所著的、康橋大學出版社(Cambridge University Press) (1998)出版的 Introduction toMathematical Reasoning:Numbers, Sets, and Functions (數學推理介紹:數字、集合及方程)iiChapterll properties of Finite Sets (第 11 章:有限集合的屬性)”(例如，第140頁上所指出的)所述的方式相對應的方式)。一般來說，根據所考慮的集合的類型，集合中的元素能夠包括或能夠是系統、設備、裝置、元件、結構(構件)、結構特征、對象、處理、參數或數值。
[0052]在本申請的某些實施例中，透鏡元件(例如，在成對的基礎上)被配置為形成組合透鏡，其與阿爾瓦雷斯透鏡或羅曼透鏡配置(例如依據三階多項式相關的互補相位面)相對應或為大致相似于此配置。阿爾瓦雷斯/羅曼透鏡為成對的光學元件，其具有互補或相關的立方表面輪廓，它們以透鏡元件的較小的側向(垂直于光軸)位移而非以該透鏡元件的軸向(沿光軸)的位移提供光焦度的變化。根據所公開的實施例使用的阿爾瓦雷斯或羅曼透鏡能夠涵蓋具有限定阿爾瓦雷斯透鏡或羅曼透鏡的自由表面的透鏡元件配置，并且可以具有限定阿爾瓦雷斯類型透鏡或羅曼類型透鏡的本質上自由或準自由表面。依據本申請的實施例能夠進一步涵蓋基本上任何類型的光學表面或透鏡配置，其能夠由基于MEMS的組件所承載和/或驅動，且能夠基于相對于光信號傳播路徑或光軸的一個多個或光學表面或透鏡元件的橫向位移提供可變的或可選擇的光焦度。
[0053]在其他實施例中，這些組合透鏡表面依據高于三階多項式(例如，五階多項式或七階多項式)相關。較高階多項式透鏡滿足不同的像差(例如色差)，并且能夠同樣實現類阿爾瓦雷斯成對可變焦透鏡。
[0054]圖1為具有兩個可變焦透鏡的代表性變焦鏡頭系統的示意圖，下面對其進行描述以進一步協助理解阿爾瓦雷斯/羅曼透鏡配置。圖1中所示的系統包含兩個串聯排列薄的可變焦透鏡Fl和F2，其焦距分別為和f2，為可變動的。此兩個可變焦的透鏡固定于彼此相隔距離t的位置。圖像傳感器被放置于與第二可變焦透鏡F2相隔距離d處。該變焦鏡頭系統被配置為利用橫向放大倍率M將與第一可變焦的透鏡Fl相隔距離I的對象成像在圖像傳感器上，該橫向放大倍率M的定義為:M = hi/ho，其中hi及ho分別為該圖像及對象的高度。為求簡化，假設該變焦鏡頭系統操作于具有單位折射率的空氣中，近軸光線追蹤方程為:
[0055]
【權利要求】
1.一種變焦鏡頭系統,包括: 至少一個微機電(MEMS)致動器，其被配置為位移一個或多個光學元件； 至少四個MEMS驅動的光學元件，所述至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都被配置為使光信號沿光信號傳播路徑通過，所述至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都包括至少一個自由表面； 所述至少四個MEMS驅動的光學元件以成對配置的方式被定位，以使得第一 MEMS驅動的光學元件和第二 MEMS驅動的光學元件形成第一對光學元件，并且第三MEMS驅動的光學元件和第四MEMS驅動的光學元件形成第二對光學元件，所述至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都能夠在大體上橫向于所述光信號傳播路徑的方向上進行位移，以允許所述第一對光學元件和所述第二對光學元件的一者或兩者的光焦度發生改變。
2.如權利要求1所述的變焦鏡頭系統，其中所述至少四個MEMS驅動的光學元件被配置為提供至少約2倍的光學放大倍率。
3.如權利要求1所述的變焦鏡頭系統，其中所述至少四個MEMS驅動的光學元件包括:以小于約30mm的距離隔開的初始透鏡元件和最終透鏡元件。
4.如權利要求1所述的變焦鏡頭系統，其中所述至少四個MEMS驅動的光學元件被配置為向MEMS變焦鏡頭系統提供光學變焦及自動對焦功能中的每一項。
5.如權利要求 4所述的變焦鏡頭系統，其中所述第一對光學元件包括:第一可變焦透鏡，其被配置為作為阿爾瓦雷斯透鏡和羅曼透鏡之一。
6.如權利要求5所述的變焦鏡頭系統，其中所述第二對光學元件包括:第二可變焦透鏡，其被配置為作為阿爾瓦雷斯透鏡和羅曼透鏡之一。
7.如權利要求6所述的變焦鏡頭系統，其中光學變焦功能是通過組合調節所述第一可變焦透鏡的第一焦距和所述第二可變焦透鏡的第二焦距來實現的。
8.如權利要求6所述的變焦鏡頭系統，其中自動對焦功能是通過獨立于所述第二可變焦透鏡調整所述第一可變焦透鏡的第一焦距來實現的。
9.如權利要求4所述的變焦鏡頭系統，其中所述第一對光學元件和所述第二對光學元件中的一者或兩者包括對應的可變焦透鏡，其被配置為作為阿爾瓦雷斯透鏡和羅曼透鏡之
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10.如權利要求4所述的變焦鏡頭系統，其中所述第一對光學元件和所述第二對光學元件中的一者或兩者包括對應的可變焦透鏡，且其中所述可變焦透鏡包括與高于三階的多項式相關的表面。
11.如權利要求1所述的變焦鏡頭系統，還包括多個MEMS撓性懸架，所述MEMS撓性懸架中的每個都耦合到所述至少四個MEMS驅動的光學元件中的MEMS驅動的光學元件，所述MEMS撓性懸架中的每個都被配置為在大體上橫向于所述光信號傳播路徑的方向上進行彈性變形。
12.如權利要求1所述的變焦鏡頭系統，還包括第一位移設備，其被配置為在大體上橫向于所述光信號傳播路徑的方向上，相對于所述第二 MEMS驅動的光學元件位移所述第一MEMS驅動的光學元件，所述第一位移設備包括: 至少一個基準支撐構件； 第一平臺，其被配置為承載所述第一 MEMS驅動的光學元件；第一撓性懸架，其被耦合于所述第一平臺和所述至少一個基準支撐構件之間； 第二平臺，其被配置為承載所述第二 MEMS驅動的光學元件；以及 第二撓性懸架，其被耦合于所述第二平臺和所述至少一個基準支撐構件之間， 其中所述第一撓性懸架和所述第二撓性懸架中的每個都被配置為沿大體上橫向所述該光信號傳播路徑的方向進行彈性變形。
13.如權利要求12所述的變焦鏡頭系統，其中所述第一位移設備還包括:一組驅動機件，其被配置為向所述第一平臺和所述第二平臺中的每個施加位移作用力，所述一組驅動機件包括所述至少一個MEMS致動器。
14.如權利要求13所述的變焦鏡頭系統，其中所述一組驅動機件包括:所述至少一個MEMS致動器，其被耦合到至少一個位移放大機件，所述位移放大機件被配置為在大體上橫向于所述光信號傳播路徑的方向上，相對于所述第二平臺位移所述第一平臺。
15.如權利要求14所述的變焦鏡頭系統，其中所述位移放大機件包括:第一組撓性梁，其被耦合于第一 MEMS致動器和所述第一平臺之間。
16.如權利要求14所述的變焦鏡頭系統，其中該位移放大機件還包括:第二組撓性梁，其被耦合于第二 MEMS致動器和所述第二平臺之間。
17.如權利要求1所述的變焦鏡頭系統，還包括:可變光圈，其被配置為限制傳播通過所述變焦鏡頭系統的光的量。
18.如權利要求1所述的變焦鏡頭系統，還包括:一組附加光學組件，其用于提供修改光焦度和像差校正中的至少一項，所述一組附加光學組件包括:球面、非球面和自由表面中的至少一種。
19.如權利要求18所述的變焦鏡頭系統，其中所述一組附加光學組件大體上固定在大體上橫向于所述光信號傳播路徑的位置上。
20.如權利要求1所述的變焦鏡頭系統，其中所述至少四個MEMS驅動的光學元件包括:多個大體上自由的表面，所述多個大體上自由的表面與像差校正函數f(x，y)被應用到的初始定義的阿爾瓦雷斯透鏡和初始定義的羅曼透鏡之一相對應。
21.如權利要求20所述的變焦鏡頭系統，其中所述像差校正函數f(x，y)是基于對光學元件厚度分布的修改的。
22.如權利要求1所述的變焦鏡頭系統，其中所述至少四個MEMS驅動的光學元件中的一個或多個包括:一組定向指示符，其用于允許所述至少四個MEMS驅動的光學元件中的一個或多個在所述變焦鏡頭系統內的對齊。
23.一種提供光學變焦的方法，包括: 提供至少四個微機電(MEMS)驅動的光學元件，所述至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都被配置為使光信號沿光信號傳播路徑通過，所述至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都包括至少一個自由表面；以及 以成對配置的方式對所述至少四個MEMS驅動的光學元件進行定位，以使得第一 MEMS驅動的光學元件和第二 MEMS驅動的光學元件形成第一對光學元件，并且第三MEMS驅動的光學元件和第四MEMS驅動的光學元件形成第二對光學元件，其中 激活至少一個MEMS致動器，所述至少一個MEMS致動器使所述至少四個MEMS驅動的光學元件中的一個和多個在大體上橫向于所述光信號傳播路徑的方向上進行位移，以允許所述第一對光學元件和所述第二對光學元件中的一者或兩者的光焦度發生改變。
24.如權利要求23所述的方法，其中所述第一對光學元件包括第一可變焦透鏡并且所述第二對光學元件包括第二可變焦透鏡，并且第一透鏡元件相對于第二透鏡元件進行位移，改變了所述第一可變焦透鏡的第一焦距。
25.如權利要求24所述的方法，還包括:通過在保持所述第二可變焦透鏡的第二焦距恒定的同時改變所述第一焦距來提供自動對焦功能。
26.如權利要求24所述的方法，包括:通過組合調節所述第一可變焦透鏡的所述第一焦距和所述第二可變焦透鏡的第二焦距來提供光學變焦功能。
27.如權利要求23所述的方法，還包括:利用位移放大機件放大所述MEMS致動器的致動操作。
28.如權利要求23所述的方法，進一步在所述光信號傳播路徑中放置附加光學元件，以降低光學像差或修改光焦度。
29.如權利要求23所述的方法，還包括:使用可變光圈限制傳播通過所述MEMS變焦鏡頭系統的光的量。
30.如權利要求23所述的方法，還包括:使用一組定向指示符對齊所述至少四個MEMS驅動的光學元件，其中所述一組定向指示符與所述MEMS驅動的光學元件中的一個或多個的所述自由表面的至少一個基準軸相對應，所述至少一個基準軸橫向于所述自由表面的厚度分布變化軸，且所述對齊包括: 提供由可移動微結構裝配所承載的一組對齊構件，以及 通過相對于所述一組對齊構件對齊所述一組定向指示符，在空間上對齊所述MEMS驅動的光學元件中的一個或多個和所述可移動微結構裝配。
31.一種制造基于MEMS的變焦鏡頭系統的方法，包括: 制作第一可移動微結構裝配作為集成單元，所述第一可移動微結構裝配包括: 平臺，其具有大致平坦的第一表面、大致平坦的第二表面、和介于所述第一表面和所述第二表面之間的厚度，所述平臺被配置為承載透鏡元件，以使得所述透鏡元件的光軸大體上垂直于所述第一表面和所述第二表面； 基準支撐構件； 撓性懸架，其耦合于所述平臺和所述基準支撐構件之間，所述撓性懸架被配置為沿橫向于所述透鏡元件的所述光軸的方向進行彈性變形；以及 位移機件，其被配置為在橫向于所述透鏡元件的所述該光軸的方向上，向所述平臺施加位移作用力； 提供具有自由表面的第一透鏡元件；以及 建立所述自由表面相對于所述可移動微結構裝配的對齊。
32.如權利要求31所述的方法，其中所述位移機件包括微致動器。
33.如權利要求31所述的方法，其中所述位移機件包括耦合到位移放大機件的微致動器。
34.如權利要求31所述的方法，其中所述第一可移動微結構裝配是通過SOI微機械加工工藝的方式制作而成的。
35.如權利要求31所述的方法，其中所述第一可移動微結構裝配和所述第一透鏡元件被總地裝配為集成單元。
36.如權利要求31所述的方法，其中所述第一透鏡元件包括與所述自由表面的至少一個基準軸相對應的一組定向指示符，所述至少一個基準軸橫向于所述自由表面的厚度分布變化軸，所述方法還包括: 提供由所述可移動微結構裝配所承載的一組對齊構件；以及 通過相對于所述一組對齊構件對齊所述一組定向指示符，在空間上對齊所述第一透鏡元件和所述可移動微結構裝配。
37.如權利要求36所 述的方法，其中所述一組對齊構件包括衍射光柵。
38.如權利要求31所述的方法，還包括:通過使(a)帶有已對齊的所述具有自由表面的第一透鏡元件的所述第一可移動微結構裝配與(b)帶有已對齊的具有自由表面的第二透鏡元件的第二可移動微結構裝配相配對來裝配一組可變焦透鏡。
39.如權利要求38所述的方法，其中所述第一透鏡元件的所述自由表面與所述第二透鏡元件的所述自由表面相對應。
40.如權利要求31所述的方法，還包括:利用復制模塑工藝制作具有自由表面的透鏡元件。
41.如權利要求40所述的方法，其中所述復制模塑工藝包括:使用具有所需的自由表面的主模具，所述主模具是通過單點金剛石切削技術制作而成的。
42.如權利要求40所述的方法，其中所述透鏡元件由紫外光可固化的光學粘合劑構成。
43.一種電子成像裝置，包括: 光學窗口，其具有橫向于光軸的橫截面，并且被配置為允許光信號沿所述光軸傳播到所述電子裝置； 微機電(MEMS)變焦鏡頭系統，其被配置為接收沿所述光軸傳播通過所述光學窗口的光信號，所述MEMS變焦鏡頭系統包括:至少四個MEMS驅動的光學元件，所述至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都包括至少一個自由表面，所述至少四個MEMS驅動的光學元件以成對配置的方式被定位，以使得第一 MEMS驅動的光學元件和第二 MEMS驅動的光學元件形成第一對光學元件，并且第三MEMS驅動的光學元件和第四MEMS驅動的光學元件形成第二對光學元件，所述至少四個MEMS驅動的光學元件中的每個都能夠在大體上橫向于所述光信號傳播路徑的方向上進行位移，以允許所述第一對光學元件和所述第二對光學元件的一者或兩者的光焦度發生改變；以及 圖像傳感器，其被配置為接收沿所述光軸傳播通過所述MEMS變焦鏡頭系統的光信號。
44.如權利要求43所述的電子成像裝置，其中所述電子成像裝置為下述各項中的任何一項:個人數字助理、移動電話、平板計算機、移動電話-平板計算機組合裝置、膝上型計算機、桌面計算機、計算機監視器、電視、網絡相機、微型監控相機、和內窺鏡。
45.如權利要求43所述的電子成像裝置，其中所述光軸包括第一光軸段和第二光軸段，所述第二光軸段與所述第一光軸段不相平行。
46.如權利要求45所述的電子成像裝置，其中所述第一光軸段和所述第二光軸段大體上相互垂直。
47.如權利要求43所述的電子成像裝置，其中所述MEMS變焦鏡頭系統的功能基本上不受重力、大氣壓力、和所述MEMS變焦鏡頭系統的物理性移動影響。
48.如權利要求43所述的電子成像裝置，其中所述第一對光學元件和所述第二對光學元件以及所述圖像 傳感器的中至少一者被配置為允許沿所述光軸相對于彼此的相對運動。
【文檔編號】G02B15/14GK103988109SQ201280060690
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2012年10月5日 優先權日:2011年10月7日
【發明者】周光亞, 余洪斌, 曹福祥 申請人:新加坡國立大學, 周光亞, 余洪斌, 曹福祥