CN103988109A - 基于mems的变焦镜头系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供基于微机电(MEMS)的变焦镜头系统，以用于诸如微型电子成像装置之类的微型装置应用中。该基于MEMS的变焦镜头系统包括：至少四个光学元件，或两个阿尔瓦雷斯透镜或罗曼透镜，其被配置为使光信号沿光信号路径通过。每一光学元件都是MEMS驱动的并且可在大体上横向于光信号路径的方向上进行位移。在使用时，该光学组件的横向位移改变该MEMS变焦镜头系统的总焦距，例如用于提供光学变焦功能。另一方面，还提供了一种制造MEMS变焦镜头系统的方法。

Description

基于MEMS的变焦镜头系统

技术领域

本申请一般涉及一种变焦镜头系统、设备、装置及结构。特别是，本申请的实施例涉及一种基于微机电(MEMS)的微型变焦镜头系统或设备。再者，本申请的实施例针对包括基于MEMS的变焦镜头系统的电子成像装置。

背景技术

随着科学和技术的持续快速发展，越来越多的新技术以及相关联的产品在各个领域已经成功地呈现在商业市场上，大大地加强/促进了人类的生活并且提高了生活质量。在通信领域，移动或蜂窝电话也就提供了此技术的一个例子。在其发明的前，人们必须留在靠近固定电话处，以避免错过重要的来电。随着手机的发明，这样的问题就很容易解决。用户们可以于任何时间保持联系，不管他们在哪里或他们在做什么，通常不会干扰日常活动。

最近，随着人类生活的标准日益提高及日益增加的技术能力，手机仅提供简单的音频功能已不符合市场需求或需要。附加的功能装置或模块的逐渐被开发而有随的而来的进化，使得手机越来越多功能化且智能化。微型相机即为一个这样的模块，视频通信和图像/视频采集功能可以通过此方式实现。由于其出色的便携性及强大的功能性，现今智能电话非常受欢迎且已经成为在日常生活中最不可缺少的装置的。如今，近二十亿个移动电话具有数字相机，并且每年发货另外的8亿个智能型手机相机。除先前所述的智能电话，微型化的相机也相当广泛地应用于各种民用或军用领域，包括用于医疗保健的内视镜、安全相机及用于无人驾驶飞行器(UAV)及微型飞行器(MAV)的监控相机。考虑到这种极大的视场前景，微型相机获得了世界各地的自学术界到产业界的研究人员的极大的兴趣。

已经采取了许多努力来提高微型化数字相机的性能，因而使得其操作更接近于传统的数字相机。在微型数字相机开发的早期阶段，相关联的光学系统被刻意设计成拥有长的焦点深度。这样的光学系统可同时地提供几乎视场中的所有对象的清晰图像，而不需要自动对焦功能。这种处理大大地简化了系统配置，但这样的简化是以较低的图像对比度以及降低的或次优的图像质量为代价而发生的。虽然已经通过增加像素数和提升与图像处理相关联的相应的硬件和软件实现了更好的图像和视频质量，但是对于诸如自动对焦及变焦的类的更复杂的功能仍存在巨大的需求而等待技术突破。

不同于其传统的对应技术，微型化数字相机必须满足与有限或及其有限的可用空间相关联的尺寸要求。因此，常用的自动对焦及变焦机件因为这样的机件的笨重的体积，而不适于微型化数字相机。因此在微型化数字相机内实现这些功能提出了具有挑战性的技术问题。

发明内容

所公开的实施例涉及用于在真正的微型化装置中提供对光学变焦功能的成功、可靠和强大的实现方式的装置、系统及方法。根据本申请的一个方面，变焦镜头系统包括至少一个微机电(MEMS)致动器，其被配置为位移或驱动一个或多个光学元件；以及至少四个MEMS驱动的光学元件，该至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都被配置为使光信号沿光信号传播路径通过。该至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都包括：至少一个自由表面，该至少四个MEMS驱动的光学元件以成对配置方式被定位，以使得第一MEMS驱动的光学元件和第二MEMS驱动光学的元件形成第一对光学元件，并且第三MEMS驱动的光学元件和第四MEMS驱动的光学元件形成第二对光学元件，该至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都能够在大体上横向于光信号传播路径的方向上进行位移，以允许该第一对光学元件和第二对光学元件中的一者或两者的光焦度(opticalpower)上发生改变。

依据本申请的另一实施例，该至少四个MEMS驱动的光学元件包括一组可变焦透镜，例如，第一可变焦透镜和第二可变焦透镜。该第一可变焦透镜能够与至少四个MEMS驱动的光学元件的第一透镜元件和第二透镜元件相关联或相对应；而第二可变焦透镜能够与至少四个MEMS驱动的光学元件的第三透镜元件和第四透镜元件相联或相对应。在各种实施例中，第一对光学元件对应于或大致上类似或类似于或成对配置为阿尔瓦雷斯(Alvarez)透镜或罗曼(Lohmann)透镜；并且以附属于、配套、推论或对应于第一透镜元件和第二透镜元件的配置的方式，第二对光学元件对应于或大致上类似或类似于或成对配置为阿尔瓦雷斯透镜或罗曼透镜。在实施例中，第一对光学元件和第二对的光学元件中的一者或两者包括对应的可变焦透镜，其被配置为作为阿尔瓦雷斯或阿尔瓦雷斯类型的透镜的和罗曼或罗曼类型的透镜之一。在另一实施例中，第一对光学元件和第二对的光学元件中的一者或两者包括对应的可变焦透镜，并且其中该可变焦透镜包括关于高于三阶的多项式相关的表面。

至少四个MEMS驱动的光学元件被配置为提供具有光学变焦和自动对焦功能中的每项的MEMS变焦镜头系统。光学变焦功能是通过组合调节第一变焦透镜的第一焦距和第二变焦透镜的第二焦距来实现的，而自动对焦功能系通过独立于第二变焦透镜调整第一变焦透镜的第一焦距来实现的。本申请的特定实施例能够实现至少约2倍的光学放大倍率。至少四个MEMS驱动的光学元件能够包括：初始透镜元件或光学表面(例如，光能够入射于其上)和最终透镜元件或光学镜面(例如，光可以出射)，他们以小于大约30mm(例如，约20mm)的距离隔开。

本申请的某些实施例包括：光圈(例如，可变光圈)，其被配置为限制传播通过至少四个MEMS驱动的光学元件的光的量。例如，特定实施例包括可变光圈，其被安装在邻近或接近于至少四个MEMS驱动的光学元件的第一MEMS驱动的光学元件处，以使得该光圈能够限制进入第一MEMS驱动的光学元件的光的量。

本申请的实施例还能够包括：一组附属的或辅助的光学元件，其中这样的附加光学元件系为或被配置为提供附加光焦度或校正的像差。依据实施例的具体情况，该组附加光学元件能够包括：一个或多个球面、非球面或自由(freeform)表面。在实施例中，该组附加光学组件基本上固定在大体上横向于光信号传播路径的位置上。

除上述方案之外或作为上述方案的替代，本申请的实施例能够包括或包含：与第一可变焦透镜和/或第二可变焦透镜相对应的光学元件结构和/或材料属性修改或变化(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，一组像差校正函数f_i(x，y)能够被映射到或并入与至少四个MEMS驱动的光学元件相关联的特定初始或起始定义的阿尔瓦雷斯透镜或罗曼透镜自由表面的厚度分布中。因此，与至少四个MEMS驱动的光学元件中的一个或多个相对应的可变焦透镜能够以促进像差校正的方式显现出基本自由、大体自由或准自由的表面。

依据本申请的另外的实施例，MEMS变焦镜头系统包括：第一位移设备，其被配置为在大体上横向于光信号传播路径或光轴的方向上，相对于第二MEMS驱动的光学元件或第二透镜元件位移第一MEMS驱动的光学元件或第一透镜元件。位移设备能够包括透镜元件载体(例如，平台构件)，其相对于大体上横向于光轴的位移或平移轴自由或大致自由地悬挂。例如，透镜元件载体能够被耦合到被配置为沿位移或平移轴进行弹性变形的悬架设备或构件(例如，一组挠性悬架)。在特定实施例中，位移设备包括至少一个基准支撑构件；第一平台，其被配置为承载第一透镜元件；第一挠性悬架，其耦合于第一平台和至少一个基准支撑构件之间；第二平台，其被配置为承载第二透镜元件；及第二挠性悬架，其耦合于第二平台和至少一个基准支撑构件之间。第一挠性悬架和第二挠性悬架中的每个都被配置为在大体上横向于光信号传播路径的方向上进行弹性变形。

该位移设备还能够包括：一组驱动机件，其被配置为将位移作用力传递或传送至透镜元件，以使得该透镜元件能够在大体上横向于透镜元件的光轴的方向上被移位。例如，该组驱动机件能够包括至少一个MEMS致动器，其被配置为将位移作用力传送至被配置为承载透镜元件的平台。该组驱动机件还能够包括位移放大机件(例如，一组挠性梁)，其耦合于该平台和MEMS致动器之间。

在本申请的实施例中，至少四个MEMS驱动的光学元件中的一个或多个包括：一组定向指示符，其用于允许少四个MEMS驱动的光学元件中的一个或多个在变焦镜头系统内的对齐。

在本申请的另一方面，提供一种用于提供光学变焦的过程，其包括：提供至少四个微机电(MEMS)驱动的光学元件，该至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都被配置为使光信号沿光信号传播路径通过，该至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都具有至少一个自由表面，以及至少四个MEMS驱动的光学元件以成对配置方式被定位，以使得第一MEMS驱动的光学元件和第二MEMS驱动的光学元件形成的第一对光学元件并且第三MEMS驱动的光学元件和第四MEMS驱动的光学元件形成的第二对光学元件，其中激活至少一个MEMS致动器，该至少一个MEMS致动器使至少四个MEMS驱动的光学元件中的一个或多个在大体上横向于光信号传播路径的方向上进行位移，以允许第一对光学元件和第二对光学元件的一者或两者的光焦度发生改变。

第一对光学元件包括第一可变焦透镜并且第二对光学元件包括第二可变焦透镜。相对于第二透镜元件位移第一透镜元件改变了第一可变焦透镜的第一焦距。MEMS的总焦距能够通过同时改变第一和/或第二焦距被操控，以使得所得的对象的图像仅通过移动变焦系统中的透镜元件就能够变得清晰。

在实施例中，第一焦距被改变，而第二可变焦透镜的第二焦距保持不变。这向MEMS变焦镜头系统提供了自动变焦功能。在另一实施例中，一光学变焦功能是通过组合调节第一可变焦透镜的第一焦距和第二可变焦透镜的第二焦距而提供的。MEMS驱动的光学元件中的至少一个能够使用包括至少一个MEMS致动器的驱动机件进行位移。再者，MEMS致动器的致动操作可使用位移放大机件(例如，一组挠性梁)进行放大。

为降低MEMS变焦镜头系统中的光学像差，任何辅助光学元件和光学元件修改功能可以被提供并放置在光信号传播路径上。这样的辅助元件的位置和/或形状可能是固定的。再者，诸如光学元件结构和/或材料属性修改或变化之类的光学元件修改功能，可以通过像素校正功能的方式并入光学元件的厚度分布中。在另一实施例中，传播通过MEMS变焦镜头系统的光的量是以使用可变光圈进行限制的。

在本申请的又一实施例中，过程还包括：使用一组定向指示符对齐至少四个MEMS驱动的光学元件，其中该组定向指示符与一个或多个MEMS驱动的光学元件的自由表面的至少一个基准轴相对应，该至少一个基准轴横向于该自由表面的厚度分布变化轴，并且该对齐包括：提供由可移动微结构装配所承载的一组对齐构件，以及通过相对于该组对齐构件对齐于该组定向指示符，在空间上对齐一个或多个MEMS驱动的光学元件和可移动微结构装配。

依据本申请的一方面，一种用于制造或制作MEMS变焦镜头系统的工艺，包括：制作第一可移动微结构装配作为集成单元；提供具有自由表面的透镜元件；以及建立该自由表面相对于该可移动微结构装配的对齐。该集成可移动微结构装配能够包括：大致平坦的平台，其被配置为承载透镜元件，以使得该透镜元件的光轴基本上垂直于该第一表面和第二表面；基准支撑构件；挠性悬架，其耦合于该平台和该基准支撑构件之间，并且被配置为沿横向于光轴的方向进行弹性变形；以及一位移机件(例如，其包括一微致动器，并且还能够包括位移放大机件)，其被配置为在横向于光轴的方向上向该平台施加位移作用力。

该可移动微结构装配能够通过绝缘层覆硅(SOI)微机械加工工艺的方式进行制作。在某些实施例中，该可移动微结构装配和承载于此的透镜元件被共同组制作为集成单元。在一些实施例，该可移动微结构装配及该透镜元件被制作为分离单元，之后该可移动微结构装配及该透镜元件被耦合或结合。依据本申请的另一方面的一种工艺能够包括：提供与透镜元件的自由表面的至少一个轴相对应的一组定向指示符；提供由该可移动微结构装配承载的一组对齐构件(例如，衍射光栅和/或其他结构元件)；以及通过相对于该可移动微结构装配的(一个或多个)对齐构件对齐透镜元件的(一个或多个)定向指示符，在空间上对齐该第一透镜元件和该可移动微结构装配。

再者，在实施例中，通过使带有已对齐的具有自由表面的第一透镜元件的第一可移动微结构装配与带有已对齐的具有自由表面的第二透镜元件的第二可移动微结构装配相配对来装配一组可变焦透镜。在这种配对中，第一透镜元件的自由表面与第二透镜元件的自由表面相对应。以这样的方式，通过相对于彼此移动该第一透镜元件和该第二透镜元件该改变可变焦透镜的焦距。

另一实施例提供了利用复制模塑(molding)工艺制作具有自由表面的透镜元件。复制模塑工艺可以包括：使用具有所需的自由表面的主模具，并且该主模具是通过单点金刚石切削(turning)技术制作而成的。要产生的透镜元件可由紫外光可固化的光学粘合剂构成。

在本申请的另一方面，提供了一种电子成像装置。这样的电子装置包括：光学窗口，其具有横向于光轴的横截面，该光学窗口被配置为允许光信号沿光轴传播至电子装置；微机电(MEMS)变焦镜头系统，其被配置为接收沿光轴传播通过光学窗口的光信号，该MEMS变焦镜头系统包括至少四个MEMS驱动的光学元件，该至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都包括至少一个自由表面，该至少四个MEMS驱动的光学元件以成对配置的方式被定位，以使得第一MEMS驱动的光学元件和第二MEMS驱动的光学元件形成第一对光学元件并且第三MEMS驱动的光学元件和第四MEMS驱动的光学元件形成第二对光学元件，该至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都能够在大体上横向于光信号传播路径的方向上进行位移，以允许该第一对光学元件和第二对光学元件中的一者或两者的光焦度发生改变。该电子装置还包括图像传感器，其被配置为接收沿光轴传播通过该MEMS变焦镜头系统的光信号。

在一实施例中，该电子装置包括或为：个人数字助理、移动电话、平板计算机、移动电话-平板计算机组合装置、膝上型计算机、桌面计算机、计算机监视器、电视、网络相机、微型监控相机、和内窥镜。在某些情况下，该光轴是折叠的，且包括第一光轴段和第二光轴段，该第二光轴段不平行于(例如，折叠、横向于或基本上垂直于、相对于)该第一光轴段。该第一光轴段和第二光轴段也能够基本上相互垂直。

在实施例中，该MEMS变焦镜头系统的功能基本上不受重力、大气压力、及该MEMS变焦镜头系统的物理性移动影响。在某些实施例中，第一对光学元件和第二对光学元件以及图像传感器中的至少一者被配置为允许沿光轴相对于彼此的相对运动。

附图说明

图1是依据示例性实施例的具有两个可变焦透镜的代表性变焦镜头系统的示意图。

图2A及2B是依据示例性实施例的具有包括两个相隔很近的透镜元件的可变焦透镜的代表性变焦镜头系统的示意图。

图3是依据示例性实施例的变焦镜头系统、设备或模块的各部分的示意图。

图4是依据示例性实施例的基于MEMS的可变焦镜头的示意图，其包括一对MEMS驱动的光学元件或装置。

图5是依据示例性实施例的MEMS驱动的光学装置耦合到位移放大设备、装置或机件的示意图。

图6是依据示例性实施例的基于MEMS的可变焦镜头的示意图。

图7是依据示例性实施例的与阿尔瓦雷斯透镜元件相对应的自由表面的示意图。

图8是依据示例性实施例的用于阿尔瓦雷斯透镜元件的制作的模具的图示。

图9是依据示例性实施例的复制的透镜元件的图示。

图10是依据示例性实施例的透镜位移组件的示意图，其包括悬挂的MEMS平台及梳状驱动致动器。

图11是依据示例性实施例的MEMS制作工艺的示意图，其指示能够使用标准的SOI的微机械加工工艺制作梳状驱动致动器连同刚性平台的方式。

图12a是依据示例性实施例制作的图10的透镜位移组件的代表性图不。

图12b是依据示例性实施例的具有已对齐(aligned)及排列的阿尔瓦雷斯透镜元件的图12a透镜位移组件的代表性图示。

图13是依据示例性实施例示出了组装和/或对齐过程的个部分的示意图，其涉及MEMS静电梳状驱动致动器及阿尔瓦雷斯或罗曼透镜组件。

图14是依据示例性实施例的具有两个MEMS驱动的光学装置的基于MEMS的可变焦镜头的示意图。

图15是依据示例性实施例的通过测试已制作的基于MEMS可变焦透镜所取得的实验数据绘制图。

图16是依据示例性实施例的MEMS驱动的光学装置的示意图，其包括MEMS静电梳状驱动致动器、阿尔瓦雷斯或罗曼透镜元件及位移放大机件。

图17是并入超薄设计智能电话中的、依据本申请的示例性实施例的变焦镜头系统的示意图。

图18是根据本申请的一方面的方法的流程图或流程示意表。

图19是根据本申请的实施例的方法的流程图或流程示意表。

图20是根据本申请的另一方面的制作方法的流程图或流程表。

具体实施方式

在本申请中，在与描述材料相对应的特定附图或引用中，描述给定的元件或者考虑或使用特定的元件编号能够包含相同、等同或类似的元件，或另一附图中所标识的元件编号或与之相关的描述材料。

在本申请书，“示例性(exemplary)”一词是用来表示作为一个例子、实例或图示。本文中描述为“示例性”的任何实施例或设计不一定被诠释为更受偏爱或优于其他实施例或设计。相反地，“示例性”一词的使用旨在以具体的方式呈现概念。

除非另有明确规定，在以下的描述中，对特定数值或数值范围的记载被认为是对特定近似数值或近似值范围的记载。因此，以下所提供的给定数值或数值范围应被解释或被定义为近似数值或数值范围。

如本文所使用，术语“组(set)”对应于或者被定义为数学上显示基数至少为1的元素的非空有限组织(即，本文所定义的集合能够与单线态(singlet)或单元素集、或者多元素集相对应)，按照已知的数学定义(例如，以与Peter J.Eccles所著的、康桥大学出版社(CambridgeUniversity Press)(1998)出版的Introduction to Mathematical Reasoning：Numbers，Sets，and Functions(数学推理介绍：数字、集合及方程)“Chapter11：Properties of Finite Sets(第11章：有限集合的属性)”(例如，第140页上所指出的)所述的方式相对应的方式)。一般来说，根据所考虑的集合的类型，集合中的元素能够包括或能够是系统、设备、装置、元件、结构(构件)、结构特征、对象、处理、参数或数值。

在本申请的某些实施例中，透镜元件(例如，在成对的基础上)被配置为形成组合透镜，其与阿尔瓦雷斯透镜或罗曼透镜配置(例如依据三阶多项式相关的互补相位面)相对应或为大致相似于此配置。阿尔瓦雷斯/罗曼透镜为成对的光学元件，其具有互补或相关的立方表面轮廓，它们以透镜元件的较小的侧向(垂直于光轴)位移而非以该透镜元件的轴向(沿光轴)的位移提供光焦度的变化。根据所公开的实施例使用的阿尔瓦雷斯或罗曼透镜能够涵盖具有限定阿尔瓦雷斯透镜或罗曼透镜的自由表面的透镜元件配置，并且可以具有限定阿尔瓦雷斯类型透镜或罗曼类型透镜的本质上自由或准自由表面。依据本申请的实施例能够进一步涵盖基本上任何类型的光学表面或透镜配置，其能够由基于MEMS的组件所承载和/或驱动，且能够基于相对于光信号传播路径或光轴的一个多个或光学表面或透镜元件的横向位移提供可变的或可选择的光焦度。

在其他实施例中，这些组合透镜表面依据高于三阶多项式(例如，五阶多项式或七阶多项式)相关。较高阶多项式透镜满足不同的像差(例如色差)，并且能够同样实现类阿尔瓦雷斯成对可变焦透镜。

图1为具有两个可变焦透镜的代表性变焦镜头系统的示意图，下面对其进行描述以进一步协助理解阿尔瓦雷斯/罗曼透镜配置。图1中所示的系统包含两个串联排列薄的可变焦透镜F1和F2，其焦距分别为f₁和f₂，为可变动的。此两个可变焦的透镜固定于彼此相隔距离t的位置。图像传感器被放置于与第二可变焦透镜F2相隔距离d处。该变焦镜头系统被配置为利用横向放大倍率M将与第一可变焦的透镜F1相隔距离l的对象成像在图像传感器上，该横向放大倍率M的定义为：M＝hi/ho，其中hi及ho分别为该图像及对象的高度。为求简化，假设该变焦镜头系统操作于具有单位折射率的空气中，近轴光线追踪方程为：

u′₁＝u₁-h₁φ₁    (1)

h₂＝h₁+u′₁t    (2)

u₂＝u′₁    (3)

u′₂＝u₂-h₂φ₂(4)

其中u₁及u₂是光线相对于光轴的角度(以弧度计)，h₁及h₂为光线触及透镜平面所投射(impact)的高度，而φ₁及φ₂为这些透镜的光焦度，即φ₁＝1/f₁及φ₂＝1/f₂。同样显而易见的为：

h₁＝lu₁    (5)

h₂＝-du′₂    (6)

及，

$M=\frac{h_i}{h_o}=\frac{u_1}{u_2^{\′}}---\left(7\right)$

将(5)插入到(1)：

u′₁＝u₁(1-lφ₁)(8)

将(6)插入到(4)：

u′₂(1-dφ₂)＝u₂(9)

结合(3)、(8)、及(9)，可以得到：

$\frac{(1-{\mathrm{d\φ}}_2)}{(1-{\mathrm{l\φ}}_1)}=\frac{u_1}{u_2^{\′}}=M---\left(10\right)$

将(1)、(5)、及(6)插入到(2)：

-du′₂＝lu₁+(1-lφ₁)tu₁    (11)

重新整理(11)：

$-\frac{d}{l+t-{\mathrm{lt\φ}}_1}=\frac{u_1}{u_2^{\′}}=M---\left(12\right)$

解算(12)以得φ₁：

${\mathrm{\φ}}_1=\frac{1}{f_1}=\frac{l+t+(d/M)}{\mathrm{lt}}---\left(13\right)$

将(13)插入到(10)并解算得φ₂：

${\mathrm{\φ}}_2=\frac{1}{f_2}=\frac{d+t+\mathrm{lM}}{\mathrm{dt}}---\left(14\right)$

在此，我们假设此变焦镜头系统的总焦距为f₀。对许多摄影应用而言，与相机的焦距相比对象通常位于距相机较远的距离，即l＞＞f₀。因此，该镜头系统的垂直光学放大倍率可以近似于：

$M=-\frac{f_0}{l}---\left(15\right)$

(15)插入到(13)及(14)中：

${\mathrm{\φ}}_1=\frac{1}{f_1}=\frac{1}{l}+\frac{1}{t}-\frac{d}{f_{0}t}---\left(16\right)$

${\mathrm{\φ}}_2=\frac{1}{f_2}=\frac{1}{d}+\frac{1}{t}-\frac{f_0}{\mathrm{dt}}---\left(17\right)$

从(16)及(17)中，我们观察到在这两个透镜及图像传感器的位置固定的情况下(即d和t为常数)，对于任意对象距离l以及给定的总焦距整体的焦距f₀，可以很容易地找到分别适于可变焦的透镜F1及F2的合适的焦距f₁及f₂，以使得该镜头系统在图像传感器上生成该对象的清晰图像。这也适用于可变焦透镜及图像传感器的位置不固定的实施例中，例如，这些透镜及传感器相对于彼此的距离是变化的，并受物理空间的限制。

换句话说，图1所示的镜头系统能够通过经由相应地同步变化F1及F2的焦距以改变摄影系统的总焦距f₀来连续地改变它对对象的垂直光学放大倍率，并且图像能够仍然保持清晰而无需移动图像传感器或透镜。此为变焦镜头系统的理想方程。从(16)及(17)中看出，为实现自动对焦(即在对象分别远离或朝向镜头系统移动之后，重新获得该对象的清晰图像)，需要依据对象距离l的改变而改变该第一透镜F1的焦距f₁。总而言之，图1所示的两个可变焦的透镜的组合提供了具有自动对焦功能的光学变焦镜头系统。此变焦镜头系统通过MEMS可调整式可变焦阿尔瓦雷斯/罗曼透镜的方式而适于微型化。

明确地，从(17)中，假设我们将该第二可变焦透镜F2分成两个紧密放置的透镜F3(固定焦距)及F4(可变焦距)，其光焦度分别为φ₃＝1/d及φ₄＝1/t-f₀/(dt)，该成像系统基本上是相同的。修改后的成像系统如图2A及图2B所示。为对齐于无限远处(l＝∞)的对象进行成像，这两个可变焦透镜F1及F4在该系统中的焦距为：

$f_1=t+\frac{\mathrm{td}}{f_0-d}=\frac{{\mathrm{tf}}_0}{f_0-d}---\left(18\right)$

$f_4=-\frac{\mathrm{td}}{f_0-d}=t-\frac{{\mathrm{tf}}_0}{f_0-d}---\left(19\right)$

进一步参照图2A及2B，其为具有可变焦透镜的变焦镜头系统的示意图，该可变焦透镜包括两个紧密排列的透镜元件，对于相关领域中的普通技术人员而言可从(18)和(19)中直接推断出：

1.当该系统总焦距f₀被设定在d处，f₁及f₄的值皆为无限大。这表示这两个可变焦透镜F1及F4基本上为不具有光焦度的两个平行的光学板，该系统的总光焦度来自于具有固定焦距d的最后的透镜F3。

2.假设f₀被设定为大于d，则f₁为正且f₄为负，并且这两个可变焦透镜F1及F4形成一无焦系统，即f₁+f₄＝t，如图2A所示。此系统是等同于连结于固定透镜F3的望远镜。

3.相反的，假设f₀小于d，则f₁为负且f₄为正，并且该两个可变焦透镜F1及F4形成一无焦倒置望远镜系统，如图2B所示。

如图2A及2B所图示的，提供包括这样的包括一对可变焦透镜的变焦镜头系统的实施例，允许在系统整体焦距f₀的改变中适应性地变化焦距f₁及f₄。因而这样的实施例提供简单化实现或解算上述方程式，以及提供依需求、意图或需要来处理调优参数的灵活性。

两个串联排列为一个紧随于另一个的特殊的透镜元件之间的小的侧向偏移(相对于大小而言)能够在该组合的光焦度中产生实质性的变化。这两个元件可以具有下列等式所描述的厚度，分别为：

$t_1=A({\mathrm{xy}}^2+\frac{1}{3}{x}^3)+\mathrm{Dx}+E---\left(20\right)$

$t_2=-A({\mathrm{xy}}^2+\frac{1}{3}{x}^3)-\mathrm{Dx}+E---\left(21\right)$

其中A为正的常数，x及y为垂直于光轴z的横向坐标。该元件的厚度是沿z轴测得的。该两个元件系统的组合厚度为t＝t₁+t₂＝2E，其等同于平行板。假设第一元件沿x方向移动位移δ并且第二元件沿x方向移动位移-δ，该组合厚度变化为：

$t=t_1(x-\mathrm{\δ})+t_2(x+\mathrm{\δ})=-2\mathrm{A\δ}(x^2+y^2)-\frac{2}{3}{\mathrm{A\δ}}^3-2\mathrm{D\δ}+2E---\left(22\right)$

项式-2Aδ(x²+y²)描述针对正向位移δ的正(会聚)透镜和针对反向位移-δ的负(发散)透镜。等式(24)中的其他项式描述的仅是均匀厚度。那么该组合的总光焦度为：

φ＝4Aδ(n-1)   (23)

其中n是透镜材料的折射率。

类似的双元件组合可变焦透镜，其焦距也可以通过横向移动两个元件的相对齐置进行调整。这产生了下列针对此透镜元件配置(也可以称作罗曼配置)的厚度等式：

$t_1=A(\frac{1}{3}{y}^3+\frac{1}{3}{x}^3)+D(x+y)+E---\left(24\right)$

$t_2=-A(\frac{1}{3}{y}^3+\frac{1}{3}{x}^3)-D(x+y)+E---\left(25\right)$

假设第一元件分别沿着x轴及y轴位移至δ_x及δ_y，并且第二元件位移至-δ_x及-δ_y，那么该组合透镜的总厚度为：

$\begin{array}{c}t=t_1(x-{\mathrm{\δ}}_x,y-{\mathrm{\δ}}_y)+t_2(x+{\mathrm{\δ}}_x,y+{\mathrm{\δ}}_y)\\ =-2A({\mathrm{\δ}}_x{x}^2+{\mathrm{\δ}}_y{y}^2)-\frac{2}{3}A({\mathrm{\δ}}_x^3+{\mathrm{\δ}}_y^3)-2D({\mathrm{\δ}}_x+{\mathrm{\δ}}_y)+2E\end{array}---\left(26\right)$

假设这两个位移是相等的，即δ_x＝δ_y＝δ，则厚度t变为：

$t=-2\mathrm{A\δ}(x^2+y^2)-\frac{4}{3}{\mathrm{A\δ}}^3-4\mathrm{D\δ}+2E---\left(27\right)$

再者，忽略均匀厚度项，此双元件组合等价于具有下述光焦度的透镜：φ＝4Aδ(n-1)。

如上所述，阿尔瓦雷斯透镜和罗曼透镜通过在垂直于光轴方向上横向移动透镜元件实现焦距的调整。本申请的各种实施例提供这样的镜头系统(包括可以相对于其他透镜元件沿透镜的光轴横向移动的透镜元件)与MEMS致动器的集成。再者，在根据本申请的实施例中提供了诸如自动对焦、像素校正及可变光圈之类的有利的特征以适于广角及远摄应用。

本申请提供了基于MEMS的变焦镜头系统。具有基于MEMS的系统意味着上述两个功能(即自动对焦(autofocus)和光学变焦(opticalzooming))的提供能够成功地实现于微型、一致、可靠和坚固的结构中。再者，在适用或采用技术微细制造(如半导体制造)工艺来制造基于MEMS的系统时，成本效益在于扩大生产上。微型化和利用依据本申请的基于MEMS的变焦镜头系统替代传统的变焦系统，在该镜头系统的物理性操作被实行时，相较于数字地采集的图像的数字操作，进一步避免或实质地避免图像质量的损耗。使用本申请的基于MEMS的变焦镜头系统也可以获得控制的简易性，因为仅需要可变焦透镜的小的横向位移就可以实现光学变焦和/或自动对焦，然而传统的镜头系统则需要透镜组沿光轴移动大的距离。

基于MEMS的变焦镜头系统实施例的代表性方面：

图3为依据本申请的实施例的变焦镜头系统、设备、或模块的各部分的示意图。该系统包括：沿着光信号传播路径或光轴(107)协同排列(例如，串联)的第一可变焦透镜(101)和第二可变焦透镜(102)。在某些示例性实施例中，第一及第二可变焦透镜(101，102)在位置上是固定的并且以固定的间隙距离分开。在其他示例性实施例中，第一及第二可变焦透镜(101，102)在位置上是可变的，以使得介于这两个透镜之间的间隙可在特定范围内变化。每一可变焦透镜(101，102)包括一对由基于MEMS的位移设备所承载的透镜元件，该基于MEMS的位移设备被配置为侧向地、横向地、实质横向地或垂直于穿过该透镜元件的光信号传播路径(例如，光轴107)移动、转位或位移可变焦透镜元件，以改变可变焦透镜焦距。如本文进一步描述的，基于MEMS的位移设备能够包括：被配置为承载透镜元件的平台；将平台耦合到基准或固定支撑构件的挠性悬架(flexure suspension)。该挠性悬架被配置用于沿着横向于该光轴(107)的方向进行弹性变形，以使得该平台能够通过包括微致动器在内的一组驱动机件的方式，被选择性地或弹性地横向位移至光轴(107)。

本系统配置为将一个或多个对象或场景成像在图像采集装置或传感器(104)上，图像采集装置或传感器(104)将光信号或图像转换为电信号，以用于处理和/或储存。成像系统的总焦距能够通过相应地调整两个可变焦透镜的焦距而在某一范围内连续地变化，因而产生一个所需的变焦效应，即改变该成像系统的横向光放大倍率。

在各种实施例中，当系统的元件系被调整以为已选择的光放大倍率提供一所需的总系统焦距时，系统的聚焦或自动对焦功能不是通过沿着光信号传播路径或光轴(107)相对于彼此纵向地移动这些光学元件或图像传感器实现的，而是通过根据从对象到镜头系统的距离将第一可变焦透镜(101)的焦距改变额外的量值来实现的。

具有球面、非球面或自由表面的一个或多个附加的、相关联的或附属的透镜元件或平板(103)能够被包括或包含于各种实施例中的变焦成像系统中，以提升这些变焦镜头系统的性能，比如提供附加的光焦度和/或为了像差降低、最小化或修正目的。这样的附加的透镜元件(103)可具有固定焦距，且能够被纵向地和/或横向地相对该光轴固定。

另外或可替代地，在某些实施例中，一个或多个可变透镜(101，102)的结构和/或材料性质方面可被改变或修改以促进像差降低、最小化或修正。例如，以阿尔瓦雷斯及罗曼所提出的方式实现自由表面的初始定义的光学元件表面能够被修改或适配为包括另外的设计自由度以促进像素校正。作为代表性例子，针对具有自由表面的初始定义的阿尔瓦雷斯透镜，函数f(x，y)能够被映射在或包括或包含于它的组成透镜元件的厚度分布中(thickness profile)，导致具有基本上自由、实质上自由或准自由的表面的阿尔瓦雷斯类型透镜的定义或生成。上述的方程式(20)及(21)则变为：

$t_1=A({\mathrm{xy}}^2+\frac{1}{3}{x}^3)+\mathrm{Dx}+f(x,y)+E---\left(28\right)$

$t_2=-A({\mathrm{xy}}^2+\frac{1}{3}{x}^3)-\mathrm{Dx}-f(x,y)+E---\left(29\right)$

假设第一透镜元件沿x方向移动位移δ且第二透镜元件沿着x方向移动-δ，该组合厚度变为：

$t=t_1(x-\mathrm{\δ})+t_2(x+\mathrm{\δ})=-2\mathrm{A\δ}(x^2+y^2)+(-\frac{2}{3}{\mathrm{A\δ}}^3-2\mathrm{D\δ}+2E)+f(x-\mathrm{\δ},y)-f(x+\mathrm{\δ},y)---\left(30\right)$

因此，

t＝-2Aδ(x²+y²)+Constant+g(x，y)，    (31)

其中针对较小的侧向偏移δ

$g(x,y)\≈-2\mathrm{\δ}\left(\frac{\∂f}{\∂x}\right)---\left(32\right)$

类似地，在上述等式(31)中，在右手边的第一项为发散或聚焦光线提供球面波前像差(wavefront)，由δ确定可变焦距。第二项(-2Aδ³/3-2DE+2E)为一常数且对系统并没有显著的贡献。最后项g(x，y)向由第一项描述的球面波前像差提供细微的偏差于该所述的球形波前像差(wavefront)，并且如果经过适当地设计，最后项g(x，y)可被应用于改进变焦镜头系统的各个方面，比如降低或最小化系统的(一个或多个)光学像差。应当注意的是，依据本申请实施例的变焦镜头系统能够通过上面所示的两种技术的结合被设计，以用于光学像差降低、最小化或校正，以及用于提供其他系统改进，比如增加或调整光焦度。

该系统中也能够包含光圈(105)以限制进入该透镜系统的光束的大小。依据某些实施例，利用其直径能够被调整的光圈。通过再次参照图2A及2B即可更清楚地理解这点。当变焦镜头系统被调整为广角配置时，光束穿过该第一变焦透镜(101)散射到该第二变焦透镜(102)。因此，当这些光束投射到第二可变焦透镜(102)时，他们的大小会变大。此外，此配置的该成像系统具有更广的视野(FOV)。因此，考虑第二变焦透镜(102)的受限的大小，光圈(105)或许需要被调整为相对较小的直径以限制进入透镜的光束的该大小。另一方面，当变焦镜头系统被调整为远摄配置时，光线穿过第一可变焦透镜(101)聚焦至第二可变焦透镜(102)。此外，远摄成像系统具有较小的视场(FOV)。在此情形下，光圈的较大的直径可以被采用。

图4为依据本申请的实施例的基于MEMS可变焦镜头(200)的示意图，其包括一对MEMS驱动的光学组件、元件、装置或构件。在所示的实施例中，成像系统中的可变焦透镜包括两个MEMS驱动的光学装置(201，202)。每一MEMS驱动光学装置(201，202)具有至少带有一个自由表面(204，213)的透镜元件(203，212)，并且被安装在诸如平台(205，214)之类的支撑构件上。在各种实施例中，平台(205)包括平面或一般平面结构，其具有提供第一平面表面区域的第一侧；提供第二平面表面区域的第二侧；以及介于第一侧和第二侧之间的厚度。平台(205)被配置为承载透镜元件(203)，以使得透镜元件(203)的光轴(210)大体上垂直于第一及第二平面表面区域。平台(205)可包括一开口(206)或光学透明区，让光线可以进入并穿过基于MEMS的可变焦透镜。

平台(205)通过弹性变形或挠性悬架系统(207)耦合或附连于至少一个基准支撑构件或固定支架(208)。基准支撑构件或固定支架(208)能够提供空间或位置的基准，相对于该基准，平台(205)横向于通过透镜元件(203)和/或其他系统结构的光信号传播路径(例如，光轴)的位移、转位或移动将可被建立、确定或量测。在各种实施例中，该挠性悬架通过弹性变形提供平台移动的特定范围。依据某些实施例，该悬架系统(例如，弹性变形或挠性悬架系统)可以被用于改良光学变焦系统的各种特性，例如，降低、最小化或避免表面之间的接触从而降低、最小化或消除摩擦、磨损和撕裂。这有助于降低用于致动的驱动电压并且也有助于准确定位。

在本实施例中，可变焦透镜包括具有自由表面(204)的第一透镜元件(203)及具有自由表面(213)的相应的第二透镜元件(212)。第一透镜元件(203)由平台(205)进行承载，并且微致动器(209)驱动承载该透镜元件(203)的平台(205)，以使得平台(205)及透镜元件(203)一起在垂直于该光轴(210)的方向上侧向移动。第二元件(212)类似地置于平台(214)上并且由微驱动器(215)驱动以对应地移动一侧向位移。这两个透镜元件之间的相对运动(211)使得由他们形成的组合透镜改变焦距。第一透镜元件(203)的中心线(216)被提供以作为基准。应当注意到中心线(216)被提供作为自由表面(204)的厚度分布变化基准。其不一定与第一透镜元件(203)及开口(206)的几何中心对齐，虽然在某些案例中这种对齐是优选的。第二透镜元件(212)以对应的中心线(217)为基准。第一透镜元件(203)和第二透镜元件(212)的相对移动通过中心对中心偏移量的方式被监控，其中第一透镜元件(203)的中心线(216)相对于对应的第二透镜元件(212)的中心线(217)进行比较。如果中心线(216)和(217)彼此相符，那么可变焦距透镜(200)有相当大的焦距。可变焦透镜(200)的焦距也可以衍生自中心对中心偏移量。

目前的微致动器通常具有几十微米的受限的最大的位移/冲程。例如，静电梳状驱动微致动器的最大冲程受到静电侧拉现象限制。在依据本申请的各种变焦镜头系统实施例中，由微致动器驱动的透镜元件的适中的或大的侧向移动造成可变焦透镜的光焦度大的变化，其进一步转移至变焦透镜系统的大光学变焦范围。本申请的特定实施例能够获得或提供至少约2倍的光学放大倍率。这对于多种类型的成像系统能够是重要的或非常希望的，例如，用于智能型电话的微型化相机。下文描述了依据本申请的加强侧向透镜元件位移的一种方式。

图5为依据本申请的实施例的MEMS驱动的光学装置(例如，其包括透镜元件、被配置为承载该透镜元件的平台、以及耦合于该平台及基准或固定支撑构件之间的挠性悬架，其中该挠性悬架被配置为在横向于穿过该透镜元件的光信号传播路径或光轴的方向上进行弹性变形)耦合于位移放大设备、装置或机件(220)的示意图，其能够克服与典型微致动器相关联的冲程限制。不同于直接地驱动平台(205)，微致动器(209)通过位移放大机件(220)的方式耦合到或间接附连于平台(205)。各种位移放大机件(220)设计，从简单杠杆机件至复杂的兼容放大机件，当前可从文献中得到，并且能够与本实施例一起使用。

图6为依据本申请的另一示例性实施例的基于MEMS的可变焦镜头的示意图。该成像系统的可变焦透镜包括两个MEMS驱动的光学装置(301，302)。每一MEMS驱动的光学装置(301，302)具有至少具有一个自由表面(304，313)的透镜元件(303，312)，并且被安装在诸如平台(305，314)之类的支撑构件上。在该实施例中，单一致动器(309)被提供以改变两个构成的透镜元件(303，312)的中心对中心偏移量。

驱动系统支撑致动器(309)使透镜元件(303，312)移位的实现方式能够包括：在平台上(305)附连电磁铁并且在另一平台(314)上附连相应的永久磁铁或电磁铁。通过改变电磁铁的电磁场，这两个平台可以相对于彼此吸引或排斥，产生两个透镜元件(303，312)之间的相对齐移。这是由两个光学装置(301，302)到彼此的邻近度启动的。这样的支撑驱动系统的其他实现方式可采用静电的、电热的、压电的和/或任何其他可行的解决方案。

为实现依据本申请的微型镜头系统的广泛部署或使用，低单位成本和/或大批量大规模生产是可取的并且必要的。在某些实施例中，MEMS致动器和透镜元件是通过类IC(IC-like)微制作工艺制作的。在一技术中，具有阿尔瓦雷斯或罗曼透镜元件的整个集成MEMS驱动的光学装置能够通过单一类IC微制作工艺被制作，类IC微制作工艺允许要从制造工艺中移除的组件进行对齐及装配。

在另一技术中，MEMS致动器及透镜元件是由具差异或截然不同的工艺分开制作的，且再最终装配构成依据本申请的实施例及本文所描述的MEMS驱动的光学装置。此技术能够更加实用，因为它能够提供透镜元件的更好的光学质量同时仍然维持在一个低成本及大批量的生产工艺。

图7为与依据本申请的实施例的阿尔瓦雷斯透镜元件相对应的自由、基本自由、大体自由或准自由表面(403)的示意图。该透镜元件根据实施例的具体情况能够是正方形/矩形(401)、圆形(402)或其他形状。图8是用于依据实施例的阿尔瓦雷斯透镜元件的制作的模具的图示。模具(405)包括所得的阿尔瓦雷斯透镜所需的自由表面。模具(405)是经由能够用于制造出精密复杂的表面的超精密金刚石车削/机械加工工艺制作的，并且对于微型化光学应用非常有用。单点金刚石车削为目前所使用的，其中金刚石尖头车床刀具用于模塑工艺的最后阶段，以实现精密表面光洁度及形状精度。铝(Aluminum)为目前模具的材料，但能够使用铜(Copper)、锌(Zinc)、银(Silver)或任何其他可加工的材料。

传统的塑料光学制造技术(例如，精密模塑工艺)，随后能够用于使用金刚石车削模具制作透镜元件。图9为依据实施例的复制透镜元件的图示。在该实施例中，可使用紫外(UV)光固化的光学粘合剂随模具使用以制作阿尔瓦雷斯透镜元件(406)，透镜元件(406)包括所需的自由表面(403)。用于创建模具的单点金刚石车削和用于制作透镜元件的精密模塑工艺的组合容许低成本大批量生产。

鉴于阿尔瓦雷斯和罗曼透镜的工作原理，将透镜元件的自由、基本自由、大体自由或准自由表面精确对齐到微致动器的运动方向对于高的或最佳光学性能是重要或关键的。考虑阿尔瓦雷斯透镜，例如，致动器的运动方向必须精准对齐于方程式(20)所描述的自由表面的x轴。未对准误差可能在透镜焦距调整过程中引起不想要的光学像差。为促进透镜元件相对于承载构件(例如，平台)和/或一组致动器(比如，被配置为与位移机件协同操作的MEMS微致动器或MEMS致动器)的对准工艺，标识横向于自由表面的厚度或厚度分布沿其变化的厚度分布变化轴(例如，z轴)的至少一个自由表面基准轴(例如，x轴和/或y轴)的一组对齐特征或定位指针能够在透镜元件的制作工艺过程中(例如，在金刚石车削工艺中)被并入该透镜元件中。对于一般为正方形/矩形的透镜元件，其外围边界或边缘的一个或多个可用于此目的。对于圆形透镜元件，诸如其圆周(404)处的标记或附加的切角之类的标识基准能够用于指示所选择的轴的方向。

基本上任何类型的MEMS致动器都可以用于使平台连同透镜元件一起侧向(例如，垂直于光轴)移动，以实现依据本申请的镜头系统的变焦和自动对焦功能。这些致动器包括但不限制于：电热致动器(例如，V-beam致动器、双压电晶片(bimorph)致动器、和伪双压电晶片(pseudo-bimorph)致动器)，静电致动器，电磁致动器及压电致动器。应当指出的是正如对本领域普通技术人员所显而易见的各种MEMS致动器及其变化都可能在本申请的精神和范围内。

图10为依据本申请的实施例的透镜位移装配的示意图，其包括悬挂式MEMS平台和梳状致动器。如图10所示，具有通孔开口(507)的刚性平台(506)由一组静电梳状驱动(501)来驱动。每一梳状驱动包括可移动类梳状(comb-like)电极(504)和固定类梳状电极(503)。可移动电极(504)被附连到刚性平台(506)，且固定电极(503)被附连到被固定到基板(509)的固定支架(502)。这两个电极藉由间隙分开。当一驱动电压被施加时，由电极(503，504)产生的静电力，使得平台(506)在平行于基板(509)的表面的平面内移动。刚性平板(506)通过挠性悬架(505)耦合到固定支架(502)。该刚性平台(506)的移动是由挠性悬架(505)的弹性变形所支持的，因而降低、最小化或消除摩擦、磨损及撕裂。对齐特征，例如，所描绘的代表性特征(508a)及(508b)也能够被合并于MEMS致动装置以促进其与阿尔瓦雷斯或罗曼透镜元件的装配工艺。

图11为依据本公开的实施例的MEMS制作工艺的示意图，其指示能够使用标准的SOI微机械加工工艺制作上面提到的梳状驱动致动器连同刚性平台的方式。该制作开始于双面抛光S01晶片。后面紧跟着深反应离子蚀刻(Deep-RIE)步骤的第一光刻技术步骤能够用于将所需的微结构(包括梳状驱动、刚性平台及挠性悬架)制作在顶端硅(Si)装置层上。之后，残留的光刻胶被移除。随后，第二光刻技术及Deep-RIE步骤依序在该S01晶片的背面(称为基板侧)被执行，以在微结构区域正下方的基板上开凿开口。通过移除光刻胶及暴露的隐埋氧化物(buried oxide)，可移动微结构能够被释出，且MEMS致动器及安装透镜元件的平台的制作就可完成。

图12a为所制作的图10的透镜位移装配的代表性图示。MEMS驱动的平台(506)穿过挠性悬架被耦合到该固定支架(502)，在此设置中挠性悬架被实现为MEMS类型的折叠梁悬架(505)。静电梳状装置(501)驱动刚性平台(506)。折叠梁悬架在大体上横向于梳状驱动致动器(501)的驱动力的方向上提供高刚度(stiffness)，同时允许在梳状驱动致动器的驱动力的方向上相对自由的移动。根据本申请，平台(506)包括用于阿尔瓦雷斯或罗曼透镜的排列的通孔开(507)。图12b为图12a的透镜位移装配的代表性图示，其中阿尔瓦雷斯透镜元件(510)被对齐并排列在刚性平台上。

图13为示出了依据本申请的实施例的装配和/或对齐工艺的各部分的示意图，其涉及MEMS静电梳状致动器及阿尔瓦雷斯或罗曼透镜元件。在一实施例中，紧随他们各自的制作工艺之后，透镜元件(601)及具有刚性平台及静电梳状驱动(603)的MEMS装配能够通过微装配工艺被协同耦合或组合，以形成作为依据本申请的实施例的可变焦镜头的一部分的MEMS驱动的光学装置。各种式样的技术，从利用UV/热固化环氧树脂到平台上的机械夹具设计，都能够被用于将透镜元件固化、安装或固定在刚性平台上。在固定透镜元件之前，其应该被精准地对齐到MEMS致动器。在微操作器或镊子的帮助下，这能够在显微镜下实现以匹配分别制作在刚性平台和透镜元件上的对齐特征，例如，图10所指示的特征(508a)和/或图7所指示的特征(404)。

也可以使用激光辅助对齐技术。例如，如图13所示，透射式衍射光栅对齐特征(608b)能够被集成在MEMS装配的一部分上，比如，MEMS致动器。当用准直的激光束(604)照射时，该光栅衍射激光并且在位于远离MEMS装置的距离处的屏幕(606)上投射点阵列(605)。光栅对齐特征(608b)在MEMS装置上的定向被设计，以使得衍射点阵列(605)的方向指示MEMS致动器的运动方向。由于透镜元件通常包含自由立方表面分布，透过透镜元件传播的激光点(607)并非圆对称的并且具有指示透镜元件(601)的定向的区别特征。因此，通过使用激光束和通过将透过透镜元件的激光点(607)的定向与屏幕上的衍射点阵列(605)的方向进行比较，能够实现所需的透镜元件的轴关于MEMS致动器的运动方向的精确或高精度对齐。

图14为依据本申请的实施例的具有两个MEMS驱动的光学装置的基于MEMS的可变焦镜头的示意图。如图14所示，通过串联排列两个已装配的MEMS驱动的光学装置(701，702)形成了可变焦镜头。在所示的实施例中，光轴(703)垂直于MEMS致动器的表面且延伸穿过可变焦镜头的中心。由MEMS致动器引起的透镜元件的相对侧向位移(704)控制和调整可变焦镜头的焦距。如图3中示意性地示出的，依据本申请，一对这样的MEMS驱动的可变焦透镜构成具有自动对焦功能的微型变焦透镜系统的关键组件。

如上所述，许多MEMS致动器包括：具有受限的传播范围的静电梳状驱动致动器。为克服此限制并且实现较大或大的焦距调整范围或变焦范围，能够利用机械性位移放大机件。下文描述了示出了依据本申请的实施例的MEMS驱动的光学装置能够通过其被配置为包括耦合到每一MEMS致动器和透镜位移设备(比如，刚性平台)的位移放大机件的方式的代表性例子。

图15为通过测试依据本申请的已制作的基于MEMS的可变焦透镜获得的实验数据的绘制图。已制作的MEMS驱动的阿尔瓦雷斯透镜元件包括可通过向梳状驱动致动器施加驱动电压而进行调整的焦距。焦距通过实验被测量并且被绘图为这两个透镜元件的中心对中心偏移值的函数。这些在图15中被示为以没有阴影的符号(750，751)。有阴影的符号(752，753)示出了理论上从所使用的自由表面分布中的预测出的焦距。MEMS驱动的阿尔瓦雷斯透镜元件的正向位移(750，752)及负向位移(751，753)被测试。可以观察到其与理论预测的良好相关性。

作为进一步的测试，印刷图标(logo)被可调整的透镜成像为置于距该透镜一固定距离处的对象。图中还提供了在三个不同焦距处记录的图像(754，756，758)。从得到的图像(754，756，758)的大小变化能够看出光学放大倍率由于MEMS驱动的阿尔瓦雷斯透镜元件的焦距的变化而改变。

图16为依据本申请的实施例的MEMS驱动的光学装置的示意图，其包括MEMS静电梳状驱动致动器、阿尔瓦雷斯或罗曼透镜元件和位移放大机件。在所示的实施例中，静电梳状驱动致动器(801)通过包括挠性梁的兼容位移放大机件(802)间接耦合到带有该透镜元件(803)的刚性平台(804)。可以在本领域中找到位移放大机件的工作原理的详情。该MEMS致动器的输出位移被该机件放大，从而使得刚性平台(804)的实际位移远大于驱动致动器本身的位移输出。从简单杠杆机件到复杂兼容放大机件的各种各样的位移放大机件都是可用的并且为文献所报导。此实施例的该微制作和装配工艺与图10中所示的不具有位移放大机件的那些是等价的、基本上等价的或类似的。

在某些示例性实施例中，依据实施例的具体情况，MEMS驱动的光学装置能够跨小于约500μm的距离内进行位移，因此MEMS驱动的可变焦透镜装配中的每一透镜元件跨(例如，相对于透镜元件中心测得的)小于约1mm的距离相对于对应的(counterpart)透镜元件进行位移。另外，在某些示例性实施例中，透镜元件的直径能够介于300μm-5mm之间，并且介于变焦透镜系统的第一或起始MEMS驱动的可变焦透镜和第二、最后或最终MEMS驱动的可变焦透镜之间的分隔距离能够小于30mm。这样的分隔距离能够通过以下方式进行测量：相对于每一透镜的中点；或介于光信号在其处入射到基于MEMS的变焦镜头系统的第一透镜的外表面和光信号通过其射出基于MEMS的变焦镜头系统的第二透镜的外表面之间。

如上所示，依据本申请的变焦镜头系统的实施例可应用到且有利于多种类型的电子装置，特别是因为这样的变焦透镜系统能够非常小(例如，微型化)、高度紧凑、轻量级且耐用。而且，依据本申请的实施例的MEMS驱动的可变焦镜头的性能不受重力和/或压力的影响，因为该镜头系统不包括任何液体可调节透镜或任何液晶系统。这是值得注意的，因为变焦透镜系统的应用可能遇到在不同的位置、高度或深度及定向使用的情况。因此，依据本申请的实施例的变焦镜头系统能够可靠地提供一致或恒定的变焦镜头性能或功能，而不管或大体上不管该变焦透镜被配置或使用的定向、位置、高度、深度和/或外部环境。另外，该基于MEMS的镜头系统能够是比较防震的(shock-proof)。此外，依据本申请的实施例的MEMS镜头系统能够快速地调焦、变焦和聚焦，例如，发生在毫秒级或毫秒级以内(例如，介于数毫秒到数百毫秒之间)。

本申请的实施例能够用于成像和/或电子装置应用中，比如，微型监控相机，内窥成像系统，以及便携式或个人电子或计算器装置(比如，个人数字助理、智能电话、平板计算机、智能手机/平板计算机组合装置、膝上型计算机、桌面计算机、计算机监视器、电视及网络相机)。

对于智能手机应用而言，智能手机的主流设计趋势为具有通常小于10mm的厚度超薄设计。在依据本申请的实施例的微型变焦镜头系统沿着光轴的总长度大于智能手机的厚度的情形下，将透镜的光轴(902)必须从垂直于智能手机的前/后表面折叠成平行于智能手机的前/后表面以便维持超薄设计是必要的。

图17为依据本申请的实施例将变焦镜头系统并入超薄设计智能手机的示意图。如图17所示，能够通过采用反射镜、棱镜或屋脊棱镜反射镜(904)实现折叠的光轴。来自对象的光线通过智能型手机(901)上的窗口(903)进入镜头系统并由反射镜(904)反射90度。在光信号被传播通过至少二个MEMS驱动的可变焦透镜(906，907)及一组其他光学元件(包括一组固定透镜(908)及一组光圈(905))之后，由图像传感器(909)采集图像或者在图像传感器(909)上产生图像。

在此镜头系统中，光圈(905)的大小能够被调整以控制进入镜头的光束的大小。光学变焦是通过组合调节两个MEMS驱动的可变焦透镜(906，907)的焦距实现的，而自动对焦是通过单独调整1^st MEMS驱动的可变焦透镜(906)完成的。两个MEMS驱动的可变焦透镜(906，907)都是通过组成的透镜元件横向或垂直于光轴(902)的相对侧向移动(910)实现焦距调整。该侧向移动是由图17中所示的MEMS致动器引起的。

如先前所述，具有固定焦距(908)的透镜能够提供额外的光焦度和/或减少光学像差。另外或可替代地，一个或多个MEMS驱动的可变焦透镜(906，907)能够包括结构和/或材料性质修改以促进像素校正，比如通过映射到或包含在可变焦透镜元件表面中的一组表面或厚度分布修改函数f_i(x，y)的方式。再者，在某些实施例中，2^nd MEMS驱动的可变焦透镜(907)及该图像传感器(909)被提供有侧向移动控制系统，用于允许沿光轴对于彼此的相对运动。在其他实施例中，2^nd MEMS驱动的可变焦透镜(907)、具有固定焦距(908)的透镜、及图像传感器(909)被提供有侧向移动控制系统，用于允许沿光轴对于彼此的相对运动。

图18为根据本申请一方面的用于提供光学变焦的过程700的流程图或流程表。在第一过程部702中，至少四个MEMS驱动的光学元件被提供，该至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都被配置为使光信号沿光信号传播路径通过于此，该至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都包括至少一个自由表面。在第一过程部704中，至少四个MEMS驱动的光学元件被定位成对的配置中，以使得第一及第二MEMS驱动的光学元件形成第一对光学元件，并且第三及第四MEMS驱动的光学元件形成第二对光学元件。在第一过程部706中，至少一个MEMS致动器被激活以在大体上横向于光信号传播路径的方向上位移至少四个MEMS驱动的光学元件中的一个或多个，以允许第一对及第二对光学元件中的其一或两者的光焦度的改变。

图19为根据本申请的实施例的光学元件对齐过程750的流程图或流程表，其中与图19相关地描述的过程部能够伴随上述与图18方法相关地描述的过程部。在第一过程部752中，至少四个MEMS驱动的光学元件系使用一组定向指示符进行对齐，其中该组定向指示符与一个或多个MEMS驱动的光学元件的一个或多个自由表面的至少一个基准轴相对应，且该至少一基准轴为横向于该自由表面的厚度分布变化轴。在第二过程部754中，由可移动的微结构装配所承载的一组对齐构件被提供。在第三过程部756中，一个或多个MEMS驱动的光学元件和可移动微结构配件通过相对于一组对齐构件对齐一组定向指示符在空间上被对齐。

图20为用于制作根据本申请的实施例的基于MEMS的镜头系统的过程800的流程图或流程表。在第一过程部802中，第一可移动微结构装配被提供或制作为集成单元。在特定的实施例中，第一过程部802涉及提供具有大致平坦的第一表面、大致平坦的第二表面、及介于第一表面及第二表面之间的厚度的平台，其中该平台被配置为承载透镜元件，以使得透镜元件的光轴大体上垂直于第一和第二表面。再者，该装配包括基准支撑构件、及耦合于平台和基准支撑构件之间的挠性悬架。挠性悬架被配置为沿横向(例如，大体上垂直)于透镜元件的光轴的方向进行弹性变形。该装配包括一位移机件，其被配置为在横向(例如，大体上垂直)于透镜元件的光轴的方向上向平台施加位移作用力。

在第二过程部804中，具有自由表面的第一透镜元件被提供；并且在第三过程部806中，自由表面相对于可移动微结构装配的对齐被建立。

本申请的特定实施例的各个方面解决了与现有变焦镜头系统、设备、装置、元件或结构相关联的至少一个方面、问题、限制和/或缺点。尽管本申请已经描述了与某些实施例相关联的特征、方面和/或优点，但是其他实施例或也可以显示出这样的特征、方面和/或优点，并且并非所有实施例都必须显现这样的特征、方面和/或优点才算落入本申请的范围内。本领域的普通技术人员将理解上面所公开的若干系统、组件、过程或其替代物可按需要组合成其他不同系统、组件、过程和/或应用。另外，本领域的普通技术人员可以在本申请的范围和精神内对所公开的各种实施例做出各种修改、变化和/或改进。例如，可以理解所公开的过程中所描述的各种操作可按不同的顺序施行，再者，可能使用附加的或更少的步骤来实行各种公开的操作。这样的修改、变化和/或改进都由所附的权利要求所涵盖。

Claims (48)

1.一种变焦镜头系统，包括：

至少一个微机电(MEMS)致动器，其被配置为位移一个或多个光学元件；

至少四个MEMS驱动的光学元件，所述至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都被配置为使光信号沿光信号传播路径通过，所述至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都包括至少一个自由表面；

所述至少四个MEMS驱动的光学元件以成对配置的方式被定位，以使得第一MEMS驱动的光学元件和第二MEMS驱动的光学元件形成第一对光学元件，并且第三MEMS驱动的光学元件和第四MEMS驱动的光学元件形成第二对光学元件，所述至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都能够在大体上横向于所述光信号传播路径的方向上进行位移，以允许所述第一对光学元件和所述第二对光学元件的一者或两者的光焦度发生改变。

2.如权利要求1所述的变焦镜头系统，其中所述至少四个MEMS驱动的光学元件被配置为提供至少约2倍的光学放大倍率。

3.如权利要求1所述的变焦镜头系统，其中所述至少四个MEMS驱动的光学元件包括：以小于约30mm的距离隔开的初始透镜元件和最终透镜元件。

4.如权利要求1所述的变焦镜头系统，其中所述至少四个MEMS驱动的光学元件被配置为向MEMS变焦镜头系统提供光学变焦及自动对焦功能中的每一项。

5.如权利要求4所述的变焦镜头系统，其中所述第一对光学元件包括：第一可变焦透镜，其被配置为作为阿尔瓦雷斯透镜和罗曼透镜之一。

6.如权利要求5所述的变焦镜头系统，其中所述第二对光学元件包括：第二可变焦透镜，其被配置为作为阿尔瓦雷斯透镜和罗曼透镜之一。

7.如权利要求6所述的变焦镜头系统，其中光学变焦功能是通过组合调节所述第一可变焦透镜的第一焦距和所述第二可变焦透镜的第二焦距来实现的。

8.如权利要求6所述的变焦镜头系统，其中自动对焦功能是通过独立于所述第二可变焦透镜调整所述第一可变焦透镜的第一焦距来实现的。

9.如权利要求4所述的变焦镜头系统，其中所述第一对光学元件和所述第二对光学元件中的一者或两者包括对应的可变焦透镜，其被配置为作为阿尔瓦雷斯透镜和罗曼透镜之一。

10.如权利要求4所述的变焦镜头系统，其中所述第一对光学元件和所述第二对光学元件中的一者或两者包括对应的可变焦透镜，且其中所述可变焦透镜包括与高于三阶的多项式相关的表面。

11.如权利要求1所述的变焦镜头系统，还包括多个MEMS挠性悬架，所述MEMS挠性悬架中的每个都耦合到所述至少四个MEMS驱动的光学元件中的MEMS驱动的光学元件，所述MEMS挠性悬架中的每个都被配置为在大体上横向于所述光信号传播路径的方向上进行弹性变形。

12.如权利要求1所述的变焦镜头系统，还包括第一位移设备，其被配置为在大体上横向于所述光信号传播路径的方向上，相对于所述第二MEMS驱动的光学元件位移所述第一MEMS驱动的光学元件，所述第一位移设备包括：

至少一个基准支撑构件；

第一平台，其被配置为承载所述第一MEMS驱动的光学元件；

第一挠性悬架，其被耦合于所述第一平台和所述至少一个基准支撑构件之间；

第二平台，其被配置为承载所述第二MEMS驱动的光学元件；以及

第二挠性悬架，其被耦合于所述第二平台和所述至少一个基准支撑构件之间，

其中所述第一挠性悬架和所述第二挠性悬架中的每个都被配置为沿大体上横向所述该光信号传播路径的方向进行弹性变形。

13.如权利要求12所述的变焦镜头系统，其中所述第一位移设备还包括：一组驱动机件，其被配置为向所述第一平台和所述第二平台中的每个施加位移作用力，所述一组驱动机件包括所述至少一个MEMS致动器。

14.如权利要求13所述的变焦镜头系统，其中所述一组驱动机件包括：所述至少一个MEMS致动器，其被耦合到至少一个位移放大机件，所述位移放大机件被配置为在大体上横向于所述光信号传播路径的方向上，相对于所述第二平台位移所述第一平台。

15.如权利要求14所述的变焦镜头系统，其中所述位移放大机件包括：第一组挠性梁，其被耦合于第一MEMS致动器和所述第一平台之间。

16.如权利要求14所述的变焦镜头系统，其中该位移放大机件还包括：第二组挠性梁，其被耦合于第二MEMS致动器和所述第二平台之间。

17.如权利要求1所述的变焦镜头系统，还包括：可变光圈，其被配置为限制传播通过所述变焦镜头系统的光的量。

18.如权利要求1所述的变焦镜头系统，还包括：一组附加光学组件，其用于提供修改光焦度和像差校正中的至少一项，所述一组附加光学组件包括：球面、非球面和自由表面中的至少一种。

19.如权利要求18所述的变焦镜头系统，其中所述一组附加光学组件大体上固定在大体上横向于所述光信号传播路径的位置上。

20.如权利要求1所述的变焦镜头系统，其中所述至少四个MEMS驱动的光学元件包括：多个大体上自由的表面，所述多个大体上自由的表面与像差校正函数f(x，y)被应用到的初始定义的阿尔瓦雷斯透镜和初始定义的罗曼透镜之一相对应。

21.如权利要求20所述的变焦镜头系统，其中所述像差校正函数f(x，y)是基于对光学元件厚度分布的修改的。

22.如权利要求1所述的变焦镜头系统，其中所述至少四个MEMS驱动的光学元件中的一个或多个包括：一组定向指示符，其用于允许所述至少四个MEMS驱动的光学元件中的一个或多个在所述变焦镜头系统内的对齐。

23.一种提供光学变焦的方法，包括：

提供至少四个微机电(MEMS)驱动的光学元件，所述至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都被配置为使光信号沿光信号传播路径通过，所述至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都包括至少一个自由表面；以及

以成对配置的方式对所述至少四个MEMS驱动的光学元件进行定位，以使得第一MEMS驱动的光学元件和第二MEMS驱动的光学元件形成第一对光学元件，并且第三MEMS驱动的光学元件和第四MEMS驱动的光学元件形成第二对光学元件，其中

激活至少一个MEMS致动器，所述至少一个MEMS致动器使所述至少四个MEMS驱动的光学元件中的一个和多个在大体上横向于所述光信号传播路径的方向上进行位移，以允许所述第一对光学元件和所述第二对光学元件中的一者或两者的光焦度发生改变。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述第一对光学元件包括第一可变焦透镜并且所述第二对光学元件包括第二可变焦透镜，并且第一透镜元件相对于第二透镜元件进行位移，改变了所述第一可变焦透镜的第一焦距。

25.如权利要求24所述的方法，还包括：通过在保持所述第二可变焦透镜的第二焦距恒定的同时改变所述第一焦距来提供自动对焦功能。

26.如权利要求24所述的方法，包括：通过组合调节所述第一可变焦透镜的所述第一焦距和所述第二可变焦透镜的第二焦距来提供光学变焦功能。

27.如权利要求23所述的方法，还包括：利用位移放大机件放大所述MEMS致动器的致动操作。

28.如权利要求23所述的方法，进一步在所述光信号传播路径中放置附加光学元件，以降低光学像差或修改光焦度。

29.如权利要求23所述的方法，还包括：使用可变光圈限制传播通过所述MEMS变焦镜头系统的光的量。

30.如权利要求23所述的方法，还包括：使用一组定向指示符对齐所述至少四个MEMS驱动的光学元件，其中所述一组定向指示符与所述MEMS驱动的光学元件中的一个或多个的所述自由表面的至少一个基准轴相对应，所述至少一个基准轴横向于所述自由表面的厚度分布变化轴，且所述对齐包括：

提供由可移动微结构装配所承载的一组对齐构件，以及

通过相对于所述一组对齐构件对齐所述一组定向指示符，在空间上对齐所述MEMS驱动的光学元件中的一个或多个和所述可移动微结构装配。

31.一种制造基于MEMS的变焦镜头系统的方法，包括：

制作第一可移动微结构装配作为集成单元，所述第一可移动微结构装配包括：

平台，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间的厚度，所述平台被配置为承载透镜元件，以使得所述透镜元件的光轴大体上垂直于所述第一表面和所述第二表面；

基准支撑构件；

挠性悬架，其耦合于所述平台和所述基准支撑构件之间，所述挠性悬架被配置为沿横向于所述透镜元件的所述光轴的方向进行弹性变形；以及

位移机件，其被配置为在横向于所述透镜元件的所述该光轴的方向上，向所述平台施加位移作用力；

提供具有自由表面的第一透镜元件；以及

建立所述自由表面相对于所述可移动微结构装配的对齐。

32.如权利要求31所述的方法，其中所述位移机件包括微致动器。

33.如权利要求31所述的方法，其中所述位移机件包括耦合到位移放大机件的微致动器。

34.如权利要求31所述的方法，其中所述第一可移动微结构装配是通过SOI微机械加工工艺的方式制作而成的。

35.如权利要求31所述的方法，其中所述第一可移动微结构装配和所述第一透镜元件被总地装配为集成单元。

36.如权利要求31所述的方法，其中所述第一透镜元件包括与所述自由表面的至少一个基准轴相对应的一组定向指示符，所述至少一个基准轴横向于所述自由表面的厚度分布变化轴，所述方法还包括：

提供由所述可移动微结构装配所承载的一组对齐构件；以及

通过相对于所述一组对齐构件对齐所述一组定向指示符，在空间上对齐所述第一透镜元件和所述可移动微结构装配。

37.如权利要求36所述的方法，其中所述一组对齐构件包括衍射光栅。

38.如权利要求31所述的方法，还包括：通过使(a)带有已对齐的所述具有自由表面的第一透镜元件的所述第一可移动微结构装配与(b)带有已对齐的具有自由表面的第二透镜元件的第二可移动微结构装配相配对来装配一组可变焦透镜。

39.如权利要求38所述的方法，其中所述第一透镜元件的所述自由表面与所述第二透镜元件的所述自由表面相对应。

40.如权利要求31所述的方法，还包括：利用复制模塑工艺制作具有自由表面的透镜元件。

41.如权利要求40所述的方法，其中所述复制模塑工艺包括：使用具有所需的自由表面的主模具，所述主模具是通过单点金刚石切削技术制作而成的。

42.如权利要求40所述的方法，其中所述透镜元件由紫外光可固化的光学粘合剂构成。

43.一种电子成像装置，包括：

光学窗口，其具有横向于光轴的横截面，并且被配置为允许光信号沿所述光轴传播到所述电子装置；

微机电(MEMS)变焦镜头系统，其被配置为接收沿所述光轴传播通过所述光学窗口的光信号，所述MEMS变焦镜头系统包括：至少四个MEMS驱动的光学元件，所述至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都包括至少一个自由表面，所述至少四个MEMS驱动的光学元件以成对配置的方式被定位，以使得第一MEMS驱动的光学元件和第二MEMS驱动的光学元件形成第一对光学元件，并且第三MEMS驱动的光学元件和第四MEMS驱动的光学元件形成第二对光学元件，所述至少四个MEMS驱动的光学元件中的每个都能够在大体上横向于所述光信号传播路径的方向上进行位移，以允许所述第一对光学元件和所述第二对光学元件的一者或两者的光焦度发生改变；以及

图像传感器，其被配置为接收沿所述光轴传播通过所述MEMS变焦镜头系统的光信号。

44.如权利要求43所述的电子成像装置，其中所述电子成像装置为下述各项中的任何一项：个人数字助理、移动电话、平板计算机、移动电话-平板计算机组合装置、膝上型计算机、桌面计算机、计算机监视器、电视、网络相机、微型监控相机、和内窥镜。

45.如权利要求43所述的电子成像装置，其中所述光轴包括第一光轴段和第二光轴段，所述第二光轴段与所述第一光轴段不相平行。

46.如权利要求45所述的电子成像装置，其中所述第一光轴段和所述第二光轴段大体上相互垂直。

47.如权利要求43所述的电子成像装置，其中所述MEMS变焦镜头系统的功能基本上不受重力、大气压力、和所述MEMS变焦镜头系统的物理性移动影响。

48.如权利要求43所述的电子成像装置，其中所述第一对光学元件和所述第二对光学元件以及所述图像传感器的中至少一者被配置为允许沿所述光轴相对于彼此的相对运动。