专利摘要

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。

权利要求

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。

说明书

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(optical power)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(Cambridge University 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=hiho=u1u2′---(7)]]>

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：

(1-dφ2)(1-lφ1)=u1u2′=M---(10)]]>

将(1)、(5)、及(6)插入到(2)：

-du′₂＝lu₁+(1-lφ₁)tu₁    (11)

重新整理(11)：

-dl+t-ltφ1=u1u2′=M---(12)]]>

解算(12)以得φ₁：

φ1=1f1=l+t+(d/M)lt---(13)]]>

将(13)插入到(10)并解算得φ₂：

φ2=1f2=d+t+lMdt---(14)]]>

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=-f0l---(15)]]>

(15)插入到(13)及(14)中：

φ1=1f1=1l+1t-df0t---(16)]]>

φ2=1f2=1d+1t-f0dt---(17)]]>

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：

f1=t+tdf0-d=tf0f0-d---(18)]]>

f4=-tdf0-d=t-tf0f0-d---(19)]]>

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：

t1=A(xy2+13x3)+Dx+E---(20)]]>

t2=-A(xy2+13x3)-Dx+E---(21)]]>

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=t1(x-δ)+t2(x+δ)=-2Aδ(x2+y2)-23Aδ3-2Dδ+2E---(22)]]>

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：

t1=A(13y3+13x3)+D(x+y)+E---(24)]]>

t2=-A(13y3+13x3)-D(x+y)+E---(25)]]>

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：

t=t1(x-δx,y-δy)+t2(x+δx,y+δy)=-2A(δxx2+δyy2)-23A(δx3+δy3)-2D(δx+δy)+2E---(26)]]>

假设这两个位移是相等的，即δ_x＝δ_y＝δ，则厚度t变为：

t=-2Aδ(x2+y2)-43Aδ3-4Dδ+2E---(27)]]>

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(optical zooming))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：

t1=A(xy2+13x3)+Dx+f(x,y)+E---(28)]]>

t2=-A(xy2+13x3)-Dx-f(x,y)+E---(29)]]>

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=t1(x-δ)+t2(x+δ)=-2Aδ(x2+y2)+(-23Aδ3-2Dδ+2E)+f(x-δ,y)-f(x+δ,y)---(30)]]>

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)≈-2δ(∂f∂x)---(32)]]>

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

基于MEMS的变焦镜头系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。