201106009 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種光學系統，尤指一種光學變焦系統 及方法。 【先前技術】 變焦係指光學系統的等效焦距於一最短與最長焦距間 作調整。透過等效焦距的變化…文變景深及成像倍率。 舉凡照相機、望遠鏡、投影機等光學裝置，多配設有光學 變焦系統，以擷取不同距離的景象，或調整投射畫面倍率。 光學成像路徑是由透鏡或反射鏡等光學元件所構成， 一般可藉由改變光學元件曲率、改變光學元件折射率，以 及移動光學元件等三帛方式來調整系统的等效焦距。其中 又以光學元件移動變焦最為普及，可分為光學補償式變焦 與機械補償式變焦兩種型態。 光學補償式變焦系統為早期所提出的變焦技術。請參 閱第一圖，該圖係為一習知技術之光學補償式變焦系統之 配置架構示意圖。如圖所示，光學補償式變焦系統1〇包括 複數個沿光轴X配置之透鏡m、112、n3、id、Η]， 其中透鏡111、112、113固設於光轴χ，而透鏡121、m 可共同沿光軸X移動，並與固設之透鏡m、112、ιΐ3間 隔排列。透過帶動透鏡121、122沿同一方向移動相同距 離，便可改變光學補償式變焦系統1〇的等效焦距。 201106009 ^而’光學補償式變焦系統l 〇在變焦過程中，其物像 共軛距離將一併改變，而導致成像面位置偏移，致使成像 品質不佳。機械補償式變焦系統則可提供較佳之成像品 質。請參閱第二圖，該圖係為一習知技術之機械補償式變 焦系統之配置架構暨作動示意圖。如圖所示，機械補償式 變焦系統20包括有複數個沿光轴X配置之透鏡2 11、2 12、
213，其中透鏡211係固設於光軸X，而透鏡212、213則 可個別沿光轴X移動。 機械補償式變焦系統20中，係經由調整透鏡212的位 置來改變系統的等效焦距，但在改變透鏡2 12位置時，必 頁同時調整透鏡213的位置，以補償物像共輛距離之變 異，控制系統成像維持在同一位置。變焦過程中，透鏡212、 213具有個別之移動方向與位移。如第二圖中，機械補償 式變焦系.统20從短焦變化為中焦、長焦之過程中，透鏡 hi係維持於位置Α1;透鏡212則沿光軸乂，線性地由位 置扪位移至位置Β2與位置Β3 ;而透鏡213則沿光軸χ， 由位置⑴立移至位與位SC3,其移動軌跡為非線性。 實務设計中，光學補償式變焦系統僅需將預設位移的 透鏡組合連結，並控制這些透鏡進行線性移動；而機械補 償式變焦系統則需藉由凸輪機構，使移動的透鏡同時沿個 別之預定軌跡行進。由於凸 式變焦系統已為目前光學變 輪加工精度的提高，機械補償 焦的主流型態。然而，複雜的 201106009 凸輪機構對光學裝置的小型化趨勢而言，已形成設計上的 負擔。 本案發明人有鑒於此，從而提出本案，以改善現有機 械補償式變焦系統的複雜架構，並維持良好的成像品質。 【發明内容】
因此，本發明之目的係在於提供一種光學變焦系統及 方法，其藉由控制可調變光學元件改變光學特性，來修正 系統焦距變化所造成之成像位置變異，係可簡化光學變焦 系統之機械架構，並維持良好的成像品質。 本發明係揭示一種光學變焦系統，包括一光學機構模 ^ 固定透鏡組、-移動透鏡組以及__控制模組。光學 機構模組上係疋義有—光軸，並具有—可沿該光轴移動之 帶動機構。固定透鏡組包括至少一透鏡與一可調變光學元 件’沿光軸固設於光學機構模組。移動透鏡組包括至少二 透鏡，沿光轴固設於帶動機構，移動透鏡組之各個透鏡並 與固定透鏡組之透鏡及可調變光學元件間隔排列。控制模 系根據變焦*曰令，控制帶動機構沿光抽移動，以連帶 Μ移動透鏡組之透鏡的位置’並控制可調變光學元件的 光學特性。 於一具體實施例， 透鏡，並具有一曲面， 的光學特性，係為此曲 所述之可調變光學元件係為一液態 控制模組所控制之可調變光學元件 面之曲率。 201106009 本發明另揭示一種光學變焦系統’包括一光學機構模 組、一固定透鏡組、一移動透鏡組以及一控制模組。光風 機構模組上係定義有-光軸’並具有一可沿該光轴移動： 帶動機構。固定透鏡組包括至少二透鏡，沿光轴固設於光 學機構模組。移動透鏡組包括至少一透鏡與一可調變光風 元件，沿光轴固設於帶動機構，移動透鏡組之透鏡及可: •變光學元件並與固定透鏡組之透鏡間隔排列。控制模組係 根據一變焦指令，控制帶動機構沿光軸移動’以連帶改變 移動透鏡Μ之透鏡盘可嘴鐵止- 逐U調變先學疋件的位1，並控制可調 變光學元件的光學特性。 、於具體實施例，所述之可調變光學元件係為一液態 透鏡並具有—曲面，控制模組所控制之可調變光學元件 的光學特性’係為此曲面之曲率。 • 纟發明再揭示一種光學變焦方法，係適用於-光學變 焦系統，此光學變隹έ Μ A , 變“，、系統包括沿一光軸配置之一固定透鏡 組、一移動透鏡組以及一 了調變先學疋件，固定透鏡組、 移動透鏡組及可锢鐵土傲 變先予疋件的排列係形成至少三可變間 距。所述之光學轡 “’、 法包括的步驟係首先，接受一變焦 指令；其次，根攄變隹 琢變焦指令，取得一倍率改變值以及一補 償調變值，最後，根據 爆倍率改變值’產生一驅動訊號驅動 一帶動機構沿光轴# t π袖移動’以改變移動透鏡組於光轴上之位 置，連帶改變可變簡 變門距的長度；以及，根據補償調變值， 201106009 產生一調變訊號控制可調變光學元件改變光學特性。 於了具體實施例，所述之可調變光學元件係為一液態 透鏡，並具有一曲面，控制模組所控制之可 的光學特性，係為此曲面之曲率。 光予疋件 於一具體實施例，固定透鏡組包括至少一透鏡以及所 :之可調變光學元件’移動透鏡組包括至少二透鏡，移動 、3鏡組之透鏡係與固定透鏡組之透鏡及可調變光學元件間 隔排列，以形成該等可變間距。 於另一具體實施例’固定透鏡組包括至少—透鏡，移 ^透鏡組包括至少—透鏡以及所述之可調變光學元件，固 〜透鏡、.且之透鏡係與移動透鏡組之透鏡及可調變光學元件 間隔排列，以形成該等可變間距。 子 〜疋以’本發明所揭示之光學變焦系統及方法，係將固 疋透鏡組之透鏡與移動透鏡組之透鏡間隔排列，控制移動 透鏡組共同沿光軸移動，以改變系統等效焦距，並藉由押 :可調變光學元件改變光學特性，來修正系—： 、'之成像位置變異。如此—來’將可簡化光學變焦系統 之機械架構，並維持良好的成像品質。 Μ上之概述與接下來的詳細說明及附圖皆是為了能 進步說明本發明為達成預定目的所採取之方式、手段及 功政。而有關本發明的其他目的及優點’ m續的說明 及圖式中加以闡述。 201106009 【實施方式】 本發月係提出-種光學變焦系統及方法，可應用於投 々機照相機、望退鏡等光學裝置中，利用透鏡移動來改 變系統成像之等效焦距。為了簡化現有機械補償式變焦因 凸輪機構所形成的複雜架構，本案係採用光學補償式變焦 架構’並以可調變光學元件來補償因焦距倍率變化所帶來 的物像共_離變異，使得系統成像位⑽持在預定成像 面上，使系統維持良好的成像品質。 首先，請參閱第三圖，該圖係為本發明所揭示之光學 ，焦系統之系統架構示意圖。如圖所示，光學變焦系統 是由一控制模組31與-光學機構模組32共同組成。控制 模組31包括-控制器31〇、—輸入單元3ιι、 一 動早 312以及一調變單元313。光學機構模組Μ則包括一帶動 機構320、-固定透鏡多且321、一移動透鏡植322以及一可 調變光學元件323。 光學機構模組32是由光學元件與相關輔助機構共同 組成’其機能為沿一光軸操取影像至—預定成像面上，並 接受控制模組31的控制，而改變系統等效焦距。光學機構 模組32通常具有—本體（圖中未示），作為框架以:設各 個部件。帶動機構32G係固設於光學機構模纟且&的本體 ^並㈣於控制模組31，以接受其控制，沿光輪於一限 定範圍内作位移，以改變系統焦距。 201106009 固疋透鏡組321是由透鏡組成，沿光轴固設於本體 上移動透鏡組322是由透鏡組成，沿光轴固設於帶動機 構320上，以隨同帶動機構32〇的位移而改變在光轴上的 置而固疋透鏡組321與移動透鏡組322個別具有之透 鏡的曲率與厚度，可根據實務所進行之光學設計而訂定。 可調變光學元件323係為一電子控制式光學元件，可 φ左由預疋之控制方式，例如：調整外部所施加的電壓值、 電流值等方式，來改變其光學特性。於一具體實施例可 調變光學it件323係為—液態透鏡，内部具有—曲面結 構，而透過控制模組31施以不同的電壓值或電流值，即可 改變曲面的曲率’以配合調整系統等效焦距。液態透鏡係 為一現有技術，並具多種設計及控制模式，因此在此便不 再 贅述。 . T調變光學元件323可根據實務需求，設於固定透鏡 舨321，或設於移動透鏡組322。當可調變光學元件隸 屬於固定透鏡組321時，係、固設於本體上，在系統中維持 同—位置；當可調變光學元件323隸屬於移動透鏡組322 時，係固設於帶動機構320上，與移動透鏡組322之透鏡 —同隨其帶動沿光軸位移。 於一具體實施例，固定透鏡組321是由至少一透鏡與 可調變光學元件323共同構成，而移動透鏡組322則包含 至少二透鏡。固定透鏡組321與移動透鏡組322係依循光 201106009 學補償式變焦架構之設計模式作配置 4=； 、妥 固疋透鏡*且3 21 > 母一透鏡及可調變光學元件323係 、. 一透镑仫％ 砂勃透鏡組322之每 透鏡係沿光軸間隔排列，並共同 ^ „ 取主；二個可變間距。 ;另一具體實施例， 心边鏡組321包含至少二透 鏡’而移動透鏡322則是由至少 一 u ^ 处規興可調變光學元件 ，、同構成。移動透鏡組322之 一 可边鏡及可調變光學 兀件323係與固定透鏡組321
、 ^ 边鏡沿光軸間隔排 列’並共同形成至少三個可變間距。 按，光學補償式變焦系統中，移動 ^ Τ移動透鏡與固定透鏡係 沿光軸間隔排列，”接之移動透鏡與固定透鏡之間則共 同形成—可㈣距。光學補償式變焦系統在變焦過程中， 成像位置會隨同變異，無法固^在預期成像平面上。然而， 在成像位置改變過程中’會有—或數個焦距恰Μ在預期 成像平面上。而此恰成像於預期成像φ之焦距數量正為可 變間距的數量。請參閱第四圖，該圖係為一光學補償式變 焦系統之成像位置示意圖，藉以說明上述可變間距與成像 位置變化的關係。 第四圖中’一光學補償式變焦系統8〇包括四透鏡 811、812、821、822,其中透鏡81】、812為固定透鏡，而 透鏡821、822為移動透鏡，固定透鏡與移動透鏡的排列形 成三個可變間距83 1 ' 832、833，可變間距83〗、832、833 的長度係隨透鏡82卜822位移而變化。圖係顯示透鏡821、 201106009 822移動過程中，成像位置也隨同變化，而形成一成像變 動軌跡J。由於此系統具有三個可變間距83丨、832、833， 因此成像變動執跡j與預定成像位置〇有三個交點，也代 表著在透鏡82 1、822位移過程中，有三個位置讓系統焦距 恰落於預期成像面。
由於可調變光學元件323對系統焦距之修正範圍有 限，而於系統包含三個或三個以上可變間距的情形下，可 使得可調變光學元件323確實達到修正成像位置之機能。 控制模組31中，控制器310為一邏輯處理核心，内部 設有處理器、記憶體等元件，根據内部儲存的韌體，以預 定之程式邏輯運作。簡單來說，控制器31〇可接受外部控 制，進而根據控制指令來產生訊號，控制周邊各個單元的 運作。輸入單1 311為-輸入介面，可接受外部控制，產 生變焦指令傳送至控制器3 1 〇。 驅動單元312係麵接於控制胃31〇與帶動機構32〇 間，用以驅動帶動機構320帶動移動透鏡組322沿光軸 動。於一具體實施例 帶動機構320 是由一可沿螺桿移動 的座體’且固設有移動透鏡組322，而 一馬達’以間接或直接帶動螺桿旋動， 桿移動’連帶讓移動透鏡組320之每一 驅動單元312包括 進而帶動座體沿螺 元件進行位移。 調變單元3 13係麵接於控制器 31〇與可調變元件323 12 201106009 之間其根據控制H 3 1 0的控制，改變施加於可調變光學 元件323之電壓值或電流值，以控制改變其光學特性。 光學變焦系統30中，係經由改變移動透鏡組322的位 置，來達成變焦功能。並在焦距改變同時，藉著控制可調 變光學το件323改變光學特性，來補償成像位置的變異。 一般而5，控制器31〇係預先建立有焦距倍率值與對應之 移動透鏡組322的位移值。控制器3丨〇於接收到外部變焦 指令時，根據要求的焦距倍率值，參照移動透鏡組322初 始位置，產生一倍率改變值，並進而產生驅動訊號，控制 驅動單7L 312驅動帶動機構320，將移動透鏡組322由初 始位置帶動至此焦距倍率值所對應之位置。 另外’隨著移動透鏡組322位移至各個不同位置，係 對應一最佳之可調變光學元件323的曲面曲率。於一具體 實施例，控制器310係儲存有一查找表，此查找表係預先 建立有每一焦距倍率值個別所對應之補償調變值，控制器 310係搜哥查找表’取得焦距倍率值所對應之補償調變值， 來產生調變訊號，控制可調變光學元件323改變光學特性。 接著’請參閱第五圖，該圖係為本發明所揭示之光學 變焦系統之第一實施例之配置架構示意圖。此實施例中， 光學變焦系統4 0包括沿光轴X排列之三透鏡4 4 1、4 3 1、 442 ’以及一可調變光學元件45。此實例中透鏡43丨與 可調變光學元件45係隸屬固定透鏡組’而透鏡441、442 13 .. 201106009 則隸屬移動透鏡組。移動透鏡組之每一光學元件與固定透 鏡組之每一光學元件係間隔排列’並形成三個可變間距 461、462、463。變焦過程中，控制模組41藉驅動帶動機 構42帶動透鏡441、442改變位置，以改變系統等效焦距， 並同時控制可調變光學元件4 5改變光學特性，以補償焦距 變化所造成的成像位置變異。 明參閱第六圖，該圖係為本發明所揭示之光學變焦系 統之第二實施例之配置架構示意圖。此實施例中，光學變 焦系統50包括沿光軸X排列之四透鏡53 j、532、、542 以及一可調變光學元件55。此實例中，透鏡531、532與 可調變光學元件55係隸屬固定透鏡組，而透鏡541、542 則隸屬移動透鏡組。移動透鏡組之每一光學元件係與固定 透鏡組之每一光學元件間隔排列，並形成四個可變間距 561、562、563、564。變焦過程中，係由控制模組51驅動 帶動機構52帶動透鏡541、542改變位置，並同時控制可 調變光學元件5 5改變光學特性。 特別再次說明的是，於其他實施例，可調變光學元件 亦可設於移動透鏡組内，隨同移動透鏡組之透鏡，由帶動 機構帶動沿光轴X位移。 以下係說明本案之光學變焦方法。請參閱第七圖，該 圖係為本發明所揭示之光學變焦方法之步驟流程圖。請同 時參閱第二圖及相關圖式說明，卩配合參照其中之系統架 201106009 構與各個元件特徵。如第七圖所示，所述之光學變焦方法 包括下列步驟： 首先，控制器310自輸入單元311接收一變焦指令（步 驟 S100); 其次’控制器3 1 0根據變焦指令，取得一倍率改變值 以及一補償調變值（步驟S102); 隨後’控制器3 1 0根據倍率改變值，產生一驅動訊號， 經由驅動單元312驅動帶動機構32〇沿光軸移動，以帶動 改變移動透鏡組322於光軸上之位置（步驟S1 10 ); 以及，控制器310根據補償調變值，產生一調變訊號， 經由調變單元3 1 3控制可調變光學元件323改變光學特性 (步驟 S120)。 其中於步驟S1 02，更包括下列步驟： 首先，控制器310轉換接收之變焦指令為一焦距倍率 值； 隨後，控制器310根據焦距倍率值，搜尋查找表，以 取知·此焦距倍率值所對應之補償調變值； 以及一對應於移動 以取得該倍率改變 以及’控制器310根據焦距倍率值 透鏡組322之透鏡位置之初始倍率值， 值。 於一具體實施例，所述之可調 _ 變九干疋件323係為- 液態透鏡，内部具有一曲面結構， 再共T於步騾S120中，τ 15 201106009 調變光學元件323所改變之光學特性係.為該曲面的曲率。 藉由以上實例詳述，當可知悉本發明所揭示之光學變 焦系統及方法，係採用光學補償式變焦架構冑固定透鏡 組之透鏡與移動透鏡組之透鏡間隔排列，控制移動透鏡組 共同沿光轴移動，以改變系統等效焦距，並藉由同時控制 可調變光學元件改變光學特性，來補償系統焦距變化所造 成之成像位置變異。本案之光學變焦架構係簡化了機械補 償式光學變焦架構，並同時維持良好的成像品質。 惟，以上所述，僅為本發明的具體實施例之詳細說明 及圖式而6 ’並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應 以下述之申請專利範圍為$，任何熟悉該項技藝者在本發 明之領域内’可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本 案所界定之專利範圍。
16 201106009 [ 圖 式簡 單說明】 1 第 一 圖 係 為 一習 知 技 置 架構不 意 圖 第 二 圖 係 為 一習 知 技 置 架 構暨 作 動 第 二 圖 係 為 本發 明 所 構 示 意圖 ， 第 四 圖 係 為 一光 學 補 圖 ， 第 五 圖 係 為 本發 明 所 施 例 之配 置 架 第 六 圖 係 為 本發 明 所 施例 之配 置 架 第 七 圖 係 為 本發 明 所 程 圖 〇 【主要元件符號說明】 10、80 111 、 112 、 113 、 121 、 122 442 ' 531、532、541 ' 542 20 30 、 40 、 50 術之光學補償式變焦系統之配 » 術之機械補償式變焦系統之配 示意圖； 揭示之光學變焦系統之系統架 償式變焦系統之成像位置示意 揭示之光學變焦系統之第一實 構示意圖； 揭示之光學變焦系統之第二實 構示意圖；以及 揭示之光學變焦方法之步驟流 光學補償式變焦系統 、211 、 212 、 213 、 431 、 441 、 、811 、 812 、 821 、 822 透鏡 機械補償式變焦系統 光學變焦系統 17. 201106009 31 ' 41、 51 控 制模 組 310 控 制器 311 m 入單 元 312 驅 動單 元 313 調 變單 元 32 光 學機 構模組 320 、42、 52 帶 動機 構 321 固 定透 鏡組 322 移動透 鏡組 323 、45、 55 可調變 光學元件 461 ' 462 、463 、 561 、 562 、 563 、 564 、831 、832 ' 833 可 變間 距 A1、 B1、 B2、B3、Cl、C2、C3 位 置 j ο
x S100〜S120 成像變動軌跡 預定成像位置 光轴 各個步驟流程 18