TWI398667B - 光學變焦系統及方法 - Google Patents

Description

光學變焦系統及方法

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。

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，可改變景深及成像倍率。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種方式來調整系統的等效焦距。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10包括複數個沿光軸X配置之透鏡111、112、113、121、122，其中透鏡111、112、113固設於光軸X，而透鏡121、122可共同沿光軸X移動，並與固設之透鏡111、112、113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10的等效焦距。

然而，光學補償式變焦系統10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包括有複數個沿光軸X配置之透鏡211、212、213，其中透鏡211係固設於光軸X，而透鏡212、213則可個別沿光軸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212位置時，必須同時調整透鏡213的位置，以補償物像共軛距離之變異，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，機械補償式變焦系統20從短焦變化為中焦、長焦之過程中，透鏡211係維持於位置A1；透鏡212則沿光軸X，線性地由位置B1位移至位置B2與位置B3；而透鏡213則沿光軸X，由位置C1位移至位置C2與位置C3，其移動軌跡為非線性。

實務設計中，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。由於凸輪加工精度的提高，機械補償式變焦系統已為目前光學變焦的主流型態。然而，複雜的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。

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，包括一光學機構模組、一固定透鏡組、一移動透鏡組以及一控制模組。光學機構模組上係定義有一光軸，並具有一可沿該光軸移動之帶動機構。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，沿光軸固設於帶動機構，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，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調變光學元件的光學特性，係為此曲面之曲率。

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。光學機構模組上係定義有一光軸，並具有一可沿該光軸移動之帶動機構。固定透鏡組包括至少二透鏡，沿光軸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學元件，沿光軸固設於帶動機構，移動透鏡組之透鏡及可調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組之透鏡與可調變光學元件的位置，並控制可調變光學元件的光學特性。

於一具體實施例，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調變光學元件的光學特性，係為此曲面之曲率。

本發明再揭示一種光學變焦方法，係適用於一光學變焦系統，此光學變焦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可調變光學元件，固定透鏡組、移動透鏡組及可調變光學元件的排列係形成至少三可變間距。所述之光學變焦方法包括的步驟係首先，接受一變焦指令；其次，根據變焦指令，取得一倍率改變值以及一補償調變值；最後，根據倍率改變值，產生一驅動訊號驅動一帶動機構沿光軸移動，以改變移動透鏡組於光軸上之位置，連帶改變可變間距的長度；以及，根據補償調變值，產生一調變訊號控制可調變光學元件改變光學特性。

於一具體實施例，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調變光學元件的光學特性，係為此曲面之曲率。

於一具體實施例，固定透鏡組包括至少一透鏡以及所述之可調變光學元件，移動透鏡組包括至少二透鏡，移動透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一透鏡，移動透鏡組包括至少一透鏡以及所述之可調變光學元件，固定透鏡組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。

是以，本發明所揭示之光學變焦系統及方法，係將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軸移動，以改變系統等效焦距，並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。如此一來，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。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明為達成預定目的所採取之方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

本發明係提出一種光學變焦系統及方法，可應用於投影機、照相機、望遠鏡等光學裝置中，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軛距離變異，使得系統成像位置維持在預定成像面上，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變焦系統之系統架構示意圖。如圖所示，光學變焦系統30是由一控制模組31與一光學機構模組32共同組成。控制模組31包括一控制器310、一輸入單元311、一驅動單元312以及一調變單元313。光學機構模組32則包括一帶動機構320、一固定透鏡組321、一移動透鏡組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，其機能為沿一光軸擷取影像至一預定成像面上，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通常具有一本體(圖中未示)，作為框架以固設各個部件。帶動機構320係固設於光學機構模組32的本體上，並耦接於控制模組31，以接受其控制，沿光軸於一限定範圍內作位移，以改變系統焦距。

固定透鏡組321是由透鏡組成，沿光軸固設於本體上。移動透鏡組322是由透鏡組成，沿光軸固設於帶動機構320上，以隨同帶動機構320的位移而改變在光軸上的位置。而固定透鏡組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，可經由預定之控制方式，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，可調變光學元件323係為一液態透鏡，內部具有一曲面結構，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，因此在此便不再一一贅述。

可調變光學元件323可根據實務需求，設於固定透鏡組321，或設於移動透鏡組322。當可調變光學元件323隸屬於固定透鏡組321時，係固設於本體上，在系統中維持同一位置；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之透鏡一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係依循光學補償式變焦架構之設計模式作配置，固定透鏡組321之每一透鏡及可調變光學元件323係與移動透鏡組322之每一透鏡係沿光軸間隔排列，並共同形成至少三個可變間距。

於另一具體實施例，固定透鏡組321包含至少二透鏡，而移動透鏡322則是由至少一透鏡與可調變光學元件323共同構成。移動透鏡組322之每一透鏡及可調變光學元件323係與固定透鏡組321之每一透鏡沿光軸間隔排列，並共同形成至少三個可變間距。

按，光學補償式變焦系統中，移動透鏡與固定透鏡係沿光軸間隔排列，而鄰接之移動透鏡與固定透鏡之間則共同形成一可變間距。光學補償式變焦系統在變焦過程中，成像位置會隨同變異，無法固定在預期成像平面上。然而，在成像位置改變過程中，會有一或數個焦距恰好落在預期成像平面上。而此恰成像於預期成像面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80包括四透鏡811、812、821、822，其中透鏡811、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831、832、833，可變間距831、832、833的長度係隨透鏡821、822位移而變化。圖係顯示透鏡821、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831、832、833，因此成像變動軌跡J與預定成像位置O有三個交點，也代表著在透鏡821、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，內部設有處理器、記憶體等元件，根據內部儲存的韌體，以預定之程式邏輯運作。簡單來說，控制器310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。輸入單元311為一輸入介面，可接受外部控制，產生變焦指令傳送至控制器310。

驅動單元312係耦接於控制器310與帶動機構320之間，用以驅動帶動機構320帶動移動透鏡組322沿光軸移動。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，而驅動單元312包括一馬達，以間接或直接帶動螺桿旋動，進而帶動座體沿螺桿移動，連帶讓移動透鏡組320之每一元件進行位移。

調變單元313係耦接於控制器310與可調變元件323之間，其根據控制器310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元件323改變光學特性，來補償成像位置的變異。一般而言，控制器310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310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，控制驅動單元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係搜尋查找表，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40包括沿光軸X排列之三透鏡441、431、442，以及一可調變光學元件45。此實例中，透鏡431與可調變光學元件45係隸屬固定透鏡組，而透鏡441、442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45改變光學特性，以補償焦距變化所造成的成像位置變異。

請參閱第六圖，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531、532、541、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55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內，隨同移動透鏡組之透鏡，由帶動機構帶動沿光軸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。請同時參閱第三圖及相關圖式說明，以配合參照其中之系統架構與各個元件特徵。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310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310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320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S110)；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313控制可調變光學元件323改變光學特性(步驟S120)。

其中於步驟S102，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，以取得此焦距倍率值所對應之補償調變值；以及，控制器310根據焦距倍率值以及一對應於移動透鏡組322之透鏡位置之初始倍率值，以取得該倍率改變值。

於一具體實施例，所述之可調變光學元件323係為一液態透鏡，內部具有一曲面結構，其中於步驟S120中，可調變光學元件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，將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軸移動，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已，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準，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，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。

10、80．．．光學補償式變焦系統

111、112、113、121、122、211、212、213、431、441、442、531、532、541、542、811、812、821、822．．．透鏡

20．．．機械補償式變焦系統

30、40、50．．．光學變焦系統

31、41、51．．．控制模組

310．．．控制器

311．．．輸入單元

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、C1、C2、C3．．．位置

J．．．成像變動軌跡

O．．．預定成像位置

X．．．光軸

S100～S120．．．各個步驟流程

第一圖　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；

第二圖　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；

第三圖　係為本發明所揭示之光學變焦系統之系統架構示意圖；

第四圖　係為一光學補償式變焦系統之成像位置示意圖；

第五圖　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；

第六圖　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；以及

第七圖　係為本發明所揭示之光學變焦方法之步驟流程圖。

40．．．光學變焦系統

41．．．控制模組

42．．．帶動機構

431、441、442．．．透鏡

45．．．可調變光學元件

461、462、463．．．可變間距

X．．．光軸

Claims (10)

1. 一種光學變焦系統，包括：一光學機構模組，係定義有一光軸，該光學機構模組具有一帶動機構，該帶動機構係可沿該光軸移動；一固定透鏡組，包括至少一透鏡以及一可調變光學元件，沿該光軸固設於該光學機構模組，其中該可調變光學元件係為一液態透鏡，且該液態透鏡具有一曲面，該控制模組所控制之該可調變光學元件的光學特性，係為該曲面之曲率；一移動透鏡組，包括至少二透鏡，該移動透鏡組之各個透鏡係沿該光軸固設於該帶動機構，並與該固定透鏡組之透鏡及該可調變光學元件間隔排列；以及一控制模組，係根據一變焦指令，控制該帶動機構沿該光軸移動，以連帶改變該移動透鏡組之透鏡的位置，並控制該可調變光學元件的光學特性；其中，移動透鏡組之每一透鏡及該可調變光學元件係與該固定透鏡組之每一透鏡沿光軸間隔排列，並共同形成至少三個可變間距，使得該光學變焦系統在變焦過程中，會有一或數個焦距恰好落在外部一預期成像平面，並且該焦距之數量等於該可變間距的數量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學變焦系統，其中該光學機構模組更具有一本體，該固定透鏡組之透鏡與該帶動機構係固設於該本體上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光學變焦系統，其中該控制模組包括：一控制器，係接收該變焦指令，並根據該變焦指令產生一驅動訊號與一調變訊號；一驅動單元，係接收該驅動訊號，以驅動該帶動機構沿該光軸移動；以及一調變單元，係接收該調變訊號，以控制該可調變光學元件的光學特性。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光學變焦系統，其中該控制器係儲存有一查找表，預先建立有複數個焦距倍率值及其個別對應之複數個補償調變值，該控制器係將該變焦指令轉換為一焦距倍率值，以搜尋該查找表，取得對應之補償調變值，從而產生該調變訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光學變焦系統，其中該控制器係根據該焦距倍率值以及一對應於該移動透鏡組之透鏡 位置之初始倍率值，取得一倍率改變值，以產生該驅動訊號。
6. 一種光學變焦系統，包括：一光學機構模組，係定義有一光軸，該光學機構模組具有一帶動機構，該帶動機構係可沿該光軸移動；一固定透鏡組，包括至少二透鏡，沿該光軸固設於該光學機構模組；一移動透鏡組，包括至少一透鏡以及一可調變光學元件，該移動透鏡組之透鏡及該可調變光學元件係沿該光軸固設於該帶動機構，並與該固定透鏡組之透鏡間隔排列，其中該可調變光學元件係為一液態透鏡，且該液態透鏡具有一曲面，該控制模組所控制之該可調變光學元件的光學特性，係為該曲面之曲率；以及一控制模組，係根據一變焦指令，控制該帶動機構沿該光軸移動，以連帶改變該移動透鏡組之透鏡與該可調變光學元件的位置，並控制該可調變光學元件的光學特性；其中，移動透鏡組之每一透鏡及該可調變光學元件係與該固定透鏡組之每一透鏡沿光軸間隔排列，並共同形成至少三個可變間距，使得該光學變焦系統在變焦過程中，會有一或數個焦距恰好落在外部一預期成像平面，並且該焦距之數量等於該可變間距的數量。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學變焦系統，其中該光學機構模組更具有一本體，該固定透鏡組之透鏡與該帶動機構係固設於該本體上。
8. 如申請專利範圍第6項所述之光學變焦系統，其中該控制模組包括：一控制器，係接收該變焦指令，並根據該變焦指令產生一驅動訊號與一調變訊號；一驅動單元，係接收該驅動訊號，以驅動該帶動機構沿該光軸移動；以及一調變單元，係接收該調變訊號，以控制該可調變光學元件的光學特性。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光學變焦系統，其中該控制器係儲存有一查找表，預先建立有複數個焦距倍率值及其個別對應之複數個補償調變值，該控制器係將該變焦指令轉換為一焦距倍率值，以搜尋該查找表，取得對應之補償調變值，從而產生該調變訊號。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光學變焦系統，其中該控制器係根據該焦距倍率值以及一對應於該移動透鏡組之透 鏡位置之初始倍率值，取得一倍率改變值，以產生該驅動訊號。