CN101042462A - 恒定放大率变焦距透镜组 - Google Patents

Abstract

本发明能够提供这样一种成像装置，该成像装置包括具有第一焦距的第一光学元件和具有可变第二焦距的第二光学元件。第二光学元件可位于距离第一光学元件近似第一焦距的固定第一距离的位置。因此，这种成像装置能够在不用移动部件的情况下，让光学系统以恒定放大率对不同距离的物体聚焦。

Description

恒定放大率变焦距透镜组

技术领域

本发明涉及一种恒定放大率变焦距透镜组。

背景技术

随着所观看物体与光学系统的距离变化，能够保持所观看物体的恒定放大率图像的光学系统是有用的。这种光学系统在需要在物距范围内识别或测量的成像应用中具有优势。

具有这种能力的一种光学系统包括两个以上移动光学元件，这些光学物体的元件之间的物理距离被机械地改变，以提供所观看物体的图像。例如，美国专利No.5,095,388描述了位于很宽的距离范围内、以限定的放大率水平拍摄物体的变焦系统。这种系统很复杂，并且包括第一和第二透镜单元，以及第一和第二机构。第一机构改变第一透镜单元的焦距和第二透镜单元的放大率，而第二机构改变两个透镜单元之间的间隔。恒定放大率通过第一机构沿光轴以这样的方式物理移动透镜单元来实现，即，保持第一透镜单元的焦距和第二透镜单元的横向放大率之间的恒定比。

能够在物距范围内提供恒定放大率的另一种光学系统是定焦远心系统(fixed focal length telecentric system)。然而，这种远心光学系统具有缺陷。远心光学系统一般至少包括物镜和孔径光阑。物镜和孔径光阑沿光轴布置，孔径光阑位于距离物镜一个物镜焦距的位置处。尽管远心透镜系统在距离系统物距的范围内名义上提供恒定放大率，但在它们限定的景深之外，它们提供的图像不能保持聚焦。因此，它们的实用性受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种变焦距透镜组，当所观看物体与变焦距透镜组之间的距离变化时，这种变焦距透镜组能够以恒定放大率保持聚焦的图像。变焦距透镜组可以包括定焦距物镜和焦距能够改变的变焦距透镜(VFLL)。物镜和VFLL两者沿变焦距透镜组的光轴固定地定位，VFLL设置为距离物镜近似一个物镜焦距。通过将VFLL定位在距离物镜一个焦距的位置，变焦距透镜组能够提供可变的调焦距离，这样即使在离被成像物体的距离变化时，能够在固定的像面上提供恒定放大率的聚焦图像。因此，在不同的实施例中，这种变焦距透镜组可以看作，在不用移动部件提供恒定放大率图像的同时，提供能够在不同的调焦距离或物距聚焦(或自动聚焦)的透镜。在不同实施例中，VFLL可以包括基于电浸湿技术、压力控制技术、或任何合适技术的装置，如下面更详细地描述。

本发明的另一目的是提供一种可包括变焦距反射器(VFLR)的变焦距透镜组。用这种结构，物镜和VFLR可以沿变焦距光学组的光路固定地定位。将VFLR沿光路近似地定位离物镜一个物镜焦距，即使在与被成像物体的距离变化时，变焦距光学组可以在固定的像面提供恒定放大率的聚焦图像。在不同实施例中，VFLR可以包括基于电浸湿或压力控制的反射膜、或任何其它合适的技术的装置，如下面更详细的描述。

在相当大的调焦距离范围内提供恒定放大率简化许多应用。如一个实例，在装配线的检查操作中，不需要控制物体或场景与照相机系统之间的精确距离，可以从物体或场景的图像得到精确的横向测量结果。如一个实例，物体或场景的全景或“拼接”图像可以由用明显不同的调焦距离拍摄的多个图像组合，并且由于多个图像相似的放大率或横向比例，它们可以更容易合并。如另一实例，当这种系统聚焦好时，给VFLL或VFLR的控制信号表示物体的范围。因此，这种系统也可以用于提供距离测量，以及由它的图像提供横向尺寸测量，从而提供三维测量仪器。

在大的调焦距离范围内具有恒定放大率比电浸湿透镜系统提供大得多的实用性。与前面已知的变焦距恒定放大率系统相比，例如，以专利′388作为例子，提供这些特征而不需要调整光学元件和/或图像检测面之间沿光轴(或光路)的间隔，在成本、可靠性、紧凑性、传动力和方便性方面具有优势。

附图说明

参照下面的附图描述本发明的实施例，其中相同的符号表示相同的元件，其中：

图1表示本发明的变焦距透镜系统的示例性近轴薄透镜设计图；

图2表示包括本发明示例性变焦距透镜系统的装置的分解图；

图3表示图2所示的示例性变焦距透镜系统的装配图；

图4表示物距与施加到用于本发明示例性变焦距透镜系统的变焦距透镜装置的电压之间关系的曲线图；

图5是包括根据本发明的变焦距透镜组的图像获取系统的示例性框图；

图6表示本发明另一变焦距组的示例性设计图；

图7表示本发明另一变焦距组的示例性设计图；

图8表示用于本发明变焦距组的可替换组件的示例图。

具体实施方式

图1是表示示例性变焦距透镜组100的近轴透镜设计的示意图。变焦距透镜组100可以包括第一或物镜110和第二或变焦距透镜(VFLL)120。物镜110和变焦距透镜(VFLL)120都是以光轴OA为中心垂直和径向排列。物镜110具有固定的焦距，而VFLL 120的焦距能够改变。如图1所示，要观看的物体位于变焦距组100前面的物方焦面上，图像检测面104位于变焦距组100的后面。另外，图像检测器105可以位于图像检测面104上。图像检测器包括摄影胶片、或光电探测器阵列、或任何目前已知或将来研制的适合的图像检测介质。

VFLL 120可以包括任何能够控制改变焦距的装置。例如，VFLL 120可以包括基于电浸湿技术(诸如，可从法国里昂的Varioptic公司购得的Varioptic透镜，可从荷兰阿姆斯特丹的皇家菲利普电子公司的菲利普研究所(PhilipsResearch of Royal Philips Electronics)购得的FluidFocus等)、压力控制技术等的装置。基于电浸湿现象的变焦距透镜一般由两种密度匹配、但具有不同导电率和折射率的两种密封不溶合液体(hermetically sealed immiscibleliquids)组成，这两种液体沉积在用薄绝缘层覆盖的金属衬底上。施加到衬底的电压改变液体与液体界面的弯月面的曲率，其反过来又改变透镜的焦距。这种透镜的一个实例在Berge和Peseux的美国专利No.6,369,954中描述，该专利的全部内容引入本文作为参考。

压力控制变焦距透镜利用物理压力来改变表面形状，其反过来又改变透镜的焦距。这种透镜在Task的美国专利No.5,973,852和De Luca的美国专利No.3,161,718中描述，它们的整个内容引入本文作为参考。

在操作中，变焦距透镜组100通过控制VFLL 120来调整，直到来自物体的光通过变焦距透镜组100在图像检测面104上形成物体的清晰图像。如图1所示，在这种焦距调整之后，物体位于光轴OA上、离物镜110的有效物面102为调焦距离S01的物方焦面101上。应该理解，物方焦面101与有效物面102之间的距离不是固定的，而是随着调整变焦距透镜组100而变化。在变焦距透镜组100内，VFLL 120的有效VFLL平面103沿光轴OA位于离有效物面102为固定距离S₁₂的位置。距离S₁₂名义上等于物镜110的一个焦距(f_obj)。实际上，物镜可以是多个元件或组合透镜。在这种情况下，距离S₁₂名义上等于所述透镜的后焦距。最后，图像检测器105位于离有效VFLL平面103为固定距离S₂₃的图像检测面104上。尽管距离S₂₃通常固定为理想和实际的设计值，在一个实施例中，距离S₂₃可以设定为物镜110的一个焦距(f_obj)，因此，具有物和像的放大率保持反比“1∶1”的透镜组100，下面参照公式5和6更详细地描述。即使当从变焦距透镜组100到物体的调焦距离变化时，如果需要，VFLL 120的可变焦距(f_v)可以改变，使得物体的图像保持聚焦在图像检测面104上，并且提供恒定放大率。

从图1中可以看出，如果VFLL 120起光学系统的限制孔径作用，它限定光轴OA与入射到物镜110的最外光线之间的夹角v₀′。当来自物体的光线通过物镜110时，物镜110朝光轴OA会聚通过的光线，直到光线入射到VFLL 120上。物镜110是具有固定焦距的凸透镜或组合透镜，因此，物体越靠近物镜110(即，距离S₀₁越小)，通过物镜110之后的光线会聚性越差，而物体离物镜110越远(即，距离S₀₁越大)，通过物镜110之后的光线会聚性越好。结果，通过物镜110的图像光线入射到VFLL 120的角度作为从有效物面102到物体的调焦距离的函数而变化。为了补偿入射光的变化角度，VFLL 120的焦距根据需要改变，使得物体的图像聚焦在图像检测面104上。结果，对于任何聚焦图像，入射在图像检测面上的光线的会聚角v₃相同，不用移动部件，可通过变焦距透镜组100提供恒定放大率。在本文中使用的短语“不用移动部件(without moving parts)”一般意味着它不需要改变位于系统光路上的光学元件之间的距离。由于它不需要为了改变焦距而沿光路重新定位VFLL，在一定意义上VFLL的畸变不被认为使其成为移动部件。

图1所示的光学关系可以将图1的变量代入已知的薄透镜公式来模拟。例如，公式(1)数学上表示根据VFLL的光能φ_v≡1/f_v，在图像检测面104上提供聚焦图像的变焦距离S₀₁(V)。公式(2)数学上表示变焦距透镜组100的可变横向放大率M(V)取决于VFLL的光能φ_v的通常情况。

$S_{01}\left(V\right)=\frac{(\frac{1}{S_{23}}+\frac{1}{S_{12}}-{\mathrm{\φ}}_V)}{\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Obj}}}{S_{12}}-(\frac{1}{S_{23}}-{\mathrm{\φ}}_V)(\frac{1}{S_{12}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Obj}})},---\left(1\right)$

$M\left(V\right)=-S_{23}[{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Obj}}-(\frac{1}{S_{23}}-{\mathrm{\φ}}_V)(1-S_{12}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Obj}})],---\left(2\right)$

其中物镜110的光能是φ_Obj≡1/f_Obj，VFLL 120的可变光能是φ_v≡1/f_v。

对于参照图1所述的特殊情况，VFLL 120位于距离物镜110一个物镜110焦距的位置，即，距离S₁₂＝f_Obj＝1/φ_Obj，通式(1)和(2)简化成下列公式(3)和(4)。

当S₁₂＝1/φ_Obj时， $\left\{\begin{array}{c}{S}_{01}\left(V\right)=\frac{1}{{{\mathrm{\φ}}^2}_{\mathrm{Obj}}}(\frac{1}{S_{23}}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Obj}}-{\mathrm{\φ}}_V)---\left(3\right)\\ M=-S_{23}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Obj}}---\left(4\right)\end{array}\right.$

从上面的公式(3)可以看出，当S₁₂＝f_Obj＝1/φ_Obj时，对应于在图像检测面104上的聚焦图像的距离S₀₁(V)随着VFLL 120的光能φ_v线性变化。而且，从公式(4)可以看出，在这些条件下，M独立于VFLL 120的光能φ_v。

另外，如果S₂₃＝1/φ_Obj，那么公式(3)和(4)变成公式(5)和(6)，在这些条件下，可以获得“1∶1”单元放大率转换系统。

当S₁₂＝S₂₃＝1/φ_Obj时， $\left\{\begin{array}{c}{S}_{01}\left(V\right)=\frac{1}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Obj}}}(2-\frac{{\mathrm{\φ}}_V}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Obj}}})---\left(5\right)\\ M=-1---\left(6\right)\end{array}\right.$

图2和3分别表示包括变焦距透镜组的示例性成像系统200的分解图和装配图。如图所示，成像系统200包括总体沿光轴OA对准的各种元件，诸如装入了成像电路板组件210的照相机外壳205。成像阵列电路板组件210可以连接另外的电子元件(未示出)，以按需要控制图像获取和/或存储图像等。成像系统200另外还包括照相机转接板215，一侧连接成像阵列电路板组件210和/或照相机外壳215、而第二侧支撑VFLL保持块220。保持块220包括支撑螺纹保持环221(如图3所示)的内螺纹，螺纹保持环可以调整到邻接VFLL单元225。在图2和3所示的实施例中，VFLL单元225包括VFLL226，其可以是Varioptic^TM透镜。示出部分电子控制线228从VFLL单元225突出。控制线228将VFLL单元225与控制系统连接，理想的话，控制系统远离成像系统200。如图3所示，VFLL单元225构成为在VFLL 226附近设置孔径光阑227。这种孔径光阑是可选的，而不是必需的。然而，当在图像中包括模糊的特征时，它具有确定的远心成像的优点。这种优点是除了在本文中公开的不同实施例提供的其它优点之外的优点。

另外，第一间隔元件230适于容纳VFLL单元225，并且将VFLL单元225与在成像阵列电路板组件210中包括的光电探测器阵列的图像检测面204隔开合适的距离。在装配过程中，通过调整保持块220的螺纹保持环221(如图3所示)，VFLL单元225可以支持在第一间隔元件230的肩部。可变光阑235可以用螺纹或其它方式固定到第一间隔元件230和第二间隔元件240上，如图3所示。在第二间隔元件240内，物镜245支持在正面和背面保持环250之间的位置。另外，在图2和3中，示出要成像的物体255在成像系统200前面的一距离处。

物体255、物镜245、VFLL 226和图像检测面204之间的关系与参照图1描述的关系类似。例如，由于插入机械构件的尺寸，VFLL 226的有效平面位于离物镜245的物面近似一个物镜245的焦距，其对应于图1的距离S₁₂。类似地，VFLL 226位于对应于图1的距离S₂₃的固定距离，即，离成像阵列印刷电路板组件210的图像检测面204的距离。另外，物体255位于成像系统20正面在对应于图1的S₀₁的距离。因此，在调焦距离范围内，即使当物体255与成像系统200的距离改变时，成像系统200能够以恒定的放大率、将物体255的聚焦图像保持在成像印刷电路板组件210的图像检测面204上。

当VFLL位于理想位置时，即，离物镜一个物镜焦距的距离，前面的讨论表明名义上的恒定放大率用于提供多个调焦距离。然而，应该理解，当VFLL固定在离物镜近似一个物镜焦距的距离范围内时，对于许多成像应用，在不同调焦距离的放大率变化可以忽略，而不必在理想位置。例如，VFLL可以固定在离物镜的物镜焦距的0.85和1.15倍之间的距离，提供给多个调焦距离的放大率之间的差要足够小，这在许多应用中仍然获得基本优点。例如，如果应用只要求自动的物体识别，而不是精确的测量，那么确认物体识别的一个标准是物体的特征尺寸落入图像的预定窄尺寸范围内。当VFLL固定在离物镜0.85和1.15倍物镜焦距的距离时，所述窄尺寸范围可以选择成让放大率在期望的调焦范围内稍微变化。这个标准可以明显地提供物体识别的可靠性，或者可以给具有明显不同尺寸的相似物体分类。根据本发明的成像装置，该标准可以应用于不用在距离上高度控制要成像的物体、和不需要在成像装置中或在成像装置周围复杂移动部件的情况。

图4表示图解模拟与图1所述相似的变焦距透镜组的光学系统结果的示意图400。这个模拟图解，对于不同的物镜焦距(f_obj)，从物面到焦面的产生清晰图像的调焦距离S₀₁相对于控制Varioptic VFLL焦距施加的电压如何改变。模拟用S₂₃＝25mm和各个焦距为f_obj＝S₁₂＝15mm、20mm、25mm、50mm、和100mm的五个物镜进行，分别对应于曲线结果425、420、415、410和405。

很显然，对于每个物镜从大约0V-30V的情况，距离S₀₁基本上不变。然而，在大约30V-60V范围内，VFLL对控制电压很灵敏。对于这种特殊型的透镜，S₀₁随着电压增加而降低。例如，对于f_obj＝100mm物镜，当控制电压从30V增加到60V时，S01从大约75mm减小到大约39mm。所有物镜405、410、415、420、和450的S₀₁性能在性质上相似。然而，如图400所示，当物镜的焦距(f_obj)减小时，S₀₁的最大值和控制范围变小。因此，变焦距透镜组的名义工作距离和控制范围随着物镜焦距(f_obj)的增大而减小。

图5表示具有变焦距透镜组的示例性图像获取系统500，其能够手动或自动操作。如图5所示，透镜组520连接光电探测器阵列型照相机540，光电探测器阵列型照相机540从电源545接收电力，并且在双信号和控制总线1575上输出图像信号，例如像素强度数据，以被计算机系统560内的帧获取器570接收。除了从照相机接收图像信号和将数字图像数据传输到存储和/或分析的计算机系统560之外，帧获取器570还控制图像获取定时或照相机操作的其它方面，并且可以将图像输出到视频显示器550上。计算机560可以连接用户输入装置575，还包括多功能DAQ 565，需要时多功能DAQ 565从计算机系统560接收数字控制信号并且将它们转换成模拟控制信号。多功能DAQ 565可以连接成将模拟控制信号505传输到VFLL控制器510。基于模拟控制信号505，VFLL控制器510将VFLL控制器510可以将VFLL控制信号515传输到VFLL 525。VFLL控制信号515驱动VFLL 525，以改变它的焦距，焦距的变化改变变焦距透镜组520的调焦距离，如前所述。

在一个示例性实施例中，VFLL 525可以是Varioptic VFLL，VFLL控制器510可以是Varioptic控制器或IC，它们都可从法国里昂的Varioptic公司购得。Varioptic控制器或IC从多功能DAQ 565接收低压信号，并且将合适的相应控制电压(例如，30-60V，如图4所述)提供给Varioptic VFLL。照相机540可以是从索尼公司纽约公司购得的型号XC-75的CCD照相机。帧获取器570可以是型号PCI-1407，多功能DAQ 565可以是型号PCI-6052E，它们都可以从德克萨斯奥斯汀的National Instruments购得。计算机560包括用从德克萨斯奥斯汀的National Instruments购得的LabVIEW软件写入的程序，用LabVIEW软件写入的程序与用从The Math Works，Inc.，Natick，MA购得的MATLAB软件写入的图像分析程序一起操作。

变焦距透镜组520的结构与图1所示的透镜组100相似，包括物镜530、VFLL 525，VFLL 525位于离物镜530的有效平面一个焦距和离照相机540的成像阵列542固定距离的位置。因此，透镜组件520可以提供不用移动部件能够聚焦(或自动聚焦)在不同调焦距离的恒定放大率的光学成像系统。

图像获取系统500可以手动聚焦或自动聚焦。在手动聚焦过程中，用户可以在显示器550上观察当前的图像，并且可以使用输入装置575，以使计算机560和/或多功能DQA 565和/或VFLL控制器510增加或减少给VFLL525的控制信号，直到在显示器550上的图像合适地聚焦。在自动聚焦过程中，成像阵列照相机540接收位于透镜组500前面的物体图像。根据物体的位置和VFLL 525的当前焦距调整，成像阵列照相机540接收的图像可以清晰或模糊。利用反馈结构，用计算机560可以分析接收的图像，自动调整VFLL 525的焦距，直到图像清晰。

例如，成像阵列照相机540接收的图像能够输入帧获取器570，然后，帧获取器570能够将数字图像数据输入用于分析的计算机560。计算机560利用已知的图像处理方法能够分析图像数据、确定图像焦距测量值(例如，对比度量、局部梯度量、或空间频率量等)并对它进行评估，判断图像焦距是否符合要求。如果不符合要求，计算机可以自动增加发送给多功能DQA565的控制信号。然后，DQA 565增加发送给VFLL控制器510的控制信号，然后改变传输给VFLL 525的控制信号，以改变它的焦距。根据前面所述的原理，产生新的调焦距离和图像焦距。然后，获得的图像同样被处理成前述的图像。如果焦距量提高，计算机560再次增加给DQA 565的控制信号，以改变VFLL 525的焦距等等，直到焦距量稳定或刚开始下降。因此，控制VFLL 525提供最佳焦距量，以便提供最佳图像焦距。当然，如果在增加给DQA 565的控制信号之后焦距量很差，那么基本上降低控制信号，似便接近最佳焦距调整。

在有些应用中，控制信号值与相应的距离物镜530的“最佳焦距”距离之间的关系可以预定，例如，如图4的曲线405所示，并且控制信号可以用于确定对应于在图像中出现的聚焦良好特征或表面的距离测量和高度坐标等。

尽管上面的说明描述了一般意义的计算机、相关软件程序和其它分立电路或元件的操作，应该理解，不同的软件程序操作可以用模拟或数字硬件设备的操作代替。相反，不同的硬件设备可以用合适计算设备中的软件操作代替。因此，参照图5所述的每个元件和操作所采用的具体形式是设计选择，对于本领域的普通技术人员来说，各种等同替换是显而易见和可预测的。

图6表示另一变焦距光学组600的示例性近轴薄透镜设计图。变焦距光学组600的设计和功能与上述变焦透镜组100相似，除了变焦距反射器(VFLR)代替VFLL和光路弯折成与VFLR相适应之外。平面名称601、602和604分别与上述的平面名称101、102和104具有相同的意义。有效VFLR平面603与有效VFLL平面103相似。图6所示的各个尺寸S01、S12和S23与本文前面所述的具有相同意义，根据相同的设计原理和公式可以确定和理解它们的值。简而言之，变焦距光学组600可以包括固定焦距f_obj的物镜610。VFLR 620可以沿光轴OA设置为距离物镜610S₁₂≈f_obj。图像检测器605可以定位在图像检测面604上接收从VFLR 620反射的光，其中图像检测面604沿VFLR 620的光路在固定距离S₂₃。物镜610具有固定焦距，而VFLR 620的焦距能够改变。由于这种光学结构，根据上述原理，变焦距光学组600能够提供在调焦范围内能够以不同的调焦或物距S₀₁聚焦(或自动聚焦)的光学成像系统，以便用恒定放大率且不用移动部件在图像检测面604上提供聚焦图像。

VFLR 620必需成角度和/或与光轴OA偏心，以便将成像光线照射到既能够定位图像检测器605又不会与从物镜610传输的图像光干涉的位置。为了使图像畸变和/或像差最小化，可以使用使VFLR 620的角度和/或偏心最小的结构。此外，图像检测器605和图像检测面604可以定向成提供最佳图像和最小的图像畸变。这种结构可以通过试验和/或分析确定。有些类型的VFLR提供用一个以上的电输入控制的对称形状。然而，其它类型的VFLR包括可以沿VFLR的表面提供多个控制点的控制技术。对于这种VFLR(例如，包括几个控制电极的静电控制VFLR)，以及改变焦距、VFLR的表面形状可以用多个电输入控制，适于进一步使图像的畸变和/或像差最小化。

VFLR 620可以包括任何焦距可以控制变化的反射器装置。例如，VFLR620可以包括根据反射膜的静电控制的装置。在Nishioka等的美国专利No.6,618,209中描述了静电控制的反射膜的原理和设计，其整个内容在本文中并入作为参考。作为另一实例，VFLR 620可以包括压力控制反射膜。在Paris和Rouannet的美国专利No.6,631,020中描述了压力控制反射膜的原理，其整个内容在本文中并入作为参考。

图7表示另一变焦距光学组700的示例性近轴薄透镜的设计图。变焦距光学组700的设计和功能与上述变焦距光学组600相似，除了固定焦距反射器(FFLR)代替物镜和光路弯折两次与FFLR适应之外。平面名称701、703和704分别与上述的平面名称601、603和604具有相同的意义。有效VFLR平面702与有效物面602相似。图7所示的各个尺寸S₀₁、S₁₂和S₂₃与本文前面所述的具有相同意义，根据相同的设计原理和公式可以确定和理解它们的值。简而言之，变焦距光学组700可以包括固定焦距f_obj的FFLR 710。VFLR720可以沿VFLR 710的光路定位为距离VFLR 710S12≈f_obj。图像检测器705可以定位在图像检测面704上接收从VFLR 720反射的光，其中图像检测面704沿VFLR 720的光路在固定距离S23。VFLR 710具有固定焦距，而VFLR720的焦距能够改变。由于这种光学结构，根据上述原理，变焦距光学组700能够提供在调焦范围内能够以不同的调焦或物距S01聚焦(或自动聚焦)的光学成像系统，以便用恒定放大率且不用移动部件在图像检测面704上提供聚焦图像。

与变焦距光学组600相似，为了使图像畸变和/或像差最小化，可以使用使VFLR 710和/或VFLR 720的角度和/或偏心最小的结构。左右元件可以组合定向，提供最佳图像和最小的图像畸变。这种结构可以通过试验和/或分析确定。此外，FFLR的表面形状适于进一步使图像的畸变和/或像差最小化。此外，如果需要，可使得VFLR的表面形状控制适于进一步改善图像。

图8表示用于变焦距透镜组的可替换元件的示例性示意图。具体地说，变焦距透镜组800包括物镜810、图像检测器805和转盘830，转盘830包括具有不同名义焦距的任意实际数量的可替换透镜，如图8所示的透镜820a、820b和820c。如图所示，限制成一个自由度移动以绕转盘轴TA转动的转盘与光轴OA偏离，使得任何一个可替换透镜820a、820b和820c可以沿光轴OA旋转到位，为变焦透镜组800提供沿光轴位置的多个焦距和相应的多个调焦距离。转盘例如可以通过步进电机控制系统控制。每个可替换透镜安装在托盘830上，当每个可替换透镜沿光轴OA定位时，使得每个透镜的有效面名义上与相同的有效可替换透镜面803一致。有效可替换透镜面803与上述有效VFLL平面103相似。

另外，变焦距透镜组800的光学设计和功能与上述变焦距透镜组100相似。平面名称801、802和804分别与上述平面名称101、102和104具有相同的意义。图8所示的各个尺寸S₀₁、S₁₂和S₂₃与本文前面所述的具有相同意义，根据相同的设计原理和公式可以确定和理解它们的值。简而言之，变焦距光学组800可以包括固定焦距f_obj的物镜810。任何可替换透镜820a-820c可以沿光轴OA旋转到距离物镜810S₁₂≈f_obj的位置。图像检测器805可以定位在沿光轴距离可替换透镜面803为固定距离S₂₃的图像检测面804上。由于这种光学结构，根据上述原理，变焦距光学组800能够提供能够在多个调焦或物距S₀₁聚焦(或自动聚焦)的光学成像系统，以便用恒定放大率且不用沿光轴改变操作光学元件之间的距离、在图像检测面804上提供聚焦图像。应该注意，因为不需要沿光轴改变操作光学元件之间的距离，变焦距透镜组800比上述已知的变焦距恒定放大率系统结构更简单、更便宜和更可靠。

从可替换实施例(未示出)可以得到相似的性能，其中转盘用限制成沿总体垂直于光路或者光轴的线性轴限制任一自由度的构件代替，或用沿总体垂直于光路或者光轴的两个自由度(在一个平面)移动的构件代替。各个可替换透镜可以安装在这种构件上，使得任一可替换透镜可以沿光轴移动到合适位置，不用沿光轴改变操作光学元件之间的距离。

透镜820a、820b和820c可以是具有固定焦距、变焦距或它们的组合的单独透镜。例如，如果820a、820b等是一组具有不同固定焦距的透镜，具有相应一组离散的调焦距离S01，其提供一组在图像检测面804上聚焦、具有恒定放大率的图像。应该理解，许多固定焦距的可替换透镜820a-820“n”可以设置在转盘830上。在有些实施例中，各个透镜的景深可以重叠，利用透镜的连续性，可以在透镜的调焦距离或物距的延伸范围内提供适度聚焦的图像。这种实施例与上述包括VFLL的系统一样，不提供测距能力。然而，它们仍然具有在一组调焦具有或在调焦距离范围内提供恒定放大率的优点。

另外，转盘830可以容纳一个以上VFLL，每个用图8的VFLL 820c表示。每个VFLL 820c具有不同的可变光学性能，诸如不同的变焦范围。这种结构能够延伸变焦距透镜组800的操作范围。例如，通过在具有不同焦距范围的各个VFLL 820c之间转换，变焦距透镜组800能够聚焦在每个不同焦距范围内的任何位置。如果需要，不同焦距范围可以重叠，从而提供不间断的延伸聚焦范围。

虽然结合上述示例性实施例描述了本发明，很显然，对于不同的光学元件的选择、对于不同的光路结构、对于沿光路限制孔径或光阑的布置等存在许多等同替换。这些变型和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，本发明上述示例性实施例是用于解释，而不是限制。不脱离本发明的精神和范围可以做出各种变化。

Claims (20)

1.一种变焦成像装置，其包括：

具有第一焦距的第一光学元件；

具有可变第二焦距的第二光学元件，第二光学元件位于距离第一光学元件近似第一焦距的固定第一距离处；和

位于距离第二光学元件为固定第二距离的图像检测器。

2.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述可变第二焦距在第二焦距范围内可变成多个第二焦距，且所述多个第二焦距在成像装置的调焦距离范围内提供相应的多个调焦距离。

3.如权利要求2所述的成像装置，其中：

所述可变第二焦距在第二焦距范围内连续可变成任何第二焦距，使得成像装置能够聚焦在调焦距离范围内的任何调焦距离。

4.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述固定第一距离至少是第一焦距的0.85倍，最多是第一焦距的1.15倍。

5.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述成像装置的放大率名义上对成像装置的任何调焦距离相同。

6.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述第一光学元件包括单透镜、多元件透镜和反射器之一。

7.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述第二光学元件包括变焦距透镜和变焦距反射器之一。

8.如权利要求7所述的成像装置，其中第二光学元件具有被至少一种进入第二光学组件的电输入来控制形状的组件。

9.如权利要求8所述的成像装置，其中：

所述图像检测器包括光电二极管阵列；和

所述成像装置包括控制系统，该控制系统可操作输入从光电探测器阵列获得的图像数据、分析图像数据和确定所述至少一种进入第二光学组件的电输入，使得所获得的成像装置的调焦距离提供位于成像装置的调焦距离范围内的物体的聚焦图像。

10.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述图像检测器包括摄影胶片和光电探测器阵列之一。

11.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述固定第二距离大致等于所述固定第一距离。

12.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述第一光学元件、第二光学元件和图像检测器沿直光路和弯折光路之一的光路布置。

13.如权利要求1所述的成像装置，其包括位于邻近第二光学元件的孔径光阑。

14.一种变焦成像装置，其包括：

具有第一焦距的第一光学元件，第一光学元件位于沿光路的第一光学元件位置；

提供对应于多个调焦距离的多个第二焦距的装置，每个第二焦距由位于光路的第二光学元件位置的光学元件提供，第二光学元件位置位于距离第一光学元件位置近似第一焦距的固定第一距离的位置处；和

位于光路的图像检测面位置的图像检测器，图像检测面位置位于距离第二光学元件位置为固定第二距离的位置处。

15.如权利要求14所述的成像装置，其中，所述成像装置的放大率名义上与多个调焦距离中的每一个相同。

16.如权利要求14所述的成像装置，其中，用于提供多个第二焦距的装置包括固定在第二光学元件位置的单个光学元件，且所述单个光学元件是变焦距透镜和变焦距反射器之一。

17.如权利要求14所述的成像装置，其中，用于提供多个第二焦距的装置包括：

可移动构件，其被限制为按以下方式之一移动：a)一个自由度的转动，b)一个自由度的平移，c)在一般垂直于光路的平面内的两个自由度平移；和

多个固定在可移动构件上的独立光学元件，所述多个独立光学元件用于提供多个焦距，其中：

每个独立光学元件布置在可移动构件上，使得可移动构件可以移动到任何一个独立透镜在光路的第二光学元件位置的位置。

18.如权利要求17所述的成像装置，其中，所述多个独立光学元件中的至少一个包括变焦距透镜，其可控制成在焦距范围内提供连续可变的焦距。

19.一种获取场景的多个图像的方法，该方法包括：

提供一种成像装置，其包括：

具有第一焦距的第一光学元件，第一光学元件位于沿光路的第一光学元件位置；

提供对应于多个调焦距离的多个第二焦距的装置，每个第二焦距由位于光路的第二光学元件位置的光学元件提供，第二光学元件位置位于距离第一光学元件位置近似第一焦距的固定第一距离的位置处；和

位于沿光路的图像检测面位置的图像检测器，图像检测面位置位于距离第二光学元件位置为固定第二距离的位置处；

控制成像装置以提供由位于第二光学元件位置的光学元件提供的所述多个第二焦距中的第一个焦距，所述多个第二焦距中的第一个焦距对位于相对于成像装置为第一调焦距离的位置处的场景的元素提供良好聚焦的图像；并控制成像装置以提供由位于第二光学元件位置的光学元件提供的多个第二焦距中的第二个焦距，所述多个第二焦距中的第二个焦距对位于相对于成像装置为第二调焦距离的位置处的场景的元素提供良好聚焦的图像，其中

对于第一个和第二个良好聚焦的图像中的每一个，成像装置的放大率名义上相同。

20.如权利要求19所述的方法，其中，控制成像装置提供多个第二焦距中的第一个焦距的步骤和控制成像装置提供多个第二焦距中的第二个焦距的步骤都包括控制固定在第二光学元件位置的一个变焦距光学元件。

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