CN101268399A

CN101268399A - 变焦透镜系统

Info

Publication number: CN101268399A
Application number: CNA2006800349891A
Authority: CN
Inventors: 伊恩·A·尼尔
Original assignee: Panavision International LP
Current assignee: Panavision International LP
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2026-07-24
Also published as: EP1910881A2; CA2619071A1; ATE556345T1; CA2619071C; AU2006275969A1; EP1910881B1; US20050259330A1; US7224535B2; EP1910881A4; WO2007016075A3; AU2006275969B2; WO2007016075A2; HK1125180A1; CN101268399B

Abstract

本发明揭示一种变焦透镜系统。所述变焦透镜系统形成物体的最终像、和位于物体与最终像之间的第一中间实像。所述变焦透镜系统包含：位于物体与第一中间实像之间的第一光学单元。第一光学单元包括：至少一个光学子单元，其经移动以改变第一中间实像的尺寸(放大率)。所述变焦透镜系统还包含：位于第一中间实像与最终像之间的第二光学单元，其至少一部分经移动以改变最终像的尺寸(放大率)。所述变焦透镜系统提供焦距的宽变焦范围并在焦距之间连续变焦。

Description

变焦透镜系统

本申请是美国专利申请号为10/622,914(申请日2003年7月18日)的申请案的部分延续案(Continuation-In-Part，CIP)，上述美国专利申请案主张美国暂时申请案号为60/397,882(申请日2002年7月22日)的优先权，对于认可编入文献参照的指定国家，藉由参照而将上述专利申请案的内容编入至本申请案中，作为本申请案的一部分。

技术领域

本发明涉及一种用于照相机和其它光学装置的光学透镜系统，且明确地说涉及一种高性能变焦透镜系统(high performance zoom lenssystems)，其产生焦距的完全变焦范围内的高质量像、并能够具备极大的变焦比(zoom ratio)。

背景技术

[本发明的大体背景]将变焦透镜系统用于例如广播电视、高清晰度电视(“HDTV”)、高级电视(“ATV”)、视频摄像机、电影摄影术和静态摄影术等所有类型的摄影术已变得越来越流行。由于变焦透镜系统的使用已增加，所以对于较宽范围的变焦能力(即，大变焦比)的需求也已增加。举例来说，这些年来，广播电视中使用的变焦透镜系统的变焦比能力已稳定增加到目前的最大约101比1，但仍需要更大的变焦比。虽然可通过使用混入扩展器(drop-in extender)或其它倍增器(multiplier)来增加常规变焦透镜系统的焦距范围，例如将广播电视变焦透镜系统的8.9mm到900mm的焦距范围增加到17.8mm到1800mm以增加远距照相能力，但这不会改变约101比1的变焦比。此外，对于广播电视变焦透镜系统在“摄影室”(室内)或“实况转播”(室外)使用来说，在焦距范围和可接受的焦距比数(”f”numbers)方面存在稍许不同的要求，因而针对室内和室外广播电视使用采用了两种不同的变焦透镜系统，以使针对两种类型的使用能力最大化已成为常规惯例。

此外，除了需要且希望使用具有较宽焦距范围的变焦透镜系统外，此类透镜还必须保持优良光学特性和性能，其是先前只有通过使用具有不同的固定焦距的单独物镜、或具有有限变焦比的变焦透镜系统而实现的。随着变焦比增加，提供具有优良特性和性能的高性能光学系统的难度也增加。而且，大多数先前可取得的具有有限变焦范围的变焦透镜系统，其具有一个或一个以上不合需要的局限性，例如：不能在整个焦距范围内充分聚焦、不能聚焦于近距离物体、缺乏在整个焦距范围和焦点距离内充分的光学性能、成本、及较大尺寸用于实现有限变焦范围等。

更进一步说，随着透镜系统的变焦范围增加，通常长度和重量增加，因而使透镜和相机维持稳定的难度也增加。因此，像稳定性也成为具有大焦距范围和变焦比的实用变焦透镜系统的设计的一个难题。

此外，随着变焦透镜系统的焦距范围增加，通常聚焦问题也增加。尽管并非绝对必需以变焦范围的长焦距进行近聚焦，但需要以较小焦距进行近聚焦。过去，在相当大共轭范围内从无穷远向处于非常短距离处(例如，约8英尺或更短)的物体进行连续聚焦一直难以实现。此外，必须使最终像以较短焦距“呼吸(breathing)”的问题(其中所感知的尺寸随着焦点距离改变而改变)最小化，以免(例如)一个人在焦点改变到距透镜不同距离的另一个人时从场景中消失。这些聚焦性能要求(包含维持最终像的质量)往往大大增加变焦透镜系统的重量和成本，除非可通过总体透镜设计(包含玻璃选择)使尺寸最小化、且性能最大化。

[关于变焦的背景信息]如上文所论述，许多摄影应用(包含广播电视、电影摄影术以及视频和静态摄影术)中非常需要具有宽焦距范围的变焦透镜系统。这些应用中使用的一种标准变焦透镜系统具有四组PN(P或N)P结构，其中P代表具有至少一个透镜元件的一组，其中透镜组具有正倍率(positive power)，且N代表具有至少一个透镜元件的一组，其中透镜组具有负倍率(negative power)，且按照常规做法从物体空间朝像空间连续识别所述组。最前端的正组(front positive group)通常称为聚焦组，因为其可移动以将变焦透镜系统聚焦在任何焦距位置、而不需要针对变焦透镜的任何其它焦距重新聚焦。第二负组是变化器，且其在变焦期间引起显著的放大率变化。第三组(其通常可具有正或负倍率)是补偿器，且其可移动以确保像平面保持固定，其还可提供少许放大率变化以实现变焦。最后的第四正组通常称为最佳透镜组(prime lens group)，因为其形成清晰像。

这种基本变焦透镜系统适于50∶1或更大的变焦比。然而，当变焦比扩展到约100∶1时，需要变化器在变焦期间以某一程度改变其物体放大率，使得像差变得大得无法实行且难以校正。另外，以如此大的变焦比，变焦期间入射光瞳位置(entrance pupil location)存在非常大的变化，且这往往使最前端组非常大且难以校正。以下事实引起另一问题：为了减小由于放大率的较大变化导致的像差变化，需要使变化器具有减小的光功率(opticalpower)。然而，较弱的光功率还会增加光学系统的透镜行程和长度。对于窄视野来说，这不会存在问题，但对于宽视野来说，较大运动导致透镜系统的后部的主光线高度增加。由于可满足对于透镜系统的前部或后部的要求，但不是同时满足，所以这导致孔径光阑没有理想的位置。如果光阑放置成接近透镜前部，那么前部透镜元件直径和所产生的像差减小，且如果孔径光阑放置成较接近透镜系统的后部，那么后部透镜直径和所产生的像差减小。

发明内容

[本发明的大体概要]本发明的一目的是提供一种变焦透镜系统，以克服具有大变焦比的现有变焦透镜系统的问题和低效率。另一目的是提供一种变焦透镜系统，其具有宽焦距变焦范围以及针对室内和室外使用两者的高性能特性。本发明的又一目的是提供一种变焦透镜系统，其具有约300比1的比率、和(例如)约7mm到2100mm焦距的变焦范围且在焦距之间连续变焦。本发明的又一目的是提供一种带有光学系统的高性能变焦透镜系统，此光学系统具有：用于形成中间像的前变焦透镜组、和用于放大所述像进而产生极大的变焦比的后变焦透镜组。又一目的是提供一种变焦透镜系统，其具有光学像稳定特性。又一目的是提供一种变焦透镜系统，其具有能够在变焦比的整个焦距范围内精确聚焦的聚焦透镜组。

尽管实现大变焦比具有特定益处，但本发明的变焦透镜系统可具有常规变焦比，例如与视频摄像机、静态相机等消费品相关联的变焦比。本发明的额外目的是产生用于这些较小变焦比应用的变焦透镜系统。

所属领域的技术人员依据各种优选实施例将容易了解本发明的其它和更多具体目的及优点。

[本发明的变焦比方面的概要]本发明克服了当前将变焦透镜系统限于约101∶1的变焦比的障碍。本发明的基本思想可认为是使用由两个单独变焦透镜部分组成的复合变焦透镜系统(compound zoom lens system)，其中前变焦透镜部分形成中间像，且后变焦透镜部分是中继器，其将由前变焦透镜部分形成的中间像转移到最终像。完整的复合变焦透镜系统的总变焦比等于前变焦透镜的变焦比乘以中继器的变焦比。因此，如果前变焦透镜部分的变焦比为20∶1且中继器的变焦比为15∶1，那么整个复合变焦透镜系统的变焦比为300∶1。本发明可用于实现300∶1或更大的变焦比，其大大超过了常规变焦透镜系统的实用限制。

附图说明

图1～图5是本发明的复合变焦透镜系统的光学图，其用于描述系统中使用的移动和固定单元中的一些原理和变化、以及本发明的一些可能的实施例，其中图1～图3说明具有约300∶1变焦比的系统，图4A和图4B具有约130∶1变焦比，且图5A和图5B具有在超宽角度透镜系统中的约13∶1变焦比。

图6A和图6B是本发明的使用三个移动变焦透镜组的变焦透镜系统的另一实施例的光学图，其中所述三个变焦组在图6A中针对短焦距定位、且在图6B中针对长焦距定位。

图7A和图7B是本发明的使用四个移动变焦透镜组的变焦透镜系统的另一实施例的光学图，其中所述四个变焦组在图7A中针对短焦距定位、且在图7B中针对长焦距定位。

图8A和图8B是本发明的使用四个移动变焦透镜组的变焦透镜系统的另一实施例的光学图，其中所述四个变焦组在图8A中针对短焦距定位、且在图8B中针对长焦距定位。

图9A和图9B是本发明的使用三个移动变焦透镜组的变焦透镜系统的另一实施例的光学图，其中所述三个变焦组在图9A中针对短焦距定位、且在图9B中针对长焦距定位。

图10～图62是均涉及本发明的具有约300∶1变焦比的变焦透镜系统的单个实施例的图，其中图10是整个透镜系统的光学图，图11～图30包括处于可移动透镜元件的20个不同代表性位置的透镜系统的光学图，图31～图34包括仅处于所述代表性位置中的四个位置的聚焦单元的透镜元件的光学图，图35和图36仅说明处于所述代表性位置中的两个位置的前部两个变焦透镜组，图37和图38仅说明处于所述代表性位置中的两个位置的后部变焦透镜组，图39～图58分别包括图11～图30中说明的所有透镜元件的相同20个代表性位置的光线像差图，图59包括从最小(底部)到无穷远(顶部)相对于焦点距离的聚焦凸轮移动的曲线图，图60包括相对于系统焦距的三个变焦凸轮移动的曲线图，图61包括最终像处系统的焦距比数相对于系统焦距的曲线图，且图62包括光阑直径相对于系统焦距的曲线图。

图63和图64分别是本发明的并入有二元(衍射)表面的变焦透镜系统的另一实施例的光学图和光线像差曲线图。

图65和图66分别是本发明的并入有二元(衍射)表面的变焦透镜系统的又一实施例的光学图和光线像差曲线图；且图67～图70是涉及具有约400∶1变焦比的本发明的又一实施例的图，其中图67和图68分别是处于7.47mm和2983mm焦距的光学图，且图69和图70分别是处于7.47mm和2983mm焦距的光线像差曲线图。

图71和图72A～图72D是本发明的并入有用于折叠透镜以便增加紧凑性的镜的变焦透镜系统的又一实施例的实例的光学图，其中图72A～图72D为了清楚起见绘示处于平坦(展开)定向的折叠透镜，并说明变焦组的各个位置。

图73A～图73C是本发明的变焦透镜系统的红外线(IR)实施例的示例的光学图，其说明变焦组的各个位置；且图74～图76分别是对应于图73A～图73C所示的变焦组的位置的光线像差曲线图。

图77说明本发明的变焦透镜系统的IR实施例的第二示例的展开布局，其中标示了透镜元件和表面；图78A～图78F说明处于变焦位置Z1-Z6的第二示例IR实施例的展开布局；且图79A～图79F说明处于图78A～图78F所示的变焦位置的第二示例IR实施例的选定光线的衍射调制传递函数(MTF)。

具体实施方式

在优选实施例的以下描述中，参看附图进行说明，且附图形成本文的一部分，其中以说明的方式绘示可实践本发明的特定实施例。应了解，在不脱离本发明的优选实施例的范围的情况下可利用其它实施例，并可作出结构上的变化。

根据其大体方面，本发明提供一种用于形成物体的最终像的变焦透镜系统，所述系统在所述物体与所述最终像之间形成第一中间实像，所述系统包括：

(a)第一光学单元(例如，图10中的透镜元件8到15)，其位于所述物体与所述第一中间实像之间，所述单元包括：经移动以改变所述第一中间实像的尺寸(放大率)的至少一个光学子单元(例如，图10中透镜元件8到11是第一光学单元的放大率变化的主要来源)；以及

(b)第二光学单元(例如，图10中的透镜元件26到33)，其位于所述第一中间实像与所述最终像之间，其至少一部分(例如，一个或一个以上光学子单元、或整个第二光学单元)经移动以改变所述最终像的尺寸(放大率)(例如，图10中，第二光学单元的透镜元件26到28经移动以改变最终像的尺寸)。

优选地，变焦透镜系统包含第一和第二光学单元的任一者或两者中的一个或一个以上光学子单元，第一和第二光学单元经移动以当系统的焦距改变时保持最终像的轴向位置实质上固定(例如，图10中透镜元件12到15是此功能的主要来源)。然而，并非在所有情况下均需要此类子单元(例如，如果总体光学系统具有轴向可移动的传感器)。

优选地，除了第一和第二光学单元外，变焦透镜系统还包括聚焦单元(例如，图10中的透镜元件1到7)、光瞳成像单元(例如，图10中的透镜元件16到25)及/或像稳定化单元(例如，图10中的透镜元件34到39)。

优选地，聚焦单元是：(1)定位在第一光学单元前方，(2)包括可沿着变焦透镜系统的光轴移动的两个光学子单元(例如，图10中的透镜元件2以及元件3和4)，及/或(3)包括七个或少于七个透镜元件。

优选地，像稳定化单元包括：(1)可在系统的光轴外横向移动的至少一个透镜元件(例如，图10中的透镜元件34到36)，及/或(2)可沿着光轴移动的至少一个透镜元件(例如，图10中的透镜元件37到39)。通过系统的光优选地在像稳定化单元的所述横向与轴向可移动的透镜元件之间实质上准直。

除了第一中间实像外，本发明的变焦透镜系统还可在所述物体与所述最终像之间形成额外中间实像。所述系统除了第一和第二单元外还可包含用于改变那些额外中间实像的尺寸(放大率)的额外光学单元。

优选地，第一中间实像形成在变焦透镜系统的光学元件(例如，系统中使用的透镜元件、棱镜、折叠镜等)之间的空气空间中，且在变焦期间不通过光学元件的任何表面。当形成一个以上的中间实像时，优选地对于所有中间像的情况也是如此。

第一光学单元与系统的其它单元组合可具有常规变焦透镜的形式。类似地，第二光学单元与系统的其它单元组合可具有常规变焦透镜形式。因此，总体系统可视为两个常规变焦透镜的“复合”，其具有(根据本发明)对复合变焦透镜之间的光瞳成像的控制。

总体系统也可视为：形成中间像的前变焦透镜、和接收中间像并改变其放大率以形成最终像的中继器系统(relay system)。

本文在对本发明各方面的详细论述中，使用用于描述本发明的变焦透镜系统的这些方法。尽管这些方法提供描述本发明的便利的方式，但应了解，本发明不限于这些描述，且本发明的各种实施例和应用可能不完全服从于此类描述。

根据其它方面，本发明提供一种用于形成物体的最终像的变焦透镜系统，所述系统具有位于最大焦距与最小焦距之间的焦距范围，且针对所述范围内的所有焦距在所述物体与所述最终像之间形成至少一第一中间实像，所述系统包括：

(a)第一透镜单元，其具有经变化以改变第一中间实像的尺寸(放大率)的焦距，针对所述范围内的所有焦距，所述第一透镜单元位于所述物体与所述第一中间实像之间；以及

(b)第二透镜单元，其用于改变所述最终像的尺寸(放大率)，针对所述范围内的所有焦距，所述第二透镜单元位于所述第一中间实像与所述最终像之间。

根据额外方面，本发明提供一种变焦透镜系统，其包括形成中间实像的可变焦距前透镜单元、和形成中间像的像(优选地，实像)的可变放大率后透镜单元。

根据另外方面，本发明提供一种复合变焦透镜系统，其从物体空间收集辐射、并在像空间中将辐射传递到最终像，所述系统包括多个变焦透镜部分，所述变焦透镜部分包含：形成来自物体空间的辐射的中间像的第一变焦透镜部分、和在像空间中形成最终像的最后变焦透镜部分。

根据更多另外方面，本发明提供一种用于形成物体的最终像的变焦透镜系统，所述系统具有光轴、前透镜表面、孔径光阑、和在孔径光阑处横越光轴的主光线(chief ray)，所述系统包括：经移动以改变系统的焦距的第一和第二透镜单元，其中：

(a)在前透镜表面与最终像之间，主光线针对系统的所有焦距在除所述孔径光阑以外的至少一个其它位置处横越光轴；以及

(b)所述系统针对系统的所有焦距形成位于第一和第二透镜单元之间的中间实像。

[对本发明的一些变焦原理和系统的描述]实现待达成的格外高程度的光学校正的复合变焦透镜系统(即，前变焦/变焦中继器系统)存在一些独特方面。暂时设想完整的变焦运动分阶段发生的简化情形。在第一阶段，中继器初始设定在提供中间像小放大率的短焦距位置。因而，中继器的物体共轭将具有小数值孔径NA，且其像共轭将具有大数值孔径NA。(如常规界定的，数值孔径“NA”等于可进入或离开光学系统或元件的子午光线(meridional rays)的最大锥面的顶角的正弦乘以锥面顶点所处的媒介的折射率；且在下文陈述的透镜系统光学规定中，焦距比数等于NA的两倍的倒数，即f＝1/2xNA)。由于物体空间中的中继器的NA等于像空间中前变焦透镜部分的NA，因而显然在此第一阶段，仅需要适当校正前变焦透镜部分以获得小NA。

在第二阶段，前变焦透镜部分固定在其长焦距位置处，且中继器接着变焦以便以越来越大的程度放大中间像。在此第二阶段期间随着系统的焦距增加，中继器的像NA变小且中继器的物体NA变大。因此，前变焦透镜部分的像NA也必须也变大。然而，同时，中间像的实际被使用的径向部分随着系统焦距变大而变得越来越小。

因此，不需要校正前变焦透镜部分以同时获得大中间像尺寸和大相对孔径(NA)。事实上，需要对其进行校正以获得小孔径时的大中间像尺寸，以及获得大孔径时的小中间像尺寸。这使得前变焦透镜部分的设计比具有与本发明的前变焦透镜系统相同的变焦比的传统变焦透镜系统的设计容易许多。

同样，仅需要校正中继器以获得其焦距的小放大率端的大像NA和大物体尺寸。在其焦距变焦范围的另一端，物体尺寸较小且像NA也较小。

如上文所论述，除了前变焦透镜部分和中继器外，本发明的变焦透镜系统优选地还包含光瞳成像单元。此单元用于将前变焦透镜部分的出射光瞳成像到中继器的入射光瞳中。通过选择适当倍率(power)，不仅可使中继器的透镜直径和伴随的像差最小，而且可改进对系统的出射光瞳位置的控制。

同样如上文所论述，由前变焦透镜部分形成的中间像优选地位于当系统从其最小焦距向其最大焦距变焦时不通过任何透镜表面的位置。通过处于前变焦透镜部分与后中继器之间，中间像自动处于提供前变焦透镜部分中的变焦的轴向移动透镜单元的后方，并处于提供后变焦部分中的变焦的任何轴向移动透镜单元的前方。由于在本发明某些实施例中，中间像可在变焦期间移动，所以中间像的任一侧的透镜表面的位置(不论那些表面是固定还是移动的)优选地经选择以使得虽然中间像运动，但所述表面在系统的整个变焦范围内保持与中间像间隔。

图1～图3中针对具有约300∶1的变焦比的PNPP-PNPP复合变焦透镜系统说明本发明的以上特征中的各个特征。如图1中所设计，此复合变焦透镜系统具有变焦比约20∶1的前变焦透镜部分、和变焦比约15∶1的后变焦透镜部分(中继器)。图1中还设计组及其正或负倍率符号。在此复合变焦透镜系统中，当前变焦透镜部分从其最短焦距位置(图1所示)向其最长焦距位置(图2所示)操作时，中继器为固定的。一旦前变焦透镜部分到达其长焦距位置，中继器就开始改变中间像的放大率以进一步增加复合系统的焦距。图3绘示系统处于其最大焦距状态，其中前变焦透镜部分处于其最大焦距位置、且后变焦(中继器)透镜部分处于其最大放大率位置。

图1和图2绘示在从短向长变焦的初始阶段期间发生的中间像平面处的小NA和最终像平面处的大NA。此阶段期间，中间像的尺寸较大，如图所示。图3绘示在最长焦距位置处，NA在中间像处变大且在最终像处变小。

注意，在此实例中，存在8个变焦透镜组，但其中仅4个可独立移动以进行变焦。第1、4、5和8组相对于最终像均为固定的。然而，在聚焦期间，可使这些组中的一者或一者以上移动。

此处概述的情形出于示范性目的。实践中，变焦运动不需要明确地划分为两个阶段，且因此，中继器或其一部分在初始变焦阶段期间可移动且不仅仅是接近焦距的长端。

上文描述的图1～图3的实例具有PNPP-PNPP构造，其中短划线“-”表示前变焦透镜部分的末端。前变焦透镜部分和后变焦透镜部分两者均具有变化器和补偿器变焦组。此配置的一个优点是，可视需要使中间像绝对固定。使像固定将防止其通过任何光学表面，这可能揭露最终像处将出现的表面瑕疵和昏暗像。在后变焦透镜部分中使用四组构造还允许较好地控制出射光瞳位置，这对于匹配某些像传感器的聚焦远心(telecentricity)要求可能很重要。

如果可容许中间像移动，那么有可能排除补偿器之一。在此情况下优选地去除后补偿器，因为其仅在射束直径相对较小时移动。因而，所得的构造将是PNPP-PNP配置。

对于这两种配置，均必须注意使前变焦透镜部分的出射光瞳与中继器的入射光瞳匹配。为此，使用类似目镜的组(eyepiece-like group)为有益的，可将从中间像发出的发散射束转化为近似平行的射束，以进入经校正而获得无穷远共轭的正常PNP或PNPP型变焦透镜系统。

这种类型的高速(大孔径)超宽焦距范围复合变焦透镜系统的一个方面是，中间像及其所有像失真，其会由处于长焦距位置的中继器中的变焦组而被高度地放大。这对前变焦透镜部分且尤其是聚焦组中的二次色像差的校正提出了严格的要求。为了实现此校正，有必要使用至少一个且更可能若干个氟冕玻璃元件(fluor-crown glass element)。作为替代方案，氟化钙或二元(衍射)表面也可用于此目的。

多种二元(衍射)表面(衍射元件)可用于本发明实践中。举例来说，对于某些应用，转让给Canon的第6,507,437号美国专利中揭示的类型的一个或一个以上衍射光学元件，其可单独或与用于校正色像差的其它方法组合使用。

在现有变焦透镜系统上使用PNPP-PNPP或PNPP-PNP配置的一个重要优点是，前变焦透镜部分和后变焦透镜部分(中继器)系统两者均可具有非常大的变焦比。在此情况下比较合理的是针对前变焦透镜部分或后变焦透镜部分具有20∶1或更大的变焦比，使得可能实现400∶1或更大的总变焦比。然而，如果不要求如此大的变焦比，那么可能改为通过使用具有拥有两个移动组的NP配置的中继器，来显著简化所述系统。此中继器对于大孔径应用非常有用，其中中继器中的总变焦比为约3∶1到约10∶1。图4A和图4B中绘示具有约130∶1的复合变焦透镜系统的实例，其具有约20∶1变焦比PNPP的前变焦透镜部分和约6.5∶1变焦比的中继器。图4A说明约7mm的最小焦距，且图4B说明约900mm的最大焦距。此配置的一个缺点是，最后的透镜组不固定；因此其必须经设计以承受大孔径下显著的放大率变化，这使其设计起来有些困难。

还可设计由NP前变焦透镜部分和NP后变焦透镜部分(中继器)组成的更加简化的构造，但此情况下最大变焦比将降低。显然，所述技术可一般化以包含针对前变焦透镜部分和针对后变焦透镜部分的各种变焦透镜配置的大量组合。举例来说，可通过使用具有约2∶1的变焦比的NP、NPP或NPNP超宽角度前变焦透镜部分以及具有约6.5∶1的变焦比的NP后变焦透镜部分(中继器)来构成高变焦比、超宽角度变焦透镜系统。结果将是具有约13∶1的变焦比的复合变焦透镜系统。其最大全视野高达100度或更大。图5A和图5B说明用于2/3″传感器的具有约13∶1的变焦比的4.4mm-57.2mm、f/3-f/7复合变焦透镜系统。此复合变焦透镜系统的宽角度端的全场角大于102度。显然，与图1～图3中使用的后变焦透镜部分(中继器)类似的PNPP型后变焦透镜部分(中继器)可与此相同超宽角度前变焦透镜部分一起使用，以产生具有约30∶1的变焦比的超宽角度复合变焦透镜系统。

中间像的存在对于所有这些配置是共同的，且这为进行现有技术的变焦透镜系统类型中通常不可实现的像差校正提供一些独特的可能性。举例来说，放置在位于中间像附近的元件上的非球面可能对失真和其它场像差产生较强影响，而不会干扰球面像差校正。将非球面放置在此区域中的优点包含：因为射束直径较小且元件本身较小，所以公差较为宽容。这意味着在此区域中使用非球面的成本最小。

[优选实施例的详细描述]如上文在题为“对本发明的一些变焦原理和系统的描述”的段落中所描述，本文揭示的本发明实施例的每一者包含前变焦透镜部分和后变焦透镜部分，藉此形成复合变焦透镜系统。在前变焦透镜部分之后形成中间像，藉此后变焦透镜部分充当变焦中继器以放大中间像，以便提供经放大的最终像，而供胶片或相机中任何其它种类的光检测器或捕获装置(例如，电荷耦合装置(CCD))来捕获。出于本申请案的目的，术语“相机(camera)”一般地用于描述可放置在本发明的透镜系统之后的任何种类的光检测或捕获装置，包含不论含有胶片、视频磁带、光盘、CMOS、CCD还是另一存储媒体的静态、视频或电影捕获装置，或者目镜或人眼。任何此类“相机”可包含额外透镜元件。当前，预期前变焦透镜部分将包括两个移动变焦透镜组、且后变焦透镜部分将包括一个或两个移动变焦透镜组，但应了解，可在不脱离本发明的情况下使用更多或更少的移动变焦透镜组。并且，当前预期整个复合变焦透镜系统中将仅形成一个中间像，但本发明的其它实施例可形成一个以上中间像。

除了前后变焦透镜部分和后变焦透镜部分外，本发明的复合变焦透镜系统优选地还包含聚焦透镜组。所述聚焦透镜组优选地定位在透镜系统前部，如本文揭示的实施例的每一者所示，但在本发明其它实施例中有可能在复合变焦透镜系统中的其它地方实现一些且可能所有的聚焦。

当在此复合变焦透镜系统中形成单一中间像时，最终像倒置、并从由物镜产生的常规定向而从左向右颠倒，且因此必须通过相机来调节像定向。对于针对检测器使用单一芯片的视频相机，有可能仅使芯片围绕光轴旋转180度，使得芯片仿佛最终像是常规定向般而读取最终像。视频相机的定向问题的另一解决方案是，颠倒扫描数据的次序，即代替从左向右和从顶部向底部，而从右向左和从底部向顶部读取数据以实现常规定向。对于在传输整个帧以供使用之前，使用“帧存储(frame store)”特征将整个帧存储在存储器芯片上的视频相机的定向问题的又一解决方案是：仅以相反次序从帧存储存储器(frame store memory)传输所存储的帧。对于电影胶片相机，可将具有胶片暗匣的整个相机倒置以因此向上运转胶片来校正像定向。以常规方式使用并采用本发明变焦透镜系统的电影胶片相机中像定向的另一解决方案是使用数字合成(digital compositing)，其中以数字方式扫描胶片并接着(例如)在数字操作之后，将像以常规定向施加于新的胶片上。在本发明的透镜系统中或结合本发明的透镜系统使用棱镜也将校正最终像的定向。对于这种方法，必须谨慎以使得棱镜不会导致最终像的质量过分恶化(尤其对于本发明透镜系统的高性能应用来说)。

由于本发明变焦透镜系统的复合变焦配置的缘故，复合透镜系统的主体通常将具有充分长度，且因此透镜系统相对于相机的任何偏转或振动均可能导致相机中最终像的不可接受的偏转或振动。因此，至少对于具有大变焦比、长焦距及/或充分长度的本发明的复合变焦透镜系统，预期将使用像稳定化配置。虽然电子像稳定化可适于一些视频相机应用，但对于较高性能变焦透镜系统应用，优选地将光学像稳定化配置包含在复合变焦透镜系统的主体中，且优选地接近透镜系统的相机端，例如下文描述的图10～图62的实施例中包含的那样。

尽管较希望将本发明的复合变焦透镜系统设计和构造为一体式单元以获得最大性能，但也可能使用两个或两个以上可分离组件来实现基本特征。举例来说，常规变焦透镜或其修改形式可用作前变焦透镜部分，且因而后变焦透镜部分可包括单独的附件，其中继并改变由前变焦透镜部分形成的像(所述像变成“中间像”)的放大率(例如，变焦)以形成最终像。因此，前变焦透镜部分将提供一个变焦比、且后附件变焦部分将提供另一变焦比。然而，对于此类组合，应控制光瞳成像以获得具有可接受的光学质量的最终像。常规及/或经修改透镜部分的其它此类组合也可用于提供本发明的复合变焦透镜系统。

图6A到图9B说明本发明的变焦透镜系统的四个不同实施例的光学图。在图6A～图9B的每一者的最右侧，两个矩形框表示常规3CCD 2/3″检测器的棱镜框，所述检测器是视频相机的一部分且因此不是变焦透镜系统的一部分。

下表罗列那四个实施例的每一者的透镜系统光学设计、各个表面的可变厚度位置以及各个表面组的焦距和放大率。鉴于表面的较大数目和包含所有元件的光学图的较小比例尺，为了简单和清楚起见，仅标示图6A到图9B中的对应于透镜系统光学设计中陈述的表面的一些表面。表之后提供对表的更详细解释。

图6A和图6B的表

透镜系统光学设计

注意：最大像直径＝11.0mm

*非球面S11、S14、S28、S42、S45和S50的表面轮廓受制于以下常规等式：

Z = \frac{(CURV) Y^{2}}{1 + {(1 - (1 + K) {(CURV)}^{2} Y^{2})}^{1 / 2}} + (A) Y^{4} + (B) Y^{6} + (C) Y^{8} + (D) Y^{10}

其中：CURV＝1/(表面半径)

Y＝垂直于光轴测量的孔高度

K、A、B、C、D＝系数

Z＝从表面的极点(即，轴向顶点)沿着光轴测量的针对给定Y值的表面轮廓的位置。

表面S11的系数为：表面S42的系数为：

K＝ -0.2197954 K＝ -0.0460624

A＝ 9.0593667e-009 A＝ -2.6257869e-007

B＝ 1.7844857e-013 B＝ -2.5945471e-010

C＝ 1.5060271e-017 C＝ 2.4316558e-013

D＝ -9.7397917e-023 D＝ -1.2995378e-016

表面S14的系数为：表面S45的系数为：

K＝ 0.7048333 K＝ 0.0

A＝ -3.0463508e-007 A＝ -1.1056187e-005

B＝ -1.1451797e-010 B＝ 2.8606310e-008

C＝ 3.4844023e-014 C＝ -1.2655154e-010

D＝ -2.2107339e-017 D＝ 2.2826095e-013

表面S28的系数为：表面S50的系数为：

K＝ -0.9252575 K＝ 0.0

A＝ -1.8743376e-007 A＝ -1.8976230e-006

B＝ -1.0562170e-009 B＝ 1.2489903e-009

C＝ 2.8892387e-012 C＝ -2.3703340e-012

D＝ -3.6671423e-015 D＝ 3.0161146e-015

表面组焦距

S1-S12 266.611

S13-S19 -46.300

S20-S26 91.566

S27-S43 55.841

S44-S47 -32.720

S48-S62 42.594

表面组放大率

表面	P1M’	P1MP’	P2M’	P2MP’	P3M’	P3MP’	P4M’	P4MP’
表面	P1M’	P1MP’	P2M’	P2MP’	P3M’	P3MP’	P4M’	P4MP’	S1-S12	0.000	0.754	0.000	0.672	0.000	0.492	0.000	0.320
S13-S19	-0.238	7.670	-0.268	7.215	-0.374	6.275	-0.599	5.828	S1-S12	0.000	0.754	0.000	0.672	0.000	0.492	0.000	0.320
S13-S19	-0.238	7.670	-0.268	7.215	-0.374	6.275	-0.599	5.828	S20-S26	-0.350	0.876	-0.385	0.843	-0.495	0.746	-0.699	0.550

S27-S43	0.871	-1.159	0.870	-1.159	0.854	-1.159	0.844	-1.159
S27-S43	0.871	-1.159	0.870	-1.159	0.854	-1.159	0.844	-1.159	S44-S47	0.321	-2.846	0.322	-2.829	0.325	-2.794	0.327	-2.793
S48-S62	-1.170	0.304	-1.170	-0.305	-1.170	-0.308	-1.170	-0.308	S44-S47	0.321	-2.846	0.322	-2.829	0.325	-2.794	0.327	-2.793

表面	P1M’	P5MP’	P6M’	P6MP’	P7M’	P7MP’	P8M’	P8MP’
表面	P1M’	P5MP’	P6M’	P6MP’	P7M’	P7MP’	P8M’	P8MP’	S1-S12	0.000	0.195	0.000	0.123	0.000	0.163	0.000	0.124
S13-S19	-1.012	7.410	-1.390	-119.200	-1.382	4.682	-1.386	-141.400	S1-S12	0.000	0.195	0.000	0.123	0.000	0.163	0.000	0.124
S13-S19	-1.012	7.410	-1.390	-119.200	-1.382	4.682	-1.386	-141.400	S20-S26	-0.945	0.312	-1.275	-0.017	-0.715	0.599	-1.279	-0.014
S27-S43	0.834	-1.159	0.833	-1.159	0.774	-1.159	0.826	-1.159	S20-S26	-0.945	0.312	-1.275	-0.017	-0.715	0.599	-1.279	-0.014
S27-S43	0.834	-1.159	0.833	-1.159	0.774	-1.159	0.826	-1.159	S44-S47	0.330	-2.712	0.338	-2.278	0.769	-0.501	0.856	-0.451
S48-S62	-1.170	-0.313	-1.315	-0.361	-2.549	-0.731	-2.693	-0.727	S44-S47	0.330	-2.712	0.338	-2.278	0.769	-0.501	0.856	-0.451

其中，P1M′是等于(入射边缘光线角)/(出射边缘光线角)的透镜组的透镜组放大率，且P1MP′是等于入射主光线角/出射主光线角的透镜组放大率，诸如此类，一直到P8M′和P8MP′；

前两个符号表示位置号，例如P1M′和P1MP′针对位置1。

图7A和7B的表

透镜系统光学设计

注意：最大像直径＝11.0mm

*非球面S13、S16、S19、S20、S30、S47、S54和S70的表面轮廓受制于以下常规等式：

Z = \frac{(CURV) Y^{2}}{1 + {(1 - (1 + K) {(CURV)}^{2} Y^{2})}^{1 / 2}} + (A) Y^{4} + (B) Y^{6} + (C) Y^{8} + (D) Y^{10} + (E) Y^{12} + (F) Y^{14} + (G) Y^{16}

其中：CURV＝1/(表面半径)

Y＝垂直于光轴测量的孔高度

K、A、B、C、D、E、F、G＝系数

表面S13的系数为：表面S20的系数为：表面S54的系数为：

K＝ -0.1600976 K＝ 0.0 K＝ 0.0

A＝ 6.9210418e-009 A＝ 3.4619978e-008 A＝ -2.743254e-006

B＝ 2.2313210e-013 B＝ 4.2692157e-011 B＝ -2.133804e-009

C＝ 1.1852054e-017 C＝ -7.0823340e-014 C＝ 1.668568e-011

D＝ -2.0918949e-021 D＝ -2.3957687e-017 D＝ -1.9544629e014

E＝ 2.2579263e-025 E＝ 5.4513203e-020 E＝ 0.0

F＝ 8.1799420e-030 F＝ -1.4597367e-023 F＝ 0.0

G＝ -1.2582071e-033 G＝ -4.1263059e-027 G＝ 0.0

表面S16的系数为：表面S30的系数为：表面S70的系数为：

K＝ 0.9059289 K＝ -0.8025959 K＝ -2.3

A＝ -4.3564263e-007 A＝ -3.8556154e-007 A＝ 3.877213e-007

B＝ -1.3760665e-010 B＝ -5.4410316e-010 B＝ 4.916800e-010

C＝ 1.1349273e-014 C＝ 7.0427510e-012 C＝ -1.461192e-012

D＝ -3.8588303e-017 D＝ -8.5740313e-015 D＝ -3.258352e-017

E＝ 1.5211558e-020 E＝ -5.2635786e-017 E＝ 4.664784e-018

F＝ -5.1726796e-025 F＝ 1.0608042e-019 F＝ -4.216175e-021

G＝ -2.0900671e-027 G＝ 7.5783088e-023 G＝ 0.0

表面S19的系数为：表面S47的系数为：

K＝ 0.0 K＝ 0.0

A＝ -6.5866466e-008 A＝ -1.2184510e-005

B＝ -3.2305127e-011 B＝ 1.2115245e-007

C＝ -3.5095033e-014 C＝ -3.0828524e-010

D＝ 4.0315700e-017 D＝ -5.7252449e-014

E＝ -6.1913043e-021 E＝ 0.0

F＝ -2.4403843e-023 F＝ 0.0

G＝ 9.0865109e-027 G＝ 0.0

表面组焦距

S1-S14 283.564

S15-S21 -52.598

S22-S28 102.619

S29-S58 51.668

S59-S66 -29.319

S67-S69 178.034

S70-S77 70.650

表面组放大率

表面	P1M’	P1MP’	P2M’	P2MP’	P3M’	P3MP’	P4M’	P4MP’
表面	P1M’	P1MP’	P2M’	P2MP’	P3M’	P3MP’	P4M’	P4MP’	S1-S14	0.000	0.740	0.000	0.564	0.000	0.318	0.000	0.179
S15-S21	-0.260	7.365	-0.347	6.511	-0.644	6.193	-1.207	7.342	S1-S14	0.000	0.740	0.000	0.564	0.000	0.318	0.000	0.179
S15-S21	-0.260	7.365	-0.347	6.511	-0.644	6.193	-1.207	7.342	S22-S28	-0.369	0.833	-0.462	0.740	-0.736	0.466	-0.896	0.306
S29-S58	-2.392	-0.356	-2.392	-0.356	-2.392	-0.356	-2.392	-0.356	S22-S28	-0.369	0.833	-0.462	0.740	-0.736	0.466	-0.896	0.306
S29-S58	-2.392	-0.356	-2.392	-0.356	-2.392	-0.356	-2.392	-0.356	S59-S66	-0.282	25.995	-0.282	25.995	-0.282	25.993	-0.282	25.994
S67-S69	14680.000	0.231	14680.000	0.231	14680.000	0.231	14680.000	0.231	S59-S66	-0.282	25.995	-0.282	25.995	-0.282	25.993	-0.282	25.994
S67-S69	14680.000	0.231	14680.000	0.231	14680.000	0.231	14680.000	0.231	S70-S77	0.000	0.447	0.000	0.447	0.000	0.447	0.000	0.447

表面	P5M’	P5MP’	P6M’	P6MP’	P7M’	P7MP’
表面	P5M’	P5MP’	P6M’	P6MP’	P7M’	P7MP’	S1-S14	0.000	0.117	0.000	0.174	0.000	0.117
S15-S21	-1.468	-19.350	-1.150	14.886	-1.468	-19.350	S1-S14	0.000	0.117	0.000	0.174	0.000	0.117
S15-S21	-1.468	-19.350	-1.150	14.886	-1.468	-19.350	S22-S28	1.303	-0.101	-1.065	0.137	-1.303	-0.101
S29-S58	-2.392	-0.356	-2.392	-0.356	-2.392	-0.356	S22-S28	1.303	-0.101	-1.065	0.137	-1.303	-0.101
S29-S58	-2.392	-0.356	-2.392	-0.356	-2.392	-0.356	S59-S66	-0.282	25.994	-2.227	0.319	-4.006	0.300
S67-S69	14680.000	0.231	271.410	2.365	81.569	1.386	S59-S66	-0.282	25.994	-2.227	0.319	-4.006	0.300
S67-S69	14680.000	0.231	271.410	2.365	81.569	1.386	S70-S77	0.000	0.447	-0.001	-0.374	-0.005	-1.131

其中，P1M′是等于(入射边缘光线角)/(出射边缘光线角)的透镜组的透镜组放大率，且P1MP′是等于入射主光线角/出射主光线角的透镜组放大率，诸如此类，一直到P7M′和P7MP′；

前两个符号表示位置号，例如P1M′和P1MP′针对位置1。

图8A和8B的表

透镜系统光学设计

注意：最大像直径＝11.0mm

*非球面S12和S26的表面轮廓受制于以下常规等式：

Z = \frac{(CURV) Y^{2}}{1 + {(1 - (1 + K) {(CURV)}^{2} Y^{2})}^{1 / 2}} + (A) Y^{4} + (B) Y^{6} + (C) Y^{8} + (D) Y^{10}

其中：CURV＝1/(表面半径)

Y＝垂直于光轴测量的孔高度

K、A、B、C、D＝系数

表面S12的系数为：

K＝ 0.0

A＝ -1.3820532e-007

B＝ -2.7133115e-011

C＝ -9.2535195e-015

D＝ 3.3313103e-018

表而S26的系数为：

K＝ -0.5520119

A＝ -1.0148386e-006

B＝ -5.9646048e-011

C＝ -1.3030573e-013

D＝ 3.2918363e-016

表面组焦距

S1-S10 262.599

S11-S17 -50.895

S18-S24 98.756

S25-S47 37.686

S48-S53 -25.559

S54-S56 106.555

S57-S62 81.336

表面组放大率

表面	P1M’	P1MP’	P2M’	P2MP’	P3M’	P3MP’	P4M’	P4MP’
表面	P1M’	P1MP’	P2M’	P2MP’	P3M’	P3MP’	P4M’	P4MP’	S1-S10	0.000	0.805	0.000	0.626	0.000	0.337	0.000	0.191
S11-S17	-0.248	7.962	-0.323	7.245	-0.625	7.155	-1.136	9.531	S1-S10	0.000	0.805	0.000	0.626	0.000	0.337	0.000	0.191
S11-S17	-0.248	7.962	-0.323	7.245	-0.625	7.155	-1.136	9.531	S18-S24	-0.349	0.734	-0.431	0.633	-0.680	0.394	-0.831	0.233
S25-S47	-1.752	-0.293	-1.612	-0.293	-1.683	-0.293	-1.613	-0.293	S18-S24	-0.349	0.734	-0.431	0.633	-0.680	0.394	-0.831	0.233
S25-S47	-1.752	-0.293	-1.612	-0.293	-1.683	-0.293	-1.613	-0.293	S48-S53	-0.505	5.934	-0.574	4.957	-0.532	5.900	-0.571	5.176
S54-S56	-1.558	1.108	-1.529	1.487	-1.539	1.120	-1.533	1.378	S48-S53	-0.505	5.934	-0.574	4.957	-0.532	5.900	-0.571	5.176
S54-S56	-1.558	1.108	-1.529	1.487	-1.539	1.120	-1.533	1.378	S57-S62	0.233	1.240	0.235	3.217	0.234	1.263	0.234	2.205

表面	P5M’	P5MP’	P6M’	P6MP’	P7M’	P7MP’
表面	P5M’	P5MP’	P6M’	P6MP’	P7M’	P7MP’	S1-S10	0.000	0.130	0.000	0.184	0.000	0.120
S11-S17	-1.263	-8.111	-1.246	6.886	-1.285	-6.384	S1-S10	0.000	0.130	0.000	0.184	0.000	0.120
S11-S17	-1.263	-8.111	-1.246	6.886	-1.285	-6.384	S18-S24	-1.324	-0.233	-0.748	0.350	-1.444	-0.301
S25-S47	-1.813	-0.293	-1.890	-0.293	-2.412	-0.293	S18-S24	-1.324	-0.233	-0.748	0.350	-1.444	-0.301
S25-S47	-1.813	-0.293	-1.890	-0.293	-2.412	-0.293	S48-S53	-0.496	4.492	-3.524	0.483	-4.060	0.347
S54-S56	-1.600	1.750	-1.939	2.244	-1.904	1.880	S48-S53	-0.496	4.492	-3.524	0.483	-4.060	0.347
S54-S56	-1.600	1.750	-1.939	2.244	-1.904	1.880	S57-S62	0.230	-29.370	0.234	-0.833	0.231	-1.610

前两个符号表示位置号，例如P1M′和P1MP′针对位置1。

图9A和9B的表

透镜系统光学设计

注意：最大像直径＝11.0mm

*非球面S20和S34的表面轮廓受制于以下常规等式：

Z = \frac{(CURV) Y^{2}}{1 + {(1 - (1 + K) {(CURV)}^{2} Y^{2})}^{1 / 2}} + (A) Y^{4} + (B) Y^{6} + (C) Y^{8} + (D) Y^{10}

其中：CURV＝1/(表面半径)

Y＝垂直于光轴测量的孔高度

K、A、B、C、D＝系数

表面S20的系数为：

K＝ -0.3254663

A＝ -3.65160e-007

B＝ -1.14704e-010

C＝ -5.60564e-014

D＝ -5.86283e-018

表面S34的系数为：

K＝ 0.348034

A＝ 1.350560e-006

B＝ 2.453070e-009

C＝ -2.820340e-012

D＝ 4.745430e-015

表面组焦距

S2-S3 -379.209

S4-S5 -597.975

S6-S11 484.131

S12-S18 229.394

S2-S18 262.190

S19-S25 -49.050

S26-S32 79.931

S33-S51 41.254

S52-S57 -26.810

S58-S79 70.920

表面组放大率

表面	P1M’	P1MP’	P2M’	P2MP’	P3M’	P3MP’	P4M’	P4MP’
表面	P1M’	P1MP’	P2M’	P2MP’	P3M’	P3MP’	P4M’	P4MP’	S2-S3	0.000	1.732	0.066	1.710	0.129	1.696	0.000	1.971

S4-S5	0.599	1.754	0.594	1.563	0.59	1.425	0.599	2.388
S4-S5	0.599	1.754	0.594	1.563	0.59	1.425	0.599	2.388	S6-S11	2.150	0.529	2.229	0.608	2.304	0.682	2.150	0.374
S12-S18	-0.537	0.642	-0.537	0.642	-0.537	0.642	-0.537	0.53	S6-S11	2.150	0.529	2.229	0.608	2.304	0.682	2.150	0.374
S12-S18	-0.537	0.642	-0.537	0.642	-0.537	0.642	-0.537	0.53	S2-S18	0.000	1.030	-0.047	1.043	-0.094	1.058	0.000	0.934
S19-S25	-0.185	8.447	-0.185	8.447	-0.185	8.447	-0.206	7.952	S2-S18	0.000	1.030	-0.047	1.043	-0.094	1.058	0.000	0.934
S19-S25	-0.185	8.447	-0.185	8.447	-0.185	8.447	-0.206	7.952	S26-S32	-0.252	0.756	-0.252	0.756	-0.252	0.756	-0.252	0.731
S33-S51	-1.446	-0.378	-1.446	-0.378	-1.446	-0.378	-1.442	-0.378	S26-S32	-0.252	0.756	-0.252	0.756	-0.252	0.756	-0.252	0.731
S33-S51	-1.446	-0.378	-1.446	-0.378	-1.446	-0.378	-1.442	-0.378	S52-S57	-0.673	6.392	-0.673	6.392	-0.673	6.392	-0.676	6.392
S58-S79	-0.611	0.966	-0.611	0.966	-0.611	0.966	-0.611	0.966	S52-S57	-0.673	6.392	-0.673	6.392	-0.673	6.392	-0.676	6.392

表面	P5M’	P5MP’	P6M’	P6MP’	P37M’	P7MP’	P8M’	P8MP’
表面	P5M’	P5MP’	P6M’	P6MP’	P37M’	P7MP’	P8M’	P8MP’	S2-S3	0.000	2.695	0.000	6.440	0.000	-4.655	0.000	-1.279
S4-S5	0.599	-24.64	0.599	-0.414	0.599	0.216	0.599	0.403	S2-S3	0.000	2.695	0.000	6.440	0.000	-4.655	0.000	-1.279
S4-S5	0.599	-24.64	0.599	-0.414	0.599	0.216	0.599	0.403	S6-S11	2.150	-0.033	2.150	-1.271	2.150	-127.8	2.150	4.484
S12-S18	-0.537	0.365	-0.537	0.187	-0.537	0.004	-01537	-0.147	S6-S11	2.150	-0.033	2.150	-1.271	2.150	-127.8	2.150	4.484
S12-S18	-0.537	0.365	-0.537	0.187	-0.537	0.004	-01537	-0.147	S2-S18	0.000	0.788	0.000	0.633	0.000	0.473	0.000	0.341
S19-S25	-0.245	7.233	-0.31	6.531	-0.424	6.046	-0.601	6.421	S2-S18	0.000	0.788	0.000	0.633	0.000	0.473	0.000	0.341
S19-S25	-0.245	7.233	-0.31	6.531	-0.424	6.046	-0.601	6.421	S26-S32	-0.319	0.688	-0.386	0.622	-0.496	0.512	-0.646	0.362
S33-S51	-1.445	-0.378	-1.448	-0.378	-1.448	-0.378	-1.449	-0.378	S26-S32	-0.319	0.688	-0.386	0.622	-0.496	0.512	-0.646	0.362
S33-S51	-1.445	-0.378	-1.448	-0.378	-1.448	-0.378	-1.449	-0.378	S52-S57	-0.673	6.392	-0.671	6.392	-0.671	6.392	-0.67	6.392
S58-S79	-0.611	0.966	-0.612	0.966	-0.612	0.966	-0.612	0.966	S52-S57	-0.673	6.392	-0.671	6.392	-0.671	6.392	-0.67	6.392

表面	P9M’	P9MP’	P10M’	P10MP’	P11M’	P11MP’	P12M’	P12MP’
表面	P9M’	P9MP’	P10M’	P10MP’	P11M’	P11MP’	P12M’	P12MP’	S2-S3	0.000	-0.736	0.000	-0.549	0.000	-0.387	0.000	-0.365
S4-S5	0.599	0.468	0.599	0.496	0.599	0.522	0.599	0.526	S2-S3	0.000	-0.736	0.000	-0.549	0.000	-0.387	0.000	-0.365
S4-S5	0.599	0.468	0.599	0.496	0.599	0.522	0.599	0.526	S6-S11	2.150	3.296	2.150	2.964	2.150	2.701	2.150	2.668
S12-S18	-0.537	-0.234	-0.537	-0.279	-0.537	-0.330	-0.537	-0.338	S6-S11	2.150	3.296	2.150	2.964	2.150	2.701	2.150	2.668
S12-S18	-0.537	-0.234	-0.537	-0.279	-0.537	-0.330	-0.537	-0.338	S2-S18	0.000	0.265	0.000	0.225	0.000	0.180	0.000	0.173
S19-S25	-0.771	8.327	-0.894	11.79	-0.983	-18.95	-1.004	-14.68	S2-S18	0.000	0.265	0.000	0.225	0.000	0.180	0.000	0.173
S19-S25	-0.771	8.327	-0.894	11.79	-0.983	-18.95	-1.004	-14.68	S26-S32	-0.770	0.233	-0.846	0.152	-1.064	-0.084	-1.092	-0.107
S33-S51	-1.431	-0.378	-1.406	-0.378	1.344	-0.378	-1.359	-0.378	S26-S32	-0.770	0.233	-0.846	0.152	-1.064	-0.084	-1.092	-0.107
S33-S51	-1.431	-0.378	-1.406	-0.378	1.344	-0.378	-1.359	-0.378	S52-S57	-0.692	5.731	-0.728	4.790	-0.916	2.531	-1.194	1.491
S58-S79	-0.611	1.263	-0.611	2.227	-0.611	-2.992	-0.610	-1.604	S52-S57	-0.692	5.731	-0.728	4.790	-0.916	2.531	-1.194	1.491

表面	P13M’	P13MP’	P14M’	P14MP’	P15M’	P15MP’	P16M’	P16MP’
表面	P13M’	P13MP’	P14M’	P14MP’	P15M’	P15MP’	P16M’	P16MP’	S2-S3	0.000	-0.351	0.000	-0.348	0.041	-0.294	0.085	-0.24
S4-S5	0.599	0.529	0.599	0.529	0.596	0.529	0.593	0.529	S2-S3	0.000	-0.351	0.000	-0.348	0.041	-0.294	0.085	-0.24
S4-S5	0.599	0.529	0.599	0.529	0.596	0.529	0.593	0.529	S6-S11	2.150	2.646	2.150	2.642	2.199	2.691	2.250	2.742
S12-S18	-0.537	-0.344	-0.537	-0.345	-0.537	-0.345	-0.537	-0.345	S6-S11	2.150	2.646	2.150	2.642	2.199	2.691	2.250	2.742
S12-S18	-0.537	-0.344	-0.537	-0.345	-0.537	-0.345	-0.537	-0.345	S2-S18	0.000	0.169	0.000	0.168	-0.029	0.145	-0.061	0.12
S19-S25	-0.919	-5.386	-0.870	-3.955	-0.869	-3.955	-0.869	-3.955	S2-S18	0.000	0.169	0.000	0.168	-0.029	0.145	-0.061	0.12

S26-S32	-1.351	-0.287	-1.561	-0.395	-1.561	-0.395	-1.561	-0.395
S26-S32	-1.351	-0.287	-1.561	-0.395	-1.561	-0.395	-1.561	-0.395	S33-S51	-1.719	-0.378	-2.606	-0.378	-2.61	-0.378	-2.612	-0.378
S52-S57	-2.093	0.631	-3.758	0.316	-3.685	0.316	-3.626	0.316	S33-S51	-1.719	-0.378	-2.606	-0.378	-2.61	-0.378	-2.612	-0.378
S52-S57	-2.093	0.631	-3.758	0.316	-3.685	0.316	-3.626	0.316	S58-S79	-0.613	-1.659	-0.600	-7.955	-0.610	-7.955	-0.619	-7.955

表面	P17M’	P17MP’
表面	P17M’	P17MP’	S2-S3	0.129	-0.183
S4-S5	0.590	0.528	S2-S3	0.129	-0.183
S4-S5	0.590	0.528	S6-S11	2.304	2.795
S12-S18	-0.537	-0.345	S6-S11	2.304	2.795
S12-S18	-0.537	-0.345	S2-S18	-0.094	0.093
S19-S25	-0.869	-3.955	S2-S18	-0.094	0.093
S19-S25	-0.869	-3.955	S26-S32	-1.561	-0.395
S33-S51	-2.612	-0.378	S26-S32	-1.561	-0.395
S33-S51	-2.612	-0.378	S52-S57	-3.629	0.316
S58-S79	-0.618	-7.955	S52-S57	-3.629	0.316

其中，P1M′是等于(入射边缘光线角)/(出射边缘光线角)的透镜组的透镜组放大率，且P1MP′是等于入射主光线角/出射主光线角的透镜组放大率，诸如此类，一直到P17M′和P17MP′；

前两个符号表示位置号，例如P1M′和P1MP′针对位置1。

由表面69到73界定的元件组在垂直于光轴的方向上平移以补偿像振动。

在上文提供的四个实施例的每一者的透镜系统光学设计(opticalprescription)中，左手栏(“表面”)中标示透镜元件的每一表面，第二栏(“半径”)中标示所述表面的半径，第三栏(“厚度”)中标示所述表面与下一表面(不论玻璃还是空气)之间的光轴上的厚度，第四栏(“玻璃指数”)中陈述玻璃透镜元件的折射率，以及第五栏中陈述透镜元件的色散值(“玻璃色散”)。第一栏“表面”中的表面号表示所述表面在图中以常规方式从左向右(即，从物体空间向像空间)编号。

在上文提供的每一透镜系统光学设计的左手或“表面”栏中，将待成像(例如，摄影)的物体标示为“物体”，可调节虹膜或光阑标示为“光阑”，且最终像标示为“像”。在透镜系统光学设计的第三或厚度栏中，将例如可移动变焦组的任一侧的透镜元件之间的可调节空间标示为“可变”。以毫米为单位给出EFL、半径和厚度尺寸，其中厚度是光轴上所述表面之后的距离。当邻近元件的两个表面具有相同半径且重合时(如双重透镜或三合透镜中)，第一或“表面”栏中仅标示一个表面。

对于四个实施例的每一者，光学设计表之后提供非球面的每一者的非球面系数。

另外，对于四个实施例的每一者，提供每一透镜系统光学设计中各个表面的可变厚度位置表，其以格式“Px”标示各个表面(对应于光学设计表的表面栏中的条目)的位置还针对每一位置提供有效焦距(effective focallength，EFL)和焦距比数(F/No.)。

现将简要描述图6A～图9B的四个实施例的每一者以标示它们的一些差异。图6A和图6B的实施例具有约7.25mm到900mm的有效焦距范围，其提供约125∶1的变焦比，同时使用三个可移动变焦透镜组，即变焦1、变焦2和变焦3，其中聚焦透镜组聚焦于透镜的物体空间端。变焦3组实际上包括在表面S47与S48之间具有少量移动的两组元件(比较图6A和图6B)。图7A和图7B的实施例具有约7.27mm到2088mm的有效焦距范围，其提供约287∶1的变焦比，并具有四个可移动变焦透镜组(变焦1、2、3和4)和一聚焦透镜组图8A和图8B的实施例具有约7.27mm到2095mm的有效焦距范围，其也提供约287∶1的变焦范围，并具有四个移动变焦透镜组和一聚焦透镜组所述实施例非常类似于图7A和图7B的透镜实施例的性能。类似地，图9A和图9B的实施例具有约7.27mm到2092mm的有效焦距范围，其也提供约287∶1的变焦比，但仅使用三个移动变焦透镜组。这四个实施例的每一者包含多个非球面，其中图8A～图8B以及图9A～图9B的实施例仅具有两个此类表面，而图7A～图7B的实施例包含八个此类表面，如透镜系统光学设计中所指示。图9A和图9B的实施例还包含接近透镜系统的相机端的光学像稳定化透镜元件，其与下文将描述的图10～图62实施例中包含的透镜元件类似。

[图10～图62的实施例的详细描述]如在上文题为“附图说明”的段落中注意到，图10～图62均涉及直接且即时适用于广播电视市场的本发明的单个实施例，但也可用于其它市场且本发明的各种其它实施例和修改可能更适用于其它市场。本发明的复合变焦透镜系统的此实施例具有约7mm到2100mm的焦距变焦范围，藉此提供约300∶1的变焦比，其是广播电视变焦透镜系统中当前可实现的变焦比的三倍以上。更具体参看图10的光学图，变焦透镜系统ZL包括聚焦透镜组FG、前变焦组FZG和后变焦组RZG。对于此实施例的描述，透镜系统的光阑用作透镜的“前部”与“后部”之间的间隔物。根据上文陈述的“本发明各种特征和所揭示实施例的描述”中使用的术语，聚焦透镜组FG是聚焦单元，前变焦组FZG是第一光学单元且后变焦组RZG包含光瞳成像单元和像稳定化单元以及第二光学单元。

聚焦组FG包括七个透镜元件1-7，其中前透镜元件1为固定的，藉此可通过将元件1固定并密封到透镜镜筒(未图示)而将透镜在前方密封。透镜元件2包括第一聚焦组FG1，且透镜元件3和4包括第二聚焦组FG2，这两组均可独立移动以实现每一焦距处所需的聚焦。聚焦组FG的元件5-7为固定的。

前变焦组FZG具有：包括透镜元件8-11的第一变焦组ZG1、和包括透镜元件12-15的第二变焦组ZG2，这两个变焦组均可独立移动。虹膜或孔径光阑“光阑”定位在第二变焦组ZG2与形成后变焦组RZG的前部分的第一组RG1之间。

第一组RG1包括保持固定的透镜元件16-25。中间像形成在第一组RG1中的透镜元件22与23之间。尽管此第一组RG1的所有透镜元件16-25始终保持固定，但在透镜系统于最大与最小焦距之间的变焦期间，中间像在较长焦距处沿着光轴在透镜元件22与23之间移动而不接触那些元件中的任一者。后变焦组RZG的下一透镜组是包括可轴向移动的透镜元件26-28的第三变焦组ZG3。后变焦组RZG内的下一透镜组是包括固定的透镜元件29-33的第二组RG2。后变焦组RZG中接下来的元件包括稳定化组SG，其具有带有透镜元件34-36的径向偏心组SG1和带有透镜元件37-39的轴向可调节组SG2。三个变焦组ZG1、ZG2和ZG3可沿着光轴独立移动以便形成约7mm到2100mm的全焦距范围。最后，图10还说明两个棱镜框40和41(但其本质上并非变焦透镜系统的一部分)，其模拟视频相机的三个常规CCD 2/3″检测器以便完成从物体空间到最终像的光学图。

第一或偏心稳定化组SG1可响应于透镜的所感测振动而在任何方向上从系统的光轴径向移动约0.5mm或0.5mm以上，以将像平面处的最终像维持在稳定位置。可通过例如闭合回路系统中的加速计、处理器和由处理器控制的马达等任何常规构件以连续方式实现对组SG1的振动和移动的感测。第二或轴向稳定化组SG2可轴向移动以进行任一方向上约1.25mm或1.25mm以上的轴向调节，从而实现后焦点调节。第二稳定化组SG2还可向前轴向移动较大的量，以实现透镜的短焦距处的延长的近焦点(closefocus)。第一稳定化组SG1与第二稳定化组SG2之间(即，透镜元件36与37之间)的光线经实质上准直，藉此那两个组的用于实现稳定化、延长近焦点和调节后焦点的移动不会导致最终像的任何显著恶化。

偏心稳定化组SG1还可用于通过促使透镜组SG1以震动样式径向移动，以藉此模拟(例如)地震、移动车辆或战争电影中的爆炸引起的震动，来产生特殊效果。还可通过以摆动方式轴向移动透镜组SG2(其使图片稍许散焦)来产生此类特殊效果。SG1的径向移动也可与SG2的轴向移动组合以产生不同的特殊效果。

下文在大体题为“图10到图62的表”的表中陈述图10～图62的实施例的变焦透镜系统ZL的完整透镜设计。透镜系统光学设计表类似于上文图6A～图9B的变焦透镜的透镜设计。表之后提供对表的更详细解释。

图10到图62的表

透镜系统光学设计

注意：最大像直径＝11.0mm

*非球面S20和S34的表面轮廓受制于以下常规等式：

Z = \frac{(CURV) Y^{2}}{1 + {(1 - (1 + K) {(CURV)}^{2} Y^{2})}^{1 / 2}} + (A) Y^{4} + (B) Y^{6} + (C) Y^{8} + (D) Y^{10}

其中：CURV＝1/(表面半径)

Y＝垂直于光轴测量的孔高度

K、A、B、C、D＝系数

表面S20的系数为：表面S34的系数为：

K＝ -0.3564030 K＝ 0.4304790

A＝ -8.06827e-07 A＝ 9.57697e-07

B＝ -2.15109e-10 B＝ 1.31318e-09

C＝ -6.36649e-14 C＝ -1.45592e-12

D＝ -3.89379e-18 D＝ 3.19536e-15

表面组焦距

S2-S3 -349.648

S4-S5 -581.962

S6-S7 798.201

S10-S11 1258.758

S12-S13 672.072

S14-S15 709.848

S16-S17 646.676

S19-S20 -64.565

S21-S22 -526.211

S23-S25 -554.999

S26-S27 135.208

S28-S30 113230.702

S31-S32 240.348

S34-S35 -65.863

S36-S37 144.623

S38-S40 60.255

S41-S43 -70.987

S44-S45 58.010

S46-S47 205.873

S48-S49 52.593

S50-S51 38.634

S52-S53 -27.000

S54-S55 -34.933

S56-S57 -2495.053

S58-S59 284.851

S60-S61 167.476

S62-S64 292.466

S66-S67 97.878

S69-S70 -90.217

S71-S73 -72.295

S75-S76 61.902

S77-S79 1261.227

S80-S81 无穷远

S82-S83 无穷远

透镜系统光学设计表包括透镜规格的“列表”且在左手栏中以数字罗列每一透镜“表面”，但还包含设计中使用的虚设表面，例如虚设表面S1、S8、S9、S18、S65、S74和S84。第二栏“半径”罗列各自表面的半径，其中负半径指示曲率中心在左侧。第三栏“厚度”罗列透镜元件的厚度或从所述表面到光轴上的下一表面的空间。第四栏“玻璃名称”罗列玻璃的类型，且第五栏“制造商”罗列每一玻璃材料的制造商。第五栏“半孔径”提供每一透镜元件的一半的孔径的量度。

在左手栏中，图例“物体”是指待成像(例如，摄影)的物体，图例“光阑”是指虹膜或光阑，且图例“像”是指最终像。所述表面的每一者由前面加上“S”的数字标示以将表面与标示后续页陈述的透镜元件的数字进行区分，所述透镜元件包括上文参看图10描述的39个玻璃透镜元件以及检测器的棱镜40和41。

应注意，罗列表面的表的第三栏中陈述的厚度尺寸的每一者是设定为最短焦距透镜(7.39mm EFL)并在无穷远处聚焦的变焦透镜系统ZL的沿着光轴的元件厚度或空气空间。邻近于移动透镜组的空气空间的“厚度”对于其它焦距和焦点距离显然将变化。

对于每一非球面，光学设计表之后提供非球面系数。

图11～图30说明图10的变焦透镜系统的20个代表性位置。以下透镜位置表中罗列这20个位置：

透镜位置表

*焦点距离是从变焦透镜系统的第一折射表面到物体测得的。

#此位置处焦距比数等于16.75。

选择二十(20)个位置作为焦距和焦点距离的极限位置以及中间位置的代表性位置，以便建立图10的变焦透镜系统ZL的代表性性能。换句话说，位置1处于约7.4mm的最小旁轴焦距(宽角度)处并聚焦在无穷远处，而位置18针对相同焦距聚焦在2550mm(约八英尺)处。类似地，位置12表示在无穷远焦点处约2065mm的最长旁轴焦距，而位置15表示在相同旁轴焦距下在2550mm处的焦点。第一栏中的旁轴EFL处于无穷远焦点处。焦距比数处于任何给定焦点处并处于全孔径。12个不同的焦距提供变焦透镜系统ZL的全范围内的代表性焦距。并且，应注意，由于变焦组的失真和可实现的物理超程(physical overtravel)超过下文陈述的透镜系统光学设计中的数据的缘故，实际视野产生实质上7.0mm到2100mm的表观焦距范围，即约300∶1的变焦比，其中失真主要影响最小旁轴EFL的减小，且超程主要影响最大旁轴EFL的增加。在焦点设定在八英尺处的2100mm EFL处，放大率为约1.33∶1.00(物体比像尺寸)。如图10～图62的透镜光学设计表中所反映的图10～图62的实施例的标称透镜设计是在77°F(25℃，298K)和标准大气压力(760mm Hg)下给出的。

现参看图11～图30，以上透镜系统光学设计和前述透镜位置表中陈述的二十个位置1-20以所述次序绘示。举例来说，图11是处于位置1，即旁轴有效焦距(EFL)为7.391mm且聚焦在无穷远处的透镜元件的光学图，其中第一和第二聚焦组FG1和FG2紧密分离，第一和第二变焦组ZG1和ZG2较宽地分离，且第三变焦组ZG3处于其最向前位置。另一方面，图25是表示具有最大焦距和最短焦点距离的位置15的光学图，其中第一和第二聚焦组FG1和FG2两者均处于其最后方位置，第一和第二变焦组ZG1和ZG2处于紧密间隔位置但间隔于邻近透镜组中间，且第三变焦组ZG3处于最后方位置。

图31～图34是仅七个聚焦组FG元件1-7的放大光学图，并分别说明代表性位置1、18、12和15。应注意，虽然图32和图34中的透镜元件位置相同，表示2550mm的焦点距离，但由于从图32中约7.4mm的最小值到图34中约2065mm的最大值的旁轴焦距差异的缘故，光线跟踪(raytracing)不同。

图35和图36分别是说明聚焦组FG的最后透镜元件7以及分别处于位置1和12以实现最小和最大旁轴焦距的第一和第二变焦组ZG1和ZG2的放大光学图。类似地，图37和图38均分别表示后变焦组RZG，其中第三变焦组ZG3处于表示最小和最大旁轴焦距位置的最前和最后位置1和12。

现参看图39～图58，以常规方式用五个单独曲线图(其中最大场高度处于顶部且零场高度处于底部)并针对其上罗列的五个波长分别绘示位置1-20的光线像差曲线图。如所属领域的技术人员将容易了解，这些性能曲线证实在所有20个位置中，变焦透镜系统对于当前广播电视NTSC质量来说性能格外好，且对于HDTV广播电视质量来说性能格外好。虽然表示位置12的图50说明处于此焦距处并聚焦在无穷远处时光线像差的广泛变化，但性能是令人满意的，因为调制传递函数接近衍射极限。类似地，分别表示位置14和15的图52和图53说明广泛变化的光线像差，但对于这些近焦点和长焦距位置来说相对于衍射极限仍是可接受的。

现参看图59，针对从无穷远到近焦点的全焦距行程范围(其中物体空间在左侧)绘示(分别为左和右)第一和第二聚焦组FG1和FG2的凸轮曲线图。尽管图59中的凸轮实线看上去几乎平行，但第一和第二聚焦组FG1和FG2单独且并不以精确相同的速率移动。图59的顶部和底部处的交叉阴影部分考虑了温度变化、制造公差和制作调节。类似地，图60说明从左向右分别三个变焦组ZG1、ZG2和ZG3的凸轮曲线图，且容易了解，尽管经协调以持续实现整个范围内所需的焦距，但所有三个变焦组均独立移动。图61是相对于旁轴有效焦距的开放光阑的焦距比数的曲线图。类似地，图62是在全范围内相对于旁轴有效焦距的全孔径全光阑直径的曲线图。

[其它实施例的详细描述]图63和图64说明本发明的另一实施例的实例。变焦透镜系统的此实施例非常类似于图8A和图8B的实施例，只是提供了二元(衍射)表面。明确地说，在第二透镜元件的前表面(设计中的第3表面)上提供二元表面。下文在大体题为“图63和图64的表”的表中陈述透镜系统光学设计。表之后提供对表更详细解释。

图63和图64的表

透镜系统光学设计

注意：最大像直径＝11.0mm

*非球面S12和S26的表面轮廓受制于以下常规等式：

Z = \frac{(CURV) Y^{2}}{1 + {(1 - (1 + K) {(CURV)}^{2} Y^{2})}^{1 / 2}} + (A) Y^{4} + (B) Y^{6} + (C) Y^{8} + (D) Y^{10}

其中：CURV＝1/(表面半径)

Y＝垂直于光轴测量的孔高度

K、A、B、C、D＝系数

表面S12的系数为：表面S26的系数为：

K＝ 0.01925737 K＝ -0.5574845

A＝ -1.3531387e-007 A＝ -1.0833227e-006

B＝ -1.5274225e-011 B＝ -9.1904879e-011

C＝ -2.0209982e-014 C＝ -1.4775967e-013

D＝ 5.4753514e-018 D＝ 6.5701323e-016

#二元表面S3的表面轮廓受制于以下常规等式：

附加相位＝A₁p²+A₂p⁴+A₃p⁶+A₄p⁸+A₅p¹⁰

其中：A₁、A₂、A₃、A₄和A₅是系数，且p是表面处的标准化径向坐标。

标准化因数设定为一，且p简单地变为径向坐标。

A1＝ -0.14123699

A2＝ -8.7028052e-007

A3＝ -1.2255122e-010

A4＝ 5.9987370e-015

A5＝ -1.2234791e-019

上文罗列的透镜系统光学设计表之后包含二元表面3的设计。二元表面3向波前增加相位。通过提供二元表面3，可用相对较便宜的玻璃(例如BK7)而不是具有反常色散特性的昂贵的光学玻璃(例如SFPL 51)来制造透镜的聚焦部分中的第二到第五透镜元件2、3、4和5。虽然在透镜系统前方附近轴向射束直径最大处包含此二元表面3是有利的，但所属领域的技术人员将容易了解，可在其它地方提供二元(衍射)表面且可提供一个以上此类表面。还可有利地使用其它像差校正方法。应注意，此实施例还包含两个非球面12和26。

图63绘示变焦组定位在最长焦距处且聚焦组聚焦于无穷远处的变焦透镜系统。类似地，图64的光线像差曲线图处于无穷远焦点和最大焦距处。应注意，此实施例中使用二元表面是本文揭示的本发明实施例或本发明的将来变化形式中的任一者中可使用的修改。

图65和图66说明本发明的另一实施例的实例。本发明的变焦透镜系统的此实施例非常类似于图10～图62的实施例，只是提供了二元(衍射)表面。明确地说，在从左起第三透镜元件的前表面(设计中的第6表面)上提供二元表面。如上文参看图10～图62所描述，所述第三透镜元件是构成第二聚焦组FG2的两个透镜元件中的第一(前一)个，其可轴向移动以便连同仅包括第二透镜元件的可移动第一聚焦组FG1一起实现聚焦。下文在大体题为“图65和图66的表”的表中陈述图65和图66的实施例的透镜系统光学设计。

图65和图66的表

透镜系统光学设计

注意：最大像直径＝11.3mm

*非球面S17和S31的表面轮廓受制于以下常规等式：

Z = \frac{(CURV) Y^{2}}{1 + {(1 - (1 + K) {(CURV)}^{2} Y^{2})}^{1 / 2}} + (A) Y^{4} + (B) Y^{6} + (C) Y^{8} + (D) Y^{10}

其中：CURV＝1/(表面半径)

Y＝垂直于光轴测量的孔高度

K、A、B、C、D＝系数

表面S17的系数为：表面S31的系数为：

K＝ -0.3564029 K＝ 0.4304792

A＝ -8.6827410e-007 A＝ 9.5769727e-007

B＝ -2.1510889e-010 B＝ 1.3131850e-009

C＝ -6.3664850e-014 C＝ -1.4559220e-012

D＝ -3.8937870e-018 D＝ 3.1953640e-015

#二元表面S6的表面轮廓受制于以下常规等式：

附加相位＝A₁p²+A₂p⁴+A₃p⁶+A₄p⁸+A₅p¹⁰

标准化因数设定为一，且p简单地变为径向坐标。

A1＝ -0.038094023

A2＝ -2.7327913e-006

A3＝ 5.0795942e-010

A4＝ -5.0245151e-014

A5＝ 1.5103625e-018

上文罗列的透镜系统光学设计表之后包含二元表面6的设计。将二元表面6添加到图10～图62的实施例的基本透镜系统光学设计允许用不太昂贵的玻璃(例如BK7)代替透镜元件3和4(图65中从左侧起第三和第四)的氟冕玻璃。尽管所述设计中还作出其它小变化，但图65和图66的变焦透镜系统具有与图10～图62的实施例相同数目的透镜元件和相同数目的移动组用于聚焦和变焦。图65绘示变焦组定位在最长焦距处且聚焦组聚焦于无穷远处的变焦透镜系统。类似地，图66的光线像差曲线图处于无穷远焦点和最大焦距处。

图67～图70说明本发明的另一实施例的实例。本发明的变焦透镜系统的此实施例具有约400∶1的变焦比。明确地说此实施例具有约7.47mm(图67所示的位置)到约2983mm(图68所示的位置)的焦距变焦范围。与图10～图62的实施例一样，此实施例具有三个移动变焦透镜组ZG1、ZG2和ZG3，其中两个处于前变焦透镜部分中且一个处于后变焦透镜部分中。图69和图70的光线像差曲线图分别处于7.47mm和2983mm的旁轴有效焦距(EFL)处，并说明此实施例性能良好，考虑了极宽的焦距范围和大变焦比，其类似于图10～图62的实施例的性能特性。图67和图68的光学图以及图69和图70的光线像差曲线图绘示于无穷远焦点处。

下文在大体题为“图67到图70的表”的表中陈述图67～图70的透镜系统光学设计。透镜系统光学设计中的以下数据以与先前透镜系统光学设计中相同的方式陈述，且图例具有与先前透镜系统光学设计中相同的含义。

图67到图70的表

透镜系统光学设计

注意：最大像直径＝11.0mm

*非球面S7、S10、S24、S36、S64和S65的表面轮廓受制于以下常规等式：

Z = \frac{(CURV) Y^{2}}{1 + {(1 - (1 + K) {(CURV)}^{2} Y^{2})}^{1 / 2}} + (A) Y^{4} + (B) Y^{6} + (C) Y^{8} + (D) Y^{10} + (E) Y^{12}

其中：CURV＝1/(表面半径)

Y＝垂直于光轴测量的孔高度

K、A、B、C、D、E＝系数

表面S7的系数为：表面S10的系数为：

K＝ -0.01834396 K＝ 0.1385814

A＝ 4.6192051e-009 A＝ -6.1078514e-008

B＝ 2.9277175e-013 B＝ -1.711Q958e-012

C＝ -5.3760139e-018 C＝ -1.4298682e-015

D＝ 4.4429222e-022 D＝ -7.3308393e-019

E＝ 0 E＝ 0

表面S24的系数为：表面S36的系数为：

K＝ -0.1283323 K＝ 0.009973727

A＝ -2.7157663e-007 A＝ 3.3999271e-008

B＝ 1.4568941e-010 B＝ 1.4717268e-010

C＝ -1.4055959e-012 C＝ -1.0665963e-013

D＝ 9.7130719e-016 D＝ 6.8463872e-017

E＝ 0 E＝ 0

表面S64的系数为：表面S65的系数为：

K＝ -4.594951 K＝ -0.2743554

A＝ 5.9382510e-006 A＝ 1.2036084e-006

B＝ -4.3333569e-009 B＝ 3.8383867e-009

C＝ -2.6412286e-013 C＝ -1.5101902e-011

D＝ 5.0607811e-015 D＝ 2.3291313e-014

E＝ -3.8443669e-018 E＝ -1.3549754e-017

#二元表面S6的表面轮廓受制于以下常规等式：

附加相位＝A₁p²+A₂p⁴+A₃p⁶+A₄p⁸+A₅p¹⁰+A₆P¹²

其中：A₁、A₂、A₃、A₄、A₅和A₆是系数，且p是表面处的标准化径向坐标。

标准化因数设定为一，且p简单地变为径向坐标。

A1＝ -0.0183497

A2＝ 0.1385814

A3＝ -0.1283323

A4＝ 0.0099737

A5＝ -4.5949510

A6＝ -0.2743554

[折叠透镜实施例的详细描述]图71是说明并入有用于折叠透镜以便增加紧凑性的一个或一个以上镜的本发明又一实施例的实例的光学图。图71的实例类似于先前描述的实施例，其中三个一般变焦组标示为50、52和54。中间像位于56处。聚焦组66在聚焦期间可移动，但当透镜处于恒定焦点时为固定的。孔径光阑位于84处。图71的折叠变焦透镜实施例所特有的是位于前变焦组52与后变焦组54之间用于“折叠”或弯曲辐射光线的镜64。图71的实施例可用于任何相机中，但尤其适于例如自动曝光便摄(point-and-shoot)手持式相机等小型相机，因为折叠设计使透镜能够配合到较小空间中。图71说明含有反射镜60和目镜62以便使用户在反射镜60处于图71中指示的位置时能够看见像的SLR实施例。

本发明的实施例尤其适于折叠，因为镜64可放置在中间像空间58内的不干涉变焦组52和54的移动的任何区域中。相比之下，常规紧凑式变焦透镜具有必须收缩到相机主体中的透镜元件，这排除了透镜内的大多数或所有气隙并阻碍镜的插入。在图71的实例中，镜64位于中间像56的像侧。然而，在其它实施例中，镜64可位于中间像56的物体侧。应注意，本发明的其它实施例可具有多个折叠(镜)，且所述镜不需要相对于光轴定向于45度。

图71的实例中说明的折叠透镜实现若干有用的设计可能性和优点。如上文所提及，透镜中的折叠使变焦透镜能够占据较少空间。此外，折叠变焦透镜使一些或所有透镜元件能够驻留在相机主体内，从而进一步改进紧凑性。在一个实施例中，甚至聚焦透镜组66可完全驻留在相机主体内，从而保护透镜并使相机更加紧凑。另外，与常规紧凑式相机中约4∶1的最大值相比，折叠变焦透镜使紧凑式相机能够实现约10∶1或更高的变焦比。此外，常规SLR相机需要庞大的五棱镜来翻转像，且因此紧凑式相机通常避免了通过镜头观视(through-the-lens viewing)。然而，由于本发明中的中间像56以及镜64和60的缘故，最终像已经适当定向而不需要庞大的五棱镜，且即使在具有紧凑尺寸的相机中也可能实现通过镜头观视。

图71的示范性折叠变焦透镜提供约12mm到120mm的EFL、约10∶1的变焦比、全孔径下约f/3到f/5的焦距比数范围、以及约84.1度到10.3度的物体空间中的最大视野角，并接收至少486nm到588nm波段内的辐射。图71的实施例产生的像约12mm高度乘约18mm宽度，其中对角尺寸约21.65mm，这约是常规35mm静态摄影相机中的像尺寸的一半。

图72A～图72D是说明处于其它变焦位置的图71的折叠变焦透镜实例实施例的光学图，其中为了清楚起见将折叠透镜绘示于平坦(展开)定向且变焦组处于各个示范性位置。与图71中一样，图72A～图72D的实例中的聚焦透镜组66可移动以便聚焦且在恒定焦点处为固定的，且镜64和目镜62也是固定的。孔径光阑位于84处且在变焦期间可移动。图72A～图72D的变焦透镜实例实际上包括八个移动变焦组68、70、72、74、76、78、80和82，但应了解，折叠变焦透镜的其它实施例可包含更多或更少的变焦组。图72A～图72D的折叠变焦透镜实例利用了所有球面，但应了解，其它实施例可使用非球面及/或二元(衍射)表面。

[红外线实施例的详细描述]图73A～图73C是本发明的变焦透镜系统的红外线(IR)实施例的实例的光学图，其说明变焦组的各个位置。中间像位于86处。聚焦组88在聚焦期间可移动，但在恒定焦点处为固定的。最终像平面位于90处，且孔径光阑位于92处。图73A～图73C的实施例可用于低照度和监视相机中，因为变焦透镜系统是针对红外波长设计的。图73A～图73C的实例提供6.68mm到1201.2mm的EFL、f/2.00到f/5.84的焦距比数范围、8.0mm的像对角线、64.5度到0.388度的物体空间中的最大视野角，以及902.28mm的顶点长度。在6.68mm焦距位置处存在-4.93％失真、且在1201.2mm焦距位置处存在+0.34％失真。此失真使有效变焦比增加到190∶1。图73A～图73C的实例中存在总共九个元件，其中六个元件(94、96、98、100、102和104)处于变焦核心106中，且三个元件(108、110和112)处于变焦中继器114中。注意，如本文所引用的“变焦核心”表示从物体空间到中间像的所有元件，而如本文所引用“变焦中继器”表示从中间像到最终像的所有元件。

下文在大体题为“图73A、图73B和图73C的表”的表中陈述图73A～图73C的IR实施例的透镜系统光学设计。透镜系统光学设计中的以下数据以与先前透镜系统光学设计中相同的方式陈述，且图例具有与先前透镜系统光学设计中相同的含义。

图73A、图73B和图73C的表

透镜系统光学设计

注意：最大像直径＝8.0mm

*非球面S2、S6、S10、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18和S19的表面轮廓受制于以下常规等式：

Z = \frac{(CURV) Y^{2}}{1 + {(1 - (1 + K) {(CURV)}^{2} Y^{2})}^{1 / 2}} + (A) Y^{4} + (B) Y^{6} + (C) Y^{8} + (D) Y^{10} + (E) Y^{12} + (F) Y^{14} + (G) Y^{16}

其中：CURV＝1/(表面半径)

Y＝垂直于光轴测量的孔高度

A、B、C、D、E、F、G＝系数

表面S2的系数为：表面S6的系数为：

K＝ -0.3170663 K＝ 0.0000000

A＝ 7.1675212e-010 A＝ 8.8834511e-009

B＝ 4.6490286e-015 B＝ -1.1017434e-012

C＝ 3.1509558e-020 C＝ 4.2407818e-016

D＝ -3.0230207e-026 D＝ -4.5843672e-020

E＝ 1.8711604e-043 E＝ 0

F＝ 7.2023035e-034 F＝ 0

G＝ -1.6899714e-038 G＝ 0

表面S10的系数为：表面S12的系数为：

K＝ 0.0000000 K＝ 0.1424633

A＝ -4.1468720e-008 A＝ -1.3741884e-008

B＝ -1.1864804e-012 B＝ 2.0574529e-010

C＝ 1.0375271e-016 C＝ 2.2356569e-013

D＝ 1.4819552e-020 D＝ -9.2592205e-016

E＝ 0 E＝ 0

F＝ 0 F＝ 0

G＝ 0 G＝ 0

表面S13的系数为：表面S14的系数为：

K＝ 0.1341907 K＝ 0.0000000

A＝ 2.5853953e-007 A＝ -2.3627230e-006

B＝ 6.3040925e-010 B＝ -3.2069853e-009

C＝ -8.9182471e-013 C＝ 1.9995538e-012

D＝ 2.1087914e-016 D＝ -4.1873811e-015

E＝ 0 E＝ -4.5598387e-018

F＝ 0 F＝ 1.5355757e-021

G＝ 0 G＝ 2.7742963e-025

表面S15的系数为：表面S16的系数为：

K＝ 0.0000000 K＝ 0.0000000

A＝ -1.9992749e-006 A＝ -5.5264489e-007

B＝ -2.7451965e-009 B＝ -3.4855834e-011

C＝ 2.5915567e-012 C＝ -1.5605019e-013

D＝ -5.4747396e-015 D＝ 8.4346229e-016

E＝ 1.0432409e-018 E＝ -2.6930213e-019

F＝ -9.7041838e-023 F＝ 7.0886850e-022

G＝ 3.5844261e-025 G＝ -4.8763355e-025

表面S17的系数为：表面S18的系数为：

K＝ 0.0000000 K＝ 0.0000000

A＝ -1.9256081e-007 A＝ 4.5197079e-007

B＝ 9.7560057e-012 B＝ -4.7688707e-010

C＝ -3.1406997e-013 C＝ -2.2771179e-013

D＝ 4.6996712e-016 D＝ -7.3812375e-016

E＝ 4.3471337e-019 E＝ 6.1621050e-019

F＝ -3.7957715e-022 F＝ -2.9782920e-023

G＝ -2.4875152e-026 G＝ -2.8295343e-026

表面S19的系数为：

K＝ 0.0000000

A＝ 3.9066750e-007

B＝ -2.6768710e-010

C＝ -3.7378469e-013

D＝ -4.0450877e-016

E＝ 3.9230103e-019

F＝ -3.7514135e-023

G＝ -8.0738327e-027

#二元表面S3的表面轮廓受制于以下常规等式：

附加相位＝A₁p²+A₂p⁴+A₃p⁶+A₄p⁸+A₅p¹⁰

标准化因数设定为一，且p简单地变为径向坐标。

A1＝ -0.0085882326

A2＝ -1.2587653e-008

A3＝ -5.4668365e-013

A4＝ 8.4183658e-018

A5＝ 1.3774055e-022

图74～图76分别是对应于图73A～图73C所示的变焦组的位置的光线像差曲线图。图74～图76的光线像差曲线图分别处于6.68mm、133.46mm和1201.18mm的旁轴有效焦距(EFL)处，且波长范围为8-12微米。图73A～图73C的光学图以及图74～图76的光线像差曲线图绘示于无穷远焦点处。

[3-5微米红外线实施例的详细描述]图77说明变焦透镜系统的第二示范性IR实施例的展开布局，其中标示了透镜元件和表面。参看图77，每一透镜元件用从120到138的数字(成双地)标示且描绘每一透镜元件的一般配置，但下文在题为“图77和图78A～图78F的表”的表中陈述每一透镜表面的实际半径。透镜表面用字母“S”之后是一数字(从S0到S23)进行标示。光轴用符号

标示。每一透镜元件的相对表面用单独但连续的表面号标示，例如透镜元件120具有透镜表面S1和S2，透镜元件126具有透镜表面S7和S8等等。中间像位于S10与S12之间。光阑位于S22处。实像表面用数字S23标示。除了透镜表面S2、S8、S9和S21外，所有透镜表面均为球形，透镜表面S2、S8、S9和S21为非球形、非平的但关于光轴旋转对称的非球面。

图77的实例中存在总共10个元件，其中五个元件(120、122、124、126和128)处于变焦核心或第一透镜组151中，且五个元件(130、132、134、136和138)处于变焦中继器或第二透镜组156中。第二示范性IR实施例的光学设计可表征为NPP核心之后是NNP中继器。注意，如本文所引用的“变焦核心”表示从物体空间到中间像的所有元件，而如本文所引用“变焦中继器”表示从中间像到最终像的所有元件。

在左侧进入变焦透镜系统的光线包括示范性轴向场射束160以及示范性离轴场射束162、164和166，其中每一场射束中的外部光线称为边缘光线、且每一场射束中的内部光线称为主光线。边缘光线距光轴最远的离轴场射束称为离轴场射束最大边缘光线。注意，离轴场射束主光线首先在中间像之前横越光轴，且随后在光阑处再次横越光轴。

在描述透镜元件的详细特性之前，将针对本发明的此第二示范性实施例的变焦透镜系统(通常表示为150)给出透镜组及其轴向位置和移动的宽泛描述。从面对待摄影物体的一端(即，图77中的左端)开始，第一透镜组151包括第一透镜子组152、第一变焦子组153、第二变焦子组154和第三变焦子组155。第一透镜子组152是正倍率(positive-powered)子组且包括从物体空间聚集光的单一透镜元件120。第一透镜子组152在聚焦期间可移动，但其在恒定焦点处为固定的并相对于像平面S23处于固定距离。第一变焦子组153是负倍率(negative-powered)子组且包括单一透镜元件122和124。第二变焦子组154是正倍率子组且包括单一透镜元件126。第三变焦子组155是正倍率子组且包括单一透镜元件128。第二透镜组156包括第四变焦子组157、第五变焦子组158和第六变焦子组159。第四变焦子组157是负倍率子组且包括单一透镜元件130。第五变焦子组158是负倍率子组且包括单一透镜元件132。第六变焦子组159是正倍率子组且包括单一透镜元件134、136和138，并在S22处包含光阑。尽管在所提供的实例中第六变焦子组中的元件138相当薄，但在替代实施例中，此元件可变厚以改进其可制造性。轴向可移动中间像位于第三变焦子组155与第四变焦子组157之间。下文在题为“图77和图78A～图78F的表”的表中陈述变焦透镜系统的第二示范性IR实施例。

总共存在六个独立移动组，三个在中间像的物体侧且三个在中间像的像侧。箭头尖在图77的上部部分中的两端的水平箭头指示变焦子组153-159的每一者可在两个轴向方向上沿着光轴移动，一些以单调方式移动(即，当从一个调节极端向另一调节极端前进时仅在一个方向上)且其它以非单调方式移动。虽然图77中仅实体上绘示透镜元件，但应了解，提供常规机械装置和机构用于支撑透镜元件并用于促使可移动组在常规透镜外壳或镜筒中轴向移动。

注意，如图77和图78A～图78F所示的透镜元件之间的空间指出折叠镜可位于变焦子组154与155之间及/或S22处的光阑与S23处的最终像之间，以产生折叠实施例。

图77的实施例可用于低照度和监视相机中，因为变焦透镜系统是针对IR波长设计的。图77的实例提供约11.8mm到1137.1mm的EFL、约f/2.80到f/4.00的焦距比数范围、约18.0mm的像对角线、约0.45度到37.36度的物体空间中的最大视野角，以及约945mm的从前顶点(即，表面S1)到最终像(即，表面S22)的顶点长度。在11.8mm焦距位置处存在1.55％失真、且在1137.1mm焦距位置处存在2.14％失真。此失真使有效变焦比增加而接近约100∶1。

图78A～图78F是说明变焦组的各个位置的变焦透镜系统的第二示范性IR实施例的光学图。应注意，图78A中的透镜元件120和122(最左侧两个元件)尽管表观上为接触的，但实际上由间隙分离。还应注意，在图78F中，轴向场射束和离轴场射束两者的所有边缘光线大致彼此叠加，这使得能够将前透镜元件120制造得较小且较便宜。明确地说，离轴场射束最大边缘光线高度(从边缘光线到光轴的距离)约为158.82mm，且轴向场射束边缘光线高度约为149.53mm。离轴场射束最大边缘光线距离与轴向场射束边缘光线距离的比率约为1.062，这指示第一透镜子组元件必须制造得仅比理想的大约6.2％。应了解，小于1.25的比率通常是可接受的。理想地，离轴场射束最大边缘光线和轴向场射束边缘光线将完全彼此叠加，从而针对至少第一透镜组导致1.000的比率以及最佳尺寸和成本。

下文在大体题为“图77和图78A～图78F的表”的表中陈述图77和图78A～图78F的第二示范性IR实施例的透镜系统光学设计和制造数据。在图78A～图78F的表中，第一栏“项目”以与图77中使用的相同的数字或标记标示每一光学元件。第二和第三栏分别以与图77中使用的相同的数字标示所述光学元件(透镜)所属的“组”和“子组”。第四栏“表面”是如图77中标示的物体S0、光阑(虹膜)S22、像平面S23和透镜的实际表面的每一者的表面号的列表。第五栏“变焦位置”标示变焦子组153-159(图78A～图78F中所说明)的六个典型变焦位置(Z1-Z6)，其中第四栏中罗列的一些表面之间的距离(分隔)存在变化，如下文更详尽描述。标题为图例“曲率半径”的第六栏是每一表面的光学表面曲率半径的列表，其中减号(一)表示曲率半径中心在表面左侧，如图77中所见，且“无穷远”表示光学平坦表面。表面S2、S8、S9和S21的星号(*)指示这些是非球面(对于所述非球面，“曲率半径”是基圆半径)，且在*(星号)处将那两个表面的公式和系数陈述为对于图77和图78A～图78F的表的脚注。第七栏“厚度或分隔”是所述表面(第四栏)与下一表面之间的轴向距离。举例来说，表面S3与表面S4之间的距离为9.0mm。

图77和图78A～图78F的表的第八栏提供每一透镜元件的折射材料。图77和图78A～图78F的表的最后一栏(标题为“孔径”)提供光线通过的每一表面的最大直径。所有最大孔径(除了光阑表面S22)均是假定18mm的像对角线和最短焦距处f/2.8到最长焦距处f/4.0的相对孔径范围来计算的。变焦位置Z1-Z6的光阑表面S22的最大孔径分别为30.170mm、29.727mm、28.999mm、28.286mm、25.654mm和21.076mm。变焦位置Z1-Z6的最大相对孔径(焦距比数)分别为f/2.80、f/2.86、f/2.93、f/3.00、f/3.30和f/4.00。依据变焦位置Z1-Z6的最大相对孔径的值的选择，因而在一个或一个以上变焦位置中，变焦子组之间的某些元件的边缘处可能发生非常小的负气隙。所属领域的技术人员将了解，可通过例行程序优化而不改变基本设计来从系统中去除所述小的负空气间隙。

图77和图78A～图78F的表

*非球面S2、S8、S9和S21的表面轮廓受制于以下常规等式：

Z = \frac{(CURV) Y^{2}}{1 + {(1 - (1 + K) {(CURV)}^{2} Y^{2})}^{1 / 2}} + (A) Y^{4} + (B) Y^{6} + (C) Y^{8} + (D) Y^{10} + (E) Y^{12} + (F) Y^{14}

其中：CURV＝1/(表面半径)

Y＝垂直于光轴测量的孔高度

K、A、B、C、D、E、F＝系数

项目1的表面S2的系数为：

K＝-0.23909

A＝-1.20061E-09

B＝7.10421E-15

C＝-6.54538E-21

D＝1.74055E-26

E＝2.64213E-29

F＝-1.38143E-33

项目4的表面S8的系数为：

K＝28.74452

A＝1.70772E-09

B＝6.46357E-14

C＝-6.99028E-18

D＝2.65455E-21

E＝-4.37148E-25

F＝2.27757E-29

项目5的表面S9的系数为：

K＝-0.321348

A＝-1.84849E-07

B＝-3.24508E-11

C＝4.30816E-14

D＝-2.13370E-18

E＝-7.80714E-21

F＝1.67339E-24

项目10的表面S21的系数为：

K＝1.125040

A＝8.42238E-07

B＝2.42138E-11

C＝4.68290E-13

D＝1.19515E-15

E＝-2.58757E-18

F＝3.72479E-21

以上对图77和图78A～图78F的表的脚注*包含用于针对值Z计算非球面S2、S8、S9和S21的形状的等式，其中CURV是表面极点处的曲率，Y是距玻璃表面上的特定点的光轴的高度或距离，K是二次曲线系数，且A、B、C、D、E和F分别是第4、6、8、10、12和14次变形系数。如上文中注意到，为了说明本发明的范围和通用性，在提供六个可移动变焦子组的六个不同位置的特定数据的图77和图78A～图78F的表的数据中，陈述有六个不同变焦位置Z1-Z6。变焦位置Z1-Z6代表变焦子组153-159的六个位置，其中变焦位置Z1和Z6是极端位置且Z2、Z3、Z4和Z5是中间位置。当然，将了解，极端变焦位置Z1与Z6之间可实现连续变焦，且透镜系统150的所描述的变焦范围内可实现连续变焦的任何组合。另外，第一透镜组152的全轴向运动范围内可实现连续聚焦。

透镜系统150的有效焦距(EFL)、全视野(FFOV)和焦距比数对于不同变焦位置而变化。再次参看图78A～图78F，以处于各个变焦位置的变焦组和针对那些位置的光线跟踪来绘示变焦透镜系统150。图78A表示变焦位置Z1，其数据陈述于上文的图77和图78A～图78F的表中，其中EFL约11.787mm，FFOV约74.72°且焦距比数约2.8。图78B表示来自图77和图78A～图78F的表的变焦位置Z2，其中EFL约22.999mm，FFOV约42.74°且焦距比数约2.9。图78C表示来自图77和图78A～图78F的表的变焦位置Z3，其中EFL约54.974mm，FFOV约18.6°且焦距比数约2.9。图78D表示来自图77和图78A～图78F的表的变焦位置Z4，其中EFL约125.359mm，FFOV约8.22°且焦距比数约3.0。图78E表示来自图77和图78A～图78F的表的变焦位置Z5，其中EFL约359.536mm，FFOV约2.86°且焦距比数约3.3。图78F表示来自图77和图78A～图78F的表的变焦位置Z6，其中EFL约1137.054mm，FFOV约0.9°且焦距比数约4.0。

依据图77和图78A～图78F的表中陈述的个别透镜元件(成双的项目120-138)和透镜元件之间的分隔的规格，可通过使用市场上可从OpticalResearch Associates，Inc.，Pasadena，Calif，U.S.A.购得的

光学设计软件，在20℃(68°F)的温度和标准大气压力(760mm Hg)下计算每一透镜元件且接着每一组透镜元件(即，第一透镜组152、第一变焦子组153、第二变焦子组154、第三变焦子组155、第四变焦子组157、第五变焦子组158和第六变焦子组159)的焦距，且所计算的那些组焦距如下：

第一透镜子组152(元件120)＝322.994mm；

第一变焦子组153(元件122和124)＝-88.338mm；

第二变焦子组154(元件126)＝150.688mm；

第三变焦子组155(元件128)＝65.962mm；以及

第四变焦子组157(元件130)＝-178.124mm。

第五变焦子组158(元件132)＝-54.620mm。

第六变焦子组159(元件134、136和138)＝35.153mm。

如上文所提及，变焦透镜系统150具备表面S22处的一个光阑，其控制光线可在所述点处通过的孔的直径，以藉此促使变焦透镜系统中的任何径向超出所述直径的光线被阻挡。光阑是物理虹膜所处的位置。虹膜位于第六变焦子组159的内部或一端处，并与所述变焦子组一起移动。注意在图78A中，举例来说，边缘光线通过S22且有空间剩余，而在图78F中，边缘光线当其通过光阑时几乎接触S22的极限边缘。这显示，随着焦距增加，位于S22处的虹膜必须打开。为了维持像处恒定的焦距比数，虹膜必须“变焦”或改变。换句话说，虹膜必须经调节以实现恒定孔径。可使用单独的凸轮在变焦期间打开或关闭虹膜。另外，应注意，图77和图78A～图78F的表中陈述的所有透镜元件表面孔均充当如图78A～图78F中描绘的所有焦点和变焦位置处的场阑。随着第六变焦子组159轴向移动而(如上述)相对于图77和图78A～图78F的表中罗列的最大孔径来调节虹膜S22的孔的尺寸，且在图77和图78A～图78F的表中给出所述尺寸的最大值。

在变焦透镜系统的第二示范性IR实施例中，位于像平面S23处的传感器不响应于光而是响应于所观察的物体放出的热量的量，并捕获物体放出的热量的差一直到最小可分辨温差(minimum resolvable temperaturedifference，MRTD)。为此，传感器将所观察的场景中元件的温度进行平均。传感器理想地不应“留意”任何透镜结构，否则透镜结构的温度将被平均到场景中并导致像误差。因此，在本发明实施例中，光阑(即，位于光阑处的虹膜)是检测器的一部分，且包含光阑的检测器经冷却以减少电子噪声，从而产生“冷却光阑”。

六个变焦子组153-159每一者可独立地轴向移动且其各自移动是通过例如常规机械装置(如凸轮或类似物)等任何便利的构件来协调的，以实现所需的变焦功能。

图79A～图79F说明根据本发明实施例在图78A～图78F所示的相对场高度处进入透镜系统的相同光线的衍射调制传递函数(MTF)。在图79A～图79F中，x轴表示空间频率(分辨率)(以每毫米的循环数计)，且y轴表示相对调制值(像质量的指示)。图79A～图79F的衍射MTF曲线是多色的，其使用相同波长以及X和Y场扇形，但具有波长权数。注意，在约15循环/mm的空间频率下，在所述曲线的每一者的最右远端处，所述曲线的每一者中的所有场扇形的衍射MTF以约0.65到0.82的调制范围聚集。一般来说，需要大于0.50的衍射MTF，且如果衍射MTF大于80％，那么认为透镜“衍射受限”(理想的)。因此，本发明的透镜中不存在从衍射极限的大量衰退。图79A～图79F的六个变焦位置中的最大失真约为3.5％。

尽管已参看附图结合本发明的实施例充分描述本发明，但应注意，所属领域的技术人员将了解各种变化和修改。此类变化和修改应理解为包含在由所附权利要求书界定的本发明的范围内。

Claims

1.一种红外线变焦透镜系统，用于形成物体的最终像，所述系统具有物体侧和像侧，并在所述物体与所述最终像之间形成第一中间实像，其特征在于所述系统包括：

第一透镜组，其包含至少两个透镜元件并位于所述物体与所述第一中间实像之间，所述第一透镜组包括经移动以改变所述第一中间实像的尺寸(放大率)的至少一个变焦子组；

第二透镜组，其包含至少两个透镜元件并位于所述第一中间实像与所述最终像之间，其至少一部分经移动以改变所述最终像的尺寸(放大率)；以及

光阑，其位于所述中间像与所述最终像之间；

其中，离轴场射束主光线首先在所述中间像的所述物体侧横越所述红外线变焦透镜系统的光轴，并接着在所述光阑处再次横越所述光轴；且

其中，邻近于在所述变焦透镜系统的最长焦距处的物体空间的所述第一透镜组的透镜表面处的最大离轴场射束边缘光线与轴向场射束边缘光线的比率小于约1.25。

2.根据权利要求1所述的红外线变焦透镜系统，其特征在于：

所述光阑位于所述第二透镜组的最后元件表面与所述最终像之间。

3.根据权利要求1所述的红外线变焦透镜系统，其特征在于：

所述红外线变焦透镜系统能够由约3～5微米范围内的所接收辐射形成所述最终像。

4.根据权利要求1所述的红外线变焦透镜系统，其特征在于：

所述第一透镜组包括五个透镜元件，且所述第二透镜组包括五个透镜元件。

5.根据权利要求1所述的红外线变焦透镜系统，其特征在于：

所述第一透镜组和所述第二透镜组包括：具有一个轴向固定透镜子组和六个轴向可移动变焦子组的七组系统。

6.根据权利要求1所述的红外线变焦透镜系统，其特征在于：

所述第一透镜组包括三个变焦子组，且所述第二透镜组包括三个变焦子组。

7.根据权利要求1所述的红外线变焦透镜系统，其特征在于：

所述第一透镜组包括一个轴向固定透镜子组。

8.根据权利要求1所述的红外线变焦透镜系统，其特征在于：

所述透镜元件包含一个或一个以上的锗透镜元件和一个或一个以上的硅透镜元件。

9.根据权利要求1所述的红外线变焦透镜系统，其特征在于：

所述透镜元件中的至少一者包含非球面。

10.根据权利要求5所述的红外线变焦透镜系统，其特征在于：

所述第一透镜组包括：具有正倍率的第一透镜子组、具有负倍率的第一变焦子组、具有正倍率的第二变焦子组和具有正倍率的第三变焦子组，且

所述第二透镜组包括：具有负倍率的第四变焦子组、具有负倍率的第五变焦子组和具有正倍率的第六变焦子组。

11.一种红外线变焦透镜系统，用于形成物体的最终像，所述系统具有物体侧和像侧，并在所述物体与所述最终像之间形成第一中间实像，其特征在于所述系统包括：

第一透镜组，其包含第一五个透镜元件并位于所述物体与所述第一中间实像之间，所述第一透镜组包括经移动以改变所述第一中间实像的尺寸(放大率)的至少一个变焦子组、且具有下表中陈述的光学设计，其中在项目栏中将所述第一五个透镜元件标示为项目120、122、124、126和128；

第二透镜组，其包含第二五个透镜元件并位于所述第一中间实像与所述最终像之间，其至少一部分经移动以改变所述最终像的尺寸(放大率)，所述第二透镜组具有所述下表中陈述的光学设计，其中在所述项目栏中将所述第二五个透镜元件标示为项目130、132、134、136和138；以及

光阑，其位于所述中间像与所述最终像之间；

其中所述表中的表面栏标示项目的表面，所述表面栏中的物体是处于所述物体侧的物体的位置，所述表面栏中的光阑是所述光阑的位置，所述表面栏中的像是所述最终像的位置，所述表中的曲率半径栏陈述相应表面的半径，所述表中的厚度或分隔栏陈述一个表面到下一表面的距离，所述表中的折射材料栏标示相应表面与下一表面之间的材料，且所述表中的孔径栏陈述通过所述相应表面的光线的最大直径；

其中离轴场射束主光线首先在所述中间像的所述物体侧横越所述红外线变焦透镜系统的光轴，并接着在所述光阑处再次横越所述光轴；且

其中邻近于在所述变焦透镜系统的最长焦距处的物体空间的所述第一透镜组的透镜表面处的最大离轴场射束边缘光线与轴向场射束边缘光线的比率小于约1.25。