CN101661156B - 一种实现无移动镜组变焦距光学系统的方法及该光学系统 - Google Patents

Abstract

一种实现无移动镜组变焦距光学系统的方法及该光学系统，其方法包括首先确定出物距A，透镜间距B，后截距C以及组合系统焦距f’；以液体变焦透镜为核心元件，进行光学系统选型；计算并选择适用的放大率β，确定两液体变焦透镜的表面曲率半径，完成原始结构设计；进行像差优化，确定气压或液压控制量，实现系统变焦；其系统包括系统物平面与系统像平面，在系统物平面与系统像平面之间至少设置2个液体变焦透镜。该发明具有体积小，结构简单，成像质量高的优点，特别适用于在许多结构、像质要求苛刻的场合。

Description

一种实现无移动镜组变焦距光学系统的方法及该光学系统

技术领域

本发明涉及一种实现变焦距光学系统的方法及该光学系统，具体涉及一种实现无移动镜组变焦距光学系统的方法及该光学系统。 

背景技术

长期以来，在光学成像系统中可变焦光学镜头已广泛的应用于各种场合。光学变焦的实现，通常通过两种方法：即光学补偿变焦与机械补偿变焦，具体是光学补偿变焦和机械补偿变焦。光学补偿变焦主要是利用两组以上的镜片一起做同步移动来完成变焦和焦点补偿，从而避免了使用复杂的凸轮机构，但这种系统的缺陷是只在几个焦距处才能保持像面清晰稳定，因而使用并不广泛；随着精密加工技术与光学设计水平的提高，机械补偿法得到了越来越广泛的应用，目前市场上的变焦镜头大多采用这种方法，机械补偿变焦是利用精密凸轮机构使两组或多组镜组做非线性移动，充分发挥各组元作用，实现变焦与焦点补偿，因而可以获得较大的变焦比和较好的成像质量。但存在体积大，结构复杂的缺点。 

还有一种数字变焦，目前在内窥镜及手机镜头中使用非常普遍，该技术是通过相机内的处理器将影像感应器上的部份像素用插值算法放大到整个画面，从而达到放大目的，由于镜头部分仍处于定焦距状态，而由机器内部的数字电路经过运算将图像按照选定的变焦倍数进行放大，然后选择性地丢弃掉一定的数据从而形成数字变焦，所以，数字变焦是一种有损变焦，图像质量相对于正 常情况下较差，它会使图像产生码赛克现象，降低图像的清晰度，并且变焦的倍数越大，清晰度降低越多。 

简单来说，光学补偿法变焦镜头设计、结构较为简单，但只能在几个焦距处才能保持像面清晰稳定，不能满足连续成清晰像的要求；系统中含有移动组元，需要足够的空间，体积较大。 

机械补偿法变焦镜头用精密凸轮机构使部分组元做非线性运动实现像面补偿，设计、结构复杂，虽然具有良好的成像质量，但通常体积大、结构复杂，且镜头易磨损，使用寿命较低。 

数字变焦技术是一种有损变焦，图像质量相对于正常情况下较差，会降低图像的清晰度，并且变焦的倍数越大，清晰度降低越多。 

传统的光学元件限制了变焦距光学系统的设计方法。在传统的光学变焦系统中，各光学元件的光学参数是固定的，只能靠各个镜组间的相对运动来同时实现焦距的变化和像面的补偿，虽然随着精密加工技术和计算机辅助设计水平的不断提高，机械补偿法变焦镜头的成像质量已得到了极大改善，但其根本原理限制了传统变焦系统向更微型、更简单的方向发展，使其在微小光学系统中的应用中受到限制。 

因此无论哪一种方法，都需要在光路中加入可移动组件。因此，要具有大的变焦能力，就必须有足够的空间，这就使得传统变焦光学系统往往存在体积大、结构复杂，且镜头易磨损，使用寿命较低以及成像质量差的缺点，很难适应目前仪器结构发展的需求。在许多结构、像质要求苛刻的场合，如：智能手机、PDA、内窥镜等，迫切需要一种无移动组件且具变焦能力的可调谐新型光学系统。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种实现无移动镜组变焦距光学系统的方法及该光学系统，其解决了背景技术中体积大、结构复杂，且镜头易磨损，使用寿命较低以及成像质量差的缺点，特别适用于在许多结构、像质要求苛刻的场合。 

本发明的技术解决方案是： 

一种实现无移动镜组变焦距光学系统的方法，其特殊之处在于，该方法包括以下步骤： 

1)按照使用要求确定系统的参数，包括视场角、焦距变化范围、工作距离、系统总长、后截距，依据这些参数首先确定出物距A，透镜间距B，后截距C以及组合系统焦距f’； 

2)以液体变焦透镜为核心元件，进行光学系统选型。根据组合系统焦距随所选光学系统形式中透镜的表面曲率半径变化的敏感程度，确定两片液体变焦透镜的位置；若系统只包含两片液体变焦透镜，则不必进行此步； 

3)根据所需的组合系统焦距f’的变化要求，根据用户实际需要，计算并选择适用的放大率β，并计算与之相对应的第一液体变焦透镜的焦距f₁’与第二液体变焦透镜的焦距f₂’，根据f₁’、f₂’确定两液体变焦透镜的表面曲率半径，完成原始结构设计； 

4)在原始结构设计的基础上，进行像差优化，最终确定两液体变焦透镜的表面曲率半径，并根据表面曲率半径的变化确定气压或液压控制量，实现系统变焦。 

上述液体变焦透镜的表面曲率半径连续可调，其焦距连续可调，实现连续变焦。 

上述原始结构设计是用步骤1)已确定的物距A、透镜间距B、后截距C以及组合系统焦距f’的值，确定出放大率β、第一液体变焦透镜的焦距f₁’以及第二液体变焦透镜的焦距f₂’，其具体方法是： 

用L表示系统物平面23与系统像平面24之间的距离，l₁表示第一液体变焦透镜21的物距，l₁’表示第一液体变焦透镜21的像距；l₂表示第二液体变焦透镜22的物距，l₂’表示第二液体变焦透镜22的像距，通过以下方程 

$\left\{\begin{array}{c}A+B+C=L\\ \mathrm{\β}=\frac{{l_2}^{\′}}{l_2}\frac{{l_1}^{\′}}{l_1}\\ \frac{1}{{l_1}^{\′}}-\frac{1}{l_1}=\frac{1}{{f_1}^{\′}},\frac{1}{{l_2}^{\′}}-\frac{1}{l_2}=\frac{1}{{f_2}^{\′}}\\ A=-l_1,B={l_1}^{\′}-l_2,C={l_2}^{\′}\end{array}\right.$ 以及 $f^{\′}=\frac{{f_1}^{\′}{f_2}^{\′}}{{f_1}^{\′}+{f_2}^{\′}-B}$

计算得出放大率β、第一液体变焦透镜的焦距f₁’以及第二液体变焦透镜的焦距f₂’，完成原始结构设计。 

上述液体变焦透镜应满足以下控制方案： 

用Φ表示透镜光焦度，f₀‘表示透镜焦距，n表示透镜腔体内液体折射率，R表示透镜弹性薄膜表面曲率半径，r₀表示透镜有效通光口径半径，ΔV表示透镜填充液体体积变化量，以上参数应满足方程： 

$\mathrm{\Φ}=\frac{1}{{f_0}^{\′}}=\frac{n-1}{R}$

$\mathrm{\ΔV}=\frac{1}{3}\mathrm{\π}{(R-\sqrt{R^2-{r_0}^2})}^2[2R+\sqrt{R^2-{r_0}^2}]$

上述在系统物平面23与系统像平面24之间，设有定焦透镜以改善成像质量与成像能力。 

一种实现无移动镜组变焦距光学系统，包括系统物平面23与系统像平面24，其特殊之处在于：所述系统物平面23与系统像平面24之间至少设置2个 液体变焦透镜，分别为第一液体变焦透镜21与第二液体变焦透镜22；所述系统物平面23、系统像平面24、第一液体变焦透镜21以及第二液体变焦透镜22的位置关系应满足以下关系 

$\left\{\begin{array}{c}A+B+C=L\\ \mathrm{\β}=\frac{{l_2}^{\′}}{l_2}\frac{{l_1}^{\′}}{l_1}\\ \frac{1}{{l_1}^{\′}}-\frac{1}{l_1}=\frac{1}{{f_1}^{\′}},\frac{1}{{l_2}^{\′}}-\frac{1}{l_2}=\frac{1}{{f_2}^{\′}}\\ A=-l_1,B={l_1}^{\′}-l_2,C={l_2}^{\′}\end{array}\right.$

其中用A表示物距，B表示两透镜间距，C表示后截距，L表示系统物平面23与系统像平面24之间的距离，l₁表示第一液体变焦透镜21的物距，l₁’表示第一液体变焦透镜21的像距，f₁’表示第一液体变焦透镜21的焦距；l₂表示第二液体变焦透镜22的物距，l₂’表示第二液体变焦透镜22的像距，f₂’表示第二液体变焦透镜22的焦距； 

系统的组合焦距最终满足以下关系 

$f^{\′}=\frac{\mathrm{AC\β}}{\mathrm{B\β}+C+A{\mathrm{\β}}^2}$

f’表示组合系统焦距。 

上述至少2个液体变焦透镜中至少有1个是折衍混合液体变焦透镜。 

上述折衍混合液体变焦透镜包括控制端15、与控制端15连接的腔体14，所述腔体14内设有填充液体12，所述腔体14包括一个平面和一个可调节面，所述平面为含衍射面的平面玻璃基板11，所述可调节面为透明弹性薄膜13。 

上述至少2个液体变焦透镜之间，还设有定焦透镜32。 

本发明具有以下优点： 

1)系统中不含有运动镜组，避免了传统变焦距光学系统体积大、结构复杂，且镜头易磨损，使用寿命较低的缺点。 

2)是一种光学变焦技术，不同于数字变焦，不会对图像的清晰度造成损害。 

3)能够以最少的镜片数实现变焦。 

4)基于该方法的设计出的变焦距系统具有更小的重量与体积，适用于多种对系统尺寸有严格要求的场合，填补传统变焦距光学系统的空白。 

5)基于本原理的变焦系统设计方法简单，能够在现有的光学设计软件(如ZEMAX、CODE V等软件)下完成设计。 

附图说明

图1为无移动镜组变焦距系统原理示意图。 

图2为折衍混合液体变焦透镜示意图。 

图3变焦距内窥系统示意图。 

图4示例系统的设计MTF曲线图； 

其中a表示长焦距小视场时系统MTF曲线； 

其中b表示短焦距大视场时系统MTF曲线。 

具体实施方式

本发明提出一种新的实现光学变焦的方法，利用液体变焦透镜这一新型光学元件，实现系统中不含有移动镜组的变焦距光学系统，克服了传统变焦系统体积大、结构复杂的缺点，在诸多有尺寸限制的场合具有广泛的应用前景。 

本发明以一种由气压或液压驱动的液体可变焦透镜为核心元件，提出一种 无移动镜组的变焦距光学系统实现方法。该液体变焦透镜的一个表面为可变曲率表面，另一表面为平面。在液压或气压的驱动下，该透镜的可变曲率表面的曲率半径可调，从而能够实现单透镜焦距可调。该透镜的另一表面为平面，为校正像差，可选为衍射光学面。 

液体变焦透镜的示意图如图2所示。 

图2中，11为含衍射面的平面玻璃基板，12为填充液体(如水或其他液体，其他液体主要指不能与透明弹性薄膜发生化学反应的液体即可，除了水还可以是油等等)，13为透明弹性薄膜，14为腔体，15为控制端(可以为气压或液压控制)。 

当驱动控制端15运动，导致腔体内液体体积分布变化，可引起透镜表面曲率半径变化，从而使液体变焦透镜焦距变化。图示液体变焦透镜焦距的变化满足方程组： 

$\mathrm{\Φ}=\frac{1}{{f_0}^{\′}}=\frac{n-1}{R}---\left(1\right)$

$\mathrm{\ΔV}=\frac{1}{3}\mathrm{\π}{(R-\sqrt{R^2-{r_0}^2})}^2[2R+\sqrt{R^2-{r_0}^2}]$

其中，Φ是透镜光焦度，f₀‘是液体变焦透镜焦距，n是腔体内液体折射率，R是弹性薄膜表面曲率半径，r₀是透镜有效通光口径半径，ΔV是填充液体体积变化量。 

作为光学变焦系统，必须保证系统在改变焦距的同时，像面位置不变。因此，必须有两个或以上液体变焦透镜来完成这一任务。最简单的由两片液体变焦透镜构成的光学变焦系统原理如图1所示。 

在图1中，21是第一液体变焦透镜，22是第二液体变焦透镜，23是系统物平面，24是系统像平面，A是物距，B是两透镜间距，C是后截距。 

按照图1所示的几何位置关系，利用高斯光学公式列出以下方程组： 

$\left\{\begin{array}{c}A+B+C=L\\ \mathrm{\β}=\frac{{l_2}^{\′}}{l_2}\frac{{l_1}^{\′}}{l_1}\\ \frac{1}{{l_1}^{\′}}-\frac{1}{l_1}=\frac{1}{{f_1}^{\′}},\frac{1}{{l_2}^{\′}}-\frac{1}{l_2}=\frac{1}{{f_2}^{\′}}\\ A=-l_1,B={l_1}^{\′}-l_2,C={l_2}^{\′}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，l₁是第一液体变焦透镜21的物距，l₁’是第一液体变焦透镜21的像距，f₁’是第一液体变焦透镜21的焦距；l₂是第二液体变焦透镜22的物距，l₂’是第二液体变焦透镜22的像距，f₂’是第二液体变焦透镜22的焦距；β是系统的放大率；A，B，C，L为无符号数，f₁‘，f₂’，l₁，l₁’，l₂，l₂’，β为有符号数，符号的规定按照通用的几何光学符号规则。 

通过消元变换可得到由A、B、C、β表示的f₁’，f₂’的方程如下： 

$\left\{\begin{array}{c}{f_1}^{\′}=\frac{\mathrm{AB\β}}{\mathrm{A\β}+\mathrm{B\β}+C}\\ {f_2}^{\′}=\frac{\mathrm{BC}}{B+\mathrm{A\β}+C}\end{array}\right.---\left(3\right)$

又由组合系统焦距公式： $f^{\′}=\frac{{f_1}^{\′}{f_2}^{\′}}{{f_1}^{\′}+{f_2}^{\′}-B}$

通过消元变换可得到组合系统的焦距关于A、B、C及β的表达式： 

$f^{\′}=\frac{\mathrm{AC\β}}{\mathrm{B\β}+C+A{\mathrm{\β}}^2}---\left(4\right)$

在设计时，两透镜间距B及后截距C的大小由系统所允许的空间体积决定。当系统成像时，对应于一定的物距A，当组合系统焦距f’改变时必须保证后截距C的大小不变，此方能实现变焦系统的要求。 

依据以上模型与方程，按照系统结构设计要求确定出两透镜间距B，后截距C；根据使用要求确定物距A，按照像高及视场角确定所需的组合系统焦距 f’后，根据以上方程组进行消元变换，可得到一个关于β的一元二次方程，由此可计算出至少一个相应的系统的放大率β的解。根据实际使用需要选择合理的放大率值，则由方程式(3)，可以求出第一液体变焦透镜21的焦距f₁’，和第二液体变焦透镜22的焦距f₂’。 

由于第一液体变焦透镜1₁的焦距f₁’与第一液体变焦透镜11的表面曲率半径直接对应，第二液体变焦透镜22的焦距f₂’亦与第二液体变焦透镜22表面曲率半径直接对应，根据方程(1)，可以求出相应的第一液体变焦透镜11的表面曲率半径和第二液体变焦透镜22表面曲率半径。从而确定出相应的ΔV，也即需要的气压或液压的控制量。 

若第一液体变焦透镜11与第二液体变焦透镜22的表面曲率半径连续可调，则其焦距f₁’与f₂’连续可调，从而可实现系统的连续变焦。 

为实现更好的成像质量与成像能力，也可在系统中加入其他的普通定焦透镜或使用更多片液体变焦透镜。 

依据以上设计原理，设计变焦系统的步骤如下： 

1)按照使用要求确定系统的尺寸，包括视场角、焦距变化范围、工作距离、系统总长、后截距等，从而依据这些参数首先确定出如上所述之A、B、C以及f’等值。 

2)以前文所述液体可变焦透镜为核心元件，进行光学系统选型。根据组合系统焦距随所选光学系统形式中透镜的表面曲率半径变化的敏感程度，确定两片液体变焦透镜的最佳位置。若系统只包含两片液体变焦透镜，则不必进行此步。 

3)根据所需的组合系统焦距的变化要求，计算并按实际使用需要选择合 理的放大率β，并计算与之相对应的第一液体变焦透镜与第二液体变焦透镜的焦距f₁’、f₂’，根据f₁’、f₂’确定两液体变焦透镜的表面曲率半径，完成原始结构设计。 

4)在原始结构设计的基础上，利用光学设计软件进行像差优化，最终确定两液体变焦透镜的表面曲率半径，并根据表面曲率半径的变化确定气压或液压控制量，实现系统变焦。 

作为示例，依据以上设计原理，利用光学设计软件设计了一套变焦距内窥系统如图3，其中含有2片液体变焦透镜和1片普通定焦透镜。 

其中，31是第一液体变焦透镜，32是普通玻璃透镜，33是第二折衍混合液体变焦透镜。为校正系统像差的需要，第二片液体变焦透镜采用了折衍混合液体变焦透镜。 

图3中31第一液体变焦透镜与33第二折衍混合液体变焦透镜的一个表面的曲率半径是可调的，通过对这两个液体变焦透镜表面曲率半径的合理调节，可以实现系统从长焦距小视场到短焦距大视场的变化。 

图3中选择的一些系统参数如下： 

f‘_长＝2.7mm，f‘_短＝1.8mm，视场角2ω_max＝80°，2ω_min＝58°，物距＝100mm，后截距＝1.55mm，变倍比k＝1.5 

在设计中，对象差的校正是在使用要求的基础上为校正各种像差而选择的一定的折中方案，在最长焦和最短焦两个位置上可以获得最小的像差参数。为更好的实现平稳变焦及校正系统像差，可采用多片液体可变焦透镜，相应的采用的液体变焦透镜数目越多，系统的变倍能力越强，调节系统像差的能力也越强。 

Claims (9)

1.一种实现无移动镜组变焦距光学系统的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)按照使用要求确定系统的参数，包括视场角、焦距变化范围、工作距离、系统总长、后截距，依据这些参数首先确定出物距A，透镜间距B，后截距C以及组合系统焦距f’；

2)以液体变焦透镜为核心元件，进行光学系统选型。根据组合系统焦距随所选光学系统形式中透镜的表面曲率半径变化的敏感程度，确定两片液体变焦透镜的位置；若系统只包含两片液体变焦透镜，则不必进行此步；

3)根据所需的组合系统焦距f’的变化要求，根据用户实际需要，计算并选择适用的放大率β，并计算及与之相对应的第一液体变焦透镜的焦距f₁’与第二液体变焦透镜的焦距f₂’，根据f₁’、f₂’确定两液体变焦透镜的表面曲率半径，完成原始结构设计；

4)在原始结构设计的基础上，进行像差优化，最终确定两液体变焦透镜的表面曲率半径，并根据表面曲率半径的变化确定气压或液压控制量，实现系统变焦。

2.根据权利要求1所述实现无移动镜组变焦距光学系统的方法，其特征在于：所述液体变焦透镜的表面曲率半径连续可调，其焦距连续可调，实现连续变焦。

3.根据权利要求1所述实现无移动镜组变焦距光学系统的方法，其特征在于，所述原始结构设计是用步骤1)已确定的物距A、透镜间距B、后截距C以及组合系统焦距f’的值，确定出放大率β、第一液体变焦透镜的焦距f₁’以及第二液体变焦透镜的焦距f₂’，其具体方法是：

用L表示系统物平面(23)与系统像平面(24)之间的距离，l₁表示第一液体变焦透镜(21)的物距，l₁’表示第一液体变焦透镜(21)的像距；l₂表示第二液体变焦透镜(22)的物距，l₂’表示第二液体变焦透镜(22)的像距，通过以下方程

$\left\{\begin{array}{c}A+B+C=L\\ \mathrm{\β}=\frac{{l_2}^{\′}}{l_2}\frac{{l_1}^{\′}}{l_1}\\ \frac{1}{{l_1}^{\′}}-\frac{1}{l_1}=\frac{1}{{f_1}^{\′}},\frac{1}{{l_2}^{\′}}-\frac{1}{l_2}=\frac{1}{{f_2}^{\′}}\\ A=-l_1,B={l_1}^{\′}-l_2,C={l_2}^{\′}\end{array}\right.$ 以及 $f^{\′}=\frac{{f_1}^{\′}{f_2}^{\′}}{{f_1}^{\′}+{f_2}^{\′}-B}$

计算得出放大率β、第一液体变焦透镜的焦距f₁’以及第二液体变焦透镜的焦距f₂’，完成原始结构设计。

4.根据权利要求1所述实现无移动镜组变焦距光学系统的方法，其特征在于，所述液体变焦透镜应满足以下控制方案：

用Φ表示透镜光焦度，f₀′表示透镜焦距，n表示透镜腔体内液体折射率，R表示透镜弹性薄膜表面曲率半径，r₀表示透镜有效通光口径半径，ΔV表示透镜填充液体体积变化量，以上参数应满足方程：

$\mathrm{\Φ}=\frac{1}{{f_0}^{\′}}=\frac{n-1}{R}$

$\mathrm{\ΔV}=\frac{1}{3}\mathrm{\π}{(R-\sqrt{R^2-{r_0}^2})}^2[2R+\sqrt{R^2-{r_0}^2}].$

5.根据权利要求3所述实现无移动镜组变焦距光学系统的方法，其特征在于：所述

系统物平面(23)与系统像平面(24)之间设有改善成像质量与成像能力的定焦透镜。

6.一种实现权利要求1所述方法的无移动镜组变焦距光学系统，包括系统物平面(23)与系统像平面(24)，其特征在于：所述系统物平面(23)与系统像平面(24)之间至少设置2个液体变焦透镜，分别为第一液体变焦透镜(21)与第二液体变焦透镜(22)；所述系统物平面(23)、系统像平面(24)、第一液体变焦透镜(21)以及第二液体变焦透镜(22)的位置关系应满足以下关系

$\left\{\begin{array}{c}A+B+C=L\\ \mathrm{\β}=\frac{{l_2}^{\′}}{l_2}\frac{{l_1}^{\′}}{l_1}\\ \frac{1}{{l_1}^{\′}}-\frac{1}{l_1}=\frac{1}{{f_1}^{\′}},\frac{1}{{l_2}^{\′}}-\frac{1}{l_2}=\frac{1}{{f_2}^{\′}}\\ A=-l_1,B={l_1}^{\′}-l_2,C={l_2}^{\′}\end{array}\right.$

其中用A表示物距，B表示两透镜间距，C表示后截距，L表示系统物平面(23)与系统像平面(24)之间的距离，l₁表示第一液体变焦透镜(21)的物距，l₁’表示第一液体变焦透镜(21)的像距，f₁’表示第一液体变焦透镜(21)的焦距；l₂表示第二液体变焦透镜(22)的物距，l₂’表示第二液体变焦透镜(22)的像距，f₂’表示第二液体变焦透镜(22)的焦距；

系统的组合焦距最终满足以下关系

$f^{\′}=\frac{\mathrm{AC\β}}{\mathrm{B\β}+C+A{\mathrm{\β}}^2}$

f’表示组合系统焦距。

7.根据权利要求6所述无移动镜组变焦距光学系统，其特征在于：所述至少2个液体变焦透镜中至少有1个是折衍混合液体变焦透镜。

8.根据权利要求7所述无移动镜组变焦距光学系统，其特征在于：所述折衍混合液体变焦透镜包括控制端(15)、与控制端(15)连接的腔体(14)，所述腔体(14)内设有填充液体(12)，所述腔体(14)包括一个平面和一个可调节面，所述平面为含衍射面的平面玻璃基板(11)，所述可调节面为透明弹性薄膜(13)。

9.根据权利要求6或7或8所述无移动镜组变焦距光学系统，其特征在于：所述至少2个液体变焦透镜之间，还设有定焦透镜(32)。

Images