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CN101821658A - 具有在固定组中的液体透镜的摄远镜头类型的变焦透镜 - Google Patents

具有在固定组中的液体透镜的摄远镜头类型的变焦透镜 Download PDF

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CN101821658A
CN101821658A CN 200880111594 CN200880111594A CN101821658A CN 101821658 A CN101821658 A CN 101821658A CN 200880111594 CN200880111594 CN 200880111594 CN 200880111594 A CN200880111594 A CN 200880111594A CN 101821658 A CN101821658 A CN 101821658A
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艾恩·A·尼尔
詹姆士·H·詹纳德
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黑眼睛光学有限公司
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Abstract

一种摄远镜头类型的变焦透镜(60),包括:可轴向移动的变焦透镜组(G2);轴向静止的透镜组,包括一个液体透镜单元(LC),所述一个液体透镜单元包括第一接触液体和第二接触液体,接触液体之间的接触光学表面(21)具有可变的形状;以及使辐射轴变向的光学元件;其中,所述可轴向移动的变焦透镜组(G2)和所述轴向静止的透镜组(LC)在公共的光轴(38)上对准,并且收集从所述变焦透镜系统的物侧(1)发出的辐射并将所述辐射传送至像侧(36)。在某些实施中,该系统还通过变焦组的调整和液体透镜单元中的可变形的光学表面提供对不希望的热所引起的效应的补偿。

Description

具有在固定组中的液体透镜的摄远镜头类型的变焦透镜

[0001] 相关申请

[0002] 本申请涉及并要求于2007年12月4号提交的第60/992,244号美国临时申请的优先权,该临时申请通过引用并入本文并作为本说明书的一部分。

背景技术

技术领域

[0003] 本发明涉及采用液体光学器件以及辐射轴的变向的光学透镜系统。

[0004] 相关领域的描述

[0005] 历史上,成像装置已经使用两个或更多可移动变焦透镜组以提供变焦和不同的焦 距。还可能需要附加的透镜组以进行聚焦。

[0006] 然而,在变焦和聚焦透镜系统中,存在与使用具有移动透镜组相关联的固有缺点。 具体地,具有移动透镜组意味着需要复杂的以机械方式移动的部件。每个可移动透镜组都 需要支撑结构和驱动机构,如凸轮和电机,并且某些情况下还需要控制电子装置以便于进 行运动。这种系统复杂性可能会增加尺寸、重量和成本,并且可能使系统操作在一定时期内 不可靠。在具有至少两个可移动变焦透镜组的一些之前可获得的变焦透镜中存在这些缺点 以及不希望的局限性,诸如焦距的受限范围、无法在整个焦距范围内进行充分地聚焦、无法 在近处物体上聚焦、在整个焦距范围和聚焦距离上缺乏足够的光学性能。需要机械复杂性 较低但性能高的变焦透镜系统。

发明内容

[0007] 液体透镜单元在腔中包括两种或更多种流体。这些流体接触以形成通过例如电节 点可变的表面。流体可以是例如一种或多种气体、一种或多种液体、或者一种或多种固体以 及一种或多种液体的混合物。采用液体透镜单元来替换一个或多个移动透镜组产生用于光 路的额外配置选择。用液体透镜单元来替换移动透镜组产生更紧凑的系统。然而,线性光学 设计会产生比所期望的更长的透镜。液体透镜单元代替移动组的使用便于诸如折曲的光学 元件的使用,以便减少透镜的物理长度。尽管通过透镜的光路的总长度可以保持不变,但是 液体透镜单元提供在一个或多个方向上减小长度的用于对辐射轴进行变向的基本空间。这 允许在更小的照相机包装中使用更长的总体透镜长度。例如,许多全自动照相机和移动电 话照相机不具有用于较长透镜的大量空间。采用液体单元结合折曲或对辐射轴进行变向, 允许在这些较小的照相机包装中的更好的透镜系统。更大的照相机还能够得益于减小照相 机包装长度,这对于不对辐射轴进行变向的透镜系统将会是需要的。

[0008] 应该理解,本文所描述的实施方式旨在对本发明进行解释,本发明的范围不受限 于所述的实施方式。附图说明

[0009] 图1是照相机的方块图;

[0010] 图2是采用液体的变焦透镜系统的光学示意图。

[0011] 图3A和3B是图2的变焦透镜系统的液体单元的光学示意图,其中示出了液体之间的表面形状。

[0012] 图4A、4B和4C是图1的变焦透镜系统的光学示意图,其中图示了用于产生不同焦 距和对焦距离的变焦透镜组的不同位置和液体之间的表面形状。

[0013] 图5A、5B和5C是图4A、4B和4C的变焦透镜系统的调制传递函数性能图。

[0014] 图6是应用液体和单个折曲的变焦透镜系统的光学示意图。

[0015] 图7是应用液体和双折曲的变焦透镜系统的光学示意图。

[0016] 图8A和8B是具有折曲的变焦透镜系统的光学示意图,其中图示了变焦透镜组的 不同位置以及液体之间的表面形状。

[0017] 图9A、9B和9C是变焦透镜系统的光学示意图,其中图示了辐射轴的变向,通过用 于产生不同焦距和对焦距离的变焦透镜组的不同位置和液体之间的表面形状。

具体实施方式

[0018] 在以下对优选实施方式的描述中参照了附图,附图形成描述一部分,并且在附图 中以图示方式示出了本发明可得以实施的特定实施方式。可以理解,可以采用其它实施方 式,并且在不背离本发明的范围的情况下可以进行结构上的改变。

[0019]于 2007 年 10 月 8 号提交的且题为“Liquid Optics Zoom Lens andlmaging Apparatus (液体光学变焦透镜和成像装置)”的第60/783,338号美国临时专利申请(其全 部内容通过引用并入本文),公开了一种应用液体光学器件来提供变焦和聚焦功能的变焦 透镜系统。用于变焦和聚焦的液体光学器件的使用提供了具有辐射轴的变向的可选透镜系 统。首先描述应用液体光学器件来提供变焦和聚焦功能的示例性变焦透镜系统,然后描述 应用辐射轴的变向的实施方式。

[0020] 变焦透镜系统中的液体光学器件

[0021] 图1图示了具有变焦透镜102的照相机100的方块图。变焦透镜是能够改变焦距 的透镜元件的组件。单个透镜元件可以固定就位,或者沿透镜本体轴向滑动。透镜组可包 括一个或多个透镜元件。至少一个可移动透镜组提供物体放大的变化。当至少一个可移动 透镜组移动以完成放大时,焦平面的位置也可能移动。至少一个其它可移动透镜组可移动 以补偿焦平面的移动,从而保持恒定的焦平面位置。还可以在透镜的放大倍数改变时通过 使整个透镜组件移动以通过机械方式实现对焦平面移动的补偿。

[0022] 单个透镜元件可由固相材料,如玻璃、塑料、结晶体、或半导体材料构成,或者单个透 镜元件可通过使用液体或气体材料,如水或油构成。透镜元件之间的空间可包含一种或多种气 体。例如可使用标准空气、氮气或氦气。可选地,透镜元件之间的空间可以是真空。当在本公 开中使用“空气”时,应理解其在较宽泛的意义上使用并可包含一种或多种气体或者真空。

[0023] 变焦透镜通常具有三个或更多移动透镜组以实现变焦和聚焦功能。机械凸轮可将 两个可移动透镜组连接以进行变焦,第三可移动透镜可用于聚焦。

[0024] 变焦范围部分地由可移动透镜组的移动范围决定。较大的变焦范围需要用于透镜组移动的附加空间。一个或多个可移动透镜组可由采用液体单元技术的透镜组所替代。由 于液体单元不需要用于轴向移动的空间,因此可以减小包含可移动透镜组的透镜设计的长 度。可替换地,本用于可移动透镜组轴向移动的空间能够用于包括附加的光学元件或折曲。 尽管液体单元不需要用于移动的空间,但可以是可移动透镜组的一部分。

[0025] 液体单元可用于变焦和聚焦。在一个实施方式中,可移动透镜组与采用液体单元 技术的透镜组一同使用。无需带有一个可移动透镜组的机械凸轮。不具有凸轮允许额外的 移动。

[0026] 一个或多个可移动透镜组与一个或多个液体单元一同使用以实现变焦和聚焦。单 一的可移动透镜组和单一的液体单元可进行变焦、聚焦以及对于热效应的补偿。在一个实 施方式中,聚焦系统至少具有第一透镜组和第二透镜组。第一透镜组是相对较高倍率的,第 二透镜组是相对较低倍率的,透镜倍率等于透镜焦距的倒数。第一透镜组包括传统的玻璃 透镜或其它固体透镜,第二透镜组包括至少一个液体透镜。

[0027] 液体透镜使用两种或更多种液体以形成透镜。透镜的焦距部分地由液体之间的接 触角度和液体折射率的差异决定。倍率变化的范围受到所采用液体的折射率的差异和因空 间约束在液体之间的表面交界处产生的曲率半径的有限范围限制。以引用方式并入本文的 美国专利申请公开No. 2006/0126190公开了采用通过电润湿法产生液滴变形的透镜。

[0028] 现在提出的液体透镜系统的折射率差异至少约为0. 2,优选地至少约为0. 3,在 一些实施方式中至少约为0. 4。水具有约为1. 3的折射率,填加盐可允许折射率变化到约 1.48。适当的光学油可具有至少约为1.5的折射率。甚至采用具有较高、或高或低和较低 折射率的液体,例如较高折射率的油,倍率变化范围都仍受限。这种受限的倍率变化范围通 常提供比可移动透镜组的放大倍数变化低的放大倍数变化。因此,在简单的变焦透镜系统 中,为了在保持恒定的像面位置的同时提供变焦,可以通过一个可移动透镜组提供大部分 的放大倍数变化,并且可以通过一个液体单元在放大倍数变化期间提供对像面处的离焦的 补偿。然而,应该注意,可以采用更多的透镜组或更多的液体单元,或者采用更多的透镜组 和更多的液体单元。

[0029] 可移动透镜组可具有正的或负的倍率。液体单元可具有一定范围的可变倍率,其 中倍率一直为正、一直为负或从正变化到负或相反。可移动透镜组和液体单元的正确布置 提供大于2倍且优选地大于3倍的扩展的变焦比,并且在整个变焦范围中提供良的成像质 量。除了变焦以外,该布置还通过采用来自液体单元、可移动透镜组或液体单元和可移动透 镜组两者,在扩展的变焦范围上提供不同物距处的聚焦。由液体单元、可移动透镜组或液体 单元和可移动透镜组两者所提供的该附加的倍率变化可容易获得。由于一个可移动透镜组 不必需要具有固定运动轨迹的凸轮,因此可以对可移动变焦透镜组的位置进行调整以进行 变焦和聚焦。通过采用可移动透镜组和液体单元以进行变焦和聚焦实现了高性能成像。

[0030] 还可以用至少一个液体单元替换可移动透镜组。这样可能会增加光学系统的复杂 性并可能使光学系统具有其它缺点,如减少的放大倍数变化。

[0031] 图1还图示了控制透镜中的透镜组102的移动和操作的透镜控制模块104。控制 模块104包括控制液体透镜单元中的曲率半径的电子线路。电子线路还可控制可移动透镜 组的位置。可预先确定用于各种焦点位置和变焦位置的合适的电子信号水平并将其置于查 找表中。可替换地,模拟线路或线路与查找表的组合可以产生合适的信号水平。在一个实施方式中,使用多项式来确定合适的电子信号水平。可将沿多项式的点存储在查找表中,或 者可以通过电路实现多项式。

[0032] 在对液体之间表面的曲率半径或可移动透镜组的位置或表面的曲率半径和可移 动透镜组的位置两者进行的控制中还可以考虑热效应。多项式或查找表可包括有关热效应 的附加变量。

[0033] 控制模块104可包括用于特定变焦设定或焦距的预设控制。这些设定可由使用者 或照相机制造商存储。 [0034] 图1还图示了接收与外界物体相对应的光学图像的图像捕获模块106。图像沿穿 过透镜102的光轴传输到图像采集模块106。图像捕获模块106可使用多种形式,如胶片 (例如,生胶片或静态影像胶片)、或电子图像检测技术(例如,CCD阵列、CMOS设备或视频 图像采集电路)。光轴可以是直线的或可以包括折曲或者辐射轴的其他变向。应该理解的 是本文使用的折曲意在具有宽泛的解释。可以利用对辐射轴进行变向的多种光学元件,并 且本发明的范围不应限制为特定类型的光学元件。

[0035] 图像存储模块108例如将图像保持在板载存储器中或保持在胶片、磁带或磁盘 上。在一个实施方式中,存储介质是可移除的(例如,闪存、胶卷盒、磁带盒或磁盘)。

[0036] 图像传输模块110提供将所捕获的图像传输至其它装置。例如,图像传输模块110 可以使用一种或多种连接,如USB接口、IEEE 1394多媒体连接、以太接口、蓝牙无线连接、 IEEE 802. 11无线连接、视频分量连接、或S-视频连接。

[0037] 照相机100可以实现为多种方式,如摄像机、移动电话照相机、数字照相机、或胶 片照相机。

[0038] 现在通过设计示例对变焦透镜的实施方式进行描述。首先参照图2,每个透镜元件 均由跟有数字从1到20的文字“E”表示,尽管显示了每个透镜元件的一般构造,但是每个 透镜表面的实际半径在以下的表1中列出。透镜、物体、光圈装置(stop)或光圈和图像表 面由数字从1到36表示。3个透镜组在图2中由跟有数字从1到3的文字“G”表示,液体 透镜单元由字母“LC”表示并包括光学表面19到23。光轴在图2中由数字38表示。

[0039] 每个透镜元件均具有由单独但连续的表面数表示的该透镜元件的相反表面,例 如,如图2中所示,透镜元件El具有透镜表面2和3,透镜元件E9具有透镜表面17和18, 等等。待成像物体的位置特别由于其与对焦距离有关而由位于光轴38上的竖直线和数字1 表示,实像表面由数字36表示。除了透镜表面4和8是非球形、非平面的非球面而是相对 于光轴转动对称的,所有的透镜表面都是球形或平面的。

[0040] 在描述透镜元件的详细特征之前,为变焦透镜系统60,对透镜组及其轴向位置和 移动、以及液体透镜单元和接触液体表面形状的变化进行概括的描述。

[0041] 将每个透镜组的正倍率或负倍率定义为焦距的倒数。所得到的每个透镜组的光学 倍率如下:物镜组Gl为正,变焦透镜组G2为负,后透镜组G3为正且随着液体单元中的表面 形状变化而从较低的正值变化到较高的正值。位于图2上部两端的带有箭头的水平箭头标 志指示变焦透镜组G2可在两个轴向方向上移动。

[0042] 尽管在图2中仅物理地示出了透镜元件,但是应该理解,提供机械装置和机构以 支撑透镜元件并使可移动透镜组在透镜壳体或筒体中进行轴向移动。另外可以理解,电子 线路改变液体透镜单元中的形状可变化的光学表面的轮廓。[0043] 以下在表1中列出了用于上述变焦透镜系统60的透镜构造和制造数据。以 250C (77° F)和标准大气压(760mm Hg)给出表1中的数据。在整个说明书中,除了波长单 位为纳米(nm)外,测量的单位都是毫米(mm)。在表1中,第一栏“项目”表示每个光学元件 和每个位置,即,具有与图2中所使用的相同的数字或标记的物面、像面等。第二栏表示具 有在图2中所使用的相同数字的光学元件(透镜)所属的“组”。第三栏“表面”是图2中 所示的物体的表面数字(图2中的线“1”和表1中的“物体”)、光圈装置(光圈)13和透 镜的实际表面的每一个的列示。第四栏“焦点位置”表示对于变焦透镜系统60的3个典型 的焦点位置(Fl、F2和F3),其中如以下将更全面描述的那样,在第三栏中所列示的表面中 的一些之间的距离(分离)存在变化,并且在第三栏中所列示的表面21的曲率半径存在变 化。第五栏“分离”是该表面(第三栏)与下一表面之间的轴向距离。例如,表面S2与表 面S3之间的距离是1. 725mm。

[0044] 标题为文字“曲率半径”的第六栏是每个表面的光学表面曲率半径的列示,其中负 号(_)意指如图2所示地曲率半径的中心处于表面的左侧,“无穷大”意指光学平面。表面 4和8的星号(*)表示这些表面是非球面表面,为此“曲率半径”是基圆半径。使用非球面 表面提供了对变焦透镜中的像差的校正,并且实现了较小的总尺寸和较为简单的构造。以 下等式给出了非球面表面4和8的表面轮廓的公式和系数:

[0045] <formula>formula see original document page 7</formula>

[0046]式中:

[0047] c是表面曲率(c = Ι/r,其中r是曲率半径),

[0048] y是从X轴和Y轴测量的表面的径向孔径高度,其中:

[0049] y = (X2+Y2)1/2

[0050] κ是二次曲面系数,

[0051] A、B、C、D、E和F分别是第4、第6、第8、第10、第12和第14阶变形系数,

[0052] z是对于给定y值的表面轮廓位置或沿光轴从表面的极点(即,轴向顶点)测量的 表面轮廓的位置,

[0053] 表面4的系数为:

[0054] κ = -0. 6372

[0055] A =+0. 9038 XlCT6

[0056] B =+0. 2657 XlCT8

[0057] C =-0. 1105X10,

[0058] D = +0. 4301 X IO-13

[0059] E = -0. 8236 X IO-16

[0060] F =+0. 6368X10,

[0061] 表面8的系数为:

[0062] κ = +0. 0000

[0063] A =+0. 5886 XlCT4

[0064] B =-0. 5899 XlCT6

[0065] C =+0. 8635 XlCT8[0066] D =-0· 5189X10,

[0067] E = -0. 1186X10-11

[0068] F = +0. 1631 X IO-13

[0069] 表1的第七到第九栏有关于该表面(第三栏)与向图2中右侧的下一表面之间的“材料”,栏“类型”表示在这两个表面之间是否存在透镜(玻璃)或空的空间(空气) 或液体透镜(液体)。玻璃和液体透镜由栏“代号”中的光学玻璃或液体表示。为了方 便,所有的透镜玻璃都选自可从Ohara公司获得的玻璃,但是应该理解,可以使用任何等同 的、类似的或适当的玻璃。而且,油的透镜液体选自可从CargilleLaboratories有限公司 获得的液体,并且水通常可从各种水源获得,但是应该理解,可以使用任何等同的、类似的 或适当的液体。表面20处的水液体在656. 27、589. 29、546. 07和486. 13纳米的波长下 分别具有1. 331152,1. 332987,1. 334468和1. 337129的折射率。表面21处的油液体在 656. 27,589. 29,546. 07 和 486. 13 纳米的波长下分别具有 1. 511501,1. 515000,1. 518002 和 1. 523796的折射率。

[0070] 表1的标题为“孔径”的最后一栏提供光线穿过的每个表面的最大直径。对于所 有的变焦和聚焦位置,在对于像面处的约6mm的最大图像直径的546. 1纳米的波长下以及 F/2. 8至F/4. 0的F数下给出除光圈装置表面13以外的所有最大孔径。表1中,对于变焦 位置Zl和聚焦位置Zl,在546. 1纳米的波长下以及像面处F/2. 8的F数下给出了光圈装置 表面13的最大孔径。在像面36处,以近似值给出了最大孔径。

[0071]表 1

[0072]<table>table see original document page 9</column></row> <table>

[0073] 变焦透镜系统60设置有位于表面13处的光学光圈装置,该光学光圈装置控制在

该位置光线可穿过孔隙的直径。光学光圈装置是物理光圈(或光阑)所处的位置。光圈位

于后透镜组G3前方并相对于该透镜组轴向静止。注意,在图4A中,边缘光线穿过光学光圈表面13的等值记号(tic mark)的轴线侧,使得变焦透镜系统在任何场位置、变焦位置和聚 焦位置都不具有任何光束的渐晕。然而,注意,F数在所有的变焦和聚焦位置变化,并且光圈 相应地打开或关闭。对于焦点位置Fl的变焦位置Z1-Z8处的光圈直径为6. 71,6. 39,5. 96、 5. 53,5. 18、4.84、4.63和4.61。这表明,位于13处的光圈应该随着焦距增大而关闭。与焦 点位置Fl相对比,对于焦点位置F2和F3的变焦位置Z1-Z8处的光圈直径以小于0. 3mm直 径的小量而发生改变,以保持与对于焦点位置F 1相同的F数。

[0074] 参照表1,为了说明设计的范围和多样性,数据中记录了 8个不同的变焦位置Z1、 Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7和Z8以及3个不同的焦点位置Fl、F2和F3,这些数据实际上提供了 用于可移动变焦透镜组G2和形状可变的光学表面21的24(8X3 = 24)个不同位置组合。

[0075] 在546. 1纳米波长下,变焦透镜系统60在焦点位置Fl处的对于变焦位置

焦距分别为 5. 89,7. 50、11. 25、15. 00、18. 75,30. 00,41. 25 和 45. OOmm0 在 546. 1 纳米波长 下,对于数据位置Z1-Z8的焦距的对应F数分别为2. 80、2. 90、3. 05、3. 25、3. 45、3. 70、3. 95 和 4. 00。 [0076] 对于焦点位置F1,假设物面1位于无穷远,对于F2,物面1处于约1016. 25mm的中 间距离,而对于F3,物面1位于约378. 75mm的近距离处(即,离开像面378. 75mm)。在3个 焦点位置Fl、F2和F3中的每一个处,透镜组Gl和G3在变焦透镜组G2的整个移动范围内 保持在相同的位置。表2和3提供了表面7和12的分离值,表4提供了表面21对于焦点 位置Z1-Z8和F 1-F3的曲率半径。

[0077]表 2

[0078] 对于表面7的分离值

[0079]

表面 焦点 Zl Z2 Z3 TA Z5 Z6 Z7 Z8 7 Fl 0.08325.7132 13.7126 18.4633 21.6974 27.4007 30.5400 31.3096 7 F2 0.0902 5.7486 13.6468 18.3289 21.5154 27.0776 30.0174 30.7361 7 F3 0.0750 5.6942 13.4674 18.1217 21.3355 26.7467 29.5798 30.2701

[0080] 表 3

[0081] 对于表面12的分离值

[0082]

表面 焦点 Zl Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8

~12 Fl 31.5294 25.8992~17.8996~13.1486~9.9140 4.21011.07010.3000

12 F2 31.5178 25.8581 17.9590 13.2762 10.0892 4.5268 1.5870 0.8729

12 F3 31.5324 25.9120 18.1380 13.4831 10.2689 4.8577 2.0248 1.3384

[0083]表 4

[0084] 对于表面21的曲率半径

[0085]

表面 焦点 Zl Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 Z8

21 Fl -33.9902-40.9700-60.9667 -84.8892 -106.7630~-101.7297 -58.3998 -48.6792 21 F2 -34.3890 -42.0587 -65.5384 -101.1799 -154.9184 -370.2777 -263.5374 -212.3139 21 F3 -35.0134 -43.6001 -72.6330 -133.7178 -351.2333 214.4454 125.5481 115.8049

[0086] 可以理解,在两端的焦点位置Fl与F3之间可以获得连续聚焦,在两端的变焦位置 Zl与Z8之间可以获得连续变焦,在通过透镜系统60所描述的聚焦和变焦范围内可以获得 连续聚焦和变焦的任何组合。[0087] 图2中所示和表1中所列示的变焦透镜系统60具有分别对于透镜组Gl和G2的 54. 30和-12.25mm的焦距。而且,由于液体之间的光学表面21的可变形状,透镜组G3具 有可变焦距,该可变焦距在变焦位置Zl和焦点位置Fl处、以及变焦位置Z8和焦点位置F3 处分别具有最小值+30. 18mm和最大值+38. 97mm。图3A和3B中示出了变焦透镜系统60的 液体单元LC,其中显示了液体之间的形状可变的光学表面21的来自表1的两个极值曲率半 径。在图3A和3B中,表面21的两个曲率半径分别约为-33. 99和+115. 80mm。在图3A和 3B中,液体单元LC的两个极值焦距分别为-185. 20和+630. 97mm。这种差异在变焦位置Zl 和焦点位置Fl处以及变焦位置Z8和焦点位置F3处发生。在该实施方式中,表面20、21和 21、22之间的两个液体的体积随着可变表面形状的变化而变化。然而,也可以通过使表面 20,21和21、22之间的轴向分离发生小的且相等但相反的改变,保持每个液体的恒定体积。

[0088] 现在参照4A、4B、和4C,其中示出了变焦透镜系统60具有处于不同位置的变焦透 镜组、处于不同位置的液体单元中的可变表面的形状以及对于这些位置的光线路线。图 4A图示了焦点位置Fl和变焦位置Z1,为此表1中所记录的数据具有无穷远的焦点和约为 5. 9mm的小焦距。图4B图示了来自表1中的中间焦点和约11. 3mm焦距的焦点位置F2和变 焦位置Z3。图4C图示了来自表1中的近焦点和约44. 8mm焦距的焦点位置F3和变焦位置 Z8。

[0089] 图4A、4B和4C示出了分别对于各自的变焦位置和焦点位置Z1、F1和Z3、F2和Z8、 F3的具有相应的可变光学表面21的3个表面形状的变焦透镜组G2的3个轴向位置。

[0090] 图5A、5B和5C中给出了变焦透镜系统60的光学性能,其中以百分比(% )示出 了对于以表1中所记录的变焦位置和焦点位置,即作为代表性示例的(Z1,F1)、(Z3,F2)以 及(Z8,F3)的3种不同组合而得到的5个不同的场位置的基于衍射的多色调制传递函数 (“MTF”)数据(调制相对空间频率)。场位置记录为两个数值,归一化的图像高度(mm)和 相对于光轴的实际物空间角度(度)。MTF百分比处于在图5A、5B和5C的右上角所记录的 波长和权重处并以图形方式示出用于在像面36处的切向(T)和径向(R)。注意,切向和径 向数值在轴向场位置(轴)处是相等的并仅以一个图形绘制。所示最大空间频率为90周 期/mm,这样,给定约6mm的图像直径和对探测器像素尺寸的选择可以提供至少高达高清电 视(HDTV)分辨率,即1920个水平像素乘1080个竖直像素的高质量图像。处于空间频率的 MTF是光学性能的相对标准的测量,其中数值“90周期/mm”意味着位于用于确定清晰度的 图上的每毫米90对黑线和白线。最高的MTF值约为89%,处于对于变焦位置Zl和焦点位 置F2的完全径向场。最低的MTF值约为58%,处于对于变焦位置Z8和焦点位置F3的完全 切向场。最小的相对照度约为75%,处于变焦位置Zl和焦点位置F1。通常,相对照度值越 高越好,因为低的数值意味着光在图片的角落中减少。对于现有技术的探测器而言,高的完 全场相对照度是优选的,现有技术的探测器在所有区域中具有对光的恒定响应,并且忠实 地重现图像角落中的阴影以及在变焦过程图像的改变。小于50%的照明可能导致电子探测 器中的阴影,但是对于胶片而言可能被接受。最高正畸变为变焦位置Z3和焦点位置Fl处 的+3. 04%,最低负畸变为变焦位置Zl和焦点位置F3处的-2. 98%。通常,所谓透镜的“呼 吸”问题(但是可能在变焦透镜中更为普遍),其中从远焦到近焦图像的尺寸改变,在变焦 透镜系统60中在变焦范围的短焦距处实际上是不存在的,而由于大的景深这种问题在变 焦范围的短焦距处最可能被注意到。最低呼吸为变焦位置Zl和焦点位置F3处的-0. 2%,最高呼吸为变焦位置Z8和焦点位置F3处的-19. 5%。呼吸是从无穷远焦点到选定焦点的 最大场角中的百分比变化。因此,在无穷远的焦点(Fl)处,呼吸为零,因为它是参考视场。

[0091] 在25°C (77° F)的温度、标准大气压(760mm Hg)下以及在变焦透镜系统60中可获得的全部孔隙处给出全部的性能数据。然而,变焦透镜系统60在0°C至40°C (32° F至 104° F)的温度范围内的确提供了基本恒定的性能,例如MTF值,并且如果可以接受性能 (MTF)的小的下降,那么操作温度范围可以扩展至-10°C至50°C (14° F至122° F)或更 多。对于温度的变化,可以通过对变焦透镜组G2进行进一步的轴向调整或对接触的光学表 面21的形状进行进一步的改变或二者的结合实现最优性能。这可以发生在所有的变焦及 聚焦位置。在约0°C (32° F)或以下的低温,为了避免结冰(形成固体),液体可能需要加 热或替换为含添加剂的液体,以与为了低温运行而将防冻剂添加到汽车散热器水中的相似 方式。然而,注意这些材料温度优选地不应显著改变液体的光学特征。

[0092] 尽管使用变焦透镜系统60的所述实施方式具有用于与6mm直径(所谓1/3英寸 芯片传感器)一同使用的适当尺寸,但是该变焦透镜系统的尺寸可以适当地放大或缩小以 与各种胶片和电子探测器图像形式一同使用。

[0093] 液体透镜单元可以具有有限的通光孔径直径。如果使用足够小的探测器,则液体 透镜单元可以位于探测器附近。可选地,当光束“腰”足够窄时,液体透镜单元可以位于中 间图像附近。液体透镜单元可以位于中间图像之前、中间图像之后,或者液体透镜单元可以 位于中间图像之前和之后。在光圈装置或光圈附近能够产生腰效应。如表2所示,光圈处 的直径约为6. 7mm。由于光圈装置或光圈处的较小直径,可以适当的将液体透镜单元定位在 光圈装置或光圈的附近。

[0094] 变焦透镜系统60的众多优点之一在于仅通过使用一个轴向移动变焦透镜组在大 范围的焦距上提供变焦。变焦透镜系统60的设计产生具有高性能以及机械复杂性低于大 多数传统高性能变焦透镜系统的透镜系统,大多数传统高性能变焦透镜系统需要至少两个 可轴向移动的变焦透镜组和相应的机械装置。变焦透镜系统60的独特透镜设计在大范围 的焦距上提供聚焦而无需附加的可移动透镜组和相应的机械装置。所公开的变焦透镜系统 60是示例性的,其它设计落入本发明的范围内。通过上述描述和附图,本领域技术人员会了 解变焦透镜系统60的其它特征和优点。

[0095] 变焦透镜系统中的液体光学器件以及辐射轴的变向

[0096] 采用液体透镜单元来替换一个或多个移动透镜组产生用于光路的额外配置选择。 用液体透镜单元来替换移动透镜组产生更紧凑的系统。然而,线性光学设计会产生比所期 望的更长的透镜。液体透镜单元代替移动组的使用便于诸如折曲的光学元件的使用,以便 对辐射轴进行变向,减少透镜的物理长度。尽管通过透镜的光路的总长度可以保持不变,但 是液体透镜单元提供用于在一个或多个方向上减小长度的折曲的基本空间。这允许在更小 的照相机包装中使用更长的总体透镜长度。例如,许多全自动照相机和移动电话照相机不 具有用于较长透镜的大量空间。采用液体单元结合折曲允许在这些较小的照相机包装中的 更好的透镜系统。更大的照相机还能够得益于减小照相机包装长度,这对于不使用折曲的 透镜系统将会是所需要的。

[0097] 图6示出了应用液体和单个折曲41的变焦透镜系统的光学示意图。液体代替可 移动透镜组的使用减少了空间需求并提供了对用于折曲反射镜或棱镜的空间的基本布置的额外选择。图6示出了折曲将不会妨碍移动透镜组的布置。

[0098] 可以减小变焦透镜系统60的全长,但具有性能上的退化,除非引入诸如更多的透 镜元件和/或非球面的增加的光学复杂性。然而,可以通过变焦透镜系统的折曲来实现减 小的长度。图6示出了在后透镜组G3中的较大空间中的单个45度折曲41,以使辐射路径 变向了 90度。

[0099] 图7是应用液体和双折曲的变焦透镜系统的光学示意图。图7示出了在后透镜组 G3中的较大空间中的双重45度折曲42和43,以使辐射路径变向了两次共计180度,以使得 辐射具有相反的方向。对于变焦透镜系统60在照相机盒中的包装,该布置可以是优选的。 此外,变焦透镜系统可以具有通过所有的变焦和聚焦位置的常数孔径F/2. 8,但保持基本相 同的变焦透镜系统直径,可能出现某些渐晕。在这种情况下,会出现图像质量的一定退化, 但可以通过变焦透镜系统的参数的再优化来进行部分地的修正。可以将变焦透镜系统布置 为使得不出现渐晕。

[0100] 图8A和8B是变焦透镜系统的光学示意图,其中图示了辐射轴的变向,通过变焦透 镜组的不同位置和液体之间的表面形状。该实施方式图示了可选透镜设计。图8A图示了 将图像放大至超过透镜系统的光学路线的一点的变焦位置。该实施方式图示了一个设计选 择,能够对该设计作出小的改变来修正这种效应。

[0101] 折曲44和45基本上是平行的,以使得离开透镜元件50的光线基本上与通过透镜 46进入透镜系统的光线平行。透镜组47保持固定,而透镜组48移动以主要提供变焦。透 镜组49包括执行变焦和聚焦功能的液体透镜单元。

[0102] 图9A、9B和9C是变焦透镜系统的光学示意图,其中已经战略上地放置液体透镜单 元和折曲以便有利地缩短透镜系统的长度。光通过透镜组200进入透镜系统。透镜组201 移动以主要提供变焦。光线穿过光圈或光圈装置202并进入包括液体透镜单元的透镜组 203。折曲204将光引导通过透镜组205,透镜组205包括具有可变表面206的液体透镜单 元。然后光线穿过透镜组207。折曲208使光线变向通过透镜组209并朝向像平面210。图 9A图示了约6mm的焦距,F/2. 8,以及无穷远焦点。图9B图示了约15mm的焦距,F/2. 8,以 及无穷远焦点。图9C图示了约51mm的焦距,F/2. 8,以及无穷远焦点。

[0103] 透镜组203中的第一液体透镜单元具有约为IOmm的最大通光孔径直径。透镜组205中的第二液体透镜单元具有约为16mm的最大通光孔径直径。通过包括照相机闪光以减 慢采用在长焦距处或其附近的孔径,可以回复到一个液体透镜单元。

[0104] 应该注意,对于本领域技术人员而言,各种改变和修改时显而易见的。这些改变和 修改应理解为包含在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (8)

  1. 一种变焦透镜系统,包括:可轴向移动的变焦透镜组;轴向静止的透镜组,包括至少一个液体透镜单元,所述至少一个液体透镜单元包括第一接触液体和第二接触液体,接触液体之间的接触光学表面具有可变的形状;以及使辐射轴变向的光学元件;其中,所述可轴向移动的变焦透镜组和所述轴向静止的透镜组在公共的光轴上对准,并且所述可轴向移动的变焦透镜组和所述轴向静止的透镜组被布置以收集从所述变焦透镜系统的物侧空间发出的辐射并将所述辐射传送至像侧空间。
  2. 2.权利要求1所述的变焦透镜系统,其中,所述使辐射轴变向的光学元件包括反射镜。
  3. 3.权利要求1所述的变焦透镜系统,其中,所述使辐射轴变向的光学元件包括棱镜。
  4. 4. 一种变焦透镜系统,包括: 可移动的透镜组;液体单元透镜组;以及 使辐射轴变向的光学元件。
  5. 5.权利要求4所述的变焦透镜系统,其中,所述可移动的透镜组、所述液体单元透镜组 以及所述使辐射轴变向的光学元件在公共的光轴上对准。
  6. 6. 一种照相机系统,包括:变焦透镜,包括可移动的透镜组、液体单元透镜组以及使辐射轴变向的光学元件; 图像捕获元件,被定位在所述变焦透镜系统的焦点位置。
  7. 7 如权利要求6所述的照相机系统,其中,所述图像捕获元件是CCD。
  8. 8.如权利要求6所述的照相机系统,其中,所述图像捕获元件是胶片。
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