CN1118444A - 控制变焦透镜的设备 - Google Patents

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Abstract

一种变焦透镜设备，包括一个成像装置(6)以便把来自物体的光转变成电信号，一个变焦透镜和一个聚焦透镜设在物体和成像装置之间，变焦调节电路用于调节变焦透镜的移动，聚焦调节电路用于调节聚焦透镜的移动，校正电路用于按照变焦透镜的调节而输出一个调节值，温度检测电路用于检测物体周围的温度，以及系数电路用于根据温度检测电路的输出信号来校正校正电路的校正值。

Description

控制变焦透镜的设备
本发明涉及一种用于视频摄像机的变焦透镜设备，例如用于一体化视频摄录机的变焦透镜设备。
对于用在例如一体化，视频摄录机上的视频摄象机的变焦透镜设备而言，可以利用一种叫做无补偿镜内聚焦透镜(compensator-less inner-focus lens)。
附图的图1表示了一种含有无补偿镜内聚焦透镜的变焦透镜设备的结构。
在图1中，参考数字1表示一个固定的前置部件。一个所谓聚束器透镜(Variator lens)2放在固定的前置部件1的后面，用于确定变焦位置。用于把物体正确聚焦的聚焦透镜与通过一个可变光阑3及一个固定透镜4放在聚束器透镜2的后面。参考数字6表示一个成象装置，例如CCD(电荷耦合器件)。
在上述的变焦透镜设备中，当聚束器透镜2的位置从A(广角透镜方式)直线移动到B(望远透镜方式)以实现所谓连续变焦时，聚焦透镜5的位置沿着图1所示的预定的曲线30和31的轨迹而移动。这样，当摄象人员通过把聚束器透镜2设在广角透镜方式(A)和望远透镜方式(B)之间的任选位置上，对以任选距离远离摄象机的物体摄象时，聚焦透镜5的位置是这样来决定的，即它能使物体被稳定地正确聚焦。曲线30表示聚焦透镜5设在物体附近的情况，而曲线31则表示聚焦透镜5远距物体的情况。
为了确定聚焦透镜5沿着曲线30和31的轨迹上的位置，使用了一个微计算机(未示出)，它包括一个存储器，其中存放着曲线30和31的数据(偏心轮操作数据)。与表明聚束器透镜2的位置信息相关的、用以表示聚焦透镜5的位置的数据从微计算机的存储器读出。此外，表明有关从摄象机到物体距离的若干个距离(例如从最短距离到最长距离(无穷远))的曲线的数据也存在微计算机的存储器中。对于这些距离，微计算机把表示若干个距离的数据按比例进行划分以确定聚焦透镜5的位置。关于相关的技术，有属于本申请同一受让人的美国专利5,212,593号和5,335,282号。
当上述的变焦透镜设备用于一体化的摄录象机的视频摄象机时，如果变焦镜头设备装在摄象机的密闭的外壳中时，由于从基板或类似部件产生的热而使摄象机内部温度升高，这样就会引起透镜镜筒和透镜本身被高温所加热的危险。
另一方面，在变焦透镜设备中，当变焦透镜设备的使用环境温度变化时，经常可观察到透镜的聚焦位置(聚焦位置)会移动，这取决于受环境温度影响的组合部件的温度特性，例如透镜镜筒的膨胀或收缩以及透镜本身的曲率的变化。
具体地说，在上述变焦透镜设备中，当物体与摄象机相距一任意距离时，假定聚焦透镜5的位置(纵轴)沿着某一曲线相对于聚束器透镜2的位置(横轴)而移动，该曲线由图2中的一条曲线a来表示。表明该曲线a的数据是在该变焦透镜设计和制造时的某个特定环境温度下取得的，并存储在上述的微计算机的存储器中。
假定在另一方面，透镜镜筒材料随着环境温度的变化而膨胀或收缩，且透镜的曲率也随温度而变化，则曲线a在水平方向移动而呈现出图2中所表示的曲线b。在这种情况下，当聚束器透镜2处在望远透镜端的情况下，如果聚焦透镜5的位置相对于任意物体移动时，则任意物体就正确地聚焦在图2的B位置上。
如果在聚焦透镜5位于位置B的情况下聚束器透镜2从望远透镜一端移动到广角透镜一端，则聚焦透镜5的位置应该如曲线b所示那样进行移动。但是在上述例子中，微计算机按比例地划分从存放在存储器中的、表明由某个任意的物体距离所得的曲线a的数据、和表明下一个物体距离的曲线a的数据，其结果是透镜5的位置将被移到由所得结果的曲线d所表明的位置上。
其结果是，由于曲线b和d的纵轴的位移，任意距离上的物体将不能正确聚焦。因此，当聚束器透镜2的位置(连续变焦位置)从望远透镜一端移到广角透镜一端时，由于聚束器透镜2的位置的移动而使位于任意距离的物体将不能正确聚焦。当物体不能正确聚焦时，变焦透镜设备的性能被降低。此外，当变焦透镜设备和自动对焦调节设备一起使用时，自动对焦调节设备就必须对焦点的移动进行调节，而不是调节变焦透镜设备。
因此，由于环境温度的变化使物体不能正确聚焦时所引起的焦点的移动是必须校正的。但是，在变焦透镜设备中，曲线a不仅在垂直和水平方向平行地变动，而且也随着各个透镜的特性(例如曲率的膨胀和收缩以及透镜镜筒的结构和透镜的倍率)而有各式各样的变化。因此，很难预测曲线a的变化。此外，为了要按曲线b而校正曲线a，需要进行复杂的处理，而这种复杂的处理是不可能很方便地实现的。
另一方面，在一体化摄录象机的摄象机中，随着以高密度将摄象部件安装在摄象机中的技术的不断进步，一体化摄录象机中的视频摄象机已经小型化，不但变得更加小巧方便，而且可以用于各种场合。此外，用户对机器所提出的性能要求变得更高。例如，要求物体在摄录机可能使用的任何情况下都应能够正确聚焦。
考虑到上述情况，本发明的一个目的是提供一种变焦透镜设备，其中当物体由于环境温度变化不能正确聚焦时所引起的焦点的移动可以被稳定而满意地得到校正。
根据本发明的一个方面，提供一种变焦透镜设备，它包括：用于把来自物体的光转换成电信号的成象装置6；一个位于物体和成象装置之间的变焦透镜和聚焦透镜；一个用于调节变焦透镜的运动的变焦调节电路；用于调节聚焦透镜的运动的聚焦调节电路；用于对应于变焦透镜调节而输出调节值的校正电路；用于检测物体周围温度的温度检测电路；以及用于根据温度检测电路的输出信号而校正该校正电路的校正值的系数电路。
根据本发明的变焦透镜设备，可以解决由于环境温度的变化而使物体不能很好地聚焦所引起的焦点位移的问题。
此外，根据本发明，当变焦位置从望远透镜一端移到广角透镜一端时，它也可以解决在由于变焦位置的移动而使物体不能正确聚焦所引起的焦点移动的问题。
图1是一个示意图，用来说明按照相关技术的、包括无补偿镜内聚焦透镜的变焦透镜设备；
图2是一个示意图，用于说明随着环境温度的变化而使焦点移动的状态；
图3是部分地以方框形式表明的示意图，表明根据本发明的实施例的变焦透镜设备，其中把本发明应用在无补偿镜内聚焦透镜中；
图4表示焦点位移量的一个例子的示意图，在解释由于环境温度的变化而使曲线仅在水平方向移动时所发生的焦点位移中将参考这一图；
图5表示焦点位移量的一个例子的示意图，在解释由于环境温度改变而使曲线仅在垂直方向移动时所发生的焦点位移中将参考这一图；
图6表示焦点位移量的一个例子的示意图，在解释由于环境温度的变化而使曲线按相同的水平和垂直方向移动时所发生的焦点的位移中将参考这一图；
图7表示焦点位移量的一个例子的示意图，在解释由于环境温度的变化而使曲线按相反的水平和垂直方向移动时所发生的焦点的位移中将参考这一图；
现在将参考这些图来说明本发明。
图3用部分为方框图的形式概括地表明了按照本发明的一个实施例的一个变焦透镜设备，它用于一个无补偿镜的内聚焦透镜。如图3所示，一个用于确定变焦位置的聚束器透镜2设置在固定的前端部件1的后面。用于将物体聚焦的聚焦透镜5通过一个光阑机构3和一个固定透镜4而设置在聚光器透镜2的后面。如图3中，参考数字6表明一个成象设备(CCD)。
当变焦调节装置11被手动或电力驱动时，聚束器透镜2被移动到任一特定位置。表明聚束器透镜2所移动距离的量的信息由变焦调节装置11提供给微计算机12。
从聚焦调节装置13来的信号通过聚焦电机驱动器14提供给聚焦电机(M)15以便移动聚焦透镜5的位置使得任意物体能正确聚焦。为此目的，聚焦调节装置13产生表明到任意物体的距离信息。这个表明到任意物体的距离的信息从聚焦调节装置13提供给微计算机12。
微计算机12含有一个存储器(未示出)以存储映象图21，其中存放着表示相对于任意物体距离的聚束器透镜2位置的、聚焦透镜5的焦点轨迹位置的数据。
微计算机12根据从变焦调节装置11所提供来的表明聚束器透镜2移动距离的信息、和从聚焦调节装置13所提供来的表明到任意物体的距离的信息来检索映象图21，从而产生信息F，该信息F表明使任意物体正确聚焦的聚焦透镜5的位置。
位置信息F通过一个将在后面说明的加法装置25而加到聚焦电机驱动器14上，使得当变焦调节装置11把聚束器透镜2移到任意位置时，聚焦电机驱动器14从映象图21接收位置信息F并根据位置信息F驱动聚焦电机15而移动聚焦透镜5的位置。
聚焦透镜5的位置信息F是在变焦透镜设备设计和生产时的特定的环境温度下取得，并且将其存放在存储器(未示出)的映象图21中。
按照本发明的变焦透镜设备包括一个温度检测装置16，用于检测透镜镜筒和透镜的温度。根据温度检测装置16所检测到的表明温度的信息，就可能校正存放在映象图21中的聚焦透镜5的位置信息F。
在由图2中的曲线a所表示的特性中，由于环境温度变化而仅使曲线a在水平方向发生位移所引起的焦点的位移(在曲线b和d之间的垂直方向的差)，由图4中的相应曲线所表示，在这些曲线中，是以相对于因透镜镜筒及透镜受到环境温度的变化而引起的位移量(其范围从-20微米到+20微米，间距为5微米)来表示的。
在图4中，水平轴表示聚束器透镜2的位置，垂直轴则表示焦点的位移。图4中的中间水平轴表示环境温度完全不变化的部分。在图4中，各相应的曲线呈会聚状的靠右手侧的位置表示聚束器透镜2在望远透镜的一端。每条曲线的形状是这样的，即从望远透镜一端的位置移向左手侧(广角透镜侧)时位移量在短暂地加大后就逐步减小。
当曲线a仅仅在垂直方向移动时所引起的焦点位移(曲线a和d之间垂直方向的差)表示在图5的曲线中，这些曲线是按相对于因环境温度变化而使透镜镜筒和透镜发生位移的量(其范围为从-20微米到+20微米，间距5微米)来表示的。
在图5中，水平轴表示聚束器透镜2的位置，垂直轴表示焦点位移。图5中的中间水平轴表示环境温度完全没有变化(零)的部分。在相应各曲线会聚的右手侧位置是聚束器透镜2的望远透镜一侧。每一曲线的形状都是这样的：即从望远透镜一侧的位置移向左手侧(广角透镜侧)时位移量以抛物线的形式逐渐增大。
当曲线a在水平和垂直方向按相同的方向移动时所引起的焦点位移示于图6中的相应各曲线中，这些曲线是以对于透镜镜筒和透镜在环境温度变化时透镜镜筒和透镜移动的位移量(范围从-20微米到+20微米，间距为5微米)而表示的。
在图6中，水平轴表示聚束器透镜2的位置，垂直轴表示焦点的位移。图6的中间水平轴表示环境温度完全没有变化(零)的那部分。各相应曲线呈会聚状的右手侧的位置是聚束器透镜2在望远透镜的一端。每条曲线的形状是这样的：即从望远透镜一端的位置趋向左手侧(广角透镜侧)时位移量是逐步增加的。
由于曲线a按水平和垂直方向的相反方向偏移时所引起的焦点位移(曲线b和d在垂直方向的差)示于图7的各曲线，这些曲线是以相对于透镜镜筒和透镜随着环境温度改变而使透镜镜筒和透镜移动时的位移量(范围从-20微米到+20微米，间距为5微米)来表示的。
在图7中，水平轴表示聚束器透镜2的位置，垂直轴表示焦点位移。图7的中间水平轴表示环境温度完全没有变化(零)的部分。各相应的曲线呈会聚状的右手侧位置是聚束器2在望远透镜一端。每条曲线的形状是这样的：即从望远透镜的一端位置趋向于左手侧(广角透镜一侧)时先暂时增大之后就基本上成为恒定不变。
在研究了从图4到图7所示的相应的特性之后，应该指出，虽然相应的曲线在形状上有所不同，但图4到图7所示的曲线都有这样的形状：即与在环境温度变化时所产生的透镜镜筒和透镜的位移量(范围从-20微米到+20微米，间距为5微米)成正比。
在上述的变焦透镜设备中，从变焦调节装置11来的表明聚束器透镜2移动量的信息被提供给微计算机12的校正映象图22，并且因而按照移动量信息(Z)而产生的焦点位移的基本校正量H(Z)由该计算机检索取出。存放在校正映象图22中的基本校正量H(Z)是根据图4到图7所示的相应各曲线的数据而得的，从那里可以得到基本校正量H(Z)的各种数据。每个曲线的形状是根据变焦透镜设备在设计或制造时该变焦透镜设备或其相关设备的构造情况而确定的。按这样所确定的表明基本校正量H(Z)的数据被存放在存储器中。
温度信息(t)是由温度检测装置16检测的，该装置检测透镜镜筒和透镜的温度，温度信息(t)提供给微计算机12的映象图23，在其中按照一个特定的函数而形成一个温度系数K(t)。这样所形成的温度系数K(t)和检索出的基本校正量H(Z)用一个乘法装置24来相乘，从乘法装置24得出的乘积通过一个加法装置25来将其加到由映象图21所提供的聚焦透镜5的位置信息F上。
因此，根据本发明的这个变焦透镜设备，当由于调节变焦调节装置11而把聚束器透镜2移到任意位置时，从映象图21来的位置信息F被加上了一个由基本校正量H(Z)和温度系数K(t)相乘所得的值，因而就被校正。然后，经过这样校正后得到的位置信息F′从加法装置25提供给聚焦电机驱动器14以驱动电机15使得聚焦透镜5的位置按照这样所产生的位置信息F′而移动。
虽然根据每种设备的不同变化条件其特性曲线的形状是各不相同的，但在同一设备中，特性曲线的形状是与当环境温度变化时透镜镜筒和透镜的移动量成比例。因此，如果变化的特性表示成为基本校正量H(Z)和将该基本校正量H(Z)与温度系数K(t)的乘积并加到聚焦透镜5的位置信息F′上，那么就有可能在任意物体因环境温度改变而不能正确聚焦时得到恒定和满意的校正。
变焦透镜设备中的第二透镜(聚焦透镜5)以预定的关系(映象图21)相对于第一透镜(聚束器透镜2)由聚焦电机驱动器推动，这种变焦透镜设备包括一个特定校正映象图22，在该校正图22中，在望远透镜一端的校正量成为零。温度检测装置16检测出温度，并且基本校正量则根据第一透镜移动的量(变焦调节装置11)而由校正映象图22所确定。然后，把校正量和测得的温度系数(映象图23)相乘(在乘法装置24中)而得的结果值(在加法装置25中)与一个量(F)相加，以控制第二透镜(聚焦透镜5)的移动，从而去校正因环境温度变化而引起的焦点的位移。因此，当变焦位置从望远透镜一端移到广角透镜一端时，任意物体不能正确聚焦而引起焦点偏移的问题就可得到解决。
此外，在上述的变焦透镜设备中，从校正映象图得到的基本校正量H(Z)的曲线的形状根据各个不同的透镜而有变化，这不仅因为曲线会在水平和垂直方向平行地移动，曲率变宽或收缩，透镜镜筒的构造有变化，且透镜的倍率也会变化。因此，预测焦点位移的校正量是很困难的。
但是，在同一个变焦透镜设备中，由于特性曲线的形状与环境温度改变时所产生的透镜镜筒和透镜的移动量是成比例的，如果这种改变的特性在变焦透镜设备的设计或制造时就能获得，且把这样所得的改变的特性用来作为基本校正量H(Z)，则就有可能预测焦点偏移的校正量。这样，焦点偏移可用简单的计算而得到恒定和满意的校正。
上面采取参照附图的方式说明了本发明的一个优选实施例，但必须理解，本发明并不严格局限于该实施例，熟悉本技术的人们能够在不违背所附权利要求书所规定的本发明的精神或范围的情况下来实现它的各种改变和修正。

Claims (5)

1.一种变焦透镜设备，其特征在于包括：
用于把来自物体的光转变为电信号的成象装置；
设在上述物体和上述成象装置之间的变焦和聚焦透镜；
用于调节上述变焦透镜的运动的变焦调节电路；
用于调节上述聚焦透镜的运动的聚焦调节电路；
用于根据对上述变焦透镜进行的调节而输出一个调节值的校正电路；
用于检测上述物体周围的温度的温度检测电路；以及
用于根据上述温度检测电路的输出信号以校正上述校正电路的校正值的系数电路。
2.按照权利要求1的变焦透镜设备，其特征在于，还包括一个存储器，在存储器中作为校正映象图而存储着由上述校正电路为每个设备所准备的校正值；还包括一个聚焦电路，用于把上述存储器的输出值加到上述的系数电路的调节值上并由此来调节上述的聚焦透镜。
3.按照权利要求2的变焦透镜设备，其特征在于，其中变焦透镜是一个凹透镜，聚焦透镜是一个凸透镜，上述的凹透镜和上述的凸透镜构成了无补偿镜的结构。
4.按照权利要求3的变焦透镜设备，其特征在于，其中校正电路包括校正数据中的第一校正数据，它用于当上述的变焦透镜从最靠近上述物体的一侧位置移到最靠近上述成象装置的位置的情况；还包括校正数据中的第二校正数据，它用于当上述的变焦透镜处在广角透镜的一端以便把上述的物体显示成最大。
5.按照权利要求4的变焦透镜设备，其特征在于，其中所述的系数电路的输出信号和上述的第二校正电路的输出信号相乘，其乘积值加到第一输出信号的值上，上述的聚焦透镜就根据相加后的输出而受控制。
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