TWI506331B - 高速變焦透鏡 - Google Patents

Description

高速變焦透鏡

本發明係關於光學高速變焦透鏡系統。該高速變焦透鏡系統之實施例可對電影攝影術應用中之影像擷取裝置尤其有利。

變焦透鏡系統已用於多種應用中，諸如用於擷取靜止影像或移動影像之影像擷取裝置。靜止影像之實例可包含風景、野生生物或運動之靜態圖像。移動影像之實例可包含電影、影片及視訊之運動圖像。儘管變焦透鏡技術針對所有此等各種應用係已知的，然此等應用之差異可導致針對不同應用之變焦透鏡系統之開發及結構之差異。換言之，針對一特定應用，一變焦透鏡系統可比另一變焦透鏡系統更適當。

焦點呼吸(focus breathing)

藉由實例，對擷取移動影像而言係重要之考量可能對擷取靜止影像而言係可忽略或不存在的。一此類考量可為焦點呼吸之效應。當調整一透鏡系統之焦點時，用於聚焦之透鏡元件可移動。此移動可導致該透鏡系統之總焦距之一改變。因為總焦距可與變焦相關，所以視域(或視角)可改變，類似於一變焦效應。例如，因為吾人在前景與背景之間來回改變焦點，所以視域可改變使得其在即時焦點調整期間看似在「呼吸」(或放大及縮小)。儘管視域之此等變化實際上可由焦點設定之調整引起，然即使在尚未調整變 焦設定時，該等變化亦可看似為變焦設定之調整之結果。

在來自一電影攝影術應用之一實例(諸如，一電影場景)中，吾人可能想要在相同視域之一會話期間將焦點自一演員改變至另一演員而不改變視域(亦即，無焦點呼吸)。在多個焦點調整期間之視域的明顯改變可非所要地轉移至一觀看觀眾。

在擷取一特定靜止影像時，吾人可能關注針對該特定靜止影像擷取使用一特定視域，而不關注針對下一靜止影像擷取維持相同特定視域。相對於此特定靜止影像擷取，下一靜止影像擷取在視域方面可完全無關。換言之，不同於擷取移動影像，擷取靜止影像通常很少涉及或不涉及關於針對具有不同焦點設定之不同靜止影像擷取維持相同視域之關注。此外，可在即時擷取運動圖像之焦點變化期間偵測焦點呼吸，但在擷取靜止影像時可忽略或甚至經常忽視在即時焦點變化期間之效應。因此，擷取靜止影像可能通常很少涉及或不涉及對焦點呼吸之關注。

即使在擷取移動影像時，在一些應用中，焦點呼吸仍可能受較少或可忽略之關注。例如，一普通視訊攝錄影機之一使用者可能對具有一更簡單光學透鏡系統(其不包含視域及聚焦之此等精確控制)之一影像擷取裝置感到滿意。

透鏡罩

除了焦點呼吸之外，電影攝影術應用亦可涉及其他考量。例如，為了提供專業級運動圖像之高品質影像擷取，通常需要移除或降低對所擷取影像的不必要影響。照明可 為欲控制之一關鍵變數，且自非所期望光源收集光可導致一些通常非所要之影響，諸如鬼影。

為了限制光自非所期望源(諸如，不必要的太陽光)進入一相機透鏡系統中，在一電影攝影術應用中，可將一透鏡罩(例如，遮光箱)附接至一透鏡系統前面之外透鏡鏡筒若該透鏡罩太短，則不必要光可進入該透鏡系統中。若該透鏡罩太長，則可能阻斷太多光，且該透鏡罩本身可能進入視域。具有一固定前透鏡元件之一透鏡系統可導致透鏡罩大小及/或位置之較少調整或無調整。具有一移動前透鏡元件之一透鏡系統可能需要透鏡罩大小及/或位置之許多調整，以便補償該移動前透鏡元件之不同位置。因此，針對電影攝影術之應用，採用具有一固定前透鏡元件(其在可能涉及移動透鏡元件之功能(諸如變焦及聚焦)期間係固定的)之一透鏡系統可能係非常有利的。相反地，使用具有一移動前透鏡元件之一透鏡系統實踐電影攝影術中之應用係罕見的。

透鏡速度

針對電影攝影術應用，透鏡速度可為另一常見考量。透鏡速度可與一透鏡之最大孔徑關聯，該最大孔徑可根據F數(F/#)進行量化。孔徑大小及F數係呈逆相關，所以最大孔徑將對應於一最小F數。又，具有一較大孔徑之一透鏡將具有一較小F數，且反之亦然。例如，相較於具有一較小最大孔徑(較大最小F數)之透鏡B，具有一較大最大孔徑(較小最小F數)之透鏡A將能夠使更多光通過至影像擷取膜 (或感測器)。透鏡A將實現比透鏡B快之一快門速度。因此，透鏡A(具有一較小最小F數)將比透鏡(具有一較大最小F數)「快」。換言之，一較大孔徑導致一「較快」透鏡。

在電影攝影術應用中通常關注的是，在較低照明環境下拍攝圖像。針對暗照明之此等環境，較高透鏡速度通常較佳。例如，相對高速之一透鏡可具有2.8或更小之一F數。

在一些應用中，可能期望獲得具有離焦或散景(bokeh)之特定區域之影像擷取。在景深外部之一影像區域中可出現散景。較快透鏡可具有一較淺景深，此可對提供具有散景之影像有用。因此，獲得具有期望量之散景之影像可能需要一高速透鏡。

電影攝影術中所使用的類似參數係T數T/#。T數如同F數，但針對在實際使用中透射通過透鏡之光量而經額外調整。例如，在一給定透鏡孔徑，若透鏡具有100%透射率(亦即，無光損耗)，則T數將等於F數。然而，因為光行進通過一透鏡，所以存在損耗(例如，透過憑藉透鏡之吸收)。因此，T數將大於F數。針對電影攝影術應用，小於2.8之一最小T數可為較佳。在電影攝影術以外使用T數係比較少見。

先前技術變焦透鏡

儘管變焦透鏡系統對多種應用而言係已知的，然並非所有的變焦透鏡系統皆可應用於所有此等各種應用。例如，一給定變焦透鏡系統可經特定設計而用於一特定應用，但 不適用於另一應用。另外，不同變焦透鏡系統之組合技術可涉及複雜考量且並不易於實現。

Yamanashi等人之美國專利案第4,815,829號證實一遠攝變焦透鏡系統。然而，此系統之變焦功能藉由移動前透鏡元件(亦即，在該系統的前端處之透鏡元件)而操作。鑒於上文關於一移動前透鏡元件之透鏡罩考量，此系統並非較佳於具有一透鏡罩之電影攝影術應用中使用。此外，Yamanashi等人之變焦透鏡實例具有F/3.5或更大之F數，該等變焦透鏡比電影攝影術應用之相對高速變焦透鏡(諸如具有F/2.8或更小之F數之變焦透鏡)慢得多。相比之下，Moskovich等人之美國專利案第7,123,421號揭示一種用於電影攝影術之具有F/2.7之一F數之變焦透鏡系統、一種具有相對較高速度之變焦透鏡。

Fujibayashi等人之美國專利案第4,991,942號揭示一種具有一第一透鏡群組(其在變焦期間係固定的)之變焦透鏡。然而，此第一透鏡群組在聚焦期間移動。在聚焦期間，此透鏡群組移動可促成一焦點呼吸效應。儘管此變焦透鏡系統可用於一攝影機中，然不存在用以解決焦點呼吸效應之任何技術之論述。另外，因為前透鏡元件可為一移動透鏡元件，所以此系統不可經推薦而於具有一透鏡罩之電影攝影術應用中使用。

Merigold之美國專利案第3,598,476號例示一種具有一固定前透鏡元件(其係用於聚焦之一透鏡群組之部分)之變焦透鏡。Merigold的變焦透鏡使用在變焦期間根據一特定移 動計劃移動之透鏡群組發揮功能。相比之下，Fujibayashi等人之變焦透鏡系統使用在變焦期間根據一不同移動計劃移動之透鏡群組發揮功能。此並非係一普通差異。

在變焦透鏡系統之領域中，通常應瞭解，一功能系統係許多相關變數(例如，光焦度(power)、透鏡位置、透鏡移動、透鏡大小、透鏡厚度、透鏡材料、透鏡元件數目、透鏡表面成形)之一複雜組合。改變該等變數之一者通常變更原始系統之功能(例如，變焦操作)。為了維持適當地(例如，根據原始變焦設計之原理)發揮功能之一系統，該等變數之一者的變化通常導致一或多個其他變數之補償變化。

因此，使用任何變數作試驗以將一第一變焦透鏡系統之教示併入一第二變焦透鏡系統中可在該第二變焦透鏡系統中導致其他非所期望不利效應。此等不利效應可導致該第二變焦透鏡系統之基本操作改變。

Shibayama之美國專利案第5,717,527號教示一種具有三個透鏡群組之變焦透鏡系統。此變焦透鏡系統看似係關於微距攝影術(macro photography)或極近距離攝影術。在一實施例中，前透鏡元件可為在變焦期間固定，但在聚焦期間可移動。然而，不存在用於解決焦點呼吸效應之任何技術之論述。微距攝影術通常涉及擷取靜止影像，所以可能很少或不關注焦點呼吸。

又，在微距攝影術中，自透鏡至物件之距離通常係非常小的，且影像擷取媒體(例如，膜或數位感測器)上的影像 在大小上類似於經攝影之物件。如在Shibayama中，一變焦透鏡可經設計以針對此等物件距離及大小而最佳化。因此，該變焦透鏡可能不適用於通常涉及距離一透鏡很遠(例如，~1m或更大)或在大小上大得多之物件之電影攝影術應用或對該等電影攝影術應用而言並非最佳。

此外，Shibayama之變焦透鏡實例具有F/4.0或更大之F數，該等變焦透鏡實例比電影攝影術應用之相對較高速度之變焦透鏡(諸如，具有F/2.8或更小之F數之變焦透鏡)慢得多。相比之下，Moskovich等人之美國專利案第7,123,421號揭示一種用於電影攝影術之具有F/2.7之一F數之變焦透鏡系統、一種具有相對較高速度之變焦透鏡。

Zuegge等人之論文「A complete set of cinematographic zoom lenses and their fundamental design considerations」提供針對電影攝影術應用之變焦透鏡之教示。Zuegge等人提及焦點呼吸、鑒於簡罩(compendium hood)之固定總長度及高速變焦透鏡之考量。Zuegge等人之變焦透鏡係不涵蓋解決此等考量之所有解決方案之特定設計。

本發明之實施例係關於光學高速變焦透鏡系統。該高速變焦透鏡系統之實施例可對電影攝影術應用中之影像擷取裝置尤其有利。

本發明之實施例可包括具有正負正或PNP之一光焦度序列之三個透鏡群組。第一透鏡群組可改變影像焦點。第二透鏡群組及第三透鏡群組係可移動以在變焦期間改變影像 放大率。

該第一透鏡群組可包含具有NNP之一光焦度序列之三個透鏡子群組。第一透鏡子群組可為固定。該第一透鏡子群組之第一透鏡元件可組成一變焦透鏡系統之一固定前透鏡元件。此固定前透鏡元件可對結合一透鏡罩之用法有利，該透鏡罩在電影攝影術應用中係有用的且係常見的。

第二透鏡子群組可包含一可移動透鏡元件。該第二透鏡子群組可包含兩個部分，該兩個部分可以不同行進速率移動以改變影像焦點。該兩個部分之一者可包含該可移動透鏡元件。

在一些實施例中，第三透鏡子群組可為固定。在其他實施例中，該第三透鏡子群組可移動以改變影像焦點。

該第一透鏡群組之透鏡元件可根據不同焦點移動計劃而移動。

該第一透鏡群組中之透鏡元件移動及該第一透鏡群組中之透鏡元件光焦度可促成在系統之整個變焦範圍內提供低焦點呼吸。低焦點呼吸可導致視域之較小變化，此在電影攝影術應用中係可取的。

本發明之實施例可包括具有F/2.8或更小之一F數之一變焦透鏡系統，該變焦透鏡系統可提供一相對高速透鏡。針對涉及較低照明或具有散景之影像之應用，可能需要一高速透鏡。電影攝影術可包含此等應用。

本發明之實施例亦可包括額外透鏡群組。舉例而言，一第四透鏡群組可用於平坦化影像。

在較佳實施例之以下描述中，參考隨附圖式(其形成該描述之一部分，且在該等圖式中藉由圖解其中可實踐本發明之特定實施例展示該描述)。應瞭解，可使用其他實施例且在不脫離本發明實施例之範疇的情況下可作出結構改變。

例示性基本原理

本發明之實施例係關於光學高速變焦透鏡系統。該高速變焦透鏡系統之實施例可對電影攝影術應用中之影像擷取裝置尤其有利。然而，本發明之實施例不限於電影攝影術中之此種用法。例如，其他用法可包含擷取靜止影像及非電影攝影術應用。

圖1A圖解闡釋一本發明實施例100之基本原理。系統實施例100可包含三個透鏡群組：具有正光焦度之透鏡群組110、具有負光焦度之透鏡群組120及具有正光焦度之透鏡群組130。自物件側至影像側，可將此三個透鏡群組110、120及130之光焦度序列描述為PNP。透鏡群組110可包含三個透鏡子群組111、112及113。

透鏡群組140可為一選用第四透鏡群組，該選用第四透鏡群組可操作為用以平坦化影像之一平場透鏡。透鏡群組140可具有負或正光焦度。透鏡群組140可包含單透鏡、雙合透鏡或三合透鏡。透鏡群組140可為固定或可移動。自物件側至影像側，可將該四個透鏡群組110、120、130及140之光焦度序列描述為PNP(P或N)。移動線145意欲廣泛 指示透鏡群組140之任何適當的移動計劃(包含單調及非單調移動計劃)。移動計劃線145並非意欲展示透鏡群組140之特定移動細節(例如，移動期間之精確移動速率、精確位置)。

在變焦期間，透鏡群組110可為固定，且透鏡群組120及130可為可移動。透鏡群組120及130可移動以改變放大率(亦即，變焦)。移動計劃線125及135係意欲廣泛指示透鏡群組120及130之任何適當移動計劃。透鏡群組120之移動可為單調。例如，自廣角(W)位置至遠攝(T)位置，透鏡群組120之任何移動係朝向影像側，且反之亦然。透鏡群組130之移動可為單調或非單調。移動計劃線125及135並非意欲展示透鏡群組120及130之特定移動細節(例如，移動期間之精確移動速率、精確位置)。以下實例展示具有額外移動細節之特定實施例。在具有透鏡群組140之實施例中，透鏡群組140在變焦期間亦可移動。

在變焦期間，若不存在用於使焦平面(亦即，影像聚焦的位置)保持固定之補償，則焦平面可移動。透鏡群組120或透鏡群組130或透鏡群組120及130兩者之移動可提供此補償。在具有透鏡群組140之實施例中，透鏡群組140亦可移動以促成此補償。

在一些實施例中，透鏡群組120主要改變變焦放大率。針對透鏡群組120之每一變焦位置，透鏡群組130可提供一補償功能以使影像位置保持固定。同時，透鏡群組130可改變變焦放大率。來自透鏡群組120之發散邊緣光線可到 達透鏡群組130之一前子群組。在此前子群組中可良好校正球面像差。

圖1A展示系統100之透鏡群組在廣角(W)位置及遠攝(T)位置處之定位。圖1A亦展示在系統100自廣角端(W)變焦位置前進至遠攝端(T)變焦位置時之透鏡群組之一般移動計劃：透鏡群組110可為固定，透鏡群組120可朝向影像側單調地移動，且透鏡群組130可朝向物件側單調或非單調地移動。在具有透鏡群組140之實施例中，透鏡群組140可為固定或可單調或非單調地移動。

聚焦功能及變焦功能可彼此獨立。例如，聚焦透鏡元件之移動可獨立於變焦透鏡元件之任何移動。針對一特定實例，透鏡群組110之透鏡元件可移動以調整焦點，同時不改變變焦。類似地，透鏡群組120及130(及選用透鏡群組140)之透鏡元件可移動以調整變焦，同時不改變焦點。因此，實施例可包含一真正變焦透鏡(或等焦距透鏡)，該變焦透鏡即使在變焦位置(或焦距)改變時亦保持相同焦點。

各種實施例可使用不同焦距進行操作。一以下實例展示35.05毫米之一最小焦距，但其他實施例可包含小於35.05毫米之一最小焦距。一以下實例展示122毫米之一最大焦距，但其他實施例可包含大於122毫米之一最大焦距。最小物距可為大約900毫米或3英尺或更大。變動可具有大約2至3倍放大率之一變焦比率，該變焦比率可用於電影攝影術相機之一緊湊型變焦透鏡中。隨著變焦比率增大(例如，大於3x)，透鏡群組130之移動計劃可包含一轉折點且 係非單調。

各種實施例可採用不同透鏡元件組態，如藉由圖1E至圖1G、圖2A、圖3A及圖4A中之以下實施例所例示般。此外，本發明之實施例不限於此等特定透鏡元件組態。例如，代替一雙膠透鏡，可使用以下之一或多者之一適當組合：空氣隙雙合透鏡、單透鏡及多個透鏡元件之一集合。一適當組合將維持原始實施例(例如，根據原始變焦設計之原理)之適當功能。

針對電影攝影術應用，各種實施例亦可解決額外顧慮，如在以下例示性考量中。自廣角端至遠攝端，F數可為恆定。變焦透鏡可為高速(例如，F數係小於2.8)。變焦透鏡系統100之總長度在透鏡群組110、120及130(及視需要140)之變焦及焦點移動期間可為恆定。在具有一遮光箱之一可攜式(例如，掌上型)相機實施例中，歸因於透鏡罩考量，此總長度可為固定。T數亦可小於2.8。此外，各種實施例可解決焦點呼吸顧慮。此外，針對軟片相機及數位相機，可在特定波長範圍內良好地校正色差。本發明之實施例可解決此等例示性考量之一或多者之任何組合。

高速變焦透鏡之設計考量

可根據經驗而將一高速變焦透鏡視為具有小於2.8之一F數。此等高速變焦透鏡之一常見應用可為在具有相對低照明的環境中拍攝圖像。以下係透鏡速度之一更具技術論述。

一般言之，在物距無窮遠處，F數係藉由入射光瞳直徑 (EPD)及有效焦距(EFL)加以定義。F數係一無因次數。

F數=EFL/EPD(物距無窮大)

當物件不在透鏡之遠距離處(亦即，無窮遠物距)時，可使用一「工作」或「有效」F數(Fe數)。針對在有限物距處之一物件，可藉由透鏡之F數及放大率(m)來定義Fe數。

Fe數=(1-m)*F數

僅基於此等簡易方程式，可能出現設計一高速變焦透鏡將僅涉及一低F數。例如，增大透鏡大小可導致一較大孔徑，此可導致一較大入射光瞳直徑(EPD)。針對一恆定有效焦距(EFL)，一較大EPD將導致一較小F數及一「較快」透鏡。然而，一真實透鏡具有實際真實世界參數，諸如透鏡重量、大小及生產成本。增大EPD可增大透鏡重量及大小以及長度，此可導致一更重且更大相機之不便之處。例如，掌上型相機操作可隨著一更重透鏡而變得困難。增大透鏡大小亦可導致更高生產成本。

另外，一真實光學系統通常可受真實透鏡元件之實際限制束縛，因此限制光學效能。此等限制可導致較低品質影像。可根據稱為光學像差之現象瞭解此等限制。

例如，F數可與光學像差相關。當有效焦距EFL係恆定時，F數與入射光瞳直徑EPD具有一直接反比關係。EPD可強烈影響球面像差及慧形像差之光學像差類型。一較小F數將指示一較大EPD，較大EPD將導致球面像差及慧形像差之較大效應。因此，一較小F數可增大校正此等光學像差之難度。若光學像差之效應太大，則在較小F數的情況 中，透鏡系統之光學效能係不可接受的。因此，在無光學像差(諸如球面像差及慧形像差)之明顯效應的情況中，修改一現有變焦透鏡系統以具有一較小F數(亦即，「較快」透鏡)係難以達成的。

此外，球面像差及慧形像差僅係受F數影響之光學像差的兩個實例。受F數影響之其他類型的光學像差可包含像散及曲率場。達成一高速透鏡系統之努力亦可涉及此等類型的光學像差之適當考量。

此外，儘管增大F數可幫助校正光學像差，然其亦可增大繞射。繞射係可使影像品質降級之另一種光學現象。

因此，一特定透鏡設計可具有平衡光學像差效應與繞射效應之一最佳F數(或透鏡速度或孔徑大小)。因此，當修改具有一原始及最佳F數之一現有變焦透鏡系統以具有一不同F數時，可涉及過度之實驗。在不充分考量此等效應的情況中，歸因於光學像差或繞射，具有不同F數之經修改變焦透鏡系統可具有不可接受的光學效能(例如，低影像品質、離焦影像、模糊影像)。因此，在高速變焦透鏡的設計中可涉及仔細考量所有此等效應。校正措施可用以阻遏此等效應中之一些效應，但若此等效應之量太大，則此等校正措施可能會太昂貴或不切實際。

可在描述不同類型的光學像差之方程式中量化此等影像降級現象中的一些現象。在已知參考文獻(諸如Y.Matsui等人之Fundamentals of Practical Aberration Theory：Fundamental Knowledge and Technics for Optical Designers， 該案之全文係針對所有目的而以引用的方式併入本文中)中可找到此等方程式之實例。

例如，因為F數=EFL/EPD，所以一較低F數可具有一較大EPD。一較大EPD係與一較大近軸邊緣光線高度h關聯。根據光學像差方程式，一較大h值可導致球面像差、慧形像差、像散及曲率場之較大效應。因此，適當地設計一高速變焦透鏡將涉及適當考量此等像差之影像降級效應。

聚焦技術

圖1B至圖1D圖解闡釋用於藉由圖1A之透鏡群組110聚焦之三個不同移動計劃I、II及III。透鏡群組110可包括三個透鏡子群組111、112及113。第一透鏡子群組111可具有負光焦度。第二透鏡子群組112可具有負光焦度。第三透鏡子群組113可具有正光焦度。自物件側至影像側，該三個透鏡子群組之光焦度序列可描述為NNP。該三個透鏡子群組之組合光焦度可為正。圖1B至圖1D展示物距為無窮遠之焦點位置中之透鏡子群組。

在所有三個焦點移動計劃I至III中，聚焦功能及變焦功能可彼此獨立。例如，聚焦透鏡元件之移動可獨立於變焦透鏡元件之任何移動。

在所有三個焦點移動計劃I至III中，該第一透鏡子群組(111-1、111-2、111-3)在變焦及聚焦期間可為固定。在其中該第一透鏡子群組係在變焦透鏡系統的前面之實施例中，即使在變焦及聚焦期間，變焦透鏡系統100之總長度亦可為恆定。因為前透鏡元件可為固定，所以可將所有三 個焦點移動計劃I至III之聚焦理解為內部聚焦之一類型。

此第一透鏡子群組亦可促成增大系統之背面焦點(亦即，增大後透鏡元件與影像擷取膜或感測器之間的距離)，此將為額外組件(例如，SLR組態中之一旋轉鏡)提供空間。此外，此第一透鏡子群組可減小透鏡群組110中的其他可移動透鏡元件之行進距離。

在所有三個焦點移動計劃I至III中，第二透鏡子群組之透鏡元件(112-1、112-2a及112-2b、112-3)可在聚焦期間移動。在圖1B之焦點移動計劃I中，透鏡子群組112-1可在固定透鏡子群組111-1與113-1之間移動。在自無窮遠處之物距之一末端焦點位置前進至最小物距之另一末端焦點位置期間，透鏡子群組112-1可朝向物件側單調移動。

在圖1C之焦點移動計劃II中，透鏡子群組112-2可包括兩個部分：透鏡子群組部分112-2a及112-2b，該兩個透鏡子群組部分可在固定透鏡子群組111-2與113-2之間移動。在自無窮遠處之物距之一末端焦點位置前進至最小物距之另一末端焦點位置期間，透鏡子群組部分112-2a及112-2b兩者皆可朝向物件側單調移動。在兩個部分皆朝向物件側移動時，該兩個部分之移動速率可為不同，此可稱為「浮動」。例如，在兩個末端焦點位置之間前進期間，部分112-2a可比部分112-2b行進一更大總距離。因此，部分112-2a可比部分112-2b行進得「快」。該兩個部分之組合光焦度可為負。

在圖1D之焦點移動計劃III中，透鏡子群組112-3及113-3 兩者皆可移動。在自無窮遠處之物距之一末端焦點位置前進至最小物距之另一末端焦點位置期間，透鏡子群組112-3及113-3可朝不同方向移動；透鏡子群組112-3可朝向物件側單調移動，且透鏡子群組113-3可朝向影像側單調移動。

在第三透鏡子群組對傾斜或偏移敏感之情況中，該第三透鏡子群組可為固定，諸如焦點移動計劃I中之透鏡子群組113-1或焦點移動計劃II中之透鏡子群組113-2。

歸因於一固定第一透鏡子群組，具有焦點移動計劃I至III之實施例可非常適用於具有透鏡罩之應用。在其中固定第一透鏡子群組包含一固定前透鏡元件之實施例中，即使在變焦及聚焦期間，變焦透鏡系統100之總長度仍可為恆定。因此，此類透鏡系統可較少涉及或不涉及透鏡罩大小及/或位置之調整。

具有焦點移動計劃I至III之實施例可非常適用於其中焦點呼吸係重大顧慮之應用。可根據在一透鏡系統於最大物距及最小物距之兩個末端焦點位置之間前進時之視域(或視角)的改變量來描述焦點呼吸：焦點呼吸(%)=(W_inf-W_min)/W_inf

無窮遠處之視域係W_inf。在最小物距處之視域係W_min。本發明之一些實施例可達成視域之5%或更小的變化(正或負)。

可透過各種技術來完成低焦點呼吸。在具有焦點移動計劃I至III之實施例中所採用的一些技術可包含透鏡群組110 中之透鏡子群組的短行進距離及透鏡群組110之移動透鏡元件之足夠光焦度。

如上所述，視域(FOV)可因總焦距的變化而改變。總焦距可因聚焦透鏡元件之移動而改變。若移動為小，則FOV的變化亦可為小。焦點移動計劃I至III之實施例可包含透鏡群組110中之透鏡子群組的短行進距離以促成低焦點呼吸。

又，聚焦透鏡元件之光焦度可影響聚焦透鏡元件的行進距離長度。若聚焦透鏡元件之光焦度為弱，則為了達成特定量之焦點變化，該等聚焦透鏡元件可能必須行進較長距離。針對相同量之焦點變化，若該等聚焦透鏡元件之光焦度為強，則該等聚焦透鏡元件可能必須行進較短距離。然而，若光焦度太強，則光學像差之效應可能變成不可接受得高。具有焦點移動計劃I至III之實施例可包含移動透鏡元件，該等移動透鏡元件具有足夠光焦度以促成較短行進距離，因此促成低焦點呼吸。例如，第二透鏡子群組112可具有強光焦度。

然而，應注意，短行進距離並非自動暗示低焦點呼吸。例如，若一聚焦透鏡元件的光焦度係非常強，則即使係針對一短行進距離，FOV變化仍可為大。

圖1E至圖1G圖解闡釋具有圖1B至圖1D之三個不同移動計劃之透鏡群組110之例示性實施例。圖1E圖解闡釋具有焦點移動計劃I之一實施例。圖1F圖解闡釋具有焦點移動計劃II之一實施例。圖1G圖解闡釋具有焦點移動計劃III之 一實施例。圖1E至圖1G之實施例皆具有透鏡元件之相同組態。

在圖1E至圖1G之實施例之各者中，第二透鏡子群組包含兩個雙膠透鏡，且第三透鏡子群組包含一雙膠透鏡。此等雙合透鏡可促成校正稱為色差之光學像差之類型。

儘管上文的許多技術細節主要係在電影攝影術應用之內容背景下進行描述，然在獨立於電影攝影術考量方面，該等技術細節亦可能係有利的。

例如，獨立於一透鏡罩之使用，可存在採用一固定前透鏡群組之其他優點。例如，一固定第一透鏡群組可促成具有一固定系統長度之一透鏡系統。此類透鏡系統可容置於具有一固定長度之一外殼結構中，該外殼結構可比具有一可變長度之一外殼結構穩定且更具保護性。

例示性實施例

針對各個以下例示性實施例，一代表圖式提供一高速變焦透鏡系統之一視覺描繪。針對變焦位置，展示廣角端(W)位置及遠攝端(T)位置。又，該代表圖式展示在無窮遠處之物距之焦點位置。可在額外圖式中展示不同的焦點位置。

另外，針對各個以下例示性實施例，一表以五欄提供透鏡資料。第一欄(「表面」)中之一列識別一表面(例如，透鏡元件表面、虛設表面、光闌)。第二欄(「曲率半徑(毫米)」)中之一列以毫米為單位提供表面半徑。第三欄(「厚度或間隔(毫米)」)中之一列以毫米為單位提供該列之表面 與下一表面之間的光學軸上之透鏡材料或空氣之厚度。第四欄(「Ne」)中之一列提供在e線(波長=546.1nm)處之透鏡元件材料的折射率。第四欄(「Ve」)中之一列提供在e線處之透鏡元件材料的阿貝數。

在第一欄(「表面」)中，數字表示在例示性實施例之代表圖式中自左至右進行排序(亦即，自物件側至影像側)之表面。當鄰近元件之兩個表面具有相同半徑且係重合(如在雙合透鏡或三合透鏡中)時，在該第一欄(「表面」)中僅識別一表面。又，在該「表面」欄中，「STO」識別一可調整光圈或光闌。

在第三欄(「厚度或間隔(毫米)」)中，項「D(__)」指示可針對不同變焦位置改變之表面之間的距離。針對每一透鏡資料表，存在針對不同變焦位置根據不同焦距提供不同間隔距離之一變焦位置表。

在所有透鏡資料表中，所有透鏡元件表面皆係球面。其他實施例可包含具有非球面表面之透鏡元件。

此外，針對各個以下例示性實施例提供像差圖表。此等圖表指示一些光學像差(包含縱向球面像差、徑向曲率及子午線曲率之像散及失真)之效應。

在縱向球面像差圖表中，水平軸以毫米為單位表示聚焦偏差，且垂直軸表示入射光瞳中的光線高度。可藉由在相同圖表上繪製不同波長(亦即，光譜線)來比較不同波長之效能。在以下縱向球面像差圖表中，展示此等光譜線：C(656.3nm)、d(587.6nm)、e(546.1nm)、F(486.1nm)及g (435.8nm)。

在像散圖表中，水平軸以毫米為單位表示聚焦偏差，且垂直軸表示視場角。在以下像散圖表中，展示在e線處之徑向曲率及子午線曲率兩者。

在失真圖表中，水平軸表示百分比失真，且垂直軸表示視場角。在以下失真圖表中，展示e線。

例示性第一實施例

圖2A圖解闡釋一第一實施例200。自廣角端(W)至遠攝端(T)，焦距在45.07毫米至91毫米之範圍內。F數係F/2.5。圖2A展示具有一PNP光焦度序列之三個透鏡群組210、220及230。透鏡群組210包含具有一NNP光焦度序列之三個透鏡子群組211、212及213。透鏡群組210可為固定。移動計劃線225及235指示在第一實施例中針對變焦功能之一般移動計劃。圖2A及圖1A中之類似參考數字指代類似項。

表1A提供該第一實施例之透鏡資料。表1B提供在三個各自焦距(毫米)(45.07、61.4及91)下之廣角端變焦位置、一中間變焦位置及遠攝端變焦位置之各種變焦位置。

圖2B至圖2D圖解闡釋該第一實施例之像差圖表。針對圖2B至圖2D之所有，物距為無窮遠。根據不同焦距，圖2B、圖2C及圖2D分別展示不同光譜線處之球面像差、像散及失真。

第一實施例之焦點移動計劃I至III

第一實施例可採用透鏡群組210之焦點移動計劃I至III之任一者，如圖2E、圖2I及圖2M之圖式中所示。圖2E、圖2I、圖2M及圖1B中的類似參考數字指代類似項。像差圖表指示一些光學像差之效應。為了表示整個變焦範圍中之操作及效能，可根據在各自焦距(毫米)(45.07、61.4及91)下之廣角端變焦位置、一中間變焦位置及遠攝端變焦位置提供圖式及圖表。

圖2E圖解闡釋具有焦點移動計劃I之第一實施例。在自無窮遠處之物距之末端焦點位置前進至900毫米處之最小物距之另一末端焦點位置期間，透鏡子群組212-1可朝向物件側單調移動。透鏡子群組212-1的總行進距離可為5.79毫米。此移動計劃可應用於所有變焦位置，如藉由三個不 同焦距所表示般。

圖2F至圖2H圖解闡釋具有焦點移動計劃I之該第一實施例之像差圖表。針對圖2F至圖2H之所有，物距係900毫米之最小物距。根據不同焦距，圖2F、圖2G及圖2H分別展示在不同光譜線處之球面像差、像散及失真。

圖2I圖解闡釋具有焦點移動計劃II之第一實施例。在自無窮遠處之物距之末端焦點位置前進至900毫米處之最小物距之另一末端焦點位置期間，透鏡子群組部分212-2a及212-2b兩者皆可朝向物件側單調移動。在兩個部分皆朝向物件側移動時，該兩個部分之移動速率可為不同。部分212-2a之總行進距離可為5.234毫米。部分212-2b之總行進距離可為4.375毫米。因此，部分212-2a可比部分212-2b行進得「快」。該兩個部分之組合光焦度可為負。此移動計劃可應用於所有變焦位置，如藉由三個不同焦距所表示般。

圖2J至圖2L圖解闡釋具有焦點移動計劃II之第一實施例之像差圖表。針對圖2J至圖2L之所有，物距係900毫米之最小物距。根據不同焦距，圖2J、圖2K及圖2L分別展示在不同光譜線處之球面像差、像散及失真。

圖2M圖解闡釋具有焦點移動計劃III之第一實施例。在自無窮遠處之物距之末端焦點位置前進至900毫米處之最小物距之另一末端焦點位置期間，透鏡子群組212-3及213-3可朝不同方向移動；透鏡子群組212-3可朝向物件側單調移動，且透鏡子群組213-3可朝向影像側單調移動。透鏡 子群組212-3的總行進距離可為5.33毫米。透鏡子群組213-3的總行進距離可為0.88毫米。此移動計劃可應用於所有變焦位置，如藉由三個不同焦距所表示般。

圖2N至圖2P圖解闡釋具有焦點移動計劃III之第一實施例之像差圖表。針對圖2N至圖2P之所有，物距係900毫米之最小物距。根據不同焦距，圖2N、圖2O及圖2P分別展示在不同光譜線處之球面像差、像散及失真。

第一實施例之焦點呼吸

表1C針對圖2E、圖2I及圖2M之透鏡群組210之每一焦點移動計劃I至III提供焦點呼吸值。針對每一焦點移動計劃，表1C展示在三個各自焦距(毫米)(45.07、61.4及91)下之廣角端變焦位置、一中間變焦位置及遠攝端變焦位置之各種變焦位置處之焦點呼吸值。

該等焦點呼吸值係基於以下方程式：焦點呼吸(%)=(W_inf-W_min)/W_inf

W_inf係無窮遠處之視域。W_min係在最小物距=900毫米處之視域。表1C展示第一實施例針對圖2E、圖2I及圖2M之 所有三個焦點移動計劃I至III而在整個變焦範圍內達成5%或更小(正或負)之焦點呼吸。透鏡群組210中之透鏡元件移動及透鏡群組210中之透鏡元件光焦度可促成提供此低焦點呼吸。上文關於圖2E、圖2I及圖2M描述透鏡群組210中之透鏡元件移動之細節。基於表1A之透鏡資料，一透鏡設計者將知道如何計算透鏡群組210中之透鏡元件的光焦度。

例示性第二實施例

圖3A圖解闡釋一第二實施例300。自廣角端(W)至遠攝端(T)，焦距在60.2毫米至122毫米之範圍內。F數為F/2.55。圖3A展示具有一PNPP光焦度序列之四個透鏡群組310、320、330及340。透鏡群組310包含具有一NNP光焦度序列之三個透鏡子群組311、312及313。透鏡群組310及340可為固定。移動計劃線325及335指示在第二實施例中針對變焦功能之一般移動計劃。圖3A及圖1A中的類似參考數字指代類似項。

表2A提供第二實施例之透鏡資料。表2B提供在三個各自焦距(毫米)(60.2、82.4及122)下之廣角端變焦位置、一中間變焦位置及遠攝端變焦位置之各種變焦位置。

圖3B至圖3D圖解闡釋第二實施例之像差圖表。針對圖3B至圖3D之所有，物距係無窮遠。根據不同焦距，圖3B、圖3C及圖3D分別展示在不同光譜線處之球面像差、像散及失真。

類似於第一實施例，第二實施例可採用透鏡群組310之焦點移動計劃I至III之任一者。上文針對具有焦點移動計劃I至III之第一實施例加以例示之操作原理可應用於具有焦點移動計劃I至III之該第二實施例。

例示性第三實施例

圖4A圖解闡釋一第三實施例400。自廣角端(W)至遠攝端(T)，焦距在35.05毫米至70.3毫米之範圍內。F數為F/2.50。圖4A展示具有一PNP光焦度序列之三個透鏡群組410、420及430。透鏡群組410包含具有一NNP光焦度序列之三個透鏡子群組411、412及413。透鏡群組410可為固定。移動計劃線425及435指示在第三實施例中針對變焦功能之一般移動計劃。圖4A及圖1A中的類似參考數字指代類似項。

表3A提供第三實施例之透鏡資料。表3B提供在三個各自焦距(毫米)(35.05、47.6及70.3)下之廣角端變焦位置、 一中間變焦位置及遠攝端變焦位置之各種變焦位置。

圖4B至圖4D圖解闡釋第三實施例之像差圖表。針對圖4B至圖4D之所有，物距係無窮遠。根據不同焦距，圖4B、圖4C及圖4D分別展示在不同光譜線處之球面像差、像散及失真。

類似於第一實施例，第三實施例可採用透鏡群組410之焦點移動計劃I至III之任一者。上文針對具有焦點移動計劃I至III之第一實施例加以例示之操作原理可應用於具有焦點移動計劃I至III之該第三實施例。

儘管已參考隨附圖式充分描述本發明之實施例，然應注意，熟習此項技術者將清楚各種變化及修改。此等變化及修改係理解為包含於如藉由隨附申請專利範圍定義之本發明之實施例之範疇中。

100‧‧‧本發明實施例/系統實施例/變焦透鏡系統

110‧‧‧透鏡群組

111‧‧‧透鏡子群組

111-1‧‧‧透鏡子群組

111-2‧‧‧透鏡子群組

111-3‧‧‧透鏡子群組

112‧‧‧透鏡子群組

112-1‧‧‧透鏡子群組

112-2‧‧‧透鏡子群組

112-2a‧‧‧透鏡子群組部分

112-2b‧‧‧透鏡子群組部分

112-3‧‧‧透鏡子群組

113‧‧‧透鏡子群組

113-1‧‧‧透鏡子群組

113-2‧‧‧透鏡子群組

113-3‧‧‧透鏡子群組

120‧‧‧透鏡群組

125‧‧‧移動計劃線

130‧‧‧透鏡群組

135‧‧‧移動計劃線

140‧‧‧透鏡群組

145‧‧‧移動計劃線

200‧‧‧第一實施例

210‧‧‧透鏡群組

211‧‧‧透鏡子群組

211-1‧‧‧透鏡子群組

211-2‧‧‧透鏡子群組

211-3‧‧‧透鏡子群組

212‧‧‧透鏡子群組

212-1‧‧‧透鏡子群組

212-2‧‧‧透鏡子群組

212-2a‧‧‧透鏡子群組部分

212-2b‧‧‧透鏡子群組部分

212-3‧‧‧透鏡子群組

213‧‧‧透鏡子群組

213-1‧‧‧透鏡子群組

213-2‧‧‧透鏡子群組

213-3‧‧‧透鏡子群組

220‧‧‧透鏡群組

225‧‧‧移動計劃線

230‧‧‧透鏡群組

235‧‧‧移動計劃線

300‧‧‧第二實施例

310‧‧‧透鏡群組

311‧‧‧透鏡子群組

312‧‧‧透鏡子群組

313‧‧‧透鏡子群組

320‧‧‧透鏡群組

325‧‧‧移動計劃線

330‧‧‧透鏡群組

335‧‧‧移動計劃線

340‧‧‧透鏡群組

400‧‧‧第三實施例

410‧‧‧透鏡群組

411‧‧‧透鏡子群組

412‧‧‧透鏡子群組

413‧‧‧透鏡子群組

420‧‧‧透鏡群組

425‧‧‧移動計劃線

430‧‧‧透鏡群組

435‧‧‧移動計劃線

圖1A圖解闡釋一本發明實施例之基本原理。

圖1B至圖1D圖解闡釋用於聚焦之三個不同移動計劃。

圖1E至圖1G圖解闡釋具有圖1B至圖1D之三個不同移動計劃之例示性實施例。

圖2A圖解闡釋一第一實施例。

圖2B至圖2D圖解闡釋該第一實施例之像差圖表。

圖2E圖解闡釋具有一第一焦點移動計劃之第一實施例。

圖2F至圖2H圖解闡釋具有該第一焦點移動計劃之該第一實施例之像差圖表。

圖2I圖解闡釋具有一第二焦點移動計劃之第一實施例。

圖2J至圖2L圖解闡釋具有該第二焦點移動計劃之該第一實施例之像差圖表。

圖2M圖解闡釋具有一第三焦點移動計劃之第一實施例。

圖2N至圖2P圖解闡釋具有該第三焦點移動計劃之該第一實施例之像差圖表。

圖3A圖解闡釋一第二實施例。

圖3B至圖3D圖解闡釋該第二實施例之像差圖表。

圖4A圖解闡釋一第三實施例。

圖4B至圖4D圖解闡釋該第三實施例之像差圖表。

200‧‧‧第一實施例

210‧‧‧透鏡群組

211‧‧‧透鏡子群組

212‧‧‧透鏡子群組

213‧‧‧透鏡子群組

220‧‧‧透鏡群組

225‧‧‧移動計劃線

230‧‧‧透鏡群組

235‧‧‧移動計劃線

Claims (26)

1. 一種用於形成一物件之一影像之變焦透鏡系統，該系統具有一物件側及一影像側，該系統自該物件側至該影像側依序包括：一第一透鏡群組，其具有正光焦度，該第一透鏡群組包含：一第一透鏡子群組，其具有負光焦度且係固定的，一第二透鏡子群組，其具有負光焦度且包含可移動以改變該影像之焦點之一透鏡元件，及一第三透鏡子群組，其具有正光焦度；一第二透鏡群組，其具有負光焦度；及一第三透鏡群組，其具有正光焦度；其中該第二透鏡群組及該第三透鏡群組係可移動以在變焦期間改變該影像的放大率。
2. 如請求項1之變焦透鏡系統，其進一步包括：一第四透鏡群組，其係用以平坦化該影像。
3. 如請求項1之變焦透鏡系統，該第三透鏡子群組係固定的。
4. 如請求項3之變焦透鏡系統，該第二透鏡子群組包含兩個部分，該兩個部分可以不同行進速率移動以改變該影像之焦點，且該兩個部分之一者包含該透鏡元件。
5. 如請求項1之變焦透鏡系統，該第三透鏡子群組係可移動以改變該影像之焦點。
6. 如請求項1之變焦透鏡系統，該第一透鏡群組之透鏡元 件可根據複數個焦點移動計劃而移動。
7. 如請求項1之變焦透鏡系統，該第二透鏡子群組包含兩個雙膠透鏡(cemented doublet)。
8. 如請求項1之變焦透鏡系統，該第三透鏡子群組依任何順序包含一正透鏡元件及一雙膠透鏡。
9. 如請求項1之變焦透鏡系統，該第二透鏡群組依任何順序包含一負透鏡元件及一雙膠透鏡。
10. 如請求項1之變焦透鏡系統，該第三透鏡群組包含一光圈光闌且自該物件側至該影像側依序包含具有正光焦度之一透鏡子群組及具有負光焦度之一透鏡子群組。
11. 如請求項10之變焦透鏡系統，該第三透鏡群組之具有正光焦度之該透鏡子群組依任何順序包含一正透鏡元件及一雙膠透鏡，且該第三透鏡群組之具有負光焦度之該透鏡子群組依任何順序包含一負透鏡元件及一正透鏡元件。
12. 如請求項1之變焦透鏡系統，其具有一變焦範圍，其中該第一透鏡群組中之透鏡元件移動及該第一透鏡群組中之透鏡元件光焦度促成在該系統之該整個變焦範圍內提供5%或更小之焦點呼吸。
13. 如請求項1之變焦透鏡系統，其具有F/2.8或更小之一F數。
14. 一種具有一物件側及一影像側之變焦透鏡系統，該系統自該物件側至該影像側依序包括：一正聚焦透鏡群組A，其包含： 一固定負透鏡子群組X，一負透鏡子群組Y，其包含一可移動透鏡元件，及一正透鏡子群組Z；一負變焦透鏡群組B；及一正變焦透鏡群組C。
15. 如請求項14之變焦透鏡系統，其進一步包括：一平場透鏡(field flattener lens)群組D。
16. 如請求項14之變焦透鏡系統，透鏡子群組Z係固定的。
17. 如請求項16之變焦透鏡系統，透鏡子群組Y包含兩個部分，該兩個部分可以不同行進速率移動，且該兩個部分之一者包含該可移動透鏡元件。
18. 如請求項14之變焦透鏡系統，透鏡子群組Z係可移動的。
19. 如請求項14之變焦透鏡系統，聚焦透鏡群組A之透鏡元件可根據複數個焦點移動計劃而移動。
20. 如請求項14之變焦透鏡系統，透鏡子群組Y包含兩個雙膠透鏡。
21. 如請求項14之變焦透鏡系統，透鏡子群組Z依任何順序包含一正透鏡元件及一雙膠透鏡。
22. 如請求項14之變焦透鏡系統，變焦透鏡群組B依任何順序包含一負透鏡元件及一雙膠透鏡。
23. 如請求項14之變焦透鏡系統，變焦透鏡群組C包含一光圈光闌且自該物件側至該影像側依序包含具有正光焦度之一透鏡子群組及具有負光焦度之一透鏡子群組。
24. 如請求項23之變焦透鏡系統，變焦透鏡群組C之具有正光焦度之該透鏡子群組依任何順序包含一正透鏡元件及一雙膠透鏡，且變焦透鏡群組C之具有負光焦度之該透鏡子群組依任何順序包含一負透鏡元件及一正透鏡元件。
25. 如請求項14之變焦透鏡系統，其具有一變焦範圍，其中聚焦透鏡群組A中之透鏡元件移動及聚焦透鏡群組A中之透鏡元件光焦度促成在該系統之該整個變焦範圍內提供5%或更小之焦點呼吸。
26. 如請求項14之變焦透鏡系統，其具有F/2.8或更小之一F數。