專利名稱：：緊湊型高性能變焦透鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及相機(jī)的光學(xué)物鏡系統(tǒng)，且具體地說，涉及一種緊湊型高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其在整個(gè)變焦范圍上產(chǎn)生高質(zhì)量圖像。
背景技術(shù)：
：高性能光學(xué)系統(tǒng)(例如用于電影攝影術(shù))、高清晰度電視(highdefinitiontelevision,HDTV)和高級(jí)電視(advancedtelevision，ATV)需要優(yōu)良的光學(xué)特征和性能(其在歷史上通過使用單獨(dú)的具有不同固定焦距的物鏡來實(shí)現(xiàn))以提供由焦距確定或受焦距影響的不同攝影功能。然而，使用變焦透鏡以在不需要更換物鏡的情況下改變物鏡的有效焦距具有電影攝影術(shù)優(yōu)勢。另外，與若干不同固定焦距透鏡的成本相比，變焦透鏡可降低成本，尤其在所需焦距的正常范圍內(nèi)，所述正常范圍可在對需要從非常寬的角度到標(biāo)準(zhǔn)焦距的范圍的正常場景進(jìn)行攝影的過程中使用。盡管有這些優(yōu)勢，但先前可用的變焦透鏡也具有一個(gè)或一個(gè)以上不合需要的限制，例如有限的焦距范圍，不能在整個(gè)焦距范圍上充分地對焦，不能對焦在較近的物體上，在整個(gè)焦距(focallength)范圍和對焦距離(focusdistance)上缺乏充分的光學(xué)性能，成本、大小較大等。第6,122,111號(hào)美國專利('111專利)揭示一種高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其對先前可用的變焦透鏡進(jìn)行改進(jìn)，并在整個(gè)變焦焦距范圍上且以從非常近到無窮遠(yuǎn)的對焦距離提供改進(jìn)的光學(xué)性能。'111專利的變焦透鏡系統(tǒng)具有從約14.5mm到50mm的焦距變焦區(qū)域，并提供與同一范圍的高質(zhì)量固定物鏡的光學(xué)性能類似的光學(xué)性能，包含適合使用常規(guī)檢測器在低亮條件下捕獲圖像的光圈。然而，檢測器技術(shù)中(例如在膠巻和電子傳感器中)的新進(jìn)步需要物鏡(包含變焦透鏡)與大量檢測器一起良好地執(zhí)行。另外，這些檢測器的光敏性已經(jīng)改進(jìn)到具有較小速度或全光圏(fullaperture)的物鏡(包含變焦透鏡)即使在低亮條件下也是可接受的程度。因此，最小F數(shù)(其為普遍接受的用于描述透鏡的速度或光圈(但是在相反方向上)的技術(shù)術(shù)語')現(xiàn)可在不實(shí)質(zhì)上影響低光敏性的情況下增加。舉例來說，在F/2.0的透鏡全光圈先前對常規(guī);險(xiǎn)測器來說是必要的情況下，F(xiàn)/2.8的較小的透鏡全光圏對于這些新的檢測器來說產(chǎn)生類似的效果。在光圈減小的情況下，大小(包含長度、直徑和重量)較小且生產(chǎn)成本較低(與一系列固定焦距透鏡相比)的緊湊型物鏡設(shè)計(jì)(包含變焦透鏡)現(xiàn)在是可能的。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實(shí)施例針對一種緊湊型高性能變焦物鏡系統(tǒng)，其在整個(gè)變焦焦距范圍上且以從非常近到無窮遠(yuǎn)的對焦距離提供最佳光學(xué)性能。本發(fā)明的變焦物鏡系統(tǒng)收集來自物體空間的輻射，且將所述輻射成像在正好位于透鏡后的圖像平面處。在一個(gè)實(shí)施例中，揭示一種緊湊型變焦透鏡系統(tǒng)，其具有從約19mm到90mm的焦距變焦區(qū)域和實(shí)質(zhì)上與同一范圍的高質(zhì)量固定物鏡相同的光學(xué)性能。應(yīng)注意，此實(shí)施例被選擇為提供具有合理長焦距的合理寬角度的透鏡，還以合理的長度維持合理直徑的透鏡。另外，可將F/2.7的光圏選擇為可接受的，以與具有較低光需求的當(dāng)前技術(shù)檢測器一起使用，從而允許透鏡更加緊湊。然而，應(yīng)了解，盡管本文出于闡釋本發(fā)明的目的而描述此實(shí)施例，但本發(fā)明的實(shí)施例并非限于此實(shí)施例。出于比較的目的，將'lll專利的變焦透鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)成具有F/2.2的光圈，且具有兩個(gè)對焦組、兩個(gè)變焦組和一個(gè)在后面的固定組。最后的變焦組內(nèi)具有可變光闌。然而，需要重大的設(shè)計(jì)改變，以便"^殳計(jì)一種具有F/2.7的光圈的透鏡(如在本發(fā)明中)。本發(fā)明的緊湊型高性能變焦透鏡系統(tǒng)包括(以從物體空間到圖像空間的次序)一個(gè)對焦透4竟組、單個(gè)固定透鏡組和在光軸上對準(zhǔn)的三個(gè)變焦透鏡組。對焦透鏡組和變焦透鏡組可沿著光軸軸向移動(dòng)，以進(jìn)行對焦和變焦，但單個(gè)固定透鏡組和相機(jī)的實(shí)像平面保持在固定位置。一種緊湊型高性能變焦物鏡可代替若干(例如11)個(gè)固定焦距透鏡，且在同一范圍內(nèi)，其僅比固定焦距透鏡稍長。圖1是本發(fā)明的緊湊型高性能變焦物鏡系統(tǒng)的光學(xué)圖。圖2到圖9是說明對焦透鏡組和變焦透鏡組產(chǎn)生不同焦距和對焦距離的不同位置的圖1的變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)圖。具體實(shí)施例方式在優(yōu)選實(shí)施例的以下描述內(nèi)容中，參考形成本發(fā)明的一部分的附圖，且在附圖中以說明本發(fā)明可在其中實(shí)踐的特定實(shí)施例的方案來繪示,應(yīng)了解，可利用其它實(shí)施例，且可在不拖離本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施;的范圍的4沈下，作出結(jié)構(gòu)上的改變?，F(xiàn)將以具有附圖和表的設(shè)計(jì)實(shí)例的方式來描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。首先參看圖1,每個(gè)透鏡元件由從1到20的標(biāo)號(hào)來標(biāo)識(shí)，且描繪每個(gè)透鏡元件的一般配置，但下文在表中陳述每個(gè)透鏡表面的實(shí)際半徑。透鏡表面(包含用于設(shè)計(jì)計(jì)算的目的而使用的虛擬光學(xué)表面)由字母"S"和其后的從Sl到S41的標(biāo)號(hào)來標(biāo)識(shí)。每個(gè)透鏡元件的相對表面由單獨(dú)但連續(xù)的表面數(shù)字來標(biāo)識(shí)，例如透鎮(zhèn):元件1具有透鏡表面S2和S3,透鏡元件12具有透鏡表面S22和S23，依此類推，如圖1中所示，對于配對透鏡組件1D、2D和3D除外，重合面向的透鏡表面被給予單個(gè)表面數(shù)字。舉例來說，配對1D包括具有前透明表面S10和后透鏡表面Sll的透鏡元件5以及具有前透鏡表面Sll(重合的)和后透鏡表面S12的透鏡元件6。待拍攝的物體的位置(尤其當(dāng)其與焦點(diǎn)距離有關(guān)時(shí))由光軸上的垂直線和字母"0"來標(biāo)識(shí)，且可在光學(xué)數(shù)據(jù)表中使用的虛擬光學(xué)表面由標(biāo)號(hào)為S40的垂直線標(biāo)識(shí)，且實(shí)像表面由標(biāo)號(hào)S41標(biāo)識(shí)。虛擬表面S40用于使計(jì)算在對焦和變焦透鏡組的所有位置處實(shí)質(zhì)上與實(shí)像表面S41重合。所有的透鏡表面都是球面的，透鏡表面S3和S26除外，其具有非球面，非平面但關(guān)于光軸旋轉(zhuǎn)對稱的非球面表面。在描述透鏡元件的詳細(xì)特征之前，將針對本發(fā)明的變焦透鏡系統(tǒng)(通常表示為50)給出透鏡組和其軸向位置和移動(dòng)的廣泛描述。從面向待拍攝的物體0的那端(即，圖1中的左端)開始，對焦物鏡組51包括對焦透鏡組52，其包括透鏡元件l、2和3;和固定透鏡組53，其包括透鏡元件4、包括透鏡元件5和6的第一配對1D以及透鏡元件7。變焦透鏡組54包括第一變焦透鏡組55、第二變焦透鏡組56和第三變焦透鏡組57,其一起提供變焦，同時(shí)維持恒定的圖像位置。第一變焦透鏡組55包含(在圖1中從左到右)透鏡元件8、包括透鏡元件9和10的第二配對2D以及單透鏡元件10。第二變焦透鏡組56包含單透鏡元件12。第三變焦透鏡組57包含(在圖1中從左到右)可調(diào)節(jié)光闌(可變光闌)S24、單透鏡元件13-16、包括透鏡元件n和18的第三配對3D以及單透鏡元件19和20。下文在表1中陳述每個(gè)透鏡元件的正或負(fù)倍率。每個(gè)子組的透鏡的合成屈光力(opticalpower)如下對焦透4竟組52為負(fù)、固定透《竟組53為正、第一變焦透鏡組55為負(fù)、第二變焦透鏡組56為正且第三變焦透鏡組57為正。對焦物鏡組51的組合屈光力為正。透鏡組52、55、56和57中的每一者可沿著光軸在兩個(gè)方向上移動(dòng)。透4fe組52移動(dòng)以進(jìn)^f亍對焦，而透#]組55、56和57移動(dòng)以進(jìn)4亍變焦。固定透鏡組53保持固定，且與實(shí)像表面S41成固定距離。圖l的上部中的兩端上具有矢向的水平箭頭指示透鏡子組52、55、56和57中的每一者可在兩個(gè)軸向方向上但以單調(diào)的方式(即，當(dāng)從調(diào)節(jié)的一個(gè)極端行進(jìn)到另一個(gè)極端時(shí)，僅在一個(gè)方向上)移動(dòng)。雖然圖1中僅在物理上繪示透鏡元件，但應(yīng)了解，提供常規(guī)機(jī)械裝置和機(jī)構(gòu)以用于支撐所述透鏡元件，并用于促使可移動(dòng)透鏡組在常規(guī)透鏡外殼或鏡頭筒中軸向移動(dòng)。下文在表1中陳述上文所述的變焦透鏡系統(tǒng)50的透鏡構(gòu)造和制造數(shù)據(jù)，其摘自由C0DEV。光學(xué)設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，所述C0DEV。光學(xué)設(shè)計(jì)^/f牛可從美國力口利4畐尼亞州巾白薩迪納市的OpticalResearchAssociates公司市購得，其還可用于產(chǎn)生光學(xué)1到圖9。表1中的所有數(shù)據(jù)在25°C(77°F)的溫度和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(760mmHg)下給出。在本說明書(包含表)中，除以納米(nm)計(jì)的波長之外，所有的測量值都是以毫米(mm)計(jì)。在表1中，第一列"項(xiàng)目"標(biāo)識(shí)如圖1中所使用的具有同一標(biāo)號(hào)或標(biāo)記的每個(gè)光學(xué)元件和每個(gè)位置，即物體平面，虛擬表面等，第二和第三列分別標(biāo)識(shí)"組"和"子組"，光學(xué)元件(透鏡)以圖1中所使用的相同標(biāo)號(hào)屬于所述"組，，和"子組"。第四列"表面，，是物體的表面數(shù)目(圖1中的線"0"和表l中的"物體平面")，虛擬光學(xué)表面S41、光闌(可變光闌)S24和透鏡的實(shí)際表面中的每一者(如圖1中所標(biāo)識(shí))的列表。第五和第六列"對焦位置"和"變焦位置"分別標(biāo)識(shí)對焦透鏡組52的三個(gè)典型的對焦位置(Fl、F2和F3)和變焦透鏡組55-57的五個(gè)典型位置(Zl、Z2、Z3、Z4和Z5),其中如下文更詳盡地描述，第四列中所列出的表面中的一些表面之間的距離(間距)存在變化。以圖注"曲率半徑"為標(biāo)題的第七列是每個(gè)表面的光學(xué)表面曲率半徑的列表，其中負(fù)號(hào)(-)表示曲率半徑的中心在所述表面左方，如圖1中所見，且"平坦"表示光學(xué)上平坦的表面或虛擬光學(xué)表面。表面S3和S26的星號(hào)(*)指示存在"曲率半徑，，為基圓半徑的非球面表面，且那兩個(gè)表面的公式和系數(shù)以*(星號(hào))陳述為對表l的腳注。第八列"厚度或間距"是所述表面(第四列)與下一表面之間的軸向距離。舉例來說，表面S2與表面S3之間的距離是3.000mm。表1的最后三列涉及所述表面(第四列)與在圖1中的右側(cè)的下一表面之間的"材料"，其中列"類型，，指示那兩個(gè)表面之間存在透鏡(玻璃)還是空的空間(空氣)。所有的透鏡都是玻璃，且列"代碼"標(biāo)識(shí)光學(xué)玻璃。為方便起見，所有的透鏡玻璃已從可向Ohara公司購得的玻璃中選出，且列"名稱，，列出了每種玻璃類型的0hara標(biāo)識(shí)，但應(yīng)了解，可使用任一等效、類似或適當(dāng)?shù)牟Ａ?。?的標(biāo)題為"光圈直徑"的最后一列提供光線可穿過的每個(gè)表面的最大直徑。除光闌表面S24之外，所有的最大光圈直徑在所有的對焦和變焦位置的圖像平面處以約13.9mm的最大圖像高度和F/2.7的恒定f數(shù)的546.1納米的波長給出。光闌表面S24的最大光圖直徑在表l中在變焦位置Z5的圖像表面處以546.1納米的波長和F/2.7的f數(shù)給出。對于變焦位置1、2、3和4來說，在圖像平面處以546.1納米的波長和F/2.7的f數(shù)給出的光闌表面S24處的最大光圏直徑分別是22.10mm、23.74mm、25.16mm和27.43mm。在圖像平面S41處，最大光圈直徑給出為近似值。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>complextableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>*由以下常規(guī)等式控制非球面表面S3和S26的表面輪廓<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage15</formula>其中CURV=1/(曲率半徑)Y-光圈高度，其垂直于光軸而測得K，A，B,C,D=系數(shù)Z=合定Y值的表面輪廓的位置，從表面的極點(diǎn)(即軸向頂點(diǎn))沿著光軸測得。透鏡1的表面S3的系數(shù)是K=-1.0493E+00A=4.1484E-07B=l.0025E-11C=2.9558E-14D=-7.0724E-18透鏡13的表面S26的系數(shù)是K=0.0000E+00A=9.4858E-06B=6.2385E-09C=5.7827E-12D=l.0431E-14前面對表1的腳注*包含用于針對值Z計(jì)算非球面表面S3和S26的形狀的等式，其中CURV是所述表面的極點(diǎn)處的曲率，Y是距玻璃表面上的特定點(diǎn)的光軸的高度或距離，K是二次曲線系數(shù)，且A、B、C和D分別是4階、6階、8階和10階變形系數(shù)，其是用于計(jì)算非球面表面的形狀的眾所周知的等式和值。使用非球面表面提供對變焦透鏡中的像差的校正，同時(shí)允許較小的總體大小和較簡單的配置。具體地說，對焦透鏡組中的非球面表面有助于校正失真和其它視野相關(guān)的像差，而第三變焦透鏡組中的非球面有助于校正球面和其它光瞳相關(guān)的像差。根據(jù)表l中所陳述的個(gè)別透鏡元件(項(xiàng)目1-20)和透鏡元件之間的間距的詳細(xì)說明，可通過使用前面提及的CODEV。光學(xué)設(shè)計(jì)軟件來計(jì)算每個(gè)透4竟元件和隨后每組透4竟元件(即對焦透鏡組52、變焦透《竟組55、56和57以及固定透鏡組53)的焦距，且那些計(jì)算出的組焦距如下對焦透鏡組52(元件l-3)=-100.96;固定透鏡組53(元件4—7)=+56.52;第一變焦透鏡組55(元件8-11)=-22.78;第二變焦透鏡組56(元件12)=+98.27;以及第三變焦透鏡組57(元件13-20)=+53.64。在所有對焦位置F1、F2和F3處，物鏡組(對焦透鏡組52和固定透鎮(zhèn):組53)的總體倍率是正的，因?yàn)榫哂虚g距的兩個(gè)子組的焦距被計(jì)算為(1/焦3巨1)+(1/焦]巨2)-(間3巨/(禁J巨1x焦]f巨2)=1/總焦3巨。而且，應(yīng)注意，變焦透鏡系統(tǒng)50在表面S24處具有一個(gè)光闌，其將光線可穿過的光圈的直徑控制在借此促使變焦透鏡系統(tǒng)中的任何光線在徑向上超過待阻擋的直徑的程度。光闌是物理可變光闌可定位在該處的位置。可變光闌定位在第三變焦組57內(nèi)，并與所述變焦組一起移動(dòng)。應(yīng)注意，在圖2中，(例如)邊緣光線在有多余空間的情況下穿過光闌S24的抖動(dòng)標(biāo)記(ticmark),而在圖5中，邊緣光線在穿過光闌時(shí)，幾乎觸碰光闌24的抖動(dòng)標(biāo)記。這表明當(dāng)焦距增加時(shí)，位于S24處的可變光闌必須打開。為了維持圖像處的恒定f數(shù)，可變光闌必須"變焦"或改變。換句話說，必須調(diào)節(jié)可變光闌，以獲得恒定光圈。在變焦期間，可使用單獨(dú)的凸輪來打開或關(guān)閉可變光闌。另外，應(yīng)注意，表1中所陳述的所有的透鏡元件表面光圈充當(dāng)所有對焦和變焦位置處的場闌，如圖2到圖9中所描繪。四個(gè)透鏡組52、55、56和57每一者可獨(dú)立地軸向移動(dòng)，且其各個(gè)移動(dòng)由任何便利構(gòu)件(例如常規(guī)機(jī)械裝置，例如凸輪或類似裝置)來協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)所需的對焦和變焦功能。對焦透鏡組52獨(dú)立于變焦透鏡組55、56和57而移動(dòng)。參看表l，為了說明本發(fā)明的范圍和通用性，在數(shù)據(jù)中陳述了三個(gè)不同的對焦位置F1、F2和F3以及五個(gè)不同的變焦位置Zl、Z2、Z3、Z4和Z5，所述數(shù)據(jù)實(shí)際上提供四個(gè)可移動(dòng)透鏡組的十五(3x5=15)個(gè)不同組合的特定數(shù)據(jù)。對于對焦位置F1，假定物體平面O在無窮遠(yuǎn)處，對于F2，物體平面在約810mm的中間距離處，且對于F3，物體平面0在約352mm的較近距離處(即遠(yuǎn)離透鏡的前頂點(diǎn)3"mm)。在這三個(gè)對焦位置Fl、F2和F3中的每一者處，對焦透鏡組52在變焦透鏡組55、56和57的整個(gè)移動(dòng)范圍(由表l的變焦位置列中的"所有"指示)上始終保持在同一位置中。類似地，對于表1中所陳述的五個(gè)變焦位置Zl、Z2、Z3、Z4和Z5中的每一者，變焦透鏡組55、56和57在對焦透鏡組52的整個(gè)移動(dòng)范圍(由表1中的對焦位置列中的"所有"指示)上始終保持在同一各自位置中。舉例來說，對于對焦位置F1，從物體平面O到在圖1中的右側(cè)的下一表面的距離(厚度或間距列)是無窮大的(即，焦點(diǎn)在無窮遠(yuǎn)處)，且從S7到所述下一表面的距離為1.759mm，而在不改變對焦透鏡組位置(即S7處的間隔)的情況下，S14、S21和S39處的可變距離可在其對在無窮遠(yuǎn)焦點(diǎn)處的待拍攝的物體的整個(gè)變焦范圍(變焦位置列中的"所有")上變化。類似地，對于對焦位置F2,到達(dá)物體0的中間對焦距離是810mm,且S7處的間隔是12,972mm,而變焦元件的S14、S21和S39處的間隔可在其整個(gè)范圍上變化。變焦位置Zl、Z2、Z3、Z4和Z5代表變焦透鏡組55、56和57的五個(gè)位置，其中變焦位置Zl和Z5是極端位置，且Z2、Z3和Z4是所有對焦透鏡組位置的中間位置。透鏡系統(tǒng)50的焦距針對不同對焦距離和變焦位置而變化，且(例如)以無窮遠(yuǎn)焦點(diǎn)且對于變焦位置Zl,焦距為19mm;對于變焦位置Z2,焦3巨為30mm;對于變焦位置Z3，焦距為40mm;對于變焦位置Z4，焦距為55mm;且對于變焦位置Z5，焦距為90mm。當(dāng)然，將了解，可在極端對焦位置Fl與F3之間獲得連續(xù)對焦，可在極端變焦位置Zl與Z5之間獲得連續(xù)變焦，且通過使用透鏡系統(tǒng)50，可在所描述的對焦和變焦范圍內(nèi)獲得連續(xù)對焦與變焦的任一組合?，F(xiàn)參看圖2到圖9，繪示變焦透鏡系統(tǒng)50在各個(gè)位置中的對焦透鏡組和變焦透鏡組，和那些位置的光線蹤跡。圖2表示對焦位置F1和變焦位置Zl,上文在表1中在所述兩個(gè)位置陳述無窮遠(yuǎn)焦點(diǎn)和約19mm的較小焦距的數(shù)據(jù)。圖3表示根據(jù)表1無窮遠(yuǎn)焦點(diǎn)和約30mm的焦距的對焦位置Fl和變焦位置Z2。圖4表示根據(jù)表1無窮遠(yuǎn)焦點(diǎn)和約40mm的焦距的對焦位置Fl和變焦位置Z3。圖5表示才艮據(jù)表1無窮遠(yuǎn)焦點(diǎn)和約55mm的焦距的對焦位置Fl和變焦位置Z4。圖6表示根據(jù)表1無窮遠(yuǎn)焦點(diǎn)和約90隱的焦距的對焦位置Fl和變焦位置Z5。圖7表示才艮據(jù)表1約810mm的中間焦點(diǎn)的對焦位置F2和變焦位置Z5。圖8表示根據(jù)表1約352mm的較近焦點(diǎn)的對焦位置F3和變焦位置Z5。圖9表示根據(jù)表1約352mm的較近焦點(diǎn)的對焦位置F3和變焦位置Z1。提供圖9以全面表示對焦的極端。應(yīng)注意，進(jìn)入圖9中的透鏡的光線與光軸成最極端角度和垂直高度，且透鏡元件能夠捕獲所有這些光線。才艮據(jù)圖2到圖9，還應(yīng)注意，來自物體空間(在圖中的左側(cè))的最接近所述軸的光線蹤跡對從物體空間中的光軸發(fā)散。通常，透鏡系統(tǒng)中的可變光闌位于最后一個(gè)移動(dòng)透鏡組(在圖2到圖9中的右側(cè))后面，但變焦透鏡系統(tǒng)50具有位于第三變焦透鏡組57內(nèi)的可變光闌S24,且因此可變光闌S24與第三變焦透鏡組57—起軸向移動(dòng)。在第三變焦透鏡組57相對于表1中列出的最大光圈直徑而軸向移動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)可變光闌S24的光圏的大小，且在表l中以給出其最大值。'而且，應(yīng)注意，可變光闌S24的光圏的大小與對焦透鏡組52的位置無關(guān)。通過此布置，變焦透鏡系統(tǒng)50通過變焦范圍且通過對焦范圍在圖像空間中維持約2.7的恒定f數(shù)。下文在表2中陳述變焦透鏡系統(tǒng)50的光學(xué)性能數(shù)據(jù)，其中針對表1中所陳述的變焦與對焦位置的八個(gè)不同組合中的五個(gè)不同場位置(作為代表性實(shí)例)，以百分?jǐn)?shù)(％)陳迷基于衍射的多色調(diào)制傳遞函數(shù)("MTF")數(shù)據(jù)(調(diào)制比空間頻率)，而且針對變焦與聚焦位置的那八個(gè)組合，以百分?jǐn)?shù)(%)陳述全視野失真數(shù)據(jù)，且以百分?jǐn)?shù)(％)陳述全視野相對照明數(shù)據(jù)。以兩個(gè)值來陳述視野位置，距離光軸的實(shí)際圖像高度(mm)和標(biāo)準(zhǔn)化的圖像高度兩者，標(biāo)準(zhǔn)化的圖像高度是實(shí)際圖像高度除以最大圖像高度。MTF百分?jǐn)?shù)是根據(jù)表2的右手列中所陳述的波長和權(quán)數(shù)，即根據(jù)20循環(huán)/mm，其為光學(xué)性能的相對標(biāo)準(zhǔn)的測量值，其中值"20循環(huán)/mm"表示根據(jù)其確定清晰度的圖表上每毫米20對的黑線與白線。所有的性能數(shù)據(jù)都是在25'C(77。F)的溫度、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(760mmHg)下，且以圖像空間中的F/2.7全光圈給出。然而，變焦透鏡系統(tǒng)50確實(shí)提供實(shí)質(zhì)上恒定的性能，例如MTF值，在(TC到40。C(32。F到104°F)的溫度范圍上，且如果性能(MTF)的較小降低是可接受的，那么可操作的溫度范圍可延伸到-l(TC到5(TC(14。F到122°F)或更高。表2<table>complextableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table><table><row><column>野)</column><column>野)</column></row><row><column></column><column>13.9(全視野)</column><column>1(全視野)</column><column>61.8</column><column>60.7</column><column>67.4</column><column>74.0</column><column>60.8</column><column>60.9</column><column>60.8</column><column>59.4</column><column>全視野相對照明(%)</column></row><table>具體地說，應(yīng)注意，在表2中，性能的恒定性貫穿變焦和對焦。離軸(靠近全視野)的高相對照明和高M(jìn)TF性能(由于低殘余;f黃向色差而導(dǎo)致)使得此透鏡的性能同樣適合與基于膠巻和/或電子的檢測器一起使用。還注意表2中的低全視野失真，其對于對所有區(qū)域中的光具有恒定響應(yīng)且將如實(shí)再現(xiàn)圖像的拐角中的失真的當(dāng)前技術(shù)^r測器來說是優(yōu)選的。還應(yīng)注意，表2中的全視野相對照明在59%與74%之間。一般來說，值越高越好，因?yàn)榈蛿?shù)值意味著光在圖片的拐角中衰減。對于當(dāng)前技術(shù)檢測器來說，高全視野相對照明是優(yōu)選的，所述當(dāng)前技術(shù)檢測器對所有區(qū)域中的光具有恒定響應(yīng)，且將如實(shí)再現(xiàn)圖像的拐角中的陰影，以及變焦期間對圖像所作的改變。相比而言，'111專利中所描述的透鏡的全視野照明小于50%,其并非針對電子檢測器而設(shè)計(jì)。小于50%的照明可能在電子檢測器中導(dǎo)致陰影，但將可能為膠巻所接受。一般透鏡的所謂的"呼吸"問題(但其在變焦透鏡中可能更普遍)(其中圖像的大小從短焦距到長焦距發(fā)生改變)在通常使用的三英尺或更大的較近對焦距離(如從物體到圖像(即在表3中的約Fl與F2之間)測得)在變焦透鏡系統(tǒng)50中實(shí)際上不存在。下文在表〗中給出由于視野角度的百分?jǐn)?shù)(％)改變中的對焦而導(dǎo)致呼吸值，其中可觀察到，針對變焦位置Zl-Z5，所述值相對較小。應(yīng)注意，在無窮遠(yuǎn)焦點(diǎn)(Fl)處，呼吸為零，因?yàn)槠錇閰⒖家曇?。從無窮遠(yuǎn)(Fl)到焦點(diǎn)位置F2(涵蓋最常使用的焦點(diǎn)范圍)，呼吸值尤其小，且在最近的對焦位置，在變焦位置Z1、Z2和Z3處，類似地較低?？梢苿?dòng)對焦組和固定組的總焦距給出表3的呼吸。可通過還移動(dòng)固定透鏡組來改變此數(shù)據(jù)，這也增加了機(jī)械復(fù)雜性。表3<table>compelxtableseeoriginalpage19</column></row><table>基于對焦位置Fl與對焦位置F2和F3的全視野主光線角度(以度計(jì))之間的差異，在546.1納米的波長下，測量表3中的值，其中所有對焦位置處的全視野主光線在圖像平面處產(chǎn)生約13.9mm的圖像高度。表4提供無窮遠(yuǎn)的對焦距離處的變焦位置Zl-Z5的旁軸焦距，其為將在透鏡不具有失真或像差時(shí)導(dǎo)致的焦距。表4旁軸焦距(ran)(無窮遠(yuǎn)對焦距離)Zl+20.0Z2+30.0Z3+40.0Z4+55.0Z5+87.0然而，因?yàn)槊總€(gè)透鏡都具有失真和像差，所以必須修改這些旁軸焦距。參看表2，在對焦位置Fl和變焦位置Zl處呈現(xiàn)-3.7%的全視野失真。這是相對較大的改變，因?yàn)榻嵌热绱酥?，以致即使較小的全視野失真值也會(huì)導(dǎo)致視野的較大變化。使20mm的Zl旁軸焦距(paraxialfocallength)乘以(1-0.037)得到19.26mm。因此，上文所述的透鏡在短端處具有約19mm的焦距。對于長端來說，對焦位置Fl和變焦位置Z5處存在1.7%的全視野失真。這是相對較小的變化，因?yàn)榻嵌茸銐蛐?，以致即使較小的全視野失真值也只導(dǎo)致視野的非常小的變化。使87mm的Z5旁軸焦距乘以(1+0.017)得到88.5mm。當(dāng)考慮實(shí)體產(chǎn)品中的超程時(shí)，焦距變成約90mm。雖然已結(jié)合具有用在35mm電影膠巻或電子檢測器相機(jī)上的適當(dāng)尺寸的變焦透鏡系統(tǒng)50描述了本發(fā)明，但此變焦透鏡系統(tǒng)的尺寸可適當(dāng)?shù)胤糯蠡蚩s小以與各種膠巻或電子檢測器圖像格式(包含但不限于，16mm、超16mra、35咖、65mm、IMAX、0MNIMAX⑧等)以及各種視頻格式(包含高清晰度電視(HDTV)、高級(jí)電視(ATV)和一般的數(shù)字電視)一起使用。本發(fā)明的變焦透鏡系統(tǒng)50的許多優(yōu)勢之一在于提供最通常在電影院使用的較寬焦距范圍，其不需要至少十一個(gè)固定焦距物鏡，例如包含焦距21mm、24mm、27ram、30mm、35mm、40mm、50mm、65mm、75咖、85mm和90mm,以獲得高質(zhì)量電影攝影術(shù)的合適的通用性，借此，使用此變焦透鏡系統(tǒng)將導(dǎo)致較大的靈活性和較少的成本。另外，與具有相當(dāng)焦距范圍的最高性能變焦透鏡系統(tǒng)相比，變焦透鏡系統(tǒng)50的獨(dú)特設(shè)計(jì)形成較小的透鏡，且僅比同一范圍內(nèi)的最大固定焦距物鏡略大。另外，變焦透鏡系統(tǒng)50的獨(dú)特透鏡設(shè)計(jì)實(shí)際上消除了所謂的"呼吸"問題，其中當(dāng)焦點(diǎn)從短對焦距離改變?yōu)殚L對焦距離時(shí)，圖像改變大小。根據(jù)前文描述內(nèi)容和附圖，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白變焦透鏡系統(tǒng)50的其它特征和優(yōu)勢。盡管已參考附圖結(jié)合本發(fā)明的實(shí)施例全面描述了本發(fā)明，但應(yīng)注意，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白各種改變和修改。應(yīng)將此類改變和修改理解為包含在如由所附權(quán)利要求書所界定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。權(quán)利要求1、一種高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其包括單個(gè)對焦物鏡組和在共同光軸上依次對準(zhǔn)的多個(gè)變焦透鏡組，且經(jīng)布置以收集從物體空間發(fā)出的輻射，并將所述輻射傳遞到軸向固定的圖像空間作為實(shí)像，所述單個(gè)對焦物鏡組包括具有負(fù)屈光力的對焦透鏡組和具有正屈光力的固定透鏡組，所述多個(gè)變焦透鏡組包括具有負(fù)屈光力的第一變焦透鏡組、具有正屈光力的第二變焦透鏡組以及具有正屈光力且含有所述變焦透鏡系統(tǒng)的光闌的第三變焦透鏡組，所述對焦透鏡組以及所述第一、第二和第三變焦透鏡組中的每一者可軸向移動(dòng)，且所述固定透鏡組在軸向上固定。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述對焦透鏡組和所述固定透鏡組具有組合的正屈光力。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第一、第二和第三變焦透鏡組可在所述變焦透鏡系統(tǒng)的最小焦距與最大焦距之間的整個(gè)焦距范圍上以單調(diào)的方式軸向移動(dòng)。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述對焦透鏡組包含非球面、非平面、光學(xué)上折射的表面。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第三變焦透鏡組包含非球面、非平面、光學(xué)上折射的表面。6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述變焦透鏡系7、根據(jù)權(quán)利要求l所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第三變焦透4竟組包含可調(diào)節(jié)的可變光闌。8、根據(jù)權(quán)利要求l所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述對焦透鏡組和所述固定透鏡組包含透鏡元件，所述透鏡元件用于通過所述對焦透鏡組的軸向移動(dòng)，使對焦距離從近物體改變到遠(yuǎn)物體期間出現(xiàn)在所述實(shí)像中的物體的大小變化最小。9、根據(jù)權(quán)利要求l所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述對焦透鏡組包括至少三個(gè)光學(xué)上折射的透鏡元件，且包含至少一個(gè)非球面透鏡表面。10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述固定透鏡組包括至少四個(gè)光學(xué)上折射的透鏡元件。11、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第一變焦透鏡組包括包含一對配對透鏡元件的至少四個(gè)光學(xué)上折射的透鏡元件。12、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第二變焦透鏡組包括至少一個(gè)光學(xué)上折射的透鏡元件。13、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第三變焦透鏡組包括至少八個(gè)光學(xué)上折射的透鏡元件，且包含至少一個(gè)非球面透鏡表面。14、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述變焦透鏡系統(tǒng)包含具有非球面透鏡表面的透鏡元件，所述非球面透鏡表面具有由以下等式和系數(shù)控制的輪廓<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中CURV-1/(曲率半徑)Y-光圈高度，垂直于光軸而測得，K、A、B、C、D-系數(shù)，以及Z-給定Y值的表面輪廓的位置，如從所述表面的極點(diǎn)(即軸向頂點(diǎn))沿著所述光軸測得；且其中透鏡1的表面S3的系數(shù)是K=-1.0493E+00,A=4.1484E-07,B=l.0025E-11,C=2.9558E-14,以及D=-7.0724E-18。15、根據(jù)權(quán)利要求14所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述非球面透鏡表面包含在所述對焦透鏡組中。16、根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述變焦透鏡系統(tǒng)包含具有非球面透鏡表面的透鏡元件，所述非球面透鏡表面具有由以下等式和系數(shù)控制的輪廓<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中CURV=1/(曲率半徑)丫=光圈高度，垂直于光軸而測得，K、A、B、C、0=系數(shù)，以及Z=給定Y值的表面輪廓的位置，如從所述表面的極點(diǎn)(即軸向頂點(diǎn)-)沿著所述光軸測得；且其中透鏡13的表面S26的系數(shù)是K=0.0000E+00,A=9.4858E-06，B=6.2385E—09,C=5.7827E-12,以及D=1.0431E-14。17、根據(jù)權(quán)利要求16所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述非球面透鏡表面包含在所述第三變焦透鏡組中。18、一種高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其包括單個(gè)對焦物鏡組和在共同光軸上依次對準(zhǔn)的多個(gè)變焦透鏡組，所述單個(gè)對焦物鏡組具有帶負(fù)屈光力的對焦透鏡組和帶正屈光力的固定透鏡組，所述對焦透鏡組可單獨(dú)地沿著所述光軸軸向移動(dòng)，且所述固定透鏡組在軸向上固定，所述多個(gè)變焦透鏡組包括第一變焦透鏡組、第二變焦透鏡組和第三變焦透鏡組，所述第一變焦透鏡組可在最小與最大焦距之間的全部范圍上以非單調(diào)的方式軸向移動(dòng)，所迷第二變焦透鏡組可在最小與最大焦距之間的所述全部范圍上以單調(diào)的方式軸向移動(dòng)，且所述第三變焦透鏡組具有光闌，且可在最小與最大焦距之間的所述全部范圍上以單調(diào)的方式軸向移動(dòng)。19、根據(jù)權(quán)利要求18所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述對焦透鏡組和所述固定透鏡組具有組合的正屈光力。20、根據(jù)權(quán)利要求18所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述對焦透鏡組包含非球面、非平面、光學(xué)上折射的表面。21、根據(jù)權(quán)利要求18所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第三變焦透鏡組包含非球面、非平面、光學(xué)上折射的表面。22、根據(jù)權(quán)利要求18所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第三變焦透鏡組包含可調(diào)節(jié)的可變光闌。23、根據(jù)權(quán)利要求18所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述對焦透鏡組和所述固定透鏡組包含透鏡元件，所述透鏡元件用于通過所述對焦透鏡組的軸向移動(dòng)，使對焦距離從近物體改變到遠(yuǎn)物體期間出現(xiàn)在實(shí)像中的物體的大小變化最小。24、一種高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其包括單個(gè)對焦物鏡組和在共同光軸上依次對準(zhǔn)的多個(gè)變焦透鏡組，且經(jīng)布置以收集從物體空間發(fā)出的輻射，并將所述輻射傳遞到軸向固定的圖像空間作為實(shí)像，所述單個(gè)對焦物鏡組包括對焦透鏡組和固定透鏡組，所述對焦透鏡組具有負(fù)屈光力，且可與至少一個(gè)非球面、非平面、光學(xué)上折射的表面一起軸向移動(dòng)，所述固定透鏡組具有正屈光力，且在軸向上固定，所述多個(gè)變焦透鏡組包括第一、第丄和第三變焦透鏡組，所述第一變焦透鏡組具有負(fù)屈光力，且可在軸向上移動(dòng)，所述第二變焦透鏡組具有正屈光力，且可在軸向上移動(dòng)，且所述第三變焦透鏡組具有正屈光力，且可與至少一個(gè)非球面、非平面、光學(xué)上折射的表面和可調(diào)節(jié)光闌一起軸向移動(dòng)，所述變焦透鏡系統(tǒng)具有剩余的實(shí)質(zhì)上為球面或平面的光學(xué)上折射的表面，且所述變焦透鏡系統(tǒng)經(jīng)由軸向定位所述對焦透鏡組和所述多個(gè)變焦透鏡組，通過對焦和變焦范圍在實(shí)像處提供高等級(jí)的光學(xué)性能。25、根據(jù)權(quán)利要求24所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中每個(gè)所述非球面、非平面、光學(xué)上折射的表面是非球^/透鏡表面。26、根據(jù)權(quán)利要求24所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述單個(gè)對焦物鏡組具有組合的正屈光力。27、一種高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其包括玻璃透鏡元件1到20，所述玻璃透鏡元件1到20在共同光軸上依次對準(zhǔn)，并經(jīng)布置以收集從物體空間發(fā)出的輻射，且將所述輻射傳遞到在軸向上固定的圖像空間作為實(shí)像；所述透鏡元件形成包括對焦透鏡組52和固定透鏡組53的單個(gè)對焦物鏡組51，包括第一變焦透鏡組55、第二變焦透鏡組56和第三變焦透鏡組57的變焦透鏡組54，所述對焦透鏡組和所述第一、第二和第三變焦透鏡組每一者可軸向移動(dòng)；所述對焦透鏡組包括透鏡元件1、2和3，所述固定透鏡組包括透鏡元件4、5、6和7，所述第一變焦透鏡組包括透鏡元件8到11，所述第二變焦透鏡組包括透鏡元件12,且所述第三變焦透鏡組具有光闌并包括透鏡元件13到20;以及其中透鏡元件表面，虛擬表面、光闌處的可變光闌、物體平面和圖^f象平面被標(biāo)識(shí)為0和Sl到S41,所述透鏡元件表面S3和S26是非球面，且所述透鏡元件、透鏡元件表面、虛擬表面、光闌處的可變光闌、物體平面和圖像平面具有以下次序、關(guān)系和特征<table>complextableseeoriginalpage5</column></row><table>352.00015152S21063.0663.畫SLAH59S351.696*20.34725152S4-211.3952.800SFPL53S52053.5220.15035152S6110.4588.881STIH6S7658,3401.75012.97224.482545153S8123.79710.542SPHM53S9-169.8120.12555153S10116.5112.350STIH5365153Sll45.10610.911SFPL51S12873.7100.12575153S1366.5836.872SLAH59S14973.9390.76410.68016.20620.26429.24085455S15151.3271.450SLAM3S1628.6146.21395455S17-115.4041.450SBSM18105455S1833.0014,664STIH53S19-11785.6002.861115455S20-復(fù)0251.450SBSM9S21140.78138.10725.75417.9779.8771.000125456S2249.2732.549SLAH58S23110.39618.21114.15510.9736.5941.637光闌5457S24平坦0.518135457S2543.8163.253SFPL51S26873.710*4.116145457S27-35.6041.450SNSL36S28100.4341.681155457S2982.3087,242SFPL51S30-35.9820.100<table>complextableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>28、根據(jù)權(quán)利要求27所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中除所述虛擬表面外，每個(gè)表面Sl到S41處的最大光圈直徑(mm)如下；S2處93.00、S3處78.92、S4處78,87、S5處79.21、S6處79.86、S7處79.10、S8處67.85、S9處66.64、S10處58.43、Sll處53.56、S12處52.37、S13處50.66、S14處49.49、S15處38.09、S16處32.00、S17處31.76、S18處29.00、S19處28.32、S20處27.96、S21處27.36、S22處28.68、S23處28.65、S24處28.78、S25處29.40、S26處29.26、S27處29.26、S28處31.11、S29處32.60、S30處33.08、S31處32.71、S32處32.14、S33處29.68、S34處28.96、S35處26.42、S36處28.89、S37處29.20、S38處30.77、S39處30.75以及S41處27.80。29、根據(jù)權(quán)利要求27所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述非球面透鏡表面S3具有由以下等式和系數(shù)控制的輪廓<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中CURV=1/(曲率半徑)Y-光圈高度，垂直于光軸而測得,K、A、B、C、D-系數(shù)，以及Z-給定Y值的表面輪廓的位置，如從所述表面的極點(diǎn)(即軸向頂點(diǎn))沿著所述光軸測得；且其中透鏡1的表面S3的系數(shù)是K=-1.0493E+00,A=4.1484E-07,B=l.0025E-11，C=2.9558E-14,以及D=-7.0724E-18。30、根據(jù)權(quán)利要求27所述的高性能變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述非球面透鏡表面S26具有由以下等式和系數(shù)控制的輪廓<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中CURV=1/(曲率半徑)Y-光圈高度，垂直于光軸而測得，K、A、B、C、0=系數(shù)，以及乙=給定Y值的表面輪廓的位置，如從所述表面的極點(diǎn)(即軸向頂點(diǎn))沿著所述光軸測得；且其中透鏡13的表面S26的系數(shù)是K=0.0000E+00,A=9.4858E-06,B=6.2385E-09，C=5.7827E-12,以及D=1.0431E-14。全文摘要本發(fā)明揭示一種緊湊型高性能變焦物鏡系統(tǒng)，其以從近處到無窮遠(yuǎn)的對焦距離在整個(gè)變焦焦距范圍上提供最佳光學(xué)性能。所述系統(tǒng)從物體空間到圖像空間包括一個(gè)對焦物鏡組(其包括對焦透鏡組和固定透鏡組)和在光軸上對準(zhǔn)的三個(gè)變焦透鏡組。所述對焦透鏡組和所述變焦透鏡組可沿著所述光軸軸向移動(dòng)，以用于對焦和變焦。在一個(gè)實(shí)施例中，所述系統(tǒng)具有從約19mm到90mm的焦距變焦區(qū)域、F/2.7的光圈和實(shí)質(zhì)上與同一范圍的高質(zhì)量固定物鏡相同的光學(xué)性能。此系統(tǒng)的性能特征使得其適用于膠卷相機(jī)和電子檢測器相機(jī)。文檔編號(hào)G02B15/14GK101203789SQ200680022122公開日2008年6月18日申請日期2006年3月22日優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日發(fā)明者伊恩·A·尼爾,山梨隆則,雅各·摩斯可維奇申請人:潘那維申國際有限公司