專利名稱：：具有波前編碼的變焦透鏡系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：該申請要求2006年3月提交的題為"具有波前編碼的變焦透鏡系統(tǒng)"的第60/779,712號美國臨時申請的優(yōu)先權，該申請的全部內(nèi)容通過引用而特地并入本文。
背景技術：
：現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)與傳統(tǒng)的變焦透鏡系統(tǒng)的區(qū)別在于成像系統(tǒng)中的變化不是通過沿著光軸移動光學元件來實現(xiàn)的。也就是說，現(xiàn)代變焦系統(tǒng)中的特殊光學元件的光學特征是通過在不平行于光軸的平面內(nèi)應用電壓、壓力、平移或旋轉而改變的?，F(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)中的可變光學元件的使用的一個實施例是在相同的物理位置用可變光學透鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)中的一個透鏡。然而，通過改變一個或多個光學元件的光學特征而變化的現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)可引起像差，該像差表現(xiàn)為對成像性能的限制。隨著成像系統(tǒng)中的光學元件數(shù)量的減少，這些像差將會惡化。例如，可限制現(xiàn)代變焦系統(tǒng)的性能的像差可包括像彎曲、色差、球面像差、散焦、慧形像差以及與制造、裝配和溫度有關的像差?，F(xiàn)在參照附圖，其中貫穿不同的圖的相同參考標記表示相同的元件，圖1和圖2示出了現(xiàn)有技術的實施例，四組傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)。在該傳統(tǒng)的變焦透鏡系統(tǒng)中，光學元件的移動是通常平行于系統(tǒng)的光軸的。在圖1所示的傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)的結構10中，一組焦距分別為/;、/2、/3和/4的第一個至第四個光學元件i2、"、16和is被配置為在成像平面20上形成清晰圖像。虛線表示結構10的光軸21。進入傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)的結構10的邊緣光線22被聚焦于成像平面20與光軸21的交點上。繼續(xù)參照圖1，第一光學元件12和第二光學元件14通?？杀豢醋骺刂平Y構10中的傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)的放大倍數(shù)，而第三光學元件16和第四光學元件18通?？杀徽J為控制成像平面20的位置。光學元件14可被稱作"聚束柵透鏡"或"聚束柵(variator)"，它被定義為控制放大倍數(shù)的光學子系統(tǒng)。光學元件16可被稱作"補償器"，它被定義為控制焦點的光學子系統(tǒng)。在一些情況下，尤其是在由很少的光學元件形成的變焦透鏡系統(tǒng)中，特定的子系統(tǒng)可同時用作聚束柵和#卜償器。在圖2中，在傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)的可選擇結構IO'中，第二光學元件14'(例如聚束柵)沿著光軸21從第一光學元件12向成像平面20移動，如箭頭24所指示的，以實現(xiàn)放大倍數(shù)的改變。為了使成像平面20保持在相對于第四光學元件18的固定位置，第三光學元件16'(例如補償器)還沿著光軸21向成像平面20移動，如箭頭26所指示的。通過這些移動的結合，在成像平面位置保持固定的情況下，傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)的可選^^結構10'的方文大倍^:與圖1所示的結構10的》文大倍數(shù)相比發(fā)生了改變。換句話說，比圖1所示的邊緣光線22在距離第一光學元件12的邊緣更近的位置進入的邊緣光線28現(xiàn)在可聚焦在圖像平面20與光軸21的交點上。如圖l和圖2所示，現(xiàn)有技術即傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)中的聚束柵和補償器的移動需要沿著光軸的空間。即也就是說，在這樣的空間中，即例如，第二光學元件14必須在其中移動以形成結構10',其它光學元件不能位于該空間中。對空間的相似要求是要求光學元件沿著光軸移動的傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)所常見的；因此，在沿著光軸的方向上減小傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)的長度是困難的?，F(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)可減小或消除對沿著光軸物理地移動光學元件的需要，從而與傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)相比，減小了系統(tǒng)的總長度。然而，這些現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)的限制抑制了進一步對圖像質(zhì)量、尺寸和成本的改進。例如，通?？衫玫默F(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)需要至少2個驅動的或可變的元件以同時改變放大倍數(shù)和焦點。同樣地，某些現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)需要驅動系統(tǒng)以控制焦點，這需要一些元件改變以使圖像保持清晰。
發(fā)明內(nèi)容本公開提供了用于對射線角范圍內(nèi)的入射光進行成像的變焦透鏡系統(tǒng)。入射光線至少用相位來表征。變焦透鏡系統(tǒng)包括光軸，并且變焦透鏡系統(tǒng)由多個至少對應于射線角范圍的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來表征。變焦透鏡系統(tǒng)包括沿著光軸被;故置的光組，其至少包括一個可的可變焦距。該光組還包纟舌波前編碼元件。波前編碼元件至少改變?nèi)肷涔獾南辔?，以使得對于兩個不同焦距值中的每一個，多個對應于射線角范圍的MTF對散焦式f^差比相應的不具有波前編碼元件的系統(tǒng)較不敏感。在一個實施方式中，用于變焦透鏡系統(tǒng)的方法對射線角范圍內(nèi)的入射光進行成像。入射光至少包括相位。變焦透鏡系統(tǒng)包括光軸和至少一個可變光學元件，該可變光學元件具有在至少兩個不同的焦距值之間選4奪的可變焦距。該變焦透鏡系統(tǒng)由多個至少對應于射線角范圍和兩個不同焦距值的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來表征。該方法包括改變?nèi)肷涔獾南辔唬允沟脤τ趦蓚€不同焦距值中的每一個，多個對應于射線角范圍的MTF在形式和尺寸上實質(zhì)上相似。在一個實施方式中，變焦透鏡系統(tǒng)包括光軸。該變焦透鏡系統(tǒng)還包括沿著光軸^f皮放置的光組。該光軸依次包括至少一個可變光學元件和波前編碼(WFC)元件，該可變光學元件具有在至少兩個不同焦距值之間選擇的可變焦距。至少一個可變光學元件不能沿著光軸移動。光組還由多個對應于射線角范圍和至少兩個不同焦距值的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來表征，并且可變光學元件和WFC元件被配置為相互協(xié)作以使多個MTF在形式和尺寸上實質(zhì)上是相似的。本公開可通過參照下面的附圖以及與下面簡要描述的附圖相結合的詳細說明來理解。需要注意，為了清楚地說明，附圖中的某些元件未按比例繪制。圖1是現(xiàn)有技術即包括傳統(tǒng)光學器件的傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)的一個結構的示意圖。圖2是現(xiàn)有技術即圖1的傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)的可選擇的結構的示意圖。圖3是現(xiàn)有技術即包括現(xiàn)代光學器件和可變光學器件的現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)的一個結構的示意圖。圖4是現(xiàn)有技術即圖3的現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)的可選擇結構的示意圖。圖5是現(xiàn)有技術即包括現(xiàn)代光學器件和可變光學器件的現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)另一個實施例的一個結構的示意圖。圖6是現(xiàn)有技術即圖5的現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)的可選擇結構的示意圖。圖7是現(xiàn)有技術即傳統(tǒng)的兩透鏡成像系統(tǒng)的示意圖，該傳統(tǒng)的兩透鏡成像系統(tǒng)在本文中示出以說明當在該系統(tǒng)中兩個透鏡具有相同的焦距和折射率的情況下成像平面的曲率。圖8是可選擇的現(xiàn)有技術即傳統(tǒng)兩透鏡成像系統(tǒng)的示意圖，該傳統(tǒng)的兩透鏡成像系統(tǒng)在本文中示出以說明在兩透鏡被選擇為具有相等的折射率和互為相反數(shù)的焦距的情況下使圖像平面變平。圖9和圖IO是第三個現(xiàn)有技術即傳統(tǒng)兩透鏡成像系統(tǒng)的示意圖，該傳統(tǒng)的兩透鏡成l象系統(tǒng)在本文中示出以-說明該系統(tǒng)所具有的取決于透鏡參數(shù)選擇的色差變化。圖11-13是變焦透鏡系統(tǒng)的一個實施方式的示意圖，該變焦透鏡系統(tǒng)使用了一組具有波前編碼補償器的可變光學器件。圖14和圖15是變焦透鏡系統(tǒng)的另一個實施方式的示意圖，該變焦透鏡系統(tǒng)使用了與波前編碼補償器相結合的液體透鏡聚束柵。圖16和圖17是變焦透鏡系統(tǒng)的第三個實施方式的示意圖，該變焦透鏡系統(tǒng)使用了與波前編碼補償器相結合的液體透鏡聚束柵。圖18和圖19是通過使用可變化的光學元件結構提供可變光功率的光學配置的示意圖。圖20和圖21是變焦透鏡系統(tǒng)的另一個實施方式的示意圖，該變焦透鏡系統(tǒng)使用了與波前編碼補償器相結合的圖18和圖19的光學配置。圖22和圖23是變焦透鏡系統(tǒng)的又一個實施方式的示意圖，該變焦透鏡系統(tǒng)使用了與波前編碼補償器相結合的平的/非球面的滑動聚束柵。圖24和圖25是變焦透鏡系統(tǒng)的另一個實施方式的示意圖，該變焦透鏡系統(tǒng)使用了與波前編碼補償器相結合的非球面/非球面的滑動聚束柵。圖26是變焦透鏡系統(tǒng)的另一個實施方式的示意圖，該變焦透鏡系統(tǒng)使用了與波前編碼補償器相結合的可旋轉聚束柵。圖27和圖28是變焦透鏡系統(tǒng)的另一個實施方式的示意圖，該變焦透鏡系統(tǒng)使用了與波前編碼補償器相結合的滑動單組聚束柵。圖29和圖30是改進的變焦透鏡系統(tǒng)的另一個實施方式的示意圖，該變焦透鏡系統(tǒng)使用了與波前編碼補償器相結合的滑動孔聚束柵。圖31和圖32是根據(jù)一個實施方式的2組具有波前編碼的變焦透鏡系統(tǒng)的2個結構的示意圖。圖33-36是對應于圖31和圖32所示的結構的射線截取曲線的曲線圖，這些曲線圖是在未包含波前編碼和信號處理效果的情況下計算出的。圖37是對應于通過圖31和圖32所示的結構成像的共軸光線和偏軸光線計算出的調(diào)制傳遞函數(shù)的曲線圖，這些曲線圖未包含波前編碼和信號處理效應。圖38和圖39是調(diào)制傳遞函數(shù)的曲線圖，該調(diào)制傳遞函數(shù)是作為對于具體空間頻率的對應于通過圖31和圖32所示的結構成像的共軸光線和偏軸光線計算出的焦點位移的函數(shù)，但這些曲線圖不包括波前編碼和信號處理。圖40是對應于通過圖31和圖32所示的結構成像的共軸光線和偏軸光線計算出的調(diào)制傳遞函數(shù)的曲線圖，此時這些曲線圖包括了波前編碼和信號處理效果。圖41和圖42是調(diào)制傳遞函數(shù)的曲線圖，該調(diào)制傳遞函數(shù)是作為對于具體空間頻率的對應于通過圖31和圖32所示的結構成像的共軸光線和偏軸光線計算出的焦點位移的函數(shù)，此時這些曲線圖包括了波前編碼和信號處理。圖43是應用于被用于計算圖40的曲線圖的信號處理的計算出的線性濾波器三維網(wǎng)格圖。圖44和圖45是根據(jù)一個實施方式的具有波前編碼的三組變焦透鏡系統(tǒng)的兩種配置的示意圖。圖46-49是對應于圖44和圖45的配置的射線截距曲線的曲線圖，這些曲線是在未包括波前編碼和信號處理效果的情況下計算出的。圖50和圖51是對應于通過圖44和圖45所示的結構成像的共軸光線和偏軸光線計算出的調(diào)制傳遞函數(shù)的曲線圖，但這些曲線圖未包含波前編碼和信號處理效果。圖52和圖53是調(diào)制傳遞函數(shù)的曲線圖，該調(diào)制傳遞函數(shù)是作為對于具體空間頻率的對應于通過圖44和圖45的結構成像的共軸光線和偏軸光線計算出的焦點位移的函數(shù)，但這些曲線圖不包括波前編碼和信號處理。圖54和圖55是對應于通過圖44和圖45的結構成像的共軸光線和偏軸光線計算出的調(diào)制傳遞函數(shù)的曲線圖，這些曲線圖包括了信號處理之前的波前編碼效果。圖56和圖57是調(diào)制傳遞函數(shù)的曲線圖，該調(diào)制傳遞函數(shù)是作為對于具體空間頻率的對應于通過圖44和圖45的結構成像的共軸光線和偏軸光線計算出的焦點位移的函數(shù)，這些曲線圖包括了波前編碼效果。圖58-69是對應于通過圖44和圖45的結構成像的共軸光線和偏軸光線計算出的具有波前編碼和信號處理效應和不具有波前編碼和信號處理效果的點擴散函數(shù)的曲線圖。圖70是計算出的應用于^f皮用于計算圖54-55和圖66-69的結果的線性濾波器的三維網(wǎng)格圖。具體實施例方式在本公開中，"變焦透鏡系統(tǒng)"和"變焦成像系統(tǒng)"可替換使用，而"可變的光學元件，，旨在包含這樣的光學元件，即該光學元件具有能夠通過使用例如(但不局限于)將電壓和/或壓力應用于一個或多個光學元件以及將一個或多個光學元件的進行平移和/或旋轉等技術被調(diào)整的光學特性(例如，但不局限于焦距、透射率和折射率)。某些非球面光學器件的使用和信號處理可通過減少某些限制以提供對現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)的改進。本公開涉及使用某些非球面光學器件以改進現(xiàn)代變焦透鏡成像系統(tǒng)的性能、成本和尺寸。這種光學器件和對檢測到的模糊圖像的信號處理可減小或消除某些像差效應。使用這種非球面光學器件和對波前編碼進行信號處理的系統(tǒng)在如第5,748,371號(在下文中稱作'371專利)、第6,873,733號(在下文中稱作'733專利)，第6,842,297號(在下文中稱作'297專利)，第6，911，638號(在下文中稱作'638專利)，和第6,940,649號(在下文中稱作'649專利)等美國專利中進行了描述，這些專利中的每一個都通過引用而并入本文。變焦透鏡系統(tǒng)的附加波前編碼可消除對實際系統(tǒng)控制焦點的需要，從而進一步減小需要被改變的元件的數(shù)量，并且因此還減小這種變焦透鏡系統(tǒng)的成本和尺寸。期望能實現(xiàn)這樣的魯棒變焦透鏡系統(tǒng)，其具有高可靠性、低成本、減小的機械公差、減小的功率消耗和減小的如熱誘發(fā)變化及色依賴性等對環(huán)境因素的敏感性。作為現(xiàn)代變焦成像系統(tǒng)的簡單實施例，考慮圖3和圖4示出的兩組成像系統(tǒng)。該成像系統(tǒng)具有兩個由這兩個圖示出的結構。在圖3示出的結構100中，物體110是通過光組111和112在成^象平面120上成像的。光組111和112中的每一個例如包括一個或多個折射元件、一個或多個衍射元件、一個或多個全息元件以及一個或多個可變光學器件。探測器(未示出)是位于成像平面120以檢測成像物體。如圖所示，當物體110位于成像系統(tǒng)的光軸121(用虛線表示)上時，在光組110和112之間傳播的來自于物體110的光線實質(zhì)上是平行的。在這種情況下，光組111的聚焦/等于物體110與光組111的第一主平面125之間的距離Dl(用雙箭頭表示)。同樣地，光組112的聚焦/2等于成像平面120與光組112的第一主平面127之間的距離D2。圖4示出了兩組成像系統(tǒng)的可選擇結構100'。在圖4的結構100'中，物體110'相對于光組lll'的位置與物體110相對于圖3的光組的位置是不同的。如果圖4中光組112與圖3中的光組112—樣，那么物體110'的位置需要改變光組lll'的焦距以清楚地將物體110'成像在成像平面120上。在這種情況下，光組iir的焦距y;'應該等于物體iio'與光組iir的第一主平面125之間的距離。仍然參照圖3和圖4,來自于物體110和物體110'的邊緣光線分別記為122和122'。在圖3和圖4的結構中的成像平面處的邊緣光學被記為123。2組成像系統(tǒng)的總放大倍數(shù)由從光軸121測得的物體處的邊緣光線角(《bj)與從光軸121測得的成像平面的邊緣光線角(&)的比率給出。比較結構100與結構100',結構100'中的物體處的邊》彖光線角從增加到《j,而成像處的邊緣光線角保持不變。因此，結構100'中的放大倍數(shù)大于結構100中的放大倍數(shù)。也就是說，通過改變兩組光組中的一組并改變物體距離，在不改變成像平面位置的情況下，兩組成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)改變。在圖5和圖6示出的另一個情況下，物體位置不改變。在圖5的變焦成像系統(tǒng)的結構150中，光組151和光組152對物體110成^象。光組151用作控制光功率(例如放大倍數(shù))的聚束柵。光組152用作控制成像平面位置(例如焦點)的補償器。圖6示出了圖5所示的相同的變焦成像系統(tǒng)的另一個結構150',其中光組151'和光組152'的特征不同于圖5的光組151和光組152的特征，以使物體處的邊緣光線角^保持不變而成像處的邊緣光線角從結構150的《,，,減小到《。換句話說，在圖6的結構150'中，物體110相對于光組151'的位置與物體110相對于圖5的光組151的位置相同，但是光組151'產(chǎn)生了減小的焦距，如(與圖5的結構150中示出的平行相比較)通過光組151'的右側的邊緣光線會聚這個事實所示出。因此，圖6的光組152'具有增加的焦距(或，可選擇地，減小的光功率)以使(與成像平面120相對于圖5的光組152的位置相比較)成像平面120相對于光組152'的位置保持不變。因此，結構150'中這組聚束柵和補償器在成像平面120產(chǎn)生了聚焦圖像，與圖5所示的結構的相似比率比較，該圖像具有由^與《的比率給出的增大的總放大倍數(shù)。也就是說，因為成像平面120處的邊緣光線123'的角《減小到邊緣光線123的角《之下，而來自于物體的邊緣光線122的角％保持不變，因此，圖6的結構150'的總放大倍數(shù)增加到圖5的結構150的總放大倍數(shù)之上。因此，由于聚束柵(即y;到y(tǒng);')和補償器(即/2到/2')的焦距都改變了，因此在固定距離處的物體的聚焦圖像的放大倍數(shù)被改變。注意，與圖5中的光組151和光組152相比較，光組151'和光組152'不會沿著光軸121相對于圖6的物體110和成像平面在物理位置上發(fā)生改變，以影響放大倍數(shù)的改變。因此，圖3至圖6說明了變焦成像系統(tǒng)中某些元件的焦距的改變可被用于改變調(diào)焦成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)，并同時使產(chǎn)生的圖像保持在焦點上。通過調(diào)節(jié)如電壓、壓力、平移或旋轉等對光學元件的焦距的優(yōu)點。然而，產(chǎn)生的調(diào)焦成像系統(tǒng)的焦距的改變可能還影響產(chǎn)生的圖像的質(zhì)量。可能降低圖像質(zhì)量的光學像差還受焦距變化的影響。在這些調(diào)焦成像系統(tǒng)的實際實施例中，當調(diào)焦成4象系統(tǒng)中的元件的焦距變化時，某些基本光學像差就會改變。特別地，兩種類型的基本光學像差，即，場或圖像的曲率像差和色差，可作為對這些變焦成像系統(tǒng)的性能的主要限制。圖7和圖8說明了這樣的一種方式，在該方式下，一個實例性的變焦成像系統(tǒng)中的光學元件的焦距的改變影響這些基本光學像差。圖7和圖8示出了傳統(tǒng)的兩透鏡成像系統(tǒng)的兩個結構。被用于描述該系統(tǒng)的這些原則還應用于普通的多元件情形。圖7所示的兩透鏡成像系統(tǒng)的結構170包括兩個折射率分別為",和的光學元件171和172。如多個光線180所示，由這兩個元件形成的圖^象位于彎曲的像曲面175上。像曲面175的曲率的近似值可通過將光學元件171和172的焦距乘以折射率的倒數(shù)求和來確定，或者一般地在這里，z是對應于光學元件的整數(shù)，",是第/個光學元件的折射率，并且,是第z'個光學元件的焦距。像曲面175的曲率在某些成像應用中是不需要的。圖8的可選擇的結構170'描述了兩透鏡成像系統(tǒng)的特殊結構，在該成像系統(tǒng)中，光學元件171'和172'的折射率是相等的(即",="2),而光學元件171'和172'的焦距,和/2'互為相反數(shù)(即/2')。在該結構中，像平面175'的曲率可被認為實質(zhì)上是0。圖8的結構170'具有由組成部分的實際焦距和元件間距d(由雙箭頭指示)確定的特殊的有效焦距。如果元件間距d固定，那么滿足/;'=-/2'關系式的光學元件171'和172'中的任意一個元件的焦距的任何改變將產(chǎn)生^象平面175'的曲率。因此，兩透鏡成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量將降低，并且該圖像質(zhì)量將是放大倍數(shù)或成像系統(tǒng)的變焦位置的函數(shù)。應該注意，如圖1所示的傳統(tǒng)的變焦透鏡系統(tǒng)需要沿著光軸21移動光學元件而未改變單個光學元件的焦距，并且因此，未引起像彎曲的改變。當放大倍數(shù)或變焦位置被改變時，傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)中的像場的近似曲率通常不改變。然而，像曲率的改變可能發(fā)生在當前可利用的現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)中，該系統(tǒng)未沿著光軸平移光學元件，例如，圖3至圖6示出的系統(tǒng)。未沿著光軸平移光學元件的現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)中遇到的另一個現(xiàn)象是色差的變化。在未沿著光軸平移光學元件的情況下，光學元件的焦距的改變通常改變了系統(tǒng)所具有的色差，從而限制了系統(tǒng)的性能。圖9和圖IO示出了通過改變光學元件的焦距而改變色差的筒單實施例。盡管圖9和圖IO示出了兩元件透鏡的兩種結構，但是其中包含的原理可應用于具有多個焦距可變的元件的成像系統(tǒng)。參照圖9，結構190是具有接近的光學元件191和192的兩元件透4竟系統(tǒng)(例如，光學元件191和192之間的距離實質(zhì)上是0)。光學元件191和192具有不同的焦距，并且通常具有不同的Abbe或V#:。眾所周知，特殊光學材料的v數(shù)描述了作為該光學材料的波長的函數(shù)的折射率的改變。光學元件191和192的參數(shù)通常被選擇為使單色的圖像形成于最佳聚焦平面上；然而，由于給定材料的折射率值的彩色依賴性(即折射率隨波長的變化)，最佳焦點的位置將會是用于形成圖像的波長的函數(shù)。這個效應通常被稱作色差。在圖9中，光線193包括紅色照明195和藍色照明197。隨著紅色照明195形成的最佳聚焦圖像可在紅色圖像平面196上，而隨著藍色照明197形成的最佳聚焦圖像可在不同的平面即藍色圖像平面198上。因為給定材料的折射率通常是波長的元件的有效焦距隨著波長改變A/可通過對每個光學元件除以其各自的V凄t求和來近似圖IO所示的可選擇的結構190'說明了這樣的情況，在該情況下，光組191'和192'的焦距和V數(shù)被選擇以使光組191'和192'的焦距與V數(shù)的比值互為相反數(shù)(即,化'=-/2'/「2')。對于這種參數(shù)的選擇，這套光組的有效焦距的隨波長(在各自的V數(shù)都有效的波長范圍內(nèi))的變化A/約為0。因此，通過選擇焦距和V數(shù)，可得出這套光組的近似地獨立于波長的有效焦距，以使紅色照明195'和藍色照明197'都聚焦在像平面198'上。然而，以不等比例改變結構190'的光組的焦距(例如以改變結構190'的總放大倍數(shù))可能使A/不等于0,并且因此可能再引入色差以使紅色照明195'和藍色照明197'都不再聚焦在像平面198'。換句話說，基于在其中改變一個或多個光學元件的焦距的現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)可能在放大倍數(shù)改變時具有色差的變化，并因此提供了降低的圖像質(zhì)量。圖7到圖IO所示的圖像退化問題以及其它像差可通過使用現(xiàn)在描述的波前編碼纟皮改進。本公開描述的變焦系統(tǒng)對射線角范圍內(nèi)的入射光進行成像。這些入射光至少用相位來表征，該相位形成變焦系統(tǒng)所成^象的波前。每個變焦透4竟系統(tǒng)與光軸一起操作，并且變焦透鏡系統(tǒng)由多個至少對應于射線角范圍的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來表征。在每個變焦透鏡系統(tǒng)中，光組沿著光軸被放置，并且其至少包括一個可變光學元件，該可變光學元件具有在至少兩個不同的焦距值之間選擇的可變焦距。該光組還包括波前編碼元件。波前編碼元件至少改變?nèi)肷涔獾南辔唬允箤τ趦蓚€不同焦距值中的每一個，多個對應于射線角范圍的MTF對散焦式<象差比不具有波前編碼元件的相同的變焦透4竟系統(tǒng)4交不壽文感。對于兩個不同焦距值中的每一個，多個對應于射線角范圍的MTF在形式和尺寸上實質(zhì)上相似。圖11和圖12中示出了具有波前編碼的變焦透鏡系統(tǒng)的一個實施方式。首先結合圖5并參照圖11,在結構200中，通過作為聚束柵和波前編碼(WFC)補償器202的光組151對物體110進行成像。在結構200中(如圖5的結構150),具有邊緣光線122的光從物體110發(fā)出，通過光組151傳播到WFC補償器202。穿過光組151傳播的光包括波前和平行于光軸121的邊緣光線。然后，WFC補償器202對入射在其上的光的波前進行編碼以使模糊圖像形成于探測器210上。探測器210處的模糊圖像的電子表示被直接發(fā)送給數(shù)字信號處理器(DSP)215,該DSP215形成了對與焦點相關的像差實質(zhì)上不敏感的最終圖像220。例如，DSP215可被配置為將模糊圖像中的模糊移除和/或為了特殊的任務而以適當?shù)姆绞皆O計最終圖像。例如，DSP215可安排最終圖像200的格式以供機器觀察或人觀察?，F(xiàn)在參照圖12并結合圖6，其中示出了結構200',其中聚束柵的焦距根據(jù)結構200示出的焦距而改變；也就是說，光組151'具有改變的焦距,并且變焦透鏡系統(tǒng)的放大倍數(shù)根據(jù)結構200的放大倍數(shù)而改變。因此，從光組151'的右側發(fā)出的光包括波前和如圖所示的未平行于光軸121的邊緣光線。WFC補償器202'還用于對入射到其上的光的波前進行編碼以使模糊圖像形成于探測器210上。模糊圖像的電子表示由DSP215進一步處理以形成對與焦點相關的像差實質(zhì)上不敏感的最終圖像220'。光組151與光組151'之間的區(qū)別在于同一光組包括了允許焦距從/變?yōu)閬V'的可變光學元件。WFC補償器202與WFC補償器202'的區(qū)別在于同一光學元件可被配置為可變化的以至少能夠通過如將結構200中WFC補償器具有的焦距/2變?yōu)榻Y構200'中的/2'從而調(diào)節(jié)焦點。因此，在圖11和圖12分別示出的結構200和200'中，聚束柵和補償器都是可變的以能夠調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和最佳聚焦位置。波前編碼是被配合使用以減小與焦點有關的4象差的效應，例如在圖9和圖IO中示出的色差。具有波前編碼的變焦透鏡系統(tǒng)的另一個實施方式在圖13中被示出。參照圖13并結合圖11和圖12，在結構200"中，聚束柵的焦距再一次根據(jù)圖11的結構200中示出的聚束柵的焦距而改變；也就是說，光組151"具有變化的焦距(，并且變焦透鏡系統(tǒng)的放大倍數(shù)根據(jù)結構200中示出的變焦透鏡系統(tǒng)的放大倍數(shù)而改變。然而，不同于圖12的結構200',WFC補償器202保持不變。因此，雖然穿過結構200"的WFC補償器202傳輸?shù)倪吘壒饩€不同于結構200的邊緣光線204或結構200'的邊緣光線204',但是所需的用以保持最終圖像220"明顯且清楚的焦點改變可通過結合固定WFC補償器202、探測器210和數(shù)字信號處理器(DSP)215"而實現(xiàn)。例如，根據(jù)變焦系統(tǒng)的特殊結構對DSP215"進行編程以實現(xiàn)信號處理。在一個實施方式中，DSP215"需要與光組151"和WFC補償器202的元件參數(shù)有關的電子反饋；在另一個實施方式中，DSP215"自動地根據(jù)圖像估計變焦透鏡系統(tǒng)的結構和參數(shù)。因此，圖11到圖13所示的實施例描述了兩類變焦透鏡系統(tǒng)，這兩類變焦透鏡系統(tǒng)包括波前編碼在一類中，通過使用非球面光學器件和對檢測的圖像進行信號處理來控制光學元件結構引起的像差；在另一類中，至少一個較不可變的光學元件用于在改變放大倍數(shù)而未犧牲圖像質(zhì)量的情況下形成明顯的圖像。通過包含一個或多個附加的可變光學元件可以實現(xiàn)的焦點的移動是由固定的WFC補償器(圖13)和對產(chǎn)生的圖像的信號處理有效地提供的。但是，這兩種變焦透鏡系統(tǒng)都可并入單個變焦透鏡系統(tǒng)中；也就是說，WFC補償器和信號處理可以減小某些由于改變焦點或由于變焦透鏡系統(tǒng)的具體透鏡結構的圖像退化像差所導致的效應。因此，具有波前編碼的變焦系統(tǒng)可利用一個或多個可變的光學元件而不是去除一個或多個可變的光學元件，這些光學元件以比沒有WFC補償器和對圖像進行信號處理的情況下所需的更粗略的方式(例如，通過較不精確的控制)來改變。在緊接著的下文中的改進的變焦透鏡系統(tǒng)的內(nèi)容中將描述具體類型的光學元件，這些光學元件的光學特征可通過改變例如但不局限于電壓、壓力、平移和旋轉等參數(shù)而改變。圖14和圖15示出了用作聚束柵的液體透鏡?，F(xiàn)今至少存在兩種類型的可用的液體透鏡。目前由法國里昂的Varioptic公司商業(yè)化的一種類型的液體透鏡根據(jù)電壓的改變而改變形狀。加拿大圣地亞哥的Rhevision科技提供的另一種類型的液體透鏡根據(jù)壓力的改變而改變形狀。(與固定的光學器件相比)這些液體透鏡是相似的，因為光學器件在物理形狀上的改變，導致光功率不像傳統(tǒng)變焦透鏡系統(tǒng)中那樣需要光學元件在沿著光軸移動的情況下發(fā)生變化。然而，即使液體透鏡具有理想性能，但是由這些液體透鏡構成的變焦透鏡系統(tǒng)仍會遇到如參照圖7到圖10所描述的像彎曲和/或色差。如球面像差、慧形像差、散焦、與溫度有關的像差和形狀誤差等可能還限制這些系統(tǒng)的圖像性能。將波前編碼包含到液體透鏡變焦透鏡系統(tǒng)可減輕這些誤差以產(chǎn)生具有改進的圖像質(zhì)量的圖像。圖14示出了包含波前編碼的液體透鏡變焦透鏡系統(tǒng)的一個結構250。在結構250中，液體透鏡251用作改變變焦透鏡系統(tǒng)的放大倍數(shù)的聚束柵。傳輸通過液體透鏡251的光包括波前以及實質(zhì)上平行于光軸121的邊緣光線。WFC補償器252對波前進行編碼以使模糊圖像在探測器210處形成。WFC補償器252可為固定的元件，或者，可選擇地，它可包括可變的光學元件，例如液體透鏡光學元件，用于控制像平面的位置(例如探測器210的理想位置)。然后，DSP215將表示模糊圖像的數(shù)據(jù)從探測器210傳送到最終圖像260,該最終圖像260適合于人和/或機器觀察，并且它實質(zhì)上對與焦點相關的像差不敏感。現(xiàn)在參照圖15，可選4奪的結構250'包括液體透鏡251',與結構250的液體透鏡251相比，該液體透鏡251'改變了最終獲得的變焦透鏡系統(tǒng)的放大倍數(shù)，并且改變了從液體透鏡251'傳輸?shù)墓庖允惯吘壒饩€不平4亍于光軸121,如圖所示。包含固定的和/或可變的元件的WFC補償器252'再一次對波前進行編碼以使模糊圖像在探測器210處形成。DSP215'使最終圖像適合于人和/或機器觀察，并使最終圖像對與焦點相關的像差不敏感。例如，結構250和250'各自的WFC補償器252和252'可被配置為分別才艮據(jù)液體透鏡251和251'的改變而改變。然后，DSP215和215'可執(zhí)行處理，該處理依靠或可選擇地不依靠液體透鏡251和251'和/或WFC補償器252和252'的結構。通過包含WFC補償器252或252'以及DSP215或215'，變焦透4t系統(tǒng)中的可變光學元件中的一個可被除去、簡化或者需要較不精確的驅動和/或變化，并同時在未編碼的情況下仍然消除存在于變焦透鏡系統(tǒng)結構中的像差效應。圖16和圖17示出了與圖14和圖15相似的結構，除了使用液晶聚束柵281和281'代替了液體透鏡聚束柵251和251'之外。如公開號為2005/0018127Al的題為"Electricallyvariablefocuspolymer-stabilizedliquidcrystallens(電可變焦點聚合體穩(wěn)定的液晶透鏡)"(在下文中稱作'127申請)的美國專利申請中所描述的那些液晶光學元件使用電壓或其它方法來改變液晶光學元件的光學特征。例如，液晶光學元件的有效焦距能夠通過施加的電壓來控制，乂人而4吏該元件可以適應于在現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)中使用。其它液晶透鏡在應用光學、第43巻、第35號(2004)、第6407-6412頁中的Ye等人的"Liquid-crystallenswithafocallengththatisvariableinawiderange"牙口Okada等人的第4,904,063號題為"LiquidcrystallenseshavingaFresnellens"的美國專利中進行了描述。變焦透鏡系統(tǒng)中的液晶聚束柵的使用可能仍然可能導致前面參考圖7至圖IO所討論的類型的像差，并從而限制性能。例如，像彎曲、色差、球面像差、散焦、慧形像差、與溫度有關的像差以及由液晶聚束柵引起的不同形狀誤差中的任意一項可以減小成像性能。如下所述，通過包含WFC補償器282、282'以及信號處理器215,對這些類型的系統(tǒng)的改進與圖14和圖15所示的改進大體上相似。較少的可變光學元件，較低的電功率消耗，較短的系統(tǒng)長度和較低的成本是所有可以在圖16和圖17所示的系統(tǒng)中能夠實現(xiàn)的所有對不具有WFC補償器282和282'的相應系統(tǒng)的改進?，F(xiàn)在詳細考慮圖16和圖17的結構，圖16示出了具有液晶透鏡281的結構280，該液晶透鏡281用作改變最終獲得的變焦透鏡系統(tǒng)的放大倍數(shù)的聚束柵。在結構280中，通過液晶透鏡281傳播的光線具有波陣面和實質(zhì)上平行于光軸121的邊緣光線。WFC補償器282對波陣面進行編碼，并且，接下來，在探測器210處形成模糊圖像。WFC補償器282可為固定的或可變的光學元件一一如另一個轉換光學器件的液晶透鏡和/或其它光學元件——該光學元件用于控制像平面的位置(即，探測器210的理想位置)。然后，DSP215將來自于探測器210的模糊圖像的電子表示轉換為最終圖像290，該最終圖像290適合于人和/或機器觀察，并且該最終圖像290對與焦點有光的像差實質(zhì)上是不敏感的。在圖17中，可選擇的結構280'包括液晶透鏡281'，與液晶透鏡281相比，該液晶透鏡281'得到了改進，以改變產(chǎn)生的變焦透鏡系統(tǒng)的放大倍數(shù)并且以改變通過液晶透鏡281'傳輸?shù)墓饩€，以使通過其傳輸?shù)倪吘壒饩€不再平行于光軸121。再一次或者包括固定的元件或者包括可變的元件的WFC補償器282'對入射到其上面的光線的波陣面進行編碼，并且在探測器210處形成模糊圖像。DSP215'產(chǎn)生了最終圖像290'，該最終圖像290'適于人和/或機器觀察，并且該最終圖像290'對與焦點有關的像差實質(zhì)上是不敏感的。在一個實施方式中，用于變焦透鏡的光學元件包括固定的元件(即，具有固定光學特征的元件，但不必具有固定的位置)，這些固定的元件可沿著可能不是光軸的方向相對于該系統(tǒng)移動，從而減小形成該系統(tǒng)所需的總長度。圖18和圖19示出了用于改變光功率的一個可移動的光學配置的實施例。圖18中的光學配置包括兩個光學元件，這兩個光學元件可被配置成使該配置的有效光功率或焦距能夠通過滑動這些光學元件中的一個而在至少兩個值之間:帔改變。在光學配置300中，不動的和固定的光學元件302被;改置在孔304和正透鏡305的附近。例如，如圖所示，固定的光學元件302包括兩個部分第一部分306，由于具有正曲率表面形狀，因此該部分具有光功率；第二部分308，該部分實質(zhì)上是不具有光功率的平的或扁平的表面形狀。光學配置300還包括一黃向滑動光學元件310，該才黃向滑動光學元件310#皮配置為在至少兩個位置之間是可滑動的。如圖所示，滑動光學元件310具有3個部分第一部分312，該部分包括負曲率；第二部分314,該部分是實質(zhì)上不具有曲率或光功率的平表面；第三部分316,該部分具有負曲率。在圖18中，滑動光學元件310在第一部分中#1示出，如圖所示，其中固定光學元件302的第一部分306和第二部分308分別與元件310的第一部分312和第二部分314對準?？?04、固定光學元件302、滑動光學元件310的第一部分312和滑動光學元件310的第二部分314未給穿過其中的光線提供光功率；也就是說，部分312的負曲率的光學效應^氐消了部分306的負曲率的光學效應，同時部分308和部分314中的每一個不具有效應。圖19示出了光學配置300'，該光學配置300'包括光學配置300的元件，但與光學配置300中的光學元件310的位置相比，光學配置300'中的光學元件310位于可選擇的位置。相對于光學元件310在光學配置300中的位置，在光學配置300'中，光學元件310已經(jīng)在該系統(tǒng)的光軸的橫向方向上被移動了距離S(其中光軸通常被定義為垂直于孔304的平面)到達第二位置，該距離約為孔304的直徑的l/2。當滑動光學元件310位于圖19所示的第二位置時，固定光學元件302的部分306對準滑動光學元件310的部分314，而固定光學元件302的部分308對準滑動光學元件310的部分316。因此，通過孔304、固定光學元件302和位于第二位置的滑動光學元件310的組合進行傳播的光線遇到正光功率。換句話說，與孔304相結合的固定光學元件302和滑動光學元件310的組合，根據(jù)滑動光學元件310的滑動運動產(chǎn)生兩個不同的光功率值。如圖18中的光學配置300所示，第一位置中的配置產(chǎn)生的有效光功率為零。當滑動光學元件310被移動到如圖19所示的第二位置時，這些元件的有效曲率提供了正光功率。因此，通過關于光軸垂直地滑動光學元件310,有效的光功率可從零變到預定的非零值。用于圖18和圖19所示的結構的薄透鏡等效表示是用于光學配置300的具有零光功率的平的/平元件和用于光學配置300'的具有正光功率的平的/凸元件。通常，光學配置300可被配置為具有光功率的范圍，在這里，圖18的零光功率配置是特殊的情況。如圖20和圖21所示，通過使用波陣面編碼，前面描述的滑動光學配置在變焦系統(tǒng)中被使用是有利的。在圖20和圖21所示的結構中，圖18和圖19的滑動光學配置被用作聚束柵。圖20的結構對應于其中滑動光學元件310的位置導致光學配置300的低光功率的變焦透鏡系統(tǒng)。在這種情況下，或者固定的或者動態(tài)的WFC補償器402與探測器210和DSP215合作以使產(chǎn)生的物體110的最終圖像410實質(zhì)上對與焦點有關的像差不敏感。例如，這些像差可以是由該系統(tǒng)的特殊光學結構所引起的，在這里，由于該系統(tǒng)中使用的少量光學元件，因此足夠的像差控制是不可能的，或者可選擇地，這些像差是由用作聚束柵的光學配置300的光學特征所引起的變化而產(chǎn)生的。如圖21所示，可選^^的結構400'示出了這樣的情況，在該情況下，滑動光學元件310的位置提供了這樣的光學配置300'，該光學配置300'具有大于由光學配置300所提供的光功率的光功率。圖22和圖23示出了滑動聚束柵結構中的平的/非球面光學元件的使用，以使由聚束柵提供的光功率隨著平的/非球面光學元件的相對位置連續(xù)地改變。也就是說，當光學配置300和光學配置300'通過在兩個可能的位置之間選擇滑動光學元件310的相對位置，提供了在光功率的兩個值之間的選擇時，平的/非球面光學元件的使用提供了光功率的連續(xù)范圍(例如，該連續(xù)范圍是通過在垂直于光軸121的方向上轉換滑動光學元件得到的)。首先結合圖20來參照圖22,在圖22所示的變焦透鏡系統(tǒng)的結構420中，圖20中的結構400中的光學配置300^皮替換為光學配置430。與在光學配置300—樣，光學配置430包括孔304，但還包括平的/非^^面光學元件、可相對于彼此在垂直于光軸121的方向上可移動的第一光學元件432和第二光學元件434。暫時轉向圖23，變焦透4t系統(tǒng)的可選4奪的結構420'包括光學配置430',其中，與結構430中的第一滑動光學元件432的位置和第二滑動光學元件434的位置相比，它們的位置已經(jīng)相對于彼此而移動。因此，與由光學配置430提供的光功率值相比，光學配置430'提供了不同的光功率值。結構420和結構420'進一步包括了產(chǎn)生最終圖像450的WFC補償器442、探測器210和DSP215。WFC補償器442被配置為以與前述的如在圖11-圖17和圖20-圖21所示的WFC補償器相似的方式工作，此外，WFC補償器442可被定制為與光學配置430合作。如光學配置430和430'的示出的透鏡結構通常被稱作Alvarez透鏡(例如，參照第3,305,294號美國專利)。Alvarez透鏡的第一光學元件和第二光學元件的非球面表面形狀可被表示為三次方程，如下式所述在這里，y是在圖22和圖23中的紙平面中的垂直距離，是從相對的平表面開始測量的每個滑動光學元件的非球面的表面的高度，并且/^/g&0;)是恒定參數(shù)。如圖22和圖23所示的一組光學元件432和434等效于這樣的組合光學元件，其具有隨著在元件432和元件434之間的位置上的總相對移位近似地變化的二次相位或光功率。也就是說，元件432和元件434的組合相位可被表示為//j(XSg(z)=/zez'g/^(_y+A)__△)="(6A_y2+2A2)(2)在這里，如圖所示，z是沿著光軸121的距離，而A是元件432與元件434之間的相對滑動距離。如方程(2)所示，存在涉及一組第一滑動光學元件和第二滑動光學元件的兩個相位項，即，二次項/和常數(shù)項。常數(shù)項給變焦透鏡系統(tǒng)增加了被稱作瓣(piston)的取決于A的像差,并且，理想地，常數(shù)項實質(zhì)上對產(chǎn)生的圖像沒有影響。二次項根據(jù)A提供光功率。常數(shù)項a的變化表現(xiàn)為增加或減小由元件432和元件434的相對移動產(chǎn)生的光功率的每文感性。因此，通過將元件432和元件434相對于彼此移動，這個組合的有效光功率能夠得以改變。圖22和圖23示出的變焦透鏡系統(tǒng)中的Alvarez透鏡(即，光學配置430和光學配置430，)同時具有第一滑動光學元件432和第二滑動光學元件434，這兩個滑動光學元件在垂直于光軸121的平面內(nèi)以相反的方向移動以改變由Alvarez透鏡提供的光功率。如果這兩個滑動光學元件中只有一個被移動，例如，只有第二滑動光學元件434被移動，那么線性相移由被移動的兩個元件組產(chǎn)生。該相移作為元件位移A的函數(shù)表現(xiàn)為空間地移動該圖像。如果更復雜的形式的可滑動光學元件^皮使用，那么該相移可被移除。例如，還可包括提供近似光功率的二次項，以使一組移動的光功率項根據(jù)總光功率和元件移位產(chǎn)生線性相移。來自于光功率項的相移能夠抵消來自于三次項的相移，從而導致這樣的元件組合，在該元件組合中，只有單個元件需要被移動以產(chǎn)生具有連續(xù)可變的總光功率的Alvarez透鏡。圖24和圖25示出了用作聚束柵的可連續(xù)變化的滑動光學元件的變化，其中只有一個元件滑動，但每個元件的兩個面都是非球面的。結合圖20參照圖24，在圖24的變焦透鏡系統(tǒng)的結構460中，圖20的結構400中的光學配置300已經(jīng):帔光學配置470替換。與在光學配置300中一樣，光學配置470包括孔304，但光學配置470還包括第一非球面/非球面元件472和滑動的第二非球面/非球面元件474。元件472包括前表面475和后表面476，兩個表面都具有非球面的輪廓。元件474包括前表面477和后表面478，兩個表面也都具有非球面的輪廓。在圖24和圖25中示出的實施例中，元件472和元件474包括這些元件的外表面(例如，如圖所示，那些未面對面的表面)上的光功率，和內(nèi)表面上的立方體表面輪廓。也就是說，元件472的表面475具有負光功率，而元件472的表面476具有立方體表面輪廓。相似地，對應于元件472的第二表面476的立方體表面輪廓，元件474的表面477具有立方體表面專侖廓，而元件474的表面478具有正光功率。繼續(xù)參照圖24,在光學配置470中，元件472^t配置為相對于孔304保持固定?？蛇x^f地，元件472還可^C配置為相對于孔304可滑動，例如，在垂直于光軸121的方向上。元件474相對于孔304和元件472是可滑動的，以使光學配置470能夠提供光功率的連續(xù)變化。相對于元件472在空間上移動元件474導致光學配置470的有效光功率的改變。也就是iJt,元件472和元件474的組合可^皮配置為產(chǎn)生相對于元件474的滑動的連續(xù)范圍的光功率、使光軸121以探測器210為中心并且提供使像差最小化的附加的光學自由度。結構460進一步包括產(chǎn)生最終圖像490的WFC補償器482、探測器210和DSP215。WFC補償器482以與前述的如在圖11-圖17以及圖20-圖23中示出的WFC補償器相似的方式工作，并且此外，WFC補償器482可被定制以與光學配置470的具體特征一致。元件474的可滑動結構通過結合圖24并參照圖25的形式被示出。圖24的光學配置470表現(xiàn)為具有相互完全重疊的元件472和474,也就是說，它們沿著光軸121近似地以彼此為中心。在圖25的光學配置470'中，元件474已經(jīng)相對于元件472向下移動了位移A。在圖24中，光學配置470提供了最小光功率結構，而在圖25中，光學配置470'提供了更大的光功率結構。非球面光學元件還可被配置以使相對于另一個非球面元件轉動一個非球面元件導致光功率的變化。在Baker等人的第4,650,292號美國專利(在下文中稱作'292專利)中描述了這種類型的轉動元件的一個實施例。圖26示出了元件的轉動以實現(xiàn)包含兩個元件的光學配置的光功率的變化。變焦透鏡系統(tǒng)的結構500包括光學配置510。現(xiàn)在結合圖18和圖19來參照圖26,光學配置510包括放置在接近孔304處的固定光學元件302'，如在圖18和圖19的光學配置300和300'中所示。光學元件302'包括提供負光功率的部分和不提供光功率的平的部分。光學配置510進一步包括第二可轉動的光學元件514，該光學元件514可繞著轉動軸516以逆時針方向518(如箭頭所示)或順時針方向518'轉動。元件514包括非^求面519和平表面520?？蛇x4奪地，與圖24所示的元件472和元件474相似，元件514可為非球面/非球面元件。元件302'和元件514的表面曲率和軸516的位置是可選擇的以使當元件514繞著軸516轉動時，光學配置510提供可變的光功率度。因此，與前述包括可滑動光學元件的光學配置一樣，光學配置510包括光學元件在垂直于光軸121的平面內(nèi)的移動，以便提供可變的光功率，而不像傳統(tǒng)的變焦透鏡系統(tǒng)中那樣需要沿著光軸的附加長度。結構500進一步包括WFC補償器522、探測器210和DSP215以產(chǎn)生最終圖像530。WFC補償器522被配置為以與前述的如在圖11-圖17和圖20-圖25中所示的WFC補償器相似的方式工作，并且此外，WFC補償器522可被定制為與光學配置510合作。圖27和圖28還示出了用于改進的變焦透鏡的聚束柵中的可滑動元件的另一變化。在圖27和圖28所示的情況下，單個可滑動的非球面元件570在不^(吏用第二光學元件的情況下改變光功率。也就是^t,與圖20-圖26中所示的這種結構相比，其中兩個補充元件中的至少一個相對于另一個移動，圖27和圖28的結構550和550'分別只包括單個可移動光學元件570。首先參照圖27,光學配置560包括孔304和相對于孔304可平移的可移動光學元件570。通過連續(xù)地或非連續(xù)地移動可移動光學元件570,對應于不同光功率的元件570的不同部分通過孔304^皮照射以使光學配置560根據(jù)元件570相對于孔304的相對位置提供變化的光功率。雖然圖27示出了包括非球面572和平的表面574的元件570，但是元件570可被配置為其它表面輪廓，例如，非球面/非球面組合或者平面/非球面組合，以實現(xiàn)期望的光功率變化。圖28示出了包括光學配置560'的結構550'，其中可移動的光學元件570'已經(jīng)在圖表的平面內(nèi)向下滑動以使非球面/平面輪廓的不同部分通過孔304被照射。雖然在圖27和圖28中示出的元件570是可平移的(例如，像線性滑動一樣)，但是可移動的光學元件還可以其它的方式被移動以提供光功率變化(例如，如圖26所示，通過關于轉動軸轉動)。如圖所示，結構550和550'進一步包括分別對應的WFC補償器582和WFC補償器582'，探測器210和DSP215以分別產(chǎn)生最終圖像590和590'。WFC補償器582和WFC補償器582'被配置為以與前述的如在圖11-圖17和圖20-圖26中所示的WFC補償器相似的方式工作，并且此外，WFC補償器582和WFC補償器582'可被定制為與具有特殊特征的光學配置560和光學配置560'合作。用于變焦系統(tǒng)中的滑動光學元件的另一變化包括滑動孔和用作聚束柵的非^t面光學元件。如在由Togino的第6,603,608號美國專利中所描述的滑動孔，其相對于非球面光學元件移動以使只有一部分非球面光學元件一次被照射。由于孔/非球面光學元件的結合，該孔的移動依次導致不連續(xù)或連續(xù)變化的光功率?；瑒涌缀头乔蛎婀鈱W元件的結合有效地導致了光學配置提供變化的光功率。圖29和圖30示出了包括這種滑動孔設備的改進的變焦透鏡系統(tǒng)的實施例。圖29中示出的結構600包括光學配置602，該光學配置602依次包括孔604和非球面光學元件606。通過連續(xù)地或不連續(xù)地移動孔604，對應于不同光功率的元件606的不同部分經(jīng)由孔604^皮照射，以使光學配置602根據(jù)孔604相對于元件606的相對位置提供可變的光功率。在結構600中，示出的孔604和元件606集中于圖平面中的光軸121，以使光學配置604提供傳輸通過那里的光線的光功率的第一值。圖30示出了結構600'，其中光學配置602'中的孔604已經(jīng)(相對于它在圖29的光學配置602中的位置)被移動以照射元件606的不同部分。特別地，孔604表現(xiàn)為已經(jīng)相對于光軸121在圖的平面內(nèi)向上移動，以使通過光學配置602'傳播的光線體驗光功率的不同的第二值。繼續(xù)參照圖29和圖30，雖然元件606表現(xiàn)為包括非球面608和平的表面610，但是非球面光學元件可以可選擇地被配置為另一個表面結構，例如，但不局限于，前面描述的非球面/非球面組合或者平面/非球面組合，以與孔604合作從而實現(xiàn)期望的光功率變化。并且，孔604可以類似于如圖18-圖28中所示的可移動光學元件的移動方式，在橫向上滑動或者關于在垂直于光軸的平面內(nèi)的轉動軸轉動。結構600和結構600'進一步包括各自的WFC補償器612和WFC補償器612'、探測器210和DSP215以分別產(chǎn)生最終圖像620和最終圖像620'。WFC補償器600和WFC補償器600'被配置為以類似于前述的如在圖11-圖17和圖20-圖28中所示的WFC補償器的方式工作，并且，WFC補償器600和WFC補償器600'可被定制為與具有特殊特征的光學配置602和光學配置602'合作。再次參照圖11-圖17和圖20-圖30,通過每個變焦系統(tǒng)對一組入射射線角(即，從物體110發(fā)出的在《b范圍內(nèi)的光線)成像；并且波前編碼元件調(diào)整這些射線表示的波前的相位以使射線角范圍內(nèi)的MTF在幅度和相位上相似，/人而4吏該變焦系統(tǒng)(與不具有波前編碼的相同變焦系統(tǒng)相比)對類似于散焦等像差較不敏感。圖31和圖32示出了根據(jù)本公開的變焦透鏡系統(tǒng)的另一個實施例。圖31示出了具有兩組變焦透《竟系統(tǒng)的結構700,這兩組變焦透鏡系統(tǒng)包括第一光組702(具有焦距乂)和第二光組704(具有焦距/2)。第二光組704包括可變光學元件706和WFC元件708。第一光組702和第二光組704與光軸722對準。結構700表現(xiàn)為寬角度系統(tǒng)，該系統(tǒng)被配置為接收軸上光線725和偏軸光線727，如圖所示。第一光組702和第二光組704被配置為將軸上光線725和偏軸光線727都成像到探測器210上。由探測器210產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)在DSP215被處理以產(chǎn)生最終圖i象720。第一光組702和第二光組704可包括多個光學元件，這些光學元件可包括，但不局限于，折射元件、衍射元件和全息元件。WFC元件708可與可變光學元件706分離，形成于元件706的表面，或者，可選纟奪地，與之形成為一體。圖32示出了結構700'，該結構700'包括第二光組704'。在結構700'中，可變光學元件706一皮改進為形成具有焦距為/2'的可變光學元件706'，該焦距/2'不同于圖31所示的元件706的焦距/2。例如，通過前述的可變透4fe的實施中的一種，可實現(xiàn)焦距的改變。光組704'還具有WFC元件708',其特性可以與光組704的WFC元件708相同或不同。與結構700中的光組704和光組702的位置相比，光組704'沿著光軸722更接近第一光組702(由箭頭730所指示的)。結構700'適合于用作接收軸上和近軸的光線725'(用虛線的橢圓所示)的攝遠系統(tǒng)，這些光線在探測器210上成像并在DSP215上被處理以形成最終圖像720'。換句話說，結構700和結構700'分別示出了變焦透鏡系統(tǒng)的寬角度情形和攝遠情形，該變焦透鏡系統(tǒng)結合了光組706和光組706'沿著光軸722的轉化以及可變光組704和可變光組704'的焦距變化。如前所述，WFC元件708的具體特性也可改變。例如，WFC元件708可通過使用自適應光學元件或空間光調(diào)制器來實現(xiàn)，以使受WFC元件708影響的相位變化可#4居第二光組704和/或704'的結構而變化。并且，由結構700'中的DSP215執(zhí)行的信號處理可以與由結構700中DSP215執(zhí)行的信號處理相同或不相同；結構700'中的信號處理可^皮改進為適應第二光組704'中的變化。通過同時實現(xiàn)變焦透鏡系統(tǒng)中的至少一個光組的轉化和焦距變化，圖31和圖32中示出的變焦透4竟系統(tǒng)可通過4吏用少于單獨的傳統(tǒng)變焦透鏡所需的沿著光軸的光組移動和少于單獨的現(xiàn)代變焦透鏡系統(tǒng)所需的焦距變焦，實現(xiàn)從寬角度到攝遠范圍的特性。此外，WFC元件708可進一步提供傳統(tǒng)的或現(xiàn)代的變焦透鏡系統(tǒng)結構不能實現(xiàn)的相位補償。需要注意，前述的如圖11-圖17和圖20-圖30所示的改進的變焦透鏡系統(tǒng)中的任何一個可被改進為通過給這些前述系統(tǒng)裝配轉化機制以補償已經(jīng)示出的焦距變化，同時執(zhí)行如圖31和圖32中舉例說明的轉化和焦距變化。圖31和圖32中示出的結構700和結構700'以及不具有WFC元件708的等效結構通過使用下面的示例性特性一皮數(shù)值模擬。在結構700中，光組702和光組704的組合具有的有效焦距為2.7mm。光組702的焦距/被設定為-6.62mm，而光組704的焦距/2被設定為3.41mm。光組702和光組704的主平面之間的間距為4.33mm。在結構700'中，光組702保持固定并且焦距/;未改變(仍為-6.62mm),但是光組704'的焦3巨/2變?yōu)?.04mm。光組702和光組704'的主平面之間的間3巨為1.71mm以使光組702和光組704'的組合具有的有效焦距為5.4mm。光線的波長被設定為0.55微米，并且探測器210被設定為包括邊長為4微米的正方形的像素。不同光組的具體要求可從眾所周知的垂度方程中得出1+0-(l+"cV—在這里，2=表面的垂度，e表面的曲率，k二二次曲線常數(shù)，r-從定點發(fā)出的徑向距離，=非球面常數(shù)。如所示出的那樣，這些表面被定義為通過從圖31和圖32的結構700和結構700'中的紙的左側接近變焦透鏡系統(tǒng)的射線所觀察到的。用于結構700和結構700'的數(shù)值建模的要求通過下表給出<table>tableseeoriginaldocumentpage29</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage30</column></row><table>表一為了舉例說明WFC元件708的作用，首先^i注意力轉向圖33-圖36,這些圖示出了幾對對應于與圖31和圖32中示出的結構700和結構700'等效的但不具有WFC元件708的光組配置的射線截距曲線。在圖33-圖36以及圖46-圖49中，軸"EY"對應于像平面(例如，探測器的位置)中的空間Y軸，"PY"對應于光瞳面(例如，入射光線遇到的第一光組的第一表面)中的空間Y軸，軸"EX"對應于像平面中的空間X軸，和軸"PX"對應于光瞳面中的空間X軸。如在本領域中所熟知的，射線截距曲線可i兌明已知系統(tǒng)中出現(xiàn)的與焦點有關的像差的程度。對于光瞳面上給定的射線位置以及在射線所成像的平面上的對應位置，通過標示位置計算出射線截距。例如，對于理想的聚焦系統(tǒng)，x軸和y軸的射線截距曲線應該是沿著EY=0和EX=0的直水平線。與理想水平線的偏差說明了系統(tǒng)中存在各種像差。例如，傾斜的線性射線截距曲線(即，具有非零斜率的直線)說明了非聚焦；也即是說，隨著光瞳位置而線性增加的圖像平面高度。并且，如果y-圖和x-圖具有不同的斜率，那么這些射線截距曲線說明了散焦。此外，如果射線截距曲線的斜率隨著視場角函數(shù)而改變，那么該射線截距曲線說明了場曲。此外，如果射線截距曲線是三次曲線，那么該射線截距曲線說明了球面像差。因此，射線截距曲線可說明存在于已知光學系統(tǒng)中的不同像差。圖33示出了具有y軸射線截距曲線754的y圖750和具有x軸射線截距曲線756的y圖752,這兩條射線截距曲線對應于穿過不具有WFC元件708的結構700的軸上光線725。同樣地，圖34示出了具有y軸射線截距曲線764的y圖760和具有x軸射線截距曲線766的y圖762，這兩條射線截距曲線對應于穿過不具有WFC元件708的結構700成像的偏軸光線727。圖35示出了具有y軸射線截距曲線774的y圖770和具有x軸射線截距曲線776的y圖772,這兩條射線截部分。圖36示出了具有y軸射線截距曲線784的y圖780和具有x軸射線截距曲線786的y圖782，這兩條射線截距曲線對應于穿過不具有WFC元件708的結構700'的光線725'的偏軸部分。分別選擇圖33-圖36中的每一個，圖33中示出的y軸射線截距曲線754和x軸射線截距曲線756是具有實質(zhì)上恒定斜度的線性曲線，因而說明偏焦。在圖34中，因為y軸射線截距曲線764和x軸射線截距曲線766具有不同的斜率，因此他們說明了除偏焦之外的散焦的存在。在圖35和圖36中，射線截距曲線774和射線截距曲線776是實質(zhì)上線性的但具有與曲線760和曲線766相反的斜率，這說明結構700'具有與結構700的偏焦相反的偏焦。也就是說，雖然圖33和圖34示出的偏焦可通過例如傾斜結構700中的像平面(即，探測器210的位置)被部分地校正，但是像平面的這種移動將惡化結構700'具有的偏焦。換句話說，圖33-圖36所示的偏焦的校正將需要如移動作為配置功能的像平面，而這是不期望的。為了進一步說明那些等效于不具有WFC元件708的結構700和結構700'的結構的非理想性能，圖37示出了這些結構的被計算出的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)。圖800包括多個對應于不具有WFC元件708的結構700和結構700'中的軸上光線和偏軸光線的MTF曲線。圖800的縱軸對應于MTF的幅度，而圖800的橫軸示出了歸一化的空間頻率參數(shù)。最大空間頻率1對應于1以上(像素尺寸的2倍)。理想的MTF在0.5大小處是水平線。雖然歸一化的空間頻率參數(shù)的臨界值(即，MTF降到0.5以下處的歸一化的空間頻率或空間頻率)對于很多應用是可接受的，但是不同結構之間的MTF曲線的劇烈變化被認為是非理想的因為那種特征將說明該系統(tǒng)將在不同結構之間的性能將具有很大的變化；也就是說，在該情況下，某些結構可能比其它結構表現(xiàn)地更好。不同結構的相同性能(即，相同的MTF曲線)通常是優(yōu)選的。繼續(xù)參照圖37，第一MTF組810包括對應于圖31中的軸上射線725和偏軸射線727的MTF曲線，而第二MTF組820包括對應于圖32中的射線725'的軸上部分和偏軸部分的MTF曲線。特別地，第一軸上MTF曲線812是軸上射線725的MTF曲線，第一偏軸MTF曲線814是偏軸射線727的MTF曲線，第二軸上MTF曲線822是射線725'的軸上部分，第二偏軸MTF曲線824是射線725'的偏軸部分。如可在圖800中所看到的，對應于與不具有WFC元件708的結構700和700'分別等效的結構的第一MTF組810和第二MTF組820相互之間以及它們自己組內(nèi)的軸上光線和偏軸光線之間具有顯著的差別。此外，MTF曲線824顯著地低于MTF曲線822和第一MTF組810,因而這說明結構700'中示出的射線725'的偏軸部分的性能下降。圖38和圖39示出了不具有WFC元件708的結構700和結構700'的非理想性能的另一顯示。結合圖31和圖32，圖38和圖39示出了不具有WFC元件708的結構700和結構700'中的軸上射線與偏軸射線對應于具體空間頻率值(在這些圖中示出的實施例中的75線對/mm)的MTF曲線。在圖38和圖39中，縱軸對應于光學傳遞函數(shù)(OTF)的模的幅度；也就是說，該MTF和橫軸對應于毫米量級的焦移，在這里，零焦移對應于像平面(即，探測器210的位置)上的全聚焦。圖38中的圖850包括第一組MTF曲線852,這組曲線對應于圖31中的不具有WFC元件708的結構700中的軸上射線725和偏軸射線727。一條MTF曲線的峰高度被標記為AM7F，并且在A,/2(例如，在曲線的半峰值處的全寬度或曲線的FWHM)值處的對應峰的寬度被標記為856。如在下面結合圖41所討論的，當WFC元件被用在結構700中時，在圖38中示出的實施例中小于0.2mm的FWHM856可增加。如可在圖850所看到的，一組MTF曲線852的峰值位于在零焦移處的理想焦點854的線的右側。同樣地，圖39中的圖860包括第二組MTF曲線862，這組曲線對應于圖32中的不具有WFC元件708的結構700'中的射線725'的軸上部分和偏軸部分。在圖860中，一組MTF曲線862的峰值位于理想焦點854的線的左側。雖然可以對由不具有WFC元件708的結構700和結構700'所表示的系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)(例如，:探測器的位置，并且因而像平面可被移動到距離第一光組702和第二光組704或704'更近或更遠的位置)以使像平面位置位于第一組MTF曲線852或第二組MTF曲線862的峰值處，^f旦是通過調(diào)節(jié)該系統(tǒng)而改進一個結構的性能惡化了另一個結構的性能，并且反之亦然。換句話說，不可能選擇探測器210的一個位置從而使結構700和結構700'都達到好的性能。在圖31的結構700和圖32的結構700'中，與DSP215結合的WFC元件708的包含可改進變焦透鏡系統(tǒng)的性能，如現(xiàn)在所描述的。為了數(shù)值建模，WFC元件708被認為是在第二光組704和704'的第一表面前面增加的額外元件。一個具體的WFC元件708祐:才莫擬為具有廿。下表示的前表面<formula>formulaseeoriginaldocumentpage33</formula>在這里，x和y是在垂直于光軸的平面內(nèi)的空間變量，"3=1.418.10-3，a5=—0.5766.10—3，a7=1.388'10—3，a9=7.88'1(T3，rQ=0.42附w。WFC元4牛的其它配置也是可能的。圖40示出了對應于通過結構700和結構700'成^象的軸上射線和偏軸射線的MTF的圖900，這一次在數(shù)值建i^中考慮了WFC元件708的影響。第一MTF組910包括對應于圖31中的軸上光線725和偏軸光線727以及圖32中的光線725'的軸上部分和偏軸部分，因而對應于不具有DSP215的處理的寬角度結構700和攝遠結構700'。如可在圖900中所看到的，第一MTF組910中單獨的MTF曲線相互之間非常地相似。也就是i兌，MTF組910的實質(zhì)上相似的MTF曲線與先前描述的圖37的MTF組810和MTF組820的比較說明了當使用WFC元件708時，每個結構以及不同結構內(nèi)的不同射線角的性能一致性得到了改進。繼續(xù)參考圖40,圖900還包括第二MTF組920，第二MTF組920對應于通過具有DSP215的處理的結構700而成像的軸上射線725和偏軸射線727的MTF曲線以及通過具有DSP215的處理的結構700'而成像的射線725'的軸上部分和偏軸部分。DSP215的細節(jié)將在下面的討論中在適當?shù)慕Y合點進行討論。如通過才企查第二MTF組920可看到的，第二MTF組920中的MTF曲線的總幅度增加到第一MTF組910中的曲線的總幅度之上，并保留了MTF性能的一致性(由MTF組920中的曲線的實質(zhì)上相似的幅度和形狀所指示)。此外，第二MTF組920內(nèi)的MTF曲線在覆蓋歸一化空間頻率參數(shù)范圍的幅度上基本上大于0.5。換句話說，當WFC元件708和DSP215的處理都包含在內(nèi)時，結構700和結構700'都實現(xiàn)了本公開的變焦透鏡系統(tǒng)中的改進的性能。的性能的另一說明中，圖41和圖42示出了對應于結構700和結構700'中的軸上射線與偏軸射線在具體空間頻率值(75lp/mm，如圖38和圖39所示)處的MTF曲線。再一次，像平面上的全聚焦對應于零焦移。圖41中的圖950包括第一組MTF曲線952，第一組MTF曲線952對應于圖31中的包括WFC元件708而不具有DSP215處理的結構700中的軸上曲線和偏軸曲線。一個MTF曲線的峰高被標記為/，，并且對應峰的FWHM(例如，在A羅〃值處)被標記為956。如在下面結合圖41所討論的，圖42中的圖960包括第二組MTF曲線962，第二組MTF曲線962對應于具有WFC元件708而不具有DSP215的處理的圖32的結構700'中的軸上光線和偏軸光線?？梢钥闯?，分別在第一組MTF曲線952和第二組MTF曲線962中的單獨的MTF曲線在各自組中相互之間是非常相似的。這個性質(zhì)說明了貫穿結構以及貫穿射線角的一致性能。通過將圖41和圖42與前述的圖38和圖39比4交，可以看出第一組MTF曲線952和第二組MTF曲線962的峰都已經(jīng)變平和變寬，以4吏理想焦點854的線與這組MTF曲線952和這組MTF曲線962在距離MTF幅度的峰不遠的位置都相交(事實上，被包含在第二組MTF曲線962的MTF曲線非常相似以至于他們事實上相互重疊)。也就是說，圖950與圖960說明了存在很寬的設置范圍，其中高MTF值可在未實際移動像平面的情況下得到。與圖38中對應的小于0.2mm的FWHM856相比，可以看出圖41中的FWHM956約為0.6mm?？稍趫D41中看出，組952的其它MTF曲線具有相似的寬度，該寬度都大于圖38中的組852的MTF曲線對應的峰寬度。通過將圖39與圖42比較，可類似地看出，組962的MTF曲線的對應^奪寬度(即，F(xiàn)WHM)比組862的MTF曲線的對應峰寬度更寬。因此，在射線角范圍內(nèi)，MTF曲線的寬度相對于偏焦的增大使得具有WFC元件708的結構700和結構700'與不具有WFC元件708的結構700和結構700'相比，對偏焦和/或由探測器210成像的射線角范圍內(nèi)的偏焦式像差較不敏感。也就是說，如FWHM所示，在至少一個空間頻率處以及在焦移范圍內(nèi)，<吏用WFC元件708的變焦透《竟系統(tǒng)具有的MTF曲線比通過對應的系統(tǒng)在一個空間頻率處和該系統(tǒng)的成像射線角范圍內(nèi)形成的MTF曲線更寬，并且使用WFC元件708的變焦透鏡系統(tǒng)在該系統(tǒng)的任何焦距處具有的MTF曲線比不具有WFC元件708的對應的變焦透鏡系統(tǒng)形成的WTF曲線更寬。由DSP215應用的算法的細節(jié)在圖43中示出。圖43示出了用于產(chǎn)生圖40中示出的結果的線性濾波器的網(wǎng)格圖。圖43示出了3維圖1000,該圖包括線性濾波器1010。線性濾波器1010的網(wǎng)格中的每個點的具體值在下面的表格2中被示出。需要注意，表格2中的所有值的總和是l。線性濾波器1010通過DSP215被應用為對從探測器210處接收到的圖像數(shù)據(jù)做2維、線性巻積以產(chǎn)生圖40所示的MTF曲線920。-0.03710.0652-0.0112-0.00860.0218-0.06480.0093-0.0324-0.03520.0605-0.02330.0627-0.0291-0.04730.08560.0378-0.1345-0.05070.0795-0.0026-0.05440.0484-0扁9-0.05030.1322-0.1261-0.03680.12610.0542-0.13660.0811-0.0131-0.0051-0.00980.0849-0.12350.05240.2273-0.41490.04810.0927-0.09490.0496-0.03450.01740.0413-0.02800.2361-0.0822-0.4170-0.34590.0926-0.01270.0146-0.0036-0.0571-0.13310.1077-0.4259-0.38271.92350.5541-0.16890.0711-0.04780.02430.0117-0.05080.05370.0410-0.33910.5601-0.1348-0.01030.0548-0.03230.0301-0.03270.0773-0.13470.09560.0885-0.1692-0.00900.1306-0.10130.0457-0.0233-0.0351-0.00030.0785-0.0956-0.01080.07200.0536-0.10120.03490.0288-0.03630.0595-0.0556-0.01130.05040.0129-0.0484-0.03130.04590.0284-0.06540.0428-0.02200.0487-0.0064-0.0350-0.00260.02520.0297-0.0240-0.03610.04310.0008表2圖44-圖70示出了三組變焦透鏡系統(tǒng)的數(shù)值建模實施例。圖4435和圖45示出了根據(jù)本發(fā)明的三組變焦透鏡系統(tǒng)的2個不同的結構。圖44示出了結構1100，該結構1100包括第一光組1102(其焦距為,)、第二光組1104(其焦距為/2)和第三光組1106(其焦距為/3)。光組1102和光組1104可包括一個或多個光學元件。光組1106包括光學器件1108和WFC元件1110，該WFC元件1110可能形成在與光學器件1108鄰近或并列的位置，或者與光學器件1108形成為一體。與圖31類似，結構IIOO是寬角度系統(tǒng)，它被配置為接收軸上光線725和偏軸光線727(其包含通過系統(tǒng)變焦系統(tǒng)IIOO成像的入射光線的范圍)并經(jīng)過第一光組、第二光組和第三光組在探測器210上成像。由探測器210產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)被轉移到DSP215，在DSP215處，該數(shù)據(jù)被處理以形成最終圖像1120。光組1102、光組1104和光組1106都沿著光軸1122排成一行。圖45示出了結構1100',其中三光組保持在結構1100中示出的相對位置(例如，未沿著光軸1122移動這些光組)。在結構1100'中，第二光組1104'現(xiàn)在具有焦距/2'并且第三光組1106'現(xiàn)在包括改進的光學器件1108'以產(chǎn)生焦距/3'，以使結構1100'用作攝遠系統(tǒng)。當在探測器210的檢測和在DSP215的信號處理之后，最終圖像1120'產(chǎn)生。結構1100和結構1100'之間的WFC元件1110和/或DSP215可相同，或者通常，三組光學器件的使用有助于控制變焦透鏡系統(tǒng)的某一固定的像差。雖然圖44和圖45中示出的第一光組1102是固定的、不可變的光組，但是這三個光組的位置可被改變以例如使得固定的光組是入射光線遇到的第二個光組或第三個光組。圖44和圖45中示出的結構1100和結構1100'以及不具有WFC元件1110的等效結構通過使用下面的示例性特性被數(shù)值建模。設定圖像高度為0.75mm。光組1102、光組1104和光組1106的組合的有效焦距對于(寬角度)結構1100和(攝遠)結構1100'分別為4.8mm和14.2mm。光線的波長被設定為0.55微米，并且4笨測器21(H皮設定為包括邊長為4孩i米的正方形的像素。在結構1100中，光組1102的焦距/;尋皮i殳定為-14.86mm,光纟且1104的焦3巨/j皮i殳定為23.91mm，和光組1106的焦距/3被設定為6.55mm。在結構1100'中，光組1102的焦距/j被設定為-14.86mm,光組1104的焦距/2'被設定為6.03mm,和光組1106的焦距/3'被設定為-4.94mm。這些不同的光組的具體描述再一次從方程(3)得到，其參數(shù)如表格3A和表格3B所示<table>tableseeoriginaldocumentpage37</column></row><table>圖46-圖53示出了圖44和圖45中示出的結構在不具有WFC元件1110的情況下的非理想性能。圖46-圖49示出了一列對應于圖44和圖45中示出的結構1100和結構1100'的射線截距曲線。圖46示出了y軸射線截距曲線1154的y圖1150和x軸射線截距曲線1156的x圖1152,它們都對應于通過不具有WFC元件1110的結構1100的軸上射線725。同樣地，圖47示出了y軸射線截距曲線1164的y圖1160和x軸射線截距曲線1166的x圖1162，它們都對應于通過不具有WFC元件1110的結構1100的偏軸射線727。圖48示出了y軸射線截距曲線1174的y圖1170和x軸射線截距曲線1176的x圖1172，它們都對應于通過不具有WFC元件1110的結構1100'的射線725'的軸上部分。圖49示出了y軸射線截距曲線1184的y圖1180和x軸射線截距曲線1186的x圖1182,它們都對應于通過不具有WFC元件1110的結構1100'的射線725'的偏軸部分。依次檢查圖46-圖49中的每一個，圖46中示出的y軸射線截距曲線1154和x軸射線截距曲線1156是具有實質(zhì)上恒定斜率的線性曲線，從而說明偏焦。在圖47中，y軸射線截距曲線1164和x軸射線截距曲線1166是相似地直線的。在圖48和圖49中，射線截距曲線是實質(zhì)上線性的但具有與圖46和圖47所示的那些射線截距曲線相反的斜率，乂人而說明結構1100'具有與結構1100相反的偏焦。也就是說，雖然圖46和圖47中說明的偏焦可通過如在結構1100中移動像平面(即，探測器210的位置)而實現(xiàn)部分地校正，但是像平面的這種移動將惡化結構1100'具有的離焦。換句話說，圖46-圖49中示出的離焦的校正將需要，例如移動作為結構的函數(shù)的像平面，而這是不期望的。圖50和圖51示出了對應于不具有WFC元件1110的結構1100和結構1100'中的軸上光線和偏軸光線，作為空間頻率(以每毫米的周期數(shù)(或線對)為單位)的函數(shù)而計算出的MTF。在圖50中，圖1200包括一組MTF曲線1210，其對應于通過圖44的不具有WFC元件1110的結構IIOO成像的軸上光線和偏軸光線。同樣地，圖51中的圖1220包括另一組MTF曲線1230,其對應于通過圖45的也不具有WFC元件1110的結構1100'成像的軸上光線和偏軸光線。如圖1200和圖122038所示，這組MTF曲線1210和這組MTF曲線1230都隨著空間頻率的增大而具有很大的下降和變化，這說明每個結構內(nèi)以及兩個結構之間的非一致性能以及大的偏焦。此外，這組MTF曲線1210和這組MTF曲線1230都包括這樣的空間頻率值，即，在該空間頻率值處，MTF基本下降到0。因為MTF值中的這些O說明了圖像數(shù)據(jù)的損失，因此它們是特別不期望的。與圖38和圖39相似，圖52和圖53示出了對應于在不具有波前編碼的結構1100和結構1100'中的軸上光線和偏軸光線在具體空間頻率值(75lp/mm)處的MTF曲線。在圖52和圖53中，縱軸對應于OTF的模的幅度；也就是說，MTF和橫軸對應于以毫米為單位的焦移，在這里，0焦移對應于在像平面上的全聚焦(例如，探測器210的位置)。圖52中的圖1250包括第一組MTF曲線1252，該曲線對應于圖44中的不具有WFC元件1110的結構1100中的軸上光線和偏軸光線。如在圖1250中可看到的，第一組MTF曲線1252的峰位于在0焦移處的理想焦點的線1254的右側。這組MTF曲線1252內(nèi)的單個MTF曲線在形狀上變化得很大，這說明除了離焦之外的散焦和場曲。對應于曲線中的一個的FWHM1256被示出，并且能夠看出該FWHM1256具有小于0.3mm的值。圖53中的圖1260包括第二組MTF曲線1262,該曲線對應于圖45的不具有WFC元件1110的結構1100'的軸上光線和偏軸光線。在圖1260中，第二組MTF曲線1262的峰位于理想焦點的線1254的左側。因此，與在圖38和圖39的上下文中早前示出的結構700和結構700'相似，圖52和圖53中的圖1250和圖1260分別說明了不可能選擇探測器210的一個位置就能在結構1100和結構1100'中實現(xiàn)好的性能。與圖50和圖51相比，圖54和圖55示出了包括WFC元件1110的結構1100和結構1100'的仿真的MTF曲線。為了數(shù)值建模的目的，由于通過在第三光組1106和第三光組1106'之前增加額外元件，因此才艮據(jù)方程(4)的垂度方程，計算WFC元件，該方程的參數(shù)為fl3=2.858'1(T3，a5=—0.08.10—3，a7=—1.707-10—3,a9=3.426-10—3禾口尸。=0.60m/"。結合圖50和圖51參照圖54和圖55,圖54示出了圖1270,該圖包括了一組對應于通過包含WFC元件1110而不具有DSP215處理的系統(tǒng)1100成4象的軸上光線和偏軸光線的MTF曲線1272。如通過比專交MTF曲線1272和圖50中的MTF曲線1210可看到的，MTF曲線1272中的MTF值大于MTF曲線1210的MTF值，因此通過在結構1100中增加WFC元件1110，這些MTF值被增加。同樣地，圖55示出了圖1280，該圖包括了一組對應于通過包含WFC元件1110而不具有DSP215處理的系統(tǒng)1100'成^^的軸上光線和偏軸光線的MTF曲線1282?？梢钥闯?，在幅度、性能一致性和缺少零值方面，MTF曲線1282示出了對圖51的MTF1230的改進。圖56和圖57示出了對應于結構1100和結構1100'中的軸上光線和偏軸光線在具體空間頻率值(75lp/mm，如圖52和圖53中所示)處的MTF曲線。再一次地，在^^平面上的全聚焦對應于0焦移。圖56中的圖1290包括第一組MTF曲線1292，該組曲線對應于在圖44的包括WFC元件1110而不具有DSP215的處理的結構1100中的軸上光線和偏軸光線。對應于這些曲線中的一個的FWHM1296^皮示出，并且能夠看出，因為峰延伸到圖1290中示出的焦移值之上但至少為0.6mm，因此它具有不能通過使用圖1290而測量出的值。圖57中的圖1295包括第二組MTF曲線1297，該組曲線對應于在圖45的包括WFC元件1110而不具有DSP215的處理的結構1100'中的軸上光線和偏軸光線?？煽闯?，第一組MTF曲線1292和第二組MTF曲線1297的峰都已經(jīng)被變平和變寬以使理想焦點的線1294與兩組MTF曲線在未遠離最高MTF幅度的點處相交。換句話說，圖1290和圖1295說明存在寬范圍的設置，在該設置范圍內(nèi)，在無需實際地移動像平面的情況下，可獲得高MTF值。此外，如FWHM所示，在至少一個空間頻率處以及在焦移范圍內(nèi)，4吏用WFC元件1110的變焦透4竟系統(tǒng)具有的MTF曲線比通過對應的系統(tǒng)在一個空間頻率處和該系統(tǒng)的成l象射線角范圍內(nèi)形成的MTF曲線更寬，并且使用WFC元件1110的變焦透鏡系統(tǒng)在該系統(tǒng)的任何焦距處具有的MTF曲線比不具有WFC元件1110的對應的變焦透鏡系統(tǒng)形成的WTF曲線更寬。再次參照圖31-圖32和圖44-圖45,—定范圍的入射射線角(例如，分別通過軸上光線725和偏軸光線727所指示的)通過變焦系統(tǒng)中的每一個被成像；并且波前編碼元件調(diào)整這些射線具有的波前的相位以使覆蓋該范圍內(nèi)的入射射線角的MTF在幅度和形狀上是相似的，從而使變焦系統(tǒng)對偏焦型像差較不敏感(與不具有波前編碼的相同的變焦系統(tǒng)相比)。為了進一步說明通過在圖44和圖45中示出的結構中增加WFC元件1110和DSP215而獲得的系統(tǒng)性能的改進，根據(jù)點擴散函數(shù)(PSF)計算出的這些結構的評估在圖58-圖69中^皮示出。圖58-圖61分別對應于對于點物體在WFC元件1110未纟皮包含在這些結構中并且未通過DSP215執(zhí)行處理時被計算出的對應于通過結構1100成像的軸上射線的PSF1300的顯示、被計算出的對應于通過結構IIOO成像的偏軸射線的PSF1302的顯示、被計算出的對應于通過結構1100'成像的軸上射線的PSF1304的顯示和被計算出的對應于通過結構1100'成^象的偏軸射線的1306的顯示。當比較PSF1300、PSF1302、PSF1304和PSF1306時可看出，因為PSF1300、PSF1302、PSF1304和PSF1306相互之間像差非常大，因此這些結構內(nèi)的或其之間的這三組變焦透鏡系統(tǒng)的成像性能變化地很大。圖62-圖65分別示出了對于點物體在WFC元件1110被包含在這些結構中并且未通過DSP215#1行處理時^皮計算出的對應于通過結構1100纟皮成1象的軸上光線的PSF1310的顯示、#皮計算出的對應于通過結構IIO(M皮成像的偏軸光線的PSF1312的顯示、；陂計算出的對應于通過結構1100'被成像的軸上光線的PSF1314的顯示、被計算出的對應于通過結構1100'被成像的偏軸光線的PSF1316的顯示。PSF1310、PSF1312、PSF1314和PSF1316相互之間都非常相似。雖然PSF1310、PSF1312、PSF1314和PSF1316不是理想點，但與理想情況一樣，它們都非常一致并且只包括這種相似的像差，即，在這些圖中它們在9點鐘方向和12點鐘方向上使這些PSF展開。這些像差可通過單個線性濾波器^皮才交正，如在圖66-圖69中所示，它們示出了當WFC元件1110和由DSP215的處理的效果都被包括在計算中時被計算出的PSF。圖66-圖69分別示出了對于點物體的通過結構1100被成像的軸上光線、通過結構1100被成像的偏軸光線、對應于通過結構1100'纟皮成像的軸上光線、通過結構1100'被成像的偏軸光線。如可看到的，被計算出的PSF1320、PSF1322、PSF1324和PSF1326非常接近于只覆蓋很少的像素的一致點。因此，通過增加WFC元件1110和接下來的通過DSP215的信號處理，可通過三組變焦透鏡系統(tǒng)實現(xiàn)一致性能，該變焦透鏡系統(tǒng)可對應于從寬角度結構到攝遠結構。圖70示出了線性濾波器1360,該濾波器通過結構1100和結構1100'中的DSP215而被應用；在圖1350中，濾波器1360以網(wǎng)格形式示出。通過結構1100和結構1100'中的DSP215，濾波器136(H皮應用為對由探測器210產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)進行二維、線性巻積以產(chǎn)生圖66-圖69中示出的被計算出的PSF。經(jīng)過前述實施方式中的每一個已經(jīng)說明了不同的元件具有特殊的對應方向，但是應該理解，這些當前的設備可具有不同的結構，這些結構中的元件位于不同的位置和相互的方向并且保持在本公開的精神和范圍內(nèi)。此外，這些不同的元件可被合適的等價物替代使用或者除了這些不同的元件可使用合適的等價物。這些替代的或附加的元件的功能和使用對于本領域相關技術人員來說是熟悉的，并且因此被認為屬于本公開的范圍內(nèi)。例如，光學波篩可被增加到本公開的變焦透鏡系統(tǒng)中作為一個或更多個光組的一部分。關于光波學篩的細節(jié)可在如2005年11月的OpticsLetters的第30巻、第22號、第2976-2978頁中Andersen的"Largeopticalphotonsieve，，中找到。這種光波學篩可用作變焦透鏡系統(tǒng)內(nèi)的簡單的衍射元件以替換或補充前述的本公開的實施方式中的一個或多個光學元件。另一個可能的調(diào)整包括在光路上增加聚合物分散液晶或聚合物穩(wěn)定液晶(PDLC或PSLC)光調(diào)制設備。例如，這種PDLC或PSLC設備可用作二進制光閥或模擬光閥以控制傳輸通過變焦透鏡系統(tǒng)的光的總量。可選擇地，PDLC或PSLC可被組成圖案以提供附加的光控制，或可被嵌入到可變的液晶透鏡以提高包含可變LC透鏡的變焦透鏡系統(tǒng)的可變性。例如，PDLC和PSLC在1996年的Pure&Appl.Chem.的第68巻、第7號、第1435-1440頁中Drzaic的"Recentprogressindichroicpolymer-dispersedliquidcrystalmaterials"以及1997年11月25日出版的Doane等人的第5,691,795號美國專利中被描述。另一個用作改變光波前的現(xiàn)代光學元件可適合于配置為改進如前所述的變焦透鏡系統(tǒng)。因此，這些當前的實施例將被看作為示例性的而非限制性的，并且這些當前的實施例不局限于本文給出的細節(jié)，并且可在所附權利要求的范圍內(nèi)進行修改。下面的權利要求旨在覆蓋本發(fā)明所描述的一般特征和具體特征，以及從語言上可能落入其中間的本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的范圍的陳述。權利要求1.一種用于對射線角范圍內(nèi)的入射光進行成像的變焦透鏡系統(tǒng)，所述入射光至少用相位來表征，所述變焦透鏡系統(tǒng)包括光軸，并且所述變焦透鏡系統(tǒng)由多個至少對應于所述射線角范圍的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來表征，所述變焦透鏡系統(tǒng)包括沿著所述光軸放置的光組，所述光組包括至少一個可變光學元件和波前編碼元件，所述可變光學元件具有在至少兩個不同的焦距值之間選擇的可變焦距，其中，所述波前編碼元件至少改變所述入射光的相位，以使得對于所述兩個不同焦距值中的每一個，所述多個對應于所述射線角范圍的MTF對散焦像差比相應的不具有所述波前編碼元件的系統(tǒng)較不敏感。2.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中在至少一個空間頻率處，在焦移范圍內(nèi)，所述MTF在半最大值處具有全寬度，所述全寬度比由相應的系統(tǒng)形成的MTF在一個空間頻率處更寬。3.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述至少一個可變光學元件不沿著所述光軸移動。4.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述光組包括被配置為改變所述入射光的相位的相位掩模。5.根據(jù)權利要求4所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述可變光學元件包括前表面和后表面，并且所述相位掩模由所述可變光學元件的所述前表面和所述后表面中的至少一個完整地形成。6.根據(jù)權利要求4所述的變焦透鏡系統(tǒng)，所述波前編碼元件包括所述相位掩模。7.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述光組包括第二光學元件。8.根據(jù)權利要求7所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第二光學元件9.根據(jù)權利要求7所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述第二光組包括相位掩模，所述相位掩模被配置為改變所述入射光的所述相位。10.根據(jù)權利要求9所述的變焦透鏡系統(tǒng)，所述波前編碼元件包括所述相位掩模。11.根據(jù)權利要求7所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述光學元件可沿著所述光軸移動。12.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述可變光學元件是液體透鏡。13.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述光學元件是液晶透4竟。14.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述光學元件包括孔和第一非^求面光學元件。15.根據(jù)權利要求14所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述可變光學元件的所述孔和所述第一非球面光學元件中的至少一個在不平行于所述光軸的平面內(nèi)是可滑動的。16.根據(jù)權利要求14所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述可變光學元件包括第二非球面光學元件，所述第二非球面光學元件相對于所述孔和所述第一非^^面光學元件中的至少一個可滑動地設置。17.根據(jù)權利要求14所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述非球面光學18.根據(jù)權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述光組進一步被配置為形成光學圖像，所述光學圖像進一步包括后處理器，所述后處理器用于電子地處理所述光學圖像以產(chǎn)生在所述射線角范圍內(nèi)的清晰的電子圖像。19.根據(jù)權利要求18所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中所述后處理器包括線性濾波器。20.—種用于變焦透鏡系統(tǒng)中的方法，所述變焦透鏡系統(tǒng)用于對射線角范圍內(nèi)的入射光進行成像，所述入射光至少包括相位，所述變焦透鏡系統(tǒng)包括光軸和至少一個可變光學元件，所述可變光學元件具有可變的焦距值，并且所述變焦透鏡系統(tǒng)由多個至少對應于射線角范圍的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來表征，所述方法包括調(diào)節(jié)所述入射光的相位以^吏所述多個對應于所述射線角范圍的MTF對于至少兩個不同焦距值中的每一個在形狀和幅度上是基本相似的。21.根據(jù)權利要求20所述的方法，其進一步包括形成由光線成像的光學圖像，并且電子地處理所述光學圖像以產(chǎn)生在所述射線角范圍內(nèi)的清晰的電子圖像。全文摘要公開了用于對射線角范圍內(nèi)的入射光進行成像的變焦透鏡系統(tǒng)。入射光至少用相位來表征。變焦透鏡系統(tǒng)包括光軸，并且變焦透鏡系統(tǒng)由多個至少對應于射線角范圍的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)來表征。變焦透鏡系統(tǒng)包括沿著光軸被放置的光組，其至少包括一個可變光學元件，該可變光學元件具有在至少兩個不同的焦距值之間選擇的可變焦距。該光組還包括波前編碼元件。波前編碼元件至少改變?nèi)肷涔獾南辔唬允箤τ趦蓚€不同焦距值中的每一個，多個對應于射線角范圍的MTF對散焦式像差比相應的不具有波前編碼元件的系統(tǒng)較不敏感。文檔編號G02B13/00GK101449193SQ200780016385公開日2009年6月3日申請日期2007年3月6日優(yōu)先權日2006年3月6日發(fā)明者愛德華·R·道斯基,立原悟,羅伯特·H·考麥克申請人:全視Cdm光學有限公司