專(zhuān)利名稱(chēng)：：液體光學(xué)變焦透鏡和成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及采用液體光學(xué)器件的光學(xué)變焦透鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：歷史上，成像裝置已經(jīng)使用兩個(gè)或更多可移動(dòng)變焦透鏡組以提供變焦和不同的焦距。還可能需要附加的透鏡組以進(jìn)行聚焦。然而，在變焦和聚焦透鏡系統(tǒng)中，存在與使用具有移動(dòng)透鏡組相關(guān)聯(lián)的固有缺點(diǎn)。具體地，具有移動(dòng)透鏡組意味著需要復(fù)雜的以機(jī)械方式移動(dòng)的部件。每個(gè)可移動(dòng)透鏡組都需要支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如凸輪和電機(jī)，并且某些情況下還需要控制電子裝置以便于進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這種系統(tǒng)復(fù)雜性可能會(huì)增加尺寸、重量和成本，并且可能使系統(tǒng)操作在一定時(shí)期內(nèi)不可靠。在具有至少兩個(gè)可移動(dòng)變焦透鏡組的一些之前可獲得的變焦透鏡中存在這些缺點(diǎn)以及不希望的局限性，諸如焦距的受限范圍、無(wú)法在整個(gè)焦距范圍內(nèi)進(jìn)行充分地聚焦、無(wú)法在近處物體上聚焦、在整個(gè)焦距范圍和聚焦距離上缺乏足夠的光學(xué)性能。需要機(jī)械復(fù)雜性較低但性能高的變焦透鏡系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容變焦透鏡使用移動(dòng)透鏡組以調(diào)整在圖像處所見(jiàn)物體的放大倍數(shù)。透鏡本體必須足夠大以容許透鏡組的移動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)透鏡組可由具有可變表面形狀的液體透鏡單元替代。在一個(gè)實(shí)施方式中，變焦透鏡系統(tǒng)具有可軸向移動(dòng)的變焦透鏡組和包括至少一個(gè)液體透鏡單元的軸向靜止的后透鏡組。在另一實(shí)施方式中，變焦透鏡具有軸向靜止的透鏡組，該軸向靜止的透鏡組包括至少一個(gè)液體透鏡單元和可軸向移動(dòng)的后透鏡組。液體透鏡單元具有第一接觸液體和第二接觸液體，接觸液體之間的接觸光學(xué)表面具有可變的形狀。變焦透鏡組和軸向靜止的透鏡組在公共的光軸上對(duì)準(zhǔn)并且被布置以收集從物側(cè)空間發(fā)出的輻射以及將該輻射作為真實(shí)圖像傳送至軸向靜止的圖像空間。變焦透鏡還可具有軸向靜止的物鏡組，其中，物鏡組、變焦透鏡組和軸向靜止的液體單元透鏡組在公共的光軸上對(duì)準(zhǔn)。后透鏡組可包括可調(diào)整的光圈。變焦透鏡組的軸向調(diào)整和接觸液體之間的形狀的變化提供變焦和聚焦。接觸液體之間的接觸光學(xué)表面的形狀可被電子地控制。查找表可用在對(duì)接觸光學(xué)表面的形狀進(jìn)行電子地控制中。查找表中的一個(gè)指數(shù)可與焦點(diǎn)設(shè)置相對(duì)應(yīng)。查找表中的另一指數(shù)可與變焦設(shè)置相對(duì)應(yīng)。查找表中的又一指數(shù)可與熱值相對(duì)應(yīng)。接觸液體之間的接觸光學(xué)表面的形狀和變焦透鏡組的軸向調(diào)整可共同被控制。在一個(gè)實(shí)施方式中，變焦透鏡系統(tǒng)包括可移動(dòng)透鏡組和液體單元透鏡組。可移動(dòng)透鏡組和液體單元透鏡組可在公共的光軸上對(duì)準(zhǔn)。可移動(dòng)透鏡組和液體單元透鏡組可共同被控制以實(shí)現(xiàn)變焦和聚焦?？赏ㄟ^(guò)對(duì)(i)液體單元透鏡組、()可移動(dòng)透鏡組、或(iii)液體單元透鏡組和可移動(dòng)透鏡組中的至少一個(gè)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)變焦。類(lèi)似地，可通過(guò)對(duì)(i)液體單元透鏡組、(ii)可移動(dòng)透鏡組、或(iii)液體單元透鏡組和可移動(dòng)透鏡組中的至少一個(gè)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)聚焦。在一個(gè)實(shí)施方式中，照相機(jī)系統(tǒng)包括變焦透鏡，具有可移動(dòng)透鏡組和液體單元透鏡組；以及圖像捕獲元件，被定位在變焦透鏡系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置。圖像捕獲元件可以是電子捕獲裝置，如CCD，或者圖像捕獲元件可以是膠片。在一個(gè)實(shí)施方式中，使透鏡變焦的方法包括以下步驟使透鏡組沿光軸移動(dòng)；以及對(duì)沿所述光軸對(duì)準(zhǔn)的液體透鏡單元組中的接觸表面的形狀進(jìn)行改變。使接觸表面的形狀改變提供聚焦。在一個(gè)實(shí)施方式中，液體光學(xué)器件允許約7.5倍的變焦焦距范圍以及從近到無(wú)窮遠(yuǎn)的物距。物鏡變焦透鏡系統(tǒng)收集來(lái)自物空間的輻射并將該輻射在緊接透鏡后方的像平面處成像。在一個(gè)實(shí)施方式中，采用液體光學(xué)器件的物鏡變焦透鏡系統(tǒng)具有從約5.9mm至45.0mm的焦距變焦范圍。將該實(shí)施方式選擇為提供具有適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)焦距的適當(dāng)?shù)膹V角透鏡，但是又在適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度保持適當(dāng)直徑的透鏡。另外，F(xiàn)/2.8至F/4.0的光圈可以與需光度較低從而光敏度較高的靜電耦合器件(CCD)探測(cè)器和互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)探測(cè)器一同使用。益處包括僅一個(gè)可移動(dòng)變焦透鏡組和一個(gè)或多個(gè)液體透鏡單元以在機(jī)械復(fù)雜性較低、尺寸和重量較小的情況下提供變焦。另外，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期使用時(shí)還可以提高可靠性。變焦透鏡組的軸向位置調(diào)整和一個(gè)或多個(gè)液體透鏡單元的液體之間的表面形狀的變化提供變焦。變焦透鏡組的軸向調(diào)整或液體透鏡單元中的形狀變化(或變焦透鏡組的軸向調(diào)整和液體透鏡單元中的形狀變化)提供聚焦以及對(duì)溫度所引起效應(yīng)如圖像散焦和像差變化的補(bǔ)償，未被補(bǔ)償?shù)臏囟人鹦?yīng)可能會(huì)引起圖像質(zhì)量下降。應(yīng)該理解，本文所描述的實(shí)施方式旨在對(duì)本發(fā)明進(jìn)行解釋?zhuān)景l(fā)明的范圍不受限于所述的實(shí)施方式。圖1是照相機(jī)的方塊圖；圖2是采用液體的變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)示意圖。圖3A和3B是圖2的變焦透鏡系統(tǒng)的液體單元的光學(xué)示意圖，其中示出了液體之間的表面形狀。圖4A、4B和4C是圖1的變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)示意圖，其中圖示了用于產(chǎn)生不同焦距和對(duì)焦距離的變焦透鏡組的不同位置和液體之間的表面形狀。圖5A、5B和5C是圖4A、4B和4C的變焦透鏡系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)性能圖。具體實(shí)施例方式在以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的描述中參照了附圖，附圖形成描述一部分，并且在附圖中以圖示方式示出了本發(fā)明可得以實(shí)施的特定實(shí)施方式?？梢岳斫?，可以采用其它實(shí)施方式，并且在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改變。圖1圖示了具有變焦透鏡102的照相機(jī)100的方塊圖。變焦透鏡是能夠改變焦距的透鏡元件的組件。單個(gè)透鏡元件可以固定就位，或者沿透鏡本體軸向滑動(dòng)。透鏡組可包括一個(gè)或多個(gè)透鏡元件。單個(gè)透鏡元件由固相材料，如玻璃、塑料、結(jié)晶體、或半導(dǎo)體材料構(gòu)成，或者單個(gè)透鏡元件可通過(guò)使用液體或氣體材料，如水或油構(gòu)成。至少一個(gè)可移動(dòng)透鏡組提供物體放大的變化。當(dāng)至少一個(gè)可移動(dòng)透鏡組移動(dòng)以完成放大時(shí)，焦平面的位置也可能移動(dòng)。至少一個(gè)其它可移動(dòng)透鏡組可移動(dòng)以補(bǔ)償焦平面的移動(dòng)，從而保持恒定的焦平面位置。還可以在透鏡的放大倍數(shù)改變時(shí)通過(guò)使整個(gè)透鏡組件移動(dòng)以通過(guò)機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)對(duì)焦平面移動(dòng)的補(bǔ)償。變焦透鏡通常具有三個(gè)或更多移動(dòng)透鏡組以實(shí)現(xiàn)變焦和聚焦功能。機(jī)械凸輪可將兩個(gè)可移動(dòng)透鏡組連接以進(jìn)行變焦，第三可移動(dòng)透鏡可用于聚焦。變焦范圍部分地由可移動(dòng)透鏡組的移動(dòng)范圍決定。較大的變焦范圍需要用于透鏡組移動(dòng)的附加空間。一個(gè)或多個(gè)可移動(dòng)透鏡組可由采用液體單元技術(shù)的透鏡組所替代。由于液體單元不需要用于軸向移動(dòng)的空間，因此可以減小包含可移動(dòng)透鏡組的透鏡設(shè)計(jì)的長(zhǎng)度。可替換地，本用于可移動(dòng)透鏡組軸向移動(dòng)的空間能夠用于包括附加的光學(xué)元件。盡管液體單元不需要用于移動(dòng)的空間，但可以是可移動(dòng)透鏡組的一部分。液體單元可用于變焦和聚焦。在一個(gè)實(shí)施方式中，可移動(dòng)透鏡組與采用液體單元技術(shù)的透鏡組一同使用。無(wú)需帶有一個(gè)可移動(dòng)透鏡組的機(jī)械凸輪。不具有凸輪允許額外的移動(dòng)。一個(gè)或多個(gè)可移動(dòng)透鏡組與一個(gè)或多個(gè)液體單元一同使用以實(shí)現(xiàn)變焦和聚焦。單一的可移動(dòng)透鏡組和單一的液體單元可進(jìn)行變焦和聚焦。在一個(gè)實(shí)施方式中，聚焦系統(tǒng)至少具有第一透鏡組和第二透鏡組。第一透鏡組是相對(duì)較高倍率的，第二透鏡組是相對(duì)較低倍率的，透鏡倍率等于透鏡焦距的倒數(shù)。第一透鏡組包括傳統(tǒng)的玻璃透鏡或其它固體透鏡，第二透鏡組包括至少一個(gè)液體透鏡。液體透鏡使用兩種或更多種液體以形成透鏡。透鏡的焦距部分地由液體之間的接觸角度和液體折射率的差異決定。倍率變化的范圍受到所采用液體的折射率的差異和因空間約束在液體之間的表面交界處產(chǎn)生的曲率半徑的有限范圍限制。以引用方式并入本文的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)No.2006/0126190公開(kāi)了采用通過(guò)電潤(rùn)濕法產(chǎn)生液滴變形的透鏡?，F(xiàn)在提出的液體透鏡系統(tǒng)的折射率差異至少約為0.2，優(yōu)選地至少約為0.3，在一些實(shí)施方式中至少約為0.4。水具有約為1.3的折射率，填加鹽允許折射率變化到約1.48。適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)油可具有至少約為1.5的折射率。甚至采用具有較高、或高或低和較低折射率的液體，例如較高折射率的油，倍率變化范圍都仍受限。這種受限的倍率變化范圍通常提供比可移動(dòng)透鏡組的放大倍數(shù)變化低的放大倍數(shù)變化。因此，在簡(jiǎn)單的變焦透鏡系統(tǒng)中，為了在保持恒定的像面位置的同時(shí)提供變焦，可以通過(guò)一個(gè)可移動(dòng)透鏡組提供大部分的放大倍數(shù)變化，并且可以通過(guò)一個(gè)液體單元提供對(duì)像面處的離焦的補(bǔ)償。然而，應(yīng)該注意，可以采用更多的透鏡組或更多的液體單元，或者采用更多的透鏡組和更多的液體單元?？梢苿?dòng)透鏡組可具有正的或負(fù)的倍率。液體單元可具有一定范圍的可變倍率，其中倍率一直為正、一直為負(fù)或從正變化到負(fù)或相反?？梢苿?dòng)透鏡組和液體單元的正確布置提供大于2倍且優(yōu)選地大于3倍的擴(kuò)展的變焦比，并且在整個(gè)變焦范圍中提供良的成像質(zhì)量。除了變焦以外，該布置還通過(guò)采用來(lái)自液體單元、可移動(dòng)透鏡組或液體單元和可移動(dòng)透鏡組兩者，在擴(kuò)展的變焦范圍上提供不同物距處的聚焦。由液體單元、可移動(dòng)透鏡組或液體單元和可移動(dòng)透鏡組兩者所提供的該附加的倍率變化可容易獲得。由于一個(gè)可移動(dòng)透鏡組不必需要具有固定運(yùn)動(dòng)軌跡的凸輪，因此可以對(duì)可移動(dòng)變焦透鏡組的位置進(jìn)行調(diào)整以進(jìn)行變焦和聚焦。通過(guò)采用可移動(dòng)透鏡組和液體單元以進(jìn)行變焦和聚焦實(shí)現(xiàn)了高性能成像。還可以用至少一個(gè)液體單元替換可移動(dòng)透鏡組。這樣可能會(huì)增加光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性并可能使光學(xué)系統(tǒng)具有其它缺點(diǎn)，如減少的光透射。圖1還圖示了控制透鏡中的透鏡組102的移動(dòng)和操作的透鏡控制模塊104。控制模塊104包括控制液體透鏡單元中的曲率半徑的電子線(xiàn)路。電子線(xiàn)路還可控制可移動(dòng)透鏡組的位置?？深A(yù)先確定用于各種焦點(diǎn)位置和變焦位置的合適的電子信號(hào)水平并將其置于查找表中?？商鎿Q地，模擬線(xiàn)路或線(xiàn)路與查找表的組合可以產(chǎn)生合適的信號(hào)水平。在一個(gè)實(shí)施方式中，使用多項(xiàng)式來(lái)確定合適的電子信號(hào)水平?？蓪⒀囟囗?xiàng)式的點(diǎn)存儲(chǔ)在查找表中，或者可以通過(guò)電路實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)式。在對(duì)表面21的曲率半徑或可移動(dòng)透鏡組G2的位置或表面21的曲率半徑和可移動(dòng)透鏡組G2的位置兩者進(jìn)行的控制中還可以考慮熱效應(yīng)。多項(xiàng)式或查找表可包括有關(guān)熱效應(yīng)的附加變量?？刂颇K104可包括用于特定變焦設(shè)定或焦距的預(yù)設(shè)控制。這些設(shè)定可由使用者或照相機(jī)制造商存儲(chǔ)。圖1還圖示了接收與外界物體相對(duì)應(yīng)的光學(xué)圖像的圖像捕獲模塊106。圖像沿穿過(guò)透鏡102的光軸傳輸?shù)綀D像采集模塊106。圖像捕獲模塊106可使用多種形式，如膠片(例如，生膠片或靜態(tài)影像膠片)、或電子圖像檢測(cè)技術(shù)(例如，CCD陣列或視頻圖像采集電路)。光軸可以是直線(xiàn)的或可以包括折曲(fold)。圖像存儲(chǔ)模塊108例如將圖像保持在板載存儲(chǔ)器中或保持在膠片或磁帶上。在一個(gè)實(shí)施方式中，存儲(chǔ)介質(zhì)是可移除的(例如，閃存、膠卷盒、或磁帶盒)。圖像傳輸模塊110提供將所捕獲的圖像傳輸至其它裝置。例如，圖像傳輸模塊110可以使用一種或多種連接，如USB接口、IEEE1394多媒體連接、以太接口、藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)連接、IEEE802.11無(wú)線(xiàn)連接、視頻分量連接、或S-視頻連接。照相機(jī)100可以實(shí)現(xiàn)為多種方式，如攝像機(jī)、移動(dòng)電話(huà)照相機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、或膠片照相機(jī)?，F(xiàn)在通過(guò)設(shè)計(jì)示例對(duì)變焦透鏡的實(shí)施方式進(jìn)行描述。首先參照?qǐng)D2，每個(gè)透鏡元件均由跟有數(shù)字從1到20的文字“E”表示，盡管顯示了每個(gè)透鏡元件的一般構(gòu)造，但是每個(gè)透鏡表面的實(shí)際半徑在以下的表1中列出。透鏡、物體、光圈裝置(stop)或光圈和圖像表面由數(shù)字從1到36表示。3個(gè)透鏡組在圖2中由跟有數(shù)字從1到3的文字“G”表示，液體透鏡單元由字母“LC”表示并包括光學(xué)表面19到23。光軸在圖2中由數(shù)字50表示。每個(gè)透鏡元件均具有由單獨(dú)但連續(xù)的表面數(shù)表示的該透鏡元件的相反表面，例如，如圖2中所示，透鏡元件E1具有透鏡表面2和3，透鏡元件E9具有透鏡表面17和18，等等。待成像物體的位置特別由于其與對(duì)焦距離有關(guān)而由位于光軸50上的豎直線(xiàn)和數(shù)字1表示，實(shí)像表面由數(shù)字36表示。除了透鏡表面4和8是非球形、非平面的非球面而是相對(duì)于光軸轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱(chēng)的，所有的透鏡表面都是球形或平面的。在描述透鏡元件的詳細(xì)特征之前，為變焦透鏡系統(tǒng)60，對(duì)透鏡組及其軸向位置和移動(dòng)、以及液體透鏡單元和接觸液體表面形狀的變化進(jìn)行概括的描述。7將每個(gè)透鏡組的正倍率或負(fù)倍率定義為焦距的倒數(shù)。所得到的每個(gè)透鏡組的光學(xué)倍率如下物鏡組Gl為正，變焦透鏡組G2為負(fù)，后透鏡組G3為正且隨著液體單元中的表面形狀變化而從較低的正值變化到較高的正值。位于圖2上部?jī)啥说膸в屑^的水平箭頭標(biāo)志指示變焦透鏡組G2可在兩個(gè)軸向方向上移動(dòng)。盡管在圖2中僅物理地示出了透鏡元件，但是應(yīng)該理解，提供機(jī)械裝置和機(jī)構(gòu)以支撐透鏡元件并使可移動(dòng)透鏡組在透鏡殼體或筒體中進(jìn)行軸向移動(dòng)。另外可以理解，電子線(xiàn)路改變液體透鏡單元中的形狀可變化的光學(xué)表面的輪廓。以下在表1中列出了用于上述變焦透鏡系統(tǒng)60的透鏡構(gòu)造和制造數(shù)據(jù)。以250C(77°F)和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(760mmHg)給出表1中的數(shù)據(jù)。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中，除了波長(zhǎng)單位為納米(nm)外，測(cè)量的單位都是毫米(mm)。在表1中，第一欄“項(xiàng)目”表示每個(gè)光學(xué)元件和每個(gè)位置，即，具有與圖2中所使用的相同的數(shù)字或標(biāo)記的物面、像面等。第二欄表示具有在圖2中所使用的相同數(shù)字的光學(xué)元件(透鏡)所屬的“組”。第三欄“表面”是圖2中所示的物體的表面數(shù)字(圖2中的線(xiàn)“1”和表1中的“物體”)、光圈裝置(光圈)13和透鏡的實(shí)際表面的每一個(gè)的列示。第四欄“焦點(diǎn)位置”表示對(duì)于變焦透鏡系統(tǒng)60的3個(gè)典型的焦點(diǎn)位置(Fl、F2和F3)，其中如以下將更全面描述的那樣，在第三欄中所列示的表面中的一些之間的距離(分離)存在變化，并且在第三欄中所列示的表面21的曲率半徑存在變化。第五欄“分離”是該表面(第三欄)與下一表面之間的軸向距離。例如，表面S2與表面S3之間的距離是1.725mm。標(biāo)題為文字“曲率半徑”的第六欄是每個(gè)表面的光學(xué)表面曲率半徑的列示，其中負(fù)號(hào)(_)意指如圖2所示地曲率半徑的中心處于表面的左側(cè)，“無(wú)窮大”意指光學(xué)平面。表面4和8的星號(hào)(*)表示這些表面是非球面表面，為此“曲率半徑”是基圓半徑。使用非球面表面提供了對(duì)變焦透鏡中的像差的校正，并且實(shí)現(xiàn)了較小的總尺寸和較為簡(jiǎn)單的構(gòu)造。以下等式給出了非球面表面4和8的表面輪廓的公式和系數(shù)ζ=-^^177+Ay4+By6+Cy8+Dy10+Eyu+FyuLUU44」l+[l-(l+/c)c2/]1/2,7,,JJ式中c是表面曲率(c=Ι/r，其中r是曲率半徑)，y是從X軸和Y軸測(cè)量的表面的徑向孔徑高度，其中y=(X2+Y2)1/2κ是二次曲面系數(shù)，Α、B、C、D、E和F分別是第4、第6、第8、第10、第12和第14階變形系數(shù)，ζ是對(duì)于給定y值的表面輪廓位置或沿光軸從表面的極點(diǎn)(即，軸向頂點(diǎn))測(cè)量的表面輪廓的位置，表面4的系數(shù)為κ=-0.6372A=O.9038xl(T6B=O.2657xl(T8C=-0.1105xl(T10D=+0.4301xl(T13E=-0.8236xl(T16F=0.6368xl(T19表面8的系數(shù)為k=0.0000A=0.5886xl(T4B=-0.5899x106C=0.8635x108D=-0.5189xl(T10E=-0.1186xlO-11F=0.1631xl(T13表1的第七到第九欄有關(guān)于該表面(第三欄)與向圖2中右側(cè)的下一表面之間的“材料”，欄“類(lèi)型”表示在這兩個(gè)表面之間是否存在透鏡(玻璃)或空的空間(空氣)或液體透鏡(液體)。玻璃和液體透鏡由欄“代號(hào)”中的光學(xué)玻璃表示。為了方便，所有的透鏡玻璃都選自可從Ohara公司獲得的玻璃，但是應(yīng)該理解，可以使用任何等同的、類(lèi)似的或適當(dāng)?shù)牟ＡА６?，油的透鏡液體選自可從CargilleLaboratories有限公司獲得的液體，并且水通?？蓮母鞣N水源獲得，但是應(yīng)該理解，可以使用任何等同的、類(lèi)似的或適當(dāng)?shù)囊后w。表面20處的水液體在656.27,589.29,546.07和486.13納米的波長(zhǎng)下分別具有1.331152、1.332987、1.334468和1.337129的折射率。表面21處的油液體在656.27,589.29,546.07和486.13納米的波長(zhǎng)下分別具有1.511501、1.515000、1.518002和1.523796的折射率。表1的標(biāo)題為“孔徑”的最后一欄提供光線(xiàn)穿過(guò)的每個(gè)表面的最大直徑。對(duì)于所有的變焦和聚焦位置，在對(duì)于像面處的約6mm的最大圖像直徑的546.1納米的波長(zhǎng)下以及F/2.8至F/4.0的F數(shù)下給出除光圈裝置表面13以外的所有最大孔徑。表1中，對(duì)于變焦位置Z1和聚焦位置Z1，在546.1納米的波長(zhǎng)下以及像面處F/2.8的F數(shù)下給出了光圈裝置表面13的最大孔徑。在像面36處，以近似值給出了最大孔徑。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>變焦透鏡系統(tǒng)60設(shè)置有位于表面13處的光學(xué)光圈裝置，該光學(xué)光圈裝置控制在該位置光線(xiàn)可穿過(guò)孔隙的直徑。光學(xué)光圈裝置是物理光圈所處的位置。光圈位于后透鏡組G3前方并相對(duì)于該透鏡組軸向靜止。注意，在圖4A中，邊緣光線(xiàn)穿過(guò)光學(xué)光圈表面13的等值記號(hào)(ticmark)的軸線(xiàn)側(cè)，使得變焦透鏡系統(tǒng)在任何場(chǎng)位置、變焦位置和聚焦位置都不具有任何光束的漸暈。然而，注意，F(xiàn)數(shù)在所有的變焦和聚焦位置變化，并且光圈相應(yīng)地打開(kāi)或關(guān)閉。對(duì)于焦點(diǎn)位置F1的變焦位置Z1-Z8處的光圈直徑為6.71,6.39,5.96,5.53、5.18、4.84、4.63和4.61。這表明，位于13處的光圈應(yīng)該隨著焦距增大而關(guān)閉。與焦點(diǎn)位置F1相對(duì)比，對(duì)于焦點(diǎn)位置F2和F3的變焦位置Z1-Z8處的光圈直徑以小于0.3mm直徑的小量而發(fā)生改變，以保持與對(duì)于焦點(diǎn)位置F1相同的F數(shù)。參照表1，為了說(shuō)明設(shè)計(jì)的范圍和多樣性，數(shù)據(jù)中記錄了8個(gè)不同的變焦位置Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7和Z8以及3個(gè)不同的焦點(diǎn)位置Fl、F2和F3，這些數(shù)據(jù)實(shí)際上提供了用于可移動(dòng)變焦透鏡組G2和形狀可變的光學(xué)表面21的24(3x8=24)個(gè)不同位置組合。在546.1納米波長(zhǎng)下，變焦透鏡系統(tǒng)60在焦點(diǎn)位置F1處的對(duì)于變焦位置Z1-Z8的焦距分別為5.89,7.50、11.25、15.00、18.75,30.00,41.25和45.00mm。在546.1納米波長(zhǎng)下，對(duì)于數(shù)據(jù)位置Z1-Z8的焦距的對(duì)應(yīng)F數(shù)分別為2.80、2.90、3.05、3.25、3.45、3.70、3.95和4.00。對(duì)于焦點(diǎn)位置F1，假設(shè)物面1位于無(wú)窮遠(yuǎn)，對(duì)于F2，物面1處于約1016.25mm的中間距離，而對(duì)于F3，物面1位于約378.75mm的近距離處(即，離開(kāi)像面378.75mm)。在3個(gè)焦點(diǎn)位置Fl、F2和F3中的每一個(gè)處，透鏡組G1和G3在變焦透鏡組G2的整個(gè)移動(dòng)范圍內(nèi)保持在相同的位置。表2和3提供了表面7和12的分離值，表4提供了表面21對(duì)于焦點(diǎn)位置Z1-Z8和F1-F3的曲率半徑。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表3<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表4<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>當(dāng)然可以理解，在兩端的焦點(diǎn)位置F1與F3之間可以獲得連續(xù)聚焦，在兩端的變焦位置Z1與Z8之間可以獲得連續(xù)變焦，在通過(guò)透鏡系統(tǒng)60所描述的聚焦和變焦范圍內(nèi)可以獲得連續(xù)聚焦和變焦的任何組合。圖2中所示和表1中所列示的變焦透鏡系統(tǒng)60具有分別對(duì)于透鏡組G1和G2的54.30和-12.25mm的焦距。而且，由于液體之間的光學(xué)表面21的可變形狀，透鏡組G3具有可變焦距，該可變焦距在變焦位置Z1和焦點(diǎn)位置F1處、以及變焦位置Z8和焦點(diǎn)位置F3處分別具有最小值+30.18mm和最大值+38.97mm。圖3A和3B中示出了變焦透鏡系統(tǒng)60的液體單元LC，其中顯示了液體之間的形狀可變的光學(xué)表面21的來(lái)自表1的兩個(gè)極值曲率半徑。在圖3A和3B中，表面21的兩個(gè)曲率半徑分別為-33.99和+115.80mm。在圖3A和3B中，液體單元LC的兩個(gè)極值焦距分別為-185.20和+630.97mm。這種差異在變焦位置Zl和焦點(diǎn)位置F1處以及變焦位置Z8和焦點(diǎn)位置F3處發(fā)生。在該實(shí)施方式中，表面20、21和21、22之間的兩個(gè)液體的體積隨著可變表面形狀的變化而變化。然而，也可以通過(guò)使表面20,21和21、22之間的軸向分離發(fā)生小的且相等但相反的改變，保持每個(gè)液體的恒定體積?，F(xiàn)在參照4A、4B、和4C，其中示出了變焦透鏡系統(tǒng)60具有處于不同位置的變焦透鏡組、處于不同位置的液體單元中的可變表面的形狀以及對(duì)于這些位置的光線(xiàn)路線(xiàn)。圖4A圖示了焦點(diǎn)位置Fl和變焦位置Z1，為此表1中所記錄的數(shù)據(jù)具有無(wú)窮遠(yuǎn)的焦點(diǎn)和約為5.9mm的小焦距。圖4B圖示了來(lái)自表1中的中間焦點(diǎn)和約11.3mm焦距的焦點(diǎn)位置F2和變焦位置Z3。圖4C圖示了來(lái)自表1中的近焦點(diǎn)和約44.8mm焦距的焦點(diǎn)位置F3和變焦位置Z8。圖4A、4B和4C示出了分別對(duì)于各自的變焦位置和焦點(diǎn)位置Z1、F1和Z3、F2和Z8、F3的具有相應(yīng)的可變光學(xué)表面21的3個(gè)表面形狀的變焦透鏡組G2的3個(gè)軸向位置。圖5A、5B和5C中給出了變焦透鏡系統(tǒng)60的光學(xué)性能，其中以百分比(％)示出了對(duì)于以表1中所記錄的變焦位置和焦點(diǎn)位置，即作為代表性示例的Z1、F1、Z3、F2、Z8和F3的3種不同組合而得到的5個(gè)不同的場(chǎng)位置的基于衍射的多色調(diào)制傳遞函數(shù)(“MTF”)數(shù)據(jù)(調(diào)制相對(duì)空間頻率)。場(chǎng)位置記錄為兩個(gè)數(shù)值，歸一化的圖像高度(mm)和相對(duì)于光軸的實(shí)際物空間角度(度)。MTF百分比處于在圖5A、5B和5C的右上角所記錄的波長(zhǎng)和權(quán)重處并以圖形方式示出用于在像面36處的切向⑴和徑向(R)。注意，切向和徑向數(shù)值在軸向場(chǎng)位置(軸)處是相等的并僅以一個(gè)圖形繪制。所示最大空間頻率為90周期/mm，這樣，給定約6mm的圖像直徑和對(duì)探測(cè)器像素尺寸的選擇可以提供至少高達(dá)高清電視(HDTV)分辨率，即1920個(gè)水平像素乘1080個(gè)豎直像素的高質(zhì)量圖像。處于空間頻率的MTF是光學(xué)性能的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量，其中數(shù)值“90周期/mm”意味著位于用于確定清晰度的圖上的每毫米90對(duì)黑線(xiàn)和白線(xiàn)。最高的MTF值約為89%，處于對(duì)于變焦位置Zl和焦點(diǎn)位置F2的完全徑向場(chǎng)。最低的MTF值約為58%，處于對(duì)于變焦位置Z2和焦點(diǎn)位置F3的完全切向場(chǎng)。最小的相對(duì)照度約為75%，處于變焦位置Zl和焦點(diǎn)位置Fl。通常，相對(duì)照度值越高越好，因?yàn)榈偷臄?shù)值意味著光在圖片的角落中減少。對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的探測(cè)器而言，高的完全場(chǎng)相對(duì)照度是優(yōu)選的，現(xiàn)有技術(shù)的探測(cè)器在所有區(qū)域中具有對(duì)光的恒定響應(yīng)，并且忠實(shí)地重現(xiàn)圖像角落中的陰影以及在變焦過(guò)程圖像的改變。小于50%的照明可能導(dǎo)致電子探測(cè)器中的陰影，但是對(duì)于膠片而言可能被接受。最高正畸變?yōu)樽兘刮恢肸3和焦點(diǎn)位置Fl處的+3.04%，最低負(fù)畸變?yōu)樽兘刮恢肸l和焦點(diǎn)位置F3處的-2.98%。通常，所謂透鏡的“呼吸”問(wèn)題(但是可能在變焦透鏡中更為普遍)，其中從長(zhǎng)焦到短焦圖像的尺寸改變，在變焦透鏡系統(tǒng)60中在變焦范圍的短焦距處實(shí)際上是不存在的，而由于大的景深這種問(wèn)題在變焦范圍的短焦距處最可能被注意到。最低呼吸為變焦位置Zl和焦點(diǎn)位置F3處的-0.2%，最高呼吸為變焦位置Z8和焦點(diǎn)位置F3處的-19.5%。注意，在無(wú)窮遠(yuǎn)的焦點(diǎn)(Fl)處，呼吸為零，因?yàn)樗菂⒖家晥?chǎng)。在25°C(77°F)的溫度、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(760mmHg)下以及在變焦透鏡系統(tǒng)60中可獲得的全部孔隙處給出全部的性能數(shù)據(jù)。然而，變焦透鏡系統(tǒng)60在0°C至40°C(32°F至104°F)的溫度范圍內(nèi)的確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，那么操作溫度范圍可以擴(kuò)展至-10°C至50°C(14°F至122°F)或更多。對(duì)于溫度的變化，可以通過(guò)對(duì)變焦透鏡組G2進(jìn)行進(jìn)一步的軸向調(diào)整或?qū)佑|的光學(xué)表面21的形狀進(jìn)行進(jìn)一步的改變或二者的結(jié)合實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。這可以發(fā)生在所有的變焦及聚焦位置。在約0°C(32°F)或以下的低溫，為了避免結(jié)冰(形成固體)，液體可能需要加熱或替換為含添加劑的液體，以與為了低溫運(yùn)行而將防凍劑添加到汽車(chē)散熱器水中的相似方式。然而，注意這些材料溫度優(yōu)選地不應(yīng)顯著改變液體的光學(xué)特征。盡管使用變焦透鏡系統(tǒng)60的所述實(shí)施方式具有用于與6mm直徑(所謂1/3英寸芯片傳感器)一同使用的適當(dāng)尺寸，但是該變焦透鏡系統(tǒng)的尺寸可以適當(dāng)?shù)胤糯蠡蚩s小以與各種膠片和電子探測(cè)器圖像形式一同使用。變焦透鏡系統(tǒng)60的眾多優(yōu)點(diǎn)之一在于僅通過(guò)使用一個(gè)軸向移動(dòng)變焦透鏡組在大范圍的焦距上提供變焦。變焦透鏡系統(tǒng)60的設(shè)計(jì)產(chǎn)生具有高性能以及機(jī)械復(fù)雜性低于大多數(shù)傳統(tǒng)高性能變焦透鏡系統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)，大多數(shù)傳統(tǒng)高性能變焦透鏡系統(tǒng)需要至少兩個(gè)可軸向移動(dòng)的變焦透鏡組和相應(yīng)的機(jī)械裝置。變焦透鏡系統(tǒng)60的獨(dú)特透鏡設(shè)計(jì)在大范圍的焦距上提供聚焦而無(wú)需附加的可移動(dòng)透鏡組和相應(yīng)的機(jī)械裝置。所公開(kāi)的變焦透鏡系統(tǒng)60是示例性的，其它設(shè)計(jì)落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。通過(guò)上述描述和附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)了解變焦透鏡系統(tǒng)60的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)該注意，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，各種改變和修改時(shí)顯而易見(jiàn)的。這些改變和修改應(yīng)理解為包含在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。權(quán)利要求一種變焦透鏡系統(tǒng)，包括可軸向移動(dòng)的變焦透鏡組；以及軸向靜止的透鏡組，包括至少一個(gè)液體透鏡單元，所述至少一個(gè)液體透鏡單元包括第一接觸液體和第二接觸液體，接觸液體之間的接觸光學(xué)表面具有可變的形狀；其中，所述可軸向移動(dòng)的變焦透鏡組和所述軸向靜止的透鏡組在公共的光軸上對(duì)準(zhǔn)，并且所述可軸向移動(dòng)的變焦透鏡組和所述軸向靜止的透鏡組被布置以收集從所述變焦透鏡系統(tǒng)的物側(cè)空間發(fā)出的輻射并將所述輻射傳送至像側(cè)空間。2.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，還包括軸向靜止的物鏡組，其中，所述軸向靜止的物鏡組、所述變焦透鏡組和所述軸向靜止的透鏡組在公共的光軸上對(duì)準(zhǔn)。3.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述變焦透鏡組的軸向調(diào)整和接觸液體之間的形狀的變化提供變焦。4.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，接觸液體之間的形狀的變化提供變焦和聚焦o5.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，接觸液體之間的形狀的變化提供聚焦。6.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述變焦透鏡組的位置的軸向調(diào)整提供聚焦o7.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，接觸液體之間的所述接觸光學(xué)表面的形狀被電子地控制。8.權(quán)利要求7所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，查找表提供與對(duì)所述接觸光學(xué)表面的形狀進(jìn)行電子地控制相對(duì)應(yīng)的值。9.權(quán)利要求8所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述查找表中的指數(shù)與變焦設(shè)置相對(duì)應(yīng)。10.權(quán)利要求8所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述查找表中的指數(shù)與焦點(diǎn)設(shè)置相對(duì)應(yīng)。11.權(quán)利要求8所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述查找表中的指數(shù)與變焦設(shè)置和焦點(diǎn)設(shè)置相對(duì)應(yīng)。12.權(quán)利要求8所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述查找表中的第一指數(shù)與變焦設(shè)置相對(duì)應(yīng)，所述查找表中的第二指數(shù)與焦點(diǎn)設(shè)置相對(duì)應(yīng)。13.權(quán)利要求8所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述查找表中的指數(shù)與熱值相對(duì)應(yīng)。14.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，接觸液體之間的所述接觸光學(xué)表面的形狀和所述變焦透鏡組的軸向調(diào)整共同被電子地控制。15.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，還包括可調(diào)整的光圈。16.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述物側(cè)空間包含真實(shí)的物體或虛擬的物體。17.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述像側(cè)空間包含真實(shí)的物體或虛像。18.權(quán)利要求17所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，圖像是軸向靜止的。19.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述軸向靜止的透鏡組包括多個(gè)液體透鏡單元。20.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述變焦透鏡組具有大于2倍的變焦比。21.權(quán)利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述變焦透鏡組具有大于3倍的變焦比。22.一種變焦透鏡系統(tǒng)，包括可移動(dòng)透鏡組；以及液體單元透鏡組。23.如權(quán)利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述可移動(dòng)透鏡組和液體單元透鏡組在公共的光軸上對(duì)準(zhǔn)。24.如權(quán)利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述可移動(dòng)透鏡組和液體單元透鏡組共同被控制以實(shí)現(xiàn)變焦。25.如權(quán)利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述可移動(dòng)透鏡組和液體單元透鏡組共同被控制以實(shí)現(xiàn)聚焦。26.如權(quán)利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述可移動(dòng)透鏡組和液體單元透鏡組共同被控制以實(shí)現(xiàn)變焦和聚焦。27.如權(quán)利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，通過(guò)對(duì)(i)所述液體單元透鏡組、(ii)所述可移動(dòng)透鏡組、或(iii)所述液體單元透鏡組和所述可移動(dòng)透鏡組中的至少一個(gè)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)變焦。28.如權(quán)利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，通過(guò)對(duì)(i)所述液體單元透鏡組、(ii)所述可移動(dòng)透鏡組、或(iii)所述液體單元透鏡組和所述可移動(dòng)透鏡組中的至少一個(gè)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)聚焦。29.一種照相機(jī)系統(tǒng)，包括變焦透鏡，具有可移動(dòng)透鏡組和液體單元透鏡組；以及圖像捕獲元件，被定位在所述變焦透鏡系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置。30.如權(quán)利要求29所述的照相機(jī)系統(tǒng)，其中，所述圖像捕獲元件是CCD。31.如權(quán)利要求29所述的照相機(jī)系統(tǒng)，其中，所述圖像捕獲元件是膠片。32.如權(quán)利要求29所述的照相機(jī)系統(tǒng)，其中，所述圖像捕獲元件是非平面的。33.一種使透鏡變焦的方法，包括使透鏡組沿光軸移動(dòng)；以及使沿所述光軸對(duì)準(zhǔn)的液體透鏡單元組中的接觸表面的形狀變化。34.如權(quán)利要求33所述的照相機(jī)系統(tǒng)，其中，使所述接觸表面的形狀改變提供聚焦。35.一種變焦透鏡系統(tǒng)，包括液體透鏡單元，包括第一液體和第二液體，其中，所述第一液體與第二液體之間的界面形成能夠被電子控制的表面；以及控制電路，為所述液體透鏡單元提供能量，所述控制電路被配置以控制所述表面以提供變焦控制和聚焦控制。全文摘要公開(kāi)了一種適于與照相機(jī)一同使用的高性能變焦透鏡系統(tǒng)。該變焦透鏡系統(tǒng)采用液體光學(xué)器件(LC)和可移動(dòng)透鏡組(G2)，以在從近到無(wú)窮遠(yuǎn)的對(duì)焦距離處的在變焦焦距范圍上提供光學(xué)性能。該系統(tǒng)還通過(guò)變焦組的調(diào)整和液體透鏡單元(LC)中的可變形的光學(xué)表面提供對(duì)不希望的熱所引起的效應(yīng)的補(bǔ)償。文檔編號(hào)G02B15/14GK101836135SQ200880110582公開(kāi)日2010年9月15日申請(qǐng)日期2008年9月19日優(yōu)先權(quán)日2007年10月8日發(fā)明者艾恩·A·尼爾,詹姆士·H·詹納德申請(qǐng)人:黑眼睛光學(xué)有限公司