CN101836135A

CN101836135A - 液体光学变焦透镜和成像装置

Info

Publication number: CN101836135A
Application number: CN200880110582A
Authority: CN
Inventors: 詹姆士·H·詹纳德; 艾恩·A·尼尔
Original assignee: Blackeye Optics LLC
Current assignee: Blackeye Optics LLC
Priority date: 2007-10-08
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: EP2208095A1; AU2008311114A2; US7855838B2; US20090091844A1; US8169709B2; CA2701134A1; JP5635404B2; CA2701134C; CN101836135B; AU2008311114C1; WO2009048725A1; TWI437307B; JP2010541024A; KR20100084524A; TW200923464A; KR101505699B1; AU2008311114B2; US20110085244A1; AU2008311114A1

Abstract

公开了一种适于与照相机一同使用的高性能变焦透镜系统。该变焦透镜系统采用液体光学器件(LC)和可移动透镜组(G2)，以在从近到无穷远的对焦距离处的在变焦焦距范围上提供光学性能。该系统还通过变焦组的调整和液体透镜单元(LC)中的可变形的光学表面提供对不希望的热所引起的效应的补偿。

Description

液体光学变焦透镜和成像装置

技术领域

本发明涉及采用液体光学器件的光学变焦透镜系统。

背景技术

历史上，成像装置已经使用两个或更多可移动变焦透镜组以提供变焦和不同的焦距。还可能需要附加的透镜组以进行聚焦。

然而，在变焦和聚焦透镜系统中，存在与使用具有移动透镜组相关联的固有缺点。具体地，具有移动透镜组意味着需要复杂的以机械方式移动的部件。每个可移动透镜组都需要支撑结构和驱动机构，如凸轮和电机，并且某些情况下还需要控制电子装置以便于进行运动。这种系统复杂性可能会增加尺寸、重量和成本，并且可能使系统操作在一定时期内不可靠。在具有至少两个可移动变焦透镜组的一些之前可获得的变焦透镜中存在这些缺点以及不希望的局限性，诸如焦距的受限范围、无法在整个焦距范围内进行充分地聚焦、无法在近处物体上聚焦、在整个焦距范围和聚焦距离上缺乏足够的光学性能。需要机械复杂性较低但性能高的变焦透镜系统。

发明内容

变焦透镜使用移动透镜组以调整在图像处所见物体的放大倍数。透镜本体必须足够大以容许透镜组的移动。一个或多个移动透镜组可由具有可变表面形状的液体透镜单元替代。

在一个实施方式中，变焦透镜系统具有可轴向移动的变焦透镜组和包括至少一个液体透镜单元的轴向静止的后透镜组。在另一实施方式中，变焦透镜具有轴向静止的透镜组，该轴向静止的透镜组包括至少一个液体透镜单元和可轴向移动的后透镜组。液体透镜单元具有第一接触液体和第二接触液体，接触液体之间的接触光学表面具有可变的形状。变焦透镜组和轴向静止的透镜组在公共的光轴上对准并且被布置以收集从物侧空间发出的辐射以及将该辐射作为真实图像传送至轴向静止的图像空间。变焦透镜还可具有轴向静止的物镜组，其中，物镜组、变焦透镜组和轴向静止的液体单元透镜组在公共的光轴上对准。后透镜组可包括可调整的光圈。变焦透镜组的轴向调整和接触液体之间的形状的变化提供变焦和聚焦。

接触液体之间的接触光学表面的形状可被电子地控制。查找表可用在对接触光学表面的形状进行电子地控制中。查找表中的一个指数可与焦点设置相对应。查找表中的另一指数可与变焦设置相对应。查找表中的又一指数可与热值相对应。接触液体之间的接触光学表面的形状和变焦透镜组的轴向调整可共同被控制。

在一个实施方式中，变焦透镜系统包括可移动透镜组和液体单元透镜组。可移动透镜组和液体单元透镜组可在公共的光轴上对准。可移动透镜组和液体单元透镜组可共同被控制以实现变焦和聚焦。可通过对(i)液体单元透镜组、(ii)可移动透镜组、或(iii)液体单元透镜组和可移动透镜组中的至少一个进行控制实现变焦。类似地，可通过对(i)液体单元透镜组、(ii)可移动透镜组、或(iii)液体单元透镜组和可移动透镜组中的至少一个进行控制实现聚焦。

在一个实施方式中，照相机系统包括：变焦透镜，具有可移动透镜组和液体单元透镜组；以及图像捕获元件，被定位在变焦透镜系统的焦点位置。图像捕获元件可以是电子捕获装置，如CCD，或者图像捕获元件可以是胶片。

在一个实施方式中，使透镜变焦的方法包括以下步骤：使透镜组沿光轴移动；以及对沿所述光轴对准的液体透镜单元组中的接触表面的形状进行改变。使接触表面的形状改变提供聚焦。

在一个实施方式中，液体光学器件允许约7.5倍的变焦焦距范围以及从近到无穷远的物距。物镜变焦透镜系统收集来自物空间的辐射并将该辐射在紧接透镜后方的像平面处成像。

在一个实施方式中，采用液体光学器件的物镜变焦透镜系统具有从约5.9mm至45.0mm的焦距变焦范围。将该实施方式选择为提供具有适当的长焦距的适当的广角透镜，但是又在适当的长度保持适当直径的透镜。另外，F/2.8至F/4.0的光圈可以与需光度较低从而光敏度较高的静电耦合器件(CCD)探测器和互补式金属氧化物半导体(CMOS)探测器一同使用。

益处包括仅一个可移动变焦透镜组和一个或多个液体透镜单元以在机械复杂性较低、尺寸和重量较小的情况下提供变焦。另外，当长时期使用时还可以提高可靠性。

变焦透镜组的轴向位置调整和一个或多个液体透镜单元的液体之间的表面形状的变化提供变焦。变焦透镜组的轴向调整或液体透镜单元中的形状变化(或变焦透镜组的轴向调整和液体透镜单元中的形状变化)提供聚焦以及对温度所引起效应如图像散焦和像差变化的补偿，未被补偿的温度所引起效应可能会引起图像质量下降。

应该理解，本文所描述的实施方式旨在对本发明进行解释，本发明的范围不受限于所述的实施方式。

附图说明

图1是照相机的方块图；

图2是采用液体的变焦透镜系统的光学示意图。

图3A和3B是图2的变焦透镜系统的液体单元的光学示意图，其中示出了液体之间的表面形状。

图4A、4B和4C是图1的变焦透镜系统的光学示意图，其中图示了用于产生不同焦距和对焦距离的变焦透镜组的不同位置和液体之间的表面形状。

图5A、5B和5C是图4A、4B和4C的变焦透镜系统的调制传递函数性能图。

具体实施方式

在以下对优选实施方式的描述中参照了附图，附图形成描述一部分，并且在附图中以图示方式示出了本发明可得以实施的特定实施方式。可以理解，可以采用其它实施方式，并且在不背离本发明的范围的情况下可以进行结构上的改变。

图1图示了具有变焦透镜102的照相机100的方块图。变焦透镜是能够改变焦距的透镜元件的组件。单个透镜元件可以固定就位，或者沿透镜本体轴向滑动。透镜组可包括一个或多个透镜元件。单个透镜元件由固相材料，如玻璃、塑料、结晶体、或半导体材料构成，或者单个透镜元件可通过使用液体或气体材料，如水或油构成。至少一个可移动透镜组提供物体放大的变化。当至少一个可移动透镜组移动以完成放大时，焦平面的位置也可能移动。至少一个其它可移动透镜组可移动以补偿焦平面的移动，从而保持恒定的焦平面位置。还可以在透镜的放大倍数改变时通过使整个透镜组件移动以通过机械方式实现对焦平面移动的补偿。

变焦透镜通常具有三个或更多移动透镜组以实现变焦和聚焦功能。机械凸轮可将两个可移动透镜组连接以进行变焦，第三可移动透镜可用于聚焦。

变焦范围部分地由可移动透镜组的移动范围决定。较大的变焦范围需要用于透镜组移动的附加空间。一个或多个可移动透镜组可由采用液体单元技术的透镜组所替代。由于液体单元不需要用于轴向移动的空间，因此可以减小包含可移动透镜组的透镜设计的长度。可替换地，本用于可移动透镜组轴向移动的空间能够用于包括附加的光学元件。尽管液体单元不需要用于移动的空间，但可以是可移动透镜组的一部分。

液体单元可用于变焦和聚焦。在一个实施方式中，可移动透镜组与采用液体单元技术的透镜组一同使用。无需带有一个可移动透镜组的机械凸轮。不具有凸轮允许额外的移动。

一个或多个可移动透镜组与一个或多个液体单元一同使用以实现变焦和聚焦。单一的可移动透镜组和单一的液体单元可进行变焦和聚焦。在一个实施方式中，聚焦系统至少具有第一透镜组和第二透镜组。第一透镜组是相对较高倍率的，第二透镜组是相对较低倍率的，透镜倍率等于透镜焦距的倒数。第一透镜组包括传统的玻璃透镜或其它固体透镜，第二透镜组包括至少一个液体透镜。

液体透镜使用两种或更多种液体以形成透镜。透镜的焦距部分地由液体之间的接触角度和液体折射率的差异决定。倍率变化的范围受到所采用液体的折射率的差异和因空间约束在液体之间的表面交界处产生的曲率半径的有限范围限制。以引用方式并入本文的美国专利申请公开No.2006/0126190公开了采用通过电润湿法产生液滴变形的透镜。

现在提出的液体透镜系统的折射率差异至少约为0.2，优选地至少约为0.3，在一些实施方式中至少约为0.4。水具有约为1.3的折射率，填加盐允许折射率变化到约1.48。适当的光学油可具有至少约为1.5的折射率。甚至采用具有较高、或高或低和较低折射率的液体，例如较高折射率的油，倍率变化范围都仍受限。这种受限的倍率变化范围通常提供比可移动透镜组的放大倍数变化低的放大倍数变化。因此，在简单的变焦透镜系统中，为了在保持恒定的像面位置的同时提供变焦，可以通过一个可移动透镜组提供大部分的放大倍数变化，并且可以通过一个液体单元提供对像面处的离焦的补偿。然而，应该注意，可以采用更多的透镜组或更多的液体单元，或者采用更多的透镜组和更多的液体单元。

可移动透镜组可具有正的或负的倍率。液体单元可具有一定范围的可变倍率，其中倍率一直为正、一直为负或从正变化到负或相反。可移动透镜组和液体单元的正确布置提供大于2倍且优选地大于3倍的扩展的变焦比，并且在整个变焦范围中提供良的成像质量。除了变焦以外，该布置还通过采用来自液体单元、可移动透镜组或液体单元和可移动透镜组两者，在扩展的变焦范围上提供不同物距处的聚焦。由液体单元、可移动透镜组或液体单元和可移动透镜组两者所提供的该附加的倍率变化可容易获得。由于一个可移动透镜组不必需要具有固定运动轨迹的凸轮，因此可以对可移动变焦透镜组的位置进行调整以进行变焦和聚焦。通过采用可移动透镜组和液体单元以进行变焦和聚焦实现了高性能成像。

还可以用至少一个液体单元替换可移动透镜组。这样可能会增加光学系统的复杂性并可能使光学系统具有其它缺点，如减少的光透射。

图1还图示了控制透镜中的透镜组102的移动和操作的透镜控制模块104。控制模块104包括控制液体透镜单元中的曲率半径的电子线路。电子线路还可控制可移动透镜组的位置。可预先确定用于各种焦点位置和变焦位置的合适的电子信号水平并将其置于查找表中。可替换地，模拟线路或线路与查找表的组合可以产生合适的信号水平。在一个实施方式中，使用多项式来确定合适的电子信号水平。可将沿多项式的点存储在查找表中，或者可以通过电路实现多项式。

在对表面21的曲率半径或可移动透镜组G2的位置或表面21的曲率半径和可移动透镜组G2的位置两者进行的控制中还可以考虑热效应。多项式或查找表可包括有关热效应的附加变量。

控制模块104可包括用于特定变焦设定或焦距的预设控制。这些设定可由使用者或照相机制造商存储。

图1还图示了接收与外界物体相对应的光学图像的图像捕获模块106。图像沿穿过透镜102的光轴传输到图像采集模块106。图像捕获模块106可使用多种形式，如胶片(例如，生胶片或静态影像胶片)、或电子图像检测技术(例如，CCD阵列或视频图像采集电路)。光轴可以是直线的或可以包括折曲(fold)。

图像存储模块108例如将图像保持在板载存储器中或保持在胶片或磁带上。在一个实施方式中，存储介质是可移除的(例如，闪存、胶卷盒、或磁带盒)。

图像传输模块110提供将所捕获的图像传输至其它装置。例如，图像传输模块110可以使用一种或多种连接，如USB接口、IEEE 1394多媒体连接、以太接口、蓝牙无线连接、IEEE 802.11无线连接、视频分量连接、或S-视频连接。

照相机100可以实现为多种方式，如摄像机、移动电话照相机、数字照相机、或胶片照相机。

现在通过设计示例对变焦透镜的实施方式进行描述。首先参照图2，每个透镜元件均由跟有数字从1到20的文字“E”表示，尽管显示了每个透镜元件的一般构造，但是每个透镜表面的实际半径在以下的表1中列出。透镜、物体、光圈装置(stop)或光圈和图像表面由数字从1到36表示。3个透镜组在图2中由跟有数字从1到3的文字“G”表示，液体透镜单元由字母“LC”表示并包括光学表面19到23。光轴在图2中由数字50表示。

每个透镜元件均具有由单独但连续的表面数表示的该透镜元件的相反表面，例如，如图2中所示，透镜元件E1具有透镜表面2和3，透镜元件E9具有透镜表面17和18，等等。待成像物体的位置特别由于其与对焦距离有关而由位于光轴50上的竖直线和数字1表示，实像表面由数字36表示。除了透镜表面4和8是非球形、非平面的非球面而是相对于光轴转动对称的，所有的透镜表面都是球形或平面的。

在描述透镜元件的详细特征之前，为变焦透镜系统60，对透镜组及其轴向位置和移动、以及液体透镜单元和接触液体表面形状的变化进行概括的描述。

将每个透镜组的正倍率或负倍率定义为焦距的倒数。所得到的每个透镜组的光学倍率如下：物镜组G1为正，变焦透镜组G2为负，后透镜组G3为正且随着液体单元中的表面形状变化而从较低的正值变化到较高的正值。位于图2上部两端的带有箭头的水平箭头标志指示变焦透镜组G2可在两个轴向方向上移动。

尽管在图2中仅物理地示出了透镜元件，但是应该理解，提供机械装置和机构以支撑透镜元件并使可移动透镜组在透镜壳体或筒体中进行轴向移动。另外可以理解，电子线路改变液体透镜单元中的形状可变化的光学表面的轮廓。

以下在表1中列出了用于上述变焦透镜系统60的透镜构造和制造数据。以25℃(77°F)和标准大气压(760mm Hg)给出表1中的数据。在整个说明书中，除了波长单位为纳米(nm)外，测量的单位都是毫米(mm)。在表1中，第一栏“项目”表示每个光学元件和每个位置，即，具有与图2中所使用的相同的数字或标记的物面、像面等。第二栏表示具有在图2中所使用的相同数字的光学元件(透镜)所属的“组”。第三栏“表面”是图2中所示的物体的表面数字(图2中的线“1”和表1中的“物体”)、光圈装置(光圈)13和透镜的实际表面的每一个的列示。第四栏“焦点位置”表示对于变焦透镜系统60的3个典型的焦点位置(F1、F2和F3)，其中如以下将更全面描述的那样，在第三栏中所列示的表面中的一些之间的距离(分离)存在变化，并且在第三栏中所列示的表面21的曲率半径存在变化。第五栏“分离”是该表面(第三栏)与下一表面之间的轴向距离。例如，表面S2与表面S3之间的距离是1.725mm。

标题为文字“曲率半径”的第六栏是每个表面的光学表面曲率半径的列示，其中负号(-)意指如图2所示地曲率半径的中心处于表面的左侧，“无穷大”意指光学平面。表面4和8的星号(*)表示这些表面是非球面表面，为此“曲率半径”是基圆半径。使用非球面表面提供了对变焦透镜中的像差的校正，并且实现了较小的总尺寸和较为简单的构造。以下等式给出了非球面表面4和8的表面轮廓的公式和系数：

z = \frac{{cy}^{2}}{1 + {[1 - (1 + κ) c^{2} y^{2}]}^{1 / 2}} + {Ay}^{4} + {By}^{6} + {Cy}^{8} + {Dy}^{10} + {Ey}^{12} + {Fy}^{14}

式中：

c是表面曲率(c＝1/r，其中r是曲率半径)，

y是从X轴和Y轴测量的表面的径向孔径高度，其中：

y＝(X²+Y²)^1/2

κ是二次曲面系数，

A、B、C、D、E和F分别是第4、第6、第8、第10、第12和第14阶变形系数，

z是对于给定y值的表面轮廓位置或沿光轴从表面的极点(即，轴向顶点)测量的表面轮廓的位置，

表面4的系数为：

κ＝-0.6372

A＝0.9038x10^-6

B＝0.2657x10^-8

C＝-0.1105x10^-10

D＝+0.4301x10^-13

E＝-0.8236x10^-16

F＝0.6368x10^-19

表面8的系数为：

κ＝0.0000

A＝0.5886x10^-4

B＝-0.5899x10^-6

C＝0.8635x10^-8

D＝-0.5189x10^-10

E＝-0.1186x10^-11

F＝0.1631x10^-13

表1的第七到第九栏有关于该表面(第三栏)与向图2中右侧的下一表面之间的“材料”，栏“类型”表示在这两个表面之间是否存在透镜(玻璃)或空的空间(空气)或液体透镜(液体)。玻璃和液体透镜由栏“代号”中的光学玻璃表示。为了方便，所有的透镜玻璃都选自可从Ohara公司获得的玻璃，但是应该理解，可以使用任何等同的、类似的或适当的玻璃。而且，油的透镜液体选自可从CargilleLaboratories有限公司获得的液体，并且水通常可从各种水源获得，但是应该理解，可以使用任何等同的、类似的或适当的液体。表面20处的水液体在656.27、589.29、546.07和486.13纳米的波长下分别具有1.331152、1.332987、1.334468和1.337129的折射率。表面21处的油液体在656.27、589.29、546.07和486.13纳米的波长下分别具有1.511501、1.515000、1.518002和1.523796的折射率。

表1的标题为“孔径”的最后一栏提供光线穿过的每个表面的最大直径。对于所有的变焦和聚焦位置，在对于像面处的约6mm的最大图像直径的546.1纳米的波长下以及F/2.8至F/4.0的F数下给出除光圈装置表面13以外的所有最大孔径。表1中，对于变焦位置Z1和聚焦位置Z1，在546.1纳米的波长下以及像面处F/2.8的F数下给出了光圈装置表面13的最大孔径。在像面36处，以近似值给出了最大孔径。

表1

变焦透镜系统60设置有位于表面13处的光学光圈装置，该光学光圈装置控制在该位置光线可穿过孔隙的直径。光学光圈装置是物理光圈所处的位置。光圈位于后透镜组G3前方并相对于该透镜组轴向静止。注意，在图4A中，边缘光线穿过光学光圈表面13的等值记号(tic mark)的轴线侧，使得变焦透镜系统在任何场位置、变焦位置和聚焦位置都不具有任何光束的渐晕。然而，注意，F数在所有的变焦和聚焦位置变化，并且光圈相应地打开或关闭。对于焦点位置F1的变焦位置Z1-Z8处的光圈直径为6.71、6.39、5.96、5.53、5.18、4.84、4.63和4.61。这表明，位于13处的光圈应该随着焦距增大而关闭。与焦点位置F1相对比，对于焦点位置F2和F3的变焦位置Z1-Z8处的光圈直径以小于0.3mm直径的小量而发生改变，以保持与对于焦点位置F1相同的F数。

参照表1，为了说明设计的范围和多样性，数据中记录了8个不同的变焦位置Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7和Z8以及3个不同的焦点位置F1、F2和F3，这些数据实际上提供了用于可移动变焦透镜组G2和形状可变的光学表面21的24(3x8＝24)个不同位置组合。

在546.1纳米波长下，变焦透镜系统60在焦点位置F1处的对于变焦位置Z1-Z8的焦距分别为5.89、7.50、11.25、15.00、18.75、30.00、41.25和45.00mm。在546.1纳米波长下，对于数据位置Z1-Z8的焦距的对应F数分别为2.80、2.90、3.05、3.25、3.45、3.70、3.95和4.00。

对于焦点位置F1，假设物面1位于无穷远，对于F2，物面1处于约1016.25mm的中间距离，而对于F3，物面1位于约378.75mm的近距离处(即，离开像面378.75mm)。在3个焦点位置F1、F2和F3中的每一个处，透镜组G1和G3在变焦透镜组G2的整个移动范围内保持在相同的位置。表2和3提供了表面7和12的分离值，表4提供了表面21对于焦点位置Z1-Z8和F1-F3的曲率半径。

表2

表3

表4

当然可以理解，在两端的焦点位置F1与F3之间可以获得连续聚焦，在两端的变焦位置Z1与Z8之间可以获得连续变焦，在通过透镜系统60所描述的聚焦和变焦范围内可以获得连续聚焦和变焦的任何组合。

图2中所示和表1中所列示的变焦透镜系统60具有分别对于透镜组G1和G2的54.30和-12.25mm的焦距。而且，由于液体之间的光学表面21的可变形状，透镜组G3具有可变焦距，该可变焦距在变焦位置Z1和焦点位置F1处、以及变焦位置Z8和焦点位置F3处分别具有最小值+30.18mm和最大值+38.97mm。图3A和3B中示出了变焦透镜系统60的液体单元LC，其中显示了液体之间的形状可变的光学表面21的来自表1的两个极值曲率半径。在图3A和3B中，表面21的两个曲率半径分别为-33.99和+115.80mm。在图3A和3B中，液体单元LC的两个极值焦距分别为-185.20和+630.97mm。这种差异在变焦位置Z1和焦点位置F 1处以及变焦位置Z8和焦点位置F3处发生。在该实施方式中，表面20、21和21、22之间的两个液体的体积随着可变表面形状的变化而变化。然而，也可以通过使表面20、21和21、22之间的轴向分离发生小的且相等但相反的改变，保持每个液体的恒定体积。

现在参照4A、4B、和4C，其中示出了变焦透镜系统60具有处于不同位置的变焦透镜组、处于不同位置的液体单元中的可变表面的形状以及对于这些位置的光线路线。图4A图示了焦点位置F1和变焦位置Z1，为此表1中所记录的数据具有无穷远的焦点和约为5.9mm的小焦距。图4B图示了来自表1中的中间焦点和约11.3mm焦距的焦点位置F2和变焦位置Z3。图4C图示了来自表1中的近焦点和约44.8mm焦距的焦点位置F3和变焦位置Z8。

图4A、4B和4C示出了分别对于各自的变焦位置和焦点位置Z1、F1和Z3、F2和Z8、F3的具有相应的可变光学表面21的3个表面形状的变焦透镜组G2的3个轴向位置。

图5A、5B和5C中给出了变焦透镜系统60的光学性能，其中以百分比(％)示出了对于以表1中所记录的变焦位置和焦点位置，即作为代表性示例的Z1、F1、Z3、F2、Z8和F3的3种不同组合而得到的5个不同的场位置的基于衍射的多色调制传递函数(“MTF”)数据(调制相对空间频率)。场位置记录为两个数值，归一化的图像高度(mm)和相对于光轴的实际物空间角度(度)。MTF百分比处于在图5A、5B和5C的右上角所记录的波长和权重处并以图形方式示出用于在像面36处的切向(T)和径向(R)。注意，切向和径向数值在轴向场位置(轴)处是相等的并仅以一个图形绘制。所示最大空间频率为90周期/mm，这样，给定约6mm的图像直径和对探测器像素尺寸的选择可以提供至少高达高清电视(HDTV)分辨率，即1920个水平像素乘1080个竖直像素的高质量图像。处于空间频率的MTF是光学性能的相对标准的测量，其中数值“90周期/mm”意味着位于用于确定清晰度的图上的每毫米90对黑线和白线。最高的MTF值约为89％，处于对于变焦位置Z1和焦点位置F2的完全径向场。最低的MTF值约为58％，处于对于变焦位置Z2和焦点位置F3的完全切向场。最小的相对照度约为75％，处于变焦位置Z1和焦点位置F1。通常，相对照度值越高越好，因为低的数值意味着光在图片的角落中减少。对于现有技术的探测器而言，高的完全场相对照度是优选的，现有技术的探测器在所有区域中具有对光的恒定响应，并且忠实地重现图像角落中的阴影以及在变焦过程图像的改变。小于50％的照明可能导致电子探测器中的阴影，但是对于胶片而言可能被接受。最高正畸变为变焦位置Z3和焦点位置F1处的+3.04％，最低负畸变为变焦位置Z1和焦点位置F3处的-2.98％。通常，所谓透镜的“呼吸”问题(但是可能在变焦透镜中更为普遍)，其中从长焦到短焦图像的尺寸改变，在变焦透镜系统60中在变焦范围的短焦距处实际上是不存在的，而由于大的景深这种问题在变焦范围的短焦距处最可能被注意到。最低呼吸为变焦位置Z1和焦点位置F3处的-0.2％，最高呼吸为变焦位置Z8和焦点位置F3处的-19.5％。注意，在无穷远的焦点(F1)处，呼吸为零，因为它是参考视场。

在25℃(77°F)的温度、标准大气压(760mm Hg)下以及在变焦透镜系统60中可获得的全部孔隙处给出全部的性能数据。然而，变焦透镜系统60在0℃至40℃(32°F至104°F)的温度范围内的确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，那么操作温度范围可以扩展至-10℃至50℃(14°F至122°F)或更多。对于温度的变化，可以通过对变焦透镜组G2进行进一步的轴向调整或对接触的光学表面21的形状进行进一步的改变或二者的结合实现最优性能。这可以发生在所有的变焦及聚焦位置。在约0℃(32°F)或以下的低温，为了避免结冰(形成固体)，液体可能需要加热或替换为含添加剂的液体，以与为了低温运行而将防冻剂添加到汽车散热器水中的相似方式。然而，注意这些材料温度优选地不应显著改变液体的光学特征。

尽管使用变焦透镜系统60的所述实施方式具有用于与6mm直径(所谓1/3英寸芯片传感器)一同使用的适当尺寸，但是该变焦透镜系统的尺寸可以适当地放大或缩小以与各种胶片和电子探测器图像形式一同使用。

变焦透镜系统60的众多优点之一在于仅通过使用一个轴向移动变焦透镜组在大范围的焦距上提供变焦。变焦透镜系统60的设计产生具有高性能以及机械复杂性低于大多数传统高性能变焦透镜系统的透镜系统，大多数传统高性能变焦透镜系统需要至少两个可轴向移动的变焦透镜组和相应的机械装置。变焦透镜系统60的独特透镜设计在大范围的焦距上提供聚焦而无需附加的可移动透镜组和相应的机械装置。所公开的变焦透镜系统60是示例性的，其它设计落入本发明的范围内。通过上述描述和附图，本领域技术人员会了解变焦透镜系统60的其它特征和优点。

应该注意，对于本领域技术人员而言，各种改变和修改时显而易见的。这些改变和修改应理解为包含在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims

1.一种变焦透镜系统，包括：

可轴向移动的变焦透镜组；以及

轴向静止的透镜组，包括至少一个液体透镜单元，所述至少一个液体透镜单元包括第一接触液体和第二接触液体，接触液体之间的接触光学表面具有可变的形状；

其中，所述可轴向移动的变焦透镜组和所述轴向静止的透镜组在公共的光轴上对准，并且所述可轴向移动的变焦透镜组和所述轴向静止的透镜组被布置以收集从所述变焦透镜系统的物侧空间发出的辐射并将所述辐射传送至像侧空间。

2.权利要求1所述的变焦透镜系统，还包括轴向静止的物镜组，其中，所述轴向静止的物镜组、所述变焦透镜组和所述轴向静止的透镜组在公共的光轴上对准。

3.权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，所述变焦透镜组的轴向调整和接触液体之间的形状的变化提供变焦。

4.权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，接触液体之间的形状的变化提供变焦和聚焦。

5.权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，接触液体之间的形状的变化提供聚焦。

6.权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，所述变焦透镜组的位置的轴向调整提供聚焦。

7.权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，接触液体之间的所述接触光学表面的形状被电子地控制。

8.权利要求7所述的变焦透镜系统，其中，查找表提供与对所述接触光学表面的形状进行电子地控制相对应的值。

9.权利要求8所述的变焦透镜系统，其中，所述查找表中的指数与变焦设置相对应。

10.权利要求8所述的变焦透镜系统，其中，所述查找表中的指数与焦点设置相对应。

11.权利要求8所述的变焦透镜系统，其中，所述查找表中的指数与变焦设置和焦点设置相对应。

12.权利要求8所述的变焦透镜系统，其中，所述查找表中的第一指数与变焦设置相对应，所述查找表中的第二指数与焦点设置相对应。

13.权利要求8所述的变焦透镜系统，其中，所述查找表中的指数与热值相对应。

14.权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，接触液体之间的所述接触光学表面的形状和所述变焦透镜组的轴向调整共同被电子地控制。

15.权利要求1所述的变焦透镜系统，还包括可调整的光圈。

16.权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，所述物侧空间包含真实的物体或虚拟的物体。

17.权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，所述像侧空间包含真实的物体或虚像。

18.权利要求17所述的变焦透镜系统，其中，图像是轴向静止的。

19.权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，所述轴向静止的透镜组包括多个液体透镜单元。

20.权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，所述变焦透镜组具有大于2倍的变焦比。

21.权利要求1所述的变焦透镜系统，其中，所述变焦透镜组具有大于3倍的变焦比。

22.一种变焦透镜系统，包括：

可移动透镜组；以及

液体单元透镜组。

23.如权利要求20所述的变焦透镜系统，其中，所述可移动透镜组和液体单元透镜组在公共的光轴上对准。

24.如权利要求20所述的变焦透镜系统，其中，所述可移动透镜组和液体单元透镜组共同被控制以实现变焦。

25.如权利要求20所述的变焦透镜系统，其中，所述可移动透镜组和液体单元透镜组共同被控制以实现聚焦。

26.如权利要求20所述的变焦透镜系统，其中，所述可移动透镜组和液体单元透镜组共同被控制以实现变焦和聚焦。

27.如权利要求20所述的变焦透镜系统，其中，通过对(i)所述液体单元透镜组、(ii)所述可移动透镜组、或(iii)所述液体单元透镜组和所述可移动透镜组中的至少一个进行控制实现变焦。

28.如权利要求20所述的变焦透镜系统，其中，通过对(i)所述液体单元透镜组、(ii)所述可移动透镜组、或(iii)所述液体单元透镜组和所述可移动透镜组中的至少一个进行控制实现聚焦。

29.一种照相机系统，包括：

变焦透镜，具有可移动透镜组和液体单元透镜组；以及

图像捕获元件，被定位在所述变焦透镜系统的焦点位置。

30.如权利要求29所述的照相机系统，其中，所述图像捕获元件是CCD。

31.如权利要求29所述的照相机系统，其中，所述图像捕获元件是胶片。

32.如权利要求29所述的照相机系统，其中，所述图像捕获元件是非平面的。

33.一种使透镜变焦的方法，包括：

使透镜组沿光轴移动；以及

使沿所述光轴对准的液体透镜单元组中的接触表面的形状变化。

34.如权利要求33所述的照相机系统，其中，使所述接触表面的形状改变提供聚焦。

35.一种变焦透镜系统，包括：

液体透镜单元，包括第一液体和第二液体，其中，所述第一液体与第二液体之间的界面形成能够被电子控制的表面；以及

控制电路，为所述液体透镜单元提供能量，所述控制电路被配置以控制所述表面以提供变焦控制和聚焦控制。