CN101896850B - 液体光学元件图像稳定系统 - Google Patents

Abstract

一种图像稳定系统，包括多个沿两个光轴对准的透镜元件；以及一个或多个包括第一和第二接触液体的液体透镜单元(70，71)，其中接触液体之间的接触光学表面具有可变形状，可变形状关于其自身的光轴是基本对称的，且关于至少一个其他光轴为不对称的；其中多个透镜元件和至少一个液体透镜元件聚集从物侧发出的辐射，并提供图像的稳定。

Description

液体光学元件图像稳定系统

相关申请 

本申请涉及并要求于2007年12月4日提交的、第60/992,284号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本文并作为本说明书的一部分。 

技术领域

本发明涉及采用液体光学元件稳定图像的光学透镜系统。 

背景技术

光学图像稳定改变透镜中的光路以稳定到达传感器的图像。例如，将浮动的透镜元件垂直于透镜的光轴移动。可选地，机械图像稳定移动捕获图像的传感器以抵消照相机的运动。然而，这些图像稳定装置依赖透镜元件或传感器的机械移动。 

发明内容

液体透镜单元可改变光路而不依赖液体单元的机械移动，因此为稳定图像提供振动补偿。液体透镜单元可与其他沿至少两个光轴对准的透镜单元一起使用。 

在一个实施方式中，液体透镜单元包括第一接触液体和第二接触液体，其中接触液体之间的接触光学表面具有可变形状，可变形状对于其自身的光轴为基本对称的并且对至少一个其他光轴为非对称的。多个透镜元件和液体透镜单元被配置成聚集从物侧空间发出的辐射，并且为传输至像侧空间的辐射提供至少部分稳定。 

可配置两个或更多液体透镜单元以为传输至像侧空间的辐射提供进一步的稳定。例如，可采用两个液体透镜单元在单一直线方向稳定图像。该稳定可校正例如水平或垂直图像抖动。 

在另一个实施方式中，配置四个或更多液体透镜单元以为传输至像侧空间的辐射提供稳定。液体透镜单元中的两个可在一个方向上提供稳定，而另两个液体透镜单元在另一个方向上提供稳定。这四个或更多液体透镜单元可一起提供任何方向上的稳定。 

一种液体透镜单元，包括第一接触液体和第二接触液体，配置第一接触液体和第二接触液体使得接触液体之间的接触光学表面具有可变形状，所述可变形状关于所述液体透镜单元的光轴为基本对称的。多个透镜元件沿公共光轴对准，且被布置成接收从物侧空间发出的辐射，并且将辐射传输至像侧空间。液体透镜单元可被插入由沿公共光轴对准的多个透镜元件形成的光路中。液体透镜单元的光轴可平行于公共光轴，或与公共光轴成一定角度。 

可用电子控制系统控制液体透镜单元中接触光学表面的可变形状。加速度计、激光陀螺仪等可用于检测一个或更多透镜元件的移动，然后接触光学表面的形状发生变化以补偿透镜元件的移动从而稳定图像。 

控制系统可被配置成检测照相机的移动镜头运动，从而使得由于移动镜头而引起的像移未得到校正。控制系统还可被配置成补偿不同类型的移动。例如，控制系统可补偿具有大于2Hz频率的振动。 

可协同控制第一液体透镜单元和第二液体透镜单元，从而为传输至像侧空间的辐射在至少一个方向上提供稳定。第一液体透镜单元的光焦度可与第二液体透镜单元的光焦度基本上相等且相反。可设置第一液体透镜单元的光焦度和第二液体透镜单元的光焦度以提供像平面处的聚焦。 

在一个实施方式中，第一对液体透镜单元在第一方向上相互偏移，且第二对液体透镜单元在与第一方向基本垂直的方向上相互偏移。第一对液体透镜单元在其偏移方向上提供图像稳定，而第二对液体透镜单元在其偏移方向上提供图像稳定。 

第一对液体透镜单元可在一个方向上相互偏移，且第二对液体透镜单元可在基本不同的方向上相互偏移，第二对液体透镜单元的偏移幅度大于或小于第一对液体透镜单元的偏移幅度。例如，第一对液体 透镜单元的稳定范围大于两倍的第一对液体透镜单元的稳定范围。 

在任何一个实施方式中，一个或更多附加的液体透镜单元可用于补偿热效应，调整传输至像侧空间的辐射的焦点，或作为变焦配置的一部分。 

附图说明

图1为照相机的方框图； 

图2为采用液体的变焦透镜系统的光学示意图； 

图3A和图3B为图2的变焦透镜系统的液体单元的光学示意图，其中示出液体之间的表面形状； 

图4A、图4B和图4C为图2的变焦透镜系统的光学示意图，示出用以产生不同的焦距和焦点距离(focus distances)的变焦透镜组的不同位置以及液体之间的表面形状； 

图5A、5B和5C为图4A、图4B和图4C的变焦透镜系统的调制传递函数性能图；

图6A和图6B为采用液体稳定一个方向上的图像的透镜系统的光学示意图； 

图7A和图7B为采用液体稳定任意方向上的图像的透镜系统的光学示意图； 

图8A、图8B和图8C为图7A和图7B的透镜系统的光学示意图，其中示出用以产生不同的焦距和焦点距离的变焦透镜组的不同位置和液体之间的表面形状； 

图9A、图9B、图9C和图9D为图7A和图7B的透镜系统的光学示意图，其中示出用以稳定图像的变焦透镜组的不同位置和液体之间的表面形状； 

图10A、图10B、图10C和图10D为图7A和图7B的透镜系统的光学示意图，其中示出用以稳定图像的变焦透镜组的不同位置和液体之间的表面形状； 

图11A、11B和图11C为如图8A、图8B和图8C中配置的透镜系统的调制传递函数的性能图； 

图12A、图12B、图12C和图12D为如图9A、图9B、图9C和图9D中配置的透镜系统的调制传递函数的性能图； 

图13A、图13B、图13C和图13D为如图10A、图10B、图10C和图10D中配置的透镜系统的调制传递函数的性能图。 

具体实施方式

下面参照附图描述优选实施方式，附图组成具体实施方式的一部分并在其中图示出可实施本发明的具体实施方式。应该理解的是，在不脱离本发明范围的情况下，可采用其他实施方式以及改变结构。 

于2007年10月8日提交的、序列号为60/783,338、标题为“液体光学变焦透镜和成像装置”的美国临时专利申请，通过引用并入本文，其中公开了一种采用液体光学元件以提供变焦和聚焦功能的变焦透镜系统。液体光学元件还可用于提供稳定性。在此公开了一种使用液体光学元件的示例性的实施方式。 

变焦透镜系统中的液体光学元件

图1示出具有变焦透镜102的摄像机100的方框图。变焦透镜是能够改变焦距的透镜元件的组件。单独的透镜元件可安装在适当的位置，或沿着透镜的本体轴向滑动。透镜组可由一个或多个透镜元件组成。至少一个可移动的透镜组提供物体放大率的变化。随着移动该至少一个透镜组以实现放大，焦平面的位置也可移动。可移动至少一个其他可移动的透镜组来补偿该焦平面的移动，以保持恒定的焦平面位置。还可通过当透镜放大率改变时移动全部透镜组件来机械地达到对焦平面移动的补偿。 

单独的透镜元件可由固相材料构成，例如玻璃、塑料、结晶体或半导体材料，或利用液态或气态材料构成，例如水或油。透镜元件之间的空间可包含一种或多种气体。例如，可使用标准空气、氮气或氦气。可选地，透镜元件之间的空间可为真空。当本公开中使用“空气”时，应该理解使用的是广义含义，其可包括一种或多种气体，或为真空。 

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

变焦范围部分地取决于可移动的透镜元件的移动范围。大的变焦范围需要用于透镜元件移动的额外空间。实施液体单元技术的透镜组可替换一个或更多可移动的透镜组。因为液体单元不需要轴向移动的空间，因此可减少包含可移动的透镜组的透镜设计的长度。可选地，用于可移动的透镜组移动的空间可用于包括额外的光学元件或光学折层(optical folds)。虽然液体单元不需要移动用的空间，但是液体单元可作为可移动的透镜组的一部分。 

液体单元可用于变焦和聚焦。在一个实施方式中，可移动的透镜组与实施液体单元技术的透镜组一起使用。不需要具有一个可移动的透镜组的机械凸轮。不具有凸轮允许额外的移动。 

一个或多个可移动的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。单一的可移动的透镜组和单一的液体单元可一起实施变焦、聚焦以及热效应的补偿。在一种实施方式中，变焦系统至少具有第一和第二透镜组。第一透镜组为相对高光焦度的，而第二透镜组为相对低光焦度的，透镜光焦度等于透镜焦距的倒数。第一透镜组包括常规玻璃透镜或其他固体透镜，第二透镜组包括至少一个液体透镜。 

液体单元使用两种或更多种液体来形成透镜。透镜的焦距部分地由液体之间的接触角和液体间的折射率差异来确定。光焦度变化的范围受到所采用的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的限制。通过引用并入本文的公开号为2006/0126190的美国专利申请，公开了一种采用通过电润湿法产生液滴变形的透镜。通过引用并入本文的第6,936,809号美国专利，公开了一种使用电润湿技术以横向偏移在像面上形成的图像。 

目前预期的液体透镜系统的折射率之差至少约0.2，优选地至少约0.3，在一些实施方式中至少约为0.4。水具有约1.3的折射率，且加盐后折射率可变为约1.48。适合的光学油(optical oils)可具有至少约1.5的折射率。甚至利用具有较高、较低或较高和较低折射率的液体， 例如较高折射率的油，光焦度变化的范围仍受到限制。受限的光焦度变化范围通常提供比可移动的透镜组小的放大率变化。因此，在简单的变焦透镜系统中，为了提供变焦同时保持恒定的像面位置，通过一个可移动的透镜组提供大部分的放大率变化，且通过一个液体单元提供放大率变化期间像面上大部分的散焦补偿。然而，应该注意，可利用更多的可移动的透镜组或更多的液体单元，或利用更多的可移动的透镜组和更多的液体单元。 

可移动的透镜组可具有正或负光焦度。液体单元可具有一定范围的可变光焦度，其中光焦度总为正、总为负或从正变为负或从负变为正。可移动的透镜组和液体单元的适当布置可提供大于2倍且优选地大于3倍的扩展的变焦比，且同时在整个变焦范围内提供良好的图像质量。除变焦之外，该布置还可通过利用来自液体单元、可移动的透镜组或两者的额外可获得的光焦度变化，在扩展的聚焦范围内的不同物距处提供聚焦。液体单元或可移动的透镜组或者两者为聚焦所提供的额外光焦度变化是容易获得的。由于一个可移动的透镜组不需要具有固定移动轨迹的凸轮，因此可调节可移动的变焦透镜组的位置以变焦和聚焦。通过利用可移动的变焦透镜组和液体单元进行变焦和聚焦实现了高性能成像。 

还可用至少一个液体单元替换可移动的变焦透镜组。这将增加光学系统的复杂性，并导致光学系统具有其他缺点，例如减小的放大率变化。 

图1还示出透镜控制模块104，其控制透镜中的透镜组102的移动和操作。控制模块104包括控制液体透镜单元的曲率半径的电路。电路还可控制可移动的透镜组的位置。可预先确定用于不同焦点位置和变焦位置的适当的电子信号电平，并将其置于查找表中。可选地，模拟电路或电路与查找表的组合可生成适合的信号电平。在一个实施方式中，用多项式确定适合的电子信号电平。沿着多项式的点可被存储在查找表中，或者多项式可通过电路实施。 

在控制液体之间的表面的曲率半径或可移动的透镜组的位置或者两者时还可考虑热效应。多项式或查找表可包括额外的与热效应相关 的变量。 

控制模块104可包括用于特定变焦设置或焦距的预置控制。这些设置可由使用者或照相机制造商存储。 

图1进一步示出图像捕获模块106，图像捕获模块106接收与外部物体相应的光学图像。该图像沿着穿过透镜102的光轴被传输至图像捕获模块106。图像捕获模块106可采用不同的形式，例如胶片(例如生胶片或静止影像胶片)，或电子图像检测技术(例如CCD阵列、CMOS装置或视频拾取电路)。光轴可为线状的，或者光轴可包括折叠。 

图像存储模块108将所捕获的图像保存在例如单板存储器或胶片、磁带或磁盘上。在一个实施方式中，存储介质为可移除的(例如闪存、胶片筒、磁带盒或磁盘)。 

图像传输模块110将所捕获的图像传输至其他装置。例如，图像传输模块110可使用一种或多种连接，例如USB端口、IEEE 1394多媒体连接、以太网端口、蓝牙无线连接、IEEE 802.11无线连接、视频元件连接或S视频连接。 

照相机100可以以多种方式实现，例如摄像机、移动电话相机、数字图像摄像机或胶片摄像机。 

现在将通过设计示例来描述变焦透镜的实施方式。首先参照图2，通过字母“E”和跟随其后的数字1至20来表示每个透镜元件，并描述每个透镜元件的总体配置，但是每个透镜表面的实际半径在表1中列出。以数字1至36来表示透镜、物体、光阑或可变光圈以及像面。通过字母“G”和跟随其后的数字1至3表示图2中的三个透镜组，通过字母“LC”表示液体透镜单元，液体透镜单元包括光学表面19至23。光轴在图2中由数字38表示。 

每个透镜元件具有以独立但连续的表面数字表示的相对表面，例如如图2所示，透镜元件E1具有透镜表面2和透镜表面3，透镜元件E9具有透镜表面17和透镜表面18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38上的竖直线和数字1表示，且实像面由数字36表示。除透镜表面4和透镜表面8之外的所有透镜表面都为球面或平面，透镜表面4和透镜表面8为非球形、非平的但关于光轴 旋转对称的非球面。 

在描述透镜元件的详细特征之前，针对变焦透镜系统60给出透镜组和透镜组的轴向位置及移动、以及液体透镜单元和与液体接触的表面形状的变化的概括描述。 

每个透镜组的正光焦度或负光焦度定义为焦距的倒数。得出的每个透镜组的光焦度如下：物镜组G1为正，变焦透镜组G2为负，而后透镜组G3为正，且随着液体单元中表面形状的变化从较低的正值变化到较高正值。位于图2上部的两端带有箭头的水平箭头标志表示变焦透镜组G2可在两个轴向方向上移动。 

图2中仅物理地示出了透镜元件，应该理解的是，可在透镜壳体或镜头筒中提供用于支撑透镜元件以及使可移动的变焦透镜组轴向移动的机械装置和机构。另外，应该理解的是，电路改变液体透镜单元中的形状可变化的光学表面的轮廓。 

在表1中列出了上述变焦透镜系统60中的透镜结构和构造的数据。表1中的数据是在25℃(77℉)的温度以及标准大气压(760mmHg)下给出的。在整个说明书中，除波长为纳米(nm)之外，计量单位均为毫米(mm)。在表1中，第一栏的“项目”表示具有与图2中使用的相同标号或标识的每个光学元件以及每个位置，即物面、像面等。第二栏表示具有与图2中使用的相同的标号的光学元件(透镜)所属的“组”。第三栏“表面”为如图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”)、光阑(可变光圈)13和透镜的每个实际表面的列表。第四栏“焦点位置”表示变焦透镜系统60的三个典型焦点位置(F1、F2和F3)，其中如以下更全面描述的，在第三栏所列出的一些表面之间的距离(间隔)存在变化，并且在第三栏列出的表面21的曲率半径也存在变化。第五栏“间隔”为表面(第三栏)与下一表面之间的轴向距离。例如，表面S2与表面S3之间的距离为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表，负号(-)表示曲率半径的中心在表面左侧，如图2所示，“无穷大”表示光学上扁平的表面。表面4和8的星号(*)表示表面 4和8为非球面，其“曲率半径”为基圆半径(base radius)。使用非球面提供了对变焦透镜的像差的校正，使变焦透镜整体尺寸更小并且配置更简单。非球面4和非球面8的表面轮廓的公式和系数由下述等式决定： 

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

其中，c为表面曲率(c＝1/r，其中r为曲率半径)； 

y为从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为二次曲线系数； 

A、B、C、D、E、F分别为第4、第6、第8、第10、第12和第14阶的形变系数(deformation coefficient)； 

z为对于给定y值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＝+0.9038×10^-6

B＝+0.2657×10^-8

C＝-0.1105×10^-10

D＝+0.4301×10^-13

E＝-0.8236×10^-16

F＝+0.6368×10^-19

表面8的系数为： 

κ＝0.0000 

A＝0.5886×10^-4

B＝-0.5899×10^-6

C＝0.8635×10^-8

D＝-0.5189×10^-10

E＝-0.1186×10^-11

F＝0.1631×10^-13

表1的第七栏至第九栏涉及图2中表面(第三栏)与其右侧下一 表面之间的“材料”，“类型”栏表示两个表面之间为透镜(玻璃)或空的空间(空气)或液体透镜(液体)。玻璃和液体透镜在“代码”栏中由光学玻璃或光学浸液来表示。为了简便起见，所有透镜玻璃均选自可从Ohara Corporation(小原株式会社)获得的玻璃，并且“名称”栏列出了每种玻璃类型的小原标识(Ohara identification)，但应该理解的是，也可使用任何等同的、相似的或适合的玻璃。而且，油的透镜液体选自可从Cargille Laboratories，Inc.(迈科诺技术有限公司)获得的液体，并且水是通常可从各种水源获得的，但应该理解的是，可以使用任何等同的、相似的或适合的液体。表面20处的水基液体在波长656.27、589.29、546.07和486.13nm处分别具有折射率1.331152、1.332987、1.334468和1.337129。表面21处的油液在波长656.27、589.29、546.07和486.13nm处分别具有折射率1.511501、1.515000、1.518002和1.523796。 

表1中标题为“孔径直径”的最后一栏提供光线穿过的每个表面的最大直径。对于所有的变焦和焦点位置，对于像面上大约6mm的最大图像直径和F/2.8至F/4.0的F数，在波长546.1纳米处给出除光阑表面13以外的所有最大孔径直径。在表1中，对于变焦位置Z1和焦点位置Z1，在波长为546.1纳米和像面上的F数为F/2.8时给出了光阑表面13的最大孔径直径。在像面36上，以大致值给出了最大孔径直径。 

表1 

变焦透镜系统60在表面13处设置有光阑，用于控制光线在该位置可穿过的孔径的直径。光阑为物理光圈(或膜片)所在的位置。光圈位于后透镜组G3前方并相对透镜组轴向固定。注意，在图4A中，边缘光线经过光阑表面13的刻度(tic marks)的轴侧，从而使变焦透镜系统在任何场位置、变焦位置和焦点位置都没有光束的渐晕。然而，注意，F数随变焦和焦点位置而变化，而且光圈相应地打开或关闭。对于焦点位置F1，变焦位置Z1-Z8的光圈的直径为6.71、6.39、5.96、5.53、5.18、4.84、4.63和4.61。这表明随着焦距增加，位于表面13处的光圈应当关闭。与焦点位置F1相比，对于焦点位置F2和F3的变焦位置Z1-Z8的光圈直径发生小于0.3mm直径的少量变化，以保持对于焦点位置F1的相同的F数。 

参照表1，表1示出了以数据阐明的存在八个不同的变焦位置Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7和Z8以及三个不同的焦点位置F1、F2和 F3的设计的范围和多样性，实际上，这些数据为可移动的变焦透镜组G2和可变形状的光学表面21提供了二十四(8×3＝24)个不同的位置组合。 

在546.1纳米波长处，变焦透镜系统60在焦点位置F1处对于变焦位置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纳米波长处，对于数据位置Z1-Z8的焦距所对应的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，距离像面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和表3提供了表面7和表面12的间隔值，表4提供了表面21对于变焦位置Z1-Z8和焦点位置F1-F3的曲率半径。 

表2 

表面7的间隔值 

表面 焦点  Z1      Z2      Z3       Z4       Z5       Z6       Z7       Z8 

7    F1    0.0832  5.7132  13.7126  18.4633  21.6974  27.4007  30.5400  31.3096 

7    F2    0.0902  5.7486  13.6468  18.3289  21.5154  27.0776  30.0174  30.7361 

7    F3    0.0750  5.6942  13.4674  18.1217  21.3355  26.7467  29.5798  30.2701 

表3 

表面12的间隔值 

     焦 

表面       Z1       Z2       Z3       Z4       Z5       Z6      Z7      Z8 

     点 

12   F1    31.5294  25.8992  17.8996  13.1486  9.9140   4.2101  1.0701  0.3000 

12   F2    31.5178  25.8581  17.9590  13.2762  10.0892  4.5268  1.5870  0.8729 

12   F3    31.5324  25.9120  18.1380  13.4831  10.2689  4.8577  2.0248  1.3384 

表4 

表面21的曲率半径 

表   焦 

          Z1        Z2        Z3        Z4         Z5         Z6         Z7        Z8 

面   点 

21   F1   -33.9902  -40.9700  -60.9667  -84.8892   -106.7630  -101.7297  -58.3998  -48.6792 

21   F2   -34.3890  -42.0587  -65.5384  -101.1799  -154.9184  -370.2777  -263.5374 -212.3139 

21   F3   -35.0134  -43.6001  -72.6330  -133.7178  -351.2333  214.4454   125.5481  115.8049 

可以理解，在极端焦点位置F1与F3之间可以获得连续聚焦，在极端变焦位置Z1与Z8之间可以获得连续变焦，在所描述的聚焦和变焦范围内通过透镜系统60可以获得连续聚焦和变焦的任何组合。 

图2中所示出和表1中所规定的变焦透镜系统60对于透镜组G1和G2分别具有54.30和-12.25mm的焦距。而且，由于液体之间的光学表面21的形状可变，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约为-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。这种差异发生在变焦位置Z1和焦点位置F1处以及变焦位置Z8和焦点位置F3处。在该实施方式中，表面20、21和21、22之间的两种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之间的轴向间隔发生小的、相等但相反的改变，以保持每种液体的体积恒定。 

现在参照4A、4B、和4C，其中示出变焦透镜系统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踪迹。图4A表示了焦点位置F1和变焦位置Z1，表1中以无穷远的焦点和约为5.9mm的较小焦距阐明了针对焦点位置F1和变焦位置Z1的数据。图4B以表1中的中间焦点和约11.3mm的焦距表示了焦点位置F2和变焦位置Z3。图4C以表1中的近焦点和约44.8mm的焦距表示了焦点位置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，具有可变光学表面21的相应的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，其中以表1中所给出的变焦位置和焦点位置的三种不同组合，即作为代表性示例的(Z1，F1)、(Z3，F2)、和(Z8，F3)，对于五个不同的场位置， 以百分比(％)示出了基于衍射的的多色调制传递函数(“MTF”)数据(调制与空间频率的关系)。以两个数值给出所述场位置，即归一化的图像高度(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的右上角记录的波长和权重处，并以图形方式示出像面36上测量的切向(T)和径向(R)。注意，切向和径向值在轴向场位置(轴)处是相等的并仅用一个图来描绘。给定约6mm的图像直径，所示出的最大空间频率为90周/mm，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。空间频率处的MTF是光学性能的相对标准的测量，其中数值“90周/mm”意味着在用于确定清晰度的图上每毫米90对黑白线。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的全切向场。最小相对照度约为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减少。对于现有技术的探测器而言，较高的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，并且在变焦过程中连同图像的改变忠实地重现图像角落中的阴影。小于50％的照度可能导致电子探测器中的阴影，但是对于胶片而言可能是可接受的。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，所谓的透镜“呼吸”问题(但是可能在变焦透镜中更为普遍)，即从远焦到近焦图像尺寸发生改变，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，而由于景深较大该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％。呼吸是从无穷远焦点到所选择的焦点最大视场角的百分比变化。因此，在无穷远焦点(F1)处，呼吸为零，因为它是参考视场。 

在25℃(77℉)的温度、标准大气压(760mm Hg)下以及在变焦透镜系统60中可获得的全孔径处给出全部的性能数据。然而，变焦透镜系统60在0℃至40℃(32℉至104℉)的温度范围内的确 提供了基本恒定的性能，例如MTF值，并且如果性能(MTF)的小幅下降是可以接受的，则操作温度范围可以扩展至-10℃至50℃(14℉至122℉)或更大。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者通过二者的结合实现最优性能。这可以发生在所有的变焦及焦点位置。在约0℃(32℉)或0℃以下的低温下，为了避免结冰(形成固体)，液体可能需要加热，或者采用与为了低温运行而将防冻剂添加到汽车散热器中的水中的相似方式，将液体替换为含添加剂的液体。然而，注意这些材料温度变化优选地不应显著改变液体的光学特性。 

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(所谓的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的设计产生了具有高性能并且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的设计是示例性的，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到变焦透镜系统60的其它特征和优点。 

采用图像稳定的透镜系统中的液体光学元件

图6A和图6B示出采用液体以稳定图像的透镜系统的光学示意图。图6A示出在YZ平面中的透镜系统，其中液体透镜单元70和71为离轴、偏心的并且沿Y轴轻微倾斜的。图6B示出在XZ平面中的透镜系统，其中液体透镜单元70和71沿X轴居中。在该简化的透镜系统中，光从物空间穿过透镜元件72。在光圈的另一侧，光穿过液体透镜单元70和71。透镜元件73使光会聚在像面74上。 

图6A中的光学示意图示出在YZ平面中倾斜或旋转透镜的影响。 如图所示，在YZ平面中倾斜透镜导致像面74上的图像上移或下移。对液体透镜单元70和71进行定位，以便协同地控制液体透镜单元70和71以补偿YZ平面中透镜倾斜的影响。 

图7A和图7B示出使用四个液体透镜单元以稳定图像的透镜系统80的光学示意图。透镜系统80可与照相机100一起使用。图7A示出在YZ平面中的透镜系统80，且图7B示出XZ平面中的透镜系统80。透镜系统80包括第一固定物镜组81、第二移动透镜组82、光圈83、第三固定透镜组84、第一液体透镜单元85、第四固定透镜组86、第二至第五液体透镜单元86、88、89、90以及第五固定透镜组91。图像在像面92上形成。液体透镜单元87和88沿y轴以相对方向偏置，且液体透镜单元89和90沿z轴以相对方向偏置。因此，对液体透镜单元87和88的可变表面形状的控制提供图像沿y轴在像面92处的稳定性，对液体透镜单元89和90的控制提供图像沿x轴在像面92处的稳定性。 

图7A和图7B中所示的配置，示出沿z轴对准的液体透镜单元。可选地，除了沿着x轴或y轴偏移之外，液体透镜单元还可围绕z轴倾斜，或者液体透镜单元还可围绕z轴倾斜而不沿x轴和y轴偏移。沿x轴或y轴或沿两者使液体透镜单元偏移都增加系统80中透镜的物理直径。倾斜液体透镜单元可允许减小或消除可减小液体透镜单元物理直径的x和y方向上的偏移，并可允许更好的图像稳定。 

图7A和图7B中不含液体透镜单元的每个透镜组的光焦度和焦距如下：物镜组81为正且为+54.700mm，移动透镜组82为负且为-12.165mm，透镜组84为正且为+70.285mm，透镜组86为正且为+42.266mm，后透镜组91为正且为+19.147mm。 

表5列出了图7A和图7B示出的透镜元件的一般配置。在25℃(77℉)的温度以及标准大气压(760mm Hg)下，给出表5中的数据。焦距范围大致为6mm至45mm。视场范围大致为56.7°至7.7°(包括在无穷远焦点位置F1的变形)。变焦比率大致为7.5倍(7.5∶1)。使用16:9格式的图像尺寸大致为Φ6mm。焦点范围大致为无穷远(焦点位置F1)至378.25mm(焦点位置F3)，是从物体到最近倍率透镜表面的顶点测得的。波段范围大致为486nm至656nm。透镜系统80提 供从至少约15mm至45mm的焦距，在大致±1/4图片半高度以及±1/8图片半宽度范围中的图像稳定。 

表5 

组87和88中的所有表面分别沿y轴偏离中心-4.3915mm和+4.3915mm，且组89和90中的所有表面分别沿x轴偏离中心-3.9888mm和+3.9888mm。所有其余表面均排列在光轴上。表面4、表面7和表面53的星号(*)表示他们为非球面。表面4的系数为： 

κ＝-0.5673 

A＝+0.9038×10^-6

B＝+0.2657×10^-8

C＝-0.1105×10^-10

D＝+0.4301×10^-13

E＝-0.8236×10^-16

F＝+0.6368×10^-19

表面7的系数为： 

κ＝+0.0000 

A＝+0.5886×10^-4

B＝-0.5899×10^-6

C＝+0.8635×10^-8

D＝-0.5189×10^-10

E＝-0.1186×10^-11

F＝+0.1631×10^-13

表面53的系数为： 

κ＝+0.0000 

A＝-0.5302×10^-4

B＝+0.8782×10^-6

C＝+0.7761×10^-7

D＝-0.1700×10^-8

E＝-0.1965×10^-9

F＝+0.6903×10^-11

变焦透镜系统80在焦点位置F1处对于变焦位置Z1-Z8的焦距分别为6.0003、7.6131、11.4304、15.2474、19.1105、30.4619、41.4244和44.9809。对于变焦位置Z1-Z8的相应的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，假定物面位于无穷远，对于焦点位置F2，物面处于约1016.25mm的中间距离，而对于焦点位置F3，物面位于约378.75mm的近距离处(即，距离像面378.75mm)。透镜组81、84、86和91在变焦透镜组82的整个移动范围内保持在相同的位置。 

图8A、图8B和图8C为示出示例性的变焦位置和焦点位置的透镜系统80的光学示意图。在图8A中，针对焦点位置F1(物平面位于无穷远)和变焦位置Z1(F数为2.80)配置透镜系统80。在图8B中，针对焦点位置F2(物平面位于1016.25mm处)和变焦位置Z3(F数为3.05)配置透镜系统80。在图8C中，针对焦点位置F3(物平面位于378.75mm处)和变焦位置Z8(F数为4.00)配置透镜系统80。 

表6提供了对于焦点位置F1-F3和变焦位置Z1-Z8而言，透镜组81中最后一个透镜表面与透镜组82中第一个透镜表面的间隔值。 

表6 

81和82之间的间隔值 

表7提供了对于焦点位置F1-F3和变焦位置Z1-Z8而言，透镜组82中最后一个透镜表面与光圈83的间隔值。 

表7 

82和83之间的间隔值 

表8提供了对于焦点位置F1-F3和变焦位置Z1-Z8而言，透镜系统80的光圈的直径。 

表8 

光圈直径 

表9-13提供了对于焦点位置F1-F3和变焦位置Z1-Z8而言，透镜系统80的液体透镜单元85、87、88和89的曲率半径。 

表9 

液体透镜单元85的曲率 

表10 

液体透镜单元87的曲率 

表11 

液体透镜单元88的曲率 

表12 

液体透镜单元89的曲率 

表13 

液体透镜单元90的曲率 

表9-13提供的值用于当图像稳定时且不需要对图像跳动进行校正的条件。当检测到图像跳动时，调节液体透镜单元的曲率半径以进行补偿。表14提供了对于-0.5000度和0.5000度的x方向的示例性偏移以及0.4500度和-0.4500度的y方向的示例性偏移，在透镜系统80的焦点位置F2和变焦位置Z8处液体透镜单元85、87、88、89和90的曲率半径。 

表14 

变焦位置8和焦点位置2处的液体透镜单元稳定性 

y偏移     x偏移 

                    曲率85     曲率87      曲率88     曲率89     曲率90

(度)      (度) 

+0.5000   0.0000    -212.3139  58.4594     -275.2157  88.1999    78.5201 

-0.5000   0.0000    -212.3139  -3112.4429  45.3929    109.7978   121.1403 

0.0000    +0.4500   -212.3139  128.0860    193.7925   40.6736    -1791.4692 

0.0000    -0.4500   -212.3139  84.8003     101.7532   -191.6639  43.2782 

图9A、图9B、图9C和图9D为按照如表14所示配置的透镜系统80的光学示意图。图9A示出对于+0.5000度的y方向偏移的图像稳定性。图9B示出对于-0.5000度的y方向偏移的图像稳定性。图9C示出对于+0.4500度的x方向偏移的图像稳定性。图9D示出对于-0.4500度的x方向偏移的图像稳定性。 

表15提供了对于+1.5000度和-1.5000度的x方向的示例性偏移以及+1.2200度和-1.2200度的y方向的示例性偏移，在透镜系统80的焦点位置F1和变焦位置Z4处液体透镜单元85、87、88、89和90的曲率半径。 

表15 

变焦位置4和焦点位置1处的液体透镜单元稳定性 

y偏移    x偏移     曲率85     曲率87     曲率88     曲率89     曲率90

(度)     (度) 

+1.5000  0.0000    -84.8892   51.5591    -271.8934  143.7170   72.8023 

-1.5000  0.0000    -84.8892   -762.4547  42.5934    103.3767   143.1168 

0.0000   +1.2200   -84.8892   140.6245   113.4484   43.9052    -341.3372 

0.0000   -1.2200   -84.8892   86.3979    81.3499    -145.4669  46.5625 

图10A、图10B、图10C和图10D为按照如表15所示配置的透镜系统80的光学示意图。图10A示出对于-1.5000度的y方向偏移的图像稳定性。图10B示出对于+1.5000度的y方向偏移的图像稳定性。图10C示出对于+1.2200度的x方向偏移的图像稳定性。图10D示出对于-1.2200度的x方向偏移的图像稳定性。 

在表5-15中给出的液体透镜单元数据的光焦度和焦距如下：第一单元85为负到正且为-185.198mm到630.972mm，第二单元87为正到负且为+280.924mm到-4154.291mm，第三单元88为正到负且为+232.078mm到-1481.432mm，第四单元为正到负且为+221.613mm到-792.587mm，以及第五单元90为正到负且为+235.804mm到-1859.801mm。 

在图11A-11C、12A-12D以及13A-13D中给出透镜系统80的光学性能。图11A-11C与图8A-8C中示出的光学配置相对应。图12A-12D与图9A-9D中示出的光学配置相对应。图13A-13D与图10A-10D中示出的光学配置相对应。 

以表5中所给出的变焦位置和焦点位置的三种不同组合，即作为代表性示例的(Z1，F1)、(Z3，F2)、和(Z8，F3)，对于五个不同的场位置，以百分比(％)示出了基于衍射的的多色调制传递函数(“MTF”)数据(调制与空间频率的关系)。五个场位置(轴和四个角)以角度表示为x-y视场角。MTF百分比处于在图11A-11C。12A-12D和13A-13D的右上角所给出的波长和权值处，并针对像面92上的x和y测量方向以图形方式示出。 

透镜系统80具有的畸变特征与具有略微增加的全场畸变(fullfield distortion)的透镜系统60的畸变特征相似，由于液体透镜是偏心的，单元系统60的全场畸变略微地不对称。透镜系统80基本上是非渐晕的，并且相应的相对照度非常高并与透镜系统60的照度相似。透镜系统80具有的呼吸特征基本上与透镜系统60的呼吸特征相似。 

给定约6mm的图像直径，所示出的最大空间频率为60周/mm，对探测器像素尺寸的选择可以提供至少高达标清电视(SDTV)分辨率，即720个水平像素乘480个竖直像素的高质量图像。在图11中，在长 焦距处，在通常实际上没有远距离位置和中间距离位置即F1和F2重要的近焦位置(Z8，F3)，光学性能(MTF)减小至约55％。然而，在远距离处稳定操作时，光学性能(MTF)维持在约60％以上。可移动的透镜组82在稳定期间可轴向移动，且液体透镜单元的可变曲率半径在稳定期间可独立的变化，这允许光学性能升至或超过大致相当于HDTV分辨率的90周/mm。 

图12A-12D与图9A-图9D示出的光学配置相对应。 

图13A-13D与图10A-图10D示出的光学配置相对应。 

图7-图10示出的实施方式利用液体透镜单元85来聚焦、变焦和热补偿；液体透镜单元87和88主要用于在y方向偏离的入射辐射的稳定；且液体透镜单元89和90主要用于在x方向偏离的入射辐射的稳定。可移动的透镜组82主要提供变焦。在另一个实施方式中，可从系统中除去液体透镜单元85，并且所保留的液体透镜单元87、88、89和90可提供变焦、聚焦和稳定性。液体透镜单元85还可由非液体透镜单元代替。而且，可允许可移动的透镜组82在稳定期间轴向移动，允许所有液体透镜单元的可变曲率半径在稳定期间变化，或允许以上两者。这可改进透镜系统80的光学性能，特别在稳定期间视场角落处的光学性能。 

透镜系统80可采用一对液体透镜单元以提供单一方向的稳定，而非利用两对液体透镜单元。例如，当水平方向的图像跳动可忍受时，则可期待减小垂直的图像跳动。 

在某种程度上，液体透镜单元偏移光轴的尺寸决定液体透镜单元可提供的稳定量。然而，随着液体透镜单元远离光轴有效孔径直径减小，在一个实施方式中，第一对液体透镜单元偏移光轴的量与第二对液体透镜单元偏移的量不同。因为偏移增加，所以第一对液体透镜单元可提供垂直方向的较大稳定，而因为相对光轴的偏移量减小，所以第二对液体透镜单元提供在水平方向上较小的稳定但是较大的孔径。 

可使用不同类型的传感器检测透镜系统的移动。例如，可使用角速度传感器、压电陀螺传感器、加速度传感器或光检测传感器来检测移动。通过引用并入本文的美国第6,092,700号专利公开了检测移动的 系统的示例。 

移动传感器将信息提供至确定液体透镜单元85、87、88、89和90的适合的曲率半径的控制器。控制器还确定透镜组82的适合位置。通过引用全文合并与此的公开号为2006/0045504的美国专利申请，公开透镜系统的控制器。通过引用全文合并与此的第6,987,529号美国专利公开控制透镜系统的另一示例。 

可预先确定用于控制液体透镜单元半径的适合的电子信号的电平，并将其置于查找表中。可选地，模拟电路或数字电路和查找表的组合可生成适合的信号电平。在一个实施方式中，用公式确定适合的电子信号电平。沿着多项式的点可被存储在查找表中，或多项式可由电路实施。 

虽然附图示出了变焦透镜的图像稳定，但是图像稳定还适合其他辐射控制装置，例如固定的聚焦透镜、变焦透镜、畸变透镜、光中继系统等等。 

液体透镜单元还可与其他光学元件一起组合使用以实现稳定。例如，将液体透镜单元与棱镜成对使用以改进稳定性能。透镜元件的移动可导致传感器上图像位置的移动、传感器上图像的倾斜或离心移动。液体透镜单元可用于补偿传感器上图像的移动，且其他透镜单元可补偿离心移位或补偿倾斜和离心两者。传感器可具有额外像素，以及移动检测算法、加速表或陀螺仪，这些可用于确定像素上图像的位置并因此补偿图像移位。 

应该注意，对于本领域技术人员而言，各种改变和修改是显而易见的。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 (16)

1.一种图像稳定系统，包括：

多个透镜元件，沿着至少两个光轴对准；以及

至少一个液体透镜单元，其包括第一接触液体和第二接触液体，其中所述接触液体之间的接触光学表面具有可变形状，所述可变形状关于其自身的光轴是基本对称的，其中所述至少一个液体透镜单元相对于所述多个透镜元件偏移，以使得所述可变形状关于至少一个其他光轴是不对称的；

其中所述多个透镜元件和所述至少一个液体透镜单元被配置成聚集从物侧空间发出的辐射，并且为传输至像侧空间的辐射提供至少部分稳定。

2.如权利要求1所述的图像稳定系统，进一步包括第二液体透镜单元，其中所述至少一个液体透镜单元和所述第二液体透镜单元被配置成为传输至像侧空间的辐射提供基本稳定。

3.如权利要求2所述的图像稳定系统，其中基本稳定是沿直线方向的。

4.如权利要求2所述的图像稳定系统，其中传输至像侧空间的辐射沿垂直方向为基本稳定的。

5.如权利要求1所述的图像稳定系统，进一步包括至少四个液体透镜单元。

6.如权利要求5所述的图像稳定系统，其中所述至少四个液体透镜单元被配置成为传输至像侧空间的辐射提供基本稳定。

7.如权利要求6所述的图像稳定系统，其中所述基本稳定是多个方向上的。

8.如权利要求6所述的图像稳定系统，其中传输至像侧空间的辐射在所有方向都为基本稳定的。

9.一种图像稳定系统，包括：

多个透镜元件，沿着公共光轴对准；以及

至少一个液体透镜单元，其包括第一接触液体和第二接触液体，其中所述接触液体之间的接触光学表面具有可变形状，所述可变形状关于所述液体透镜单元的光轴为基本对称的，其中所述液体透镜单元相对于所述多个透镜元件偏移，以使得所述多个透镜元件的公共光轴不与所述液体透镜单元的光轴对准；

其中沿着公共光轴对准的所述多个透镜元件、以及所述液体透镜元件被布置成聚集从物侧空间发出的辐射，并且为传输至像侧空间的辐射提供稳定。

10.如权利要求9所述的图像稳定系统，其中所述接触光学表面的形状受到电控制，以为传输至像侧空间的辐射提供稳定。

11.如权利要求9所述的图像稳定系统，进一步包括加速度计，以检测至少一个透镜单元的移动。

12.如权利要求11所述的图像稳定系统，其中所述加速度计所检测到的移动用于控制所述接触液体的可变形状。

13.如权利要求9所述的图像稳定系统，进一步包括激光陀螺仪，以检测至少一个透镜单元的移动。

14.如权利要求9所述的图像稳定系统，其中传输至像侧空间的辐射为基本稳定的。

15.如权利要求9所述的图像稳定系统，进一步包括控制系统，所述控制系统被配置成检测照相机的移动镜头运动，其中由于移动镜头运动而引起的像移未得到校正。

16.如权利要求9所述的图像稳定系统，其中具有小于2Hz频率的运动是不稳定的。

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