CN102388325A - 可变焦度光学系统 - Google Patents

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Abstract

液体透镜单元被用于可变焦度光学系统中。在一个实施方式中,光阑位于包括至少第一液体透镜单元的第一透镜组与包括至少第二液体透镜单元的第二透镜组之间。在一个实施方式中,液体透镜单元控制光线在像面的入射角。

Description

可变焦度光学系统
相关申请
本申请要求于2009年4月10日提交的第61/168,524号美国临时申请的优先权,该临时申请的全部内容通过引用并入本文并成为本说明书的一部分。
背景技术
本发明涉及采用液体光学器件的可变焦度(power)光学系统。
变焦透镜通常具有三个或更多个移动透镜组以实现变焦和聚焦功能。机械凸轮可连接两个可移动透镜组以进行变焦,第三可移动透镜组可用于聚焦。
变焦范围部分地由可移动透镜元件的移动范围确定。更大的变焦范围可能需要用于透镜元件移动的额外空间。
诸如电荷耦合器件(CCD)传感器和CMOS图像传感器(CIS)的图像传感器通过诸如光电二极管的小的光敏区域收集光。图像传感器可使用微透镜以通过从大的光收集区域收集和聚焦光来改善光敏性。到达微透镜或光敏区域的光的入射角影响光敏区域所收集的光的量,其中在一些角度上接收的光比在其它角度上接收的光更不太可能到达光敏区域。
理想地,光在光敏区域上的入射角是恒定的。然而,当变焦透镜改变焦距时,光的入射角可以改变。因此,当入射角改变时,在变焦位置的范围内移动透镜可能导致不期望的结果。
发明内容
可变焦度光学部件可被用来使光在像面上的入射角的变化最小化。
在一个实施方式中,可变焦度光学系统包括具有至少第一液体透镜单元的第一透镜组、具有至少第二液体透镜单元的第二透镜组、以及被配置为控制光线在传感器上的入射角的第三液体透镜单元。对变焦位置的控制基本至少部分地基于第一液体透镜单元的光焦度的配置和第二液体透镜单元的光焦度的配置。光阑可近似等距地位于第一透镜组的第一表面与第二透镜组的最后表面之间。第一液体透镜单元的直径与第二液体透镜单元的直径大约相同。在一个实施方式中,变焦范围大于约3倍。在一个实施方式中,变焦范围大于约4倍。在一个实施方式中,变焦范围大于约5倍。
在一个实施方式中,光学系统被配置为收集从物空间发出的放射并沿着公共光轴将该放射传输至像空间中的像面。静止在公共光轴上的第一可变焦度光学部件包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面。该接触表面的形状被改变以使可变焦度光学部件中的光焦度发生改变,从而导致接近像面上的像点的主光线角的变化。第二可变焦度光学部件包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面。该接触表面的形状被改变以减小由改变第一可变焦度光学部件的形状所引起的在像面上的像点处的主光线角的变化。第一可变焦度光学部件的形状可被改变以提供变焦和/或聚焦功能。
在一个实施方式中,可变焦度物镜光学系统使用非轴向移动组。至少一个可变焦度光学部件提供变焦功能,其包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面。该接触表面的形状被改变以使可变焦度光学部件中的光焦度发生改变。另一个可变焦度光学部件包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面。该接触表面的形状被改变以至少部分地补偿至少部分地由提供变焦功能的可变焦度光学部件所引起的接近像面上的像点的主光线角的变化。
在一个实施方式中,可变焦度光学系统包括具有至少第一液体透镜单元的第一透镜组、具有至少第二液体透镜单元的第二透镜组、以及位于第一透镜组与第二透镜组之间的光阑。穿过第一透镜组、第二透镜组和光阑的光线表示变焦位置,对变焦位置的控制至少部分地基于第一液体透镜单元的光焦度的配置和第二液体透镜单元的光焦度的配置。光阑可近似等距地位于第一透镜组的第一表面与第二透镜组的最后表面之间。在一个实施方式中,变焦范围可大于3倍。在一个实施方式中,变焦范围可大于4倍。在一个实施方式中,变焦范围可大于5倍。
在一个实施方式中,可变焦度物镜光学系统包括至少一个可变焦度光学部件,该至少一个可变焦度光学部件包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面。该接触表面的形状被改变以至少部分地补偿接近像面上的像点的主光线角的变化。主光线角的这种变化可至少部分地例如由变焦功能、聚焦功能、或变焦功能和聚焦功能的组合所引起。
附图说明
图1A和1B是描绘了采用液体的可变焦度光学系统中的轴向光束的边缘光线的光学图;
图2A和2B是描绘了采用液体的可变焦度光学系统中的轴向光束的边缘光线和离轴场射束的边缘光线的光学图;
图3A、3B、3C、3D和3E示出光线在像面上的各种入射角;
图4A和4B示出使用液体透镜单元来调整光线在像面上的入射角;
图5A、5B、5C、5D和5E示出示例性可变焦度光学系统设计的光学图;以及
图6是相机的框图。
具体实施方式
下面将参照附图进行描述。应理解,在不背离本发明的范围的情况下可使用其它结构和/或实施方式。
液体透镜单元能够在不依靠液体单元的机械运动的情况下改变光路。包括第一和第二接触液体的液体透镜单元可被配置为使得接触液体之间的接触光学表面具有可变形状,该可变形状可相对于液体透镜单元的光轴基本对称。多个透镜元件可沿着公共光轴对齐并被配置为收集从物侧空间发出并传输至像侧空间的放射(radiation)。液体透镜单元可被插入由沿着公共光轴对齐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,或其可与公共光轴成一角度或偏离公共光轴。
目前预期的液体透镜系统的折射率之差为约0.2或更大,优选地至少约0.3,在一些实施方式中至少约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。适合的光学油可具有至少约1.5的折射率。即使利用具有较高、较低、或较高和较低折射率的液体,例如较高折射率的油,焦度变化的范围仍然有限。焦度变化的有限范围提供的放大率变化通常比可移动透镜组的放大率变化小。因此,在简单的可变焦度光学系统中,为了提供变焦的同时保持恒定的像面位置,大部分的放大率变化可通过一个可移动透镜组提供,放大率变化期间像面处的大部分散焦补偿可通过一个液体单元提供。
应注意,可利用更多的可移动透镜组或更多的液体单元,或可利用更多的可移动透镜组和更多的液体单元。在2008年10月6日提交的题为“Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus(液体光学变焦透镜和成像装置)”的第12/246,224号美国专利申请中描述了结合一个或多个液体单元使用的一个或多个移动透镜组的实施例,其全部内容通过引用并入本文。
在系统中使用的透镜元件的尺寸和性质引入了在设计透镜系统时将要考虑的约束。例如,一个或多个透镜元件的直径可限制在像面上形成的图像的尺寸。对于具有可变性质的透镜系统,诸如可变焦度光学系统,光学器件可基于透镜元件的变化而改变。因此,第一个透镜元件可将透镜系统约束在第一变焦配置中,同时第二透镜元件将透镜系统约束在第二变焦配置中。例如,光束的边缘光线可在变焦范围的一个极端处接近透镜元件的外边缘,并在变焦范围的另一个极端处显著远离相同透镜元件的外边缘。
图1A和1B示出采用液体透镜单元的简化的可变焦度光学系统的光学图。可变焦度光学系统可以例如与相机一起使用。在图1A中,第一液体透镜单元LLC1 20和第二液体透镜单元LLC2 22被配置为使得变焦比处于广角位置(wide position)。成像透镜24在与相机拾取装置相对应的像面(被示为像平面26)上形成图像。成像透镜24可以是液体透镜单元或其它透镜类型。图1A中所示的轴向光束的边缘光线12接近液体透镜单元LLC2 22的外边缘。因此,液体透镜单元LLC222的直径是透镜设计中的限制因素。在图1B中,液体透镜单元LLC120和液体透镜单元LLC2 22被配置为使得变焦比处于长焦位置(telephoto position)。图1B中所示的轴向光束的边缘光线12接近液体透镜单元LLC1 20的外边缘,使液体透镜单元LLC1的直径成为限制因素。因此,对于位置范围之间的轴向光束的边缘光线12来说,图1A和1B中所示的简化设计被优化以完全利用液体透镜单元LLC1 20和液体透镜单元LLC2 22上的区域。
传统的变焦透镜系统利用移动变焦透镜组来获得不同的变焦位置。因为图1A和1B中所示的可变焦度光学系统利用液体透镜单元,所以不需要移动透镜组。相反,可使用控制系统来控制液体透镜单元LLC1 20和LLC2 22中的接触光学表面的可变形状。
使用液体透镜单元取代移动透镜组便于光阑10在液体透镜单元LLC1 20和LLC2 22之间的放置。因为液体透镜单元LLC1 20和LLC222不是移动透镜组,所以不需要关心光阑10将会干扰它们的正确操作。光阑10不需要等距设置在液体透镜单元之间,并且可根据需要优化光阑的放置。
应理解,液体透镜单元LLC1 20和LLC2 22均可包括多个表面,这些表面是可控的和/或固定的。在一些实施方式中,图1A和1B中所示的液体透镜单元可包括两个或多个液体单元的组合。在组合的单元之间可放置板。该板可具有可以根据设计需要而设置的光焦度。液体透镜单元还可具有位于外表面上的板。在一些实施方式中,外表面上的板可提供光焦度或折叠功能。板和其它透镜元件可以是球面或非球面的,以提供改进的光学特性。
单独的透镜元件可由例如玻璃、塑料、结晶体或半导体材料的固相材料构成,或它们可利用例如水或油的液态或气态材料构成。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,或真空。透镜元件可以具有诸如紫外线滤光片的覆层。
图2A和2B示出图1A和1B的简化的可变焦度光学系统的附加的光学图,描绘了轴向光束的边缘光线12和离轴场射束的边缘光线14。离轴场射束的主光线16在光阑位置10处与光轴相交,光阑位置由位于边缘光线外的刻度标记指示。如图所示,离轴场射束的主光线16在像平面26上的入射角18随着变焦透镜从广角位置变为长焦位置而改变。
入射角是重要的,因为其在某种程度上决定到达图像传感器的光的量。图像传感器可使用微透镜以通过从大的光收集区域收集和聚焦光来改善光敏性。然而,如果在变焦中入射角的尺寸和范围太大,那么微透镜可能不能将光引向图像传感器以在变焦中进行有效感测。
考虑图3A-3D,其提供了到达图像传感器的光的示例性图示。在图3A中,主光线28的入射角18垂直于图像传感器,以允许微透镜将光线顺利地引向图像传感器。图3B和3C还具有入射角18的小变化。微透镜阵列可被移动以形成优化的微透镜阵列,从而允许将光线顺利地重新引向图像传感器。图3D和3E具有更大的入射角18变化和尺寸,从而使得微透镜将光线引向图像传感器变得更加困难。
因为主光线28的入射角18随着可变焦度光学系统从广角位置变为长焦位置而改变,所以一个变焦位置的入射角18可能如图3B中所示,并且另一个变焦位置的入射角18可能如图3C中所示。然而,可能希望减少入射角18的变化。
图4A和4B示出液体透镜单元LLC3 30被置于图像传感器附近的光学图。当可变焦度光学系统在变焦范围内移动时,液体透镜单元LLC3 30的光焦度也发生变化。液体透镜单元LLC3 30的可变光焦度使得在整个变焦范围内入射角在像面上的变化和尺寸最小化。例如,在一个实施方式中,液体透镜单元LLC3提供的入射角与垂直于像平面26的方向之间小于10°。在另一个实施方式中,液体透镜单元LLC3提供的入射角与垂直方向之间小于5°。
虽然图4A和4B将透镜30示作液体透镜单元,但也可以使用其它类型的透镜。延长总的可变焦度光学设计可以允许使用标准透镜取代液体透镜单元。
可变焦度光学系统的长度部分取决于液体透镜单元所提供的光焦度的范围。可通过利用具有高折光率差的液体的液体透镜单元使透镜的长度最小化。也可通过利用多个液体透镜单元和/或折叠使透镜的长度最小化。
为了简化起见,图1A、1B、2A、2B、4A和4B将透镜元件示为包含光焦度的板。应理解,透镜元件可以由具有不同的透镜材料和/或光学表面的多个部件构成。
图5A-5E示出示例性可变焦度光学设计的光学图。图5A示出广角位置,图5E示出长焦位置。图5B-5D示出中间变焦位置。无穷远聚焦(infinity focus)被用于图5A-5E中所示的所有位置。
这种可变焦度光学设计利用5个液体透镜单元40、42、44、46和48,液体透镜单元40、42、44、46和48各自具有可变表面50、52、54、56和58。物空间附近的透镜组包括两个液体透镜单元40、42并用于主要协助提供聚焦和变焦。可变焦度光学设计还包括用于主要协助提供变焦的两个液体单元44、46。在所示实施方式中,光阑60位于包括液体透镜单元40、42的透镜组与包括液体透镜单元44、46的透镜组之间。可变焦度光学设计还包括液体透镜单元48,液体透镜单元48部分地提供对像平面62处的入射角的控制。所有5个液体透镜结合在一起以在可变焦度光学系统从广角位置变为长焦位置并且从无穷远聚焦变为近聚焦(close focus)时提供对离轴场射束的主光线在像平面上的入射角、聚焦和变焦的控制。
如图5A-5D所示,可变表面54所提供的光焦度保持完全恒定,并且仅在图5E中显著改变。这说明如果变焦位置被限制在图5A-5D所示的范围,则可用固定透镜元件替换液体透镜单元44。因此,液体透镜单元的数量可根据设计需要而发生变化。
对于图5A-5E中所示的透镜设计,附上由市面上可买到的来自美国加利福尼亚州帕萨迪纳市的Optical Research Associates公司的第9.70版CodeV光学设计软件所产生的列表作为本说明书的一部分,并且其全部内容通过引用并入本文。
图6示出了具有可变焦度光学系统102的相机100的框图。图6还示出了透镜控制模块104,其控制光学系统102中的透镜组的移动和操作。控制模块104包括控制液体透镜单元的曲率半径的电子电路。用于各种聚焦位置和变焦位置的适当的电子信号电平可被预先确定和设置在一个或多个查找表中。可选地,模拟电路或电路与一个或多个查找表的组合可生成适当的信号电平。在一个实施方式中,使用多项式确定适当的电子信号电平。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现。查找表、多项式、和/或其他电路可以使用用于变焦位置、聚焦位置、温度、或其他条件的变量。
在控制液体之间的表面的曲率半径时还可考虑热效应。多项式或查找表可包括与热效应相关的额外的变量。
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相机制造商存储。
图6进一步示出图像捕获模块106,图像捕获模块106接收与外部物体相对应的光学图像。该图像沿着穿过光学系统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,诸如胶片(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板上存储器或胶片、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、胶片卷、盒式磁带或磁盘)。
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、视频部件连接或S视频连接。
相机100可以以多种方式实施,诸如摄像机、手机相机、数字图像摄像机或胶片摄像机。
聚焦和变焦组中的液体单元可用于提供稳定性,如2008年12月3日提交的题为“liquid Optics Image Stabilization(液体光学图像稳定性)”的第12/327,666号美国专利申请所描述的,其全部内容通过引用并入本文。通过使用非移动透镜组,折叠可用于减少总体尺寸,如2008年12月3日提交的题为“Liquid Optics with Folds Lens and ImagingApparatus(具有折叠透镜的液体光学器件和成像装置)”的第12/327,651号美国专利申请所描述的,其全部内容通过引用并入本文。一个或多个移动透镜组可结合一个或多个液体单元使用,如2008年10月6日提交的题为“Liquid Optics Zoom Lens and Imaging Apparatus(液体光学变焦透镜和成像装置)”的第12/246,224号美国专利申请所描述,其全部内容通过引用并入本文。
应该注意,各种改变和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。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。
附录
Figure BPA00001446317600101
附录
附录
Figure BPA00001446317600121
附录
Figure BPA00001446317600131
附录
附录
Figure BPA00001446317600151
附录
附录
Figure BPA00001446317600171

Claims (16)

1.一种可变焦度光学系统,包括:
第一透镜组,所述第一透镜组包括至少第一液体透镜单元;
第二透镜组,所述第二透镜组包括至少第二液体透镜单元;以及
光阑,位于所述第一透镜组与所述第二透镜组之间,
其中,穿过所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述光阑的光线表示变焦位置,对所述变焦位置的控制至少部分地基于所述第一液体透镜单元的光焦度的配置和所述第二液体透镜单元的光焦度的配置。
2.如权利要求1所述的可变焦度光学系统,其中,所述光阑近似等距地位于所述第一透镜组的第一表面与所述第二透镜组的最后表面之间。
3.如权利要求1所述的可变焦度光学系统,其中,所述第一液体透镜单元的直径与所述第二液体透镜单元的直径大约相同。
4.如权利要求1所述的可变焦度光学系统,其中,变焦范围大于约3倍。
5.如权利要求1所述的可变焦度光学系统,其中,变焦范围大于约4倍。
6.如权利要求1所述的可变焦度光学系统,其中,变焦范围大于约5倍。
7.一种可变焦度光学系统,包括:
第一透镜组,所述第一透镜组包括至少第一液体透镜单元;
第二透镜组,所述第二透镜组包括至少第二液体透镜单元;以及
第三液体透镜单元,被配置为控制光线在传感器上的入射角,
其中,对变焦位置的控制至少部分地基于所述第一液体透镜单元的光焦度的配置和所述第二液体透镜单元的光焦度的配置。
8.如权利要求7所述的可变焦度光学系统,其中,对变焦位置的控制至少部分地基于所述第三液体透镜单元的光焦度的配置。
9.如权利要求7所述的可变焦度光学系统,还包括位于所述第一透镜组与所述第二透镜组之间的光阑。
10.一种光学系统,所述光学系统被配置为收集从物空间发出的放射并沿着公共光轴将所述放射传输至像空间中的像面,所述光学系统包括:
第一可变焦度光学部件,静止在所述公共光轴上,并包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面,该接触表面的形状被改变以使所述可变焦度光学部件中的光焦度发生改变,从而导致接近所述像面上像点的主光线角的变化;以及
第二可变焦度光学部件,包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面,该接触表面的形状被改变以减小由改变第一可变焦度光学部件的形状所引起的所述像面上的像点处的主光线角的变化。
11.如权利要求10所述的可变焦度光学系统,其中,所述第一可变焦度光学部件的形状被改变以提供变焦功能。
12.如权利要求10所述的可变焦度光学系统,其中,所述第一可变焦度光学部件的形状被改变以提供聚焦功能。
13.一种使用非轴向移动组的可变焦度物镜光学系统,包括:
至少两个可变焦度光学部件,与固定的像面一起提供变焦功能,所述可变焦度光学部件包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面,该接触表面的形状被改变以使所述可变焦度光学部件中的光焦度发生改变;以及
至少一个可变焦度光学部件,包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面,该接触表面的形状被改变以至少部分地补偿至少部分地由提供变焦功能的可变焦度光学部件所引起的接近所述像面上像点的主光线角的变化。
14.一种可变焦度物镜光学系统,包括:
至少一个可变焦度光学部件,包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面,该接触表面的形状被改变以至少部分地补偿至少部分地由变焦功能所引起的接近所述像面上像点的主光线角的变化。
15.一种可变焦度物镜光学系统,包括:
至少一个可变焦度光学部件,包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面,该接触表面的形状被改变以至少部分地补偿至少部分地由聚焦功能所引起的接近所述像面上像点的主光线角的变化。
16.一种可变焦度物镜光学系统,包括:
至少一个可变焦度光学部件,包括至少两种具有不同折射性质的液体和位于两种液体之间的至少一个接触表面,该接触表面的形状被改变以至少部分地补偿至少部分地由聚焦功能和变焦功能所引起的接近所述像面上像点的主光线角的变化。
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