專利名稱：：液體光學變焦透鏡和成像裝置的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及采用液體光學器件的光學變焦透鏡系統(tǒng)。
背景技術：
：歷史上，成像裝置已經使用兩個或更多可移動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透鏡組相關聯(lián)的固有缺點。具體地，具有移動透鏡組意味著需要復雜的以機械方式移動的部件。每個可移動透鏡組都需要支撐結構和驅動機構，如凸輪和電機，并且某些情況下還需要控制電子裝置以便于進行運動。這種系統(tǒng)復雜性可能會增加尺寸、重量和成本，并且可能使系統(tǒng)操作在一定時期內不可靠。在具有至少兩個可移動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以及不希望的局限性，諸如焦距的受限范圍、無法在整個焦距范圍內進行充分地聚焦、無法在近處物體上聚焦、在整個焦距范圍和聚焦距離上缺乏足夠的光學性能。需要機械復雜性較低但性能高的變焦透鏡系統(tǒng)。
發(fā)明內容變焦透鏡使用移動透鏡組以調整在圖像處所見物體的放大倍數(shù)。透鏡本體必須足夠大以容許透鏡組的移動。一個或多個移動透鏡組可由具有可變表面形狀的液體透鏡單元替代。在一個實施方式中，變焦透鏡系統(tǒng)具有可軸向移動的變焦透鏡組和包括至少一個液體透鏡單元的軸向靜止的后透鏡組。在另一實施方式中，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液體透鏡單元和可軸向移動的后透鏡組。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準并且被布置以收集從物側空間發(fā)出的輻射以及將該輻射作為真實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準。后透鏡組可包括可調整的光圈。變焦透鏡組的軸向調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表面的形狀可被電子地控制。查找表可用在對接觸光學表面的形狀進行電子地控制中。查找表中的一個指數(shù)可與焦點設置相對應。查找表中的另一指數(shù)可與變焦設置相對應。查找表中的又一指數(shù)可與熱值相對應。接觸液體之間的接觸光學表面的形狀和變焦透鏡組的軸向調整可共同被控制。在一個實施方式中，變焦透鏡系統(tǒng)包括可移動透鏡組和液體單元透鏡組?？梢苿油哥R組和液體單元透鏡組可在公共的光軸上對準?？梢苿油哥R組和液體單元透鏡組可共同被控制以實現(xiàn)變焦和聚焦?？赏ㄟ^對(i)液體單元透鏡組、()可移動透鏡組、或(iii)液體單元透鏡組和可移動透鏡組中的至少一個進行控制實現(xiàn)變焦。類似地，可通過對(i)液體單元透鏡組、(ii)可移動透鏡組、或(iii)液體單元透鏡組和可移動透鏡組中的至少一個進行控制實現(xiàn)聚焦。在一個實施方式中，照相機系統(tǒng)包括變焦透鏡，具有可移動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。在一個實施方式中，使透鏡變焦的方法包括以下步驟使透鏡組沿光軸移動；以及對沿所述光軸對準的液體透鏡單元組中的接觸表面的形狀進行改變。使接觸表面的形狀改變提供聚焦。在一個實施方式中，液體光學器件允許約7.5倍的變焦焦距范圍以及從近到無窮遠的物距。物鏡變焦透鏡系統(tǒng)收集來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。在一個實施方式中，采用液體光學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。將該實施方式選擇為提供具有適當?shù)拈L焦距的適當?shù)膹V角透鏡，但是又在適當?shù)拈L度保持適當直徑的透鏡。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)探測器和互補式金屬氧化物半導體(CMOS)探測器一同使用。益處包括僅一個可移動變焦透鏡組和一個或多個液體透鏡單元以在機械復雜性較低、尺寸和重量較小的情況下提供變焦。另外，當長時期使用時還可以提高可靠性。變焦透鏡組的軸向位置調整和一個或多個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整或液體透鏡單元中的形狀變化(或變焦透鏡組的軸向調整和液體透鏡單元中的形狀變化)提供聚焦以及對溫度所引起效應如圖像散焦和像差變化的補償，未被補償?shù)臏囟人鹦赡軙饒D像質量下降。應該理解，本文所描述的實施方式旨在對本發(fā)明進行解釋，本發(fā)明的范圍不受限于所述的實施方式。圖1是照相機的方塊圖；圖2是采用液體的變焦透鏡系統(tǒng)的光學示意圖。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)的光學示意圖，其中圖示了用于產生不同焦距和對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)的調制傳遞函數(shù)性能圖。具體實施例方式在以下對優(yōu)選實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)明可得以實施的特定實施方式?？梢岳斫猓梢圆捎闷渌鼘嵤┓绞?，并且在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可以進行結構上的改變。圖1圖示了具有變焦透鏡102的照相機100的方塊圖。變焦透鏡是能夠改變焦距的透鏡元件的組件。單個透鏡元件可以固定就位，或者沿透鏡本體軸向滑動。透鏡組可包括一個或多個透鏡元件。單個透鏡元件由固相材料，如玻璃、塑料、結晶體、或半導體材料構成，或者單個透鏡元件可通過使用液體或氣體材料，如水或油構成。至少一個可移動透鏡組提供物體放大的變化。當至少一個可移動透鏡組移動以完成放大時，焦平面的位置也可能移動。至少一個其它可移動透鏡組可移動以補償焦平面的移動，從而保持恒定的焦平面位置。還可以在透鏡的放大倍數(shù)改變時通過使整個透鏡組件移動以通過機械方式實現(xiàn)對焦平面移動的補償。變焦透鏡通常具有三個或更多移動透鏡組以實現(xiàn)變焦和聚焦功能。機械凸輪可將兩個可移動透鏡組連接以進行變焦，第三可移動透鏡可用于聚焦。變焦范圍部分地由可移動透鏡組的移動范圍決定。較大的變焦范圍需要用于透鏡組移動的附加空間。一個或多個可移動透鏡組可由采用液體單元技術的透鏡組所替代。由于液體單元不需要用于軸向移動的空間，因此可以減小包含可移動透鏡組的透鏡設計的長度?？商鎿Q地，本用于可移動透鏡組軸向移動的空間能夠用于包括附加的光學元件。盡管液體單元不需要用于移動的空間，但可以是可移動透鏡組的一部分。液體單元可用于變焦和聚焦。在一個實施方式中，可移動透鏡組與采用液體單元技術的透鏡組一同使用。無需帶有一個可移動透鏡組的機械凸輪。不具有凸輪允許額外的移動。一個或多個可移動透鏡組與一個或多個液體單元一同使用以實現(xiàn)變焦和聚焦。單一的可移動透鏡組和單一的液體單元可進行變焦和聚焦。在一個實施方式中，聚焦系統(tǒng)至少具有第一透鏡組和第二透鏡組。第一透鏡組是相對較高倍率的，第二透鏡組是相對較低倍率的，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專利申請公開No.2006/0126190公開了采用通過電潤濕法產生液滴變形的透鏡?，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?shù)墓鈱W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透鏡組的放大倍數(shù)變化低的放大倍數(shù)變化。因此，在簡單的變焦透鏡系統(tǒng)中，為了在保持恒定的像面位置的同時提供變焦，可以通過一個可移動透鏡組提供大部分的放大倍數(shù)變化，并且可以通過一個液體單元提供對像面處的離焦的補償。然而，應該注意，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?？梢苿油哥R組可具有正的或負的倍率。液體單元可具有一定范圍的可變倍率，其中倍率一直為正、一直為負或從正變化到負或相反。可移動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倍的擴展的變焦比，并且在整個變焦范圍中提供良的成像質量。除了變焦以外，該布置還通過采用來自液體單元、可移動透鏡組或液體單元和可移動透鏡組兩者，在擴展的變焦范圍上提供不同物距處的聚焦。由液體單元、可移動透鏡組或液體單元和可移動透鏡組兩者所提供的該附加的倍率變化可容易獲得。由于一個可移動透鏡組不必需要具有固定運動軌跡的凸輪，因此可以對可移動變焦透鏡組的位置進行調整以進行變焦和聚焦。通過采用可移動透鏡組和液體單元以進行變焦和聚焦實現(xiàn)了高性能成像。還可以用至少一個液體單元替換可移動透鏡組。這樣可能會增加光學系統(tǒng)的復雜性并可能使光學系統(tǒng)具有其它缺點，如減少的光透射。圖1還圖示了控制透鏡中的透鏡組102的移動和操作的透鏡控制模塊104?？刂颇K104包括控制液體透鏡單元中的曲率半徑的電子線路。電子線路還可控制可移動透鏡組的位置?？深A先確定用于各種焦點位置和變焦位置的合適的電子信號水平并將其置于查找表中。可替換地，模擬線路或線路與查找表的組合可以產生合適的信號水平。在一個實施方式中，使用多項式來確定合適的電子信號水平?？蓪⒀囟囗検降狞c存儲在查找表中，或者可以通過電路實現(xiàn)多項式。在對表面21的曲率半徑或可移動透鏡組G2的位置或表面21的曲率半徑和可移動透鏡組G2的位置兩者進行的控制中還可以考慮熱效應。多項式或查找表可包括有關熱效應的附加變量?？刂颇K104可包括用于特定變焦設定或焦距的預設控制。這些設定可由使用者或照相機制造商存儲。圖1還圖示了接收與外界物體相對應的光學圖像的圖像捕獲模塊106。圖像沿穿過透鏡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)、或電子圖像檢測技術(例如，CCD陣列或視頻圖像采集電路)。光軸可以是直線的或可以包括折曲(fold)。圖像存儲模塊108例如將圖像保持在板載存儲器中或保持在膠片或磁帶上。在一個實施方式中，存儲介質是可移除的(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、藍牙無線連接、IEEE802.11無線連接、視頻分量連接、或S-視頻連接。照相機100可以實現(xiàn)為多種方式，如攝像機、移動電話照相機、數(shù)字照相機、或膠片照相機?，F(xiàn)在通過設計示例對變焦透鏡的實施方式進行描述。首先參照圖2，每個透鏡元件均由跟有數(shù)字從1到20的文字“E”表示，盡管顯示了每個透鏡元件的一般構造，但是每個透鏡表面的實際半徑在以下的表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”表示并包括光學表面19到23。光軸在圖2中由數(shù)字50表示。每個透鏡元件均具有由單獨但連續(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焦距離有關而由位于光軸50上的豎直線和數(shù)字1表示，實像表面由數(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于光軸轉動對稱的，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特征之前，為變焦透鏡系統(tǒng)60，對透鏡組及其軸向位置和移動、以及液體透鏡單元和接觸液體表面形狀的變化進行概括的描述。7將每個透鏡組的正倍率或負倍率定義為焦距的倒數(shù)。所得到的每個透鏡組的光學倍率如下物鏡組Gl為正，變焦透鏡組G2為負，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上部兩端的帶有箭頭的水平箭頭標志指示變焦透鏡組G2可在兩個軸向方向上移動。盡管在圖2中僅物理地示出了透鏡元件，但是應該理解，提供機械裝置和機構以支撐透鏡元件并使可移動透鏡組在透鏡殼體或筒體中進行軸向移動。另外可以理解，電子線路改變液體透鏡單元中的形狀可變化的光學表面的輪廓。以下在表1中列出了用于上述變焦透鏡系統(tǒng)60的透鏡構造和制造數(shù)據(jù)。以250C(77°F)和標準大氣壓(760mmHg)給出表1中的數(shù)據(jù)。在整個說明書中，除了波長單位為納米(nm)外，測量的單位都是毫米(mm)。在表1中，第一欄“項目”表示每個光學元件和每個位置，即，具有與圖2中所使用的相同的數(shù)字或標記的物面、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“1”和表1中的“物體”)、光圈裝置(光圈)13和透鏡的實際表面的每一個的列示。第四欄“焦點位置”表示對于變焦透鏡系統(tǒng)60的3個典型的焦點位置(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。標題為文字“曲率半徑”的第六欄是每個表面的光學表面曲率半徑的列示，其中負號(_)意指如圖2所示地曲率半徑的中心處于表面的左側，“無窮大”意指光學平面。表面4和8的星號(*)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變焦透鏡中的像差的校正，并且實現(xiàn)了較小的總尺寸和較為簡單的構造。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是對于給定y值的表面輪廓位置或沿光軸從表面的極點(即，軸向頂點)測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于該表面(第三欄)與向圖2中右側的下一表面之間的“材料”，欄“類型”表示在這兩個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”中的光學玻璃表示。為了方便，所有的透鏡玻璃都選自可從Ohara公司獲得的玻璃，但是應該理解，可以使用任何等同的、類似的或適當?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，但是應該理解，可以使用任何等同的、類似的或適當?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納米的波長下分別具有1.511501、1.515000、1.518002和1.523796的折射率。表1的標題為“孔徑”的最后一欄提供光線穿過的每個表面的最大直徑。對于所有的變焦和聚焦位置，在對于像面處的約6mm的最大圖像直徑的546.1納米的波長下以及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，對于變焦位置Z1和聚焦位置Z1，在546.1納米的波長下以及像面處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設置有位于表面13處的光學光圈裝置，該光學光圈裝置控制在該位置光線可穿過孔隙的直徑。光學光圈裝置是物理光圈所處的位置。光圈位于后透鏡組G3前方并相對于該透鏡組軸向靜止。注意，在圖4A中，邊緣光線穿過光學光圈表面13的等值記號(ticmark)的軸線側，使得變焦透鏡系統(tǒng)在任何場位置、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，并且光圈相應地打開或關閉。對于焦點位置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處的光圈應該隨著焦距增大而關閉。與焦點位置F1相對比，對于焦點位置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，以保持與對于焦點位置F1相同的F數(shù)。參照表1，為了說明設計的范圍和多樣性，數(shù)據(jù)中記錄了8個不同的變焦位置Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7和Z8以及3個不同的焦點位置Fl、F2和F3，這些數(shù)據(jù)實際上提供了用于可移動變焦透鏡組G2和形狀可變的光學表面21的24(3x8=24)個不同位置組合。在546.1納米波長下，變焦透鏡系統(tǒng)60在焦點位置F1處的對于變焦位置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納米波長下，對于數(shù)據(jù)位置Z1-Z8的焦距的對應F數(shù)分別為2.80、2.90、3.05、3.25、3.45、3.70、3.95和4.00。對于焦點位置F1，假設物面1位于無窮遠，對于F2，物面1處于約1016.25mm的中間距離，而對于F3，物面1位于約378.75mm的近距離處(即，離開像面378.75mm)。在3個焦點位置Fl、F2和F3中的每一個處，透鏡組G1和G3在變焦透鏡組G2的整個移動范圍內保持在相同的位置。表2和3提供了表面7和12的分離值，表4提供了表面21對于焦點位置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>當然可以理解，在兩端的焦點位置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，在通過透鏡系統(tǒng)60所描述的聚焦和變焦范圍內可以獲得連續(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和焦點位置F1處、以及變焦位置Z8和焦點位置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表面21的來自表1的兩個極值曲率半徑。在圖3A和3B中，表面21的兩個曲率半徑分別為-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和焦點位置F1處以及變焦位置Z8和焦點位置F3處發(fā)生。在該實施方式中，表面20、21和21、22之間的兩個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，保持每個液體的恒定體積。現(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于這些位置的光線路線。圖4A圖示了焦點位置Fl和變焦位置Z1，為此表1中所記錄的數(shù)據(jù)具有無窮遠的焦點和約為5.9mm的小焦距。圖4B圖示了來自表1中的中間焦點和約11.3mm焦距的焦點位置F2和變焦位置Z3。圖4C圖示了來自表1中的近焦點和約44.8mm焦距的焦點位置F3和變焦位置Z8。圖4A、4B和4C示出了分別對于各自的變焦位置和焦點位置Z1、F1和Z3、F2和Z8、F3的具有相應的可變光學表面21的3個表面形狀的變焦透鏡組G2的3個軸向位置。圖5A、5B和5C中給出了變焦透鏡系統(tǒng)60的光學性能，其中以百分比(％)示出了對于以表1中所記錄的變焦位置和焦點位置，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個不同的場位置的基于衍射的多色調制傳遞函數(shù)(“MTF”)數(shù)據(jù)(調制相對空間頻率)。場位置記錄為兩個數(shù)值，歸一化的圖像高度(mm)和相對于光軸的實際物空間角度(度)。MTF百分比處于在圖5A、5B和5C的右上角所記錄的波長和權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)值在軸向場位置(軸)處是相等的并僅以一個圖形繪制。所示最大空間頻率為90周期/mm，這樣，給定約6mm的圖像直徑和對探測器像素尺寸的選擇可以提供至少高達高清電視(HDTV)分辨率，即1920個水平像素乘1080個豎直像素的高質量圖像。處于空間頻率的MTF是光學性能的相對標準的測量，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對黑線和白線。最高的MTF值約為89%，處于對于變焦位置Zl和焦點位置F2的完全徑向場。最低的MTF值約為58%，處于對于變焦位置Z2和焦點位置F3的完全切向場。最小的相對照度約為75%，處于變焦位置Zl和焦點位置Fl。通常，相對照度值越高越好，因為低的數(shù)值意味著光在圖片的角落中減少。對于現(xiàn)有技術的探測器而言，高的完全場相對照度是優(yōu)選的，現(xiàn)有技術的探測器在所有區(qū)域中具有對光的恒定響應，并且忠實地重現(xiàn)圖像角落中的陰影以及在變焦過程圖像的改變。小于50%的照明可能導致電子探測器中的陰影，但是對于膠片而言可能被接受。最高正畸變?yōu)樽兘刮恢肸3和焦點位置Fl處的+3.04%，最低負畸變?yōu)樽兘刮恢肸l和焦點位置F3處的-2.98%。通常，所謂透鏡的“呼吸”問題(但是可能在變焦透鏡中更為普遍)，其中從長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際上是不存在的，而由于大的景深這種問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和焦點位置F3處的-0.2%，最高呼吸為變焦位置Z8和焦點位置F3處的-19.5%。注意，在無窮遠的焦點(Fl)處，呼吸為零，因為它是參考視場。在25°C(77°F)的溫度、標準大氣壓(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展至-10°C至50°C(14°F至122°F)或更多。對于溫度的變化，可以通過對變焦透鏡組G2進行進一步的軸向調整或對接觸的光學表面21的形狀進行進一步的改變或二者的結合實現(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，以與為了低溫運行而將防凍劑添加到汽車散熱器水中的相似方式。然而，注意這些材料溫度優(yōu)選地不應顯著改變液體的光學特征。盡管使用變焦透鏡系統(tǒng)60的所述實施方式具有用于與6mm直徑(所謂1/3英寸芯片傳感器)一同使用的適當尺寸，但是該變焦透鏡系統(tǒng)的尺寸可以適當?shù)胤糯蠡蚩s小以與各種膠片和電子探測器圖像形式一同使用。變焦透鏡系統(tǒng)60的眾多優(yōu)點之一在于僅通過使用一個軸向移動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的設計產生具有高性能以及機械復雜性低于大多數(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)需要至少兩個可軸向移動的變焦透鏡組和相應的機械裝置。變焦透鏡系統(tǒng)60的獨特透鏡設計在大范圍的焦距上提供聚焦而無需附加的可移動透鏡組和相應的機械裝置。所公開的變焦透鏡系統(tǒng)60是示例性的，其它設計落入本發(fā)明的范圍內。通過上述描述和附圖，本領域技術人員會了解變焦透鏡系統(tǒng)60的其它特征和優(yōu)點。應該注意，對于本領域技術人員而言，各種改變和修改時顯而易見的。這些改變和修改應理解為包含在由所附權利要求限定的本發(fā)明的范圍內。權利要求一種變焦透鏡系統(tǒng)，包括可軸向移動的變焦透鏡組；以及軸向靜止的透鏡組，包括至少一個液體透鏡單元，所述至少一個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表面具有可變的形狀；其中，所述可軸向移動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準，并且所述可軸向移動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)的物側空間發(fā)出的輻射并將所述輻射傳送至像側空間。2.權利要求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準。3.權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述變焦透鏡組的軸向調整和接觸液體之間的形狀的變化提供變焦。4.權利要求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整提供聚焦o7.權利要求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表面的形狀被電子地控制。8.權利要求7所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，查找表提供與對所述接觸光學表面的形狀進行電子地控制相對應的值。9.權利要求8所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述查找表中的指數(shù)與變焦設置相對應。10.權利要求8所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述查找表中的指數(shù)與焦點設置相對應。11.權利要求8所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述查找表中的指數(shù)與變焦設置和焦點設置相對應。12.權利要求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)與變焦設置相對應，所述查找表中的第二指數(shù)與焦點設置相對應。13.權利要求8所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述查找表中的指數(shù)與熱值相對應。14.權利要求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表面的形狀和所述變焦透鏡組的軸向調整共同被電子地控制。15.權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，還包括可調整的光圈。16.權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述物側空間包含真實的物體或虛擬的物體。17.權利要求1所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述像側空間包含真實的物體或虛像。18.權利要求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液體透鏡單元。20.權利要求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)，包括可移動透鏡組；以及液體單元透鏡組。23.如權利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述可移動透鏡組和液體單元透鏡組在公共的光軸上對準。24.如權利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述可移動透鏡組和液體單元透鏡組共同被控制以實現(xiàn)變焦。25.如權利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述可移動透鏡組和液體單元透鏡組共同被控制以實現(xiàn)聚焦。26.如權利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，所述可移動透鏡組和液體單元透鏡組共同被控制以實現(xiàn)變焦和聚焦。27.如權利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，通過對(i)所述液體單元透鏡組、(ii)所述可移動透鏡組、或(iii)所述液體單元透鏡組和所述可移動透鏡組中的至少一個進行控制實現(xiàn)變焦。28.如權利要求20所述的變焦透鏡系統(tǒng)，其中，通過對(i)所述液體單元透鏡組、(ii)所述可移動透鏡組、或(iii)所述液體單元透鏡組和所述可移動透鏡組中的至少一個進行控制實現(xiàn)聚焦。29.一種照相機系統(tǒng)，包括變焦透鏡，具有可移動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)的焦點位置。30.如權利要求29所述的照相機系統(tǒng)，其中，所述圖像捕獲元件是CCD。31.如權利要求29所述的照相機系統(tǒng)，其中，所述圖像捕獲元件是膠片。32.如權利要求29所述的照相機系統(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；以及使沿所述光軸對準的液體透鏡單元組中的接觸表面的形狀變化。34.如權利要求33所述的照相機系統(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。全文摘要公開了一種適于與照相機一同使用的高性能變焦透鏡系統(tǒng)。該變焦透鏡系統(tǒng)采用液體光學器件(LC)和可移動透鏡組(G2)，以在從近到無窮遠的對焦距離處的在變焦焦距范圍上提供光學性能。該系統(tǒng)還通過變焦組的調整和液體透鏡單元(LC)中的可變形的光學表面提供對不希望的熱所引起的效應的補償。文檔編號G02B15/14GK101836135SQ200880110582公開日2010年9月15日申請日期2008年9月19日優(yōu)先權日2007年10月8日發(fā)明者艾恩·A·尼爾,詹姆士·H·詹納德申請人:黑眼睛光學有限公司