專利名稱：液體光學(xué)元件圖像穩(wěn)定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用液體光學(xué)元件穩(wěn)定圖像的光學(xué)透鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光學(xué)圖像穩(wěn)定改變透鏡中的光路以穩(wěn)定到達(dá)傳感器的圖像。例如，將浮動的透鏡 元件垂直于透鏡的光軸移動?？蛇x地，機(jī)械圖像穩(wěn)定移動捕獲圖像的傳感器以抵消照相機(jī) 的運動。然而，這些圖像穩(wěn)定裝置依賴透鏡元件或傳感器的機(jī)械移動。

發(fā)明內(nèi)容
液體透鏡單元可改變光路而不依賴液體單元的機(jī)械移動，因此為穩(wěn)定圖像提供振 動補(bǔ)償。液體透鏡單元可與其他沿至少兩個光軸對準(zhǔn)的透鏡單元一起使用。在一個實施方式中，液體透鏡單元包括第一接觸液體和第二接觸液體，其中接觸 液體之間的接觸光學(xué)表面具有可變形狀，可變形狀對于其自身的光軸為基本對稱的并且對 至少一個其他光軸為非對稱的。多個透鏡元件和液體透鏡單元被配置成聚集從物側(cè)空間發(fā) 出的輻射，并且為傳輸至像側(cè)空間的輻射提供至少部分穩(wěn)定。可配置兩個或更多液體透鏡單元以為傳輸至像側(cè)空間的輻射提供進(jìn)一步的穩(wěn)定。 例如，可采用兩個液體透鏡單元在單一直線方向穩(wěn)定圖像。該穩(wěn)定可校正例如水平或垂直 圖像抖動。在另一個實施方式中，配置四個或更多液體透鏡單元以為傳輸至像側(cè)空間的輻射 提供穩(wěn)定。液體透鏡單元中的兩個可在一個方向上提供穩(wěn)定，而另兩個液體透鏡單元在另 一個方向上提供穩(wěn)定。這四個或更多液體透鏡單元可一起提供任何方向上的穩(wěn)定。一種液體透鏡單元，包括第一接觸液體和第二接觸液體，配置第一接觸液體和第 二接觸液體使得接觸液體之間的接觸光學(xué)表面具有可變形狀，所述可變形狀關(guān)于所述液體 透鏡單元的光軸為基本對稱的。多個透鏡元件沿公共光軸對準(zhǔn)，且被布置成接收從物側(cè)空 間發(fā)出的輻射，并且將輻射傳輸至像側(cè)空間。液體透鏡單元可被插入由沿公共光軸對準(zhǔn)的 多個透鏡元件形成的光路中。液體透鏡單元的光軸可平行于公共光軸，或與公共光軸成一 定角度?？捎秒娮涌刂葡到y(tǒng)控制液體透鏡單元中接觸光學(xué)表面的可變形狀。加速度計、激 光陀螺儀等可用于檢測一個或更多透鏡元件的移動，然后接觸光學(xué)表面的形狀發(fā)生變化以 補(bǔ)償透鏡元件的移動從而穩(wěn)定圖像?？刂葡到y(tǒng)可被配置成檢測照相機(jī)的移動鏡頭運動，從而使得由于移動鏡頭而引起 的像移未得到校正。控制系統(tǒng)還可被配置成補(bǔ)償不同類型的移動。例如，控制系統(tǒng)可補(bǔ)償
5具有大于2Hz頻率的振動?？蓞f(xié)同控制第一液體透鏡單元和第二液體透鏡單元，從而為傳輸至像側(cè)空間的輻 射在至少一個方向上提供穩(wěn)定。第一液體透鏡單元的光焦度可與第二液體透鏡單元的光焦 度基本上相等且相反?？稍O(shè)置第一液體透鏡單元的光焦度和第二液體透鏡單元的光焦度以 提供像平面處的聚焦。在一個實施方式中，第一對液體透鏡單元在第一方向上相互偏移，且第二對液體 透鏡單元在與第一方向基本垂直的方向上相互偏移。第一對液體透鏡單元在其偏移方向上 提供圖像穩(wěn)定，而第二對液體透鏡單元在其偏移方向上提供圖像穩(wěn)定。第一對液體透鏡單元可在一個方向上相互偏移，且第二對液體透鏡單元可在基本不 同的方向上相互偏移，第二對液體透鏡單元的偏移幅度大于或小于第一對液體透鏡單元的偏 移幅度。例如，第一對液體透鏡單元的穩(wěn)定范圍大于兩倍的第一對液體透鏡單元的穩(wěn)定范圍。在任何一個實施方式中，一個或更多附加的液體透鏡單元可用于補(bǔ)償熱效應(yīng)，調(diào) 整傳輸至像側(cè)空間的輻射的焦點，或作為變焦配置的一部分。


圖1為照相機(jī)的方框圖；圖2為采用液體的變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)示意圖；圖3A和圖3B為圖2的變焦透鏡系統(tǒng)的液體單元的光學(xué)示意圖，其中示出液體之 間的表面形狀；圖4A、圖4B和圖4C為圖2的變焦透鏡系統(tǒng)的光學(xué)示意圖，示出用以產(chǎn)生不同的焦 距和焦點距離(focus distances)的變焦透鏡組的不同位置以及液體之間的表面形狀；圖5A、5B和5C為圖4A、圖4B和圖4C的變焦透鏡系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)性能圖；圖6A和圖6B為采用液體穩(wěn)定一個方向上的圖像的透鏡系統(tǒng)的光學(xué)示意圖；圖7A和圖7B為采用液體穩(wěn)定任意方向上的圖像的透鏡系統(tǒng)的光學(xué)示意圖；圖8A、圖8B和圖8C為圖7A和圖7B的透鏡系統(tǒng)的光學(xué)示意圖，其中示出用以產(chǎn)生 不同的焦距和焦點距離的變焦透鏡組的不同位置和液體之間的表面形狀；圖9A、圖9B、圖9C和圖9D為圖7A和圖7B的透鏡系統(tǒng)的光學(xué)示意圖，其中示出用 以穩(wěn)定圖像的變焦透鏡組的不同位置和液體之間的表面形狀；圖10A、圖10B、圖IOC和圖IOD為圖7A和圖7B的透鏡系統(tǒng)的光學(xué)示意圖，其中示 出用以穩(wěn)定圖像的變焦透鏡組的不同位置和液體之間的表面形狀；圖IlAUlB和圖IlC為如圖8A、圖8B和圖8C中配置的透鏡系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù) 的性能圖；圖12A、圖12B、圖12C和圖12D為如圖9A、圖9B、圖9C和圖9D中配置的透鏡系統(tǒng) 的調(diào)制傳遞函數(shù)的性能圖；圖13A、圖13B、圖13C和圖13D為如圖10A、圖10B、圖IOC和圖IOD中配置的透鏡
系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)的性能圖。
具體實施例方式下面參照附圖描述優(yōu)選實施方式，附圖組成具體實施方式
的一部分并在其中圖示出可實施本發(fā)明的具體實施方式
。應(yīng)該理解的是，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可采用其 他實施方式以及改變結(jié)構(gòu)。于2007年10月8日提交的、序列號為60/783，338、標(biāo)題為“液體光學(xué)變焦透鏡和 成像裝置”的美國臨時專利申請，通過引用并入本文，其中公開了一種采用液體光學(xué)元件以 提供變焦和聚焦功能的變焦透鏡系統(tǒng)。液體光學(xué)元件還可用于提供穩(wěn)定性。在此公開了一 種使用液體光學(xué)元件的示例性的實施方式。變焦誘鏡系統(tǒng)中的液體光學(xué)元件圖1示出具有變焦透鏡102的攝像機(jī)100的方框圖。變焦透鏡是能夠改變焦距的 透鏡元件的組件。單獨的透鏡元件可安裝在適當(dāng)?shù)奈恢?，或沿著透鏡的本體軸向滑動。透 鏡組可由一個或多個透鏡元件組成。至少一個可移動的透鏡組提供物體放大率的變化。隨 著移動該至少一個透鏡組以實現(xiàn)放大，焦平面的位置也可移動?？梢苿又辽僖粋€其他可移 動的透鏡組來補(bǔ)償該焦平面的移動，以保持恒定的焦平面位置。還可通過當(dāng)透鏡放大率改 變時移動全部透鏡組件來機(jī)械地達(dá)到對焦平面移動的補(bǔ)償。單獨的透鏡元件可由固相材料構(gòu)成，例如玻璃、塑料、結(jié)晶體或半導(dǎo)體材料，或利 用液態(tài)或氣態(tài)材料構(gòu)成，例如水或油。透鏡元件之間的空間可包含一種或多種氣體。例如， 可使用標(biāo)準(zhǔn)空氣、氮氣或氦氣?？蛇x地，透鏡元件之間的空間可為真空。當(dāng)本公開中使用 “空氣”時，應(yīng)該理解使用的是廣義含義，其可包括一種或多種氣體，或為真空。變焦透鏡通常具有三個或更多移動的透鏡組以實現(xiàn)變焦和聚焦功能。機(jī)械凸輪可 將兩個可移動的透鏡組連接以進(jìn)行變焦，而第三可移動的透鏡組可用于聚焦。變焦范圍部分地取決于可移動的透鏡元件的移動范圍。大的變焦范圍需要用于 透鏡元件移動的額外空間。實施液體單元技術(shù)的透鏡組可替換一個或更多可移動的透鏡 組。因為液體單元不需要軸向移動的空間，因此可減少包含可移動的透鏡組的透鏡設(shè)計的 長度?？蛇x地，用于可移動的透鏡組移動的空間可用于包括額外的光學(xué)元件或光學(xué)折層 (optical folds)。雖然液體單元不需要移動用的空間，但是液體單元可作為可移動的透鏡 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，可移動的透鏡組與實施液體單 元技術(shù)的透鏡組一起使用。不需要具有一個可移動的透鏡組的機(jī)械凸輪。不具有凸輪允許 額外的移動?！獋€或多個可移動的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。 單一的可移動的透鏡組和單一的液體單元可一起實施變焦、聚焦以及熱效應(yīng)的補(bǔ)償。在一 種實施方式中，變焦系統(tǒng)至少具有第一和第二透鏡組。第一透鏡組為相對高光焦度的，而第 二透鏡組為相對低光焦度的，透鏡光焦度等于透鏡焦距的倒數(shù)。第一透鏡組包括常規(guī)玻璃 透鏡或其他固體透鏡，第二透鏡組包括至少一個液體透鏡。液體單元使用兩種或更多種液體來形成透鏡。透鏡的焦距部分地由液體之間的接 觸角和液體間的折射率差異來確定。光焦度變化的范圍受到所采用的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的限制。通過引用并入 本文的公開號為2006/0126190的美國專利申請，公開了一種采用通過電潤濕法產(chǎn)生液滴 變形的透鏡。通過引用并入本文的第6，936，809號美國專利，公開了一種使用電潤濕技術(shù) 以橫向偏移在像面上形成的圖像。
目前預(yù)期的液體透鏡系統(tǒng)的折射率之差至少約0. 2，優(yōu)選地至少約0. 3，在一些實 施方式中至少約為0.4。水具有約1.3的折射率，且加鹽后折射率可變?yōu)榧s1.48。適合的 光學(xué)油(optical oils)可具有至少約1. 5的折射率。甚至利用具有較高、較低或較高和較 低折射率的液體，例如較高折射率的油，光焦度變化的范圍仍受到限制。受限的光焦度變化 范圍通常提供比可移動的透鏡組小的放大率變化。因此，在簡單的變焦透鏡系統(tǒng)中，為了提 供變焦同時保持恒定的像面位置，通過一個可移動的透鏡組提供大部分的放大率變化，且 通過一個液體單元提供放大率變化期間像面上大部分的散焦補(bǔ)償。然而，應(yīng)該注意，可利用 更多的可移動的透鏡組或更多的液體單元，或利用更多的可移動的透鏡組和更多的液體單元?？梢苿拥耐哥R組可具有正或負(fù)光焦度。液體單元可具有一定范圍的可變光焦度， 其中光焦度總為正、總為負(fù)或從正變?yōu)樨?fù)或從負(fù)變?yōu)檎??？梢苿拥耐哥R組和液體單元的適 當(dāng)布置可提供大于2倍且優(yōu)選地大于3倍的擴(kuò)展的變焦比，且同時在整個變焦范圍內(nèi)提供 良好的圖像質(zhì)量。除變焦之外，該布置還可通過利用來自液體單元、可移動的透鏡組或兩者 的額外可獲得的光焦度變化，在擴(kuò)展的聚焦范圍內(nèi)的不同物距處提供聚焦。液體單元或可 移動的透鏡組或者兩者為聚焦所提供的額外光焦度變化是容易獲得的。由于一個可移動的 透鏡組不需要具有固定移動軌跡的凸輪，因此可調(diào)節(jié)可移動的變焦透鏡組的位置以變焦和 聚焦。通過利用可移動的變焦透鏡組和液體單元進(jìn)行變焦和聚焦實現(xiàn)了高性能成像。還可用至少一個液體單元替換可移動的變焦透鏡組。這將增加光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜 性，并導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)具有其他缺點，例如減小的放大率變化。圖1還示出透鏡控制模塊104，其控制透鏡中的透鏡組102的移動和操作?？刂颇?塊104包括控制液體透鏡單元的曲率半徑的電路。電路還可控制可移動的透鏡組的位置。 可預(yù)先確定用于不同焦點位置和變焦位置的適當(dāng)?shù)碾娮有盘栯娖?，并將其置于查找表中?可選地，模擬電路或電路與查找表的組合可生成適合的信號電平。在一個實施方式中，用多 項式確定適合的電子信號電平。沿著多項式的點可被存儲在查找表中，或者多項式可通過 電路實施。在控制液體之間的表面的曲率半徑或可移動的透鏡組的位置或者兩者時還可考 慮熱效應(yīng)。多項式或查找表可包括額外的與熱效應(yīng)相關(guān)的變量?？刂颇K104可包括用于特定變焦設(shè)置或焦距的預(yù)置控制。這些設(shè)置可由使用者 或照相機(jī)制造商存儲。圖1進(jìn)一步示出圖像捕獲模塊106，圖像捕獲模塊106接收與外部物體相應(yīng)的光 學(xué)圖像。該圖像沿著穿過透鏡102的光軸被傳輸至圖像捕獲模塊106。圖像捕獲模塊106 可采用不同的形式，例如膠片(例如生膠片或靜止影像膠片)，或電子圖像檢測技術(shù)(例如 CCD陣列、CMOS裝置或視頻拾取電路)。光軸可為線狀的，或者光軸可包括折疊。圖像存儲模塊108將所捕獲的圖像保存在例如單板存儲器或膠片、磁帶或磁盤 上。在一個實施方式中，存儲介質(zhì)為可移除的(例如閃存、膠片筒、磁帶盒或磁盤)。圖像傳輸模塊110將所捕獲的圖像傳輸至其他裝置。例如，圖像傳輸模塊110可 使用一種或多種連接，例如USB端口、IEEE 1394多媒體連接、以太網(wǎng)端口、藍(lán)牙無線連接、 IEEE 802. 11無線連接、視頻元件連接或S視頻連接。照相機(jī)100可以以多種方式實現(xiàn)，例如攝像機(jī)、移動電話相機(jī)、數(shù)字圖像攝像機(jī)或膠片攝像機(jī)?，F(xiàn)在將通過設(shè)計示例來描述變焦透鏡的實施方式。首先參照圖2，通過字母“E”和 跟隨其后的數(shù)字1至20來表示每個透鏡元件，并描述每個透鏡元件的總體配置，但是每個 透鏡表面的實際半徑在表1中列出。以數(shù)字1至36來表示透鏡、物體、光闌或可變光圈以 及像面。通過字母“G”和跟隨其后的數(shù)字1至3表示圖2中的三個透鏡組，通過字母“LC” 表示液體透鏡單元，液體透鏡單元包括光學(xué)表面19至23。光軸在圖2中由數(shù)字38表示。每個透鏡元件具有以獨立但連續(xù)的表面數(shù)字表示的相對表面，例如如圖2所示， 透鏡元件El具有透鏡表面2和透鏡表面3，透鏡元件E9具有透鏡表面17和透鏡表面18等。 待成像物體的位置特別由于其與對焦距離有關(guān)而由位于光軸38上的豎直線和數(shù)字1表示， 且實像面由數(shù)字36表示。除透鏡表面4和透鏡表面8之外的所有透鏡表面都為球面或平 面，透鏡表面4和透鏡表面8為非球形、非平的但關(guān)于光軸旋轉(zhuǎn)對稱的非球面。在描述透鏡元件的詳細(xì)特征之前，針對變焦透鏡系統(tǒng)60給出透鏡組和透鏡組的 軸向位置及移動、以及液體透鏡單元和與液體接觸的表面形狀的變化的概括描述。每個透鏡組的正光焦度或負(fù)光焦度定義為焦距的倒數(shù)。得出的每個透鏡組的光焦 度如下物鏡組Gl為正，變焦透鏡組G2為負(fù)，而后透鏡組G3為正，且隨著液體單元中表面 形狀的變化從較低的正值變化到較高正值。位于圖2上部的兩端帶有箭頭的水平箭頭標(biāo)志 表示變焦透鏡組G2可在兩個軸向方向上移動。圖2中僅物理地示出了透鏡元件，應(yīng)該理解的是，可在透鏡殼體或鏡頭筒中提供 用于支撐透鏡元件以及使可移動的變焦透鏡組軸向移動的機(jī)械裝置和機(jī)構(gòu)。另外，應(yīng)該理 解的是，電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。在表1中列出了上述變焦透鏡系統(tǒng)60中的透鏡結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的數(shù)據(jù)。表1中的數(shù) 據(jù)是在25°C (77 T )的溫度以及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(760mmHg)下給出的。在整個說明書中，除波 長為納米(nm)之外，計量單位均為毫米(mm)。在表1中，第一欄的“項目”表示具有與圖2 中使用的相同標(biāo)號或標(biāo)識的每個光學(xué)元件以及每個位置，即物面、像面等。第二欄表示具有 與圖2中使用的相同的標(biāo)號的光學(xué)元件(透鏡)所屬的“組”。第三欄“表面”為如圖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”)、光闌(可變光圈)13和透 鏡的每個實際表面的列表。第四欄“焦點位置”表示變焦透鏡系統(tǒng)60的三個典型焦點位置 (F1、F2和F3)，其中如以下更全面描述的，在第三欄所列出的一些表面之間的距離(間隔) 存在變化，并且在第三欄列出的表面21的曲率半徑也存在變化。第五欄“間隔”為表面(第 三欄)與下一表面之間的軸向距離。例如，表面S2與表面S3之間的距離為1. 725mm。標(biāo)題為文字“曲率半徑”的第六欄，是每個表面的光學(xué)表面曲率半徑的列表，負(fù)號 (-)表示曲率半徑的中心在表面左側(cè)，如圖2所示，“無窮大”表示光學(xué)上扁平的表面。表面 4和8的星號(*)表示表面4和8為非球面，其“曲率半徑”為基圓半徑(base radius)。使 用非球面提供了對變焦透鏡的像差的校正，使變焦透鏡整體尺寸更小并且配置更簡單。非 球面4和非球面8的表面輪廓的公式和系數(shù)由下述等式?jīng)Q定ζ =-^-F + 4/ + By6 + Cy8 + Dym + Eyu + Fy14其中，c為表面曲率(c = Ι/r，其中r為曲率半徑)；y為從X軸和Y軸測量的表面的徑向孔徑高度；
9
其中，y= (χ2+γ2)1/2 ;κ為二次曲線系數(shù)；Α、B、C、D、E、F分別為第4、第6、第8、第10、第12和第14階的形變系數(shù)
(deformation coefficient)；ζ為對于給定y值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 =+0. 9038 XlCT6B =+0. 2657X10 8C =-0. 1105X10 10D = +0. 4301 X IO-13E = -0. 8236 X IO-16F =+0. 6368X1CT19表面8的系數(shù)為κ= 0. 0000A = 0. 5886 XlCT4B =-0. 5899X10—6C = 0. 8635 X IO 8D = -0. 5189 X IO-10E =-0. 1186 XliT11F = 0. 1631X1CT13表1的第七欄至第九欄涉及圖2中表面(第三欄)與其右側(cè)下一表面之間的“材 料”，“類型”欄表示兩個表面之間為透鏡(玻璃)或空的空間(空氣)或液體透鏡(液體)。 玻璃和液體透鏡在“代碼”欄中由光學(xué)玻璃或光學(xué)浸液來表示。為了簡便起見，所有透鏡玻 璃均選自可從Ohara Corporation (小原株式會社)獲得的玻璃，并且“名稱”欄列出了每種 玻璃類型的小原標(biāo)識(Ohara identification)，但應(yīng)該理解的是，也可使用任何等同的、相 似的或適合的玻璃。而且，油的透鏡液體選自可從Cargille Laboratories, Inc.(邁科諾 技術(shù)有限公司)獲得的液體，并且水是通?？蓮母鞣N水源獲得的，但應(yīng)該理解的是，可以使 用任何等同的、相似的或適合的液體。表面20處的水基液體在波長656. 27,589. 29,546. 07 和 486. 13nm 處分別具有折射率 1. 331152、1. 332987、1. 334468 和 1. 337129。表面 21 處的 油液在波長 656. 27,589. 29,546. 07 和 486. 13nm 處分別具有折射率 1. 511501、1. 515000、 1.518002 和 1. 523796。表1中標(biāo)題為“孔徑直徑”的最后一欄提供光線穿過的每個表面的最大直徑。對 于所有的變焦和焦點位置，對于像面上大約6mm的最大圖像直徑和F/2. 8至F/4. 0的F數(shù)， 在波長546. 1納米處給出除光闌表面13以外的所有最大孔徑直徑。在表1中，對于變焦位 置Zl和焦點位置Z1，在波長為546. 1納米和像面上的F數(shù)為F/2. 8時給出了光闌表面13 的最大孔徑直徑。在像面36上，以大致值給出了最大孔徑直徑。表 1
的直徑。光闌為物理光圈(或膜片)所在的位置。光圈位于后透鏡組G3前方并相對透鏡 組軸向固定。注意，在圖4A中，邊緣光線經(jīng)過光闌表面13的刻度(tic marks)的軸側(cè)，從 而使變焦透鏡系統(tǒng)在任何場位置、變焦位置和焦點位置都沒有光束的漸暈。然而，注意，F(xiàn)數(shù) 隨變焦和焦點位置而變化，而且光圈相應(yīng)地打開或關(guān)閉。對于焦點位置F1，變焦位置Z1-Z8 的光圈的直徑為6. 71,6. 39,5. 96,5. 53,5. 18,4. 84,4. 63和4. 61。這表明隨著焦距增加， 位于表面13處的光圈應(yīng)當(dāng)關(guān)閉。與焦點位置Fl相比，對于焦點位置F2和F3的變焦位置 Z1-Z8的光圈直徑發(fā)生小于0. 3mm直徑的少量變化，以保持對于焦點位置Fl的相同的F數(shù)。參照表1，表1示出了以數(shù)據(jù)闡明的存在八個不同的變焦位置Zl、Z2、Z3、Z4、Z5、 Z6、Z7和Z8以及三個不同的焦點位置F1、F2和F3的設(shè)計的范圍和多樣性，實際上，這些數(shù) 據(jù)為可移動的變焦透鏡組G2和可變形狀的光學(xué)表面21提供了二十四(8X3 = 24)個不同 的位置組合。在546. 1納米波長處，變焦透鏡系統(tǒng)60在焦點位置Fl處對于變焦位置Z1-Z8的焦 距分別為 5. 89,7. 50、11. 25、15. 00、18. 75,30. 00,41. 25 和 45. OOmm0 在 546. 1 納米波長處， 對于數(shù)據(jù)位置Z1-Z8的焦距所對應(yīng)的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(shè)物面1位于無窮遠(yuǎn)，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，距離像面378. 75mm)。在3個 焦點位置Fl、F2和F3中的每一個處，透鏡組Gl和G3在變焦透鏡組G2的整個移動范圍內(nèi) 保持在相同的位置。表2和表3提供了表面7和表面12的間隔值，表4提供了表面21對 于變焦位置Z1-Z8和焦點位置F1-F3的曲率半徑。表2
表面7的間隔值
表 隹占ZlΖ2Ζ3Ζ4 Ζ5Ζ6Ζ7Ζ8
7Fl0. 08325. 713213. 712618.4633 21.697427. 400730. 540031. 3096
7F20. 09025. 748613. 646818.3289 21.515427. 077630. 017430. 7361
7F30. 07505. 694213. 467418. 1217 21. 335526. 746729. 579830.2701
表3
表面12的間隔值
隹 、、、
表 ZlΖ2Ζ3Ζ4 Ζ5Ζ6Ζ7Ζ8
占
12Fl31. 529425. 899217. 899613. 1486 9. 91404. 21011. 07010. 3000
12F231. 517825. 858117. 959013. 2762 10. 0892 4. 52681. 58700. 8729
12F331. 532425. 912018. 138013. 4831 10. 2689 4. 85772. 02481. 3384
表4
表面121的曲率半徑
表隹 、、、
ZlZ2Z3Z4Z5Z6Z7 Z8
面占
21Fl-33.9902-40.9700-60.9667-84.8892-106.7630-101.7297-58.3998 -48.6792
21F2-34.3890-42 0587-65 5384-101.1799-154.9184-370.2777-263.5374 -212 3139
21F3-35. OlM-43.6001-72 6330-133.7178-351.2333214 4454125.5481 115.8049可以理解，在極端焦點位置Fl與F3之間可以獲得連續(xù)聚焦，在極端變焦位置Zl 與Z8之間可以獲得連續(xù)變焦，在所描述的聚焦和變焦范圍內(nèi)通過透鏡系統(tǒng)60可以獲得連 續(xù)聚焦和變焦的任何組合。圖2中所示出和表1中所規(guī)定的變焦透鏡系統(tǒng)60對于透鏡組Gl和G2分別具有 54. 30和-12. 25mm的焦距。而且，由于液體之間的光學(xué)表面21的形狀可變，透鏡組G3具 有可變焦距，該可變焦距在變焦位置Zl和焦點位置Fl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(xué)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約為-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。這種差異發(fā)生在變焦位 置Zl和焦點位置Fl處以及變焦位置Z8和焦點位置F3處。在該實施方式中，表面20、21 和21、22之間的兩種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之間的軸向間隔發(fā)生小的、相等但相反的改變，以保持每種液體的體積恒 定?，F(xiàn)在參照4A、4B、和4C，其中示出變焦透鏡系統(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蹤跡。圖4A表 示了焦點位置Fl和變焦位置Z1，表1中以無窮遠(yuǎn)的焦點和約為5. 9mm的較小焦距闡明了針 對焦點位置Fl和變焦位置Zl的數(shù)據(jù)。圖4B以表1中的中間焦點和約11. 3mm的焦距表示 了焦點位置F2和變焦位置Z3。圖4C以表1中的近焦點和約44. 8mm的焦距表示了焦點位 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、Fl和Z3、F2和 Z8、F3，具有可變光學(xué)表面21的相應(yīng)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(xué)性能，其中以表1中所給出的變 焦位置和焦點位置的三種不同組合，即作為代表性示例的(zi，F(xiàn)l)、(Z3，F(xiàn)2)、和(Z8，F(xiàn)3)， 對于五個不同的場位置，以百分比(％ )示出了基于衍射的的多色調(diào)制傳遞函數(shù)(“MTF”) 數(shù)據(jù)(調(diào)制與空間頻率的關(guān)系)。以兩個數(shù)值給出所述場位置，即歸一化的圖像高度(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的右上角記錄的 波長和權(quán)重處，并以圖形方式示出像面36上測量的切向(T)和徑向(R)。注意，切向和徑向 值在軸向場位置(軸)處是相等的并僅用一個圖來描繪。給定約6mm的圖像直徑，所示出 的最大空間頻率為90周/mm，對探測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個水平像素乘1080個豎直像素的高質(zhì)量圖像?？臻g頻率處的MTF是光學(xué) 性能的相對標(biāo)準(zhǔn)的測量，其中數(shù)值“90周/mm”意味著在用于確定清晰度的圖上每毫米90 對黑白線。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的全切向場。最小相對照度約 為75%，處于變焦位置Zl和焦點位置F1。通常，相對照度值越高越好，因為低的數(shù)值意味 著光在圖片的角落減少。對于現(xiàn)有技術(shù)的探測器而言，較高的全場相對照度是優(yōu)選的，現(xiàn)有 技術(shù)的探測器在所有區(qū)域中具有對光的恒定響應(yīng)，并且在變焦過程中連同圖像的改變忠實 地重現(xiàn)圖像角落中的陰影。小于50%的照度可能導(dǎo)致電子探測器中的陰影，但是對于膠片 而言可能是可接受的。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(fù)畸 變?yōu)樽兘刮恢肸l和焦點位置F3處的-2. 98%。通常，所謂的透鏡“呼吸”問題(但是可能 在變焦透鏡中更為普遍)，即從遠(yuǎn)焦到近焦圖像尺寸發(fā)生改變，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，而由于景深較大該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%。呼吸是從無窮遠(yuǎn)焦點到所選擇的焦點最大視場角的百分比變 化。因此，在無窮遠(yuǎn)焦點(Fl)處，呼吸為零，因為它是參考視場。在25°C (77 0F )的溫度、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(760mm Hg)下以及在變焦透鏡系統(tǒng)60中可獲 得的全孔徑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下至104 T ) 的溫度范圍內(nèi)的確提供了基本恒定的性能，例如MTF值，并且如果性能(MTF)的小幅下降是 可以接受的，則操作溫度范圍可以擴(kuò)展至-10°C至50°C (14下至122下)或更大。對于溫 度的變化，可以通過對變焦透鏡組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)一步的改變或者通過二者的結(jié)合實現(xiàn)最優(yōu)性能。這可以發(fā)生在所有的變焦及焦點 位置。在約0°C (32下)或0°C以下的低溫下，為了避免結(jié)冰(形成固體)，液體可能需要加 熱，或者采用與為了低溫運行而將防凍劑添加到汽車散熱器中的水中的相似方式，將液體 替換為含添加劑的液體。然而，注意這些材料溫度變化優(yōu)選地不應(yīng)顯著改變液體的光學(xué)特 性。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(所謂的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(shè)計產(chǎn)生了具有高性能并且機(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 個可軸向移動的變焦透鏡組和相應(yīng)的機(jī)械裝置。變焦透鏡系統(tǒng)60的獨特透鏡設(shè)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(yīng)的機(jī)械裝置。所公開的變焦透鏡系 統(tǒng)60的設(shè)計是示例性的，其它設(shè)計落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。通過上述描述和附圖，本領(lǐng)域技 術(shù)人員會了解到變焦透鏡系統(tǒng)60的其它特征和優(yōu)點。采用圖像穩(wěn)定的透鏡系統(tǒng)中的液體光學(xué)元件
圖6A和圖6B示出采用液體以穩(wěn)定圖像的透鏡系統(tǒng)的光學(xué)示意圖。圖6A示出在 YZ平面中的透鏡系統(tǒng)，其中液體透鏡單元70和71為離軸、偏心的并且沿Y軸輕微傾斜的。 圖6B示出在XZ平面中的透鏡系統(tǒng)，其中液體透鏡單元70和71沿X軸居中。在該簡化的透鏡系統(tǒng)中，光從物空間穿過透鏡元件72。在光圈的另一側(cè)，光穿過液體透鏡單元70和71。 透鏡元件73使光會聚在像面74上。圖6A中的光學(xué)示意圖示出在YZ平面中傾斜或旋轉(zhuǎn)透鏡的影響。如圖所示，在YZ 平面中傾斜透鏡導(dǎo)致像面74上的圖像上移或下移。對液體透鏡單元70和71進(jìn)行定位，以 便協(xié)同地控制液體透鏡單元70和71以補(bǔ)償YZ平面中透鏡傾斜的影響。圖7A和圖7B示出使用四個液體透鏡單元以穩(wěn)定圖像的透鏡系統(tǒng)80的光學(xué)示意 圖。透鏡系統(tǒng)80可與照相機(jī)100—起使用。圖7A示出在YZ平面中的透鏡系統(tǒng)80，且圖 7B示出XZ平面中的透鏡系統(tǒng)80。透鏡系統(tǒng)80包括第一固定物鏡組81、第二移動透鏡組 82、光圈83、第三固定透鏡組84、第一液體透鏡單元85、第四固定透鏡組86、第二至第五液 體透鏡單元86、88、89、90以及第五固定透鏡組91。圖像在像面92上形成。液體透鏡單元 87和88沿y軸以相對方向偏置，且液體透鏡單元89和90沿ζ軸以相對方向偏置。因此， 對液體透鏡單元87和88的可變表面形狀的控制提供圖像沿y軸在像面92處的穩(wěn)定性，對 液體透鏡單元89和90的控制提供圖像沿χ軸在像面92處的穩(wěn)定性。圖7A和圖7B中所示的配置，示出沿ζ軸對準(zhǔn)的液體透鏡單元?？蛇x地，除了沿著 χ軸或1軸偏移之外，液體透鏡單元還可圍繞ζ軸傾斜，或者液體透鏡單元還可圍繞ζ軸傾 斜而不沿X軸和y軸偏移。沿X軸或y軸或沿兩者使液體透鏡單元偏移都增加系統(tǒng)80中 透鏡的物理直徑。傾斜液體透鏡單元可允許減小或消除可減小液體透鏡單元物理直徑的χ 和y方向上的偏移，并可允許更好的圖像穩(wěn)定。圖7A和圖7B中不含液體透鏡單元的每個透鏡組的光焦度和焦距如下物鏡組81 為正且為+54. 700mm，移動透鏡組82為負(fù)且為_12. 165mm，透鏡組84為正且為+70. 285mm, 透鏡組86為正且為+42. 266mm，后透鏡組91為正且為+19. 147mm。表5列出了圖7A和圖7B示出的透鏡元件的一般配置。在25°C (77 °F )的溫度以 及標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(760mm Hg)下，給出表5中的數(shù)據(jù)。焦距范圍大致為6mm至45mm。視場范 圍大致為56. 7°至7. 7° (包括在無窮遠(yuǎn)焦點位置Fl的變形)。變焦比率大致為7. 5倍 (7.5 1)。使用16:9格式的圖像尺寸大致為Φ6πιπι。焦點范圍大致為無窮遠(yuǎn)(焦點位置 Fl)至378. 25mm(焦點位置F3)，是從物體到最近倍率透鏡表面的頂點測得的。波段范圍大 致為486nm至656nm。透鏡系統(tǒng)80提供從至少約15mm至45mm的焦距，在大致士 1/4圖片 半高度以及士 1/8圖片半寬度范圍中的圖像穩(wěn)定。
15 組87和88中的所有表面分別沿y軸偏離中心-4. 3915mm 和 +4. 3915mm,且組 81
和90中的所有表面分別沿x軸偏離中心-3. 9888mm和+3. 9888mm。所有其余表面均排列在
53的星號(*)表示他們?yōu)榉乔蛎?。表?的系數(shù)為
光軸上。表面'4、表面7和表_
K ==-0. 5673
A =+09038 X10_6
B =+02657 X 10_8
C =-01105X10,
D =+04301 X1(T13
E =-08236 X10_16
F =+06368 X1(T19
表面7的系數(shù)為
K ==+0. 0000
A =+05886 X10_4
B =-05899 X10_6
C =+08635 X10_8
D =-05189X10,
E =-01186X1CT11
F =+01631 X1(T13
表面53的系數(shù)為
k =+0.0000A =-0. 5302X10_4B =+0. 8782X10—6C =+0. 7761X1CT7D =-0. 1700X1CT8E =-0. 1965X1CT9F =+0. 6903X1CT11變焦透鏡系統(tǒng)80在焦點位置F1處對于變焦位置Z1-Z8的焦距分別為6. 0003、 7. 6131、11. 4304、15. 2474、19. 1105,30. 4619,41. 4244 和 44. 9809。對于變焦位置 Z1-Z8 的 相應(yīng)的 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，假定物面位于無窮遠(yuǎn)，對于焦點位置F2，物面處于約1016. 25mm 的中間距離，而對于焦點位置F3，物面位于約378. 75mm的近距離處(S卩，距離像面 378. 75mm)。透鏡組81、84、86和91在變焦透鏡組82的整個移動范圍內(nèi)保持在相同的位置。圖8A、圖8B和圖8C為示出示例性的變焦位置和焦點位置的透鏡系統(tǒng)80的光學(xué)示 意圖。在圖8A中，針對焦點位置F1(物平面位于無窮遠(yuǎn))和變焦位置21爾數(shù)為2.80)配置 透鏡系統(tǒng)80。在圖8B中，針對焦點位置F2(物平面位于1016. 25mm處)和變焦位置Z3(F 數(shù)為3. 05)配置透鏡系統(tǒng)80。在圖8C中，針對焦點位置F3(物平面位于378. 75mm處)和 變焦位置Z8 (F數(shù)為4. 00)配置透鏡系統(tǒng)80。表6提供了對于焦點位置F1-F3和變焦位置Z1-Z8而言，透鏡組81中最后一個透 鏡表面與透鏡組82中第一個透鏡表面的間隔值。表 681和82之間的間隔值 表7提供了對于焦點位置F1-F3和變焦位置Z1-Z8而言，透鏡組82中最后一個透 鏡表面與光圈83的間隔值。
表8提供了對于焦點位置F1-F3和變焦位置Z1-Z8而言，透鏡系統(tǒng)80的光圈的直 表9-13提供了對于焦點位置F1-F3和變焦位置Z1-Z8而言，透鏡系統(tǒng)80的液體 透鏡單元85、87、88和89的曲率半徑。表 9液體透鏡單元85的曲率 表9-13提供的值用于當(dāng)圖像穩(wěn)定時且不需要對圖像跳動進(jìn)行校正的條件。當(dāng)檢 測到圖像跳動時，調(diào)節(jié)液體透鏡單元的曲率半徑以進(jìn)行補(bǔ)償。表14提供了對于-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，在透鏡系統(tǒng)80的焦點位置F2和變焦位置Z8處液體透鏡單元85、87、88、89和90的曲率半
徑。
表14
變焦位置8和焦點位置2處的液體透鏡單元穩(wěn)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)
+0.50000. 0000-212.3139 58. 4594-275.215788.199978.5201
-0. 50000. 0000-212.3139 -3112.442945. 3929109.7978121.1403
0. 0000+0. 4500-212. 3139 128.0860193. 792540.6736 -1791. 4692
0. 0000-0. 4500-212. 3139 84. 8003101. 7532-191. 663943. 2782
圖9A、圖9B、圖9C和圖9D為按照如表14所示配置的透鏡系統(tǒng)80的光學(xué)示意圖。
圖9A示出對于+0. 5000度的y方向偏移的圖像穩(wěn)定性。圖9B示出對于-0. 5000度的y方 向偏移的圖像穩(wěn)定性。圖9C示出對于+0.4500度的x方向偏移的圖像穩(wěn)定性。圖9D示出 對于-0. 4500度的x方向偏移的圖像穩(wěn)定性。 表15提供了對于+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，在透鏡系統(tǒng)80的焦點位置F1和變焦位置Z4處液 體透鏡單元85、87、88、89和90的曲率半徑。表15
變焦位置4和焦點位置1處的液體透鏡單元穩(wěn)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. 50000. 0000-84. 889251. 5591-271.8934143. 717072. 8023
-1. 50000. 0000-84. 8892-762.454742. 5934103. 3767143. 1168
0. 0000+1. 2200-84. 8892140. 6245113. 448443. 9052-341. 3372
0. 0000-1. 2200-84. 889286. 397981. 3499-145. 466946. 5625
圖10A、圖10B、圖10C和圖10D為按照如表15所示配置的透鏡系統(tǒng)80的光學(xué)示意圖。圖10A示出對于-1. 5000度的y ；方向偏移的圖像穩(wěn)定性。圖10B示出對于+1. 5000
度的y方向偏移的圖像穩(wěn)定性。圖10C示出對于+1.2200度的x方向偏移的圖像穩(wěn)定性。 圖10D示出對于-1. 2200度的x方向偏移的圖像穩(wěn)定性。在表5-15中給出的液體透鏡單元數(shù)據(jù)的光焦度和焦距如下第一單元85為負(fù)到 正且為-185. 198mm 到 630. 972mm,第二單元 87 為正到負(fù)且為 +280. 924mm 到-4154. 291mm, 第三單元88為正到負(fù)且為+232. 078mm到-1481. 432mm,第四單元為正到負(fù)且為 +221. 613mm 到-792. 587mm,以及第五單元 90 為正到負(fù)且為 +235. 804mm 到-1859. 801mm。在圖11A-11CU2A-12D以及13A-13D中給出透鏡系統(tǒng)80的光學(xué)性能。圖11A-11C 與圖8A-8C中示出的光學(xué)配置相對應(yīng)。圖12A-12D與圖9A-9D中示出的光學(xué)配置相對應(yīng)。 圖13A-13D與圖10A-10D中示出的光學(xué)配置相對應(yīng)。
20
以表5中所給出的變焦位置和焦點位置的三種不同組合，即作為代表性示例的 (Z1，F(xiàn)1)、(Z3，F(xiàn)2)、和(Z8，F(xiàn)3)，對于五個不同的場位置，以百分比(％ )示出了基于衍射的 的多色調(diào)制傳遞函數(shù)(“MTF”)數(shù)據(jù)(調(diào)制與空間頻率的關(guān)系)。五個場位置(軸和四個 角)以角度表示為x-y視場角。MTF百分比處于在圖11A-11C。12A-12D和13A-13D的右上 角所給出的波長和權(quán)值處，并針對像面92上的x和y測量方向以圖形方式示出。透鏡系統(tǒng)80具有的畸變特征與具有略微增加的全場畸變(fullfield distortion)的透鏡系統(tǒng)60的畸變特征相似，由于液體透鏡是偏心的，單元系統(tǒng)60的全場 畸變略微地不對稱。透鏡系統(tǒng)80基本上是非漸暈的，并且相應(yīng)的相對照度非常高并與透鏡 系統(tǒng)60的照度相似。透鏡系統(tǒng)80具有的呼吸特征基本上與透鏡系統(tǒng)60的呼吸特征相似。給定約6mm的圖像直徑，所示出的最大空間頻率為60周/mm，對探測器像素尺寸 的選擇可以提供至少高達(dá)標(biāo)清電視(SDTV)分辨率，即720個水平像素乘480個豎直像素的 高質(zhì)量圖像。在圖11中，在長焦距處，在通常實際上沒有遠(yuǎn)距離位置和中間距離位置即F1 和F2重要的近焦位置(Z8，F(xiàn)3)，光學(xué)性能(MTF)減小至約55%。然而，在遠(yuǎn)距離處穩(wěn)定操 作時，光學(xué)性能(MTF)維持在約60%以上?？梢苿拥耐哥R組82在穩(wěn)定期間可軸向移動，且 液體透鏡單元的可變曲率半徑在穩(wěn)定期間可獨立的變化，這允許光學(xué)性能升至或超過大致 相當(dāng)于HDTV分辨率的90周/mm。圖12A-12D與圖9A-圖9D示出的光學(xué)配置相對應(yīng)。圖13A-13D與圖10A-圖10D示出的光學(xué)配置相對應(yīng)。圖7-圖10示出的實施方式利用液體透鏡單元85來聚焦、變焦和熱補(bǔ)償；液體透 鏡單元87和88主要用于在y方向偏離的入射輻射的穩(wěn)定；且液體透鏡單元89和90主要 用于在x方向偏離的入射輻射的穩(wěn)定?？梢苿拥耐哥R組82主要提供變焦。在另一個實施 方式中，可從系統(tǒng)中除去液體透鏡單元85，并且所保留的液體透鏡單元87、88、89和90可提 供變焦、聚焦和穩(wěn)定性。液體透鏡單元85還可由非液體透鏡單元代替。而且，可允許可移 動的透鏡組82在穩(wěn)定期間軸向移動，允許所有液體透鏡單元的可變曲率半徑在穩(wěn)定期間 變化，或允許以上兩者。這可改進(jìn)透鏡系統(tǒng)80的光學(xué)性能，特別在穩(wěn)定期間視場角落處的 光學(xué)性能。透鏡系統(tǒng)80可采用一對液體透鏡單元以提供單一方向的穩(wěn)定，而非利用兩對液 體透鏡單元。例如，當(dāng)水平方向的圖像跳動可忍受時，則可期待減小垂直的圖像跳動。在某種程度上，液體透鏡單元偏移光軸的尺寸決定液體透鏡單元可提供的穩(wěn)定 量。然而，隨著液體透鏡單元遠(yuǎn)離光軸有效孔徑直徑減小，在一個實施方式中，第一對液體 透鏡單元偏移光軸的量與第二對液體透鏡單元偏移的量不同。因為偏移增加，所以第一對 液體透鏡單元可提供垂直方向的較大穩(wěn)定，而因為相對光軸的偏移量減小，所以第二對液 體透鏡單元提供在水平方向上較小的穩(wěn)定但是較大的孔徑。可使用不同類型的傳感器檢測透鏡系統(tǒng)的移動。例如，可使用角速度傳感器、壓 電陀螺傳感器、加速度傳感器或光檢測傳感器來檢測移動。通過引用并入本文的美國第 6，092，700號專利公開了檢測移動的系統(tǒng)的示例。移動傳感器將信息提供至確定液體透鏡單元85、87、88、89和90的適合的曲率 半徑的控制器?？刂破鬟€確定透鏡組82的適合位置。通過引用全文合并與此的公開號 為2006/0045504的美國專利申請，公開透鏡系統(tǒng)的控制器。通過引用全文合并與此的第6，987，529號美國專利公開控制透鏡系統(tǒng)的另一示例?？深A(yù)先確定用于控制液體透鏡單元半徑的適合的電子信號的電平，并將其置于查 找表中?？蛇x地，模擬電路或數(shù)字電路和查找表的組合可生成適合的信號電平。在一個實 施方式中，用公式確定適合的電子信號電平。沿著多項式的點可被存儲在查找表中，或多項 式可由電路實施。雖然附圖示出了變焦透鏡的圖像穩(wěn)定，但是圖像穩(wěn)定還適合其他輻射控制裝置， 例如固定的聚焦透鏡、變焦透鏡、畸變透鏡、光中繼系統(tǒng)等等。液體透鏡單元還可與其他光學(xué)元件一起組合使用以實現(xiàn)穩(wěn)定。例如，將液體透鏡 單元與棱鏡成對使用以改進(jìn)穩(wěn)定性能。透鏡元件的移動可導(dǎo)致傳感器上圖像位置的移動、 傳感器上圖像的傾斜或離心移動。液體透鏡單元可用于補(bǔ)償傳感器上圖像的移動，且其他 透鏡單元可補(bǔ)償離心移位或補(bǔ)償傾斜和離心兩者。傳感器可具有額外像素，以及移動檢測 算法、加速表或陀螺儀，這些可用于確定像素上圖像的位置并因此補(bǔ)償圖像移位。應(yīng)該注意，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，各種改變和修改是顯而易見的。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
一種圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，包括多個透鏡元件，沿著至少兩個光軸對準(zhǔn)；以及至少一個液體透鏡單元，其包括第一接觸液體和第二接觸液體，其中所述接觸液體之間的接觸光學(xué)表面具有可變形狀，所述可變形狀關(guān)于其自身的光軸是基本對稱的并且關(guān)于至少一個其他光軸是不對稱的；其中所述多個透鏡元件和所述至少一個液體透鏡單元被配置成聚集從物側(cè)空間發(fā)出的輻射，并且為傳輸至像側(cè)空間的輻射提供至少部分穩(wěn)定。
2.如權(quán)利要求1所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第二液體透鏡單元，其中所述至少 一個液體透鏡單元和所述第二液體透鏡單元被配置成為傳輸至像側(cè)空間的輻射提供基本 穩(wěn)定。
3.如權(quán)利要求2所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中基本穩(wěn)定是沿直線方向的。
4.如權(quán)利要求2所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中傳輸至像側(cè)空間的輻射沿垂直方向為基本 穩(wěn)定的。
5.如權(quán)利要求1所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，進(jìn)一步包括至少四個液體透鏡單元。
6.如權(quán)利要求5所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述至少四個液體透鏡單元被配置成為傳 輸至像側(cè)空間的輻射提供基本穩(wěn)定。
7.如權(quán)利要求6所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述基本穩(wěn)定是多個方向上的。
8.如權(quán)利要求6所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中傳輸至像側(cè)空間的輻射在所有方向都為基 本穩(wěn)定的。
9.一種圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，包括多個透鏡元件，沿著公共光軸對準(zhǔn)；以及至少一個液體透鏡單元，其包括第一接觸液體和第二接觸液體，其中所述接觸液體之 間的接觸光學(xué)表面具有可變形狀，所述可變形狀關(guān)于所述液體透鏡單元的光軸為基本對稱 的；其中沿著公共光軸對準(zhǔn)的所述多個透鏡元件、以及所述液體透鏡元件被布置成聚集從 物側(cè)空間發(fā)出的輻射，并且為傳輸至像側(cè)空間的輻射提供穩(wěn)定。
10.如權(quán)利要求9所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述多個透鏡單元的公共光軸不與所述 液體透鏡單元的光軸對準(zhǔn)。
11.如權(quán)利要求9所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述接觸光學(xué)表面的形狀受到電控制，以 為傳輸至像側(cè)空間的輻射提供穩(wěn)定。
12.如權(quán)利要求9所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，進(jìn)一步包括加速度計，以檢測至少一個透鏡單 元的移動。
13.如權(quán)利要求12所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述加速度計所檢測到的移動用于控制 所述接觸液體的可變形狀。
14.如權(quán)利要求9所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，進(jìn)一步包括激光陀螺儀，以檢測至少一個透鏡 單元的移動。
15.如權(quán)利要求9所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述接觸光學(xué)表面的形狀在大于5Hz的頻 率處是可變的。
16.如權(quán)利要求9所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中傳輸至像側(cè)空間的輻射為基本穩(wěn)定的。
17.如權(quán)利要求9所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，進(jìn)一步包括運動型檢測機(jī)構(gòu)，以使得移動鏡頭 運動是不穩(wěn)定的。
18.如權(quán)利要求9所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中具有小于2Hz頻率的運動是不穩(wěn)定的。
19.一種圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，包括第一液體透鏡單元，其包括接觸液體，其中所述接觸液體之間的第一接觸光學(xué)表面具 有可變形狀；以及第二液體透鏡單元，其包括接觸液體，其中所述接觸液體之間的第二接觸光學(xué)表面具 有可變形狀；其中所述第一液體透鏡單元和所述第二液體透鏡單元被協(xié)同地控制，以為傳輸至像側(cè) 空間的輻射提供至少一個方向上的穩(wěn)定。
20.如權(quán)利要求19所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述第一液體透鏡單元的光焦度與所述 第二液體透鏡單元的光焦度相等并相反，從而使像平面處的焦點為軸向固定的。
21.如權(quán)利要求19所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述第一液體透鏡單元的光焦度和所述 第二液體透鏡單元的光焦度被設(shè)置成在像平面處提供焦點。
22.—種圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，包括第一對液體透鏡單元，其沿光軸相互偏離；以及第二對液體透鏡單元，其沿光軸相互偏離，其中所述第二對液體單元的偏離在與所述 第一對液體單元的偏離基本垂直的方向上。
23.如權(quán)利要求22所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述第一對液體透鏡單元在所述第一對 液體透鏡單元的偏離方向上提供圖像穩(wěn)定，而所述第二對液體透鏡單元在所述第二對液體 透鏡單元的偏離方向上提供圖像穩(wěn)定。
24.如權(quán)利要求22所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述第一對液體透鏡單元在第一方向上 提供圖像穩(wěn)定，而所述第二對液體透鏡單元在基本與所述第一方向垂直的方向上提供圖像 穩(wěn)定。
25.如權(quán)利要求22所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述第一對液體透鏡單元在第一方向上 提供圖像穩(wěn)定，而所述第二對液體透鏡單元操作以允許在基本與所述第一方向垂直的方向 上移動鏡頭。
26.如權(quán)利要求22所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，進(jìn)一步包括沿著所述光軸基本居中的液體單 元，以調(diào)整傳輸至像側(cè)空間的輻射的焦點。
27.一種圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，包括第一對液體透鏡單元，其沿光軸相互偏離；以及第二對液體透鏡單元，其沿光軸相互偏離，其中所述第二對液體單元的偏離在與所述 第一對液體單元的偏離基本不同的方向上。
28.如權(quán)利要求27所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述第一對液體透鏡單元在所述第一對 液體透鏡單元的偏離方向上提供圖像穩(wěn)定，而所述第二對液體透鏡單元在所述第二對液體 透鏡單元的偏離方向上提供圖像穩(wěn)定。
29.一種圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，包括第一液體透鏡單元，其在第一方向上偏離光軸；第二液體透鏡單元，其在第二方向上偏離所述光軸；以及第三液體透鏡單元，其在所述光軸上基本居中，其中所述第一液體透鏡單元沿著與所述第一方向平行的軸提供穩(wěn)定，所述第二液體透 鏡單元沿著與所述第二方向平行的軸提供穩(wěn)定，而所述第三液體透鏡單元補(bǔ)償焦點位置的變化。
30.一種圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，包括第一液體透鏡單元，其在第一方向上偏離光軸；以及 第二液體透鏡單元，其中所述第一液體透鏡單元沿著與所述第一方向平行的軸促成穩(wěn)定，而所述第二液體 透鏡單元促成傳輸至像側(cè)空間的輻射的聚焦。
31.如權(quán)利要求30所述的穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述第二液體透鏡單元在與所述第一方向相 反的第二方向上偏離。
32.如權(quán)利要求30所述的穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述第二液體透鏡單元在所述光軸上基本居中。
33.如權(quán)利要求30所述的穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述第二液體透鏡單元沿與所述第一方向平 行的軸促成穩(wěn)定。
34.如權(quán)利要求30所述的穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述第一液體透鏡單元促成傳輸至像側(cè)空間 的輻射的聚焦。
35.一種圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，包括第一對液體透鏡單元，其沿光軸彼此偏離；以及第二液體透鏡單元，其沿光軸彼此偏離，其中所述第二對液體透鏡單元的偏離在與所 述第一對液體透鏡單元的偏離基本不同的方向上，且所述第二對液體透鏡單元的偏離幅度 大于所述第一對液體透鏡單元的偏離幅度。
36.如權(quán)利要求35所述的圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，其中所述第一對液體透鏡單元的穩(wěn)定范圍大 于兩倍的所述第二對液體透鏡單元的穩(wěn)定范圍。
全文摘要
一種圖像穩(wěn)定系統(tǒng)，包括多個沿兩個光軸對準(zhǔn)的透鏡元件；以及一個或多個包括第一和第二接觸液體的液體透鏡單元(70，71)，其中接觸液體之間的接觸光學(xué)表面具有可變形狀，可變形狀關(guān)于其自身的光軸是基本對稱的，且關(guān)于至少一個其他光軸為不對稱的；其中多個透鏡元件和至少一個液體透鏡元件聚集從物側(cè)發(fā)出的輻射，并提供圖像的穩(wěn)定。
文檔編號G02B3/14GK101896850SQ200880118070
公開日2010年11月24日 申請日期2008年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月4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(xué)有限公司