專利名稱：：一種實(shí)現(xiàn)無移動(dòng)鏡組變焦距光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及一種實(shí)現(xiàn)變焦距光學(xué)系統(tǒng)，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)無移動(dòng)鏡組變焦距光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：長期以來，在光學(xué)成像系統(tǒng)中可變焦光學(xué)鏡頭已廣泛的應(yīng)用于各種場合。光學(xué)變焦的實(shí)現(xiàn)，通常通過兩種方法即光學(xué)補(bǔ)償變焦與機(jī)械補(bǔ)償變焦，具體是光學(xué)補(bǔ)償變焦和機(jī)械補(bǔ)償變焦。光學(xué)補(bǔ)償變焦主要是利用兩組以上的鏡片一起做同步移動(dòng)來完成變焦和焦點(diǎn)補(bǔ)償，從而避免了使用復(fù)雜的凸輪機(jī)構(gòu)，但這種系統(tǒng)的缺陷是只在幾個(gè)焦距處才能保持像面清晰穩(wěn)定，因而使用并不廣泛；隨著精密加工技術(shù)與光學(xué)設(shè)計(jì)水平的提高，機(jī)械補(bǔ)償法得到了越來越廣泛的應(yīng)用，目前市場上的變焦鏡頭大多采用這種方法，機(jī)械補(bǔ)償變焦是利用精密凸輪機(jī)構(gòu)使兩組或多組鏡組做非線性移動(dòng)，充分發(fā)揮各組元作用，實(shí)現(xiàn)變焦與焦點(diǎn)補(bǔ)償，因而可以獲得較大的變焦比和較好的成像質(zhì)量。但存在體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)。還有一種數(shù)字變焦，目前在內(nèi)窺鏡及手機(jī)鏡頭中使用非常普遍，該技術(shù)是通過相機(jī)內(nèi)的處理器將影像感應(yīng)器上的部份像素用插值算法放大到整個(gè)畫面，從而達(dá)到放大目的，由于鏡頭部分仍處于定焦距狀態(tài)，而由機(jī)器內(nèi)部的數(shù)字電路經(jīng)過運(yùn)算將圖像按照選定的變焦倍數(shù)進(jìn)行放大，然后選擇性地丟棄掉一定的數(shù)據(jù)從而形成數(shù)字變焦，所以，數(shù)字變焦是一種有損變焦，圖像質(zhì)量相對(duì)于正常情況下較差，它會(huì)使圖像產(chǎn)生碼賽克現(xiàn)象，降低圖像的清晰度，并且變焦的倍數(shù)越大，清晰度降低越多。簡單來說，光學(xué)補(bǔ)償法變焦鏡頭設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)較為簡單，但只能在幾個(gè)焦距處才能保持像面清晰穩(wěn)定，不能滿足連續(xù)成清晰像的要求；系統(tǒng)中含有移動(dòng)組元，需要足夠的空間，體積較大。機(jī)械補(bǔ)償法變焦鏡頭用精密凸輪機(jī)構(gòu)使部分組元做非線性運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)像面補(bǔ)償，設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雖然具有良好的成像質(zhì)量，但通常體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且鏡頭易磨損，使用壽命較低。數(shù)字變焦技術(shù)是一種有損變焦，圖像質(zhì)量相對(duì)于正常情況下較差，會(huì)降低圖像的清晰度，并且變焦的倍數(shù)越大，清晰度降低越多。傳統(tǒng)的光學(xué)元件限制了變焦距光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在傳統(tǒng)的光學(xué)變焦系統(tǒng)中，各光學(xué)元件的光學(xué)參數(shù)是固定的，只能靠各個(gè)鏡組間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來同時(shí)實(shí)現(xiàn)焦距的變化和像面的補(bǔ)償，雖然隨著精密加工技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)水平的不斷提高，機(jī)械補(bǔ)償法變焦鏡頭的成像質(zhì)量已得到了極大改善，但其根本原理限制了傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)向更微型、更簡單的方向發(fā)展，使其在微小光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用中受到限制。因此無論哪一種方法，都需要在光路中加入可移動(dòng)組件。因此，要具有大的變焦能力，就必須有足夠的空間，這就使得傳統(tǒng)變焦光學(xué)系統(tǒng)往往存在體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且鏡頭易磨損，使用壽命較低以及成像質(zhì)量差的缺點(diǎn)，很難適應(yīng)目前儀器結(jié)構(gòu)發(fā)展的需求。在許多結(jié)構(gòu)、像質(zhì)要求苛刻的場合，如智能手機(jī)、PDA、內(nèi)窺鏡等，迫切需要一種無移動(dòng)組件且具變焦能力的可調(diào)諧新型光學(xué)系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供了一種實(shí)現(xiàn)無移動(dòng)鏡組變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其解決了
背景技術(shù)：
中體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且鏡頭易磨損，使用壽命較低以及成像質(zhì)量差的缺點(diǎn)，特別適用于在許多結(jié)構(gòu)、像質(zhì)要求苛刻的場合。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種實(shí)現(xiàn)無移動(dòng)鏡組變焦距光學(xué)系統(tǒng)，包括系統(tǒng)物平面23與系統(tǒng)像平面24，其特殊之處在于所述系統(tǒng)物平面23與系統(tǒng)像平面24至少設(shè)置2個(gè)液體變焦透鏡，分別為第一液體變焦透鏡21與第二液體變焦透鏡22;所述系統(tǒng)物平面23、系統(tǒng)像平面24、第一液體變焦透鏡21以及第二液體變焦透鏡22的位置關(guān)系應(yīng)滿足以下關(guān)系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中用A表示物距，B表示兩透鏡間距，C表示后截距，L表示系統(tǒng)物平面23與系統(tǒng)像平面24之間的距離，厶表示第一液體透鏡21的物距，7/表示第一液體透鏡21的像距，//表示第一液體透鏡21的焦距；力表示第二液體變焦透鏡22的物距，厶'表示第二液體變焦透鏡22的像距，表示第二液體變焦透鏡22的焦距；系統(tǒng)的組合焦距最終滿足以下關(guān)系<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>/表示組合系統(tǒng)焦距。上述至少2個(gè)液體變焦透鏡中至少有1個(gè)是折衍混合液體透鏡。上述折衍混合液體透鏡包括控制端15，與控制端15連接的腔體14，所述腔體14內(nèi)設(shè)有填充液體12，所述腔體14包括一個(gè)平面和一個(gè)可調(diào)節(jié)面，所述平面為含衍射面的平面玻璃基板11，所述可調(diào)節(jié)面為透明彈性薄膜。上述至少2個(gè)液體變焦透鏡之間，還設(shè)有定焦透鏡32。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1)系統(tǒng)中不含有運(yùn)動(dòng)鏡組，避免了傳統(tǒng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且鏡頭易磨損，使用壽命較低的缺點(diǎn)。2)是一種光學(xué)變焦技術(shù)，不同于數(shù)字變焦，不會(huì)對(duì)圖像的清晰度造成損害。3)能夠以最少的鏡片數(shù)實(shí)現(xiàn)變焦。4)基于該方法的設(shè)計(jì)出的變焦距系統(tǒng)具有更小的重量與體積，適用于多種對(duì)系統(tǒng)尺寸有嚴(yán)格要求的場合，填補(bǔ)傳統(tǒng)變焦距光學(xué)系統(tǒng)的空白。5)基于本原理的變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法簡單，能夠在現(xiàn)有的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件(如ZEMAX、CODEV等軟件)下完成設(shè)計(jì)。圖1為無運(yùn)動(dòng)鏡組變焦距系統(tǒng)原理示意圖。圖2為折衍混合液體透鏡示意圖。圖3變焦距內(nèi)窺系統(tǒng)示意圖。其中a表示長焦距小視場時(shí)系統(tǒng)示意圖。其中b表示短焦距大視場時(shí)系統(tǒng)示意圖。具體實(shí)施方式本實(shí)用新型提出一種新的實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦的方法，利用液體透鏡這一新型光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中不含有移動(dòng)鏡組的變焦距光學(xué)系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)變焦系統(tǒng)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)，在諸多有尺寸限制的場合具有廣泛的應(yīng)用前景。本實(shí)用新型以一種由氣壓或液壓驅(qū)動(dòng)的液體可變焦透鏡為核心元件，提出一種無移動(dòng)鏡組的變焦距光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。該液體透鏡的一個(gè)表面為可變曲率表面，另一表面為平面。在液壓或氣壓的驅(qū)動(dòng)下，該透鏡的可變曲率表面的曲率半徑可調(diào)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)單透鏡焦距可調(diào)。該透鏡的另一表面為平面，為校正像差，可選為衍射光學(xué)面。液體透鏡的示意圖如圖1所示。圖1中，11為含衍射面的平面玻璃基板，12為填充液體(如水或其他液體，其他液體主要指不能與透明彈性薄膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的液體即可，除了水還可以是油等等)，13為透明彈性薄膜，14為腔體，15為控制端(可以為氣壓或液壓控制)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)控制端15運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致腔體內(nèi)液體體積分布變化，可引起透鏡表面曲率變化，從而使液體透鏡焦距變化。圖示液體透鏡焦距的變化滿足方程組其中，^是透鏡光焦度，/o'是液體透鏡焦距，"是腔體內(nèi)液體折射率，/是彈性薄膜表面曲率半徑，r。是透鏡有效通光口徑半徑，AV是填充液體體積變化量。作為光學(xué)變焦系統(tǒng)，必須保證系統(tǒng)在改變焦距的同時(shí)，像面位置不變。因此，必須有兩個(gè)或以上液體透鏡來完成這一任務(wù)。最簡單的由兩片液體透鏡構(gòu)成的光學(xué)變焦系統(tǒng)原理如圖2所示。在圖2中，21是第一液體變焦透鏡，22是第二液體變焦透鏡，23是系統(tǒng)物平面，24是系統(tǒng)像平面，A是物距，B是兩透鏡間距，C是后截距。按照?qǐng)D2所示的幾何位置關(guān)系，利用高斯光學(xué)公式列出以下方程組—^+5+C""丄i丄_丄_丄丄—丄—丄"Jj二一A，5二/,'—/2，C=/2'其中，入是第一液體透鏡21的物距，入'是第一液體透鏡21的像距，f/是第一液體透鏡21的焦距；力是第二液體變焦透鏡22的物距，力'是第二液體變焦透鏡22的像距，//是第二液體變焦透鏡22的焦距；》是系統(tǒng)的放大率；A，B，C，L為無符號(hào)數(shù)，7/,厶，7/,》為有符號(hào)數(shù)，符號(hào)的規(guī)定按照通用的幾何光學(xué)符號(hào)規(guī)則。通過消元變換可得到由A、B、C、"表示的//,//的方程如下婦乃一^+5/+C(3)又由組合系統(tǒng)焦距公式/'=，"y;+/2-5通過消元變換可得到組合系統(tǒng)的焦距關(guān)于A、B、C及^的表達(dá)式/、郡2")在設(shè)計(jì)時(shí)，兩透鏡間距萬及后截距C的大小由系統(tǒng)所允許的空間體積決定。當(dāng)系統(tǒng)成像時(shí)，對(duì)應(yīng)于一定的物距A當(dāng)組合焦距改變時(shí)必須保證后截距C的大小不變，此方能實(shí)現(xiàn)變焦系統(tǒng)的要求。依據(jù)以上模型與方程，按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求確定出兩透鏡間距萬，后截距G根據(jù)使用要求確定物距A按照像高及視場角確定所需的組合焦距廣后，根據(jù)以上方程組進(jìn)行消元變換，可得到一個(gè)關(guān)于》的一元二次方程，由此可計(jì)算出至少一個(gè)相應(yīng)的系統(tǒng)的放大率"的解。根據(jù)實(shí)際使用需要選擇合理的放大率值，則由方程式(3)，可以求出第一液體透鏡21的焦距/Z，和第二液體變焦透鏡22的焦距^'。由于第一液體透鏡11的焦距//與第一液體透鏡11的表面曲率半徑直接對(duì)應(yīng)，第二液體變焦透鏡22的焦距《亦與第二液體變焦透鏡22表面曲率半徑直接對(duì)應(yīng)，根據(jù)方程(1)，可以求出相應(yīng)的第一液體透鏡11的表面曲率半徑和第二液體變焦透鏡22表面曲率半徑。從而確定出相應(yīng)的AV，也即需要的氣壓或液壓的控制量。若第一液體透鏡11與第二液體變焦透鏡22的表面曲率半徑連續(xù)可調(diào)，則其焦距//與//連續(xù)可調(diào)，從而可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)變焦。為實(shí)現(xiàn)更好的成像質(zhì)量與成像能力，也可在系統(tǒng)中加入其他的普通定焦透鏡或使用更多片液體透鏡。依據(jù)以上設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)變焦系統(tǒng)的步驟如下1)按照使用要求確定系統(tǒng)的尺寸，包括視場角、焦距變化范圍、工作距離、系統(tǒng)總長、后截距等，從而依據(jù)這些參數(shù)首先確定出如上所述之A、2)以前文所述液體可變焦透鏡為核心元件，進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)選型，根據(jù)系統(tǒng)焦距隨表面曲率變化的敏感程度，確定兩片液體變焦透鏡的最佳位置。若系統(tǒng)只包含兩片液體透鏡，則不必進(jìn)行此步。3)根據(jù)所需的組合焦距的變化要求，計(jì)算并按實(shí)際使用需要選擇合理的放大率》，并計(jì)算與之相對(duì)應(yīng)的第一液體透鏡與第二液體變焦透鏡的焦距//、//，根據(jù)//、//確定兩液體透鏡的表面曲率半徑，完成原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。4)在原始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行像差優(yōu)化，最終確定兩液體透鏡的表面曲率，并根據(jù)曲率半徑的變化確定氣壓或液壓控制量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變焦。作為示例，依據(jù)以上設(shè)計(jì)原理，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了一套變焦距內(nèi)窺系統(tǒng)如圖3，其中含有2片液體透鏡和1片普通定焦透鏡。其中，31是第一液體變焦透鏡，32是普通玻璃透鏡，33是第二折衍混合液體透鏡。為校正系統(tǒng)像差的需要，第二片液體透鏡采用了折衍混合液體透鏡。圖3中31第一液體變焦透鏡與33第二折衍混合液體透鏡的一個(gè)表面的曲率半徑是可調(diào)的，通過對(duì)這兩個(gè)液體透鏡表面曲率半徑的合理調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)從長焦距小視場到短焦距大視場的變化。圖3中選擇的一些系統(tǒng)參數(shù)如下/'長=2.7mm，/敘-1.8mm，視場角2"隨=80。，2"^=58°，物距100mm，后截距4.55mm，變倍比A=1.5在設(shè)計(jì)中，對(duì)象差的校正是在使用要求的基礎(chǔ)上為校正各種像差而選擇的一定的折中方案，在最長焦和最短焦兩個(gè)位置上可以獲得最小的像差參數(shù)。為更好的實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)變焦及校正系統(tǒng)像差，可采用多片液體可變焦透鏡，相應(yīng)的采用的液體變焦透鏡數(shù)目越多，系統(tǒng)的變倍能力越強(qiáng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)像差的能力也越強(qiáng)。權(quán)利要求1.一種實(shí)現(xiàn)無移動(dòng)鏡組變焦距光學(xué)系統(tǒng)，包括系統(tǒng)物平面(23)與系統(tǒng)像平面(24)，其特征在于所述系統(tǒng)物平面(23)與系統(tǒng)像平面(24)至少設(shè)置2個(gè)液體變焦透鏡，分別為第一液體變焦透鏡(21)與第二液體變焦透鏡(22)；所述系統(tǒng)物平面(23)、系統(tǒng)像平面(24)、第一液體變焦透鏡(21)以及第二液體變焦透鏡(22)的位置關(guān)系應(yīng)滿足以下關(guān)系<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><mi>A</mi><mo>+</mo><mi>B</mi><mo>+</mo><mi>C</mi><mo>=</mo><mi>L</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>β</mi><mo>=</mo><mfrac><msup><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mo>′</mo></msup><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mfrac><mfrac><msup><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><mo>′</mo></msup><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><mn>1</mn><msup><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><mo>′</mo></msup></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><msup><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mo>′</mo></msup></mfrac><mo>,</mo><mfrac><mn>1</mn><msup><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mo>′</mo></msup></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mn>1</mn><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><msup><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>′</mo></msup></mfrac></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>A</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><mi>B</mi><mo>=</mo><msup><msub><mi>l</mi><mn>1</mn></msub><mo>′</mo></msup><mo>-</mo><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><mi>C</mi><mo>=</mo><msup><msub><mi>l</mi><mn>2</mn></msub><mo>′</mo></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced>]]></math></maths>其中用A表示物距，B表示兩透鏡間距，C表示后截距，L表示系統(tǒng)物平面(23)與系統(tǒng)像平面(24)之間的距離，l1表示第一液體透鏡(21)的物距，l’1表示第一液體透鏡(21)的像距，f’1表示第一液體透鏡(21)的焦距；l2表示第二液體變焦透鏡(22)的物距，l’2表示第二液體變焦透鏡(22)的像距，f’2表示第二液體變焦透鏡(22)的焦距；系統(tǒng)的組合焦距最終滿足以下關(guān)系<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msup><mi>f</mi><mo>′</mo></msup><mo>=</mo><mfrac><mi>ACβ</mi><mrow><mi>Bβ</mi><mo>+</mo><mi>C</mi><mo>+</mo><msup><mi>Aβ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>]]></math></maths>f’表示組合系統(tǒng)焦距。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述無移動(dòng)鏡組變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述至少2個(gè)液體變焦透鏡中至少有1個(gè)是折衍混合液體透鏡。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述無移動(dòng)鏡組變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述折衍混合液體透鏡包括控制端(15)，與控制端(15)連接的腔體(14)，所述腔體(14)內(nèi)設(shè)有填充液體(12)，所述腔體(14)包括一個(gè)平面和一個(gè)可調(diào)節(jié)面，所述平面為含衍射面的平面玻璃基板(11)，所述可調(diào)節(jié)面為透明彈性薄膜(13)。4.根據(jù)權(quán)利要求13任意一項(xiàng)所述無移動(dòng)鏡組變焦距光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:所述至少2個(gè)液體變焦透鏡之間，還設(shè)有定焦透鏡(32)。專利摘要一種實(shí)現(xiàn)無移動(dòng)鏡組變焦距光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括系統(tǒng)物平面與系統(tǒng)像平面，在系統(tǒng)物平面與系統(tǒng)像平面至少設(shè)置2個(gè)液體變焦透鏡，分別為第一液體變焦透鏡與第二液體變焦透鏡。本實(shí)用新型體積小，結(jié)構(gòu)簡單，成像質(zhì)量高的缺點(diǎn)，特別適用于在許多結(jié)構(gòu)、像質(zhì)要求苛刻的場合。文檔編號(hào)G02B15/04GK201397417SQ20082003007公開日2010年2月3日申請(qǐng)日期2008年8月26日優(yōu)先權(quán)日2008年8月26日發(fā)明者薇張,田維堅(jiān)申請(qǐng)人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所