专利名称：变焦光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变焦光学系统，尤其但不排他地用于图像捕获设备中。
背景技术：
通常当利用图像捕获设备例如照相机捕获物体的图像时，希望能够改变图像的变焦设置。照相机和物体之间的距离保持不变时，高变焦因子允许物体的图像以放大的高水平和窄视场被捕获。低变焦因子允许物体的图像以放大的低水平和宽视场被捕获。在照相机的例子中，高变焦因子是远摄镜头设置的特征，低变焦因子是广角透镜设置的特征。
不同的变焦因子要求变焦光学系统的不同的有效焦距。对于远摄镜头设置，有效焦距相对长，对于广角透镜设置，有效焦距相对短。
为了使被捕获的图像具有不同的变焦设置，优选照相机的变焦光学系统的有效焦距必须可变，同时使物体的图像保持焦点对准。这种变焦光学系统可以利用提供可变焦距的至少两个透镜进行构造。
已知的变焦光学系统包括沿公共光路放置的固态透镜阵列。通过改变这些透镜沿光路的位置，可以得到不同的有效焦距同时使图像保持焦点对准，从而允许具有不同变焦设置的图像被捕获。然而，这种类型的变焦光学系统相对庞大并且在机械上复杂。不同透镜的移动可以手动或自动地进行，但是这些方法一般相对昂贵并且缺乏坚固性。由这种变焦光学系统提供的变焦因子的范围取决于包括各个透镜的光焦度和沿可以实现的光路的透镜之间的距离的参数。这种类型的变焦光学系统的变焦因子范围上限的增加通常将增加变焦光学系统的体积和复杂性。
不同于同时提供远摄和广角变焦功能的一个变焦光学系统，通常必须在远摄和广角系统之间交换照相机的透镜以便得到不同变焦因子的范围。这是相对慢且不方便的过程，并且需要照相机使用者携带除照相机以外的不同透镜。
国际专利申请WO 03/069380描述了一种流体弯月形透镜。该透镜包括分离第一流体和第二流体并且具有曲率的流体弯月面。通过改变该曲率，能改变透镜的焦距和图像的聚焦。在透镜用于多种方向的应用中，流体优选密度匹配以避免不希望的重力效应。因此，使用密度匹配的两种液体如油和水。
两个这种流体弯月形透镜可以引入变焦光学系统中，以便捕获具有不同变焦因子的图像。为了实现变焦因子的大范围，需要每个流体弯月面中的大光焦度(optical power)改变。由于两种液体的折射率不是非常不同，并且由于曲率可以改变的程度被限制，因此流体弯月形透镜的光焦度范围相对小。这限制了由变焦光学系统提供的可能的变焦因子范围。特别是，变焦透镜系统中的一个透镜元件(一般最接近于图像捕获装置)在变焦期间需要最大的光焦度范围，因此变焦的量由用作该一个透镜元件的流体弯月形透镜的相对受限的光焦度范围约束。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种变焦光学系统，其提高了用于捕获图像的变焦功能同时减小了光学系统中对于机械元件的需要。
根据本发明，提供一种包括透镜系统的变焦光学系统，布置成对于辐射光束提供可变的变焦设置，其中透镜系统包括具有第一模式和第二模式的可切换光学元件，特征在于该元件包括第一流体、第二流体和具有所述辐射光束布置成通过的一个部分的波前调节器，其中在第一模式中，可切换光学元件具有第一流体结构，其中所述部分基本上由第一流体覆盖，和在第二模式中，可切换光学元件具有不同的第二流体结构，其中所述部分基本上由第二流体覆盖。
相对简单、紧凑、便宜和坚固的变焦光学系统可以根据本发明得到。
变焦光学系统优选具有第一流体结构中的第一有效焦距和第二流体结构中第二有效焦距，其中所述第一和第二有效焦距每个布置成提供不同的变焦设置。
利用处于第一模式的光学元件，透镜系统具有第一光学变焦设置。利用处于第二模式的光学元件，透镜系统具有变焦因子增加的第二光学变焦设置。
在本发明的实施例中，透镜系统优选包括另一可切换光学元件，其布置成与上述可切换光学元件合作操作，以提供透镜系统的至少部分可变的变焦设置。利用包括与另外的可切换光学元件合作操作的另一可切换光学元件的透镜系统，变焦光学系统能够提供双变焦功能同时保持固定的焦距。通过具有固定的焦距，这种双变焦光学系统可以构造成在尺寸上相对紧凑。
在本发明的不同实施例中，透镜系统优选包括具有连续可变焦距的第一透镜。第一透镜的焦距可以改变，以便具有第一变焦设置或第二变焦设置的图像被正确地聚焦。当在两个变焦设置之间进行切换时，第一透镜焦距也逐步改变以提供正确的变焦功能。因此，光学系统是具有两个离散的光学变焦设置的双变焦光学系统。
除提供两个变焦设置之间的附加变焦因子之外，可以使用数字变焦功能。在本发明的一个实施例中，图像捕获设备包括光学系统以及包括数字变焦系统，其布置成将数字变焦因子引入到第一模式中捕获的图像和/或第二模式中捕获的图像。
优选第一流体结构中的可切换光学元件布置成通过在第一和第二流体电极上施加第一电压来提供可切换电润湿力，以及第二流体结构中的可切换光学元件布置成通过在第一和第三流体电极上施加不同的第二电压来提供不同的可切换电润湿力。
优选地，第一流体是液体，第二流体为气态。术语气态包括混合有液体蒸气的气体，或仅为气体。因为两种流体不需要密度匹配，因此即使将该装置用于多种方向，这也是可能的，并且具有的优点在于提供了两种流体之间折射率的相对大的差异。
在本发明的一个实施例中，第一透镜可以是以流体弯月形透镜的形式，以及可切换光学元件优选具有最大的光焦度范围(在其两种模式之间)，其大于第一透镜的最大光焦度范围。通过这种布置，可切换光学元件可以用作在变焦期间透镜系统中需要最大光焦度范围的透镜元件，因此变焦量不再受到流体弯月形透镜的相对受限光焦度范围的约束。
本发明的其他特征和优点将从参考所附附图对本发明优选实施例所进行的描述中显而易见，这些实施例仅作为例子给出。
图1至3示意性示出了根据现有技术的可变焦距透镜。
图4和5示出了不是根据本发明的包括两个流体弯月形透镜的变焦光学系统。
图6和7分别示出了根据本发明的第一流体结构中可切换光学元件的分别沿线A-A和B-B的示意截面。
图8和9分别示出了根据本发明的第二流体结构中可切换光学元件的分别沿线C-C和D-D的示意截面。
图10示意性示出了根据本发明实施例的第一模式中的光学系统。
图11示意性示出了根据本发明实施例的第二模式中的变焦光学系统。
图12示意性示出了包括根据本发明实施例的变焦光学系统的图像捕获设备。
图13示意性示出了根据本发明不同实施例的第一模式中的变焦光学系统。
图14示出了根据本发明不同实施例的第一模式中的变焦光学系统的特性的曲线函数。
图15示意性示出了根据本发明不同实施例的第二模式中的变焦光学系统。
图16示出了根据本发明不同实施例的第二模式中的变焦光学系统的特性的曲线函数。
具体实施例方式
图1至3示出了根据现有技术的为流体弯月形透镜的可变焦透镜，包括圆筒第一弯月面电极2，其形成毛细管，由透明前组件3和透明后组件4密封以形成包含两种不同流体的流体室。第一弯月面电极2可以是涂布在管的内壁上的导电涂层。
两种不同的流体由两种不可混溶的液体构成，所述液体以电绝缘第一液体A如硅油或烷烃，在此进一步称为“油”，和导电第二液体B如包含盐溶液的水的形式。两种液体优选布置成具有相同的密度，以便弯月面的形状可以独立于取向进行控制，即不需要取决于两种液体之间的重力效应。这可以通过第一液体组分的适当选择来实现；例如烷烃或硅油可以通过分子组分的添加而改变以增加其密度，从而与盐溶液的密度相匹配。
取决于使用的油的选择，油的折射率可以在1.25和1.85之间改变。同样地，取决于添加的盐的量，盐溶液的折射率可以在1.33和1.60之间改变。选择流体使得第一流体A具有高于第二流体B的折射率。
第一弯月面电极2是内径一般在1mm和20mm之间的圆筒。第一弯月面电极2由金属材料形成并通过例如由聚对苯二甲撑形成的绝缘层5涂覆。绝缘层的厚度在50nm和100μm之间，一般的值在1μm和10μm之间。绝缘层涂覆有流体接触层6，其减小弯月面与流体室的圆筒壁的接触角中的滞后。流体接触层优选由非晶的碳氟化合物如由DuPontTM制造的TeflonTMAF1600形成。流体接触层6具有在5nm和50μm之间的厚度。AF1600涂层可以通过第一弯月面电极2的连续浸渍涂敷来得到，因为第一弯月面电极2的圆筒侧面基本上平行于圆筒电极，因此形成基本上均匀厚度的均匀材料层；浸渍涂敷通过浸渍电极同时使电极沿其轴向移入和移出浸渍溶液进行。聚对苯二甲撑涂层可以利用化学汽相沉积来施加。当没有电压施加在第一和第二弯月面电极7上时，由第二流体引起的流体接触层的可润湿性在弯月面8与流体接触层6的相交的两侧上基本相等。
第二弯月面电极7为环形并且布置在流体室的一端处，在该情况下，相邻于后组件。第二弯月面电极7布置具有流体室中至少一个部分，以便电极作用于第二流体B。
两种流体A和B是不混溶的以便倾向于分离为由具有曲率的流体弯月面8分离的两个流体主体。当没有电压施加在第一和第二弯月面电极之间时，流体接触层关于第一流体A的可润湿性高于关于第二流体B的可润湿性。由于弯月面电润湿力，由第二流体B引起的可润湿性在第一弯月面电极2和第二弯月面电极7之间施加的电压下改变，这倾向于改变在三相位线(流体接触层6和两种液体A和B之间的接触线)处的弯月面的接触角。流体弯月形透镜的可变焦距包括流体弯月面曲率的变化，该曲率根据施加的电压是可变的。
现在参考图1，当例如0V和20V之间的低电压V1施加在弯月面电极之间时，弯月面采用第一凹弯月面形状。在该构形中，弯月面和流体接触层6之间、在流体B中测量的初始接触角θ1为例如大约140°。由于第一流体A的折射率高于第二流体B，因此由弯月面形成的透镜，在此称为弯月形透镜，在该构形中具有相对高的负光焦度。
为了减小弯月面形状的凹度，较高幅度的电压施加在第一和第二弯月面电极之间。现在参考图2，当取决于绝缘层的厚度、例如20V和150V之间的中间电压V2施加在弯月面电极之间时，弯月面采用第二凹弯月面形状，其与图1中的弯月面相比，具有增加的曲率。在该构形中，第一流体A和流体接触层6之间的中间接触角θ2例如为大约100°。由于第一流体A的折射率高于第二流体B，因此该构形中的弯月形透镜具有相对低的负光焦度。
为了得到凸弯月面形状，更高幅度的电压施加在第一和第二弯月面电极之间。现在参考图3，当例如150V至200V的相对高电压V3施加在弯月面电极之间时，弯月面采用其中弯月面是凸的弯月面形状。在该构形中，第一流体A和流体接触层6之间的最大接触角θ3例如为大约60°。由于第一流体A的折射率高于第二流体B，因此该构形中的弯月形透镜具有正光焦度。
注意到虽然利用相对高光焦度实现图3的构形是可能的，但是优选包括如所述的透镜的装置适合于仅使用在所述范围中的低和中间光焦度，即施加的电压限制成绝缘层中的电场强度小于20V/μm，以及不使用引起流体接触层的充电，因此造成流体接触层的退化的过高电压。
此外注意到初始的低电压构形将取决于液体A和B的选择即取决于它们的表面张力而改变。通过选择具有较高表面张力的油，和/或通过将组分如乙二醇添加到减小其表面张力的盐溶液中，初始接触角可以减小；在该情况下，透镜可以采用相应于图2所示的低光焦度构形，和相应于图3所示的中间光焦度构形。在任何情况下，低光焦度构形保持以便弯月面是凹的，以及透镜光焦度的相对宽的范围可以得到，而不需要利用过高的电压。
图4和5示出了可以布置成包括利用图1至3所述的两个流体弯月形透镜的变焦光学系统。
在所示的光学系统中，第一流体弯月形透镜9和第二流体弯月形透镜10沿光轴OA布置。同样在光轴OA上以及在第一和第二流体弯月形透镜9，10之间是多个光学元件11，其帮助沿光轴OA传播的给定辐射光束的波阵面调节。光学系统布置成捕获为图像景物的给定物体的图像。图像检测器12布置成在聚焦功能和变焦因子引入到给定辐射光束之后检测图像景物的图像，该给定辐射光束带有通过第一和第二流体弯月形透镜9，10的图像。在该例子中，图像检测器12是电荷耦合器件(CCD)。
参考图4，示出了在变焦范围的一个极限处的光学系统，并且沿光轴OA观察，光学系统具有第一视场α1，第一流体弯月形透镜9具有凹的流体弯月面13，第二流体弯月形透镜10具有凹的流体弯月面14。图4说明了在光学系统的变焦因子范围的最高极限处、由光学系统引入到图像景物的捕获图像的变焦设置。图像通过CCD 12捕获。
参考图5，沿光轴OA从具有第二视场α2的图像景物至CCD观察，第一流体弯月形透镜9具有凸的流体弯月面13，第二流体弯月形透镜10具有凸的流体弯月面14。图5说明了在光学系统的变焦因子范围的最低极限处、由光学系统引入到物体的捕获图像的变焦设置。
图4和5中所示的光学系统的变焦因子被限制。在典型的布置中，在最高极限处的变焦因子是在最低变焦设置处捕获的图像的变焦因子的大约2倍。因此，变焦因子差异的上限是大约两倍，其相对小。
参考图6至7，根据本发明实施例的可切换光学元件包括室20，经由室的两个开口22，23流体连接到具有两个相对端的导管24。室的第一开口22流体连接到导管的第一端，室的第二开口23流体连接到导管的第二端，以便形成流体系统的流体紧密密封。室20的一侧通过具有部分28的波前调节器26密封，该部分28具有暴露在室20内部的面。波前调节器由透明材料例如ZeonexTM形成，该ZeonxTM是聚环烯烃共聚物(COC)，COC在含水液体中是不可溶解的。。这可以例如通过注入模制方法形成。波前调节器26的部分28的面基本上是非球面并且关于光轴OA旋转对称。
室20进一步由包括另一波前调节器36的盖板密封，该调节器36由透明材料类似地例如ZeonexTM形成并且具有不同的部分32。不同部分32在疏水流体接触层中被覆盖，该接触层是透明的并且例如由DuPontTM制造的TeflonTMAF1600形成。该疏水流体接触层的一个表面暴露在室20的内部。
不同部分32具有为非球面并且关于光轴OA旋转对称的面。不同部分32的面具有不同于部分28的面的非球面曲率的非球面曲率。
沿光轴OA传播的给定辐射光束布置成通过部分28和不同部分32。波前调节器26适合于对给定的辐射光束进行第一波阵面调节，另一波前调节器36适合于对给定的辐射光束进行不同的第二波阵面调节。第二波阵面调节布置成补充第一波阵面调节。
例如由金属形成的公共第一流体电极50定位在室的一个开口22附近的导管24中。
第二流体电极34位于盖板36和疏水流体接触层之间。该第二流体电极34形成为一片透明导电材料例如铟锡氧化物(ITO)。例如由聚对苯二甲撑形成的绝缘层(未示出)可以形成在流体接触层和第二流体电极34之间。注意到第二电极34具有有效区域，其完全重叠由波前调节器26的部分28的面占用的区域。疏水流体接触层具有表面区域，其完全重叠波前调节器的部分28的面。
密封流体系统包括第一流体44和第二流体46。第一流体44包括极性和/或导电流体。在该例子中，第一流体44是液体并且是盐水，具有大约1.37的预定第一折射率。盐水具有低于非盐水的凝固点。在该例子中，第二流体优选为气态并且包括空气，其具有大约为1的不同的第二折射率。在该例子中，空气与盐水44的饱和蒸气混合，并且第一流体和第二流体的折射率之间的折射率差异为大约0.4。在不同的例子中，第一流体44是大约65％(按重量计)的KSCN水溶液，具有大约1.49的折射率并且与第二流体46的折射率差异为大约0.5。在进一步的例子中，其中第一流体44是极性有机液体如苯胺或新烟草碱，分别具有大约1.59或1.57的折射率，第一流体和第二流体之间的折射率差异为大约0.6。第二流体为空气的优点在于如果制造时的可切换光学元件没有气密封，元件的性能基本上不会降低。第一流体44和第二流体46在两个流体弯月面48，49处彼此接触。
在可切换光学元件的第一流体结构中，如图6和7所示，第一流体44基本上填充室20和一部分导管24。通过基本填充，意味着第一流体44覆盖波前调节器26的部分28的至少大部分和另一波前调节器36的不同部分32的至少大部分。在该第一流体结构中，第一流体在室中与疏水流体接触层的暴露表面的至少大部分接触。第一流体电极50与导管的由第一流体44填充的部分接触。
导管24形成在导管壁41和导管盖板42之间。导管盖板由暴露在导管24内部的一个表面上的疏水流体接触层38覆盖，疏水流体接触层例如由AF1600TM形成。第三流体电极40位于导管盖板42和疏水流体接触层38之间。该电极由导电材料例如铟锡氧化物(ITO)形成。注意到第三流体电极40具有与导管24内部的大部分重叠的表面区域。
在元件的第一流体结构中，第二流体46基本上填充导管24，除了由第一流体44填充的与公共第一流体电极50接触的部分外。
在可切换光学元件的第二流体结构中，如图8和9所示，第一流体44基本上填充导管24。在该第二流体结构中，第一流体44继续接触位于导管的之前所述部分中的公共第一流体电润湿电极50。第一流体44现在接触导管的疏水流体接触层38。第二流体46现在基本上填充室20以便第二流体46覆盖波前调节器26的部分28的至少大部分和另一波前调节器36的不同部分32的至少大部分。此外，导管24的一部分由第二流体46填充。导管24的该部分在公共第一流体电极50定位的部分的相对端处。在第二流体结构中，第一流体电极50与填充部分导管24的第一流体44接触。
流体切换系统(未示出)连接到公共第一流体电极，第二流体电极和第三流体电极。流体切换系统作用于可切换光学元件并且布置成切换第一和第二流体结构。在第一流体结构中，流体切换系统布置成在公共第一流体电极50和第二流体电极34上施加适当值的电压V1。施加的电压V1提供可切换电润湿力，以便本发明的可切换光学元件倾向于采用第一流体结构，其中导电第一流体44移动以基本填充室20。作为电压V1施加的结果，室20的疏水流体接触层暂时变成本质上至少相对亲水，从而辅助优选第一流体44以基本上填充室20。设想虽然在第一流体结构中，没有电压在公共第一电极50和第三电润湿电极40上施加，以至于导管中的流体接触层保持相对高的疏水性。
为了在可切换光学元件的第一流体结构和第二流体结构之间切换，流体切换系统断开施加的电压V1并在公共第一流体电极50和第三流体电极40上施加适当值的第二施加电压V2。没有电压在公共第一流体电极50和第二流体电极34上施加。
可切换光学元件现在处于第二流体结构状态，其中作为由施加电压V2提供的可切换电润湿力的结果，第一流体44基本上填充导管24。利用施加电压V2，导管24的疏水流体接触层38现在至少相对亲水并且倾向于吸引第一流体44。第一流体44移动以填充公共第一流体电极50定位在其中的导管24的部分。如之前所述，第二流体46现在基本上填充室20。室20的疏水流体接触层现在相对高的疏水并辅助第二流体结构中第二流体的该布置。
在元件的第一和第二流体结构之间的转换期间，如通过流体切换系统所控制的，流体系统的第一和第二流体44，46以循环方式通过流体系统，每种流体彼此置换。在从第一至第二流体结构的转换期间循环流体流动中，第一流体44经由室的一个开口22从室20中流出，进入导管24的一端。同时，第二流体46经由室的另一开口23从导管24的另一端进入室20。在从第二至第一流体结构的转换期间，相反的循环流体流动发生。
从而，当从第一流体结构至第二流体结构改变时，在第三流体电极40和公共第一流体电极50上施加的电压V2将导电第一流体44吸引到室20中，从而将电绝缘第二流体46从室20排出。此外，室20的疏水流体接触层32将导电第一流体44从室20推出，进入导管24。流体结构从第二流体结构到第一流体结构的转换在这些方面与从第一转换状态到第二转换状态的转换相反。
图10和图11示意性示出了根据本发明实施例的用于照相机中的双变焦光学系统。图10示出了第一变焦模式中的光学系统，图11示出了不同的第二变焦模式中的光学系统。
双变焦光学系统包括第一透镜，其布置成对于沿光轴OA传播的给定辐射光束提供连续可变焦距。在本实施例中，第一透镜是类似于图1至3所述的流体弯月形透镜52。双变焦光学系统进一步包括类似于图6至9所述的可切换光学元件54，和类似于之前所述的用于切换第一和第二构形的流体切换系统56。流体弯月形透镜52、可切换光学元件54和流体切换系统56的元件和特征与之前所述类似。对于这些元件和特征，在此使用类似的附图标记，从100开始增加；相应的描述也应当应用到这里。部分128的面(未指出)和不同部分132的面(未指出)都是非球面并且布置成提供具有提高的物体的视场质量的双变焦光学系统，其具有物体的捕获图像的最小化边缘失真。
布置在光轴OA上并位于流体弯月形透镜52和可切换光学元件54之间的是包括两个固态透镜58，60的固态透镜组，所述透镜相邻可切换光学元件54和相邻流体弯月形透镜52。在两个固态透镜之间是光阑(未示出)。固态透镜组58的一个或两个固态透镜具有类似于可切换光学元件54的第一流体144的折射率的折射率。双变焦光学系统布置成捕获为图像景物的给定物体的图像。图像检测器62例如电荷耦合器件(CCD)布置成以光学变焦设置检测和捕获图像景物的图像，该设置由流体弯月形透镜52和可切换光学元件54提供给带有图像的给定辐射光束。在本实施例中，可切换光学元件54布置在流体弯月形透镜52和图像检测器62之间，并具有最大光焦度范围(在其两种模式之间)，其大于流体弯月形透镜52的最大光焦度范围。
参考图10，双变焦光学系统处于第一变焦模式，可切换光学元件54处于第一流体结构。在第一流体结构中，双变焦光学系统具有相对长的第一有效焦距，其布置成提供相对高的变焦因子。在沿光轴OA从流体弯月形透镜52至可切换光学元件54观察时，流体弯月面108具有凹的曲率。在第一变焦模式中，光学系统具有第三视场α3，其相应于由第一变焦模式中的可切换光学元件54提供的相对高的变焦因子。
参考图11，双变焦光学系统处于第二变焦模式，可切换光学元件54处于第二流体结构。流体切换系统56以类似于前面使用图6至9中所述的方式将第一流体结构切换到第二流体结构。在第二流体结构中，可切换光学元件54具有相对短的第二有效焦距，其布置成提供相对低的变焦设置。第二有效焦距短于第一有效焦距。在沿光轴OA从流体弯月形透镜52至可切换光学元件54观察时，流体弯月面108具有凸的曲率。双变焦光学系统进一步包括控制系统64，其连接到第一和第二弯月面电极并布置成在第一和第二弯月面电极上施加电压，以便通过利用电润湿力改变流体弯月面108的曲率来控制可变焦距。
在第二变焦模式中，光学系统具有第四视场α4。在该例子中，在第二变焦模式中捕获的图像的第四视场α4大于在第一变焦模式中捕获的图像的第三视场α3。优选地，两种模式之间的光学变焦因子大于2，更优选大于3。
双变焦光学系统处于第一变焦模式或第二变焦模式，可变焦距可以通过控制系统62在第一和第二弯月面电极上施加不同电压以改变流体弯月面108的曲率来改变。曲率可以改变以至于在其光焦度范围的一个极限处为凸的，在其光焦度范围的另一个极限处为凹的。
图12示意性示出了包括类似于之前所述的本发明实施例的双变焦光学系统的双变焦光学系统68的图像捕获设备66。双变焦光学系统68的元件和特征与之前所述类似。对于这些元件和特征，在此使用类似的附图标记，从200开始增加；相应的描述也应当应用到这里。本实施例中的图像捕获设备是照相机并布置成记录给定物体的图像，该物体是包括特征70的图像景物。设备控制系统72布置成控制照相机的功能并连接到控制系统264，流体切换系统256，电源74，图像显示系统76，图像存储系统78和用户控制系统80。设备控制系统包括图像调节系统82。
在操作中，用户利用用户控制系统80控制照相机的功能。用户能够选择双变焦光学系统68的第一变焦模式或第二变焦模式。设备控制系统72控制流体切换系统256以便如之前所述，在第一变焦模式中选择第一流体结构或在第二变焦模式中选择第二流体结构。在照相机中，第一变焦模式是具有图像景物相对窄视场的远摄变焦模式，第二变焦模式是具有图像景物相对宽的视场的广角变焦模式。虽然使照相机适当地瞄准在图像景物处以便双变焦光学系统68可以正确地记录图像以及照相机处于远摄变焦模式或广角变焦模式，但是用户观察图像显示系统76并选择将被记录的图像景物的图像的具体变焦因子。在这种情况下，设备控制系统72控制控制系统264，其如之前所述，适当地改变流体弯月面的曲率。
双变焦光学系统允许对于将被记录的图像选择相对高的变焦设置，这时照相机处于远摄变焦模式，或相对低的变焦设置，这时照相机处于广角变焦模式。图像调节系统82是数字变焦系统，其布置成将可变数字变焦因子引入到在远摄变焦模式或广角变焦模式中捕获的图像，以便可以得到进一步的变焦设置。数字变焦因子例如被引入到具有相对低的变焦因子的广角变焦模式中捕获的图像，或具有相对高的变焦因子的远摄变焦模式中捕获的图像。这允许要被记录的图像具有在所述相对低的变焦设置和所述相对高的变焦设置之间的一个变焦设置。数字变焦系统82也能够将可变数字变焦因子引入到在远摄模式中捕获的图像并具有相对高的变焦因子。这允许要被记录的图像具有高于远摄变焦模式的光学变焦设置的变焦设置。
图13和图15示意性示出了根据本发明不同实施例的用于照相机的双变焦光学系统。图13示出了第一变焦模式中的光学系统，图15示出了不同的第二变焦模式中的光学系统。
本实施例中的双变焦光学系统包括可切换光学元件84和另一可切换光学元件85，两个都类似于图6至9中所述的可切换光学元件，和类似于之前所述的用于切换第一和第二构形的流体切换系统86。可切换光学元件84，另一可切换光学元件85和流体切换系统86的元件和特征与之前所述类似。对于这些元件和特征，在此使用类似的附图标记，从300开始增加；相应的描述也应当应用到这里。
可切换光学元件84具有波前调节器326的部分328的面，其基本上为非球面并且关于光轴OA旋转对称。另一波前调节器336的不同部分332的面基本上为球面并且关于光轴OA旋转对称。另一波前调节器336的与不同部分332的面相对的面基本上为平面。
另一可切换光学元件85具有波前调节器326的部分328的面和另一波前调节器336的不同部分332的面，这两个面基本上都为非球面并且关于光轴OA旋转对称。可切换光学元件84和另一可切换光学元件85的波前调节器326，和另一可切换光学元件85的另一波前调节器336在该例子中都由聚碳酸酯形成。可切换光学元件84的另一波前调节器336在该例子中由S-LAH66 OHARA玻璃形成。
可切换光学元件84和另一可切换光学元件85沿光轴OA布置，彼此合作操作以提供透镜系统的至少部分可变的变焦设置。可切换光学元件84和另一可切换光学元件85的波前调节器326和另一波前调节器336的面的曲率适当地布置成能够实现该合作。光阑(未示出)位于可切换光学元件84和另一可切换光学元件85之间。
在本实施例中，第一流体344的盐水具有大约为1.38的预定第一折射率以及大约V＝50的阿贝数。
本实施例中的流体切换系统86连接到可切换光学元件84和另一可切换光学元件85的公共第一流体电极350，第二流体电极334和第三电润湿电极340，并因此布置成在可切换光学元件84和另一可切换光学元件85的一个或两个的第一和第二构形之间切换。
本实施例中的双变焦光学系统布置成捕获为图像景物的给定物体的图像。图像检测器362例如电荷耦合器件(CCD)布置成检测并捕获在光学变焦模式下的图像景物的图像，该模式由可切换光学元件84和另一可切换光学元件85提供给带有图像的给定辐射光束。可切换光学元件84和另一可切换光学元件85的合作允许图像在不同的变焦模式下被捕获。本实施例中的双变焦光学系统布置成捕获具有固定焦距水平的图像。在本实施例中，另一可切换光学元件85布置在可切换光学元件84和图像检测器362之间。从图像检测器362至可切换光学元件84的波前调节器326的外表面的沿光轴的距离为大约6.5mm。
参考图13，双变焦光学系统处于第一变焦模式，可切换光学元件84和另一可切换光学元件85都处于第一流体结构。流体切换系统86布置在第一变焦模式中以在可切换光学元件84和另一可切换光学元件85的公共第一流体电极350和第二流体电极334上提供电压V1。在第一变焦模式中，双变焦光学系统具有相对长的第一有效焦距，其布置成提供相对高的变焦因子。在第一变焦模式中，光学系统具有第五视场α5，其相应于由第一变焦模式中的可切换光学元件84和另一可切换光学元件85提供的相对高的变焦因子。在第一变焦模式中，光学系统具有大约3.8的F#值的孔径。
图14示出了在第一变焦模式中的本实施例的变焦光学系统的特性的曲线函数。曲线函数是第一轴87上的调制传递函数相对于第二轴88上的空间频率的函数，其中第二轴垂直于第一轴87。调制传递函数表示双变焦系统解决具有一定分辨率的图像景物的能力。在该例子中，图像景物的分辨率相应于图像景物的空间频率，其单位为每毫米周期数。一个周期是一对相邻且平行的线，该线之一为黑色，另一条线为白色。较高的空间频率在1mm中具有较高数量的周期数。调制传递函数值为1表示变焦系统在相应的捕获图像中准确分辨图像景物的空间频率的总能力。捕获图像因此具有高质量。调制传递函数值为0表示变焦系统没有能力准确分辨空间频率。换句话说，该情况下的变焦系统不能够分辨捕获图像中的图像景物的分辨率。捕获图像因此质量很差。
对于调制传递函数的多对曲线函数线在图14中示出。该对的每条曲线示出了对于通过变焦系统的一对辐射光线的相应辐射光线的调制传递函数。每对曲线标记为标记89。一对的辐射光线之一具有椭圆形截面，在水平方向上具有较长尺寸。一对的另一辐射光线具有椭圆形截面，在垂直方向上具有较长尺寸。每个标记89的‘T’和‘S’项表示哪一曲线以及因此哪一辐射光线具有水平的长尺寸，和哪一曲线以及因此哪一辐射光线具有垂直的长尺寸。例如标记89的项‘0.00DEG’表示相对于光轴OA的入射角，以该入射角辐射光线对的每条辐射光线进入变焦系统。在该例子中，具有0.00DEG(即0.00°)的入射角的一对辐射光线同时沿光轴OA通过变焦系统。从图14中可以看出，随着图像景物的空间频率(因此相应地分辨率)的增加，调制传递函数(因此相应地光学系统分辨图像景物分辨率的能力)通常降低。
参考图15，双变焦光学系统处于第二变焦模式中，可切换光学元件84和另一可切换光学元件85处于第二流体结构中。流体切换系统86布置在第二变焦模式中以在可切换光学元件84和另一可切换光学元件85的公共第一流体电极350和第三流体电极340上提供电压V2。在第二变焦模式中，双变焦光学系统具有相对短的第二有效焦距，其布置成提供相对低的变焦因子。在第二变焦模式中，光学系统具有第六视场α6，其相应于由第二变焦模式中的可切换光学元件84和另一可切换光学元件85提供的相对低的变焦因子。优选地，在第一变焦模式和第二变焦模式之间的光学变焦因子在该例子中大约为2。在第二变焦模式中，光学系统具有大约2.8的F#值的孔径。
图16示出了在第二变焦模式中的本实施例的变焦光学系统的特性的曲线函数。曲线函数是第一轴87上的调制传递函数相对于第二轴88上的空间频率的函数。该调制传递函数的特征的描述类似于关于图14的描述并也应当应用在这里。
本实施例的双变焦系统可以包含在之前参考图12描述的图像捕获设备中。本实施例的这种包括双变焦系统的图像设备可以是低分辨率照相机，其中图像检测器362是包括大约640×480象素的VGA传感器，每个象素具有大约4.3μm的尺寸。该低分辨率照相机捕获在固定焦距处的图像，因此不包括可变焦距透镜和控制可变焦距的控制系统。第一变焦模式是具有图像景物的相对窄视场的远摄变焦模式，第二变焦模式是具有图像景物的相对宽视角的广角变焦模式、在之前所述的本发明的实施例中，双变焦光学系统包括透镜，其布置成提供连续可变焦距并且是流体弯月形透镜。在本发明的不同实施例中，布置成提供连续可变焦的透镜是固态透镜。该透镜布置成沿光轴OA移动到相对于可切换光学元件的不同空间位置。透镜本身具有固定的光焦度。可替换之前所述并由双变焦光学系统包括的控制系统布置成通过连续改变透镜的空间位置来控制可变焦距。不同的空间位置通过例如电动机驱动齿轮装置来沿光轴OA移动透镜而得到。通过控制系统适当地改变透镜在光轴OA上的空间位置，能改变通过双光学系统捕获的给定物体的图像的光焦度和变焦因子，与之前所述类似。
在本发明的可替换实施例中，设想透镜阵列包括多个固态透镜，其可以利用机械致动器单独沿光轴OA移动到不同的空间位置。
在本发明的另一可替换实施例中，布置成提供连续可变焦的透镜是液晶透镜，其避免了需要用于移动透镜元件的机械系统。
进一步设想流体弯月形透镜和可切换光学元件(一个或多个)的不同流体可以与描述的不同并且可以每个具有不同的折射率。也设想可切换光学元件(一个或多个)的第一流体和第二流体可以可替换地分别是气态和液体，或者第一和第二流体都是液体。
也设想形成双变焦光学系统的元件例如波前调节器和电极的材料可以与所述的不同。不同的材料可以根据特定属性进行选择，例如可切换光学元件(一个或多个)的波前调节器材料必须不能溶于第一流体或第二流体。
进一步设想可切换光学元件(一个或多个)的部分和/或不同部分的面具有不同的非球面形状或可替换地为球面。另外设想部分或不同部分的面可以包括非周期结构(NPS)或衍射光栅。
所述可切换光学元件(一个或多个)以循环方式通过流体系统操作。设想可以使用在第一流体和第二流体的流体结构转变期间关于布置和流体流的可切换光学元件(一个或多个)的可替换结构，例如可以使用在主要室和一个或多个流体容器之间的非循环流体流。
设想在可替换实施例中所述可切换光学元件(一个或多个)进行不同构造以及波前调节器包括另一流体电极，其类似于包括另一波前调节器的盖板的第二流体电极。另一流体电极电连接到第二流体电极以便施加电压V1在第一流体结构中的公共第一流体电极，第二流体电极和另一流体电极上。另外设想波前调节器的部分在由例如TeflonTMAF1600形成的疏水流体接触层中被覆盖。该层的一个表面暴露在室的内部。在该设想实施例中，可切换光学元件(一个或多个)的构造允许流体在第一和第二流体结构之间的切换期间在室和导管之间更有效的移动。
在可切换光学元件(一个或多个)的不同可能实施例中，流体切换系统可以不同地布置成利用不包含电润湿力的机械机构例如机械泵浦机构在第一和第二流体结构之间切换。
进一步注意到包括透镜阵列的常规变焦光学系统可以与本发明的双变焦光学系统结合，以允许具有进一步不同变焦设置的图像被捕获。
设想对于包括两个可切换光学元件的本发明实施例的可替换实施例也可以包括分离的透镜元件，分离的透镜元件提供变焦系统的固定焦距。
设想提供固定焦距或可变焦距的本发明的进一步实施例可以包括两个或多个之前所述实施例的可切换光学元件。
在所述包括可切换光学元件和另一可切换光学元件的实施例中，第一变焦模式和第二变焦模式设有填充了第一流体的两个可切换光学元件的任一腔，或都填充了第二流体的两个腔。进一步设想另一变焦模式可以利用一个可切换光学元件的腔填充了第一流体，另一可切换光学元件的腔填充了第二流体来得到，或反之亦然。
进一步设想本发明的可替换变焦系统可以具有在不同值的至少第一和第二变焦模式之间的变焦因子的差别。
本发明的双变焦光学系统描述为包括在图像捕获设备如照相机中并在其中操作。设想双变焦光学系统包括在多种图像捕获器件中，例如包括照相机的移动电话，或其他包括照相机的器件。
上述实施例应当理解为是本发明的例证性例子。可以设想本发明的进一步实施例。应当理解，关于任一实施例所述的任何特征可以单独，或结合其他所述特征使用，并且也可以与任何其他实施例的一个或多个特征结合使用，或任何其他实施例的任何结合。此外，上面没有描述的等同物和变形也可以使用，只要没有偏离由所附权利要求所限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种包括透镜系统的变焦光学系统，布置成对于辐射光束提供可变的变焦设置，其中透镜系统包括具有第一模式和第二模式的可切换光学元件，特征在于该元件包括第一流体、第二流体和具有所述辐射光束布置成通过的一个部分的波前调节器，其中在第一模式中，可切换光学元件具有第一流体结构，其中所述部分基本上由第一流体覆盖，和在第二模式中，可切换光学元件具有不同的第二流体结构，其中所述部分基本上由第二流体覆盖。
2.根据权利要求1的变焦光学系统，其中第一流体是液体，第二流体为气态。
3.根据前述任一权利要求的变焦光学系统，其中可切换光学元件包括公共第一流体电极，不同的第二流体电极和不同的第三流体电极，其中在第一流体结构中，该元件布置成通过在所述第一和第二流体电极上施加第一电压来提供可切换电润湿力，以及在第二流体结构中，该元件布置成通过在所述第一和第三流体电极上施加不同的第二电压来提供不同的可切换电润湿力。
4.根据前述任一权利要求的变焦光学系统，其中可切换光学元件包括另一波前调节器，另一波前调节器具有所述辐射光束布置成通过的一个不同部分，其中波前调节器适合于进行第一波阵面调节，另一波前调节器适合于进行不同的第二波阵面调节，第二波阵面调节布置成补充第一波阵面调节。
5.根据前述任一权利要求的变焦光学系统，其中波前调节器具有一个面，其中所述面为基本上球面或非球面，并且所述部分在所述面上。
6.根据前述任一权利要求的变焦光学系统，其中所述透镜系统包括另一可切换光学元件，所述另一可切换光学元件布置成与所述可切换光学元件合作操作，以提供透镜系统的至少部分所述可变的变焦设置。
7.根据前述任一权利要求的变焦光学系统，其中所述第一透镜是流体弯月形透镜，流体弯月形透镜包括由具有曲率的流体弯月面分离的不同流体，其中光学系统进一步包括控制系统，可变焦距包括流体弯月面曲率的变化，其中控制系统布置成利用弯月面电润湿力控制可变焦距。
8.根据权利要求7的变焦光学系统，其中流体弯月形透镜进一步包括第一电极和不同的第二电极，以及控制系统布置成在所述第一和第二弯月面电极上施加电压以提供所述弯月面电润湿力。
9.根据权利要求1至5中任一权利要求的变焦光学系统，其中透镜系统包括一个固态透镜，其能够布置在相对于可切换光学元件变化的空间位置处。
10.根据权利要求1至5中任一权利要求的变焦光学系统，其中所述透镜系统包括具有变化的光焦度的液晶透镜。
11.一种包括根据前述任一权利要求的变焦光学系统的图像捕获设备，其中光学系统处于所述第一模式时，所述设备适合于捕获具有第一变焦设置的图像，以及光学系统处于所述第二模式时，所述设备适合于捕获具有不同的第二变焦设置的图像。
12.根据权利要求11的图像捕获设备，其中所述图像捕获设备进一步包括数字变焦系统，数字变焦系统布置成将数字变焦因子引入到第一模式中捕获的图像和/或第二模式中捕获的图像。
全文摘要
一种具有透镜系统的变焦光学系统，该透镜系统包括第一透镜，其布置成对于辐射光束提供连续可变焦距。透镜系统进一步包括可切换光学元件，光学元件包括第一流体、第二流体和具有所述辐射光束布置成通过的部分的波前调节器。在第一模式中，可切换光学元件具有第一流体结构，其中所述部分基本上由第一流体覆盖，和在第二模式中，可切换光学元件具有不同的第二流体结构，其中所述部分基本上由第二流体覆盖。
文档编号G02B15/00GK1910478SQ200580001996
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月5日 优先权日2004年1月7日
发明者B·H·W·亨德里克斯, S·奎珀 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司