CN100541237C - 具有光焦度控制的成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明的涉及一种包括液体透镜的成像光学系统，其允许改变光学系统的光焦度，同时，能够自动校正至少一种光学像差。

Description

具有光焦度控制的成像光学系统

技术领域

本发明涉及能够改变其光焦度的成像光学系统。这样的光学系统通常与具有数字或基于银的照相机或摄像机类型的装置有关，但是也与显微镜或内窥镜有关。

背景技术

通常，能够改变其光焦度的光学系统包括几组具有固定焦距的硬透镜(rigid lens)，可以改变所述透镜的位置和/或相对距离。

文献FR 2580412公开了一种装置，其利用一个或多个透镜组的位移同时进行放大和聚焦。这一位移是各透镜组的同时移动的组合。这些移动非常复杂并对应于预定移动规则。

所述透镜组的位移需要制造具有大量机械连接的系统，以获得各种位移。因而，这样的系统较大并且易发生故障。

以本申请人的名义申请的美国专利6369954公开了一种具有电润湿类型的可变焦液体透镜的实施例，其包括分隔两种具有不同折射率的液体的可移动折射界面，所述液体包含在具有至少两个透明相对面的室内。可以通过在界定所述可移动折射界面的两种液体中的一种和设置在所述室内的另一种液体附近的电极之间施加电压改变所述折射界面的曲率，并因此改变液体透镜的光焦度。

可以在不需要液体透镜发生机械位移的情况下改变由一个或几个液体透镜构成的此类系统的光焦度，从而有可能获得具有更低的复杂性并且体积更小的光学系统。

通常，由理想的光学系统获得的物体的图像是这样的，所述物体中的一个点对应于图像中的一个点，并且垂直于所述光学系统的光轴的物面对应于图像中的一个面。此外，所述光学系统必须忠实地刻画颜色。如果光为单色的，并且只有靠近光轴的光线抵达所述光学系统，那么有可能获得几乎理想的光学性能。但是，在实践中，实际光学系统通常具有大孔径，从而使远离光轴的光线也会抵达图像获取装置。此外，光学系统通常用于接收并非单色光的白光，例如，太阳光。因此，要想获得理想地工作的光学系统是非常困难的。采用“光学像差”一词描述理想图像和所获得的实际图像之间的存在的差异。因此，为了获得高性能的光学系统，希望使光学像差降至最低，以获得尽可能接近理想图像的图像。

一种光学像差对应于色差，其可以由这样的事实导出，即，在白光穿过棱镜时，被分割到具有彩虹色的光谱内。有两种类型的色差，即，在光轴上的焦距位置随波长而改变时的轴向(或纵向)色差，以及边缘区域内的图像的尺寸随波长而变化时的长度(或横向)色差。在由硬透镜构成的常规光学系统中，采用很多由具有不同折射和色散特性的各种类型的光学玻璃构成的透镜校正所述色差。

光学像差的另一个例子是场曲率像差，这是一种相对于一阶而言不依赖于波长的像差。这是因为，在由常规硬透镜构成的光学系统中，物面的图像呈现弯曲而非平直。由于光学系统提供的图像获取装置，例如，胶卷是平的，因此，如果图像中心是清晰的，那么图像的边缘将看起来模糊，相反，如果图像的边缘是清晰的，那么图像的中心将看起来模糊。一种校正场曲率像差的解决方案包括，采用特殊形状的硬透镜，或者采用具有特定光焦度和折射率的硬透镜的组合。

对于由硬透镜构成的光学系统而言，光学像差在光学系统的操作过程中变化很小。这是因为，光线相对于光学系统的各个硬透镜的入射角在透镜的位移过程中变化很小。因此，一旦对光学像差进行了初始校正，例如，针对硬透镜的指定位置，那么对于光学系统的操作过程中透镜的一个大位置范围而言，所述光学像差都将保持校正状态或基本保持校正状态。

就包括至少一个可变焦液体透镜的光学系统而言，情况则不同。这是因为，通过改变液体透镜的可移动折射界面的曲率半径对光焦度进行改变。因此，在光学系统的操作过程中，其导致了光线相对于可移动折射界面的入射角的大变化。因此，在光学系统的操作过程中，光学像差存在永久的，并且可能很大的变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种包括液体透镜的光学系统，其允许光学系统的光焦度受到修改，同时，能够自动校正至少一种光学像差。

本发明的另一目的在于提供一种具有相对简单的设计的光学系统。

本发明的另一目的在于提供一种与自动调焦(automaticfocusing)或自动聚焦(autofocus)系统相兼容的光学系统。

本发明的另一目的在于提供一种控制包括液体透镜的光学系统的方法，从而改变所述光学系统的光焦度，同时校正至少一种光学像差。

为了改变光学系统的光焦度，同时校正光学像差，本发明人提出采用由两个可变焦电润湿透镜构成的根据本发明的光学系统。对于光学系统的每一光焦度值而言，确定可变焦透镜的特定光焦度对，针对其可以消除所讨论的光学像差，或使之降至最低。

更具体而言，本发明提供了一种成像光学系统，其包括：至少第一和第二电润湿型可变焦透镜，每一透镜的焦距可以通过施加控制电压来控制；以及控制装置，其适于接收表示所述光学系统的期望光焦度的控制信号，并适于在控制信号以及预定控制规则和/或预定表格的基础上至少向所述第一透镜提供第一控制电压，向所述第二透镜提供第二控制电压，从而使所获得的光学系统的光焦度等于期望光焦度，与此同时，至少部分地同时校正一种或多种光学像差；其中，每一所述可变焦透镜具有分隔两种具有不同折射率的液体的可移动折射界面，所述界面的形状基本为球面，通过施加所述电压改变所述界面的曲率。

根据本发明的一个实施例，所述系统包括：至少第三电润湿型可变焦透镜，所述控制装置还适于在所接收的控制信号以及所述预定控制规则和/或预定表格的基础上向所述第三透镜提供第三控制电压，从而使所获的光学系统的光焦度等于期望光焦度，与此同时，同时校正两种光学像差，或者与此同时，获得对图像的指定放大率，并同时校正一种光学像差。

根据本发明的一个实施例，所述光学像差为色差或场曲率像差。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：用于分析所述图像的至少一部分，并在对所述图像的分析的基础上向所述控制装置提供具有使聚焦成为可能的值的所述控制信号的装置。

本发明的主题还在于一种控制成像光学系统的方法，所述成像光学系统包括至少第一和第二电润湿型可变焦透镜，每一透镜的焦距通过施加控制电压来控制。所述方法包括的步骤有：在表示表示光学系统的期望光焦度的控制信号以及预定控制规则和/或预定表格的基础上，至少确定要提供给所述第一透镜的第一控制电压，要提供给所述第二透镜的第二控制电压，从而使所获得的光学系统的光焦度等于期望光焦度，与此同时，至少部分地同时校正一种或多种光学像差；以及分别向所述第一和第二透镜施加所述至少第一和第二控制电压；其中，每一所述可变焦透镜具有分隔具有不同折射率的两种液体的可移动折射界面，通过施加所述电压改变所述界面的曲率，而所述界面的形状保持基本为球面。

根据本发明的一个实施例，所述方法包括在先步骤，其包括分析所形成的图像的至少一部分，以及确定用于优化所述图像的质量标准的所述控制信号的值，以确保聚焦。

根据本发明的一个实施例，该方法包括这样的在先步骤，其包括分别向所述第一和第二透镜施加指定的第一和第二控制电压，从而获得具有给定光学像差的图像，以及在对所获得的具有使聚焦成为可能的所述光学像差的图像的至少一部分进行分析的基础上确定所述控制信号的值。

根据本发明的一个实施例，所述指定光学像差为色差。对所述图像的分析包括，在存在所述色差的情况下，针对至少一个给定波长或至少一个给定波段，将在所述光学系统受到聚焦时达到极值或峰值的函数的值与不存在所述色差的情况下所述函数针对所述波长或波段的预期值相比较。

根据本发明的一个实施例，表示聚焦的函数是所述光学系统的传递调制函数。

附图说明

在下文结合附图对特定的非限制性说明实例的详细描述中，将详细解释本发明的这些和其他目的、特征和优点：

图1示出了根据本发明的光学系统的第一说明性实例；

图2示出了光学系统的光焦度如何随着光学系统的光学元件的光焦度而变化以校正色差的例子；

图3示出了光学系统的光焦度如何随着光学系统的光学元件的光焦度而变化以校正场曲率的例子；

图4示出了根据本发明的光学系统的第二说明性实例；以及

图5示出了控制根据上述说明性实例的光学系统以实现自动聚焦的原理。

具体实施方式

为了清晰起见，在各个附图中采用相同的附图标记表示相同的元件。在说明书的其余部分内，电润湿型可变焦透镜表示这样一种光学系统，其包括分隔两种液体介质的液体衍射界面，所述界面的曲率半径可以通过电润湿改变。因此，光学系统包括处于同一外壳内的两个液体衍射界面，每一所述液体衍射界面的曲率半径均可以通过电润湿改变，根据本发明，其对应于以两个电润湿型可变焦透镜为基础的光学系统。

本发明涉及用于改变光学系统的光焦度同时校正光学像差的光学系统。

图1示出了根据本发明的光学系统10的第一说明性实例。在图1中，轴D对应于光学系统10的光轴。在本实例中，光学系统10包括通过电控制装置16的输出提供的两个可变焦液体透镜12、14。每一可变焦液体透镜12、14具有分隔两种具有不同折射率的液体的可移动折射界面18、20，所述界面的形状受到电控制。更确切地说，通过在界定可移动折射界面18、20的液体之间施加电压U₁、U₂，有可能改变折射界面的曲率，并因此改变透镜12、14的焦距。为了举例说明，每一液体透镜12、14可以对应于美国专利6369954中公开的示范性实施例之一。控制装置16接收表示光学系统的期望总光焦度P的信号S，并向两个可变焦液体透镜12、14提供电压U₁、U₂，以获得期望总光焦度P，从而能够，例如，将从处于物面22内的物体获得的图像聚焦在像平面24内，并校正光学像差。

本申请人借助图1所示的包括两个可变焦透镜12、14的结构演示了，有可能通过根据预定控制规则对可变焦透镜12的可移动衍射界面18的曲率和可变焦透镜14的可移动折射界面20的曲率进行特殊控制而改变光学系统10的光焦度P，同时校正光学像差，例如色差或场曲率像差。

可以通过分析或实验确定这些控制规则。控制装置16可以包括计算装置，其用于针对光学系统10的光焦度P的每一预期级别确定对应于透镜12和14的会聚的一对控制电压U₁和U₂，以获得预期的光焦度P，同时校正光学像差。控制装置16还可以包括存储装置，其中存储的表格含有针对每一光焦度P的级别的一对对应于透镜12和14的会聚的控制电压U₁和U₂。根据变型，可以在控制装置16的存储器内存储解析函数的参数，其允许在光焦度P的期望级别的基础上控制所要确定的电压U₁、U₂。

现在将提供控制规则的分析计算的例子。为了简化控制规则的表达式，将采用某些近似。因此，在实践中，控制规则的表达式可以与下文解释的不同，下述说明的唯一目的在于进行可能性的演示，其中，光学系统10包括两个可变焦液体透镜12、14，其能够改变光学系统10的总光焦度P，同时校正光学像差。将每一可变焦透镜12、14看作由两个并置的薄透镜构成。尽管这样的近似不能准确地对应现实，但是其为确定控制规则提供了良好的出发点。由e₁表示两个透镜12、14的中心之间的间隔。还假设可变焦透镜12的可移动折射界面18将具有折射率n_1，1和阿贝常数(Abbe number)v_1，1的液体与具有折射率n_2，1和阿贝常数v_2，1的第二液体分开。由R₁表示基本具有球面形状的折射界面18的曲率半径。可变焦透镜14的可移动折射界面20将具有折射率n_1，2和阿贝常数v_1，2的第一液体与具有折射率n_2，2和阿贝常数v_2，2的第二液体分开。由R₂表示基本具有球面形状的折射界面20的曲率半径。

对于透镜12而言，通过下述方程给出由第一液体提供的光焦度p_1，1：

$p_{\mathrm{1,1}}=\frac{-(n_{\mathrm{1,1}}-1)}{R_1}---\left(1\right)$

由下述方程给出了由第二透镜提供的光焦度p_2，1：

$p_{\mathrm{2,1}}=\frac{n_{\mathrm{2,1}}-1}{R_1}---\left(2\right)$

因此，由下述方程给出了透镜12的总光焦度P₁：

$P_1=p_{\mathrm{1,1}}+p_{\mathrm{2,1}}=\frac{n_{\mathrm{2,1}}-n_{\mathrm{1,1}}}{R_1}---\left(3\right)$

对于在与光轴D相距距离h₁的位置抵达折射界面18的光线而言，由下述方程表示由透镜12引入的色差ξ₁：

${\mathrm{\ξ}}_1=h_1^2(\frac{p_{\mathrm{1,1}}}{v_{\mathrm{1,1}}}+\frac{p_{\mathrm{2,1}}}{v_{\mathrm{2,1}}})=h_1^2\frac{P_1}{v_{\mathrm{eq}1}}---\left(4\right)$

其中，v_eq1对应于透镜12的等效阿贝常数，其通过下述方程表示：

$v_{\mathrm{eq}1}=\frac{(n_{\mathrm{2,1}}-n_{\mathrm{1,1}})v_{\mathrm{1,1}}{v}_{\mathrm{2,1}}}{v_{\mathrm{1,1}}{n}_{\mathrm{2,1}}-v_{\mathrm{2,1}}{n}_{\mathrm{1,1}}-v_{\mathrm{1,1}}+v_{\mathrm{2,1}}}---\left(5\right)$

可以分别以R₂、h₂、P₂、p_1，2、p_2，2、n_1，2、n_2，2、v_1，2、v_2，2、ξ₂和v_eq2替代R₁、h₁、P₁、p_1，1、p_2，1、n_1，1、n_2，1、v_1，1、v_2，1、ξ₁和v_eq1获得透镜14的类似表达式。

在与光轴D相距距离h₁的位置抵达透镜12的光线以距离h₂抵达透镜14，h₂通过下述方程表示：

h₂＝h₁(1-e₁P₁)(6)

通过下述方程给出了双透镜组(lens doublet)12、14的总光焦度P：

h₁P＝h₁P₁+h₂P₂＝h₁P₁+h₁(1-e₁P₁)P₂(7)

P＝P₁+P₂-e₁P₁P₂

下述方程给出了由双透镜组12、14引入的色差ξ：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2=h_1^2\frac{P_1}{v_{\mathrm{eq}1}}+h_2^2\frac{P_2}{v_{\mathrm{eq}2}}=h_1^2\frac{P_1}{v_{\mathrm{eq}1}}+{\left(h_1(1-e_1{P}_1)\right)}^2\frac{P_2}{v_{\mathrm{eq}2}}---\left(8\right)$

$\mathrm{\ξ}=h_1^2[\frac{P_1}{v_{\mathrm{eq}1}}+{(e_1{P}_1-1)}^2-\frac{P_2}{v_{\mathrm{eq}2}}]$

因此，为了消除色差，需要使ξ为零。

此外，为了使场曲率像差最小，在没有像散的情况下，要求使被称为Petzval和(∑P)的表达式最小，对于图1所示的光学系统而言，其通过下述表达式表示：

$\mathrm{\ΣP}=\frac{P_1}{n_{\mathrm{1,1}}{n}_{\mathrm{2,1}}}+\frac{P_2}{n_{\mathrm{1,2}}{n}_{\mathrm{2,2}}}---\left(9\right)$

为了同时校正色差和场曲率像差，需要使ξ和∑P二者均为零。因此，其要求解下述如下方程，通过使方程(9)为零，并引入作为P₁的函数的表达式P₂，从而在方程(8)中确定该方程：

$P_1\·v_{\mathrm{eq}2}-{(1-e_1{P}_1)}^2\·v_{\mathrm{eq}1}\·P_1\·\frac{n_{\mathrm{1,2}}{n}_{\mathrm{2,2}}}{n_{\mathrm{1,1}}{n}_{\mathrm{2,1}}}=0---\left(10\right)$

这一方程只有有限数量的解，其意味着，只能针对有限数量的(P₁，P₂)对，即，针对有限数量的总光焦度P的值实现对场曲率像差和色差的同时校正。这是不可构想的(conceivable)，因为我们希望能够使总光焦度P以连续的方式变化。

凭借根据第一实施例的光学系统，每次只能校正一种光学像差。出于举例的目的，现在将说明色差的校正情况。

因此，要想实现这一目的，需要使ξ项为零，即，需要解下述方程：

$\frac{P_1}{v_{\mathrm{eq}1}}+{(e_1{P}_1-1)}^2\frac{P_2}{v_{\mathrm{eq}2}}=0---\left(11\right)$

因此，方程(11)给出了作为P₁的函数的P₂的表达式：

$P_2=\frac{-v_{\mathrm{eq}2}{P}_1}{v_{\mathrm{eq}1}{(1-e_1{P}_1)}^2}---\left(12\right)$

从方程(7)开始，获得了下述总光焦度P的表达式：

$P=\frac{P_1(v_{\mathrm{eq}1}-v_{\mathrm{eq}2}-e_1{P}_1)}{v_{\mathrm{eq}1}(1-e_1{P}_1)}---\left(13\right)$

因此，通过下述方程给出了透镜12的折射界面18的曲率半径R₁：

$R_1=\frac{n_{\mathrm{2,1}}-n_{\mathrm{1,1}}}{P_1}---\left(14\right)$

通过下述方程给出了透镜14的折射界面20的曲率半径R₂：

$R_2=\frac{n_{\mathrm{2,2}}-n_{\mathrm{1,2}}}{P_2}---\left(14\right)$

在图2中，曲线30、31、32和33分别示出了在执行色差校正时，针对0mm、2mm、3mm和5mm的距离e₁，作为透镜12的光焦度P1的函数的光学系统10的总光焦度P的变化。曲线30到33是采用上述方程绘制的，所述方程的参数具有下述值：n_1，1＝1.63，n_1，2＝1.33，v_1，1＝25，v_1，2＝59，n_2，1＝1.33，n_2，2＝1.55，v_2，1＝59，v_2，2＝33。其给出了v_eq1＝13.38和v_eq2＝19.87。应当指出，总光焦度P的变化范围随着距离e₁而增大。

因此，可以按照下述说明控制光学系统10：控制装置16接收表示期望总光焦度P的信号S。之后，控制装置16确定用来获得这样预期总光焦度P，同时消除色差的一对光焦度P₁和P₂。对于每一透镜12、14，将透镜12、14的折射界面18、20的曲率半径R₁、R₂与施加至透镜12、14以获得这样的曲率半径的控制电压U₁、U₂之间的关系存储在控制装置16中。之后，控制装置16确定要施加到透镜12和14，以获得预期的曲率半径R₁、R₂的电压U₁、U₂。

为了在没有像散的情况下校正场曲率像差，必须使Petzval和(方程(9))等于零，其给出了下述方程：

$P_2=-\frac{n_{\mathrm{1,2}}{n}_{\mathrm{2,2}}}{n_{\mathrm{1,1}}{n}_{\mathrm{2,1}}}{P}_1---\left(16\right)$

方程(7)给出了总光焦度的表达式：

$P=P_1(1-\frac{n_{\mathrm{1,2}}{n}_{\mathrm{2,2}}}{n_{\mathrm{1,1}}{n}_{\mathrm{2,1}}}(1-e_1{P}_1))---\left(17\right)$

在图3中，曲线34、35和36分别示出了在执行对场曲率像差的校正时，对于0mm、2mm和8mm的距离e₁而言，作为透镜12的光焦度P₁的函数的总光焦度P的变化。曲线34、35和36是采用与用来确定图2所示的曲线的参数值相同的参数值获得的。应当指出，总光焦度P的变化范围随着距离e₁而增大。

采用与上文所述相同的方式控制透镜12、14。

用户可以通过手动控制向电控制装置16提供表示预期总光焦度P的信号S。可以将这样的实施例用于(例如)变焦距系统(zoomsystem)，在该系统中，用户能够调整光学系统的放大率。

但是，也可以自动提供信号S。例如，就自动焦距调节(automatical focusing)而言(通常将其称为“自动聚焦(autofocus)”系统)，光学系统10包括适于在对形成于像平面24内的图像的分析的基础上为控制装置16提供确保聚焦的信号S的自动聚焦系统。这样的自动聚焦系统可以执行对形成于像平面24内的图像的光谱分析。

作为另一个例子，所述光学系统可以包括自动变焦距系统(autozooming system)，其适于向控制装置16提供控制信号S，所述控制信号S的值确保了在光学变焦距系统的视界中对所要形成的图像的指定感兴趣区域的自动光学缩放。这里，以及在全文当中将“光学缩放(optical zooming)”理解为图像的光学放大，其与数字放大是相对的。所述自动变焦系统可以包括用于分析所述图像的至少一部分的装置和用于向控制装置16提供控制信号S的装置，所述控制信号S的值确保了基于图像分析的缩放。

凭借上述只包括两个可变焦透镜12、14的光学系统，不可能同时聚焦、改变放大率和校正光学像差，也不能同时聚焦和校正两种光学像差。为了实现这一目的，需要三个液体透镜，现在将对其进行说明。但是，凭借上述光学系统，可以确定对透镜12、14的控制，从而实现聚焦并部分校正两种光学像差，即使不能彻底校正两种光学像差。为了完成这一目的，可以在为了校正每种光学像差而定义的控制规则的基础上确定对应于折衷方案的控制。

图4示出了根据本发明的光学系统的第二实施例40。光学系统40包括一套第一实施例的元件，此外还包括放置在透镜14和像平面24之间的额外的液体透镜42。透镜42具有将两种具有不同折射率的液体分开的可移动折射界面44，并且能够通过在两种液体之间施加电压U₃而发生形变。通过电控制装置16提供电压U₃。

凭借基于三个可变焦透镜的光学系统40，本申请人演示了，可以在给定范围内改变光学系统40的总光焦度P，同时，针对每一总光焦度P的值，校正两种光学像差，例如，色差和场曲率像差。出于举例的目的，可以对总光焦度P的值进行调整，从而使光学系统40聚焦，因此，同时执行聚焦操作和对两种光学像差的校正。此外，本申请人还演示了，可以在给定范围内改变光学系统40的总光焦度P，从而，针对每一总光焦度P的值，同时聚焦和校正光学像差。例如，可以调整总光焦度P的值，以实现给定的放大率，光学系统40使得同时实现聚焦和光学像差校正成为了可能。

在与光轴D相距距离h₁的位置抵达透镜12的光线以距离h₂抵达透镜14并以距离h₃抵达透镜42，通过下述方程给出了距离h₂和h₃：

h₂＝h₁(1-e₁P₁)(18)

h₃＝h₂(1-e₂P₂)＝h₁(1-e₁P₁)(1-e₂P₂)(19)

通过下述方程给出了三透镜组12、14、42的总光焦度P：

h₁P＝h₁P₁+h₂P₂+h₃P₃＝h₁P₁+h₁(1-e₁P₁)P₂+h₁(1-e₁P₁)(1-e₂P₂)P₃

                                                           (20)

P＝P₁+P₂+P₃-e₁P₁P₂-e₁P₁P₃-e₂P₂P₃+e₁e₂P₁P₂P₃

下述方程给出了由三透镜组12、14、42引入的色差ξ：

$\mathrm{\ξ}={\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2+{\mathrm{\ξ}}_3=h_1^2\frac{P_1}{v_{\mathrm{eq}1}}+h_2^2\frac{P_2}{v_{\mathrm{eq}2}}+h_3^2\frac{P_3}{v_{\mathrm{eq}3}}---\left(21\right)$

$\mathrm{\ξ}=h_1^2[\frac{P_1}{v_{\mathrm{eq}1}}+{(e_1{P}_1-1)}^2(\frac{P_2}{v_{\mathrm{eq}2}}+{(e_2{P}_2-1)}^2\frac{P_3}{v_{\mathrm{eq}3}})]$

因此，消除色差需要使ξ等于零。

此外，为了在没有像散的情况下使场曲率像差最小，需要使Petzval和最小，对于图4所示的系统而言，其具有下述表达式：

$\mathrm{\ΣP}=\frac{P_1}{n_{\mathrm{1,1}}{n}_{\mathrm{2,1}}}+\frac{P_2}{n_{\mathrm{1,2}}{n}_{\mathrm{2,2}}}+\frac{P_3}{n_{\mathrm{1,3}}{n}_{\mathrm{2,3}}}---\left(22\right)$

为了同时校正色差和场曲率像差，需要将方程(21)和(22)设置为零。

从方程(22)获得了下述方程：

$p_3=-n_{\mathrm{1,3}}{n}_{\mathrm{2,3}}(\frac{P_1}{n_{\mathrm{1,1}}{n}_{\mathrm{2,1}}}+\frac{P_2}{n_{\mathrm{1,2}}{n}_{\mathrm{2,2}}})---\left(23\right)$

通过向方程(21)内代入P₃的表达式，将方程(21)设为等于零需要解P₁和P₂中的三阶方程。

由P₃的表达式，可以将总光焦度表示为P₁和P₂的函数。因此，为了获得给定总光焦度P，同时校准色差和场曲率像差，必须要解由具有两个未知数P₁和P₂的两个方程构成的方程组。可以看出，这样的方程组至少具有一对解(P₁，P₂)。通过方程(23)由其导出P₃。由方程(13)和(14)给出了透镜12、14的半径R₁和R₂。由下述方程给出半径R3：

$R_3=\frac{n_{\mathrm{2,3}}-n_{\mathrm{1,3}}}{P_3}---\left(24\right)$

现在将考虑希望改变光学系统40的总光焦度P，同时校正光学像差并聚焦的情况。因此，将改变总光焦度P，从而改变在像平面24内聚焦的图像的放大率。

令α₃是从透镜42射出的光束与光轴D之间的夹角，BF是透镜42和图像焦平面24之间的距离。于是，对于平行于光轴D入射并在与光轴D相距距离h₁的位置抵达透镜12的光线而言，存在下述方程：

${\mathrm{\α}}_3=\frac{h_3}{\mathrm{BF}}=h_1{P}_1+h_2{P}_2+h_3{P}_3---\left(25\right)$

为了实现聚焦，距离BF必须恒定，因为像平面24保持固定。

根据方程(18)和(19)，方程(25)变为：

$\frac{(1-e_1{P}_1)(1-e_2{P}_2)}{\mathrm{BF}}=P_1+(1-e_1{P}_1)P_2+(1-e_1{P}_1)(1-e_2{P}_2)P_3---\left(26\right)$

即：

$P_3=\frac{1}{\mathrm{BF}}-\frac{P_1}{(1-e_1{P}_1)(1-e_1{P}_1)}-\frac{P_2}{1-e_2{P}_2}---\left(27\right)$

如果希望校正色差，那么必须使方程(21)给出的参数ξ等于零。通过向等式(21)内代入P₃的表达式，使等式(21)等于零化为了解针对P₁和P₂的三阶方程。由P₃的表达式，可以将总光焦度P表示为P₁和P₂的函数。因而，为了获得给定的总光焦度P，同时实现聚焦和对色差的校正，必须解由具有两个未知数P₁和P₂的两个方程构成的方程组。可以看出，这样的方程组至少具有一对解(P₁，P₂)。通过等式(27)由其导出P₃。由等式(13)、(14)和(24)给出了透镜12、14和42的半径R₁、R₂和R₃。可以将类似的推理应用于对场曲率的校正。

具体而言，与前述实施例相比，提供额外的液体透镜使得对其他光学像差的校正成为了可能。例如，这些光学像差可以是球面像差或彗形像差。

图5示出了根据上述实施例的光学系统的一种特殊的自动聚焦方法。这一方法包括以受控方式引入光学像差，将以色差为例对其予以说明。为了实施这一方法，所述光学系统包括适于对在像平面24内获得的图像或者所述图像的至少一部分进行分析的装置。可以通过所述光学系统的图像获取装置，例如彩色CCD传感器或者彩色CMOS传感器执行这样的分析。所述光学系统包括处理模块，其适于确定质量函数，所述质量函数表示作为波长或波段的函数的图像的聚焦状态。对于每一波长或每一波段而言，这样的质量函数在焦点处通过极值。

在一个例子中，所述质量函数对应于通过对所获得的图像的光谱分析确定的光学系统的调制传递函数或MTF。调制传递函数表示对于抵达光学系统的每一光波段而言，由光学系统导致的衰减。在另一个例子中，质量函数表示作为每一波段的函数的、位于传感器的指定感兴趣区域内的物体图像的过渡锐度(transition sharpness)。但是，当然可以采用任何其他的图像质量标准，对于实现自动聚焦系统而言，这样的标准是本领域技术人员公知的。

这里，所述方法包括，以在光学系统提供的图像内观察到可识别色差的方式，对光学系统的液体透镜的预定光焦度值进行初始设定。因而，在存在色差的情况下获得的对质量函数的分析提供了有关于必须改变所述光学系统的总光焦度以实现聚焦的方式的信息。这是因为，作为波长或波段的函数的质量函数的变化取决于是否存在色差。通过将引入色差时不同光谱波段下，例如，红波段(R)、绿波段(G)和蓝波段(B)下的质量函数的值与没有色差的情况下预计的质量函数值相比较，有可能获得有关必须改变总光焦度以实现聚焦的方式的信息，甚至获得有关所要提供的总光焦度的变化幅度的信息。

例如，在图5中，曲线50示出了在实现聚焦时质量函数的一般变化。分别以虚线和细实线绘制的曲线52和54分别示出了，在光学系统的总光焦度过低，以及过高的情况下，当存在相同的色差时质量函数的变化。

总体上，通过对光学系统提供的图像的分析，本发明使得使光学像差自动和/或连续最小化成为了可能。

例如，本申请人示出了，凭借根据本发明的、包括四个可变焦透镜的成像光学系统，有可能实现这样的光学系统，即，其放大率能够在给定范围内得到改变(变焦距系统)，同时确保聚焦，以及至少部分地校正至少两种光学像差。

根据本发明的成像光学系统相对于现有技术表现出了这样的优点，即，在具有可变焦透镜的同时确保对光学像差的校正，所述可变焦透镜具有基本上为球面的界面。

当然，本发明可以具有各种备选实施例和变型，这对于本领域技术人员是显而易见的。具体而言，除了液体透镜外，所述光学系统也可以具有一个或几个硬透镜。此外，为了沿抵达光学系统的光线的平均方向降低光学系统的尺寸，有可能在液体透镜的两侧添加反射镜，从而沿相对于入射光线的平均方向倾斜的轴放置所述液体透镜。此外，为了降低光学系统的尺寸，还可能在同一外壳内放入两种或更多种折射液体。

Claims (17)

1、一种成像光学系统(10；40)，包括：

至少第一和第二电润湿型可变焦透镜(12，14)，通过施加控制电压控制每一透镜的焦距；以及

控制装置(16)，其适于接收表示所述光学系统的期望光焦度(P)的控制信号(S)，并适于在所述控制信号以及预定控制规则和/或预定表格的基础上至少向所述第一透镜提供第一控制电压(U₁)，向所述第二透镜提供第二控制电压(U₂)，从而使所获得的所述光学系统的光焦度等于期望光焦度，与此同时，至少部分地同时校正一种或多种光学像差；

其中，每一所述可变焦透镜具有分隔两种具有不同折射率的液体的可移动折射界面(18，20)，所述界面的形状基本为球面，通过施加所述电压改变所述界面的曲率。

2、根据权利要求1所述的成像光学系统，其中，所述控制装置包括存储所述预定控制规则和/或所述预定表格的存储装置。

3、根据权利要求1所述的成像光学系统，其中，所述光学像差为色差或场曲率像差。

4、根据权利要求1所述的成像光学系统，还包括通过手动控制提供表示所述光学系统的所述期望光焦度的信号(S)。

5、根据权利要求1所述的成像光学系统，还包括自动聚焦系统，其适于向所述控制装置(16)自动提供具有确保聚焦的值的控制信号(S)。

6、根据权利要求5所述的成像光学系统，其中，所述自动聚焦系统包括用于分析图像的至少一部分的装置和用于在对所述图像的分析的基础上向所述控制装置(16)提供具有确保聚焦的值的控制信号(S)的装置。

7、根据权利要求4所述的成像光学系统，还包括自动变焦系统，其适于向所述控制装置(16)自动提供具有确保对所述光学系统的视界内感兴趣的区域的自动光学缩放的值的控制信号(S)。

8、根据权利要求7所述的成像光学系统，其中，所述自动变焦系统包括用于对图像的至少一部分进行分析的装置，以及在对所述图像的分析的基础上向所述控制装置(16)提供具有确保光学放大或缩小的值的控制信号(S)的装置。

9、根据权利要求1所述的成像光学系统，其包括至少第三电润湿型可变焦透镜(42)，所述控制装置(16)适于在所接收的所述控制信号以及所述预定控制规则和/或预定表格的基础上向所述第三透镜提供第三控制电压(U₃)，从而使所获的所述光学系统的光焦度等于期望光焦度，与此同时，同时校正两种光学像差，或者与此同时，获得对图像的给定放大率，并同时校正一种光学像差。

10、根据权利要求1所述的成像光学系统，其中，其包括四个电润湿型可变焦透镜，所述控制装置(16)适于在所接收的所述控制信号以及所述预先存储的控制规则和/或所述预定表格的基础上向每一所述透镜提供控制电压，从而使所获得的所述光学系统的光焦度等于期望光焦度，与此同时，获得对图像的给定放大率，并同时至少部分地校正两种或更多种光学像差。

11、一种控制成像光学系统(10；40)的方法，所述成像光学系统(10；40)包括至少第一和第二电润湿型可变焦透镜(12，14)，每一透镜的焦距通过施加控制电压来控制，所述方法包括下述步骤：

在表示所述光学系统的期望光焦度的控制信号(S)以及预定控制规则和/或预定表格的基础上，至少确定要提供给所述第一透镜的第一控制电压(U₁)，以及要提供给所述第二透镜的第二控制电压(U₂)，从而使所获得的所述光学系统的光焦度等于所述期望光焦度，与此同时，至少部分地同时校正一种或多种光学像差；以及

分别向所述至少第一和第二透镜施加所述至少第一和第二控制电压；

其中，每一所述可变焦透镜具有分隔具有不同折射率的两种液体的可移动折射界面，通过施加所述电压改变所述界面的曲率，而所述界面的形状保持基本为球面。

12、根据权利要求11所述的方法，其中，所述光学系统(40)包括至少第三电润湿型可变焦透镜(42)，所述方法还包括：

在所述控制信号(S)以及所述预定控制规则和/或预定表格的基础上，确定要提供给所述第三透镜的至少第三控制电压(U₃)，从而使所获得的所述光学系统的光焦度等于所述期望光焦度，与此同时，同时校正两种光学像差，或者与此同时，获得对图像的给定放大率，并同时校正一种光学像差。

13、根据权利要求11所述的方法，还包括：

对所形成的图像的至少一部分进行分析；以及

确定所述控制信号(S)的值，用于优化所述图像的质量标准以确保聚焦。

14、根据权利要求13所述的方法，其中，所述成像光学系统包括两个可变焦透镜，确定对所述透镜的控制，从而实现聚焦以及对至少两种光学像差的部分校正。

15、根据权利要求11所述的方法，还包括：

分别向所述第一和第二透镜(12，14)施加第一和第二控制电压(U₁，U₂)，以获得具有给定光学像差的图像；以及

在对所获得的具有所述给定光学像差的所述图像的至少一部分进行分析的基础上确定所述控制信号(S)的值，使聚焦成为可能。

16、根据权利要求15所述的方法，其中，所述给定光学像差为色差，并且其中，对所述图像的分析包括：

在存在所述色差的情况下，将在所述光学系统(10；40)得到聚焦时达到极值的图像的质量函数针对多个波长或多个波段的值与没有所述色差的情况下所述质量函数针对所述波长或波段的预期值相比较。

17、根据权利要求16所述的方法，其中，所述表示聚焦的质量函数是所述光学系统(10；40)的传递调制函数。

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