具有波前编码的变焦透镜系统技术方案

公开了用于对射线角范围内的入射光进行成像的变焦透镜系统。入射光至少用相位来表征。变焦透镜系统包括光轴，并且变焦透镜系统由多个至少对应于射线角范围的调制传递函数（ＭＴＦ）来表征。变焦透镜系统包括沿着光轴被放置的光组，其至少包括一个可变光学元件，该可变光学元件具有在至少两个不同的焦距值之间选择的可变焦距。该光组还包括波前编码元件。波前编码元件至少改变入射光的相位，以使对于两个不同焦距值中的每一个，多个对应于射线角范围的ＭＴＦ对散焦式像差比相应的不具有波前编码元件的系统较不敏感。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
该申请要求2006年3月提交的题为"具有波前编码的变焦透镜系 统"的第60/779,712号美国临时申请的优先权，该申请的全部内容通 过引用而特地并入本文。
技术介绍
现代变焦透镜系统与传统的变焦透镜系统的区别在于成像系统中 的变化不是通过沿着光轴移动光学元件来实现的。也就是说，现代变 焦系统中的特殊光学元件的光学特征是通过在不平行于光轴的平面内 应用电压、压力、平移或旋转而改变的。现代变焦透镜系统中的可变 光学元件的使用的一个实施例是在相同的物理位置用可变光学透镜代 替传统变焦透镜系统中的一个透镜。然而，通过改变一个或多个光学元件的光学特征而变化的现代变 焦透镜系统可引起像差，该像差表现为对成像性能的限制。随着成像 系统中的光学元件数量的减少，这些像差将会恶化。例如，可限制现 代变焦系统的性能的像差可包括像弯曲、色差、球面像差、散焦、 慧形像差以及与制造、装配和温度有关的像差。现在参照附图，其中贯穿不同的图的相同参考标记表示相同的元 件，图1和图2示出了现有技术的实施例，四组传统变焦透镜系统。 在该传统的变焦透镜系统中，光学元件的移动是通常平行于系统的光 轴的。在图1所示的传统变焦透镜系统的结构10中， 一组焦距分别为/;、 /2、 /3和/4的第一个至第四个光学元件i2、 "、 16和is被配置为在成像平面20上形成清晰图像。虚线表示结构10的光轴21。进入 传统变焦透镜系统的结构10的边缘光线22被聚焦于成像平面20与光 轴21的交点上。继续参照图1，第一光学元件12和第二光学元件14通常可被看 作控制结构10中的传统变焦透镜系统的放大倍数，而第三光学元件16和第四光学元件18通常可被认为控制成像平面20的位置。光学元 件14可被称作"聚束栅透镜"或"聚束栅(variator)"，它被定义为 控制放大倍数的光学子系统。光学元件16可被称作"补偿器"，它被 定义为控制焦点的光学子系统。在一些情况下，尤其是在由很少的光 学元件形成的变焦透镜系统中，特定的子系统可同时用作聚束栅和#卜 偿器。在图2中，在传统变焦透镜系统的可选择结构IO'中，第二光学元 件14'(例如聚束栅)沿着光轴21从第一光学元件12向成像平面20 移动，如箭头24所指示的，以实现放大倍数的改变。为了使成像平面 20保持在相对于第四光学元件18的固定位置，第三光学元件16'(例 如补偿器)还沿着光轴21向成像平面20移动，如箭头26所指示的。 通过这些移动的结合，在成像平面位置保持固定的情况下，传统变焦 透镜系统的可选^^结构10'的方文大倍^:与图1所示的结构10的》文大倍 数相比发生了改变。换句话说，比图1所示的边缘光线22在距离第一 光学元件12的边缘更近的位置进入的边缘光线28现在可聚焦在图像 平面20与光轴21的交点上。如图l和图2所示，现有技术即传统变焦透镜系统中的聚束栅和 补偿器的移动需要沿着光轴的空间。即也就是说，在这样的空间中， 即例如，第二光学元件14必须在其中移动以形成结构10',其它光学 元件不能位于该空间中。对空间的相似要求是要求光学元件沿着光轴 移动的传统变焦透镜系统所常见的；因此，在沿着光轴的方向上减小 传统变焦透镜系统的长度是困难的。现代变焦透镜系统可减小或消除对沿着光轴物理地移动光学元件 的需要，从而与传统变焦透镜系统相比，减小了系统的总长度。然而， 这些现代变焦透镜系统的限制抑制了进一步对图像质量、尺寸和成本 的改进。例如，通常可利用的现代变焦透镜系统需要至少2个驱动的 或可变的元件以同时改变放大倍数和焦点。同样地，某些现代变焦透镜系统需要驱动系统以控制焦点，这需要 一 些元件改变以使图像保持清晰。
技术实现思路
本公开提供了用于对射线角范围内的入射光进行成像的变焦透镜 系统。入射光线至少用相位来表征。变焦透镜系统包括光轴，并且变焦透镜系统由多个至少对应于射线角范围的调制传递函数(MTF)来 表征。变焦透镜系统包括沿着光轴被;故置的光组，其至少包括一个可的可变焦距。该光组还包纟舌波前编码元件。波前编码元件至少改变入 射光的相位，以使得对于两个不同焦距值中的每一个，多个对应于射 线角范围的MTF对散焦式f^差比相应的不具有波前编码元件的系统 较不敏感。在一个实施方式中，用于变焦透镜系统的方法对射线角范围内的 入射光进行成像。入射光至少包括相位。变焦透镜系统包括光轴和至 少一个可变光学元件，该可变光学元件具有在至少两个不同的焦距值 之间选4奪的可变焦距。该变焦透镜系统由多个至少对应于射线角范围 和两个不同焦距值的调制传递函数(MTF)来表征。该方法包括改变 入射光的相位，以使得对于两个不同焦距值中的每一个，多个对应于 射线角范围的MTF在形式和尺寸上实质上相似。在一个实施方式中，变焦透镜系统包括光轴。该变焦透镜系统还 包括沿着光轴^f皮放置的光组。该光轴依次包括至少一个可变光学元 件和波前编码(WFC)元件，该可变光学元件具有在至少两个不同焦 距值之间选择的可变焦距。至少一个可变光学元件不能沿着光轴移动。 光组还由多个对应于射线角范围和至少两个不同焦距值的调制传递函 数(MTF)来表征，并且可变光学元件和WFC元件被配置为相互协 作以使多个M T F在形式和尺寸上实质上是相似的。附图说明本公开可通过参照下面的附图以及与下面简要描述的附图相结合的详细说明来理解。需要注意，为了清楚地说明，附图中的某些元件 未按比例绘制。图1是现有技术即包括传统光学器件的传统变焦透镜系统的一个 结构的示意图。图2是现有技术即图1的传统变焦透镜系统的可选择的结构的示 意图。图3是现有技术即包括现代光学器件和可变光学器件的现代变焦 透镜系统的 一 个结构的示意图。图4是现有技术即图3的现代变焦透镜系统的可选择结构的示意图。图5是现有技术即包括现代光学器件和可变光学器件的现代变焦 透镜系统另 一个实施例的一个结构的示意图。图6是现有技术即图5的现代变焦透镜系统的可选择结构的示意图。图7是现有技术即传统的两透镜成像系统的示意图，该传统的两 透镜成像系统在本文中示出以说明当在该系统中两个透镜具有相同的 焦距和折射率的情况下成像平面的曲率。图8是可选择的现有技术即传统两透镜成像系统的示意图，该传 统的两透镜成像系统在本文中示出以说明在两透镜被选择为具有相等 的折射率和互为相反数的焦距的情况下使图像平面变平。图9和图IO是第三个现有技术即传统两透镜成像系统的示意图， 该传统的两透镜成l象系统在本文中示出以-说明该系统所具有的取决于 透镜参数选择的色差变化。图11-13是变焦透镜系统的一个实施方式的示意图，该变焦透镜 系统使用了 一组具有波前编码补偿器的可变光学器件。图14和图15是变焦透镜系统的另一个实施方式的示意图，该变 焦透镜系统使用了与波前编码补偿器相结合的液体透镜聚束栅。图16和图17是变焦透镜系统的第三个实施方式的示意图，该变 焦透镜系统使用了与波前编码补偿器相结合的液体透镜聚束栅。图18和图19是通过使用可变化的光学元件结构提供可变光功率的光学配置的示意图。图20和图21是变焦透镜系统的另一个实施方式的示意图，该变焦透镜系统使用了与波前编码补偿器相结合的图18和图19的光学配置。图22和图23是变焦透镜系统的又一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对射线角范围内的入射光进行成像的变焦透镜系统，所述入射光至少用相位来表征，所述变焦透镜系统包括光轴，并且所述变焦透镜系统由多个至少对应于所述射线角范围的调制传递函数（ＭＴＦ）来表征，所述变焦透镜系统包括沿着所述光轴放置的光组，所述光组包括至少一个可变光学元件和波前编码元件，所述可变光学元件具有在至少两个不同的焦距值之间选择的可变焦距，其中，所述波前编码元件至少改变所述入射光的相位，以使得对于所述两个不同焦距值中的每一个，所述多个对应于所述射线角范围的ＭＴＦ对散焦像差比相应的不具有所述波前编码元件的系统较不敏感。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：爱德华R道斯基，立原悟，罗伯特H考麦克，
申请(专利权)人：全视CDM光学有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]