[发明专利]一种实现无移动镜组变焦距光学系统的方法及该光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种实现变焦距光学系统的方法及该光学系统，具体涉及一种实现无移动镜组变焦距光学系统的方法及该光学系统。 

背景技术

长期以来，在光学成像系统中可变焦光学镜头已广泛的应用于各种场合。光学变焦的实现，通常通过两种方法：即光学补偿变焦与机械补偿变焦，具体是光学补偿变焦和机械补偿变焦。光学补偿变焦主要是利用两组以上的镜片一起做同步移动来完成变焦和焦点补偿，从而避免了使用复杂的凸轮机构，但这种系统的缺陷是只在几个焦距处才能保持像面清晰稳定，因而使用并不广泛；随着精密加工技术与光学设计水平的提高，机械补偿法得到了越来越广泛的应用，目前市场上的变焦镜头大多采用这种方法，机械补偿变焦是利用精密凸轮机构使两组或多组镜组做非线性移动，充分发挥各组元作用，实现变焦与焦点补偿，因而可以获得较大的变焦比和较好的成像质量。但存在体积大，结构复杂的缺点。 

还有一种数字变焦，目前在内窥镜及手机镜头中使用非常普遍，该技术是通过相机内的处理器将影像感应器上的部份像素用插值算法放大到整个画面，从而达到放大目的，由于镜头部分仍处于定焦距状态，而由机器内部的数字电路经过运算将图像按照选定的变焦倍数进行放大，然后选择性地丢弃掉一定的数据从而形成数字变焦，所以，数字变焦是一种有损变焦，图像质量相对于正 常情况下较差，它会使图像产生码赛克现象，降低图像的清晰度，并且变焦的倍数越大，清晰度降低越多。 

简单来说，光学补偿法变焦镜头设计、结构较为简单，但只能在几个焦距处才能保持像面清晰稳定，不能满足连续成清晰像的要求；系统中含有移动组元，需要足够的空间，体积较大。 

机械补偿法变焦镜头用精密凸轮机构使部分组元做非线性运动实现像面补偿，设计、结构复杂，虽然具有良好的成像质量，但通常体积大、结构复杂，且镜头易磨损，使用寿命较低。 

数字变焦技术是一种有损变焦，图像质量相对于正常情况下较差，会降低图像的清晰度，并且变焦的倍数越大，清晰度降低越多。 

传统的光学元件限制了变焦距光学系统的设计方法。在传统的光学变焦系统中，各光学元件的光学参数是固定的，只能靠各个镜组间的相对运动来同时实现焦距的变化和像面的补偿，虽然随着精密加工技术和计算机辅助设计水平的不断提高，机械补偿法变焦镜头的成像质量已得到了极大改善，但其根本原理限制了传统变焦系统向更微型、更简单的方向发展，使其在微小光学系统中的应用中受到限制。 

因此无论哪一种方法，都需要在光路中加入可移动组件。因此，要具有大的变焦能力，就必须有足够的空间，这就使得传统变焦光学系统往往存在体积大、结构复杂，且镜头易磨损，使用寿命较低以及成像质量差的缺点，很难适应目前仪器结构发展的需求。在许多结构、像质要求苛刻的场合，如：智能手机、PDA、内窥镜等，迫切需要一种无移动组件且具变焦能力的可调谐新型光学系统。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种实现无移动镜组变焦距光学系统的方法及该光学系统，其解决了背景技术中体积大、结构复杂，且镜头易磨损，使用寿命较低以及成像质量差的缺点，特别适用于在许多结构、像质要求苛刻的场合。 

本发明的技术解决方案是： 

一种实现无移动镜组变焦距光学系统的方法，其特殊之处在于，该方法包括以下步骤： 

1)按照使用要求确定系统的参数，包括视场角、焦距变化范围、工作距离、系统总长、后截距，依据这些参数首先确定出物距A，透镜间距B，后截距C以及组合系统焦距f’； 

2)以液体变焦透镜为核心元件，进行光学系统选型。根据组合系统焦距随所选光学系统形式中透镜的表面曲率半径变化的敏感程度，确定两片液体变焦透镜的位置；若系统只包含两片液体变焦透镜，则不必进行此步； 

3)根据所需的组合系统焦距f’的变化要求，根据用户实际需要，计算并选择适用的放大率β，并计算与之相对应的第一液体变焦透镜的焦距f₁’与第二液体变焦透镜的焦距f₂’，根据f₁’、f₂’确定两液体变焦透镜的表面曲率半径，完成原始结构设计； 

4)在原始结构设计的基础上，进行像差优化，最终确定两液体变焦透镜的表面曲率半径，并根据表面曲率半径的变化确定气压或液压控制量，实现系统变焦。 

上述液体变焦透镜的表面曲率半径连续可调，其焦距连续可调，实现连续变焦。