高速可变焦域透镜组件及相关方法技术

可变焦距光学组件可以包括可变形入射透镜元件、可变形第一反射元件和可变形第二反射元件。使用耦接到可变形元件的控制器，将诸如机械、电、机电或电磁力的外力施加到可变形元件以提供任何数量的不同焦距。由于可变形元件的变形以及因此焦距的变化发生得比回放帧速率快得多，所以每个包含在不同焦距处获得的图像的多个子帧与每个回放帧相关联。以子帧的形式的多个图像的可用性允许用于包括在最终回放帧序列中的最佳图像的选择。以在不同焦距处的子帧的形式的多个图像的可用性还允许放大和缩小效果的无缝结合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开总体上涉及光学装置。更具体地，本公开涉及具有可变焦距的光学装置及其操作方法。
技术介绍
透镜的焦距是透镜聚光或散光有多强的量度。实际上，对于空气中的光学系统，焦距表示最初准直的光线到达焦点或聚焦点所经过的距离。在传统的复合透镜中，诸如与静止或电影图像捕获装置结合使用的那些，单个透镜元件被布置在桶形壳体内。在其中透镜元件在壳体内的固定位置处，透镜通常提供固定焦距透镜(例如，50mm、135mm、500mm、800mm)。在其中透镜元件可相对于彼此移动(例如通过物理地延长或缩短壳体的长度)的情况下，透镜通常提供可变焦距或“缩放”透镜(例如，35-80mm、50-135mm、200-500mm)。随着透镜焦距增加，透镜的尺寸和重量也趋于增加。景深是在图像中看起来可接受地锐利或聚焦的场景中最近和最远的对象之间的距离。在其他因素诸如保持恒定的曝光设置下，景深和焦距具有相反的关系-通常焦距越短，景深越大，而焦距越大，景深越短。在摄影和电影摄影中，景深可以被用作艺术元素以优先将观看者的注意力集中在图像的所期区域上。例如，演员脸部可以位于透镜的景深内，而离焦背景元素落在景深之外。
技术实现思路
使用透镜元件和反射元件的组合的透镜减小了与仅使用透镜元件形成的传统透镜相关联的整体尺寸和重量。这种反射透镜提供了相对紧凑、相对轻便、小形状因数透镜，其通常具有可以超过1000mm的极长焦距。反射器透镜中的典型布置包括入射透镜(entrylens)以及将入射光的至少一部分在第二反射元件上反射的第一反射元件。从第二元件反射的光的至少一部分在通常位于胶片平面(用于传统胶片摄影或电影摄影)或图像传感器(用于数字摄影或电影摄影)上的点(即，透镜的聚焦点)处聚焦。根据本公开的一个方面，可变形或可适应的透镜元件和/或可变形或可适应的反射元件可以被集成到透镜中以提供具有可变焦距的透镜。使用可变形或可适应的透镜元件和/或可变形或可适应的反射元件，具有可变焦距(例如，小于6mm至超过2,000mm)的单个透镜的构造是可能的。这种透镜可以通过将至少可变形或可适应的入射透镜元件与多个可变形或可适应的反射元件进行组合而构成。根据本公开的另一方面，当受到外部施加的力时，可变形透镜元件和可变形反射元件的光学特性和/或物理几何形状改变。这种外力可以是以机械力、电流、机电力或电磁场的形式。具体地，一类可变形透镜元件和可变形反射元件响应于在特定频率处或特定频带内暴露于电磁能而经历变形。可变形透镜元件和/或可变形反射元件的物理变形的一个或多个方面(位移幅度、位置、持续时间等)可以通过控制或调整相应元件所暴露于的电磁能的参数来控制或调整。这种可变形透镜元件和/或可变形反射元件的响应可以是数百或甚至数千赫兹(例如100Hz至10,000Hz)。将这种可变形透镜元件和可变形反射元件结合到反射器透镜中导致透镜基于被用于激发可变形透镜元件和/或可变形反射元件的电磁能参数而具有可变焦距。有利地，结合这种可变形元件的反射器透镜的焦距可以以接近反射元件变形的速率(即，每秒数百或甚至数千次)的速率变化或改变。根据本公开的另一方面，当可变焦距光学组件被耦接到能够每秒捕获数千个图像或帧的图像采集装置时，创建了能够针对运动画面的每个回放帧生成其中每个在已知的、不同的焦距处的多个图像或子帧的系统。作为一个示例，针对每秒24至48帧的运动画面的每个回放帧的多个图像/子帧的可用性有利地向编辑者和导演提供了使用单个高速摄像机拍摄一次场景的有利能力并且此后选择具有最大艺术价值的特定图像或子帧。作为另一示例，针对每秒1至30帧的监视视频的每个回放帧的多个图像/子帧的可用性有利地向系统操作者和执法者提供了选择具有提供嫌疑人、车辆或车牌的清晰图像的焦距的图像的有利能力。为了提供一个示例，将运动画面的回放帧速率或第一帧速率(例如，48fps)与配备有可变形反射元件的反射透镜的响应时间(例如，1000赫兹)进行比较，可以以48fps第一帧速率在多达20个不同的焦距处顺序地捕获图像。这样导致20个图像或子帧的捕获，每个位于针对回放帧的每个相应一个在不同焦距处。这种灵活性与使20个不同固定焦距的常规(即，胶片)电影摄像机以每秒48帧同时捕获场景相当。在后期制作期间由这样的种类繁多的图像/子帧的可用性呈现的艺术灵活性提供了巨大的益处。这种灵活性允许电影摄制组使用单个高速摄像机来拍摄场景，该高速摄像机能够同时捕获其中每个在不同焦距处的20个或更多个48fps的运动画面，而不需要多个拍摄或使用其中每个具有不同焦距的透镜的20个不同的摄像机来拍摄。因此，代替使用不同的、固定焦距透镜多次拍摄场景或使用具有不同的、固定焦距透镜的多个摄像机来拍摄场景，可以使用配备有可变焦距光学组件的单个高速摄像机以单次拍摄有利地捕获场景，以提供从其中选择的宽范围的图像焦距。由于景深与透镜的焦距成反比，所以改变焦距的能力提供了使出现在场景中的对象聚焦(即，将物体带入景深中)或使出现在场景中的对象失焦(即，从景深中移除对象)的能力。这种能力例如在其中多个景深处获取的图像的可用性可以允许出现在场景中的个人或许可证号码的清楚识别的监视应用中是特别有用的。除了提供选择最期望的固定焦距子帧图像的选项之外，其他效果也是可能的。例如，可以通过针对顺序回放帧或以顺序回放帧间隔选择具有不同焦距的图像/子帧来实现放大或缩小效果。因此，针对顺序回放帧或以顺序回放帧间隔选择以逐渐减小的焦距(例如，使用10mm焦距变化的500mm至50mm)获取的不同图像/子帧可以产生“缩小”效果。相反，针对顺序回放帧或以顺序回放帧间隔选择以逐渐增加的焦距(例如，使用10mm焦距变化的50mm至500mm)获取的不同图像/子帧可以产生“放大”效果。针对具有内置取景器的电影摄影装置，装置操作者可以设置有可选取景器，其提供了对应于特定图像焦距/子帧/时隙的图像。在一些情况下，可以远程控制这种可选取景器，例如使用射频或红外遥控装置。根据本公开的其他方面，可变焦距光学组件提供延伸超过或利用焦距的快速和动态变化的益处或操作。作为一个示例，可变焦距光学组件可以有利地辅助执行高速自动对焦例程。作为另一个示例，可变焦距光学组件可以提供由光学系统的其他部件引入的失真(例如，由母透镜组件引入的桶形失真)的特定情况减少。因此，可变焦距光学组件可以根据各种不同焦距使入射光成形。此外，即使在不需要快速切换焦距的应用中，可变焦距光学组件也提供容易地和可靠地控制捕获到的图像的焦距而不损失图像质量的能力。可变焦距光学组件可以被概括为包括：壳体，其具有第一端和第二开口端；第一可变形反射元件，其被安装到所述壳体；至少第二可变形反射元件，其被安装到所述壳体，光路经由所述第一可变形反射元件和所述第二可变形反射元件在所述壳体的第一端和第二端之间延伸；以及致动器集合，其可操作以选择性地使所述第一可变形反射元件和所述第二可变形反射元件电磁地变形，以选择性地改变所述可变焦光学组件的焦距。所述致动器集合可以包括：至少第一致动器，其可操作以选择性地使所述第一可变形反射元件电磁地变形；以及至少第二致动器，其可操作以选择性地使所述第二电磁可变形反射元件电磁地变形。所述光路可以包括：所述壳体的第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可变焦距光学组件，包括：壳体，其具有第一端和第二开口端；第一可变形反射元件，其被安装到所述壳体；至少第二可变形反射元件，其被安装到所述壳体，其中光路经由所述第一可变形反射元件和所述第二可变形反射元件在所述壳体的第一端和第二端之间延伸；以及致动器集合，其可操作以选择性地使所述第一可变形反射元件和所述第二可变形反射元件电磁地变形，以选择性地改变所述可变焦光学组件的焦距。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.05.20 US 62/000,865;2015.05.18 US 14/715,2021.一种可变焦距光学组件，包括：壳体，其具有第一端和第二开口端；第一可变形反射元件，其被安装到所述壳体；至少第二可变形反射元件，其被安装到所述壳体，其中光路经由所述第一可变形反射元件和所述第二可变形反射元件在所述壳体的第一端和第二端之间延伸；以及致动器集合，其可操作以选择性地使所述第一可变形反射元件和所述第二可变形反射元件电磁地变形，以选择性地改变所述可变焦光学组件的焦距。2.根据权利要求1所述的可变焦距光学组件，其中，所述致动器集合包括：至少第一致动器，其可操作以选择性地使所述第一可变形反射元件电磁地变形；以及至少第二致动器，其可操作以选择性地使所述第二电磁可变形反射元件电磁地变形。3.根据权利要求1所述的可变焦距光学组件，其中，所述光路包括：所述壳体的第一端，光经由所述所述壳体的第一端从所述壳体的外部进入；所述第一可变形反射元件，光从所述第一可变形反射元件朝向所述第二可变形反射元件反射；所述第二可变形反射元件，光从所述第二可变形反射元件反射；以及所述壳体的第二端，反射光从所述壳体的第二端被聚焦在限定的焦平面处。4.根据权利要求1所述的可变焦距光学组件，其中，所述第一可变形反射元件和所述第二可变形反射元件每个以至少500Hz的速率变形。5.根据权利要求1所述的可变焦距光学组件，其中，所述可变焦距光学组件被光耦合从而以每秒第一帧数来捕获图像，并且所述第一可变形反射元件或所述第二可变形反射元件中的至少一个是以高于所述每秒第一帧数的速率可变形的。6.根据权利要求1所述的可变焦距光学组件，其中，所述可变焦距光学组件被光耦合从而以第一速率来捕获图像帧，并且所述第一可变形反射元件和所述第二可变形反射元件是以至少是所述第一速率两倍的第二速率可变形的。7.根据权利要求1所述的可变焦距光学组件，其中，所述壳体是桶形壳体，所述第一可变形反射元件包括具有穿过其而布置的孔径的凹形可变形反射元件，并且所述第二可变形反射元件包括凸形可变形反射元件。8.根据权利要求7所述的可变焦距光学组件，其中，所述桶形壳体具有纵向轴线，所述凹形可变形反射元件的孔径与所述桶形壳体的纵向轴线同轴对准，并且所述凸形可变形反射元件与所述凹形可变形元件的孔径同轴对准。9.根据权利要求1所述的可变焦距光学组件，还包括：可变形入射透镜，其在所述壳体的第一端处被安装到所述壳体，所述致动器集合中的至少一个可操作以选择性地使所述可变形入射透镜电磁地变形，以选择性地改变所述可变焦光学组件的焦距。10.根据权利要求3所述的可变焦距光学组件，其中，所述第一可变形反射元件以225度角朝向所述第二可变形反射元件反射进入了所述壳体的第一端的光，并且所述第二可变形反射元件以225度角朝向所述壳体的第二端反射从所述第一可变形反射元件反射的光。11.根据权利要求3所述的可变焦距光学组件，其中，所述第一可变形反射元件以90度角朝向所述第二可变形反射元件反射进入了所述壳体的第一端的光，并且所述第二可变形反射元件以90度角朝向所述壳体的第二端反射从所述第一可变形反射元件反射的光。12.根据权利要求1所述的可变焦距光学组件，还包括：第一折叠反射元件，其被安装到所述壳体；以及第二折叠反射元件，其被安装到所述壳体；其中，所述光路从所述第一可变形反射元件延伸到所述第一折叠反射元件，从所述第一折叠反射元件延伸到所述第二折叠反射元件，并且从所述第二折叠反射元件延伸到所述第二可变形反射元件。13.根据权利要求12所述的可变焦距光学组件，其中，所述第一可变形反射元件以225度角朝向所述第一折叠反射元件反射已从所述壳体的外部进入所述壳体的第一端的光，所述第一折叠反射元件以225度角朝向所述第二折叠反射镜反射由所述第一可变形元件反射的光，所述第二折叠反射元件以225度角朝向所述第二可变形反射元件反射由所述第一折叠反射元件反射的光，并且所述第二可变形反射元件以225度角朝向所述壳体的第二端反射从所述第二折叠反射元件反射的光。14.根据权利要求12所述的可变焦距光学组件，其中，所述第一可变形反射元件以90度角朝向所述第一折叠反射元件反射已从所述壳体的外部进入所述壳体的第一端的光，所述第一折叠反射元件以90度角朝向所述第二折叠反射镜反射由所述第一可变形元件反射的光，所述第二折叠反射元件以90度角朝向所述第二可变形反射元件反射由所述第一折叠反射元件反射的光，并且所述第二可变形反射元件以90度角朝向所述壳体的第二端反射从所述第二折叠反射元件反射的光。15.根据权利要求1所述的可变焦距光学组件，还包括：第一光学隔离器，其具有第一选择性反射元件；以及第二光学隔离器，其具有第二选择性反射元件；其中，所述光路从所述第一可变形反射元件延伸到所述第一隔离器，从所述第一隔离器延伸到所述第二可变形反射元件，并且从所述第二可变形反射元件延伸到所述第二隔离器。16.根据权利要求15所述的可变焦距光学组件，其中，所述第一可变形反射元件以180度角朝向所述第一选择性反射元件反射已从所述壳体的外部进入所述壳体的第一端并且穿过所述第一选择性反射元件的光，所述第一选择性反射元件以90度角朝向所述第二选择性反射元件并朝向所述第二可变形反射元件反射已由所述第一可变形反射元件反射的光，所述第二可变形反射元件以180度角朝向所述第二选择性反射元件反射已由所述第一选择性反射元件反射并穿过所述第二选择性反射元件的光，并且所述第二选择性反射元件以90度角朝向所述壳体的第二端反射已由所述第二可变形元件反射的光。17.根据权利要求1所述的可变焦距光学组件，还包括：第一光学隔离器，其具有第一选择性反射元件；第二光学隔离器，其具有第二选择性反射元件；第一折叠反射元件，其被安装到所述壳体；以及第二折叠反射元件，其被安装到所述壳体，其中，所述光路从所述第一可变形反射元件延伸到所述第一选择性反射元件，从所述第一选择性反射元件延伸到所述第一折叠反射元件，从所述第一折叠反射元件延伸到所述第二折叠反射元件，从所述第二折叠反射元件通过所述第二选择性反射元件延伸到所述第二可变形反射元件，并且从所述第二可变形反射元件延伸到所述第二选择性反射元件。18.根据权利要求17所述的可变焦距光学组件，其中，所述第一可变形反射元件以180度角朝向所述第一可变形反射元件反射已从所述壳体的外部进入所述壳体的第一端并且穿过所述第一选择性反射元件的光，所述第一选择性反射元件以90度角朝向所述第一折叠反射元件反射已由所述第一可变形反射元件反射的光，所述第一折叠反射元件以90度角朝向所述第二折叠反射元件反射已由所述第一选择性反射元件反射的光，所述第二折叠反射元件以90度角朝向所述第二选择性反射元件并且朝向所述第二可变形反射元件反射已由所述第一折叠反射元件反射的光，所述第二可变形反射元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃里克·桑福德，
申请(专利权)人：赛科光学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US