光学变焦系统设计

1、变焦系统光学设计变焦系统光学设计 组员：组员：1. 黎文柔黎文柔 2. 丁世涛丁世涛 3. 张兰庆张兰庆 4. 韩平韩平 2021-6-222 变焦系统概述变焦系统概述 变焦系统原理变焦系统原理 变焦系统实例变焦系统实例 2021-6-223 18341834年，英国数学家彼得年，英国数学家彼得. .巴洛提出在伸缩式望远镜中的巴洛提出在伸缩式望远镜中的 目镜组中加上一块负透镜可以改变其放大率，由此开始了目镜组中加上一块负透镜可以改变其放大率，由此开始了 变焦距物镜的研究历史变焦距物镜的研究历史 19021902年美国光学专家年美国光学专家AllenAllen取得了第一个变焦镜头专利。取得了第一

2、个变焦镜头专利。 在两块固定镜片之间加入一块活动镜片，当活动镜片离开在两块固定镜片之间加入一块活动镜片，当活动镜片离开 前镜片时，可使焦距缩短；反之，可使焦距增长。在最短前镜片时，可使焦距缩短；反之，可使焦距增长。在最短 和最长的位置上，焦点位置保持不变。在中间位置处，焦和最长的位置上，焦点位置保持不变。在中间位置处，焦 点存在偏移，当光圈较小时，这样的偏移是可忍受的。点存在偏移，当光圈较小时，这样的偏移是可忍受的。 19321932年，德国光学专家赫尔穆特年，德国光学专家赫尔穆特瑙曼设计了焦距为瑙曼设计了焦距为25-25- 80mm80mm、相对孔径为、相对孔径为F/2.8F/2.8的世界上

3、第一个现代机械补偿变的世界上第一个现代机械补偿变 焦镜头焦镜头 2021-6-224 第二次世界大战前后，变焦距镜头普遍用于电影摄影，但第二次世界大战前后，变焦距镜头普遍用于电影摄影，但 受当时机械加工精度的限制，难以加工出满足机械补偿法受当时机械加工精度的限制，难以加工出满足机械补偿法 精度要求的机械凸轮，因而大多采用光学补偿法，通过同精度要求的机械凸轮，因而大多采用光学补偿法，通过同 步移动两组或两组以上镜片，改变焦距和补偿焦点偏移。步移动两组或两组以上镜片，改变焦距和补偿焦点偏移。 19601960年以后，随着机械加工工艺的改进、凸轮加工精度的年以后，随着机械加工工艺的改进、凸轮加工精度

4、的 提高、光学材料性能的提高、光学冷加工以及镀膜技术的提高、光学材料性能的提高、光学冷加工以及镀膜技术的 发展，机械补偿变焦距镜头得到了很大的发展。发展，机械补偿变焦距镜头得到了很大的发展。 19711971年，首次将双组联动变焦方式用于电视变焦镜头，它年，首次将双组联动变焦方式用于电视变焦镜头，它 可看作是机械补偿和光学补偿的结合，具有变焦运动移动可看作是机械补偿和光学补偿的结合，具有变焦运动移动 量小、接近线性、凸轮曲线平缓等优点。量小、接近线性、凸轮曲线平缓等优点。 2021-6-225 变焦系统变焦系统： 是指焦距在一定范围内连续改变而像面位置是指焦距在一定范围内连续改变而像面位置 保

5、持保持 不变的光学系统不变的光学系统 变焦的目的变焦的目的： 连续改变系统的放大率，像面景物的大小连续可连续改变系统的放大率，像面景物的大小连续可 变变 变焦的应用：变焦的应用： 变焦距光学系统被广泛的应用于宇宙空间探索事变焦距光学系统被广泛的应用于宇宙空间探索事 业、科研、生产、教育、国防、天文、航天、工业生产、业、科研、生产、教育、国防、天文、航天、工业生产、 医疗卫生、日常生活等各个方面医疗卫生、日常生活等各个方面 。 2021-6-226 变焦系统原理 1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析 透镜成像示意图 2021-6-227 变焦系统原理 光学系统的横向放大倍率： f x 1.

6、 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析 一般物方和像方媒质都是空气，即 则：ff f x a焦距固定不变时，要想在画面上得到不同倍率的 像，只 有改变物距，这就是平常使用定焦镜头时的作法； b改变焦距，同样可以实现变倍。 2021-6-228 变焦系统原理 共轭距 1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析 ( )()Gllxfxf （假设 ）ff 2 ( )fxx 根据 fx xf 得到 1 (2)Gf 2021-6-229 变焦系统原理 1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析 1. 变倍过程中，一般来说像面不稳定，像面位置要发 生变化。 2.满足物像交换原则时，像面是稳定的。 2021

7、-6-2210 变焦系统原理 1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析 模拟定焦系统共轭距随横向放大率变化 2021-6-2211 变焦系统原理 定焦系统的缺点： 1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍是有很大的局限性的， 像面位置不稳定，使用上不方便 2. 有些自然环境也不允许物距作大的调整。例如在野外 拍摄，想要拍摄的对像位于大河对岸时，就无法依靠 改变物距来达到变倍的目的。 1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析 2021-6-2212 变焦系统原理 2.变焦原理 1212 d 系统的焦距变化有下式给出 d1 2 是两透镜之间的间隔 分别是两块透镜的光焦度。 是合成光焦度。 若： 0 0

8、 增大。则 增大 1 f d 2 若： 0 增加 减小 fd 1 2 2 1 2021-6-2213 变焦系统原理 物像交换原则特点： 变焦系统的任何运动组份每时每刻都有两个物像交换位置， 对每个运动组份都存在孪生的两条补偿曲线 组份在此两个物像交换位置上的倍率互为倒数 变焦比 即 组份在这一对物像交换位置上共扼距不变 2 1 1 2 1 2021-6-2214 变焦系统原理 2.变焦原理 变焦系统变倍组、补偿组移动示意图 2021-6-2215 变焦系统原理 变焦系统的补偿方法 对定焦系统的分析我们可以知道移动透镜改变焦距时， 会伴随有像面的移动，需要补偿像面的移动。根据补偿方 式的不同，变

9、焦距光学系统可分为： 光学补偿 机械补偿 双组联动补偿 2021-6-2216 变焦系统原理 变焦系统的补偿方法 3.1光学补偿变 光学补偿变焦系统是指利用一组或两组透镜的线性移动达 到变倍目的，而又能保证像面变动不大的系统，二组元系 统、三组元系统、四组元系统等 二元组三元组 2021-6-2217 变焦系统原理 变焦系统的补偿方法 3.1光学补偿 四元组二元组补偿点 三元组补偿点四元组补偿点 2021-6-2218 变焦系统原理 3.变焦系统的补偿方法 3.2机械补偿 机械补偿变焦系统是指像面位移补偿组作不等速运动的 系统。在变焦过程中像面稳定，且成像质量良好，根据补偿 组焦距的正负，机械

10、补偿变焦系统可分为正组机械补偿变焦 系统和负组机械补偿变焦系统。 正组补偿变焦系统即补偿组的光焦度为正的系统，需要保 证以使各组份间有足够的间隔，避免相碰。 负组补偿变焦系统即补偿组的光焦度为负的系统。其运动 方式与正组补偿有较大的区别 2021-6-2219 变焦系统原理 3.变焦系统的补偿方法 3.2机械补偿 正组补偿结构示意图 2021-6-2220 变焦系统原理 3.变焦系统的补偿方法 3.2机械补偿 负组补偿结构示意图 2021-6-2221 变焦系统原理 3.变焦系统的补偿方法 3.3双组联动变焦系统 双组联动变焦系统兼有光学补偿系统和机械补偿系统的特 点，在光学补偿系统两线性运动

11、组元之间，采用一组按照一 定轨迹运动的透镜来补偿像面位移，在整个变焦过程中具有 好的成像质量。 双组联动系统结构示意图 2021-6-2222 变焦系统原理 3.变焦系统的补偿方法 三种变焦系统的比较 2021-6-2223 变焦系统原理 3.变焦系统的补偿方法 光学补偿系统长度较长，只在几个位置处像面完全稳定， 通常适用于小孔径小视场且变焦倍率不大的变焦系统，不 适用于大相对孔径系统。 机械补偿系统的像质稳定性高，运动机构简单，系统尺寸 介于光学补偿和双组联动系统之间，是目前常用的变焦结 构。采用正组机械补偿时，长度较长，透镜口径较小，前 固定组焦距较长，二级光谱较小。采用负组机械补偿时，

12、长度较短，但口径较大，前固定组焦距较短，二级光谱较 大。 双组联动系统结构紧凑，且整个变焦过程中成像质量好， 但其前固定组焦距较小，会带来严重的二级光谱，另外， 机械结构复杂。 2021-6-2224 变焦系统实例 EFL POS 1 POS 2 POS 3 POS4 0.5912 1.2738 2.7442 5.9086（in） W 28 13.9 6.5 3 10 变焦比 2021-6-2225 2021-6-2226 2021-6-2227 2021-6-2228 2021-6-2229 2021-6-2230 2021-6-2231 变焦系统实例 2021-6-2232 变焦系统实例 2021-6-2233 变焦系统实例 2021-6-2234 变焦系统实例 0.29e-2 0.453e-2 2021-6-2235 22:33:58 01-Nov-10 New lens from CVMACR O:cvnewlens.seq RAY ABERRATIONS (INCHES) 656.2725 NM 587.5618 NM 486.1327 NM POSITION1 -0.00488 0.00488 -0.0048