光学变焦系统设计

变焦系统光学设计组员：1.黎文柔2.丁世涛3.张兰庆4.韩平2020/2/142•变焦系统概述•变焦系统原理•变焦系统实例2020/2/143变焦系统概述1834年，英国数学家彼得.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，由此开始了变焦距物镜的研究历史1902年美国光学专家Allen取得了第一个变焦镜头专利。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，焦点存在偏移，当光圈较小时，这样的偏移是可忍受的。1932年，德国光学专家赫尔穆特·瑙曼设计了焦距为25-80mm、相对孔径为F/2.8的世界上第一个现代机械补偿变焦镜头2020/2/144光学变焦系统概述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。1960年以后，随着机械加工工艺的改进、凸轮加工精度的提高、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。1971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，具有变焦运动移动量小、接近线性、凸轮曲线平缓等优点。2020/2/145变焦光学系统概述变焦系统：是指焦距在一定范围内连续改变而像面位置保持不变的光学系统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变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。2020/2/146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2020/2/147变焦系统原理光学系统的横向放大倍率β：fx1.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'fx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。2020/2/148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'''fxxf得到1'(2)Gf2020/2/149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。2020/2/1410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2020/2/1411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2020/2/1412变焦系统原理2.变焦原理1212d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：00增大。则增大1fd2若：00且增加减小fd12212020/2/1413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211212020/2/1414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2020/2/1415变焦系统原理3.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，变焦距光学系统可分为：光学补偿机械补偿双组联动补偿2020/2/1416变焦系统原理3.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2020/2/1417变焦系统原理3.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2020/2/1418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2020/2/1419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2020/2/1420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2020/2/1421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2020/2/1422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2020/2/1423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，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。2020/2/1424变焦系统实例EFLPOS1POS2POS3POS40.59121.27382.74425.9086（in）W28°13.9°6.5°3°10变焦比2020/2/14252020/2/14262020/2/14272020/2/14282020/2/14292020/2/14302020/2/1431变焦系统实例2020/2/1432变焦系统实例2020/2/1433变焦系统实例2020/2/1434变焦系统实例0.29e-20.453e-22020/2/143522:33:5801-Nov-10NewlensfromCVMACRO:cvnewlens.seqRAYABERRATIONS(INCHES)656.2725NM587.5618NM486.1327NMPOSITION1-0.004880.00488-0.004880.004880.00RELATIVEFIELDHEIGHT(0.000)O-0.004880.00488-0.004880.00488TANGENTIAL1.00RELATIVESAGITTALFIELDHEIGHT(28.00)O2020/2/14362020/2/14372020/2/14382020/2/14392020/2/1440谢谢