大孔径长变焦镜头的设计(李林+变焦程序)

分类号密级UDC大孔径长变焦镜头的设计董春艳导师姓名(职称)李林（教授）答辩委员会主席安连生申请学科门类工学论文答辩日期2007.07.05申请学位专业测试计量技术及仪器2007年06月28日大孔径长变焦镜头的设计北京理工大学研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：日期：导师签名：日期：摘要近年来，随着计算机技术的飞速发展和变焦距镜头光学设计理论的不断完善以及加工工艺的成熟，变焦距光学系统的种类日益丰富，成像质量逐渐提高，可与定焦系统相媲美，因此广泛的应用到各种工作领域中。这种情况下，研究变焦距镜头的设计无疑具有重要的意义。本论文首先对变焦距镜头系统的发展历史进行了回顾，介绍了变焦距镜头的结构型式，变焦方法等的发展过程；第二章分析了变焦距镜头的高斯光学，总结出了变焦距镜头的高斯光学基本表达式，分别对机械补偿法、全动型变焦距镜头的高斯光学建立了数学模型，并对系统各组元的运动情况做了详细的分析，另外还讨论了关于变焦距镜头小型化的一些问题；第三章主要介绍了编制的机械补偿和全动型变焦距镜头计算机辅助设计软件，并利用实例进行了计算分析，在第四章中，利用所得结果，尝试设计了两种不同用途的变焦距镜头，像质良好，达到使用要求，结果表明软件功能基本达到预期目的，同时验证了前面推导的理论公式的正确性。关键词：变焦距镜头；高斯光学；凸轮曲线IABSTRACTInrecentyears,withtherapiddevelopmentofcomputertechnology,thetheoryandtechnologyofzoomlens,thequalityofitbecomebetterandthecategoryofitbecomemore.Itispopularinmanyareas.Underthissituation,theresearchofzoomlensdesignissignificant.Atthebeginningofthedissertation,thehistoryofzoomlenshasbeenreviewed.Readerscanlearnofthedevelopmentofsystem’sstructureandthezoommethod.Inthesecondchapter,mathematicformulasofGaussianopticsinzoomlensaregeneralizedandthemathematicmodelsofmechanicallycompensatedzoomlensandzoomlenswithalllensesmovableareestablished.Meantime,movementsituationofeveryelementisdiscussed.Inthelastsectionofthischapterthewaystominiaturizezoomlensareintroduced.Thethirdchaptermainlyintroducestheprogramforthedesignofmechanicallycompensatedzoomsystemandzoomlenssystemwithalllensmovable,andexamplesarecalculatedbythissoftware.Theresultsareusedintheforthchaptertodesigntwozoomlensusingindifferentfield.Keywords:ZoomLens,GaussianOptics,CamCurveII目录摘要...........................................................................................................IABSTRACT............................................................................................II第一章综述..........................................................................................11.1变焦距镜头的发展历史[15].................................................................11.2变焦距镜头的发展趋势......................................................................7第二章变焦距镜头的基本理论..........................................................82.1变焦距镜头的分类及其特点..............................................................82.1.1机械补偿型变焦系统...................................................................................82.1.2光学补偿型变焦系统.................................................................................102.1.3全动型变焦系统.........................................................................................112.2变焦距镜头高斯光学基本表达式....................................................122.2.1机械补偿型变焦系统高斯光学.................................................................132.2.2机械补偿型变焦系统各组元运动的分析.................................................182.2.3全动型变焦系统高斯光学.........................................................................272.2.4关于变焦距镜头小型化的讨论.................................................................34第三章变焦距镜头高斯光学参数求解程序.....................................363.1机械补偿法高斯光学参数求解程序................................................363.1.1基本公式.....................................................................................................363.1.2输入参数.....................................................................................................413.1.3输出参数.....................................................................................................423.1.4设计实例.....................................................................................................433.2全动型变焦距系统高斯光学参数求解程序.................................473.2.1基本公式：.................................................................................................473.2.2初始参数的输入.........................................................................................503.2.3输出参数.....................................................................................................51I第四章变焦距镜头设计实例............................................................534.1物距无限远的大孔径长变焦镜头的设计........................................534.2物距有限远的变焦距镜头（体视变倍显微镜）的设计...............56第五章总结与展望............................................................................59致谢................................................................................................61参考文献................................................................................................62II北京理工大学硕士学位论文第一章综述变焦距镜头是焦距可在一定范围内连续改变而保持像面不动的光学系统[1]。它能在拍摄点不变的情况下获得不同比例的像，因此它在新闻采访，影片摄制和电视转播等场合，使用特别方便。在空间光学领域中，为了实现对地面目标更好的观察，需要进一步提高相机的地面分辨率和地面覆盖范围。相机的地面分辨率的大小与光学系统的角分辨率大小和卫星高度有关。由于卫星的高度是一定的，增大相机光学系统的角分辨率能够有效地提高地面分辨率。光学系统的入射光瞳的直径越大，角分辨率越高。在保持相对孔径一定的条件下，增大焦距就能相应地增大入瞳直径，从而提高地面分辨率。另一方面，相机的相对孔径与相机的分辨力和曝光量有关，相对孔径越大，镜头的分辨力越高，同时像面照度也越大，曝光时间可以缩短，可降低对像移补偿系统的要求。因此，长焦距、大孔径的变焦镜头的设计在空间光