一种微型变焦系统的设计

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微型无人机变焦摄像机设计

计的快速变倍同步聚焦摄像机的性能达到了空中侦察要求。
关键词：微型无人机；变焦摄像机；变倍同步聚焦镜头；步进电机驱动
中图分类号：ＴＮ９４７
文献标识码：Ａ
ＤＯＩ：１０．１９３５８／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４．７７２０．２０１６．０９．０２８
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆａｅｒｉａｌｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｉＵＡＶ；ｚｏｏｍｃａｍｅｒａ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｆｏｃｕｓｚｏｏｍｌｅｎｓ；ｓｔｅｐｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｒ
０引言
其中，“为物距，为像距，，为焦距。与焦距相比，物
规技术的变焦摄像机，因ＤＳＰ芯片运用聚焦算法致使响法，使相应的补偿组元进行微小的移动，找到一个像面达
应速度慢、图像高频分量捕获不准确，出现摄像机变焦时到最清晰时的点位。相对于焦平面，所有镜片组元的点位
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｒｂｏｒｎｅｃａｍｅｒａｉｓｔｈｅｋｅｙｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｔｈｅｔａｃｔｉｃａｌｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅｏｆｍｉｎｉ—ＵＡＶＴｈｉｓｐａｐｅｒｂｒｅａｋｓｔｈｒｏｕｇｈｔｒａｄｉｔｉ０ｎ．．
ａｌｗａｙｆｏｒＤＳＰｆｏｃｕｓｅｄｏｒｆｉｘｅｄｆｏｃｕｓｏｆａｉｒｂｏｒｎｅｃａｍｅｒａｓ．Ｉｎｃｅｒｔａｉｎａｌｔｉｔｕｄｅｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｆｏｃｕｓｚｏｏｍａｎｄｓｔｅｐｆｉｔｔｉｎｇｗａｓ，

5倍变焦距光学系统小型化设计

ｕｓｉｎｇｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｃｏｍｍｏｎｏｐｔｉｃａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ａｔｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｏｎｇｆｏｃａｌｌｅｎｔｈ，ｃｇｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌｄｅｉｇｎｏｆ
为远摄型，使得系统结构紧凑，满足导引头小型化的要求。利用ＣＯＤＥＶ光学设计软件，优化设计了焦距为３０～
１５０Ｉｎｎ，视场角为１２．９０。Ｘ１０．２５。～２．５９。× ２．０７。，筒长仅为１７４ｍｍ的变焦距光学系统，得到成像质量优良的设计结
，
ｔｕｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｚｏｏｍｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔａｒｇｅｔｓａｒｅｓｅａｒｃｈｅｄａｎｄｉｄｅｎｔｉｉｅｆｄａｔｓｈｏｒｔｆｏｃａｌｌｅｎｇｔｈ，ｗｉｄｅｉｅｆｌｄ，ａｎｄｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄａｔｌｏｎｇｆｏｃａｌｌｅｎｇｔｈ，ｎａｒｒｏｗｉｅｆｌｄ．Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄ
Ｍｉｎｉａｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆ５Ｘｚｏｏｍｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ

变焦光学系统课程设计

变焦光学系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解变焦光学系统的基础理论，掌握变焦透镜的构造和原理。

2. 学生能够描述变焦光学系统在不同焦距下的成像特点及其应用。

3. 学生能够运用数学公式计算变焦光学系统中的焦距、放大率等基本参数。

技能目标：1. 学生通过实验操作，掌握变焦透镜的调节方法和技巧。

2. 学生能够运用所学知识分析和解决实际光学问题，如简单的相机调焦问题。

3. 学生能够设计简单的变焦光学系统，并进行模拟或实际搭建。

情感态度价值观目标：1. 学生培养对光学科技的兴趣，激发探索光学未知领域的热情。

2. 学生通过小组合作学习，培养团队协作精神和沟通能力。

3. 学生通过光学知识的学习，增强对科学方法的认识，形成严谨的科学态度。

课程性质：本课程为理科学科，以理论讲授和实验操作相结合的方式进行，注重培养学生的理论知识和实践技能。

学生特点：考虑到学生处于高年级，已具备一定的物理和数学基础，能够理解较为抽象的光学概念，并具有一定的实验操作能力。

教学要求：要求教师能够清晰讲解光学理论，通过实例分析和实验操作，使学生能够将理论与实践相结合，达到学以致用的教学目的。

同时，注重学生的参与和思考，引导他们主动探索光学知识。

通过具体的学习成果分解，为教学设计和评估提供明确依据。

二、教学内容本节教学内容紧密围绕课程目标，结合课本第四章“变焦光学系统”展开。

1. 理论部分：- 变焦光学系统概述：介绍变焦光学系统的基本概念、发展历程及应用领域。

- 变焦透镜原理：讲解变焦透镜的构造、工作原理及其数学描述。

- 成像特性：分析在不同焦距下，变焦光学系统的成像特点及其影响。

2. 实践部分：- 变焦透镜调节方法：指导学生掌握变焦透镜的调节技巧，学会在不同焦距下观察成像特点。

- 实验操作：设计实验，让学生亲自动手搭建简单的变焦光学系统，观察成像过程。

3. 教学大纲：- 第一课时：介绍变焦光学系统概述，讲解变焦透镜原理。

- 第二课时：分析成像特性，演示变焦透镜调节方法。

适用于无人机小型吊舱的变焦控制系统设计

（ａ．ＳｔａｔｅＫｅｙＬＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｅａｓｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ；ｂ．ＭＯＥＭＳＥｄｕｃａｔｉｏｎＭｉｎｉｓｔｒｙ
第４０卷第ｌ期
２０１３年１月
光电工程
Ｏｐｔｏ — ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
、，ｏ１．４０．ＮＯ．１
Ｊａｎ．２０１３
文章编号：１００３ — ５０１Ｘ（２０１３）０１ — ０１３９ — ０６
ｌｅｎｇｔｈｏｆｓｙｓｔｅｍａｒｅｃａｌｉｂｒａｔｅｄｂｙｏｆ－ｌｉｎｅｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｅｎｅｎｇｒａｄｆｕｎｃｔｉｏｎ，Ｂｒｅｎｎｅｒｕｎｆｃｔｉｏｎａｎｄｓｑｕｒｅａｇｒａｄｉｅｎｔｕｎｆｃｔｉｏｎ
适用于无人机小型吊舱的变焦控制系统设计
王向军，王敏
（天津大学ａ．精密测试技术及仪器国家重点实验室；ｂ．微光机电系统技术教育部重点实验室，天津３０００７２）
摘要：随着无人机光电吊舱向小型化发展，对其变焦系统提出小型化、快速化的要求。本文设计了一种小型分段变焦系统。利用步进电机和透过型光遮断传感器构成调焦组件，设计了系统硬件电路和调焦算法，实现了光学镜

一种微型变焦系统的设计

的接收器是贫点阵ＣＤ，像差要求相对较低；Ｃ其因此，尝试固定或删除机械补偿式系统的补偿组透镜，通过合理地优化改进，使得像面的微位移小于焦深，从而达到既结构简单，能实现在两个视场连续清又
值在不同方向上是不同的；以，所可改变镜面曲率来
偿组，是一个微型化的、可连续清晰成像的变焦系统。
１原理分析
变焦距光学系统原理是根据 “ 像交换原则 ” 物，使焦距在一定范围内连续改变时，像面基本保持其不动。虽然传统的变焦理论已比较成熟，它并不但是可以通用于所有变焦系统的设计，而且传统理论
线对／ｍ，ｍ变焦范围：全视场为６一１。像面尺寸：。７，
３ｍｍ×３ｍ物镜结构：４片，ｍ， ≤ 靠其中一片移动
实现变焦。
２２选择初始模型．由于本项设计的要求比较特殊，需要只有一片透镜移动的变焦镜头，且尺寸很小，既不属于机械补它
位置也会随之变化；因此，在变焦组透镜移动的过程
中，必须有其他的透镜组作像差补偿，以保证在所有变焦位置连续清晰成像。正因如此，目前的变焦系统都较为复杂，透镜数目多，度和体积也较大。然长而，有些特殊领域，需要产品简单化、型化，至微小甚
维普资讯
第７卷第１０期２００７年５月１７ —８９２０）１－３３０６１１１（０７００２４－４

变焦系统设计的小型化

２ＳａＸｏｍｌｎｖｒｔ，ｉｅ４６３Ｃｉａ３ｏｔｅｓｒｎｖｒｔ，ｈｎａｇ１０３，ｈｎ）．ｈｎｉｒａＵｉｓｙＬｎｎ０２０，ｈｎ；．ＮｒａｔｎＵｉｓｙＳｅｙｎ１０１ＣｉａＮｅｉｆｈｅｅｉ
摘要：目前，随着光学设计水平的不断提高，变焦光学系统的质量可与定焦系统相媲美，向着大倍率、正大相对孔径、小型化的方向发展。变焦系统的应用也随之日益广泛。本文根据变焦系统的基本原理，利用ＺＭＡＥＸ软件设计了一个用于监控的变焦系统，变焦范围：０ｎｎ一６０ｍ。２０ｕ０ｒ变倍比：ｘ镜筒长度：５ｒｍ。设计结果表明：变焦系统较之同类设计结果。ａ３，４０ａ该具有结构紧凑。质量轻。长度短的优点。关键词：变焦透镜；光学系统；小型化设计中图分类号：Ｈ０ＴＴ３文献标志码：Ａ
则，即透镜要满足一定的共轭距可有两个位置。若物面一定，当透镜从一个位置向另一个位置移动时，像
把各透镜组连在一起就行了。变焦距光学系统可以
实现对目标的连续探测，已广泛应用于国民经济和国防工业的很多领域，由于光学参数，成像质量及自动化控制变焦的要求，场难以选择到合适的光学系统市
ｌｎ．ＡｍｏｉｎｇｓｓｅｉｅｉｎｄｂｓｎＭＡＸｏｔｒ．ｏｍｃｐ０ｍｍｏ６０ｅｓｎｔｎｙｔｍｓｄｓｇｅｙｕｉｇＺＥｏｓｆｗａｅＺｏｓｏｅｉ２０ｓｔ０ｍｍ．ａｇｅｃｎａｅＣｈｎｅｐｒｅｔｇｉ３ｔｓ．ｈｙｔｍｎｔ５ｍｍ．ｅｒｓｌｈｗｈｔｈｏｍｎａｈｈｒｃｅｉｔｓｏｎａｕｅａｎｇｔｓｉｍｅＴｅｓｓｅｌｇｈｉ４０ｅｓＴｈｅｕｔｓｏｔａｅｚｏｌｓｈｓｔｅｃａａｔｒｉｆｍｉｉｔｒｄｌｈｓｔｅｓｃｉ

30mm~300mm轻型变焦物镜光学系统设计

第4〇卷第#期 2019年1月应用光学J o u rn a l o f A p p lie d O p tic sV o l. 40 N o. 1Jan. 2019文章编号：1002-2082(2019)01-0051-0730 mm〜300 mm轻型变焦物镜光学系统设计张健，罗天娇，罗春华，李艳红(1.长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022 #.长春理工大学光电信息学院光电科学分院，吉林长春130114)摘要：设计了一组长焦距轻量型变焦光学系统，焦距为30 m m〜300 m m，视场角为1. 1°〜11.4 °，F数为3.5#由于变焦系统焦距较长，并且需要在控制口径的前提下减轻质量，经过对变焦理论进行分析并结合实际情况，采用正组补偿，运用Z e m a x软件，对变焦系统同时进行像质优化与轻量化设计，优化过程中加入非球面，达到简化结构，提高像质的作用；在不影响像面照度的情况下，对轴外光线进行了适当的拦光，使得有效口径尽量变小，同时对系统的部分透镜材料进行替换，平衡了高像质与轻质量间的矛盾，最终使系统的总体质量从937 g减小到584 g，且系统像质良好，轴上调制传递函数在120 lp/m m处大于0. 3 ,轴外调制传递函数在120 lp/m m处大于0.2,各视场的调制传递函数在40 lp/m m处大于0. 5,畸变小于1\。

根据变焦运动方程，运用M a t la b软件进行编程计算，得到反映变倍组与补偿组运动过程的凸轮曲线，在变焦的过程中像面比较稳定，调焦顺畅。

关键词：光学设计；变焦物镜；正组补偿；轻型中图分类号：T N202文献标志码：A D O I：10. 5768/J A O201940. 0101009Optical systemdes;nof 30 mm 〜300 mm lightweight zoomobjectiveZ H A N G J ia n, L U O T ia n jia o, L U O C h u n h u a, L I Y a n h o n g(1. S ch o o l o f P h o to e le c tro n ic E n g in e e rin g, C h a n g c h u n U n iv e r s ity o f Science and T e c h n o lo g y, C h a n g c h u n130022,C h in a；2. O p to-E le c tro n ic s B ra n c h,C o lle g e o f O p tic a l and E le c tro n ic a l In fo rm a tio n, C h a n g c h u n U n iv e r s ity o fScience and T e c h n o lo g y, C h a n g c h u n130114, C h in a)A b s tr a c t：A lo n g fo c a l l e n g th lig h tw e ig h t zo o m o p tic s y s te m w a s d e s ig n e d w it h a fo c a l le n g th o f30 m m 〜300 m m,an a n g le o f v ie w o f1. 1 ° 〜11. 4 °a n d an F n u m b e r o f3. 5.D u e to th e lo n gfo c a l le n g th o f t h e z o o m s y s te m a n d th e need to re d u ce th e q u a lity u n d e r th e p re m is e o f c o n tro lc a lib e r,a fte r th e a n a ly s is o f th e zo o m th e o r y a nd the a c tu a l s it u a t io n,th e p o s itiv e c o m p e n s a tio nw a s a d o p te d,a n d th e Z e m a x s o f t w a r e w a s u s e d to s im u lta n e o u s ly o p tim iz e th e im a g e q u a lit y a n dd e s ig n th e lig h t w e ig h t z o o m s y s te m.In th e o p tim iz a tio n p ro c e s s,th e a s p h e ric a l s u rfa c e w a sad de d to s im p lif y th e s tr u c t u r e a n d im p ro v e th e im a g e q u a lit y.W it h o u t a ffe c tin g th e illu m in a n c eo f t h e im a g e s u rfa c e,t h e o ff-a x is lig h t w a s p r o p e r ly b lo c k e d,so t h a t t h e e ffe c t i v e a p e r t u re be as s m a ll as p o s s ib le,a n d a t th e sam e t im e p a r t o f th e le n s m a t e r ia lw a s re p la c e d,b a la n c in gt h e c o n t r a d ic t io n b e t w e e n h ig h im a g e q u a lit y a n d lig h t w e ig h t,a n d f in a lly t h e o v e ra ll m ass o fth e s y s te m re d u c e d fr o m 937 g to 584 g.R e s u lt s s h o w th a t t h e s y s t e m q u a lit y is g o o d,t h e o n-a x is m o d u la tio n tr a n s fe r f u n c tio n(M T F)is ab o ve 0.3 a t 120 lp/m m ,th e o f-a x is M T F is g re ate r th a n 0.2 a t 120 lp/m m,th e M T F f o r each fie ld o f v ie w is g re a te r th a n0. 5a t40 lp/m m,an dth e d is to r tio n is less th a n 1\. A c c o rd in g to th e z o o m m o tio n e q u a tio n,th e p ro g ra m m in g c a lc u-收稿日期=2018-08-29 ;修回日期：2018-11-06基金项目：国家重点研发计划：重大科学仪器设备开发（017Y F F0107901)作者简介：张健（993 —），男，硕士研究生，主要从事光学系统设计方面的研究。

一种微型变焦镜头结构模组[发明专利]

专利名称：一种微型变焦镜头结构模组专利类型：发明专利
发明人：翁孟坤,周志鹏,黄小军
申请号：CN202210088895.3
申请日：20220125
公开号：CN114500806A
公开日：
20220513
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种微型变焦镜头结构模组，包括机壳、减速电机、主动齿轮、从动齿轮、旋转筒和升降台，机壳的顶部竖直设置有导柱；主动齿轮固定安装在减速电机的输出轴上；升降台放置在机壳的顶部，升降台上竖直设置有导向滑槽，导向滑槽内滑动安装导柱，升降台上设置有滚动件；旋转筒可转动安装在机壳上，旋转筒的旋转中心线与减速电机的输出轴平行；从动齿轮位于机壳内，从动齿轮固定安装在旋转筒并且从动齿轮与主动齿轮啮合；旋转筒的侧壁上设置有升降滑道，升降滑道承接所述升降台的滚动件。

本发明的升降台上安装有滚动件，通过滚动件在升降滑道上的滚动使得升降台上下直线运动来实现变焦，控制比较方便，结构也比较简单。

申请人：深圳市万至达电机制造有限公司
地址：518000 广东省深圳市光明新区公明街道马山头第四工业区110栋
国籍：CN
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变焦系统设计的小型化

变焦系统设计的小型化冯蕾;王栋;冯冲;张桂源【摘要】目前,随着光学设计水平的不断提高,变焦光学系统的质量可与定焦系统相媲美,正向着大倍率、大相对孔径、小型化的方向发展,变焦系统的应用也随之日益广泛.本文根据变焦系统的基本原理,利用ZEMAX软件设计了一个用于监控的变焦系统,变焦范围:200mm-600mm,变倍比:3x,镜筒长度:450mm.设计结果表明:该变焦系统较之同类设计结果,具有结构紧凑,质量轻,长度短的优点.【期刊名称】《仪器仪表用户》【年(卷),期】2011(018)002【总页数】3页(P38-40)【关键词】变焦透镜;光学系统;小型化设计【作者】冯蕾;王栋;冯冲;张桂源【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春130022;山西师范大学,临汾042603;东北大学,沈阳110031;长春理工大学光电工程学院,长春130022【正文语种】中文【中图分类】TH7030 引言变焦距系统是一种焦距可以连续变化而像面保持稳定，且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。

变焦的原理基于成像的一个简单性质—物像交换原则，即透镜要满足一定的共轭距可有两个位置。

若物面一定，当透镜从一个位置向另一个位置移动时，像面将要发生移动，若采取补偿措施使像面不动，便构成一个变焦系统。

目前变焦镜头都用改变透镜组之间的间隔来改变整个物镜的焦距。

在移动透镜组改变焦距时，总是要伴着像面的移动，因此要对像面的移动给以补偿。

根据变焦补偿方式的不同，补偿方法分为机械补偿法和光学补偿法。

机械补偿法就是用一组透镜(通称补偿组)作少量移动以补偿像面位移。

补偿透镜组的移动与其它透镜(通称变倍组)的移动方向不同且不等速。

但它们的相对运动却有严格的对应关系，各透镜组通过一个复杂的凸轮机构实现相对运动。

光学补偿法用几组透镜作变倍和补偿时，各透镜组的移动同向等速，只需要用简单的机构把各透镜组连在一起就行了。

变焦距光学系统可以实现对目标的连续探测，已广泛应用于国民经济和国防工业的很多领域，由于光学参数，成像质量及自动化控制变焦的要求，市场难以选择到合适的光学系统满足要求，所以需要进行专门设计。

5倍变焦距光学系统小型化设计

5倍变焦距光学系统小型化设计王红;田铁印【摘要】In order to complete recognition and detection tasks of the aircraft seeker , a high precision , minia-turization of the zoom optical system is designed .Targets are searched and identified at short focal length , wide field , and recognized at long focal length , narrow field .The mechanical compensation method is selected using three kinds of common optical materials .At the location of the long focal length , combinatorial design of the front group and the zoom group can make the system compact , and meet seeker miniaturization require-ments.The zoom optical system with optimization focal length about12.90°×10.25°~2.59°×2.07°and lene tube length only 174 mm is designed by using the CODEⅤ optical design software .For the each focal length and each field of view , the average MTF is 0.695, and tested result is 0.562 at50 lp/mm, which can meet performance requirements of the system .%为了完成飞行器导引头目标识别与探测任务，以短焦距、大视场进行搜索并确认目标，以长焦距、小视场进行高精度目标识别。

电动变焦简易方案

电动变焦简易方案概述在摄影和摄像领域，焦距的调节是非常重要的一项技术。

焦距的改变可以调整拍摄画面的视角，从而达到不同的拍摄效果。

传统的相机需要通过手动旋转镜头或者更换不同焦距的镜头来实现焦距的变化，这种方式非常繁琐。

为了提高用户的拍摄体验，现代相机常常配备了电动变焦功能，用户可以通过简单的操作来实现焦距的调节。

本文将介绍一种简易的电动变焦方案，以帮助读者了解其工作原理以及实现方法。

材料清单为了完成这个简易的电动变焦方案，我们需要以下材料和设备： - 步进电机（Stepper Motor）：用于实现焦距的调节，驱动镜头进行旋转。

- 电机驱动器（Motor Driver）：用于控制电机的运动，可以选择合适的电机驱动器来满足焦距调节的要求。

- 控制板（Control Board）：用于控制电机驱动器的操作，可以选择Arduino等开源平台。

- Arduino编程环境：用于编写控制代码。

- 连接线：用于连接各个设备和部件。

方案实现步骤1. 硬件连接首先，需要将步进电机与电机驱动器进行连接。

根据电机驱动器的说明书，找到步进电机的4个引脚对应的控制信号（通常为A+、A-、B+、B-）和电源（一般为VCC和GND）。

将引脚连接到电机驱动器的相应引脚上，并将电机驱动器连接到控制板上。

2. 软件编程接下来，需要编写控制代码以控制电机的运动。

首先，在Arduino编程环境中，导入适用于所使用电机驱动器的库文件。

然后，根据电机驱动器的控制方式，编写代码控制电机的旋转方向和速度。

通常可以使用Stepper库来完成这些操作。

代码示例：#include <Stepper.h>// 定义步进电机的引脚const int stepsPerRevolution = 200; // 步进电机每圈的步数const int motorPin1 = 2; // A+ 引脚const int motorPin2 = 3; // A- 引脚const int motorPin3 = 4; // B+ 引脚const int motorPin4 = 5; // B- 引脚// 创建步进电机对象Stepper myStepper(stepsPerRevolution, motorPin1, motorPin2, motorPin3, motorPin4);void setup() {// 设置步进电机速度myStepper.setSpeed(60);}void loop() {// 顺时针方向旋转myStepper.step(stepsPerRevolution); delay(500); // 等待500毫秒// 逆时针方向旋转myStepper.step(-stepsPerRevolution); delay(500); // 等待500毫秒}3. 控制焦距现在，我们已经完成了电机的控制代码。

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第7卷第10期 2007年5月1671 1819(2007)010 2343 04科学技术与工程Sc i ence T echno logy and Eng i neer i ngV o l 7 N o 10 M ay20072007 Sci T ech Engng.机电技术一种微型变焦系统的设计谢洪波张春慧李保安郁道银王向军(天津大学精仪学院,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072)摘要为适应某些特殊领域对微型化和简单化的需要,运用光学设计软件CODE V,在传统机械补偿式变焦镜头的基础上,结合非球面透镜理论,设计了一个可见光波段的只有一个移动镜的4片式微型变焦系统。

此系统具有结构简单、精度高、成本低、体积小等特点,可满足在变焦范围内连续清晰成像的要求。

关键词变焦系统非球面超小型中图分类号 TH74; 文献标识码 A变焦距光学系统原理是焦距在一定范围内连续改变,其物面、像面保持不动。

应用变焦距系统时,应满足均匀地改变焦距,且在此过程中像面保持稳定,相对孔径基本保持不变等基本要求。

变焦距光学系统通常都是由前固定组、变焦组和固定组三个部分组成。

变焦组移动改变放大倍率的同时,成像位置也会随之变化;因此,在变焦组透镜移动的过程中,必须有其他的透镜组作像差补偿,以保证在所有变焦位置连续清晰成像。

正因如此,目前的变焦系统都较为复杂,透镜数目多,长度和体积也较大。

然而,有些特殊领域,需要产品简单化、小型化,甚至微型化,这就使传统的变焦镜头难以胜任。

现设计了一个接收器为贫点阵CCD的微型变焦系统,与常用的变焦系统不同,此系统只含有一片移动透镜,没有补偿组,是一个微型化的、可连续清晰成像的变焦系统。

1 原理分析变焦距光学系统原理是根据物像交换原则,使焦距在一定范围内连续改变时,其像面基本保持不动。

虽然传统的变焦理论已比较成熟,但它并不是可以通用于所有变焦系统的设计,而且传统理论2006年12月6日收到第一作者简介:谢洪波(1969!),男,湖南常德人,副教授,博士生,研究方向:成像技术和显示技术。

相对繁琐,设计结果也比较复杂。

要想做到结构简单并且能连续清晰成像,运用传统变焦理论就显得比较困难了。

只有充分研究透镜形状、玻璃材料和它们的光学特性,改进传统设计方法,才可能实现系统的简化和微型化。

在像质允许的情况下,尽量降低对像差的要求,从而达到用4至5片透镜起到一个复杂变焦系统所能实现的功能。

由于现设计系统的接收器是贫点阵CCD,其像差要求相对较低;因此,尝试固定或删除机械补偿式系统的补偿组透镜,通过合理地优化改进,使得像面的微位移小于焦深,从而达到既结构简单,又能实现在两个视场连续清晰成像的目标。

另一方面,球面透镜对远轴光成像会出现较大的散焦和像差。

经过特定设计的非球面透镜则可使远轴光同近轴光一样有良好的聚焦能力,使得成像像质得到极大改善[1]。

因为单透镜的球差与透镜两个面的曲率半径分配有关,而非球面各点的曲率值在不同方向上是不同的;所以,可改变镜面曲率来降低系统的球差[2]。

换言之,选择可变参数比球面镜多的非球面镜可更好地校正像差。

现在的设计正是运用非球面的性质,简化系统的组成。

2 设计过程和结果2 1 系统设计的总体目标物镜外形尺寸: 7mm∀21mm或更小,物镜分科学技术与工程 7卷辨率:最大视场大于25线对/mm,中间视场大于20线对/mm,变焦范围:全视场为6#!17#,像面尺寸:3mm ∀3mm,物镜结构:∃4片,靠其中一片移动实现变焦。

2 2 选择初始模型由于本项设计的要求比较特殊,需要只有一片透镜移动的变焦镜头,且尺寸很小,它既不属于机械补偿式,又不属于光学补偿式变焦系统,没有现成的专利可供参考,因此,选择的初始模型(简称初模)是一个参数较为接近的线性差动机械补偿式变焦镜头[3!5]。

(a)广角端位置结构图(b )望远端位置结构图图1 初始模型的两个变焦位置的结构图初模由6片单透镜组成,其优点是构造简单、外形尺寸小且像质良好[6]。

但它的透镜片数较多且最大口径为18 5mm ,总长为46mm ,距目标参数还较远。

因此,对其改进和优化的方法就需要特殊考虑。

2 3 简化并优化初模首先根据本系统的特点删除初始模型的补偿组透镜,简化并优化成5片式变焦系统;而后根据组合焦距公式将系统中的2片透镜等效为1片,再进行优化,最终设计成为4片式变焦系统。

2 3 1 5片透镜系统的优化在删除补偿组透镜后,将系统第一片透镜的第一面设为偶次非球面,运用软件CODE V [7]对其进行优化,得到图2所示的5片系统的结构图。

(a)广角端位置结构(b)望远端位置结构图图2 含一面非球面的5片式变焦系统二维结构图2 3 2 简化为4片透镜系统由于设计的目标要求结构越简单越好,因此,可运用几何光学的组合焦距公式简化系统:f %=-f %1f %2(1)其中f %为等效焦距,f %1和f %2分别为等效前两片透镜的焦距, 为其光学间隔。

利用该公式将图2中后固定组的最后两片透镜合并为等焦距的1片,计算出等效透镜的曲率和间距,替换原系统的最后两片透镜;使系统简化为4片式。

2 4 最终设计结果由于系统透镜片数的减少,使固定组补偿像差的作用有所降低,为改善像质,现将第六面镜也设为偶次非球面。

将物镜总长限定为21mm ,再进行改进优化,最终设计结果如图3所示。

最终设计结果的所有视场的像差都可以达到25线对/mm 以上,像质较好。

优化后系统的像差曲线由图4给出。

(a)广角端位置结构图234410期谢洪波,等:一种微型变焦系统的设计(b)望远端位置结构图图3 含2面非球面的总长21mm的4片变焦系统结构图(a)广角端的M TF 曲线图(b)望远端的M TF曲线图图4 总长21mm的4片系统M T F曲线图3 总结所设计的一个可见光波段的超小变焦系统,是一套只有一个移动镜的4片式微型连续变焦系统,其中有两面为偶次非球面;最大口径为6mm,总长21mm;能在大小两个视场间连续清晰成像(即在6#与17#之间连续成像),成像分辨率均在25线对/ mm以上。

系统设计充分利用变焦理论、非球面原理和光学设计理论,一步步改善初始模型使之最终实现目标系统的既定要求。

图5 最大通光口径6mm总长21mm的4片式变焦系统弥散圆图参考文献1 肖文德,黄新堂,刘武.非球面透镜成像研究及计算机设计.山西大学学报(自然科学版),2000;23(1):40!422 潘君骅.非球面单透镜的设计.光学仪器,1999;15(1):1!83 福建光学技术研究所,国营红星机电厂编译.光学镜头手册(4).北京:国防工业出版社,1980!19924 吴福田,冯书文.远焦小型线性变焦距物镜的设计原理.光学技术,2002;28(3):234!2385 J ohn s on R B,Chen Feng M ec h an i call y compen s ated zoo m lenses w i tha si ng l e m oving ele m en t,App li ed Op tics,1992;31(13):2274!22786 金逢锡,金虎杰.变焦镜头结构形式的最佳选择方法.光学仪器,2004;26(1):34!387 吴秀丽.光学系统工程设计软件包CODE V.光机电信息,1997;14(3):20!23(下转第2349页)234510期祁加强,等:基于CAT I A的导弹参数化模型驱动技术研究施简单,能够快速、有效地对任意复杂参数化模型实现驱动,解决了优化过程中的模型自动更新问题。

该方法不但适用于单体模型,而且对装配体问题同样适用。

由于该方法是通过编程实现对模型的驱动,对不同模型可以编制不同的驱动程序,所以该方法更加灵活,适应面更广。

参考文献1 Sa m areh J.G eo m etry m odeli ng and grid generation for des i gn andop ti m i zation.NASA Lang l ey Techn icalR eport S erver,1998!042 M ann i ng T A,Gage P J,N guyen J M.C o mGeo m2:a geo m etry t oolform u lti d isci p li nary an al ysis and dat a shari ng.A I AA2004-4303,2004!093 Fudge D M,Z i ngg D W,H ai m es R.A CAD-free and a CAD-basedgeo m etry con trol-syste m for aerodyna m i c s hape opti m izati on.A I A A Paper2005-0451,2005!014 Rodri guez D L,S t u rdza P.A rap i d geom etry eng i ne for preli m i n arya i rcraft des i gn.A I AA-2006-0929,2006!015 武刚,朱世和,郭津津.基于CATI A Acti ve X Au to m ati on机械零件参数化系统的开发技术.天津理工学院学报,2003;19(4): 53!566 龙峰,樊留群.CAT I A V5二次开发技术探讨.淮阴工学院学报,2005,14(5):21!277 潘爱民.CO M原理及应用.北京:清华大学出版社,2001On D rivi ng Technol ogy of Para m etricM issileM odel B ased on CAT I AQ I Jia-q iang,GU L iang-x ian,GAO Yuan(S ch.ofA stronauti cs,N ort hw estern Pol ytechn icalUn i v.,X ia'n710072,P.R.C h i na)[Abstract] Advanced MDO techno l o gy requires m ore reliab le para m etric m odeling and para m etric-m ode-l dr i v i n g techno log ies.Para m etric m odeling techno logy and second develop m ent interface of CATI A are studied,and t h e m ethod ho w to deve lop para m etric-m ode-l driving pr ogra m based on t h e p latfo r m using CATI A CAA Auto m ati o n second develop m ent i n terface is presented,so one key techno logy ofAdvancedMDO is carried ou.t A t las,t a dri v ing prog ra m for a para m etric m odel of a certain k i n d ofm issile is developed.The resu lts prove that the dri v i n g progra m can update one para m etric m ode l i n only fe w seconds,wh ich can fu ll y satisfy the need of advancedMDO. [Key words] opti m ization para m eterization m ode l dri v i n g auto m ati o n(上接第2345页)D esi gn of a M icro Zoo m LensXI E H ong-bo,Z HANG Chun-hu,i LI Bao-an,YU Dao-y in,WANG X iang-jun (M i n i stry ofE ducation,Key Laboratory ofOp t o-electron ics In f or m ati on and Techn ical Science Coll ege of Preci s i on I n strum ent andOp t o-E lectron ics Eng i neeri ng,T i an ji n Un ivers i ty,T i an ji n300072P.R.Ch i n a)[Abstract] Based on the conventionalm echan i c ally co m pensated zoo m lenses and the non-spherica l pri n ciples, a4-p iece m i c ro conti n ual zoo m lensw it h only one m ov i n g ele m ent by using the optical design soft w are C ODE V is desi g ned The lens i s si m plisti c,prec ise,l o w-cos,t co m pact and e tc It can m ake c lear i m age at a ll zoo m position conti n ua lly[Key words] zoo m lens non-spher i c al surfaces m icro m i n iature2349。