20倍近红外变焦镜头的设计
20倍双组联动变焦距光学系统设计_李宏壮
第35卷第2期2015年2月Vol.35,No.2February,2015光学学报ACTA OPTICA SINICA 20倍双组联动变焦距光学系统设计李宏壮张振铎中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033摘要针对双组联动变焦距系统结构复杂的特点，对其设计过程进行了梳理。
在此基础上编制了可视化辅助设计软件，该软件具有高斯解计算、变倍补偿曲线绘制、像差与外形尺寸分析、相对孔径图输出等功能。
使用该软件可以方便地完成双组联动变焦系统高斯解的合理选择，并给出各组元承担相对孔径及其变化情况，辅助进行初始结构的确定。
利用该辅助设计软件，对一套焦距25~500mm 的20倍可见光波段双组联动连续变焦距系统进行了初始结构设计，并通过整体优化使系统像差得到校正。
设计结果系统光学总长478mm ，各焦距位置在50lp/mm 处轴上视场调制传递函数(MTF)大于0.6，边缘视场MTF 大于0.4，各项指标满足系统要求。
关键词光学设计；双组联动；连续变焦距镜头；高斯光学计算中图分类号TH751文献标识码Adoi :103788/AOS201535.0222003Design of 20×Double-Linkage Continuous Zoom Optical SystemLi Hongzhuang Zhang ZhenduoChangchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun,Jilin 130033,ChinaAbstract For the complexity of double-linkage zoom system,the design process is settled first,and thevisible assist design software is developed.The function of the software includes Guassian optical calculation,compensation curve drawing,aberration and lens size analysis,relative aperture curve output,ing thesoftware,rational Guassian parameters can be selected conveniently,and the relative aperture and its variationof each group can be given,which can help the designer to select the initial configuration.Then utilizing thesoftware,the initial design can performed for a double-linkage zoom system with focal length range from25mm to 500mm.And through integrated optimization,the system aberration is corrected and balanced.Thedesign results demonstrate that the total optical length is 478mm,and the modulation transfer function (MTF)at 50lp/mm for each zoom configuration is higher than 0.6for center field,and higher than 0.4for edge field.All indexes satisfy the command of system.Key words optical design;double linkage;continuous zoom system;Guassian optical calculationOCIS codes 220.3620;220.4830收稿日期:2014-09-01;收到修改稿日期:2014-10-21作者简介:李宏壮(1980—)，男，副研究员，博士，主要从事光学设计、检测、主动光学、大口径望远镜波前探测等方面的研究。
红外连续变焦镜头的结构设计
万方数据第１期李永刚．等：红外连续变焦镜头的结构设计６１统，共有１４片透镜，包括变焦物镜系统和二次成像系统。
镜片数日的增加，有利于校正像差，可提高像质；二次成像系统的作用是为了减小物镜的直径同时保证１００％的冷屏效率。
１．２变倍组导向机构选型连续变焦镜头在连续变焦的过程中，光轴随着变倍和补偿镜组的位移始终在跳动，而光轴跳动量的大小直接影响系统的性能指标。
所以变倍、补偿镜组的导向机构设计是此红外变焦距镜头结构设计的核心。
变焦距镜头导向机构的种类很多，按接触摩擦性质可分成两大类：滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。
滑动摩擦机构是导轨与移动镜组之间采用滑动接触方式，滚动机构是导轨与移动镜组之间采用滚动方式…。
常用的变倍机构有以下几种形式¨】：１．圆柱导轨滑动机构。
这种结构变倍精度高，径向结构尺寸小，适用于变倍和补偿组光学通光口径较小的结构。
２．两根圆柱导轨滑动机构。
由于滑动部件为两根圆柱导轨，这种结构变倍精度高，承载的负荷也比第一种大。
但是由于是超定位结构，光学通光口径太大，容易产生机构卡死现象，机构的径向尺寸也较大。
一般适用通光口径３０—８０ｍｍ的结构。
３．三根圆柱导轨滑动机构。
这种结构的优点是运动舒适、平稳，不容易产生卡死现象，可以带动通光口径较大的光学组件。
缺点是运动精度较前两种低，一般适用通光口径５０—１２０ｍｍ的结构。
滚动摩擦机构就是在上述滑动摩擦机构的基础上，加上精密轴承或者精密钢球等，来减小摩擦力矩，提高系统总体性能。
根据以上经验，本文选用两根圆柱导轨形式，并且在变倍、补偿镜组与圆柱导轨之间采用精密直线轴承配合，使该机构由滑动摩擦变为滚动摩擦。
１．３调焦机构选型调焦组的作用是通过调焦机构，使调焦镜组沿光轴方向移动，以保证在远近不同距离上的物体，都能清晰地成像在像面上。
因此，它的机构优劣直接影响到变焦距镜头的成像质量。
光学系统调焦机构大体有三种方式，一种是凸轮调焦¨１，一种是采用直线电机调焦…，另一种是丝杠丝母调焦。
20×长波红外连续变焦热像仪光机系统设计
20×长波红外连续变焦热像仪光机系统设计王红伟;束慧琴;陈吕吉;严敏;曾怡【摘要】The long-wave thermal imager has a zoom ratio of 20:1. It's focal length can be continuously varied from 18.5 mm to 367 mm by the mechanical compensation zoom approach. We designed the continuous zoom mechanism. In order to make optical axis error reaches requirements of the system, the inner linearity/parallelism of zoom mechanism, the parallelism between the zoom mechanism and the optical axis of the system needs to be adjusted accurately. By using thermal compensation table, temperature compensation and fast zoom at different temperatures can be achieved in this thermal imager, while a broad temperature range is covered.%一款长波红外热像仪具有20:1的变倍比,采用机械补偿变焦方式实现热像仪18.5~367 mm范围内的连续变焦.本文对热像仪的连续变焦机构进行了设计.为保证光轴偏差满足要求,变焦机构内部的直线性和平行度、变焦机构与系统光轴间的平行度需进行精确调节.同时,通过调用温度补偿信息表可实现不同温度条件下的温度补偿和快速变焦,使热像仪具有较宽的温度范围.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2016(038)011【总页数】4页(P924-927)【关键词】长波红外;热像仪;连续变焦;光轴偏差;平行度;温度补偿【作者】王红伟;束慧琴;陈吕吉;严敏;曾怡【作者单位】昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223【正文语种】中文【中图分类】TN216连续变焦系统是一种焦距可以连续变化，而在变焦过程中像面保持稳定且像质保持良好的系统。
红外变焦光学系统设计
红外变焦光学系统设计王巍;崔庆丰;费冰;杜妍;段庸【摘要】An infrared zoom optical system in the long wave 8 -12 μm region was designed. The detector was a 320×256 focal plane array (FPA) with a pixel pitch of 25 μm. The optics was a 3:1 f/1 zoom lens, the effective focal length ranges from 50 mm to 150 mm and the total length of the system was 209. 5 mm.The relative aperture was invariant during the zoom process. The system had only five elements whose material was all but germanium. By using mechanical compensation, the binary surface and aspheric surface were used to simplify the configuration; as a result, the volume was decreased and the image quality improved. The image quality evaluation result shows that the MTF is higher than 0. 5 in all field of view at the spatial frequency 20 lp/mm.%对于320×256非制冷焦平面阵列探测器(像元尺寸25 μm×25 μm),设计了工作在8～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统.该系统在变焦过程中相对孔径不变,F/#为1,系统变倍比为3∶1,焦距50～150mm,光学筒长209.5mm.该系统由5片透镜构成,并且仅使用锗一种材料.该系统采用机械补偿的方法,通过引入非球面和衍射面,使系统结构简化,并且提高了成像质量.系统在空间频率为20 lp/mm处,各个视场的MTF均在0.5以上.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2012(034)003【总页数】5页(P33-37)【关键词】光学设计;红外变焦;折/衍混合【作者】王巍;崔庆丰;费冰;杜妍;段庸【作者单位】长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022;长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022【正文语种】中文【中图分类】TN21引言变焦距光学系统是指焦距可在一定的范围内变化，而在变焦过程中像面位置保持不动、相对孔径基本不变，并且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。
变焦镜头计算公式
变焦镜头计算公式变焦镜头是一种可以通过调节焦距来实现不同视角的相机镜头。
变焦镜头的设计及计算涉及到很多参数和公式，下面将详细讨论变焦镜头的计算公式。
1. 焦距的计算公式焦距是变焦镜头的关键参数，它表示了相机从镜头到成像面（例如胶片或传感器）的距离。
焦距的计算公式如下：1/f = 1/u + 1/v其中，f为焦距，u为物距（物体到镜头的距离），v为像距（像到镜头的距离）。
该公式是从透镜成像公式推导而来。
2. 光圈的计算公式光圈是变焦镜头的另一个重要参数，它控制了进入镜头的光线量。
光圈由光圈值（即f数）表示，光圈值越大，光线通量就越大。
光圈的计算公式如下：f = D / N其中，D为镜头的口径，N为光圈值。
光圈值是光圈直径与焦距的比值。
3. 变焦比的计算公式变焦比是变焦镜头的一个重要参数，表示了拍摄时能够调整的焦距范围大小。
变焦比的计算公式如下：Z = f_max / f_min其中，Z为变焦比，f_max为最大焦距，f_min为最小焦距。
变焦比越大，焦距范围就越广。
4. 像高的计算公式像高是指在成像面上表示一幅图像所占的高度。
像高的计算公式如下：h = y / m其中，h为像高，y为实际物体的高度（垂直于光轴的距离），m为物距放大率。
物距放大率表示图片上物体的实际尺寸与投射在成像面上的尺寸之比。
5. 视场角的计算公式视场角是指拍摄范围内可见的场景角度。
视场角的计算公式如下：θ = 2 × arctan（d / 2f）其中，θ为视场角，d为相机传感器的对角线长度，f为焦距。
这些公式是变焦镜头设计和计算的基础，通过这些公式，我们可以确定适合特定拍摄需求的变焦镜头的焦距范围、光圈值以及视场角度等参数。
在实际应用中，还需考虑镜头的光学质量、机械结构和对焦方式等因素。
总结起来，变焦镜头的计算公式包括焦距计算公式、光圈计算公式、变焦比计算公式、像高计算公式和视场角计算公式。
这些公式是实现不同视角的变焦镜头设计和计算的基础。
红外光学镜头设计方案
光学系统设计方案设计参数：1) ICCD分辨率：1248х10242) 像元尺寸：6μmх6μm3) 靶面尺寸：7.48mmх6.14mm4) 系统焦距：1500mm5) F数：3.756) 波段范围：450nm～800nm系统初步设计如下：口径Ф400mm，系统长度500mm。
光路二维图如下图所示。
系统为折返射式光学系统，前部采用施密特矫正镜，后端采用卡式系统，达到减小系统尺寸的目的。
图 1 光学系统二维图图 2 光学系统三维图图 3 光路剖视图表 1线视场分析距离（km） 1 5 10 30线视场（m）5×4.125×20.550×41150×123图 4系统球差及场曲曲线系统传递函数曲线如下图所示，根据探测器像元尺寸，MTF截频计算至83lp/mm处，从下图可以看出，系统MTF在100lp/mm处，水平最大视场及垂直最大视场均高于0.5，对角线视场MTF高于0.5。
图 5 系统MTF曲线系统弥散圆的大小如下图所示，弥散圆表示点源物体经过系统后的发散情况，其半径越小、能量越集中，说明成像质量越好。
通常接近衍射极限的系统弥散圆直径小于接收器的单个像素值。
本系统采用的探测器像元尺寸为6μm，系统的弥散圆直径最大值为3.8μm，说明系统的成像质量接近衍射极限。
图 6畸变网格及畸变曲线系统的畸变网格和畸变曲线如下图所示，畸变的大小能直接反映出系统图像的变形情况，从下图中可以看出，系统的最大畸变小于0.01%，图像变形肉眼无法分辨。
图 7畸变网格及畸变曲线系统成像的二维仿真效果如下图所示，左图为目标图像，右图为经系统后所成图像，从图中可以看出，系统成清晰倒像。
图 8二维成像仿真公差分析镜头最终的成像质量受到材料、加工、装配等各方面的影响，为保证系统最终获得良好的成像质量，设计时应充分考虑系统各部分的公差分配，使材料、加工及装配的误差均在可接受的范围内，避免某类误差过大使最终的成像质量下降过多。
红外变焦距光学系统的设计
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年 光 专 赫尔 特瑙曼 西门 设 德国 学 家 穆 为 子 计了２＾ ０ 焦 镜２ 此变 ５－ ｍ 变 物 １ ８ ｍ １ 。 焦镜
头的结构颇为复杂，由８ 块透镜分６ 组构成，由两组独立活动的镜片分别完成变 焦和对焦功能。其中的一组称 “ ａａ ｒ 变焦透镜） Ｖｒｔ ＂（ ｉｏ ，可由前到后作直线运动，
态，因而在产生热过程的一切领域，可成为一种无损伤检测工具。 随着人们生产实践活动领域的扩展和深入，提出了既要能对被观察物体做大 区域小倍率的 粗略识别，同时又能对它作小区域大倍率的仔细观察，由于定焦距 系统只能提供一个单一的视场范围和一个单一的焦距，所以不能兼顾成像质量和 搜索范围。在这种情况下，变焦距光学系统就应运而生。 变焦系统是指焦距在一定范围内 变化，而像面保持不变或基本不变的系统。 １３－１６ 年间， ９０ ９０ 受电影摄影需要的推动，变焦距照相物镜获得很大发展。１３ ９２
变焦镜头的设计及其应用与性能分析
变焦镜头的设计及其应用与性能分析摄影是人们日常生活中不可或缺的一部分，而摄影器材的发展也是不断推进的。
变焦镜头是一款广泛使用的摄影镜头，其具有的变焦功能优化了拍摄体验，使得摄影师们更加方便地捕捉所需要的画面。
本文将介绍变焦镜头的设计及其应用与性能分析。
一、变焦镜头的设计变焦镜头的设计是充分考虑了摄影师们在拍摄过程中所需的各种拍摄距离和角度。
它由若干个镜片组成，其中有一些能够滑动，从而改变焦距。
同时，它还通过DIAPHRAGM机构的控制实现光圈的调节，提高拍摄的表现力。
当然，这也意味着相对于单焦镜头来说，它的成本和复杂度都会增加。
二、变焦镜头的应用变焦镜头是一种非常广泛使用的摄影器材，其应用广泛，既可以用于拍摄静物，也可以作为包括新闻摄影和电影首席摄影师在内的各种拍摄领域中。
其中，变焦镜头在电影制作领域中的应用最为广泛，可以通过其调整长焦透镜和广角透镜之间的距离，可模拟相应的镜头焦距，以便于更好地拍摄目标。
同时，由于它的变焦性质，使得拍摄人员可以在不改变拍摄位置的情况下，调整镜头的焦距，使被拍摄的目标更加醒目、清晰。
当然，在拍摄静物时，如果要保持相同的场景、相同的视角，变焦镜头也可以发挥诸多优势。
三、变焦镜头性能分析1. 焦距范围变焦镜头的焦距范围大致可以分为两个方面，一个是广角端，一个是长焦端。
广角端指相应的焦距比较小的镜头，比如10-20mm的广角变焦镜头；长焦端则是相对焦距大的变焦头，如70-300mm的变焦镜头2. 光圈范围光圈范围是指变焦镜头最大的光圈值以及最小开放光圈的范围。
相对于单焦镜头，变焦镜头的光圈范围更加丰富，这意味着可以有更多的操作空间和更好的表现力3. 畸变变焦镜头在拍摄时容易产生畸变，包括桶形畸变和枕形畸变，这需要进行处理，避免在后期处理时产生影响。
4. 分辨率每个单息点的传感器材料和成像处理器的性能，会影响变焦镜头的像素。
因此，当选购变焦镜头时，需要考虑传感器的大小、像素和成像处理器等因素。
一种变焦镜头的制作方法
一种变焦镜头的制作方法
一种常见的变焦镜头制作方法是使用组合透镜。
变焦镜头一般由多个透镜组成，其中包括凸透镜和凹透镜，通过调节透镜之间的相对位置，可以改变光线的聚焦效果从而实现变焦。
具体制作方法如下：
1. 设计光学系统：根据所需的焦距范围和光学要求，设计适合的光学系统，包括使用不同凸透镜和凹透镜的组合。
2. 制备透镜：根据设计，制备所需透镜，并进行精确的表面处理和涂膜处理，以降低反射和散射。
3. 安装透镜组：将透镜安装在机械架构上，使其能够相对运动。
透镜组通常由一个前透镜组和一个后透镜组组成。
4. 调整焦距：通过改变前后透镜组之间的距离（镜筒长度），调整光线的折射和收敛程度，从而改变焦距和聚焦效果。
5. 移动透镜组：通过移动透镜组的相对位置，实现焦距的连续调整，从而实现变焦效果。
6. 调试和测试：进行镜头的调试和测试，包括光学性能和机械稳定性的验证。
这是一个粗略的变焦镜头制作方法，实际上，变焦镜头的设计和制作过程需要更加复杂和详细的步骤，并且还需要进行精密的光学计算和性能测试。
20×长波红外连续变焦光学系统设计
量子 阱探 测器 由于具 有均 匀性好 、成本低 、性能 高、多色 、可生产 大列 阵等优 点 ，获 得 了广 泛 关注和 迅 猛发展 【 】 ３ 。目前在 美 国和欧 洲等先 进 国家 ，量子 阱 ， ４
焦 平 面 已发 展成 为长 波 制 冷 型焦 平 面 器 件 的两 大 主
要 分支 之一 ，许 多国家纷 纷研 制 出了基 于不 同规模 量 子 阱探 测 器 的热 像 仪 产 品 。 如Ｆ Ｉ Ｌ Ｒ系 统 公 司 的 Ｔ ｅ Ｖｉｏ Ｔ ０ ０ ｈ ｍ ｏ ｉｎ Ⅵ３ ０ ｈｒ ｍｏ ｓ ｎ ２ ０ ，Ｔ ｅ Ⅵｓ ¨ ０ ０热像 仪 ， ｉＭ ０
优点，并用Ｚ ＭＡ 光学设计软件进行 了仿真计算和像质评价，在奈奎斯特频率 ２ ／ ｍ处，系统全 Ｅ Ｘ ０ｌ ｍ ｐ 焦距范围内的ＭＴ 接近衍射极限。 Ｆ 关键词：红外光学系统；连续变焦；量子阱焦平面探测器；光学设计 中图分 类号 ：Ｔ １ Ｎ２ ６ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ —８ １２ １ ）８０ ５ ．５ ０ １８ ９ （０ ２０ ．４ ８０
ｌ ｎ ｔ ｓｃ ｎ ｉ ｕｏ ｌ ｈ ｎｇ ａ ｌ ｏ ｍ ． ｏ ３ ７ｉ ／． ｅ ｓ ｓｅ ｃ ｎｓｓｓｏ ｃ ｎ ｃ ｌ ｏ ｅ ｇ ｈ ｉ ｏ ｔｎ ｕｓｙ ｃ ａ ｅ ｂ ｅ ｆ ｒ １ ５ ｔ ６ １ Ｔｈ ｙ ｔ ｍ ｏ ｉｔ ｆａｍｅ ｈａ ｉ ａ ｌ ｃ ｍｐｅ ａｅ ８ ｎｌ ｙ ｎｓ ｔｄ
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12至20倍变焦摄像机的参数
12至20倍变焦摄像机的参数
12至20倍变焦摄像机的参数会因不同的品牌和型号而有所不同，但一般包括以下一些常见的参数：
变焦倍数：12至20倍变焦范围内，可以实现不同程度的光学变焦，这是摄像机的关键参数之一。
感光元件尺寸：常见的感光元件尺寸有1/2.3英寸、1/2英寸等，尺寸越大，摄像机在低光环境下的表现一般会更好。
最大光圈：较大的最大光圈能够提供更好的低光表现，有利于拍摄在光线较暗的环境中。
光学防抖：光学防抖可以有效减少摄像机在拍摄视频时的抖动，提高画面稳定性。
拍摄分辨率：包括视频拍摄的分辨率和静态图片的分辨率，一般以百万像素（MP）计算。
支持的视频格式：摄像机支持的视频格式，例如H.264、H.265等。
支持的存储介质：摄像机一般支持SD卡、MicroSD卡等存储介质。
其他功能：包括自动对焦方式、拍摄模式、屏幕尺寸和显示分辨率、电池容量等。
这些参数是选择12至20倍变焦摄像机时需要考虑的一些关键因素，当然具体的参数还需要根据具体的摄像机型号来确定。
20×长波红外变焦光学系统设计
20×长波红外变焦光学系统设计杜玉楠;牟达;刘莹莹;王文生【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2013(000)010【摘要】针对红外目标探测等军事应用的实际需求，为了扩大对目标的搜索范围，设计了8～12μm红外波段的20×连续变焦光学系统。
该系统采用320×240非制冷焦平面红外探测器，在15～300 mm范围内实现连续变焦，F数为2。
系统结构简单，仅由6片透镜组成，并仅引入1个非球面校正系统像差。
在空间频率为16 lp/mm 处，变焦范围内的MTF 调制传递函数均在0.45以上，接近衍射极限，像质优良，像面稳定，可用于坦克红外观瞄系统。
%Aiming at actual needs of infrared target detection and other military applications, in order to expand the search scope of targets,an infrared continuous zoom optical system of 20× zoom ratio for 8-12μm wave-band is designed in this paper. For 320×240 pixels uncooled infrared focal plane arrays, the focal length from 15 to 300 mm could be changed continuously and the F number is 2. Moreover, the system’s structure is simple, which only consists of six lenses and one aspherical surface is applied to correct aberrations. At the spatial frequency 16 lp/mm, the MTF curves in the whole zooming range are all above 0.45 which are closed to diffraction limited curve. The image quality is perfect and the stability of image plane is well. Meanwhile, this system can be applied to infrared observing and aiming optical system of Tank.【总页数】5页(P607-611)【作者】杜玉楠;牟达;刘莹莹;王文生【作者单位】长春理工大学现代光学测试实验室,吉林长春,130022;长春理工大学现代光学测试实验室,吉林长春,130022;长春理工大学现代光学测试实验室,吉林长春,130022;长春理工大学现代光学测试实验室,吉林长春,130022【正文语种】中文【中图分类】TN216【相关文献】1.长波红外连续变焦光学系统设计 [J], 王合龙;陈建发;李淑忠2.高分辨率长波红外连续变焦光学系统设计 [J], 包佳祺;吉紫娟;葛振杰;李楠;俞侃;尹娟娟3.长波红外变焦光学系统设计 [J], 虞翔;刘云芳;张友伟;张慧卿;郑列华;汤心溢4.20×长波红外连续变焦光学系统设计 [J], 陈吕吉;李萍;孙琪艳5.长波红外双组联动连续变焦光学系统设计 [J], 吴海清;赵新亮;李同海;田海霞;崔莉因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。