光学变焦系统设计共42页
超高倍变焦光学系统设计
超高倍变焦光学系统设计张欣婷;亢磊;吴倩倩【摘要】设计了一套焦距f'=8 mm～2 400 mm的超高倍变焦光学系统,对可见光波段成像.采用多组元全动型变焦结构,在实现高变倍比的前提下不增加系统尺寸;在普通衍射透镜的基础上,分析了谐衍射元件的成像特性及色散,减小长焦距所引入的色差和二级光谱;给出了新型非球面方程及特性,解决了普通非球面方程项数选取复杂的问题.在上述理论基础上,利用Zemax光学设计软件对系统进行仿真,引入4个谐衍射面和4个新型非球面.设计结果表明,在奈奎斯特频率50 lp/mm时,调制传递函数曲线均在0.5以上,成像质量较好,可广泛应用于军事、航天等领域.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2018(039)004【总页数】4页(P466-469)【关键词】变焦光学系统;超高变倍比;谐衍射;新型非球面;光学设计【作者】张欣婷;亢磊;吴倩倩【作者单位】长春理工大学光电信息学院,吉林长春130012;中国中车长春轨道客车股份有限公司,吉林长春130062;长春理工大学光电信息学院,吉林长春130012【正文语种】中文【中图分类】TN251;O439引言近年来，随着光学设计理论的完善和光学工艺的进步，变焦光学系统在光学领域的应用越来越广泛，主要体现在变倍比的不断提高和成像质量的不断完善，其变倍比可达上百倍、成像质量可与定焦系统相媲美。
但是高倍变焦系统在变焦结构上有所限制，由于焦距过长，为避免系统体积过大，只能使用负组补偿、双组联动或全动型变焦结构[1-3]；同时，长焦距和高倍率也会引入很大的色差和二级光谱，这些都是在进行高倍变焦系统设计时需要攻克的难关。
本文设计了一种300×的超高倍变焦光学系统，采用谐衍射元件校正色差和二级光谱；提出一种新型非球面方程，在保证成像质量的前提下减少非球面的使用数量。
谐衍射元件和新型非球面结合，解决了超高变倍比变焦系统设计中存在的一些问题。
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。
大面阵中波红外连续变焦光学系统设计
大面阵中波红外连续变焦光学系统设计骆守俊;何伍斌;李文虎;徐明轩【摘要】A mid-wavelength continuous zoom optical system was presented for a staring Focal Plane Array(FPA) infrared detector by cooling assembly. The optical system with an optical configuration of reflect mirror fold was composed of a zoom object lens system and a secondary imaging system including seven lenses and two reflectors. On the basis of zoom principles, the systemic structure and design parameters were given by using special optical design software, then the schematic diagram and imaging quality were investigated. Finally, the performance and indexes of the system were verified. The results indicate that the system can offer a 50-500 mm continuous zoom and 100% cold shield efficiency. Moreover, the Modulation Transfer Function (MTF) in whole fields at Nyquist frequency is over 0. 35 and the whole field distortion is below 2%. These results show that the system is characterized by high resolution, thermal sensibility,excellent images and smooth zoom locus.%针对制冷式大面阵640×512凝视焦平面阵列探测器,设计了一套中波红外连续变焦光学系统.该系统由变焦系统和二次成像系统构成,包括7片透镜和2个反射镜组成的折叠光路.首先,根据变焦原理和专业光学设计软件给出了系统结构及其参数.然后,分析了系统的像质和冷反射效应.最后,验证了系统的性能指标.结果表明:该系统可以实现50～500 mm的连续变焦,变焦过程中目标景物始终清晰可见;系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35,全视场畸变小于2％,无冷反射现象;具有分辨率高、热灵敏度高、像质好、变焦轨迹平滑等特点,基本满足设计要求.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2012(020)010【总页数】6页(P2117-2122)【关键词】红外光学系统;连续变焦;大面阵探测器;光学设计【作者】骆守俊;何伍斌;李文虎;徐明轩【作者单位】华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015【正文语种】中文【中图分类】TN2161 引言红外成像系统以被动工作方式，具有抗电子干扰、隐蔽性好、图像直观、易于观察、精度高、低空探测性能好等优势，在警戒、侦察、地面防空和制导等军事领域中得到了广泛应用，从而受到各国相关研究机构及人员的关注［1－3］。
6、A院市场部-光学变焦-2014-10-25
光学变焦的方法----MEMS变焦
谷歌曾经申请的一项Alvarez镜头专利，镜头能够配置两个不同厚度的板块，通过折射 实现光学变焦功能。简单地说，这种技术最大的好处就是非常适合小型数码设备如智能手机 使用，可以实现一定倍数的光学变焦功能，不增加手机体积和功耗；但它也存在一定局限性， 便是光学变焦倍数相对有限、同时镜头模块也相对固定，不能由厂商随意定制。
光学变焦的方法----DYNAOPTICS变焦
来自旧金山和新加坡的团队组成了DynaOptics工作室，他们提出了一种全新的光学结 构。用它制造出的摄像要一组镜片内部移动调节彼此间距离以实现不同的光路，达到变 焦的目的。DynaOptics提出了一个全新的光学结构，镜片间距离不变，而是通过平移镜片 改变光路，就像是某种特殊的双焦镜片那样。
总结
1、光学变焦的原理 通过改变成像面对角线的角度来改变视角，从而产生了“相当于”镜头焦距变化的效果 2、七种实现光学变焦的方法 外伸缩式，内伸缩式，潜望式，双摄像头算法变焦，MEMS变焦，DynaOptics变焦，移动 变透镜组。
PS：手机搭载的摄像头从像素不断拉高，到图像质量不断提升，到目前光学防抖的加入和 普及下，下一阶段加入光学变焦功能必然成趋势。
光学变焦的方法---潜望式
为了再把内伸缩式的高度降低，索尼等公司创造性地设计出潜望式光学变焦模组，即在
镜头末端增加一个45度的镜片，并将模组平行放置在手机上，高度得以大大降低。索尼的T
系列卡片式数码相机超薄的机身就是采用这一设计得以完成的。 潜望式的结构，如果资源相对丰富，应用到智能手机上应该是非常棒的选择。
内伸缩式成功地缩小了摄像头模组尺寸，并且把整体伸缩的结构更改为单个镜片在模组
内的运动伸缩，使模组更容易搭载在手机上使用。但缺点是模组高度太高，以至于手机整机 结构和ID设计难度很大，诺基亚更是别出心裁地将该摄像头设计在转轴部位。但当下是追求 简洁的智能手机时代，较大的模组高度显然不容易设计到手机中。
变焦系统的光学设计
变焦系统的光学设计作者：杨欢来源：《科技风》2020年第20期摘;要：本文的可变倍扩束镜的变焦部分采用三组元的机械补偿式结构，通过参数计算、变焦方程求解以及焦距公式求解相关参数，利用ZEMAX仿真优化，其扩束比为2.5×～5×。
在定焦扩束比为4×的基础上，得到一个入射光口径为1mm，扩束比为10×～20×的可变倍扩束镜。
关键词：变倍扩束镜;变焦;光学设计1 绪论透射式扩束系统一般由球面透镜组构成，它的结构简单，改变透镜组之间的间距可实现对激光束的变倍扩束。
但是，随着系统输出的激光束口径的增大，系统的像差也会明显增加，所以这类系统适用于扩束倍率不大的激光扩束系统。
[1]变焦距系统是通过改变光学系统中各透镜组之间间距的方法来实现的，因为原焦距的物像关系会随着透镜组间距的变化而发生变化，所以在变焦的过程中，如果想要确保光学系统的原物像关系，就需要采取一种类似补偿的方法来实现。
本文选用像面稳定性较好的机械补偿式三组元作为变焦系统的基本结构，其中包含变倍组、固定组、補偿组。
[2][5]2 变焦系统的设计2.1 变焦过程推导当L1的移动距离为q时，为了保证L2的像点B与L3的焦点F3重合，我们设定L3的移动距离为e，它们的位置关系如图1。
2.2 计算变倍组和补偿组的移动距离（1）确定各组元的焦距以及各组元的初始距离：f1′，f2′，f3′，d1，d2。
（2）计算变倍组和补偿组的移动距离：q，e。
L1移动q后，L2的放大率为：m2（q）=f12′f′1=f2′f1′+f2′-（d1-q）（1）对L2列高斯公式得：1（e+d2）+f3′-1f1′-（d1-q）=1f2′（2）变形可得：e=f1′f2′-（d1-q）f2′f1′+f2′-（d1-q）+f3′-d2（3）假设入射光线高度为h1，出射光线高度为h3，那么：h1=（-f1′）（-u）=f1′，h3=f3u′（u′为L2的像方孔径角）M=h3h1=-f3′f1′m2（q）（4）变倍组做的是直线运动，其运动状态可以通过公式直接计算出来;补偿组做的是非直线运动，不能通过公式直接计算出来，需采用编程的方法来实现。
光学变焦镜头方面的书
光学变焦镜头方面的书一、引言光学变焦镜头是现代摄影领域中的重要技术之一。
通过改变镜头的焦距，可以实现对拍摄对象的放大或缩小，从而获得不同的视角和画面效果。
光学变焦镜头的发展历史悠久，其原理和设计方法也经过了多年的研究和改进。
本书旨在介绍光学变焦镜头的基本原理、设计方法和应用领域，为读者提供全面、详细、深入的知识。
二、光学变焦镜头的原理2.1 光学变焦的概念在介绍光学变焦镜头的原理之前，首先需要了解光学变焦的概念。
光学变焦是通过改变镜头的焦距来实现对拍摄对象的放大或缩小。
光学变焦镜头通常由多个镜片组成，通过调整这些镜片的位置和相对关系，可以改变光线的传播路径，从而实现对焦距的调节。
2.2 光学变焦的实现方式光学变焦镜头的实现方式有多种，其中常见的包括平移变焦、旋转变焦和内变焦。
平移变焦是通过将镜头组件沿光轴方向移动，改变镜头与成像平面的距离来实现变焦；旋转变焦是通过旋转镜头组件，改变镜头的焦距；内变焦是通过改变镜头组件内部的构造，实现焦距的调节。
2.3 光学变焦的优缺点光学变焦镜头相比于固定焦距镜头具有一定的优缺点。
其中，优点包括灵活性高、拍摄角度可调节、成像质量高等；缺点包括体积大、重量重、成本高等。
在实际应用中，根据拍摄需求和具体场景，选择合适的镜头类型是非常重要的。
三、光学变焦镜头的设计方法3.1 光学变焦系统的设计要点光学变焦镜头的设计需要考虑多个因素，包括光学系统的结构、材料的选择、镜片的形状等。
在设计过程中，需要注意光学系统的成像质量、变焦范围、变焦步长等要点，以满足不同拍摄需求。
3.2 光学变焦镜头的组成光学变焦镜头通常由多个镜片组成，其中包括正透镜、负透镜、非球面镜片等。
不同类型的镜片在光学系统中扮演不同的角色，通过合理组合这些镜片，可以实现对光线的控制和调节。
3.3 光学变焦镜头的调焦方式光学变焦镜头的调焦方式有多种，常见的包括手动调焦、自动调焦和电动调焦等。
手动调焦是通过手动旋转镜头环来调节焦距；自动调焦是通过镜头内部的电机和传感器来实现焦距的自动调节；电动调焦是通过遥控器或者相机上的按钮来实现焦距的调节。
基于Matlab的变焦光学系统设计
基于Matlab的变焦光学系统设计摘要：该系统通过引入二元面和非球面，改善了系统的成像质量，同时精简了系统结构，显著提高了连续变焦系统的透过率，连续变焦系统通过焦距的连续变化，对不同视场目标成像，实现探测跟踪的连续性。
关键词：Matlab；变焦光学系统设计；目前常见的变焦系统主要有两档或多档变焦，虽然结构简单，易于实现，但在切换过程中有可能致使目标模糊或丢失，影响探测跟踪的连续性。
另外，部分连续变焦系统虽然可以实现变焦的连续性，但是系统往往包含镜片较多，严重降低了系统的透过率，不利于目标的探测。
1 现状分析目前，国内只是对换挡变倍红外光学系统进行了无热化设计，方法包括机械被动式、电子主动式、光学被动式；对连续变焦红外光学系统进行了无热化设计但方法只局限在机械被动式和电子主动式。
由于连续变焦光学系统需要在一定的焦距范围内都能成像，而且在此焦距范围内的各个变焦位置必须保证工作在一定宽的温度范围内，若想到达此目的是比较难的，因此国内对连续变焦光学系统采用光学被动式的方法进行无热化设计还没有准确的报道。
2 Matlab的变焦光学系统设计（1）设计原理。
连续变焦光学系统是通过机械补偿实现变焦的，其中根据补偿组的焦距正负分为正组、负组两种补偿方式。
通常，变倍组焦距相同时，两种补偿方式相比较，正组补偿的连续变焦光学系统结构细而长，而负组补偿的系统结构短而粗，且负组补偿二级色差和球差均比正组补偿大，对小视场系统，且对球差、二级色差要求低的情况，负组补偿可以达到要求; 但对大视场变焦系统，或大倍率变焦系统，要求二级色差小，则必须采用正组补偿，属视场和孔径较大的系统，其色差和高级像差较难校正，因此本系统采用正组补偿方式实现连续变焦，由于系统要求视场角比较大，反射式结构难以满足要求，所以系统结构拟采用透射式，红外波段常用的光学材料较少，且价格贵，光学系统要消色差就必须采用多种玻璃，二元光学元件在系统中主要用于校正色差，同时可以校正其它像差，有利于简化系统结构、缩小体积和减轻系统重量，具体原理简述如下一般光学镜片的色差是由光学玻璃的材料色散特性引起的，而二元光学元件的色差是微结构衍射的波长依赖性引起的。
可变焦距机器视觉镜头光学系统设计
可变焦距机器视觉镜头光学系统设计刘巧玲;陈丽娜;余华恩;柯华恒;梁秀玲【摘要】在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。
针对生产过程中机器视觉系统在保持工作距离不变的情况下需获得不同的放大倍数，采用机械补偿形式，利用Zemax软件设计了一款可用于机器视觉的可见光多焦点变焦物镜系统。
该系统工作距离可以在290 m m～340 m m范围内变化，实现了焦距从10 m m～100 m m的10倍多焦点变焦。
设计结果表明：该变焦物镜最大畸变小于1％，最大兼容0．84 cm （1／3英寸）CCD图像传感器。
用调制传递函数对系统的成像性能进行评估，该系统在空间频率100 lp／m m处调制传递函数大于0．3，满足成像要求。
%In machine vision systems ,lens is mainly responsible for imaging object on photosen‐sitive surface of image sensor .Based on machine vision systems ,the mechanical compensated zoom was adopted ,the Zemax software was used to design a visible multifocal zoom lens sys‐tem that could be applied in machine vision systems to address some specific situation w hile dif‐ferent magnification were required but working distance remained unchan ged during produc‐tion .The system has the working distance from 290 mm to 340 mm andthe focal length chan‐ging from 10 mm to 100 mm ,which makes 10 times multifocal zoom possible .The results show s that for this multifocal zoom lens ,the maximum distortion is less than 1% ,and it can best hold 1/3 inch CCD image sensor .The system imaging performance was assessed by modu‐lation transfer function(MTF) ,and MTF is greater than 0 .3 at the frequency of 100 lp/mm , w hich meets the imaging demands .【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】7页(P199-205)【关键词】光学设计;变焦系统;机械补偿变焦;机器视觉【作者】刘巧玲;陈丽娜;余华恩;柯华恒;梁秀玲【作者单位】福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室，福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室，福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室，福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室，福建福州350007;福建师范大学光电与信息工程学院福建省光子技术重点实验室，福建福州350007【正文语种】中文【中图分类】TN942.2;O439引言典型的机器视觉系统一般包括光源、光学镜头、智能相机、图像处理单元（或图像采集卡）、图像分析处理软件、监视器、通讯／输入输出单元等。
长焦距大口径连续变焦光学系统的设计
文章编号:1002-2082(2007)05-0569-05长焦距大口径连续变焦光学系统的设计胡际先(华中光电技术研究所,湖北武汉430073)摘 要: 根据某探测设备可见光通道光学系统的特点和技术指标要求,详细介绍长焦距大口径连续变焦光学系统结构形式选择、初始结构参数计算及像差平衡的方法,给出运用该方法设计的采用正组机械补偿形式的长焦距大口径连续变焦光学系统的设计结果。
对连续变焦光学系统进行了像质检测、实景成像及环境试验考核,其结果表明:该光学系统能满足某探测设备的性能要求。
关键词: 连续变焦光学系统;初始结构参数;光学设计;像差平衡;像质中图分类号:T N 942.2 文献标志码:ADesign of long focal length large -aperture optical zoom systemHU Ji -xian(Huazhong Inst itute o f Electr o -Optics ,W uhan 430073,China )Abstract :Based on the features and specifications of the visible optics fo r a detectio n system ,the selection of o ptical layouts,the parameter calculatio n of initial layout and the metho d of aberration balance for a long focal length,larg e-aperture optical zoom system are intro duced.T he optical system design incorporated with mechanical compensation is presented .T he im ag e quality test,scene imaging evaluation and environment test for the optical sy stem w ere carr ied out.T he test result show s that the o ptical sy stem designed w ith this method meets the system requir em ent .Key words :optical zoom system ;initial str ucture par am eter ;optical desig n ;aberration balance;image quality引言某军用光电探测设备要求探测目标距离大,对目标既能作大区域小倍率的概观,又能小区域大倍率的仔细观察,因此,要求光学系统须采用长焦距大口径的连续变焦系统。
10倍全球面红外变焦光学系统设计
10倍全球面红外变焦光学系统设计赵英明;杨若夫;杨春平【摘要】针对320×240像素非制冷红外焦平面探测器,设计了一个工作波段为3.7 μm～4.8μm的红外变焦光学系统.该系统由6片全球面透镜组成,采用硅和锗两种常见的红外材料,F数为2.5,后工作距为20 mm,可以实现15 mm～150 mm范围内连续变焦.设计评价结果表明:光学系统在探测器奈奎斯特频率16 lp/mm处,变焦范围内全视场MTF大于0.6,0.7视场MTF接近0.7,整体接近衍射极限.焦平面探测器敏感元能量集中度大于70％,具有大相对孔径、长工作距、全球面的特点.在-20℃～60℃温度范围内,成像质量满足设计要求.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2016(037)003【总页数】6页(P465-470)【关键词】光学设计;变焦系统;红外技术;非制冷焦平面探测器【作者】赵英明;杨若夫;杨春平【作者单位】电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054【正文语种】中文【中图分类】TN216红外成像技术具有抗干扰、隐蔽性好、环境适应能力强和被动工作等特点，在安全监控、刑事侦查、航空航天等领域有广泛的应用[1-8]。
非制冷型红外焦平面探测器具有体积小、适用性强、无需制冷等特点，有着良好的发展前景[9]。
随着非制冷红外焦平面探测器等红外技术的发展，非制冷型红外变焦系统应用范围会逐渐扩大。
在用于目标探测时，连续变焦光学系统通过变焦能够实现短焦搜索目标，长焦观察目标。
较大的变焦范围可以增强系统的实用性，增大相对孔径可以使红外敏感元捕获更多的能量信息并提高分辨率，在设计时考虑两者的同时也要兼顾系统的尺寸、重量、加工成本等因素。
在满足设计指标的情况下，使用数目最少的透镜和选用常见的面型是较好的设计。
文献[1]基于160×120像素非制冷探测器设计了一个10倍变焦红外光学系统，使用了8片透镜并引入了2个偶次非球面；文献[2]基于640×512像素焦平面探测器设计的10倍红外变焦系统，使用了7片透镜和2个反射镜，其中包括3个非球面，2个衍射面；文献[3]针对制冷型320×240像素红外焦平面探测器，设计了一个25倍红外变焦系统，虽然能够实现高倍变焦，但其使用了10片透镜并引入了4个非球面，结构复杂。
长焦距大口径变焦光学系统的设计
长焦距大口径变焦光学系统的设计摘要焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。
本文主要通过对变焦光学系统的概念和特征进行介绍，分析了变焦光学系统的原理，从而对长焦距大口径变焦光学系统在天文望远镜中的应用进行分析。
关键词长焦距；大口径；变焦光学系统随着物理光学的发展，变焦技术越来越得到普及使用，在天文学更是应用广泛，尤其是天文望远镜。
现代的天文望远镜已实现了米级、十米级、百米级口径，其焦距变化比也实现了上千、上万的升级，使得天文观测越来越具体化，细致化。
有利的推动着天文学的发展。
1 变焦光学系统概述变焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。
变焦光学系统主要在于它的变焦镜头，变焦镜头最主要的特点在于它可以随着使用者的意愿使镜头焦距实现变换。
跟固定焦距镜头不同的是，它是通过旋转或者推拉变焦环以达到变换镜头焦距的效果，而不是通过快速变换镜头来达到变换焦距。
其在焦距变化的范围内可以实现无级变换，在这个范围内，任何焦距都可以进行观察和拍摄。
由于焦距的变化，因此变焦光学系统能够在一定范围内实现大小不同的视场角、影像和景物范围。
2 变焦光学系统的原理变焦距光学系统主要特征在于其焦距可以进行连续的变化同时保持像面的稳定，从而能保证相同物体在一定范围内实现焦距不同的清晰像，有利于观察使用者对物体的观察分析。
变焦光学系统是由固定焦距透镜组合而成的，首先我们分析下固定焦距透镜，固定焦距透镜在对物平面进行一定的位移时，其相应的像平面和像大小也将发生位移，只有通过在两个特殊位置进行位移，即“物像交换位置”，其相应的像大小变化而像平面不发生变化，如图1。
此时的初始位置放大率将为：；在发生物像交换之后的放大率为：；这前后两个位置所得到放大率之间的比值即为变倍比：；因此，在物像交换位置上，其物像之间的共扼距是没有发生变化的，只是其变倍率产生了M倍的变化，即为原先的β12，而这两个放大率之间的位置将随着变焦倍率的变化而发生相应的位移，如图2。
光学变焦系统设计PPT42页
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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
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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
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变焦系统原理
光学变焦系统设计
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
变焦系统光学设计
变焦系统原理
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。
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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
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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
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，
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。
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
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61、辍学如磨刀之石，不见其损，日 有所亏 。 62、奇文共欣赞，疑义相与析。
63、暧暧远人村，依依墟里烟，狗吠 深巷中 ，鸡鸣 桑树颠 。 64、一生复能几，倏如流电惊。 65、少无适俗韵，性本爱丘山。
变焦系统光学设计
• 变焦系统概述 • 变焦系统原理 • 变焦系统实例
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变焦系统概述
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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
。
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增大。则 增大
d f 若： 1 >0 2 <0 且 2 来自 1增加 减小13
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
2 1
即
1
2
1
▪ 组份在这一对物像交换位置上共扼距不变
▪ 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
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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
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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 21
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。
▪ 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。
▪ 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。
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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
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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
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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
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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 三元组补偿点
二元组补偿点
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四元组补偿点
变焦系统原理
▪ 1932年，德国光学专家赫尔穆特·瑙曼设计了焦距为2580mm、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
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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。
双组联动系统结构示意图 22
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
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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。
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。
b．改变焦距，同样可以实现变倍。
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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
（假设 f ' f ）
共轭距 根据
G l' l (x ' f') (x f)
2f'(x'x)
f ' x'
x f'
得到
G f '(2 1)
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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
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
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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
光学系统的横向放大倍率β： f x
一般物方和像方媒质都是空气，即 f ' f 则： 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；
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。
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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
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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
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。
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变焦系统原理
2.变焦原理
系统的焦距变化有下式给出
12d12
d 1
2
分别是两块透镜的光焦度。
是两透镜之间的间隔
是合成光焦度。
d f 若： 1 >0 2 >0