变焦系统设计的小型化

doi:10．3969/j．issn．1671-1041．2011．02．013

变焦系统设计的小型化

冯蕾1，王栋2，冯冲3，张桂源1

(1．长春理工大学光电工程学院，长春130022;2．山西师范大学，临汾042603;3．东北大学，沈阳110031)

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一600mm，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，具有结构紧湊，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:TH703文献标志码:A

Miniature of zoom systems design

FENG Lei1，WANG Dong2，FENG Chong3，ZHANG Gui-yuan1 (1．School of Optical Enginerring，Changchun University of Science and Technology，Changchun130022，China;

2．ShanXi Normal University，Linfen042603，China;3．Northeastern University，Shenyang110031，China) Abstract:At present，as the development of optical level，the quality of zoom lens have been possible compared with fixed focus system．The zoom lens are developing to the direction of the big percentage，the greatly relative aperture and miniature．And day and day，the zoom lens are applied in widespread field．The article is based on the principle of zoom lens．A monitoring system is designed by using ZEMAX software．Zoom scope is200mm to600mm．Change percentage is3times．The system length is450mm．The results show that the zoom lens has the characteristics of miniature and light weight and small length．

Key words:zoom lens;optical system;design miniature

0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。

市场上常见的变焦镜头，焦距不长，总长相对比较长，结构比较复杂。这是因为受到成像质量以及加工工艺，加工条件的限制。焦距变长，系统很难校正像差，从而难以保证成像质量。本文主要研究长焦距变焦系统的小型化设计。在设计中使用了特殊材料，更好的校正了二级光谱。

1系统设计

1．1光学技术指标要求

变焦范围:200－600mm;变倍比:3x;F数为4;镜筒长度:450mm;像面接收为1/2英寸的CCD。

1．2系统分析

由于该系统的变倍比不大，焦距又比较长，所以系统中的色差和二级光谱的校正较为困难，而且变焦

□科研设计成果□仪器仪表用户

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过程中的像面漂移量需要进行补偿。如果采用复杂的光学补偿法，会使得系统的尺寸变大，增加镜头的质量，还会使系统的透过率降低，所以不宜采用光学补偿法［1］。双组联动学法在整个变焦过程中成像质量良好，但是双组联动的前固定组焦距比较小，会有较大的二级光谱，因为二组光谱的主要贡献来自前固定组，而且双组联动中运动组份多，增加了结构和装调的难度，降低了系统的可靠性，因此本文不选用双组联动补偿法。本文选用了机械补偿法，因为此系统变倍比不大，正组补偿可以满足要求，而且正组补偿的前固定组焦距比较长，这样更有利于校正二组光谱，设法用变倍组和后固定组的二级光谱去抵消前固定组和补偿组的二组光谱，且正组补偿的补偿曲线平滑，基于上述原因综合考虑采用正组补偿［2］。

1．3光学系统的设计

首先要确定满足变倍和像面补偿要求的变焦距系统各透镜组的焦距分配问题，确定光学系统的初始结构［3］。初始结构计算的主要目的是寻找补偿组的焦距和长焦时的变焦组的倍率的取值范围，避免补偿组的运动出现无解，或是运动曲线过于平滑等严重现象。考虑应系统的长焦处焦距比较长，二级光谱会比较严重，而前固定组对系统的二组光谱贡献量又最大，从减少像差的角度分析，前固定组的焦距要越长越好，这样对系统的二组光谱贡献就越小，但是前固定组的焦距越长，就会使得系统的总长会变长，这对减小系统的外开尺寸不利［4］。因此综合两点原因，由于系统的相对孔径为4，所以最后确定的前固定组的焦距为320mm，补偿组的焦距可以选择的范围相对大一些，但是也能不过长，或是过短，过长时补偿像面位移需要的补偿量太大，过短时补偿组负担的相对孔径就会太大，这样就要复杂的透镜结构才能负担相应的孔径，但是补偿组一般不能复杂化，容易出现卡死等现象。该系统属于小相对孔径系统，所以补偿组不宜取太大。后固定组的主要任务是补偿前面系统的像差，同时缩短总长，后固定组宜采用摄远型结构［5］。当光学系统中前固定组，变倍组，补偿组，后固定组的焦距及其间隔初步确定以后，要单独对各组分进行优化，再把它们连接起来整体优化。优化的时候需要设置相应的变量，及约束函数。对透镜的厚度和空气间隔进行约束，对系统各焦距位置处的总长和焦距进行相应的约束，不断优化，反复修改，最后使得系统得到很好的成像质量。

2设计结果及像质评价2．1设计结果

系统的变焦部分由两运动组元构成。系统的前固定组用于校正各种像差，二级光谱等等，变倍组补偿组采用高折射率材料，以及低色散的材料来校正轴向色差，慧差，轴外像差［6］，系统光路追迹图如图1所示，分别为长焦距，中焦距，短焦距的二维结构图

。

图1系统光路追迹图

从上面结构图中可以看出，在整个变焦的过程中，系统的像面位置稳定不变，且补偿组只有一个双胶合，这样更有助于变焦曲线的运动。从图中可以看出，由于前固定组上长焦距的轴上光线高度最高，中长焦距次之，短焦距最低，所以前固定组对长焦距的球差，正弦差贡献最大，同时象散贡献比较大，因此往往利用前固定组的参数来校正长焦距以及中长焦距位置的像差，使之与短焦距位置的像差相等而且数值很小［7］。

2．2像质评价

评价一个光学系统的像质优劣的根据使物空间一点发出的光能量在像空间的分布状况。按几何光学的观点来看，光学系统成像的理想状况是在像空间光能量集中在一个几何点上，实际像差使能量分散，几何光学认为光学系统能分辨无限细小的物体结构，而实际情况与此不符，这表明几何光学方法不能描述能量分布问题，即光学系统成像质量评价不能单纯依靠几何光学的方法解决。多年来，人们提出多种像质

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