变焦系统设计的小型化
大相对孔径中波红外变焦系统的小型化设计
R S 2 , -0 2 + T ) + , 3U 2 8 8 2 . 30 7 4 3 D 09 V R W * ) , @ % $ $ ' R S 2 , F F E&
6 7 + ' ) & 8 ' 5 6 2 7 . 8 8 6 3 DX 2 6 S. + 3 + 3 . 6 2 Y 3 3 + 6 * + 3S 8 . + 3 + 3 , 6 + , 7 31 * 2 . 6 S , 2 6 8 7 ) * , > 1 F E 1 E 1 6 3 + + 6 8X S 3 , 6 S 3 2 + / ) 7 . . 3 , 6 S 8 + 3 3 * . 8 )D ) + 3 3 , 3 + ) . . 3 7 6 3 4, 4 / * + 6 S 3 +4 2 8 6 , 7 34 3 6 3 7 > 1 E O E F7 6 S 3T 3 + + 6 2 ) , 8 2 , 7 + 3 8 3 X S 2 7 S+ 3 * 2 + 3 8D ) + 3 . 3 , 8 3 8 6 )7 ) + > 6 3 4: Z * 64 * 3 6 ) 2 6 8 . + 33 + 6 * + 3 O E 1 + 3 7 6 , 47 ) , 8 3 * 3 , 6 . * 8 3. 2 7 6 2 ) ,+ 3 8 6 + 2 7 6 2 ) , 8T ) . * D 3, 4X 3 2 S 6 :J )6 7 [ . 36 S 2 82 8 > O F7 1 1 FY E D 8 * 3 \ ) ) D1 + D 3 6 3 + 8X 3 + 37 . 7 * . 6 3 4, 4) 6 2 D 2 \ 3 4+ 3 8 ) , T . ) + 3 ) Y 3 +T 4 ) 6 2 , ) D > 1 F F1 E7 ) * , 4 3 48 S 3 + 2 7 , 44 2 / / + 7 6 2 Y 3 8 * + / 7 3 8 + 3 2 D 2 , ) ) DD 2 4 > X Y 3 2 , / + 4 3 UL V ] 8 8 6 3 D 1 1 E E\ F * D T 3 + 2 8 %: ?, 4 6 S 3 8 3 7 6 + * D2 8 ! D" D: K ) + X 2 6 S) , . 3 , 8 3 8X 84 3 8 2 , 3 4 : J S 3! , 1 F?. E H ! # $H# & $1 2 Q 3 . 84 3 6 3 7 6 ) +X 2 6 S7 ) ) . 3 4/ ) 7 .1 . , 3+ + K M 0 6 S 3D , 2 / 2 7 6 2 ) , 2 8" , 46 S 3 F E / ) * + / 2 3 . 4 8) /Y 2 3 X K 59 8 + 3! $DD A $ DD ' $ DD % " $ D: J S 3) 6 2 7 . 3 + 6 * + 38 6 ) 6 > 1 1 1D 7 S 3 8 6 S 34 3 6 3 7 6 ) + ^ 8 , 4 6 S 3 7 ) . 48 6 ) / / 2 7 2 3 , 7 2 8 3 * . 6 )% $ $I: J X ) + 3 / . 3 7 6 2 Y 3D 2 + + ) + 8 + 3 > 13 F O 1 . 2 3 46 )/ ) . 46 S 3) 6 2 7 . 6 S 2 Y 2 , ) D 7 6Y ) . * D 3) / + ) * , 4# % $DDH% $ $DDH? " DD: 1 1 1 E E-7 1 W 3 8 8 . 3 , 8 3 8, 48 2 D . 3\ ) ) DD 7 S 2 , 3 + / / 3 7 6 2 Y 3 . 3 4 * 7 3 6 S 3X 3 2 S 6 : 1 F3 F+ E 9 * " ) ! + . + 3+ 3 . 6 2 Y 33 + 6 * + 3 \ ) ) D. 3 , 8 ) 6 2 7 . 7 ) D 3 , 8 6 2 ) , ) 6 2 7 .4 3 8 2 , E 1 1 1 1 E :; 应用需求 为 解 决 系 统 体 积 质 量 方 面 的 限 制 小 型 轻量化设计是 一 个 重 要 的 发 展 方 向 因 此 针 设 计 一 种 轻 小 型 对采用较小 ! 数的制冷 探 测 器 大相对孔 径 的 光 学 系 统 在红外变焦光学系统设 计领域将具有较高的应用价值 在 红 外 变 焦 系 统 设 计 中 采用光学补偿方式
大变倍比中波红外变焦系统的小型化设计
ｔ ｕｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎｔ ｉ ｎｕ ｏｕ ｓ ｚ ｏ ｏ ｍ ｏ ｐｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｄ ｏｐ ｔ ｉ ｎｇ ｍｅ ｃ ｈａ ｎｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｏｍｐ ｅ ｎｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ，ｅ ｍ—
ｐｒ ｉ ｎｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ａ ｎ ｄ Ｚｅ ｍａ ｘ ｏ ｐｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ，ｔ ｈｅ ｏ ｐｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇｎ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｏｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｄ，ｉ ｍａ ｇｅ ｑ ｕａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｅ ｖ ａ ｌ ｕａ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｍ ｃ ｕｒ ｖ ｅ ｗｅ ｒ ｅ ｌ ｉ ｓ ｔ ｅ ｄ． Ｔｈｅ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏｗ ｔ ｈａ ｔ ｓ ｉ ｘ ｌ ｅ ｎｓ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｕｓ ｅ ｄ
２ ． Ｇｒ ａ ｄ ｕ ａ ｔ ｅ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｃｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ，Ｂｅ ｉ ｊ ｉ ｎ ｇ １ ０ ０ ０ ４ ９ ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｍｉ ｄ ＿ ｗａ ｖ ｅ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ（ ＭＷ Ｉ Ｒ） （ ３ ２ ０× ２ ４ ０ ）ｃ ｏ ｏ ｌ ｅ ｄ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ，ａ ｎ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｍｉ ｎ ｉ ａ －
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。
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
ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｅｒｉａｌ ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ．
Ｋｅｙ ｗ ｏｒｄｓ： ｍｉｎｉ ＵＡＶ ；ｚｏｏｍ ｃａｍｅｒａ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｆｏｃｕｓ ｚｏｏｍ ｌｅｎｓ；ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ
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：Ａｉｒｂｏｒｎｅ ｃａｍｅｒａ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｔｈｅ ｔａｃｔｉｃａｌ ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ ｏｆ ｍ ｉｎｉ—ＵＡＶ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｒｅａｋｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｒａｄｉｔｉ０ｎ． ．
ａｌ ｗａｙ ｆｏｒ ＤＳＰ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｒ ｆｉｘｅｄ ｆｏｃｕｓ ｏｆ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｃａｍｅｒａｓ． Ｉｎ ｃｅｒｔａｉｎ ａｌｔｉｔｕｄｅ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｆｏｃｕｓ ｚｏｏｍ ａｎｄ ｓｔｅｐ ｆｉｔｔｉｎｇ ｗａｓ ，
一种微型变焦系统的设计
的接 收 器 是 贫 点 阵 Ｃ Ｄ， 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 。
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 ， 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
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第 ７卷 第 １ ０期 ２０ ０７年 ５月 １７ —８９ ２０ ） １－３ ３０ ６ １１ １ （０ ７ ０ ０２ ４ －４
5倍变焦距光学系统小型化设计
ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｋ ｉ ｎ ｄ ｓ ｏ ｆ ｃ ｏ ｍｍｏ ｎ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ．Ａｔ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｎ ｇ ｆ ｏ ｃ ａ ｌ ｌ ｅ ｎ ｔｈ，ｃ ｇ ｏ ｍｂ ｉ ｎ ａ ｔ ｏ ｒ ｉ ａ ｌ ｄ ｅ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ
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 Ｃ Ｏ Ｄ Ｅ Ｖ光 学 设计 软件 ， 优 化设 计 了焦 距 为 ３ ０～
１ ５ ０ Ｉ ｎ ｎ， 视场角为 １ ２ ． ９ ０ 。Ｘ１ ０ ． ２ ５ 。～ ２ ． ５ ９ 。× ２ ． ０ ７ 。 ， 筒 长仅 为 １ ７ ４ ｍ ｍ 的变焦距 光学 系统 ， 得到成 像质 量优 良的设计 结
，
ｔ ｕｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｚ ｏ ｏ ｍ ｏ ｐｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ． Ｔａ ｒ ｇ ｅ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｉ ｄ ｅ ｎ ｔ ｉ ｉｅ ｆ ｄ ａ ｔ ｓ ｈｏ ｒ ｔ ｆ ｏ ｃ ａ ｌ ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ， ｗｉ ｄ ｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ，ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｃ ｏ ｇ ｎ ｉ ｚ ｅ ｄ ａ ｔ ｌ ｏ ｎ ｇ ｆ ｏ ｃ ａ ｌ ｌ ｅ ｎｇ ｔ ｈ，ｎａ ｒ ｒ ｏ ｗ ｉｅ ｆ ｌ ｄ．Ｔｈ ｅ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｏ ｍｐ ｅ ｎｓ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｓ ｓ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｅ ｄ
Ｍ ｉ ｎ ｉ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ５ Ｘ ｚ ｏ ｏ ｍ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
适用于无人机小型吊舱的变焦控制系统设计
第４ ０卷 第 ｌ 期
２ ０ １ ３ 年１ 月
光 电工 程
Ｏｐ ｔ ｏ — Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎｉ ｃ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
、 ， ｏ １ ． ４ ０ ． ＮＯ． １
Ｊ ａ ｎ． ２０１ ３
文章 编 号 ：１ ０ ０ ３ — ５ ０ １ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ １ ３ ９ — ０ ６
ｌ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ａ ｒ ｅ ｃ ａ ｌ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｏ ｆ － ｌ ｉ ｎ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｓ ． Ｔ ｅ ｎ ｅ ｎ ｇ ｒ ａ ｄ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ， Ｂｒ ｅ ｎ ｎ ｅ ｒ ｕｎ ｆ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｑ ｕ ｒｅ ａ ｇ ｒ ａ ｄ ｉ ｅ ｎ ｔ ｕｎ ｆ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
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 ３ ０ ０ ０ ７ ２ ）
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
【杂谈】如何将长焦镜头小型化？
【杂谈】如何将长焦镜头小型化？我们在2018年的年度器材十大关键词中提到过，为了吸引更多的消费者购买，目前大多数品牌都在对长焦镜头的小型化，轻量化改进。
那么时间来到2021年，我认为小型化与轻量化已经成为了不少长焦镜头的核心竞争力，今天我们就来和大家聊一聊这几年里各品牌是如何将长焦镜头小型化的。
观前提醒，本文章器材仅限全画幅产品，毕竟“赚长焦”这件事还是缩小画幅最容易实现。
古典但有效的方案：使用菲涅尔镜片代表产品：尼康AF-S 尼克尔 300mm f/4E PF ED VR、尼康AF-S 尼克尔 500mm f/5.6E PFED VR、佳能EF 400/4 DO ISII USM 菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀.菲涅尔发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。
相比传统的球面透镜，菲涅尔透镜通过将透镜划分出为一系列理论上无数多个同心圆纹路，达到相同的光学效果，同时节省了材料的用量。
不仅如此，菲涅尔透镜还可以利用光衍射现象来补偿色差，让普通玻璃材料做到类似萤石玻璃的低色散效果。
不过菲涅尔透镜也不是完美的，最核心的问题就在于会影响画质。
所以佳能早在2001年就发布带DO多层衍射光学元件的镜头产品，不过无论是EF 400mm F4 DO IS II USM还是EF 70-300mm F4.5-5.6 DO IS USM都只缩短了镜头长度，和类似规格产品比并没有减轻重量。
2015年尼康发布了首个采用PF镜片（菲涅尔透镜）的产品AF-S 尼克尔300mm f/4E PF ED VR，与同规格的AF-S尼克尔300mm f/4D IF-ED相比，重量减轻了约545g，总长度缩短约75mm（距离相机镜头卡口的长度），最大直径缩小约1mm。
最关键的是，由于较高的加工工艺，尼康AF-S 尼克尔 300mm f/4E PF ED VR在画质上相当了得，不仅焦内锐利焦外也看起来和普通镜头没有别差。
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。
航空变焦镜头的小型化设计
第37卷第3期 光电工程V ol.37, No.3 2010年3月Opto-Electronic Engineering March, 2010 文章编号：1003-501X(2010)03-0061-05航空变焦镜头的小型化设计洪永丰1，张学明1，程欣1,2，张葆1( 1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033；2. 中国科学院研究生院，北京 100039 )摘要：航空相机的光学系统决定相机的外形尺寸，针对一个25倍航空变焦镜头的光学设计指标要求，进行小型化设计。
为缩短筒长，采用负组补偿偏离物像交换变焦结构，缩短变倍补偿系统各组元焦距，增加前固定组和变倍组间距的设计方案，通过解初级像差方程求得初始结构，依据像差理论，利用ZEMAX自动设计软件进行像差校正平衡。
设计结果表明，该系统可以实现20∼500 mm的连续变焦，筒长只有198 mm，中心视场传递函数值大于0.4，0.7视场传递函数值大于0.2。
关键词：变焦镜头；像差理论；光学设计；航空相机中图分类号：TH74；V445.8 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.03.012Miniaturization Design of Aerial Zoom LensesHONG Yong-feng1，ZHANG Xue-ming1，CHENG Xin1, 2，ZHANG Bao1( 1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China ) Abstract: The dimension and configuration of aerial cameras is mainly determined by the optical system. A miniaturization design was made based on the requirement of a 25×aerial zoom lens. In order to decrease total optical length, a design scheme was employed by selecting mechanically compensated zoom lens with a negative compensator, shortening the focus length of variator and compensator, and increasing the distance between front group and variator.An initial configuration was obtained by solving equations of aberrations. According to aberration theory, the aberrations were corrected by using ZEMAX optical design software. The result indicates that the focusing length can vary from 20mm to 500 mm continuously for this system, the optical total length is only 198 mm, and the Modulation Transfer Function (MTF) values are higher than 0.4 at 0 field and 0.2 at 0.7 field respectively.Key words: zoom lens; aberration theory; optical design; aerial cameras0 引 言连续变焦光学系统是焦距在一定范围内连续改变时，像面稳定并且保持良好的像质，从而实现像面景物的大小连续变化，得到定焦镜头和多档变焦镜头无法达到的视觉效果。
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。
变焦系统设计的小型化
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 Ｚ ＭＡ Ｅ Ｘ软 件设计 了一个 用于监控的 变焦 系统 ， 变焦范 围：０ ｎ ｎ一 ６ ０ ｍ。 ２０ ｕ ０ ｒ 变倍 比：ｘ 镜筒长度 ：５ ｒｍ。设计 结果表 明 ： 变焦 系统较之 同类设计结果 。 ａ ３， ４０ ａ 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 ： Ｈ ０ Ｔ Ｔ３ 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 ．Ａ ｍｏ ｉ ｎ ｇ ｓ ｓｅ ｉ ｅ ｉｎ ｄ ｂ ｓｎ ＭＡＸ ｏｔ ｒ ． ｏ ｍ ｃ ｐ ０ ｍｍ ｏ６ ０ ｅ ｓ ｎｔ ｎ ｙ ｔｍ ｓｄ ｓｇ ｅ ｙ ｕ ｉｇ ＺＥ ｏ ｓｆ ｗａ ｅ Ｚ ｏ ｓ ｏ ｅ ｉ ２ ０ ｓ ｔ ０ ｍｍ ． ａ ｇ ｅｃ ｎａ ｅ Ｃｈ ｎ ｅ ｐ ｒｅ ｔｇ ｉ ３ｔ ｓ ． ｈ ｙ ｔ ｍ ｎ ｔ ５ ｍ ｍ． ｅ ｒｓ ｌ ｈ ｗ ｈ ｔ ｈ ｏ ｍ ｎ ａ ｈ ｈ ｒｃｅ ｉｔ ｓ ｏ ｎａ ｕｅａｎ ｇ ｔ ｓ ｉ ｍｅ Ｔ ｅｓ ｓｅ ｌ ｇｈ ｉ４ ０ ｅ ｓ Ｔｈ ｅ ｕｔ ｓ ｏ ｔ ａ ｅｚ ｏ ｌ ｓ ｈ ｓｔｅ ｃ ａ ａ ｔｒ ｉ ｆｍｉｉｔｒ ｄ ｌ ｈ ｓ ｔ ｅ ｓｃ ｉ
一种小型化连续变焦机械结构
一种小型化连续变焦机械结构1 引言随着现代科技的不断进步，数码相机的普及，广大用户对于照相的要求也越来越高，其中一个最基本的要求就是拍摄的照片具有更多的感官元素，需要更加自由灵活地使焦距变换，从而使照片更加生动。
在此基础上，连续变焦技术应运而生，其能够提供较好的照片美化效果。
本文根据均兴公司的一项数据，将着重介绍一种小型化连续变焦机械结构设计方案。
2 连续变焦原理连续变焦是指当摄像机前端的物镜或照相机镜头镜头的等效焦距自动或手动地变换时，能够在不改变取景区域及物像距的条件下，使所得成像在视角大小、景深与透视效果等方面得到更全面的满足，并给人以较多的艺术鉴赏感受。
这种技术的实现主要依靠非材料变焦、机械变焦两大类方式。
3 设计方案3.1 设计理念针对市场上套用于数码机中，现有的多达5组光学镜片方案有不少直径较大，机械结构臃肿的问题，我们将设计一种创新的机械结构方案可实现高光学品质、较小的机械尺寸，兼备数码相框、PDA、Handycam或实时摄像系统等高价值应用。
为了保证方案的顺利实施，我们需进行以下几个方面的研究：3.2 自动对焦的实现在机械结构的研制过程中，我们设计方案将融合自动对焦技术，提供用户更好的感官体验。
这种连续变焦机械结构主要依靠周围的光线情况自动识别对焦的位置信息，实现自动对焦功能，从而保证照片的清晰度和透明度。
这里需要注意的是，自动对焦系统的设计必须和连续变焦机构紧密地衔接在一起，保持一定的稳定性和速度。
3.3 机械结构的优化设计传统的连续变焦机械结构需要5组光学镜片来实现各种等效焦距，因此我们探索一种创新的机械结构设计方案，通过多组非球面透镜片和单片光学板的自由组合方式，弥补传统机械体积过大、重量过大的缺点，从而实现更轻、更小的结构尺寸和更高的品质性能。
3.4 低功耗的设计通常的连续变焦机械结构，需要 10W ~ 50W 左右的功率才能运行。
这里我们提出一种低功耗的结构方案，该方案采用高效的微电机设计，使用低功率的电源，最大限度地降低功耗，从而提高设备的稳定性和使用寿命。
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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:AMiniature of zoom systems designFENG 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 miniature0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38EIC Vol．182011No．2欢迎光临本刊网站http://www．eic．com．cn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，人们提出多种像质仪器仪表用户□科研设计成果□欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息EIC Vol．182011No．23940EIC Vol．182011No．2欢迎光临本刊网站http ://www．eic．com．cn评价方法，如几何像差、波像差、星点法、斯托列尔准则(中心点亮度)、瑞利判据、点列图、光学传递函数等。
在ZEMAX 系统中我们可以直接观察变焦系统的MTF 光学传函曲线，点列图，场曲、畸变曲线。
这些都是评价变焦系统的标准。
传递函数是光学系统的主要评价手段之一。
该系统的传递函数如图2所示，分别为长焦，中焦，短焦的传递函数曲线图。
图2系统的传递函数图从图中可以看出，在66lp /mm 空间的频率下短焦和中焦成像质量很好，MTF ＞0．4，说明该系统有较高的像质，只有在长焦时成像质量稍差，但是基本上可以满足使用要求。
3结论本文基于变焦理论的基础，介绍了长焦距连续变焦光学系统的结构形式选择，初始结构的确定及像差平衡的方法，对可见连续变焦光学系统进行了小型化的设计，该系统具有像质好，分辨率高及体积小的特点，能够满足技术指标要求，很好的用于搜索，跟踪侦查等方面。
□参考文献［1］陶纯堪．变焦距光学系统设计［M ］．北京:国防工业出版社，1988:78-81．［2］林大键．工程光学系统设计［M ］．北京:机械工业出版社，1987:387-388．［3］Iain A Neil．Optimization glitches in zoom lens design［J ］．Proc of SPIE (S0277-786X )，1997:158-162．［4］W ，J．Smith ．Modern Optical Engineering ［J ］．McGraw-Hill ，New York ，1966:300-310．［5］冯秀恒．变焦距物镜的小型化设计［J ］．光学机械，1981，2(3):12-16．［6］李林，王涌天，张丽琴，等．变焦距物镜高斯光学参数的求解［J ］．北京理工大学学报，2003，23(4):424－427．［7］梁来顺．变焦距系统设计的快速求解［J ］．应用光学，2004，25(l ):17-20．作者简介:冯蕾(1986-)，女，硕士研究生，研究方向:主要从事光学设计方面的研究。