高变倍比数码变焦镜头设计_高明
基于Zemax的简单连续变倍显微物镜设计
基于Zemax的简单连续变倍显微物镜设计何湘艳;陈莹花;廖文哲;姚敏【摘要】针对目前工业检测用的连续变倍显微物镜分辨率低的问题,结合机械补偿结构的变焦原理,实现了基于Zemax的简单连续变倍显微物镜设计.该物镜由6片材料为F1、K9、ZF3组合的双胶合组构成,结构简洁成像质量接近衍射极限,可以0.7×～4.5×连续变倍,能与1/3英寸CCD匹配.利用MATLAB对变倍组和补偿组的运动轨迹进行拟合,验证了其可行性,结果表明整个连续变倍显微物镜满足工业视频检测的使用要求.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2013(035)005【总页数】5页(P41-45)【关键词】连续变倍显微物镜;Zemax;MATLAB【作者】何湘艳;陈莹花;廖文哲;姚敏【作者单位】湘南学院物理与电子信息工程系,湖南郴州423000;湘南学院物理与电子信息工程系,湖南郴州423000;桂林电子科技大学光机电一体化研究所,广西桂林541004;湘南学院物理与电子信息工程系,湖南郴州423000【正文语种】中文【中图分类】O439引言连续变倍显微物镜观察范围较广，因其焦距可以连续改变，其放大倍数也可连续改变，既可适用于自然科学的教学研究，也适用于医疗机构的日常检查、生物工程等科学研究，且可实现工业装配、测试、测量。
目前市场上一部分显微镜放大倍率固定，分辨率不高。
为此，本文利用MATLAB和Zemax软件设计了一款结构简单、像质优良、能与CCD匹配的连续变倍显微物镜。
1 变焦原理通常变焦系统的物平面并不在变倍组的物平面上，这需要一个透镜或镜组来把指定的物平面成像到变倍系统所需要的物平面上，此透镜组称之为变倍系统的前固定组。
若变倍系统所成像的位置和大小与使用要求有差异，此时需要一个透镜或镜组将变倍系统所成的像转折和缩放到所需要的位置，从而满足成像位置和大小的要求，这个透镜或镜组就称为后固定组。
因此，一个变倍镜头往往分为前固定组1、变倍组2、补偿组3、后固定组4，如图1所示其中变倍组和补偿组称之为变倍系统。
变焦距镜头高斯光学设计的新方法
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机械补偿法
变焦距镜头机械补偿法的变焦方式是让多个组
其中 # & % # （ 1&； ， +） #2& 表示 # 关于 1 的一阶导 都是在 1 & 处取值。 比较新值 1 # 数， #3& 为二阶导数， 和 1 & 的误差， 只当 1 # ( 1 & 2 !， 新值 !为精度时， 为所求 1 # （ +） ， 否则以 1 # 替代 1 & 继续 （#&） 式迭代， 直到满足精确度为止。 一般将区间 ［ +& ， 分成许多 ,］ 分点 +& 2 +# 2 +$ 2 … 2 +4 % , ， （##） 其中 4 为分点个数。 从 + & 出发由 1 （ + & ）% & 为初值 我们仍记 1 （ +# ） % 计算， 通过 （#&）式计算 到 + # ， （ +# ） 等等， 直到 1 （ ,） ， 当 / % # 时， （ 1） 是 1 1# # 的二次函数。 所以只要 1 不接近 # （ 1） 的重根点， 迭 代法 （#&）式都收敛到精确解。 以后我们会看到在 （ 1） 的重根处， 将使 1 的导数 1 （ 趋于无穷大， # 2 +） 在这一点处补偿组元不应该到达或越过。 设补偿组元运动曲线 1 % 1 （ +） ， ［ +& ， ， +$ ,］ （ + ）满足如下两个条件才为所 已经被求出， 那么， 1 求。 一是在整个区间 ［ +& ， （ + ）必须足 , ］上的曲率 " 够小： （ + ）% ( # "" （ 1 3 +） $ 03$ " # ［# * 12（ ］ +） （ +& " + " , ） ， （#$）
一款变焦镜头的设计
一款变焦镜头的设计摘要：目前变焦镜头的设计和制造技术日趋成熟，变焦镜头的结构从粗重到小巧，从粗略的光学补偿到精准的机械补偿，从单一的性能到多性能取得了飞速的发展。
今后的光学变焦镜头将向着提高成像质量，提高变倍比和大视场的方向发展。
根据光学设计中通过改变各组元之间的间隔改变整个系统的焦距的关系，利用光学软件CODEV设计了一款简单的变焦镜头。
该变焦镜头具有结构简单，成像质量好，制造成本低等特点。
且该变焦镜头的场曲控制在0.1以内，畸变控制在0.15以内，经过像质评估完全满足对取景摄像的需要。
关键词：变焦；光学设计；CODEV；像质近年来，随着科学技术的发展，变焦镜头在成像质量、变倍比范围、外形尺寸和视场范围等方面都获得了很大的发展，使变焦镜头的使用逐渐扩散到各个领域。
从最初的摄像仪器、照相机到望远镜、显微镜，再到现在的各种监控系统、手机拍摄系统和机器视觉，变焦镜头已经在我们的日常生活、工业生产、科学研究和军事装备中发挥着重要的作用。
本文通过用光学设计软件CODEV来设计一款结构简单，成像质量好和大视场的变焦镜头。
1．原理分析变焦镜头以其焦距在一定范围内连续可变而像面位置基本不变的特点，成为监视，测量运动目标的一种常用光学镜头【1,2】。
其原理是利用系统中两个或两个以上透镜组的移动，改变系统的组合焦距，而同时保持最后像面不变，使系统在变焦过程中活的连续清晰的像的镜头【3,4】。
变焦镜头最大的优点是能够根据拍摄需求变换焦距，与固定焦距镜头不同，变焦镜头并不是依靠迅速更换镜头来实现镜头焦距变换的，而是通过推拉或旋转镜头的变焦环来实现镜头的焦距变换，在镜头变焦范围内的任何焦距都能用来摄影，这就为实现构图的多样化创造了条件【5】。
2．模型分析选取本文采用美国专利局2017年10月的专利号为09804371的结构作为初始模型。
该专利焦距为10.40—30.00，F数为2.06—4.90，是一个8片式结构，其中有6个非球面。
变焦镜头原理
变焦镜头原理变焦镜头是摄影摄像领域中常用的一种镜头，它可以通过调整焦距来改变拍摄对象的大小，从而实现拍摄远景和近景的效果。
那么，变焦镜头的原理是什么呢？接下来，我们将从光学原理和结构设计两个方面来详细介绍变焦镜头的工作原理。
首先，我们来看变焦镜头的光学原理。
变焦镜头通过改变镜头组的位置来改变焦距，从而实现对焦距的调节。
镜头组由凸透镜和凹透镜组成，当镜头组向前或向后移动时，光线会在镜头组内发生折射，从而改变焦点的位置，使得拍摄对象的大小和清晰度发生变化。
这种光学原理使得变焦镜头能够实现远距离和近距离拍摄的转换，为摄影师提供了更多的拍摄可能性。
其次，我们来了解变焦镜头的结构设计。
变焦镜头通常由多个镜片组成，这些镜片可以根据需要进行移动和旋转，从而实现焦距的调节。
此外，变焦镜头还配备了一个变焦环，通过旋转变焦环可以改变镜头组的位置，从而实现焦距的调节。
在现代数码相机中，一些变焦镜头还配备了电动变焦功能，可以通过相机的控制按钮来实现焦距的调节，提高了拍摄的便利性和精准度。
总的来说，变焦镜头的原理是通过光学原理和结构设计来实现对焦距的调节，从而实现远景和近景的拍摄效果。
它为摄影师带来了更多的创作可能性，能够满足不同拍摄需求。
在实际使用中，摄影师可以根据拍摄对象和场景的需要，灵活调节变焦镜头，获得理想的拍摄效果。
总之，变焦镜头的原理是基于光学原理和结构设计，通过调节镜头组的位置和焦距来实现对拍摄对象大小和清晰度的调节。
它是摄影摄像领域中常用的一种镜头，为摄影师提供了更多的创作可能性，是摄影装备中不可或缺的一部分。
希望本文能够帮助大家更好地了解变焦镜头的原理和工作方式，为摄影爱好者和从业者提供一些参考和指导。
38×变倍比宽波段电视镜头光学系统设计
38×变倍比宽波段电视镜头光学系统设计胡际先【摘要】According to the characteristics of large FOV high zoom ratio wideband optical system, a 38* zoom ratio was designed, the primary and advanced aberrations of large FOV wideband system were balanced by using the mechanical compensation technique of changing root, the h-hv diagram and the aperture diagram analysis. A method using the cam formula to calculate the displacement of compensation group with no parfocality by programming and modify the design value of cam curve in Code V was put forward. This method ensured the parfocality of the high zoom ratio optical system.%针对大视场高变倍比宽波段光学系统的特点,运用换根方式机械补偿光学系统设计技术和h-hp图及孔径图分析法,实现了38×变倍比,解决了大视场宽波段系统的初、高级像差难以平衡的难题,同时提出运用凸轮程序公式编程计算不齐焦段的补偿组实际位移量,对Code V的凸轮曲线设计值进行修正的方法,保证了高变倍比光学系统的齐焦性.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2011(032)005【总页数】4页(P845-848)【关键词】大视场;高变倍比;换根方式机械补偿光学系统;h-hp图;孔径图;凸轮曲线【作者】胡际先【作者单位】华中光电技术研究所武汉光电国家实验室,湖北武汉430073【正文语种】中文【中图分类】TN942.2引言森林防火和道路交通等监视用电视镜头要求既能在可见光波段内对目标进行大范围搜索，又能对重点关注的目标进行细节分辨，同时还要求在波段950μm处图像不散焦，大视场、高变倍比、宽波段的连续变焦光学系统能满足该需要。
可见光变焦镜头结构优化设计
第5卷 第2期2012年4月 中国光学 Chinese Optics Vol.5 No.2 Apr.2012 收稿日期:2011⁃11⁃11;修订日期:2012⁃01⁃13 基金项目:武器装备预研基金资助项目(No.51460040104ZK1001)文章编号 1674⁃2915(2012)02⁃0154⁃07可见光变焦镜头结构优化设计程志峰∗,李 明,程 欣(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室,吉林长春130033)摘要:针对某变焦光学镜头在宽工作温度(-40~+55℃)下光轴与安装基面的平行度变化容限小(≤0.2mrad)的特点,利用UG 软件的高级仿真模块设计了主镜筒及其支架的安装方式,得到了不同情况下主镜筒的变形分布图。
提出了一种光轴变化量的估算方法,间接估算出其光轴变化量,从而优化得到了合理的镜头结构方式。
实物镜头的光学传递函数检测及振动试验结果显示,调制传递函数值高于0.2,结构基频为117Hz。
结果表明:系统成像稳定清晰,变焦镜头结构优化设计合理。
关 键 词:可见光变焦镜头;有限元分析;光学传递函数;结构优化设计中图分类号:TH703 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20120502.0154Optimal structure design of visible zoom lensCHENG Zhi⁃feng ∗,LI Ming,CHENG Xin(Key Laboratory of Airborne Optical Imaging and Measurement ,Changchun Institute of Optics ,Fine Mechanics and Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Changchun 130033,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :chengzhif 2004@Abstract :The primary tube of a visible zoom lens and its mounting are designed by UG advanced simulationaccording to the characteristcs of a wide temperature range(-40-+55℃)and little optical axis variation (≤0.2mrad),and the deformation patterns in different conditions are gotten by using finite element analy⁃sis.An estimation way to get the optical axis variation is proposed,by which the more reasonable structure type is obtained.The results from the lens transfer function test and vibration test show that the Modulation Transfer Function(MTF)is above 0.2and the fundamental frequency is 117Hz.The practical image is stable and clear,which indicates that the optimized design of zoom lens is reasonable.Key words :visible zoom lens;finite element analysis;Modulation Transfer Function(MTF);optimal structuredesign1 引 言 现代光电跟踪侦察平台被广泛应用于各种海、陆、空光电火控侦察系统,其装载系统中的有效载荷多以红外或可见光镜头为主。
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。
沉筒式数码相机变焦镜头结构仿真分析
沉筒式数码相机变焦镜头结构仿真分析
王平;李林;任志文
【期刊名称】《北京理工大学学报》
【年(卷),期】2003(23)4
【摘要】为了减小沉筒凸轮回转中的阻力,避免自锁,必须限制凸轮变焦曲线压力角的极限值.针对常用沉筒式数码相机变焦镜头结构进行了分析,仿真了具有3倍光学变焦的沉筒式变焦镜头光学设计和装配结构设计,建立了筒型凸轮的压力角公式,并对光学设计、结构设计、变焦过程以及零件的工艺要求进行了分析探讨.
【总页数】4页(P461-463)
【关键词】数码相机;沉简式变焦镜头结构;仿真设计;筒形凸轮;压力角
【作者】王平;李林;任志文
【作者单位】北京理工大学信息科学技术学院光电工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TB851.1
【相关文献】
1.箱筒型基础结构拖航稳定性与自沉深度的分析、计算 [J], 任会生;李英歌;毛维
2.永磁筒式磁选机开放式磁路的仿真分析 [J], 汪建新;王浩;王飞
3.新型海上风电机塔筒与导管架基础的筒式连接结构分析 [J], 唐丕鑫;杨树耕;刘孟孟
4.空间遥感器中心筒式主支撑结构设计与仿真 [J], 孙凯鹏;孙杰;张刘;王泰雷
5.高层筒体结构井式梁与筒壁相交端应力分析 [J], 刘云飞;王克显
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变焦距手机镜头的光学设计
变焦距手机镜头的光学设计作者：刘雪翠来源：《电子技术与软件工程》2016年第13期摘要随着手机行业的不断发展，行业竞争越来越激烈，特别是硬件竞争，高质量的手机拍照功能可以提升手机的整体质感和水平，所以良好的拍照效果已经成为了人们选择手机的重要因素。
本文在实际需求的基础上，利用变焦距手机镜头近轴光学理论计算方法，确定手机拍摄物的摄像物镜，分析手机镜头的系统结构，给出合理的镜头设计方案。
【关键词】变焦距手机镜头光学设计近些年智能手机的高速发展是我们有目共睹的，随着技术的不断提升，人们对于手机硬件的要求越来越高。
手机拍照的质量已经是衡量手机品质的一个重要硬件标准。
所以变焦距手机镜头的光学设计关系着整个手机的品质。
越来越多的人员和企业将重心放在变焦距手机镜头光学设计方面使得手机的镜头质量不断提升，功能不断强化，费用、价格不断下降。
光学变焦镜头已经是拍照手机的一个重要功能，是目前手机拍照应用中非常重要的方式之一。
所以变焦距手机镜头的光学设计的合理性以及先进性，具有非常现实的应用意义。
1 光学变焦1.1 光学变焦简介通常来说，我们所接触到的手机镜头有两种变焦模式，一种是光学变焦，一种是数码变焦。
这两种变焦模式存在很大的区别，不仅体现在它们的工作原理上，而且成像效果也有差异。
从成像质量来说，光学变焦远远优于数码变焦。
数码变焦的成本相对于光学变焦较低。
光学变焦是通过改变镜头中心焦点的位置，来改变进入镜头的光线的角度。
从而使同一位置被拍摄物体在感光元件上被放大，或者是让更远的物体能够更加清晰地聚焦在感光元件上。
1.2 手机镜头光学理论计算分析手机拍摄镜头朝着高像素、大广角、高变焦倍数的发展方向发展。
数码相机由于不存在体积的限制，镜头可设置为伸缩式的。
而手机拍摄镜头则不行，因其镜头大小是固定的，并且镜头尺寸要符合手机整体设计尺寸，所以手机镜头的光学设计关系着整个手机镜头的应用率。
手机对于镜头的要求是尺寸越来越小，像素越来越高，广角越来越大，可变焦倍数越来越大。
变焦镜头以及摄像装置[发明专利]
![变焦镜头以及摄像装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/39b277eeeff9aef8951e0668.png)
专利名称：变焦镜头以及摄像装置专利类型：发明专利
发明人：泉亮太郎
申请号：CN201380071334.1
申请日：20131225
公开号：CN105209951A
公开日：
20151230
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：提供适合数码相机、摄像机等的、紧凑型且具有高变倍比的变焦镜头以及摄像装置。
在具有5个透镜组的变焦镜头中，满足以下的条件式。
(T2+T3)/fW<2.58(1)fT/fW>16.7其中，T2：从第2透镜组的最靠近物体侧的透镜面起至最靠近像侧的透镜面的光轴上的厚度(mm)T3：从第3透镜组的最靠近物体侧的透镜面起至最靠近像侧的透镜面的光轴上的厚度(mm)fW：变焦镜头的广角端的焦距(mm)fT：变焦镜头的望远端的焦距(mm)。
申请人：柯尼卡美能达株式会社
地址：日本东京都
国籍：JP
代理机构：北京市柳沈律师事务所
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ZEMAX光学成像设计实例---ZEMAX基础实例-变焦镜头设计
引言● 在我们要求具焦的能● 所谓变同范围变焦距● 由于一是使用大家通变焦镜头我们知道说一个系统大小、视场I 为像高im变焦镜头对孔径保持变焦时采取通过改变ZE 们成像镜头设具备变焦的能能力便可以应变焦，即镜头围景物的成像距来改变拍摄一个系统的焦用类似定焦镜通过举一反三头设计原道，设计好的统的接收面尺场和焦距三者mage, f 为焦头的变焦倍数持不变，但对取相对孔径（变镜片与镜片焦EMAX 设计要求中，能力，如CCT 应用于多种环头的焦距在一像。
我们通常所摄范围，因此焦距在某一范镜头的分析优三的练习可掌理介绍：的一组镜头如寸大小是固定有如下关系焦距，theta 为数为长焦距和于实际的高变即F/#)也跟片之间的间隔焦距变化，视角相应改变X 基础通常分两种：TV 监控镜头，环境条件，放大定范围可调节所说的变焦镜此非常利于画面范围可变，相当优化方法，本节掌握变焦镜头在如果变化镜片定不变的(像： 为视场角度。
和短焦距比值变倍比系统，跟随变化的方隔达到设计的视场变础实例-：定焦镜头与，红外探测镜大缩小或局部节，通过改变镜头一般指摄面构图。
当于由无数多节我们将带领在ZEMAX中片与镜片之间像面:CCD 或。
如下图所不值，也称为“，由于外形尺方案。
的焦距要求，变焦镜与变焦镜头。
镜头，摄影镜部特写，这是变焦距从而改摄像镜头，即多个定焦系统领大家使用Z 中的设计优化间的空气厚度COMS 或其它不:“倍率”。
理尺寸不希望过当系统的入镜头设成像镜头在镜头，双筒望是一个定焦镜改变系统视场即在不改变拍统组成的。
我ZEMAX 来设计化方法。
度，镜头的焦它探测面)，理论定义下，过大或二级光入瞳直径D 固设计在很多实际应望远镜等等，镜头所无法完场大小，达到拍摄距离的情我们在设计变计一个完整的焦距会随之变在基础光学在变焦过程光谱校正等问固定时，即系像面尺寸相同应用中通常也镜头具备变完成的。
到不同矩离不情况下通过改变焦镜头时也的变焦镜头，变化。
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。
紧凑型大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计
紧凑型大变倍比中波红外连续变焦光学系统设计顾宪松【摘要】针对致冷型中波红外640×512凝视型焦平面探测器,设计了一个30×连续变焦光学系统.介绍了由无后固定组的变焦物镜组和中继透镜组组成的连续变焦系统的设计思路,不仅给出了系统在短焦、中焦、长焦3个位置的像质情况,还分析了反映全焦距范围内像质的离焦量和畸变.实验结果表明:该系统工作波段3.7μm～4.8 μm,可以实现18 mm～540 mm连续变焦,全焦距范围内的离焦量都在焦深以内,长焦段最大畸变接近于0,短焦段最大畸变小于3％.该系统具有大变倍比、结构紧凑、变焦轨迹平滑、变焦行程短等优点,可用于红外光电探测和跟踪系统.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2019(040)001【总页数】6页(P33-38)【关键词】光学设计;中波红外;连续变焦系统;大变倍比【作者】顾宪松【作者单位】北京理工大学光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TN216引言红外变焦成像系统分为连续变焦和定档变焦两种。
由于定档变焦两个视场间的倍率大于4倍时观瞄切换容易丢失目标，而连续变焦则不会丢失目标[1-3]。
因此，目前的大变倍比红外光学系统大多采用连续变焦的形式。
国外，Yoram[4]等人利用三组元变焦原理、三次成像结构设计了一款30倍连续变焦光学系统。
国内江伦[7]等也设计了一款高变倍比红外镜头。
这两款的特点是采用多组元变焦系统结构以缩短单组行程。
许照东[5]等设计了一款针对GMT 640×512元，面元间隔15 μm，F数3，焦距14 mm～280 mm的中波红外连续变倍光学系统。
周昊[6]等人也设计了一款25倍的中波红外连续变焦系统。
这两款的特点是，进行合理的结构选型的同时设置较小的长焦焦距[5-6]以减小动组行程，使用2片反射镜折转光路[5-6,8]，优化系统尺寸。
作者针对目前国内已有大变倍比红外连续变焦系统多需要折转光路以压缩长度，结构形式较复杂的情况，设计了一个可应用于致冷型中波红外640×512凝视型焦平面探测器，具有恒定F数的30倍连续变焦光学系统。
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。
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文章编号:1002-2082(2009)01-0001-05高变倍比数码变焦镜头设计高 明,段 晶(西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032)摘 要:为提高变焦距系统的工作性能,使其在大视场时仍具有良好的像质,且系统结构简单,易于机械设计、加工及装调,在设计中引入了传统球面光学设计与非球面相结合的设计思想。
选择4个焦距位置进行设计计算,用光学设计软件ZEM AX 上机调试,设计了焦距为6.9mm ～91.6m m ,视场5°～60°的变焦系统,整个系统由4组12片透镜组成,其中包括3个非球面,系统具有变倍比高、视场大等特点。
设计结果表明:在设计中采用非球面可使系统结构紧凑,系统成像质量得到提高。
关键词:变焦距镜头;光学系统设计;非球面;像差中图分类号:T N 942.21 文献标志码:AOptical design of high -magnification digital zoom lensGAO Ming ,DU AN J ing(Sch oo l o f Opto -elec tro nic Engineering ,Xi ′an Technological U niv er sity ,Xi ′a n 710032,China )Abstract :To improv e the perfo rmance of zoom system s and achiev e a g ood imaging quality inW FOV ,and to sim plify the mechanical structure fo r the conv enience o f desig n ,process and adjustment,a desig n concept that combines th e co nv entio nal spheric optics with the aspheric o ptics w as introduced in the desig n o f zo om lens.A zo om lens system with f ′= 6.9mm -91.6m m and FOV =5°-60°w as designed by choosing four positions o f focal leng th for the design calculatio n and ZEM AX as the optical desig n softw are .The w hole system is com posed of 8lenses in 4sets,including 3aspheric surfaces.The results sho w that the zoo m lens has the cha racteristics o f hig h magnifica tion a nd la rg e field of view ,and the use of aspheric surface m akes the structure co mpact and the imaging quality high .Key words :zoom lens;optica l system desig n;aspheric surface;aberratio n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。
变焦距光学系统可以实现对距离目标的连续探测,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,必须进行专门设计。
市场上常见的变焦镜头,其变倍比不大,视场也较小[1-3]。
这是因为受到成像质量以及加工工艺和加工条件等方面的限制,一般的变焦结构难以实现大视场的连续变化,视场很大时像差难以校正,从而难以保证像面质量。
本文主要研究高变倍比数码变焦镜头设计,在设计中将传统球面光学设计与收稿日期:2008-06-30; 修回日期:2008-07-13基金项目:国防科工委基础科研项目(B 2220061084)作者简介:高明(1964-),男,吉林省人,西安工业大学教授,主要从事光电仪器研究与开发。
论文联系人:E -mail :duanjing 608@ho tmail .com第30卷第1期2009年1月 应用光学Jour nal of Applied O ptics V o l.30N o.1J a n.2009非球面相结合,设计出一焦距6.9mm～91.6mm,视场5°～60°的变焦系统,其特点是变倍比高、视场大、结构简单紧凑、成像质量好。
1 技术要求变焦距光学系统的技术指标是:视场变化范围: 5°～60°相对孔径:1/4识别距离:5000mCCD像面尺寸: 1.27cm(1/2in)2 变焦距光学系统的设计2.1 确定变焦距光学系统的初始解光学补偿型变焦镜头虽然结构简单,但是由于各透镜组必须移动到某些特殊的位置,才能得到稳定清晰的像面,其焦距不能连续地变化,而是几个离散值,因而在使用中受到了许多限制。
机械补偿型变焦镜头的焦距能够连续地改变,因此得到了迅速的发展和广泛的应用[4]。
本文选用机械补偿型变焦系统,其像面稳定度高,可实现大变焦比,像质满足要求。
两组元机械补偿法变焦距系统设计理想光学系统的计算步骤:1)初步选择确定初始参数。
选取f1′和f2′,预定出起算位置时的参数U1和U2,在以下的计算中他们都作为已知量。
2)利用式U2=f2′f1′(1-U1)-d12+f2′,确定初始位置时的参数U2。
3)计算出系统在初始状态时的横向放大率。
4)将系统的变焦范围划分为若干段,选择几个焦距位置进行设计计算。
或者将变倍比g= f′*/f′划分成相应的若干段进行设计计算。
5)利用式G=f1′(2-U1-1U1)+f2′(2-U2-1U2)计算出共轭距G。
6)联立G=f1′(2-U*1-1U*1)+f′2(2-U*2-1U*2)g=U*1U*2 U将第4)步确定的变倍比g和第(5)步算出的共轭距G代入,求出U*1和U*2。
7)利用式t1=∫U*1U1f1′U21W U1=f1′(1U1-1U*1)算出第1个透镜组元的移动量t1。
8)利用式t2=∫U*2U2f2′W U2=f2′(U*2-U2)算出第2个透镜组元的移动量t2。
9)采用下一个变倍比g,再做第6)步到第8)步的计算,直至算完所有变倍比的情况,并画出2个透镜组元的变倍及补偿曲线进行分析。
上式中, f1′、U1分别为第1个透镜组元的焦距和初始状态时的横向放大率;f2′、U2分别为第2个透镜组元的焦距和初始状态的横向放大率;d12为第1个透镜组元像方主面至第2个透镜组元物方主面间的间隔;G为整个变焦系统的共轭距。
2.2 技术参数的确定根据设计要求,选用 1.27cm(1/2in)CCD,其靶面尺寸为6.4mm×4.8mm,对角线8mm。
由公式2k=2arctan(l2f′)及公式y′=f′tan k 即可计算出系统在各个焦距位置对应的视场值,其中l为CCD靶面对角线长。
选择4个焦距位置进行设计计算,选取另外2个焦距位置16.5m m及38.7m m,每个焦距位置对应的视场如表1所示。
表1 系统在4个变焦结构的焦距和视场值Table1 Focal lengths and FOV of4zoom lens structures 参数结构1结构2结构3结构4焦距f′ 6.9m m16.5mm38.7mm91.6mm 视场2k60°27.2°11.8°5°2.3 非球面的引入非球面是指表面各点半径都不相同的曲面,最常见的非球面为有一个对称轴的回转非球面,有偶次非球面、奇次非球面两类。
偶次非球面的曲面方程为z=cr21+1-(1+k)c2r2+a1r2+a2r4+ a3r6+a4r8+a5r10+a6r12+a7r14+a8r16奇次非球面的曲面方程为z=cr21+1-(1+k)c2r2+a1r+a2r2+ a3r3+a4r4+a5r5+a6r6+a7r7+a8r8式中:c=1/R,R为非球面顶点的曲率半径;k为二次曲面常量;k<-1表示双曲面,k=-1表示抛物面,-1<k<0表示椭球面,k=0表示球面, k>0表示扁平椭球面;r2=x2+y2;a1～a8为非球面各高次项的系数。
由于球面只有一个参数决定面形,它校正像差的局限性很大,并使结构复杂化。
与球面相比,非球面的面形系数由多个自由变量决定,具有高级像差小,产生负球差的特点,可以平衡球面生成的初级像差和高级像差,故系统设计中采用非球面透镜可以很好地校正轴外点的像差[5-6]。
2.4 变焦凸轮曲线变焦距系统机械结构设计的实质是变焦距凸轮曲线设计,变焦距凸轮是光学元件上用于实现焦距变化的重要部件,变倍系统在变倍过程中,由于补偿组的放大率和变倍组的放大率与变倍系统的变倍比的关系是非线性的,因而变倍组和补偿组的移动和凸轮转角的关系也是非线性的。
这样,它们的转移都要由复杂的凸轮来控制。
为了简化凸轮,常把变倍的移动作成线性的,即变倍组的移动与凸轮转角的变化成线性,这样,变倍组的运动用螺旋槽控制,补偿组的运动由凸轮控制。
通过凸轮的转动带动固定在曲线凹槽上的透镜组前后移动,以实现整个系统组合焦距在规定的范围内变化。
3 设计结果及像质评价选择4个焦距位置进行设计计算,系统由4组12片透镜组成,其中包括3个非球面,第1块双胶合透镜与其后面的透镜之间的间隔为0.5m m,第2块双胶合透镜与其前面的透镜之间的间隔为8.7mm ,第3块双胶合透镜与其前面的透镜之间的间隔为1.0m m,第4块双胶合透镜与其前面的透镜之间的间隔为5.5mm,系统总长为246.2m m,最大半口径为50.5mm ,结构如图1所示。
图1分别给出系统在短焦6.9mm 、中焦16.5mm 、中焦38.7m m 、长焦91.6mm 时的位置。
图1 非球面系统结构Fig .1 Conf igutation of aspherical zoom lens 系统采用3个偶次非球面,表2列出了所采用非球面的位置及非球面系数。
表2 系统的非球面系数Table 2 Aspherical coeff icients of zoom lens面数ka 2a 3a 4第6个面-11.271558-0.000001-8.08109E -010-1.66142E -012第17个面 1.995682-0.0000320.000003-2.48397E-007 非球面变焦距系统在4个焦距位置的光学传递函数与畸变如图2所示。