大孔径长变焦镜头的设计(李林+变焦程序)
长变焦镜头的设计
分类号密级U D C大孔径长变焦镜头的设计董春艳导师姓名(职称) 李林（教授）答辩委员会主席安连生申请学科门类工学申请学位专业论文答辩日期 2007.07.05 测试计量技术及仪器2007年06月28日大孔径长变焦镜头的设计北京理工大学研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。
尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。
特此申明。
签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。
签名：日期：导师签名：日期：摘要近年来，随着计算机技术的飞速发展和变焦距镜头光学设计理论的不断完善以及加工工艺的成熟，变焦距光学系统的种类日益丰富，成像质量逐渐提高，可与定焦系统相媲美，因此广泛的应用到各种工作领域中。
这种情况下，研究变焦距镜头的设计无疑具有重要的意义。
本论文首先对变焦距镜头系统的发展历史进行了回顾，介绍了变焦距镜头的结构型式，变焦方法等的发展过程；第二章分析了变焦距镜头的高斯光学，总结出了变焦距镜头的高斯光学基本表达式，分别对机械补偿法、全动型变焦距镜头的高斯光学建立了数学模型，并对系统各组元的运动情况做了详细的分析，另外还讨论了关于变焦距镜头小型化的一些问题；第三章主要介绍了编制的机械补偿和全动型变焦距镜头计算机辅助设计软件，并利用实例进行了计算分析，在第四章中，利用所得结果，尝试设计了两种不同用途的变焦距镜头，像质良好，达到使用要求，结果表明软件功能基本达到预期目的，同时验证了前面推导的理论公式的正确性。
变焦镜头zemax27优化设计教学实例省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件
• 请根据下图所示旳参数键入 LDE(镜头数据编辑器)（请忽视半 高(Semi-Diameter)栏）。（或者 是，能够从
\Samples\Tutorial\Tutorial zoom.zmx载入文件）
设罝视场角
• 开启场(Field Data)资料对话框。 • 1、选择「近轴像高(Paraxial
变焦透镜 (Zoom Lens)
• ZEMAX中MC(MultiConfiguration，F7)功能旳一种 常见应用为变焦透镜设计。这 个例子将涵盖变焦透镜旳基本 设罝与优化。
变焦透镜系统Leabharlann 简易规格：• 1、有效焦距：75、100、125 mm； • 2、入瞳直径：25 mm（F/3、F/4、
F/5）； • 3、三群镜组：皆为BK7与F2旳胶合透
• 1、在孔径标签(Aperture Tab)： • 孔径类型：入瞳直径 • 孔径值：25 mm • 按下「确认」。
2、在单位标签(Units Tab)： 确认透镜单位为毫米(Millimeters)。
初始透镜参数
• 开始时使用三群透镜组件，每 一群都使用BK7与F2构成之胶 合透镜。透过冕牌与火石材料 旳结合能够有效地降低色差。 这个基本旳对称型式则能够有 利于平衡像差。
设罝透镜尺寸
• 全部组态旳镜组必须有一样旳 尺寸(半高(Semi-Diameter))。 这里能够透过解(Solve)来进行 限制。
• 「最大(Maximum)」半高旳 解将被设罝每个组态中，每 个表面半高旳最大要求，这 将确保边沿厚度旳边界条件 不被违反，不会产生异常旳 透镜。
• 解设罝：
Tab、7、Enter • 3、右键、「T」、「T」、「T」、
Tab、10、Enter • 在下拉式选单里搜寻第一种字符。
一种大口径高精度凸轮变焦机构的设计
学材料 的直径所 限 ， 统 的通 光 口径一 般 不 能超 系
过 ｃ ０ ￣ ０ｍｍ， 统 的焦 距 也 不能 做 得 太 大 ， 般 ２ 系 一 长焦距 在 ２０ ０ｍｍ 以下 。变倍 组 和 补偿 组 的通 ０
光 口径 一 般 在 中 Ｏ ６ ３ ～ Ｏｍｍ。
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３ １ 圆柱导轨 滑动 变焦 形式 ． 在 这种变 焦 机 构 中 ， 取 的 结 构形 式 如 图 ３ 采
所示 。结 构主 要 由主 体 轴 、 变倍 组 、 凸轮 带 动钉 、
凸轮和 补偿 组组 成 。变倍组 和补偿 组 的外径与 主
体 轴的 内径为 配合 面 ， 体 轴沿 着 轴 向设 计 有 直 主 线槽 ， 凸轮 的转 动带 动下 ， 在 变倍组 和补偿 组相 向
精 度 。
像 面在场 镜组 附近 ， 折返 系 统 后 面接 一 套变 在
焦距 系统 。这种光 学系 统 由于前面采 用 了一套折
２ 工程 上 常 用 的 变焦 距光 学 系统
２ １ 透 射 式 变 焦 光 学 系 统 ．
返牛顿 式光 学系 统 ， 学 系统 的通光 口径 可 以做 光 大 ， 般可 以做 到 中６ ０ １０ ０ｍｍ， 一 Ｏ ～ ０ 长焦 距 也可 以做到 ７０ ０ ０ ０ ～８０ ０ｍｍ， 变倍 组 和 补偿 组 的通 光 口径 一 般 在 中 Ｏ ２ ６ ～１ ０ｍｍ。这样 对 于 跟踪 和 测 量远 距离 目标更 为有利 。 Ｊ
根 圆柱导轨 ， 运动 过程 同第一 种 。 由于滑动 部件 为两 根 圆柱导 轨 ， 种结构 变 这
图 ２ 折返 式变 焦 光 学 系 统
Ｆｉ ２ Ｒ ｅ ｎｔ ｙ ｖ ｒｆ ｃ ｌｏｐ ｉａ ｙ ｔ ｍ ｇ． ｅ ｒ ａ ｉｏ ａ ｔｃ ｌｓ ｓ ｅ
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。
镜头变焦连动机构的制作方法
镜头变焦连动机构的制作方法镜头变焦连动机构是一种可以实现变焦功能的装置，可以通过调整镜头的焦距来改变拍摄的物体的大小。
本文将介绍一种制作镜头变焦连动机构的方法，从设计到制作的一步步思路，详细描述每个步骤，以帮助读者了解镜头变焦连动机构的制作过程。
一、设计镜头变焦连动机构的工作原理和结构首先，我们需要明确镜头变焦连动机构的工作原理和结构设计。
这种机构通常由驱动部分和变焦部分组成。
驱动部分可以采用步进电机或伺服电机，通过控制电机的运动，驱动变焦部分实现镜头的焦距调节。
二、选择合适的驱动部分接下来，我们需要选择合适的驱动部分。
步进电机和伺服电机是常用的驱动部分。
步进电机具有简单、可靠、成本低等优点；而伺服电机具有响应快、精度高等优点。
根据具体需求和预算，选择适合的驱动部分。
三、确定变焦部分的结构然后，我们需要确定变焦部分的结构。
变焦部分可以采用螺旋框架结构，通过螺旋运动来调整镜头的焦距。
另外，还可以根据实际情况使用齿轮、皮带等传动装置来实现焦距调节。
在确定结构时，需要考虑到机构的稳定性、精度和可靠性。
四、制作驱动部分在制作驱动部分时，首先需要根据选定的驱动部分的尺寸和参数，设计相应的驱动电路或控制电路。
然后，选择合适的电机和驱动器，并按照电路图进行连接。
最后，进行测试和调试，确保驱动部分正常工作。
五、制作变焦部分制作变焦部分时，首先需要根据确定的结构设计图纸，选择合适的材料制作螺旋框架或传动装置。
然后，进行加工、切割、焊接等工艺步骤，制作出变焦部分的各个零部件。
最后，进行组装和调试，确保变焦部分能够平稳运行，并实现焦距的调节。
六、整体组装和调试在完成驱动部分和变焦部分的制作后，将两部分进行整体组装。
根据设计图纸，将驱动部分和变焦部分进行连接，并确保结构稳定。
然后，进行整体调试，测试镜头的变焦效果和稳定性。
通过以上步骤，我们可以制作出镜头变焦连动机构。
这种机构可以实现镜头的焦距调节，方便用户进行拍摄。
在制作过程中，我们需要进行结构设计、驱动部分和变焦部分的制作、整体组装和调试等步骤，确保机构的稳定性和可靠性。
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第一章 综述 .......................................................................................... 1
特此申。
签名：
日期：
关于学位论文使用权的说明
本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印 或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校 可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或 部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。
At the beginning of the dissertation, the history of zoom lens has been reviewed. Readers can learn of the development of system’s structure and the zoom method. In the second chapter, mathematic formulas of Gaussian optics in zoom lens are generalized and the mathematic models of mechanically compensated zoom lens and zoom lens with all lenses movable are established. Meantime, movement situation of every element is discussed. In the last section of this chapter the ways to miniaturize zoom lens are introduced. The third chapter mainly introduces the program for the design of mechanically compensated zoom system and zoom lens system with all lens movable, and examples are calculated by this software. The results are used in the forth chapter to design two zoom lens using in different field.
2.2 变焦距镜头高斯光学基本表达式....................................................12
2.2.1 机械补偿型变焦系统高斯光学 ................................................................. 13 2.2.2 机械补偿型变焦系统各组元运动的分析 ................................................. 18 2.2.3 全动型变焦系统高斯光学 ......................................................................... 27 2.2.4 关于变焦距镜头小型化的讨论 ................................................................. 34
Key words: Zoom Lens, Gaussian Optics, Cam Curve
II
目录
摘要 ...........................................................................................................I
3.2 全动型变焦距系统高斯光学参数求解程序 .................................47
3.2.1 基本公式： ................................................................................................. 47 3.2.2 初始参数的输入 ......................................................................................... 50 3.2.3 输出参数 ..................................................................................................... 51
关键词：变焦距镜头；高斯光学；凸轮曲线
I
ABSTRACT
In recent years, with the rapid development of computer technology, the theory and technology of zoom lens, the quality of it become better and the category of it become more. It is popular in many areas. Under this situation, the research of zoom lens design is significant.
第二章 变焦距镜头的基本理论 .......................................................... 8
2.1 变焦距镜头的分类及其特点..............................................................8
I
第四章 变焦距镜头设计实例 ............................................................ 53
4.1 物距无限远的大孔径长变焦镜头的设计........................................53 4.2 物距有限远的变焦距镜头（体视变倍显微镜）的设计 ...............56
II
第一章 综述
北京理工大学硕士学位论文
变焦距镜头是焦距可在一定范围内连续改变而保持像面不动的光学系统[1]。它能 在拍摄点不变的情况下获得不同比例的像，因此它在新闻采访，影片摄制和电视转播 等场合，使用特别方便。在空间光学领域中，为了实现对地面目标更好的观察，需要 进一步提高相机的地面分辨率和地面覆盖范围。相机的地面分辨率的大小与光学系统 的角分辨率大小和卫星高度有关。由于卫星的高度是一定的，增大相机光学系统的角 分辨率能够有效地提高地面分辨率。光学系统的入射光瞳的直径越大，角分辨率越高。 在保持相对孔径一定的条件下，增大焦距就能相应地增大入瞳直径，从而提高地面分 辨率。另一方面，相机的相对孔径与相机的分辨力和曝光量有关，相对孔径越大，镜 头的分辨力越高，同时像面照度也越大，曝光时间可以缩短，可降低对像移补偿系统 的要求。因此，长焦距、大孔径的变焦镜头的设计在空间光学领域中有着十分重要的 意义[11]。
2.1.1 机械补偿型变焦系统 ................................................................................... 8 2.1.2 光学补偿型变焦系统 ................................................................................. 10 2.1.3 全动型变焦系统 ......................................................................................... 11
第三章 变焦距镜头高斯光学参数求解程序..................................... 36
3.1 机械补偿法高斯光学参数求解程序................................................36
3.1.1 基本公式 ..................................................................................................... 36 3.1.2 输入参数 ..................................................................................................... 41 3.1.3 输出参数 ..................................................................................................... 42 3.1.4 设计实例 ..................................................................................................... 43
分类号 UDC
密级
大孔径长变焦镜头的设计 董春艳
导师姓名(职称) 李林（教授） 答辩委员会主席 安连生
申请学科门类 工学
论 文 答 辩 日 期 2007.07.05
申请学位专业