光学变焦系统设计解析
变焦距镜头高斯光学设计的新方法
变焦距镜头高斯光学设计的新方法变焦距镜头是在连续变焦过程中，仍保持成像面固定不动的一种光学系统。
变焦距镜头不同于一般光学物镜，主要在于这种物镜不仅能连续变焦，且在变焦过程中，物和像之间的距离仍保持不变。
要达到这些要求，必须连续滑动系统中的某些镜组。
从事变焦系统设计时，必定预先安排高斯结构，结构的好坏往往影响光学设计的最后结果。
标签：变焦距镜头；高斯；光学设计；新方法引言由于光信息和光通讯科技快速的进步与广泛的应用，使得光电方面的产品不断的推陈出新，并迅速成为市场上需求庞大的消费性产品，例如激光打印机、扫描仪、投影电视、摄录放影机、数码相机、望眼镜、显微镜、光纤通讯等产品，因而近年来光电相关产业的发展十分蓬勃，在国内也是极有发展远景的明星产业。
居于关键性地位的光电零部件，将是影响产业发展的最重要因素，也是革新走向的风向标，尤其是光学透镜可说是光信息与光电系统中不可或缺的关键性零部件。
光学变焦能力取决于光学设计与机构设计，光学设计限制了变焦机构的选择空间。
一般运动机构不外乎齿轮、凸轮、螺旋与连杆等机构，又以凸轮机构为主，而且可经由机械补偿来修正焦点的误差。
而光学变焦就是经由直流马达带动减速齿轮组，让凸轮传动机构转动，借助两组镜群间距离改变达到变焦的动作。
传统的光学变焦系统必须以为数颇多的球面镜片组合而成，才能达到预期的效果，这样非但所制成的产品十分笨重，制作成本也高。
相对的，非球面镜片一方面可提高光学变焦系统的性能，另一方面可以减少镜片的数目，并使产品轻量化。
因此，非球面光学系统有下列优点：有效的消除像差，提高影像光学品质；简化复杂的多元结构，系统元件数量和尺寸灭少，重量减轻；使光学产品的应用范围加大；制造成本降低。
因此，非球面设计势必会取代现存的大部分光学元件的球面设计。
在几何上，球面只要用到曲率一个参数便可表示或说明清楚。
但非球面的表示可能要用到无穷级数来表达，因此有无限参数的可能，这在计算的处理上便很困难。
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。
光学变焦系统设计
34
TANGENTIAL
0.00488
1.00 RELATIVE FIELD HEIGHT ( 28.00 O )
SAGITTAL
0.00488
-0.00488
-0.00488
0.00 RELATIVE
0.00488
FIELD HEIGHT ( 0.000 O )
0.00488
-0.00488
-0.00488
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。
23
变焦系统实例
EFL POS 1
0.5912
POS 2
1.2738
POS 3
2.7442
POS4
5.9086（in）
W
28°
13.9°
6.5°
3°
变焦比
10
24
25
26
27
28
29
30
变焦系统实例
31
变焦系统实例
32
变焦系统实例
33
变焦系统实例
0.29e-2
0.453e-2
35
36
37
38
39
谢谢
40
4
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：
变焦内窥镜光学系统设计
变焦内窥镜光学系统设计引言：随着医学技术的发展和需求的增加，内窥镜成为一种重要的医疗设备。
然而，由于人体的解剖结构复杂，传统的固定焦距内窥镜存在着一些局限性。
为了解决这个问题，变焦内窥镜应运而生。
本文将介绍变焦内窥镜光学系统的设计。
一、需求分析：1.可视范围：变焦内窥镜应具备广阔的可视范围，以便医生能够更好地观察内部病变情况。
2.分辨率：为了准确诊断病情，变焦内窥镜的图像应具有高分辨率，能够清晰地显示细小的病变。
3.像差控制：为了消除像差的影响，变焦内窥镜光学系统应具备高质量的光学元件和优化的设计。
4.变焦方式：变焦内窥镜可以通过机械或电子方式进行焦距的变化。
机械方式可以通过调节镜头位置实现，而电子方式则可以通过调节电子元件的参数来实现。
根据实际需求，选择合适的变焦方式。
二、设计原理：1.光学元件选择：变焦内窥镜光学系统主要由物镜、浅巷和目镜组成。
针对需求分析中的高分辨率要求，可以选择分辨率高的光学元件，并通过涂层技术降低反射损耗。
2.光路设计：根据需求分析中的可视范围要求，可以设计合适的光路，通过镜头间的距离调整焦距，从而实现变焦功能。
3.像差控制：对于变焦内窥镜光学系统，由于需要调整焦距，会产生一定的像差。
通过优化光学设计，使用合适的补偿光学元件或者折中的方法，可以有效地控制像差。
三、设计步骤：1.确定变焦方式：根据实际需求，选择适合的变焦方式，是机械还是电子变焦。
2.确定光学元件：根据需求分析，在设计范围内选择分辨率高的光学元件，并使用涂层技术优化光学性能。
3.设计光路：根据需求分析，设计变焦内窥镜的光路，使得能够通过调整焦距实现变焦功能。
4.优化设计：优化光学设计，通过使用补偿光学元件或者折中的方法，控制像差的产生。
5.性能测试：对设计的变焦内窥镜光学系统进行性能测试，包括可视范围、分辨率和像差等指标的测试。
四、结论：通过合理的光学元件选择、光路设计和优化设计，可以实现高性能的变焦内窥镜光学系统。
结构简洁的光学变焦距手机镜头设计
Ｔｈ ｓ ｔ ｍ ｃ ｓ ｓ ｓ ａ ｔｃ ｓ ｈｅ ｉ ｌ ｎｓ ｓ ｎｄ ｎ Ｒ ｆｌｅ ． Ｔｈ Ｉｍｉｉ ｇ ｅ ｏ ｕ ｉ ｎ ｉ ｅ ｙｓ ｅ ｏｎ ｉｔ ｏｆ ４ ｐｌ ｓ ｉ ａ ｐ ｒｃ ｅ ｅ ａ ａ Ｉ ｉｔ ｒ ｅ ｉ ｔｎ ｒ ｓ ｌ ｔｏ ｓ
２ ５ ｌ ／ ｍ 。ｗｈｃ ｔ ｈ ｓｔ ｅＣＭ ＯＳ ｉ ｇ ｅ ｓ ｒｏ ． ５ ｔ ｐｘ ｌ ｉｅ Ｉ ｈ ｏｅｆ ｌ ｆ ８ ｐ ｍ ｉｈ ｍａ ｃ ｅ ｈ ｍａ ｅｓ ｎ ｏ ｆ１ ７ ＊ ｉ ｅ ｚ ． ｎ ｔ ｅｗｈ ｌ ｉ ｄ ｏ ｍ ｓ ｅ
变焦距 系统 结构 紧凑 ，分 辨率 高 ，成本低 ，可 满足 手机镜 头光 学变焦 的要 求。
关 键 词 ： 光 学 变 焦 ；Ｚ ＥＭ ＡＸ ；非 球 面 透 镜 ；Ｍ ＴＦ； 手 机 镜 头
中 图 分 类 号 ：ＴＮ９ ２ ２ ４． １ 文 献 标 志码 ：Ａ
Ｃｏ ｐａ ｔｏ ｉ ａ ｏ ｍ ｅ ｙ ｔ ｍ ｏ ｏ ｌ ｏ ｓ ｍ ｃ ｐｔｃ ｌ ｚ ｏ ｌ ｎｓ ｓ ｓ ｅ ｆ ｒ ｍ ｂｉｅ ｐｈ ｎｅ
ｔ ｅＭ ＴＦ ａ ｈ ａｆＮｙ ｕ ｓ ｒｑ ｅ ｃ （ ８ ｌｍｍ） ｏ Ｍ ＯＳ ｉ ｓ ａ ｔｏ ｈ ｈ ｔｔ ｅ ｈ ｌ ｑ ｉｔｆｅ ｕ ｎ ｙ ２ ５ｐ ／ ｆＣ ｎ ｍｏ ｔｐ ｒ ｆｔ ｅ ＦＯＶ ｒ ｗｅ ｅ
ｇｒ ａ ｅ ｈ ｎ ．５， ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ｔ ａ ０ ｎｄ ｈｅ ｌ ｎｇ ｈ ｏｆ ｔ ｅ ｏｐｔｃ ｌ ｚ ｍ ｅ ｓ ｙ ｔ ｍ ｓ ｌ ｓ ｔ ｎ ．２ ｍｍ ． Ｉ ｓ ｉ ａ ｏｏ ｌ ｎ ｓ ｓ ｅ ｉ ｅ ｓ ｈａ ９ ｔ ｉ
摘 要 ： 过 利 用 Ｚ Ｍ ＡＸ 光 学 工 程 设 计 软 件 设 计 了一 款 适 用 于 手 机 的 ２ 内 置 式 光 学 变 焦 距 镜 通 Ｅ 倍 头 。镜 头 仅 由 ４片 非球 面 的 塑 料 透 镜 和 ｌ片 Ｂ Ｋ７的 红 外 滤 光 片 构 成 ，能 够 达 到 ２ ５ｌ／ ８ ｐ ｍｍ 的 空 间 频 率 ，可 匹配 １ ７ ｍ 的 Ｃ ．５ ＯＭＳ 图 像 传 感 器 ，全 视 场 Ｒ Ｓ半 径 均 小 于 艾 利 斑 半 径 ，全 视 场 最 大 Ｍ 畸 变 小 于 ３／， ＴＦ值 在 １ ２奈 奎 斯 特 频 率 处 的 大部 分 视 场 大 于 ０ ５ ５ Ｍ ９ ／ ． ，总 长 度 小 于 ９ ２ｍｍ。整 个 ．
自适应光学系统中的智能变焦算法
自适应光学系统中的智能变焦算法一、自适应光学系统概述自适应光学系统是一种先进的光学技术，旨在改善光学成像质量，特别是在大气扰动、光学系统自身缺陷或动态变化环境下。
这种系统通过实时调整光学元件的形状或位置来补偿这些扰动，从而实现更清晰的图像。
自适应光学系统的核心在于其智能变焦算法，该算法能够根据实时反馈调整系统参数，以达到最优的成像效果。
1.1 自适应光学系统的基本组成自适应光学系统通常由以下几个基本部分组成：波前传感器、控制器、执行器和光学元件。
波前传感器用于检测波前畸变，控制器根据传感器的反馈信息计算出需要的调整量，执行器则负责实际调整光学元件的形状或位置。
1.2 自适应光学系统的关键技术自适应光学系统的关键技术包括波前检测技术、控制算法和执行器技术。
波前检测技术能够精确测量光学波前的畸变情况；控制算法是系统智能的核心，负责处理波前传感器的数据并计算出最优调整策略；执行器技术则涉及到如何快速且精确地调整光学元件。
二、智能变焦算法的原理与实现智能变焦算法是自适应光学系统中用于动态调整焦距以补偿各种扰动的算法。
这种算法能够根据实时的波前检测数据，自动调整光学系统参数，以实现最佳的成像效果。
2.1 智能变焦算法的基本原理智能变焦算法的基本原理是通过分析波前传感器收集的数据，确定波前畸变的程度和类型，然后计算出需要调整的焦距值。
算法需要考虑多种因素，包括系统的动态响应、调整速度和精度等。
2.2 智能变焦算法的分类智能变焦算法可以分为几种类型，包括基于模型的算法、基于数据的算法和混合算法。
基于模型的算法依赖于对光学系统的精确数学模型；基于数据的算法则利用历史数据进行学习和预测；混合算法结合了两者的优点。
2.3 智能变焦算法的实现步骤实现智能变焦算法通常包括以下几个步骤：数据采集、波前重建、算法设计、参数优化和执行器控制。
数据采集是算法的起点，波前重建是将传感器数据转换为波前畸变的数学表示；算法设计是核心过程，需要根据系统特性和要求设计出合适的控制策略；参数优化是为了提高算法的性能和稳定性；执行器控制则是将算法的输出转化为实际的光学调整。
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。
摄像头光学设计与优化策略
摄像头光学设计与优化策略摄像头光学设计和优化策略是摄像头技术中的关键部分，它直接影响到图像质量和成像效果。
在本文中，我将介绍摄像头光学设计的基本原理、常用的优化策略以及一些应用案例。
一、摄像头光学设计基本原理摄像头光学设计的基本原理是利用透镜系统使光线经过折射和反射等过程聚焦到图像传感器上，从而实现图像的捕捉和记录。
透镜是摄像头中最重要的光学元件，它的光学参数包括焦距、视场角、畸变等。
摄像头光学设计的关键任务之一是实现清晰的成像。
为了获得清晰的图像，我们需要考虑以下几个因素：1. 焦距选择：焦距的选择决定了图像的放大倍数。
较长的焦距可实现较大的放大倍数，但视场角较小；较短的焦距则可实现较广的视场角，但放大倍数较小。
根据具体的应用需求，选择合适的焦距是非常重要的。
2. 透镜的材质选择：不同的透镜材质对光线的折射和透射有不同的特性，影响着成像的清晰度和色彩还原。
常用的透镜材质包括玻璃、塑料等，选择适合的材质可以提高成像的质量。
3. 光圈的大小：光圈的大小也影响着图像的清晰度。
较小的光圈可增加景深，使得被摄物体的前后景物都能保持清晰；较大的光圈则可提高光线透过透镜的量，使图像明亮。
在实际设计时，需要综合考虑景深和光线的透过量，选择合适的光圈。
以上是摄像头光学设计的基本原理，下面我们将介绍一些常用的光学优化策略。
二、光学优化策略1. 多片透镜设计：通过使用多片透镜组合，可以实现更复杂的光学系统。
多片透镜可以共同起到矫正畸变、增加焦距、改善图像质量等作用。
这种策略在高端摄像头中常被采用，能够显著提高成像质量。
2. 涂层技术：通过给透镜表面涂上特殊的涂层，可以改变光线的透射和反射特性，减少光线损失和反射。
涂层技术能够提高图像的清晰度和对比度，减少光的干扰。
3. 自动对焦系统：为了确保拍摄的图像能够保持清晰，自动对焦系统是至关重要的。
自动对焦系统能够根据被摄物体的距离调整透镜的位置，从而实现清晰的成像。
自动对焦系统一般采用声音、激光等技术进行测距。
光学系统设计的要求
光学系统设计的要求任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求，因此，在我们进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求。
这些要求概括起来有以下几个方面。
一、光学系统的基本特性光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；线视场或视场角；系统的放大率或焦距。
此外还有与这些基本特性有关的一些特性参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。
二、系统的外形尺寸系统的外形尺寸，即系统的横向尺寸和纵向尺寸。
在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。
三、成象质量成象质量的要求和光学系统的用途有关。
不同的光学系统按其用途可提出不同的成象质量要求。
对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成象质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成象质量。
四、仪器的使用条件在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。
如生物显微镜的放大率Г要满足500NA≤Г≤1000NA条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。
光学系统设计过程所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。
因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。
一、外形尺寸计算在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。
因此，常把这个阶段称为外形尺寸计算。
一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。
在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。
每项性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。
二、初始结构的计算和选择、初始结构的确定常用以下两种方法：1．根据初级象差理论求解初始结构这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。
变焦系统的光学设计
变焦系统的光学设计变焦系统是一种能够调节焦距的光学系统，通过改变镜头或透镜之间的相对位置来实现焦距的变化，从而实现对物体的放大或缩小。
变焦系统广泛应用于相机、望远镜、显微镜等光学设备中，提供了更大的灵活性和便捷性，让用户可以根据需要调整焦距，获得不同的视野和成像效果。
变焦系统的光学设计是变焦系统的核心部分，其设计质量直接影响着系统的成像质量和性能。
在变焦系统的光学设计中，需要考虑的因素包括系统的光路布局、光学材料的选择、透镜或镜片的设计和配对、系统的调焦机构等。
为了实现高质量的变焦系统，需要综合考虑这些因素，并采用合理的设计方法和技术手段。
其次，在变焦系统的光学设计中还需要选择合适的光学材料。
光学材料的选择直接影响着系统的成像质量和性能，包括透过率、色散性、折射率等参数。
在选择光学材料时，需要考虑系统的工作波长范围、光学设计的要求以及制造成本等因素。
通常，在变焦系统的设计中会选择具有较高透射率和低散射率的光学材料，以提高成像质量和系统的传递效率。
另外，在变焦系统的光学设计中，透镜或镜片的设计和配对也是非常关键的。
透镜或镜片是光学系统中最基本的光学元件，其设计质量直接影响着系统的分辨率、畸变和像差等性能。
在设计透镜或镜片时，需要考虑其曲率、厚度、半径等参数，并进行光学仿真和优化计算，以实现系统的设计要求。
此外，在配对透镜或镜片时，还需要考虑其相对位置和倾斜角度，以减小像差并提高成像质量。
最后，在变焦系统的光学设计中，还需要考虑系统的调焦机构。
调焦机构是变焦系统中用于调节焦距的机构，通常包括手动和自动两种方式。
在设计系统的调焦机构时，需要考虑其调焦的精度、速度和稳定性，以及在不同焦距下的成像质量和畸变控制等因素。
同时，还需要考虑系统的机械结构和材料的选择，以提高系统的可靠性和稳定性。
综上所述，变焦系统的光学设计是一个综合考虑光学布局、材料选择、透镜配对和调焦机构等多个因素的复杂工程，其设计质量直接影响着系统的成像质量和性能。
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。
光学变焦系统设计
光学变焦系统设计摘要：光学变焦系统是一种通过改变光学系统的焦距来实现对目标的放大和缩小的技术。
本文将介绍光学变焦系统的原理和设计。
首先，我们将讨论常见的光学变焦系统类型，包括连续变焦系统和离散变焦系统。
然后，我们将详细介绍光学变焦系统的核心组件，包括透镜组、电动驱动器和控制系统。
最后，我们将讨论光学变焦系统的应用和未来发展方向。
1.引言2.光学变焦系统类型光学变焦系统可以分为连续变焦系统和离散变焦系统两种类型。
连续变焦系统通过调节光学系统的曲率来实现焦距的连续调节。
离散变焦系统则通过使用不同的透镜组合来实现焦距的离散调节。
连续变焦系统的优点是可以实现焦距的无级调节，但由于光学元件的加工和控制的复杂性，成本相对较高。
离散变焦系统由于透镜组的离散组合，可以实现相对较低的成本，但只能实现焦距的离散调节。
光学变焦系统的核心组件包括透镜组、电动驱动器和控制系统。
透镜组是光学变焦系统的关键，通过改变透镜的位置和曲率来实现焦距的调节。
透镜组由凸透镜和凹透镜组成，通过改变凸凹透镜之间的距离来调节焦距。
电动驱动器负责控制透镜组的运动，通常使用步进电机或伺服电机来实现精确的位置控制。
控制系统负责接收用户输入的焦距控制信号，并将其转换为透镜组的运动指令。
4.光学变焦系统应用光学变焦系统在很多领域都有广泛的应用。
在视觉测量领域，光学变焦系统可以实现对目标的无损放大和缩小，帮助用户更好地观察细节。
在机器人视觉领域，光学变焦系统可以实现机器人对目标的自动识别和定位。
在医疗成像领域，光学变焦系统可以实现对病人的无损检查和诊断。
5.光学变焦系统的未来发展方向光学变焦系统的未来发展方向主要是实现更小和更轻的组件，以及更高的精度和速度。
随着微纳加工技术和材料技术的不断进步，透镜组的尺寸和重量可以进一步减小。
同时，精密控制技术的发展可以实现更高的位置精度和速度。
此外，智能化和自适应控制技术的应用也将进一步提高光学变焦系统的性能和稳定性。
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。
变焦与调焦
理想凸透镜成像公式：1/u + 1/v = 1/f，其中u是物距，v是像距，f是焦距。
“变焦（Zoom）＂是指改变焦距f。
只有变焦镜头的焦距才能被改变，定焦镜头的焦距是固定的。
“调焦（Focus）＂或“对焦＂是指改变像距v，也就是改变镜头光心到底片平面的距离。
除了一些低档傻瓜机镜头没有调焦机构，不能改变像距外，所有镜头，无论定焦变焦，都可以改变像距。
“焦点对在xxx上面（Focus on xxx）＂这个习惯说法，是指通过“调焦＂，即改变像距v，使之与景物xxx到镜头的距离u、镜头焦距f，满足成像公式 1/u + 1/v = 1/f，也就是景物xxx能在底片上清晰成像。
变焦是改变镜头的焦距即改变镜头的视角，其原理是在镜头的镜片中加一族活动透镜；对焦是调整像的虚实，即改变透镜和成像面的距离，达到使影象清晰目的。
因而，变焦与对焦意义完全不同。
一、调焦原理实际照相时，被照物体与照相机的相对距离，每次总是有变化的。
由高斯公式1/l'-1/l=1/f'可知，对于不同的照相距离l，其照相光学系统的象距l'也将随着变化。
为了使不同距离的被摄物体能够正确地成象在焦平面（即胶片平面）上以得到清晰的影像，必须随时调整镜头与胶片平面之间的距离l'来适应物距l的变化。
镜头的这种调整过程就称为调焦。
为了正确地进行调焦，一般在调焦前还要测定出被摄物体到胶片平面之间的距离，这个过程便称为测距。
二、照相机镜头的调焦方式照相机镜头的调焦通常采用下述三种方式来进行：(1)改变象距的调焦方式照相机镜头对无穷远物体对焦时，它成象在镜头的焦平面上，即l'=f'。
当摄影距离缩短成有限距离时，如7m，3m，…(指被摄体到照相机胶平面之间的距离)，象距l'都会拉长。
实际上135照相机的胶片位置是相对不变的，因此只能将整个镜头向前伸出有限距离x'，此增大量只有这样才能保证象点正确地落实在胶片平面上，以保持象面的清晰度。
光学系统设计的要求
光学系统设计的要求任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求，因此，在我们进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求。
这些要求概括起来有以下几个方面。
一、光学系统的基本特性光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；线视场或视场角；系统的放大率或焦距。
此外还有与这些基本特性有关的一些特性参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。
二、系统的外形尺寸系统的外形尺寸，即系统的横向尺寸和纵向尺寸。
在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。
三、成象质量成象质量的要求和光学系统的用途有关。
不同的光学系统按其用途可提出不同的成象质量要求。
对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成象质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成象质量。
四、仪器的使用条件在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。
如生物显微镜的放大率Г要满足500NA≤Г≤1000NA条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。
光学系统设计过程所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。
因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。
一、外形尺寸计算在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。
因此，常把这个阶段称为外形尺寸计算。
一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。
在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。
每项性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。
二、初始结构的计算和选择、初始结构的确定常用以下两种方法：1．根据初级象差理论求解初始结构这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。
监控摄像头光学变焦的原理
监控摄像头光学变焦的原理光学变焦是一种通过调节摄像头的镜头以改变镜头焦距来实现对目标的放大或缩小的技术。
在光学变焦中，通过改变镜头的位置或形状来改变光线的入射角度，从而调整光线的聚焦点。
下面我们将详细介绍光学变焦的原理。
光学变焦是基于薄透镜的工作原理进行设计的。
薄透镜是一种透明的光学器件，它由两面曲面组成，通常为凸透镜或凹透镜。
通过控制透镜的位置，可以改变透镜的焦距，从而实现对目标的放大或缩小。
通常，摄像头通过使用一组具有不同焦距的透镜，来实现光学变焦。
这组透镜通常包括一个长焦透镜和一个短焦透镜。
当需要放大目标时，摄像头会使用长焦透镜，通过增加透镜的焦距来实现放大。
相反，当需要缩小目标时，摄像头会使用短焦透镜，通过减小透镜的焦距来实现缩小。
在光学变焦中，透镜的焦距与光线聚焦点之间存在一个简单的关系。
焦距越长，光线聚焦点就越近；焦距越短，光线聚焦点就越远。
这意味着，通过调节透镜的焦距，可以改变光线聚焦点的位置，从而实现对目标的放大或缩小。
为了实现光学变焦，摄像头通常使用一个称为变焦系统的机械装置。
变焦系统通过改变透镜的位置或形状，来实现对焦距的调节。
当需要放大目标时，变焦系统会使透镜后移，从而增加透镜的焦距；相反，当需要缩小目标时，变焦系统会使透镜前移，从而减小透镜的焦距。
变焦系统通常包括一个驱动系统，用于控制透镜的位置或形状。
这个驱动系统可以是手动的，也可以是自动的。
在手动变焦系统中，用户可以通过旋转或推拉透镜来调节焦距。
在自动变焦系统中，摄像头会根据预设的参数或用户的输入，自动调节透镜的位置或形状。
除了通过调节透镜的位置，还有一种常见的光学变焦方法是使用多个透镜组合。
这种方法使用多个透镜组合来实现对焦距的调节，从而实现放大或缩小。
通过使用不同焦距的透镜组合，摄像头可以实现更大的变焦范围。
总结起来，光学变焦是一种通过调节摄像头透镜的位置或形状来改变透镜的焦距，从而实现对目标的放大或缩小的技术。
通过控制光线的入射角度和透镜的焦距，光学变焦能够实现对目标的精确放大或缩小。
进化中的摄像头光学设计思路
进化中的摄像头光学设计思路摄像头光学设计是现代科技发展中非常重要的领域之一。
随着科技的不断进步和需求的不断增长，摄像头光学设计也在不断演化和创新。
本文将围绕进化中的摄像头光学设计思路展开讨论，探讨其中的设计原则、技术挑战以及未来发展趋势。
首先，摄像头光学设计的基本原则是光学成像。
在摄像头中，通过光学透镜、滤光片、光学衍射等元件，将被拍摄对象的光线反射、传输和接收，形成最终的图像。
因此，摄像头光学设计需要考虑光线的传输、分辨率、颜色还原能力等因素。
在摄像头光学设计中，一个重要的思路是提高成像分辨率。
成像分辨率是摄像头光学设计的核心指标之一，它决定了图像的清晰度和细节展示能力。
为了提高成像分辨率，设计者可以采用多种方法，如增加透镜组件的数量和复杂度，引入新的材料和涂层技术，优化光学系统的对焦机制等。
此外，采用更高的像素传感器和更先进的图像处理算法也是提高成像分辨率的有效手段。
另一个重要的光学设计思路是提高光学系统的光线透过率。
光线透过率决定了摄像头的敏感度和图像的亮度，对于在低照度环境下进行拍摄和录制的摄像头尤为重要。
为了提高光线透过率，设计者可以采用高折射率的材料，设计更复杂的光学元件形状，或者使用特殊的光学涂层技术。
此外，通过增加摄像头的感光器件面积，改善像素结构和提高转换效率，也可以有效提高光线透过率。
除了提高成像分辨率和光线透过率，摄像头光学设计还需要考虑色彩还原能力。
色彩还原能力是指摄像头能够准确还原被拍摄对象的颜色。
为了提高色彩还原能力，设计者需要选择合适的滤光片和光学元件，优化光学系统的光谱响应，以及采用更先进的图像处理算法。
此外，设计者还需要考虑到白平衡、曝光控制和色彩校正等因素，以进一步提高色彩还原能力。
在摄像头光学设计中，还面临着一些挑战和难题。
首先是摄像头尺寸的限制。
摄像头往往需要紧凑而轻便的设计，以适应各种移动设备和场景的需求。
因此，设计者需要在有限的空间内实现复杂的光学系统，并在保证性能的同时节约成本和功耗。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
有改变物距，这就是平常使用定焦镜头时的作法；
b．改变焦距，同样可以实现变倍。
2020/10/27
7
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 )
2 f ' (x ' x)
f ' x'
x f'
2020/10/27
11
变焦系统原理
2.变焦原理
系统的焦距变化有下式给出
1 2 d12
1
2
分别是两块透镜的光焦度。d
是两透镜之间的间隔
是合成光焦度。
f 若：1 >0
2 >0 d 增大。则
增大
d f 若：1 >0 2 <0 且 2 > 1
增加 减小
2020/10/27
12
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，
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
2020/10/27
20
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。
得到
G f '(2 1 )
2020/10/27
8
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
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。
2020/10/27
9
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
2020/10/27
2020/10/27
4
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
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
2020/10/27
13
变焦系统原理
2.变焦原理
变焦系统变倍组、补偿组移理
3.变焦系统的补偿方法
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
2020/10/27
二元组
三元组
16
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
2020/10/27
三元组补偿点
二元组补偿点
17
四元组补偿点
变焦系统原理
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。
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
2020/10/27
15
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
模拟定焦系统共轭距随横向放大率变化
10
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。
▪ 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。
▪ 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
2020/10/27
18
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
2020/10/27
19
变焦系统原理
变焦系统光学设计
组员：1. 黎文柔 2. 丁世涛 3. 张兰庆 4. 韩平
• 变焦系统概述 • 变焦系统原理 • 变焦系统实例
2020/10/27
2
变焦系统概述
▪ 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。
。
2020/10/27
5
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
2020/10/27
6
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
双组联动系统结构示意图
2020/10/27
21
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
2020/10/27
▪ 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
2020/10/27
3
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。