6.5倍微小型可见光变焦光学系统设计
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贺 磊1,2，张建隆2，杨 振2
（1．哈尔滨新光光电科技有限公司，黑龙江 哈尔滨 150080； 2．哈尔滨工业大学 光学目标仿真与测试技术研究所，黑龙江 哈尔滨 150080）
摘要：连续变焦光学系统在执法取证、森林防火、海洋搜救、道路交通、无人机侦察等领域 有着广泛且必不可少的实际应用。为提高变焦系统的性能指标，并使系统小型化，通过 Zemax 光学设计软件反复优化计算，设计了焦距为 2.68～17.5 mm、视场为 4.7°～31°的变焦系统。 整个系统由 4 组 10 片透镜组成，物镜的像方 F 数为 2.15～3，MTF 值在 250 lp/mm 时均大 于 0.25，畸变在 4.5% 以内，光学总长小于 27 mm，总质量小于 0.77 g，具有结构紧凑、体积 小、重量轻、分辨率高、成像质量好等优点，是一款微小型的连续变焦光学系统。
Technology, Harbin 150080, China）
Abstract: Continuous zoom optical system has extensive and essential practical applications in the field, such as law enforcement and evidence collection, forest fire, maritime search rescue, road traffic, unmanned aerial vehicle reconnaissance. In order to improve the zoom system performance index, and realize the miniaturization of system, the focal length of 2.68 mm to 17.5 mm, 4.7°-31° field zoom system is designed by using the Zemax optical design software and optimization calculation. The whole system is composed of four groups of ten pieces of lens. The F number is 2.15-3. The MTF curve at 250 lp/mm is greater than 0.25. Distortion is within 4.5%. The optical length is less than 27 mm. Total mass is less than 0.77 g. The system has a compact structure, light weight, high resolution, excellent image quality, etc, which is a miniaturization of microminiature continuous zoom.
关键词：光学设计；变焦系统；分辨率；小型化 中图分类号：O 439 文献标志码：A
Design of a 6.5 times microscale continuous visible zoom optical system
HE Lei1,2，ZHANG Jianlong2，YANG Zhen2
（1. Harbin Xin Guang Photoelectric Technology Co. Ltd., Harbin 150080, China; 2. Institute of Optical Target Simulation and Test Technology, Harbin Institute of
收稿日期 ：2018-07-13 基金项目 ：国家重大科学仪器设备开发专项 (2013YQ350747) 作者简介 ：贺 磊 (1981—)，男，高级工程师，研究方向为光学系统设计、光学导引头设计与研制。E-mail：
helei3024@126.com
第2期
贺 磊，等：6.5倍微小型可见光变焦光学系统设计
由上述可知，变焦光学系统已广泛应用于无 人机光电吊舱。随着光电载荷性能指标的不断提 升，对变焦光学系统的高分辨率、小型化、轻量 化设计需求也与日俱增，因此设计一款高分辨 率、微小型的连续变焦系统非常重要。
变焦光学系统是指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 [2]。 文 献 [3] 设计的一种高分辨率电视制导连续变焦光学 wenku.baidu.com统的焦距为 40～152 mm、F 数为 3.5、传递函 数数值在 106 lp/mm 达到 0.4，光学系统长度为 160 mm；文献 [4] 设计的 AOTF 光谱相机前置 变焦光学系统的焦距为 30～300 mm、传递函数 数值在50 lp/mm 达到 0.7；文献 [5] 设计的 8 倍 可 见 光 变 焦 光 学 系 统 的 焦 距 为 6.5～ 52 mm、 F 数为 4、传递函数数值在 75 lp/mm 达到 0.6。 本文充分考虑了上述光学系统的优缺点，结合光 学系统焦距、变倍比、F 数、分辨率、小型化等 因素，通过不断优化设计，设计出了一款小 F 数、高分辨率的连续变焦光学系统，实现了系 统的小型化、轻量化设计。
Keywords: optical design；zoom system；resolution；miniaturization
• 47 •
引 言
进入 21 世纪，光学成像系统已广泛应用于 工业生产、地面防空、预警侦察和武器制导等诸 多领域[1]。无人机光电吊舱在近年来得到了飞速 发 展 ， 如 以 色 列 NEXTVISION 公 司 生 产 的 Colibri 型无人机光电吊舱，其为可见/红外双波 段无人机光电吊舱，在可见光波段采用了连续变 焦的光学系统，整机外形直径小于 53 mm、高 度小于 78 mm、重量小于 160 g，具有体积小、 重量轻、结构紧凑的特点。我国自主研发的“龙 之眼”330 型无人机光电吊舱也采用可见/红外双 波段光学系统，其内部集成了一台高清可见光变 焦光学系统，可对目标实施搜索、跟踪、定位。
第 41 卷 第 2 期 2019 年 4 月
光学仪器 OPTICAL INSTRUMENTS
Vol. 41，No. 2 April，2019
文章编号：1005-5630(2019)02-0046-07
DOI: 10.3969/j.issn.1005-5630.2019.02.009
6.5 倍微小型可见光变焦光学系统设计
（1．哈尔滨新光光电科技有限公司，黑龙江 哈尔滨 150080； 2．哈尔滨工业大学 光学目标仿真与测试技术研究所，黑龙江 哈尔滨 150080）
摘要：连续变焦光学系统在执法取证、森林防火、海洋搜救、道路交通、无人机侦察等领域 有着广泛且必不可少的实际应用。为提高变焦系统的性能指标，并使系统小型化，通过 Zemax 光学设计软件反复优化计算，设计了焦距为 2.68～17.5 mm、视场为 4.7°～31°的变焦系统。 整个系统由 4 组 10 片透镜组成，物镜的像方 F 数为 2.15～3，MTF 值在 250 lp/mm 时均大 于 0.25，畸变在 4.5% 以内，光学总长小于 27 mm，总质量小于 0.77 g，具有结构紧凑、体积 小、重量轻、分辨率高、成像质量好等优点，是一款微小型的连续变焦光学系统。
Technology, Harbin 150080, China）
Abstract: Continuous zoom optical system has extensive and essential practical applications in the field, such as law enforcement and evidence collection, forest fire, maritime search rescue, road traffic, unmanned aerial vehicle reconnaissance. In order to improve the zoom system performance index, and realize the miniaturization of system, the focal length of 2.68 mm to 17.5 mm, 4.7°-31° field zoom system is designed by using the Zemax optical design software and optimization calculation. The whole system is composed of four groups of ten pieces of lens. The F number is 2.15-3. The MTF curve at 250 lp/mm is greater than 0.25. Distortion is within 4.5%. The optical length is less than 27 mm. Total mass is less than 0.77 g. The system has a compact structure, light weight, high resolution, excellent image quality, etc, which is a miniaturization of microminiature continuous zoom.
关键词：光学设计；变焦系统；分辨率；小型化 中图分类号：O 439 文献标志码：A
Design of a 6.5 times microscale continuous visible zoom optical system
HE Lei1,2，ZHANG Jianlong2，YANG Zhen2
（1. Harbin Xin Guang Photoelectric Technology Co. Ltd., Harbin 150080, China; 2. Institute of Optical Target Simulation and Test Technology, Harbin Institute of
收稿日期 ：2018-07-13 基金项目 ：国家重大科学仪器设备开发专项 (2013YQ350747) 作者简介 ：贺 磊 (1981—)，男，高级工程师，研究方向为光学系统设计、光学导引头设计与研制。E-mail：
helei3024@126.com
第2期
贺 磊，等：6.5倍微小型可见光变焦光学系统设计
由上述可知，变焦光学系统已广泛应用于无 人机光电吊舱。随着光电载荷性能指标的不断提 升，对变焦光学系统的高分辨率、小型化、轻量 化设计需求也与日俱增，因此设计一款高分辨 率、微小型的连续变焦系统非常重要。
变焦光学系统是指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 [2]。 文 献 [3] 设计的一种高分辨率电视制导连续变焦光学 wenku.baidu.com统的焦距为 40～152 mm、F 数为 3.5、传递函 数数值在 106 lp/mm 达到 0.4，光学系统长度为 160 mm；文献 [4] 设计的 AOTF 光谱相机前置 变焦光学系统的焦距为 30～300 mm、传递函数 数值在50 lp/mm 达到 0.7；文献 [5] 设计的 8 倍 可 见 光 变 焦 光 学 系 统 的 焦 距 为 6.5～ 52 mm、 F 数为 4、传递函数数值在 75 lp/mm 达到 0.6。 本文充分考虑了上述光学系统的优缺点，结合光 学系统焦距、变倍比、F 数、分辨率、小型化等 因素，通过不断优化设计，设计出了一款小 F 数、高分辨率的连续变焦光学系统，实现了系 统的小型化、轻量化设计。
Keywords: optical design；zoom system；resolution；miniaturization
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引 言
进入 21 世纪，光学成像系统已广泛应用于 工业生产、地面防空、预警侦察和武器制导等诸 多领域[1]。无人机光电吊舱在近年来得到了飞速 发 展 ， 如 以 色 列 NEXTVISION 公 司 生 产 的 Colibri 型无人机光电吊舱，其为可见/红外双波 段无人机光电吊舱，在可见光波段采用了连续变 焦的光学系统，整机外形直径小于 53 mm、高 度小于 78 mm、重量小于 160 g，具有体积小、 重量轻、结构紧凑的特点。我国自主研发的“龙 之眼”330 型无人机光电吊舱也采用可见/红外双 波段光学系统，其内部集成了一台高清可见光变 焦光学系统，可对目标实施搜索、跟踪、定位。
第 41 卷 第 2 期 2019 年 4 月
光学仪器 OPTICAL INSTRUMENTS
Vol. 41，No. 2 April，2019
文章编号：1005-5630(2019)02-0046-07
DOI: 10.3969/j.issn.1005-5630.2019.02.009
6.5 倍微小型可见光变焦光学系统设计