光學(xué)變焦系統(tǒng)設(shè)計

1、變焦系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計變焦系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計組員：組員：1. 黎文柔黎文柔 2. 丁世濤丁世濤 3. 張?zhí)m慶張?zhí)m慶 4. 韓平韓平 2021-12-82 變焦系統(tǒng)概述變焦系統(tǒng)概述 變焦系統(tǒng)原理變焦系統(tǒng)原理 變焦系統(tǒng)實例變焦系統(tǒng)實例2021-12-83 18341834年，英國數(shù)學(xué)家彼得年，英國數(shù)學(xué)家彼得. .巴洛提出在伸縮式望遠鏡中的巴洛提出在伸縮式望遠鏡中的目鏡組中加上一塊負透鏡可以改變其放大率，由此開始了目鏡組中加上一塊負透鏡可以改變其放大率，由此開始了變焦距物鏡的研究歷史變焦距物鏡的研究歷史 19021902年美國光學(xué)專家年美國光學(xué)專家AllenAllen取得了第一個變焦鏡頭專利。取得了第一個變焦鏡

2、頭專利。在兩塊固定鏡片之間加入一塊活動鏡片，當(dāng)活動鏡片離開在兩塊固定鏡片之間加入一塊活動鏡片，當(dāng)活動鏡片離開前鏡片時，可使焦距縮短；反之，可使焦距增長。在最短前鏡片時，可使焦距縮短；反之，可使焦距增長。在最短和最長的位置上，焦點位置保持不變。在中間位置處，焦和最長的位置上，焦點位置保持不變。在中間位置處，焦點存在偏移，當(dāng)光圈較小時，這樣的偏移是可忍受的。點存在偏移，當(dāng)光圈較小時，這樣的偏移是可忍受的。 19321932年，德國光學(xué)專家赫爾穆特年，德國光學(xué)專家赫爾穆特瑙曼設(shè)計了焦距為瑙曼設(shè)計了焦距為25-25-80mm80mm、相對孔徑為、相對孔徑為F/2.8F/2.8的世界上第一個現(xiàn)代機械補償

3、變的世界上第一個現(xiàn)代機械補償變焦鏡頭焦鏡頭2021-12-84 第二次世界大戰(zhàn)前后，變焦距鏡頭普遍用于電影攝影，但第二次世界大戰(zhàn)前后，變焦距鏡頭普遍用于電影攝影，但受當(dāng)時機械加工精度的限制，難以加工出滿足機械補償法受當(dāng)時機械加工精度的限制，難以加工出滿足機械補償法精度要求的機械凸輪，因而大多采用光學(xué)補償法，通過同精度要求的機械凸輪，因而大多采用光學(xué)補償法，通過同步移動兩組或兩組以上鏡片，改變焦距和補償焦點偏移。步移動兩組或兩組以上鏡片，改變焦距和補償焦點偏移。 19601960年以后，隨著機械加工工藝的改進、凸輪加工精度的年以后，隨著機械加工工藝的改進、凸輪加工精度的提高、光學(xué)材料性能的提高、

4、光學(xué)冷加工以及鍍膜技術(shù)的提高、光學(xué)材料性能的提高、光學(xué)冷加工以及鍍膜技術(shù)的發(fā)展，機械補償變焦距鏡頭得到了很大的發(fā)展。發(fā)展，機械補償變焦距鏡頭得到了很大的發(fā)展。 19711971年，首次將雙組聯(lián)動變焦方式用于電視變焦鏡頭，它年，首次將雙組聯(lián)動變焦方式用于電視變焦鏡頭，它可看作是機械補償和光學(xué)補償?shù)慕Y(jié)合，具有變焦運動移動可看作是機械補償和光學(xué)補償?shù)慕Y(jié)合，具有變焦運動移動量小、接近線性、凸輪曲線平緩等優(yōu)點。量小、接近線性、凸輪曲線平緩等優(yōu)點。2021-12-85 變焦系統(tǒng)變焦系統(tǒng)： 是指焦距在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變而像面位置是指焦距在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變而像面位置 保持保持不變的光學(xué)系統(tǒng)不變的光學(xué)系統(tǒng) 變

5、焦的目的變焦的目的： 連續(xù)改變系統(tǒng)的放大率，像面景物的大小連續(xù)可連續(xù)改變系統(tǒng)的放大率，像面景物的大小連續(xù)可 變變 變焦的應(yīng)用：變焦的應(yīng)用： 變焦距光學(xué)系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于宇宙空間探索事變焦距光學(xué)系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用于宇宙空間探索事業(yè)、科研、生產(chǎn)、教育、國防、天文、航天、工業(yè)生產(chǎn)、業(yè)、科研、生產(chǎn)、教育、國防、天文、航天、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活等各個方面醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活等各個方面。2021-12-86變焦系統(tǒng)原理1. 定焦鏡頭依靠改變物距而變倍的初步分析透鏡成像示意圖2021-12-87變焦系統(tǒng)原理光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大倍率：fx 1. 定焦鏡頭依靠改變物距而變倍的初步分析一般物方和像方媒質(zhì)都是空氣

6、，即 則：ff fxa焦距固定不變時，要想在畫面上得到不同倍率的 像，只 有改變物距，這就是平常使用定焦鏡頭時的作法；b改變焦距，同樣可以實現(xiàn)變倍。2021-12-88變焦系統(tǒng)原理共軛距1. 定焦鏡頭依靠改變物距而變倍的初步分析( )()Gllxfxf （假設(shè) ）ff 2 ( )fxx根據(jù)fxxf 得到1(2)Gf2021-12-89變焦系統(tǒng)原理1. 定焦鏡頭依靠改變物距而變倍的初步分析1. 變倍過程中，一般來說像面不穩(wěn)定，像面位置要發(fā)生變化。2.滿足物像交換原則時，像面是穩(wěn)定的。2021-12-810變焦系統(tǒng)原理1. 定焦鏡頭依靠改變物距而變倍的初步分析模擬定焦系統(tǒng)共軛距隨橫向放大率變化20

7、21-12-811變焦系統(tǒng)原理定焦系統(tǒng)的缺點：1. 定焦鏡頭依靠改變物距而變倍是有很大的局限性的，像面位置不穩(wěn)定，使用上不方便2. 有些自然環(huán)境也不允許物距作大的調(diào)整。例如在野外拍攝，想要拍攝的對像位于大河對岸時，就無法依靠改變物距來達到變倍的目的。1. 定焦鏡頭依靠改變物距而變倍的初步分析2021-12-812變焦系統(tǒng)原理2.變焦原理1212d系統(tǒng)的焦距變化有下式給出d12是兩透鏡之間的間隔分別是兩塊透鏡的光焦度。是合成光焦度。若： 0 0 增大。則 增大1fd2若： 0 增加 減小fd12212021-12-813變焦系統(tǒng)原理物像交換原則特點： 變焦系統(tǒng)的任何運動組份每時每刻都有兩個物像交

8、換位置，對每個運動組份都存在孿生的兩條補償曲線 組份在此兩個物像交換位置上的倍率互為倒數(shù) 變焦比 即 組份在這一對物像交換位置上共扼距不變21 1 21 2021-12-814變焦系統(tǒng)原理2.變焦原理變焦系統(tǒng)變倍組、補償組移動示意圖2021-12-815變焦系統(tǒng)原理變焦系統(tǒng)的補償方法 對定焦系統(tǒng)的分析我們可以知道移動透鏡改變焦距時，會伴隨有像面的移動，需要補償像面的移動。根據(jù)補償方式的不同，變焦距光學(xué)系統(tǒng)可分為： 光學(xué)補償 機械補償 雙組聯(lián)動補償2021-12-816變焦系統(tǒng)原理變焦系統(tǒng)的補償方法3.1光學(xué)補償變 光學(xué)補償變焦系統(tǒng)是指利用一組或兩組透鏡的線性移動達到變倍目的，而又能保證像面變動

9、不大的系統(tǒng)，二組元系統(tǒng)、三組元系統(tǒng)、四組元系統(tǒng)等二元組三元組2021-12-817變焦系統(tǒng)原理變焦系統(tǒng)的補償方法3.1光學(xué)補償四元組二元組補償點三元組補償點四元組補償點2021-12-818變焦系統(tǒng)原理3.變焦系統(tǒng)的補償方法3.2機械補償 機械補償變焦系統(tǒng)是指像面位移補償組作不等速運動的系統(tǒng)。在變焦過程中像面穩(wěn)定，且成像質(zhì)量良好，根據(jù)補償組焦距的正負，機械補償變焦系統(tǒng)可分為正組機械補償變焦系統(tǒng)和負組機械補償變焦系統(tǒng)。 正組補償變焦系統(tǒng)即補償組的光焦度為正的系統(tǒng)，需要保證以使各組份間有足夠的間隔，避免相碰。 負組補償變焦系統(tǒng)即補償組的光焦度為負的系統(tǒng)。其運動方式與正組補償有較大的區(qū)別2021-1

10、2-819變焦系統(tǒng)原理3.變焦系統(tǒng)的補償方法3.2機械補償正組補償結(jié)構(gòu)示意圖2021-12-820變焦系統(tǒng)原理3.變焦系統(tǒng)的補償方法3.2機械補償負組補償結(jié)構(gòu)示意圖2021-12-821變焦系統(tǒng)原理3.變焦系統(tǒng)的補償方法3.3雙組聯(lián)動變焦系統(tǒng) 雙組聯(lián)動變焦系統(tǒng)兼有光學(xué)補償系統(tǒng)和機械補償系統(tǒng)的特點，在光學(xué)補償系統(tǒng)兩線性運動組元之間，采用一組按照一定軌跡運動的透鏡來補償像面位移，在整個變焦過程中具有好的成像質(zhì)量。雙組聯(lián)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2021-12-822變焦系統(tǒng)原理3.變焦系統(tǒng)的補償方法三種變焦系統(tǒng)的比較2021-12-823變焦系統(tǒng)原理3.變焦系統(tǒng)的補償方法 光學(xué)補償系統(tǒng)長度較長，只在幾個位置

11、處像面完全穩(wěn)定，通常適用于小孔徑小視場且變焦倍率不大的變焦系統(tǒng)，不適用于大相對孔徑系統(tǒng)。 機械補償系統(tǒng)的像質(zhì)穩(wěn)定性高，運動機構(gòu)簡單，系統(tǒng)尺寸介于光學(xué)補償和雙組聯(lián)動系統(tǒng)之間，是目前常用的變焦結(jié)構(gòu)。采用正組機械補償時，長度較長，透鏡口徑較小，前固定組焦距較長，二級光譜較小。采用負組機械補償時，長度較短，但口徑較大，前固定組焦距較短，二級光譜較大。 雙組聯(lián)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且整個變焦過程中成像質(zhì)量好，但其前固定組焦距較小，會帶來嚴重的二級光譜，另外，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2021-12-824變焦系統(tǒng)實例EFL POS 1 POS 2 POS 3 POS4 0.5912 1.2738 2.7442 5.908

12、6（in）W 28 13.9 6.5 310 變焦比2021-12-8252021-12-8262021-12-8272021-12-8282021-12-8292021-12-8302021-12-831變焦系統(tǒng)實例2021-12-832變焦系統(tǒng)實例2021-12-833變焦系統(tǒng)實例2021-12-834變焦系統(tǒng)實例0.29e-20.453e-22021-12-83522:33:58 01-Nov-10New lens from CVMACRO:cvnewlens.seq RAY ABERRATIONS (INCHES) 656.2725 NM 587.5618 NM 486.1327 NMPOSITION1-0.00488 0.00488-0