光學(xué)變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、變焦系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)變焦系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)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(shí)例變焦系統(tǒng)實(shí)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(yuǎn)鏡中的巴洛提出在伸縮式望遠(yuǎn)鏡中的目鏡組中加上一塊負(fù)透鏡可以改變其放大率，由此開始了目鏡組中加上一塊負(fù)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(gè)變焦鏡頭專利。取得了第一個(gè)變焦鏡

2、頭專利。在兩塊固定鏡片之間加入一塊活動(dòng)鏡片，當(dāng)活動(dòng)鏡片離開在兩塊固定鏡片之間加入一塊活動(dòng)鏡片，當(dāng)活動(dòng)鏡片離開前鏡片時(shí)，可使焦距縮短；反之，可使焦距增長。在最短前鏡片時(shí)，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(diǎn)位置保持不變。在中間位置處，焦和最長的位置上，焦點(diǎn)位置保持不變。在中間位置處，焦點(diǎn)存在偏移，當(dāng)光圈較小時(shí)，這樣的偏移是可忍受的。點(diǎn)存在偏移，當(dāng)光圈較小時(shí)，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(jì)了焦距為瑙曼設(shè)計(jì)了焦距為25-25-80mm80mm、相對(duì)孔徑為、相對(duì)孔徑為F/2.8F/2.8的世界上第一個(gè)現(xiàn)代機(jī)械補(bǔ)償

3、變的世界上第一個(gè)現(xiàn)代機(jī)械補(bǔ)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(shí)機(jī)械加工精度的限制，難以加工出滿足機(jī)械補(bǔ)償法受當(dāng)時(shí)機(jī)械加工精度的限制，難以加工出滿足機(jī)械補(bǔ)償法精度要求的機(jī)械凸輪，因而大多采用光學(xué)補(bǔ)償法，通過同精度要求的機(jī)械凸輪，因而大多采用光學(xué)補(bǔ)償法，通過同步移動(dòng)兩組或兩組以上鏡片，改變焦距和補(bǔ)償焦點(diǎn)偏移。步移動(dòng)兩組或兩組以上鏡片，改變焦距和補(bǔ)償焦點(diǎn)偏移。 19601960年以后，隨著機(jī)械加工工藝的改進(jìn)、凸輪加工精度的年以后，隨著機(jī)械加工工藝的改進(jìn)、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(jī)械補(bǔ)償變焦距鏡頭得到了很大的發(fā)展。發(fā)展，機(jī)械補(bǔ)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(dòng)變焦方式用于電視變焦鏡頭，它年，首次將雙組聯(lián)動(dòng)變焦方式用于電視變焦鏡頭，它可看作是機(jī)械補(bǔ)償和光學(xué)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)合，具有變焦運(yùn)動(dòng)移動(dòng)可看作是機(jī)械補(bǔ)償和光學(xué)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)合，具有變焦運(yùn)動(dòng)移動(dòng)量小、接近線性、凸輪曲線平緩等優(yōu)點(diǎn)。量小、接近線性、凸輪曲線平緩等優(yōu)點(diǎn)。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(gè)方面醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活等各個(gè)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(shí)，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(shí)的作法；b改變焦距，同樣可以實(shí)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(shí)，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(diǎn)：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(duì)像位于大河對(duì)岸時(shí)，就無法依靠改變物距來達(dá)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(diǎn)： 變焦系統(tǒng)的任何運(yùn)動(dòng)組份每時(shí)每刻都有兩個(gè)物像交

8、換位置，對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)組份都存在孿生的兩條補(bǔ)償曲線 組份在此兩個(gè)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(duì)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(bǔ)償組移動(dòng)示意圖2021-12-815變焦系統(tǒng)原理變焦系統(tǒng)的補(bǔ)償方法 對(duì)定焦系統(tǒng)的分析我們可以知道移動(dòng)透鏡改變焦距時(shí)，會(huì)伴隨有像面的移動(dòng)，需要補(bǔ)償像面的移動(dòng)。根據(jù)補(bǔ)償方式的不同，變焦距光學(xué)系統(tǒng)可分為： 光學(xué)補(bǔ)償 機(jī)械補(bǔ)償 雙組聯(lián)動(dòng)補(bǔ)償2021-12-816變焦系統(tǒng)原理變焦系統(tǒng)的補(bǔ)償方法3.1光學(xué)補(bǔ)償變 光學(xué)補(bǔ)償變焦系統(tǒng)是指利用一組或兩組透鏡的線性移動(dòng)達(dá)到變倍目的，而又能保證像面變動(dòng)

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(bǔ)償方法3.1光學(xué)補(bǔ)償四元組二元組補(bǔ)償點(diǎn)三元組補(bǔ)償點(diǎn)四元組補(bǔ)償點(diǎn)2021-12-818變焦系統(tǒng)原理3.變焦系統(tǒng)的補(bǔ)償方法3.2機(jī)械補(bǔ)償 機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)是指像面位移補(bǔ)償組作不等速運(yùn)動(dòng)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(bǔ)償組焦距的正負(fù)，機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)可分為正組機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)和負(fù)組機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)。 正組補(bǔ)償變焦系統(tǒng)即補(bǔ)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(fù)組補(bǔ)償變焦系統(tǒng)即補(bǔ)償組的光焦度為負(fù)的系統(tǒng)。其運(yùn)動(dòng)方式與正組補(bǔ)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(bǔ)償方法3.2機(jī)械補(bǔ)償正組補(bǔ)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(bǔ)償方法3.2機(jī)械補(bǔ)償負(fù)組補(bǔ)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(bǔ)償方法3.3雙組聯(lián)動(dòng)變焦系統(tǒng) 雙組聯(lián)動(dòng)變焦系統(tǒng)兼有光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)和機(jī)械補(bǔ)償系統(tǒng)的特點(diǎn)，在光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)兩線性運(yùn)動(dòng)組元之間，采用一組按照一定軌跡運(yùn)動(dòng)的透鏡來補(bǔ)償像面位移，在整個(gè)變焦過程中具有好的成像質(zhì)量。雙組聯(lián)動(dòng)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(bǔ)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(bǔ)償方法 光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)長度較長，只在幾個(gè)位置

11、處像面完全穩(wěn)定，通常適用于小孔徑小視場(chǎng)且變焦倍率不大的變焦系統(tǒng)，不適用于大相對(duì)孔徑系統(tǒng)。 機(jī)械補(bǔ)償系統(tǒng)的像質(zhì)穩(wěn)定性高，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡單，系統(tǒng)尺寸介于光學(xué)補(bǔ)償和雙組聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)之間，是目前常用的變焦結(jié)構(gòu)。采用正組機(jī)械補(bǔ)償時(shí)，長度較長，透鏡口徑較小，前固定組焦距較長，二級(jí)光譜較小。采用負(fù)組機(jī)械補(bǔ)償時(shí)，長度較短，但口徑較大，前固定組焦距較短，二級(jí)光譜較大。 雙組聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且整個(gè)變焦過程中成像質(zhì)量好，但其前固定組焦距較小，會(huì)帶來嚴(yán)重的二級(jí)光譜，另外，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2021-12-824變焦系統(tǒng)實(shí)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(shí)例2021-12-832變焦系統(tǒng)實(shí)例2021-12-833變焦系統(tǒng)實(shí)例2021-12-834變焦系統(tǒng)實(shí)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