可见光变焦系统光机设计

可见光变焦系统光机设计

李笑天

哈尔滨新光光电科技股份有限公司 黑龙江哈尔滨 150000

摘要：近年来，随着国内光学行业的迅猛发展，变焦系统技术也不断成熟，已经被广泛的应用在检测、侦查、医疗、摄影等众多领域。尤其在侦查方面，变焦镜头已经成为一种重要组成部分。当观测场景或人物时，变焦镜头可以由远到近对所观察事物的局部特征进行放大，为后端提供重要的图像信息。

关键词：变焦系统；设计；计算分析

引言

本文设计了一种焦距为20~140mm的可见光变焦距光学系统，总体长度277mm。本系统能够对目标进行较好的捕捉、跟踪和识别。

首先，本文讨论了变焦系统设计的一般方法，在此基础上确定了光学系统的初始结构，通过使用ZEMAX光学软件进行逐步优化分析，最终得到成像效果较为理想的光学系统，传递函数可以满足全视场不小于0.3；其次，根据系统参数的汇总，并通过MATLAB软件进行计算分析，拟合出变焦曲线和具体公式，在此基础上进行档位的扩展，使得变焦系统可以在20个不同焦距档位上依然可以清晰成像，达到连续变焦、图像实时检测的目的

一、研究目的及意义

变焦距光学系统可以实现焦距的连续变化并保证像面稳定，在变焦过程中始终保持良好的成像质量。变焦镜头与传统的定焦镜头相比，变焦镜头可以快速的改变自身焦距，在物象之间连续产生变化，对观测的景物细节体现的更加具体，这是定焦镜头无法达到的效果。变焦镜头可以在短焦距的状态下快速捕捉目标，然后通过快速切换，在长焦距的状态下对目标进行定位分析，获取大量的有用信息。

变焦镜头有着漫长的发展历史，在1843年，英国数学家彼得巴洛就提出了设想，他认为在望远物镜的目镜组里加入一块负透镜可以使透镜具有调节功能，从而改变望远镜的放大倍数。这个具有颠覆性的思想，打开了光学领域的一扇门，变焦系统从此进入了专业研究领域。在1902年，一位名叫查尔斯艾伦的光学设计者完成了一项壮举，他设计了一款真正的变焦距系统。又过了30年，德国光学设计者设计了更加繁杂的变焦系统，通过透镜的前后移动改变焦距。直到四十年代，变焦系统才正式进入实用阶段。

二、变焦光学系统的主要技术指标

本文设计的变焦距光学系统主要指标如下：

1、光学系统采用透射式；

2、系统焦距：20~140mm；

3、光学系统F数：4.5；

4、波段：0.38~0.76μm；

5、传递函数：全视场传递函数不小于0.3（156线对）；

三、设计实例

本文中变焦距光学系统采用三组透镜组移动，来改变透镜组之间的空气间隙，从而改变系统的焦距。但是在移动过程中，系统的像面通常会产生一定的变化，所以需要采用补偿方式保证成像质量。

多年来变焦系统的补偿方式主要分为两种，第一种是光学补偿法，而第二种则是机械补偿法。

本实例中变焦系统采用的是机械补偿方式，通过三组镜头移动满足整个系统的组合焦距。在移动过程中需要满足“物像交换原则”使焦距在一定范围内进行进行改变，保持像面基本不动，不影响整体成像性能。在本系统初始设计中选取了9个焦距位置，焦距分别为：20mm、35mm、50mm、65mm、80mm、95mm、110mm、125mm、140mm。

经过像差分析可以得知，在九组不同焦距时的MTF曲线比较集中，而且曲线平滑。在156线对处，九组不同视场下的MTF曲线均趋向一致并且在衍射极限附近，成像质量良好，同时在它下方的包含面积较大，说明本系统的光学传递信息较大，图像成像清晰。另外通过系统点列图可以看出，在九组不同焦距时像斑半径相对较小，满足使用需求。

四、计算、分析及拟合

通过将上述系统的各项参数输入到MATLAB程序中，进行数据的汇总、在经过计算、分析得出结果，绘制变焦曲线。

经过程序计算，得出拟合曲线的公式，通过定义焦距可以得出参数，将结果输入到ZEMAX中进行查看、验证可知，在20个不同档位上，本系统的成像质量变化较小，依然满足需求。

总结

本文设计了一款焦距范围为20~140mm的可见光变焦距光学系统，同时对多档位扩展进行了计算、分析和验证。

本文主要完成了以下工作：

1）讨论了变焦距系统的目的、意义，并介绍了变焦距系统的发展历史和基础原理；

2）说明了本变焦距系统的具体参数指标和具体成像要求；

3）通过实例设计了一款镜头，并提供了相应的具体图示和成像情况；

4）通过MATLAB计算、分析并验证了拟合公式的准确性和对整个系统成像的影响。

综上所述，可见光变焦光学系统相比于定焦镜头有着多方面的优势，在今后的祖国建设、日常生活中均扮演着重要的角色。变焦系统拥有巨大的市场和应用前景。通过本文的介绍希望可以为技术应用与推广贡献一份力量。

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