文章编号:100222082(2009)0120001205高变倍比数码变焦镜头设计高明,段晶(西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032)摘要:为提高变焦距系统的工作性能,使其在大视场时仍具有良好的像质,且系统结构简单,易于机械设计、加工及装调,在设计中引入了传统球面光学设计与非球面相结合的设计思想。选择4个焦距位置进行设计计算,用光学设计软件ZEMAX上机调试,设计了焦距为6.9mm～91.6mm,视场5°～60°的变焦系统,整个系统由4组12片透镜组成,其中包括3个非球面,系统具有变倍比高、视场大等特点。设计结果表明:在设计中采用非球面可使系统结构紧凑,系统成像质量得到提高。关键词:变焦距镜头;光学系统设计;非球面;像差中图分类号:TN942.21文献标志码:AOpticaldesignofhigh-magnificationdigitalzoomlensGAOMing,DUANJing(SchoolofOpto2electronicEngineering,Xi′anTechnologicalUniversity,Xi′an710032,China)Abstract:ToimprovetheperformanceofzoomsystemsandachieveagoodimagingqualityinWFOV,andtosimplifythemechanicalstructurefortheconvenienceofdesign,processandadjustment,adesignconceptthatcombinestheconventionalsphericopticswiththeasphericopticswasintroducedinthedesignofzoomlens.Azoomlenssystemwithf′=6.9mm-91.6mmandFOV=5°-60°wasdesignedbychoosingfourpositionsoffocallengthforthedesigncalculationandZEMAXastheopticaldesignsoftware.Thewholesystemiscomposedof8lensesin4sets,including3asphericsurfaces.Theresultsshowthatthezoomlenshasthecharacteristicsofhighmagnificationandlargefieldofview,andtheuseofasphericsurfacemakesthestructurecompactandtheimagingqualityhigh.Keywords:zoomlens;opticalsystemdesign;asphericsurface;aberration引言变焦距系统是一种焦距可以连续变化而像面保持稳定,且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。变焦距光学系统可以实现对距离目标的连续探测,已广泛应用于国民经济和国防工业的很多领域,由于光学参数、成像质量及自动化控制变焦的要求,市场难以选择到合适的光学系统满足要求,必须进行专门设计。市场上常见的变焦镜头,其变倍比不大,视场也较小[123]。这是因为受到成像质量以及加工工艺和加工条件等方面的限制,一般的变焦结构难以实现大视场的连续变化,视场很大时像差难以校正,从而难以保证像面质量。本文主要研究高变倍比数码变焦镜头设计,在设计中将传统球面光学设计与收稿日期:2008206230;修回日期:2008207213基金项目:国防科工委基础科研项目(B2220061084)作者简介:高明(1964-),男,吉林省人,西安工业大学教授,主要从事光电仪器研究与开发。论文联系人:E2mail:duanjing608@hotmail.com第30卷第1期2009年1月应用光学JournalofAppliedOpticsVol.30No.1Jan.2009非球面相结合,设计出一焦距6.9mm～91.6mm,视场5°～60°的变焦系统,其特点是变倍比高、视场大、结构简单紧凑、成像质量好。1技术要求变焦距光学系统的技术指标是:视场变化范围:5°～60°相对孔径:1�4识别距离:5000mCCD像面尺寸:1.27cm(1�2in)2变焦距光学系统的设计2.1确定变焦距光学系统的初始解光学补偿型变焦镜头虽然结构简单,但是由于各透镜组必须移动到某些特殊的位置,才能得到稳定清晰的像面,其焦距不能连续地变化,而是几个离散值,因而在使用中受到了许多限制。机械补偿型变焦镜头的焦距能够连续地改变,因此得到了迅速的发展和广泛的应用[4]。本文选用机械补偿型变焦系统,其像面稳定度高,可实现大变焦比,像质满足要求。两组元机械补偿法变焦距系统设计理想光学系统的计算步骤:1)初步选择确定初始参数。选取f1′和f2′,预定出起算位置时的参数Β1和Β2,在以下的计算中他们都作为已知量。2)利用式Β2=f2′f1′(1-Β1)-d12+f2′,确定初始位置时的参数Β2。3)计算出系统在初始状态时的横向放大率。4)将系统的变焦范围划分为若干段,选择几个焦距位置进行设计计算。或者将变倍比g=f′3�f′划分成相应的若干段进行设计计算。5)利用式G=f1′(2-Β1-1Β1)+f2′(2-Β2-1Β2)计算出共轭距G。6)联立G=f1′(2-Β31-1Β31)+f′2(2-Β32-1Β32)g=Β31Β32...
