分类号密级U D C大孔径长变焦镜头的设计董春艳导师姓名(职称) 李林（教授）答辩委员会主席安连生申请学科门类工学申请学位专业论文答辩日期 2007.07.05 测试计量技术及仪器2007年06月28日大孔径长变焦镜头的设计北京理工大学研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。
尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。
特此申明。
签名：日期：关于学位论文使用权的说明本人完全了解北京理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。
签名：日期：导师签名：日期：摘要近年来，随着计算机技术的飞速发展和变焦距镜头光学设计理论的不断完善以及加工工艺的成熟，变焦距光学系统的种类日益丰富，成像质量逐渐提高，可与定焦系统相媲美，因此广泛的应用到各种工作领域中。
这种情况下，研究变焦距镜头的设计无疑具有重要的意义。
本论文首先对变焦距镜头系统的发展历史进行了回顾，介绍了变焦距镜头的结构型式，变焦方法等的发展过程；第二章分析了变焦距镜头的高斯光学，总结出了变焦距镜头的高斯光学基本表达式，分别对机械补偿法、全动型变焦距镜头的高斯光学建立了数学模型，并对系统各组元的运动情况做了详细的分析，另外还讨论了关于变焦距镜头小型化的一些问题；第三章主要介绍了编制的机械补偿和全动型变焦距镜头计算机辅助设计软件，并利用实例进行了计算分析，在第四章中，利用所得结果，尝试设计了两种不同用途的变焦距镜头，像质良好，达到使用要求，结果表明软件功能基本达到预期目的，同时验证了前面推导的理论公式的正确性。
关键词：变焦距镜头；高斯光学；凸轮曲线ABSTRACTIn recent years, with the rapid development of computer technology, the theory and technology of zoom lens, the quality of it become better and the category of it become more. It is popular in many areas. Under this situation, the research of zoom lens design is significant.At the beginning of the dissertation, the history of zoom lens has been reviewed. Readers can learn of the development of system’s structure and the zoom metho d. In the second chapter, mathematic formulas of Gaussian optics in zoom lens are generalized and the mathematic models of mechanically compensated zoom lens and zoom lens with all lenses movable are established. Meantime, movement situation of every element is discussed. In the last section of this chapter the ways to miniaturize zoom lens are introduced. The third chapter mainly introduces the program for the design of mechanically compensated zoom system and zoom lens system with all lens movable, and examples are calculated by this software. The results are used in the forth chapter to design two zoom lens using in different field.Key words: Zoom Lens, Gaussian Optics, Cam Curve目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第一章综述 (1)1.1变焦距镜头的发展历史[15] (1)1.2变焦距镜头的发展趋势 (7)第二章变焦距镜头的基本理论 (8)2.1变焦距镜头的分类及其特点 (8)2.1.1机械补偿型变焦系统 (8)2.1.2光学补偿型变焦系统 (10)2.1.3全动型变焦系统 (11)2.2变焦距镜头高斯光学基本表达式 (12)2.2.1机械补偿型变焦系统高斯光学 (13)2.2.2机械补偿型变焦系统各组元运动的分析 (18)2.2.3全动型变焦系统高斯光学 (27)2.2.4关于变焦距镜头小型化的讨论 (34)第三章变焦距镜头高斯光学参数求解程序 (36)3.1机械补偿法高斯光学参数求解程序 (36)3.1.1基本公式 (36)3.1.2输入参数 (41)3.1.3输出参数 (42)3.1.4设计实例 (43)3.2 全动型变焦距系统高斯光学参数求解程序 (47)3.2.1基本公式： (47)3.2.2初始参数的输入 (50)3.2.3输出参数 (51)第四章变焦距镜头设计实例 (53)4.1物距无限远的大孔径长变焦镜头的设计 (53)4.2物距有限远的变焦距镜头（体视变倍显微镜）的设计 (56)第五章总结与展望 (59)致谢 (61)参考文献 (62)第一章综述变焦距镜头是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[1]。
它能在拍摄点不变的情况下获得不同比例的像，因此它在新闻采访，影片摄制和电视转播等场合，使用特别方便。
在空间光学领域中，为了实现对地面目标更好的观察，需要进一步提高相机的地面分辨率和地面覆盖范围。
相机的地面分辨率的大小与光学系统的角分辨率大小和卫星高度有关。
由于卫星的高度是一定的，增大相机光学系统的角分辨率能够有效地提高地面分辨率。
光学系统的入射光瞳的直径越大，角分辨率越高。
在保持相对孔径一定的条件下，增大焦距就能相应地增大入瞳直径，从而提高地面分辨率。
另一方面，相机的相对孔径与相机的分辨力和曝光量有关，相对孔径越大，镜头的分辨力越高，同时像面照度也越大，曝光时间可以缩短，可降低对像移补偿系统的要求。
因此，长焦距、大孔径的变焦镜头的设计在空间光学领域中有着十分重要的意义[11]。
大孔径长变焦镜头在国防军事、空间观测、野外测量等方面有非常重要的应用。
国外在这方面优势明显，国内在这方面非常薄弱，在很多重要敏感的领域只能依靠进口，价格昂贵，且受到很多制约。
变焦距镜头的高斯光学是在满足像面稳定和满足焦距在一定范围内可变的条件下来确定变焦距镜头中各组元的焦距、间隔、移动量等参数的问题。
高斯光学是变焦距镜头的基础，高斯光学参数的求解在变焦距镜头设计中至关重要，直接影响最后的成像质量[10]。
若要求全部范围内成像质量都要好，就需要在所有可能解中挑选出尽量少产生高级像差的解。
本课题研究的主要内容正是变焦距镜头的高斯光学和大孔径长变焦镜头的设计。
1.1变焦距镜头的发展历史[15]早在二十世纪初就有人提出了变焦镜头的概念和理论。
1930年前后，电影放映镜头就有采用变焦镜头的。
为避免凸轮加工制造误差引起的像面位移等缺陷，一般采用光学补偿法。
这种系统的缺点是只在几个焦距处才能保持像面清晰稳定，应用并不很广泛。
在1940年前后，机械补偿型变焦镜头开始应用。
但直到1960年，这一时期的机械补偿型变焦镜头的质量比较差，使用不够普遍。
图1-1 早期机械补偿型变焦镜头图1-1所示是早期阶段使用机械补偿型变焦镜头的典型例子。
变倍组移动变焦时，用前固定组作微量移动以补偿像面位移。
由于光阑在系统的后固定组上，主光线在前固定组上的高度比较高，这种弯向对轴外像差是不利的。
在近期结果中极少有采用这种弯向形式的。
在这个阶段，由于计算机还没有应用到光学设计中，光学冷加工和镀膜技术极不完善，使变焦镜头的设计和应用受到了很大限制。
其特点是镜片数目较少，变倍比也较小，与定焦镜头相比，像质也较差，因此，变焦镜头没有得到普遍的使用。
1960年到1970年阶段的变焦镜头，一般是两个移动组元，但所用的镜片数目明显增加。
这样有利于像差的校正，大大提高了变焦镜头的像质，其原因主要是计算机在光学设计中得到了应用、采用光学冷加工和镀膜技术、高精度机床加工凸轮曲线等结果。
这个阶段的变焦镜头虽然变倍比不高，却开始在电影电视拍摄中广泛使用。
1970年以后，计算机自动设计技术的普及、多层镀膜技术的开发和广泛使用以及利用高精度数控技术加工变焦镜头中的复杂凸轮机构，采用新型材料和非球面技术，大大改进了二移动组元变焦镜头，并且开始大力开发多移动组元变焦镜头。
1971年，在电视变焦镜头中首先采用双组联动结构形式，这种形式可以看成是机械补偿和光学补偿的结合。
其特点是变焦运动的移动量小，而且接近线性，因此凸轮曲线较平缓（见图1-2）。
图1-2 双组联动型变焦镜头为了变焦镜头的小型化，70年代中期开始采用了光阑移动的型式，如图1-3所示。
这种型式是采用正组补偿。
光阑移动可使头部直径大大减小，长度也可以缩短。
但在变焦过程中因为光阑移动而引起相对孔径变化，需要有相应的机构改变光阑的大小以保证相对孔径不变。
到目前为止，这种光阑移动的型式只见于照相机镜头中，变倍比不大，一般不超过2-3倍。
图1-3 光阑移动型变焦镜头日本生产的135照相机变焦镜头大量采用这种形式。
其中，佳能24-35mm F/3.5变焦镜头，采用了非球面技术(第一面为非球面)，9组12片，光阑可以移动（见图1-4）。
图1-4 佳能24-35mm F/3.5变焦镜头从变焦镜头的发展来看，二移动组元变焦镜头的变倍比一般不高，而二移动组元广角变焦镜头的变倍比就更小了。
要提高变倍比，镜头结构就变得非常复杂，为了避免这个缺陷，1970年以后，人们大力开发了多移动组元的变焦镜头。