光学变焦系统设计
61、辍学如磨刀之石，不见其损，日 有所亏 。 62、奇文共欣赞，疑义相与析。
63、暧暧远人村，依依墟里烟，狗吠 深巷中 ，鸡鸣 桑树颠 。 64、一生复能几，倏如流电惊。 65、少无适俗韵，性本爱丘山。
变焦系统光学设计
• 变焦系统概述 • 变焦系统原理 • 变焦系统实例
3
变焦系统概述
5
变焦光学系统概述
▪ 变焦系统：
是指焦距在一定范围内连续改变而像面位置 保持 不变的光学系统
▪ 变焦的目的：
连续改变系统的放大率，像面景物的大小连续可 变
▪ 变焦的应用：
变焦距光学系统被广泛的应用于宇宙空间探索事 业、科研、生产、教育、国防、天文、航天、工业生产、 医疗卫生、日常生活等各个方面
。
6
增大。则 增大
d f 若： 1 >0 2 <0 且 2 来自 1增加 减小13
变焦系统原理
物像交换原则特点： ▪ 变焦系统的任何运动组份每时每刻都有两个物像交换位置，
对每个运动组份都存在孪生的两条补偿曲线
▪ 组份在此两个物像交换位置上的倍率互为倒数
▪ 变焦比
2 1
即
1
2
1
▪ 组份在这一对物像交换位置上共扼距不变
▪ 负组补偿变焦系统即补偿组的光焦度为负的系统。其运动 方式与正组补偿有较大的区别
19
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法 3.2机械补偿
正组补偿结构示意图
20
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法 3.2机械补偿
负组补偿结构示意图 21
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法 3.3双组联动变焦系统
双组联动变焦系统兼有光学补偿系统和机械补偿系统的特 点，在光学补偿系统两线性运动组元之间，采用一组按照一 定轨迹运动的透镜来补偿像面位移，在整个变焦过程中具有 好的成像质量。
▪ 1960年以后，随着机械加工工艺的改进、凸轮加工精度的 提高、光学材料性能的提高、光学冷加工以及镀膜技术的 发展，机械补偿变焦距镜头得到了很大的发展。
▪ 1971年，首次将双组联动变焦方式用于电视变焦镜头，它 可看作是机械补偿和光学补偿的结合，具有变焦运动移动 量小、接近线性、凸轮曲线平缓等优点。
▪ 1834年，英国数学家彼得.巴洛提出在伸缩式望远镜中的 目镜组中加上一块负透镜可以改变其放大率，由此开始了 变焦距物镜的研究历史
▪ 1902年美国光学专家Allen取得了第一个变焦镜头专利。 在两块固定镜片之间加入一块活动镜片，当活动镜片离开 前镜片时，可使焦距缩短；反之，可使焦距增长。在最短 和最长的位置上，焦点位置保持不变。在中间位置处，焦 点存在偏移，当光圈较小时，这样的偏移是可忍受的。
14
变焦系统原理
2.变焦原理 变焦系统变倍组、补偿组移动示意图
15
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法
对定焦系统的分析我们可以知道移动透镜改变焦距时， 会伴随有像面的移动，需要补偿像面的移动。根据补偿方 式的不同，变焦距光学系统可分为：
▪ 光学补偿 ▪ 机械补偿 ▪ 双组联动补偿
16
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法 3.1光学补偿变 ▪ 光学补偿变焦系统是指利用一组或两组透镜的线性移动达
到变倍目的，而又能保证像面变动不大的系统，二组元系 统、三组元系统、四组元系统等
二元组
三元组
17
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法 3.1光学补偿
四元组 三元组补偿点
二元组补偿点
18
四元组补偿点
变焦系统原理
▪ 1932年，德国光学专家赫尔穆特·瑙曼设计了焦距为2580mm、相对孔径为F/2.8的世界上第一个现代机械补偿变 焦镜头
4
光学变焦系统概述
▪ 第二次世界大战前后，变焦距镜头普遍用于电影摄影，但 受当时机械加工精度的限制，难以加工出满足机械补偿法 精度要求的机械凸轮，因而大多采用光学补偿法，通过同 步移动两组或两组以上镜片，改变焦距和补偿焦点偏移。
双组联动系统结构示意图 22
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法 三种变焦系统的比较
23
变焦系统原理
3.变焦系统的补偿方法
▪ 光学补偿系统长度较长，只在几个位置处像面完全稳定， 通常适用于小孔径小视场且变焦倍率不大的变焦系统，不 适用于大相对孔径系统。
▪ 机械补偿系统的像质稳定性高，运动机构简单，系统尺寸 介于光学补偿和双组联动系统之间，是目前常用的变焦结 构。采用正组机械补偿时，长度较长，透镜口径较小，前 固定组焦距较长，二级光谱较小。采用负组机械补偿时， 长度较短，但口径较大，前固定组焦距较短，二级光谱较 大。
3.变焦系统的补偿方法 3.2机械补偿
机械补偿变焦系统是指像面位移补偿组作不等速运动的 系统。在变焦过程中像面稳定，且成像质量良好，根据补偿 组焦距的正负，机械补偿变焦系统可分为正组机械补偿变焦 系统和负组机械补偿变焦系统。
▪ 正组补偿变焦系统即补偿组的光焦度为正的系统，需要保 证以使各组份间有足够的间隔，避免相碰。
b．改变焦距，同样可以实现变倍。
8
变焦系统原理
1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析
（假设 f ' f ）
共轭距 根据
G l' l (x ' f') (x f)
2f'(x'x)
f ' x'
x f'
得到
G f '(2 1)
9
变焦系统原理
1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析
变焦系统原理
1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析
透镜成像示意图
7
变焦系统原理
1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析
光学系统的横向放大倍率β： f x
一般物方和像方媒质都是空气，即 f ' f 则： f ' x
a．焦距固定不变时，要想在画面上得到不同倍率的 像，只 有改变物距，这就是平常使用定焦镜头时的作法；
1. 变倍过程中，一般来说像面不稳定，像面位置要发 生变化。
2.满足物像交换原则时，像面是稳定的。
10
变焦系统原理
1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析
模拟定焦系统共轭距随横向放大率变化
11
变焦系统原理
1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍的初步分析
定焦系统的缺点： 1. 定焦镜头依靠改变物距而变倍是有很大的局限性的，
像面位置不稳定，使用上不方便 2. 有些自然环境也不允许物距作大的调整。例如在野外
拍摄，想要拍摄的对像位于大河对岸时，就无法依靠 改变物距来达到变倍的目的。
12
变焦系统原理
2.变焦原理
系统的焦距变化有下式给出
12d12
d 1
2
分别是两块透镜的光焦度。
是两透镜之间的间隔
是合成光焦度。
d f 若： 1 >0 2 >0