连续变焦距镜头焦距实时输出问题研究
光学系统设计讲义
实验一：单镜头设计(Singlet) 实验目的： 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data） 3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤： 1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波长为可见光， 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它是你要 的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。 3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，键入你 要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三行键入 0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587的位置，primary wavelength主要是用来计算光学 系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的 effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue 上键入25，然后点击ok。 5、回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO 即孔径光阑aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是点击IMA栏，选取insert，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。 6、输入镜片的材质为BK7。在STO行中的glass栏上，直接键入BK7即可。 7、孔径的大小为25mm，则第一镜面合理的thickness为4，在STO行中的thickness栏上直接键入4。Zemax 的默认单位是mm 8、确定第1及第2镜面的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负 值。再令第2面镜的thickness为100。 9、现在数据已大致输入完毕。如何检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，然后选择其中的 Ray Aberration，将会出现如图1-1所示的TRANSVERSE RAY FAN PLOT。
高变倍比红外变焦距光学系统设计
文章编号:100222082(2009)0621020204 高变倍比红外变焦距光学系统设计 刘 峰1,徐熙平1,2,孙向阳1,苏 拾1,2,段 洁1,2 (1.长春理工大学光电工程学院航天技术研究所,吉林长春130022;2.长春理工大学吉林省光电测控仪器工程技术研究中心,吉林长春130022) 摘 要:采用长波160×120元非制冷焦平面阵列探测器,设计了工作于8Λm ～12Λm 波段折射式红外连续变焦光学系统,该系统具有大相对孔径,F 数为1.2,变倍比10×,高成像质量等特点。系统使用锗和氯化钾两种普通红外材料,通过引入非球面校正系统轴外像差和高级像差,在中焦时采用平滑换根快速提高变倍比。系统在空间频率17lp mm 处,全焦距范围内调制传递函数(M T F )均在0.55以上,接近衍射极限;系统在接收半径17Λm 的探测器敏感元内,能量集中度大于72%,表明该系统具有良好的成像质量。 关键词:光学设计;Petzval 型物镜;连续变焦;像移补偿;动态光学 中图分类号:TN 216 文献标志码:A D esign of h igh zoom ra tio therma l i nfrared zoom optica l system L I U Feng 1,XU X i 2p ing 1,2,SUN X iang 2yang 1,SU Sh i 1,2,DUAN J ie 1,2 (1.Institute of A ero space T echno logy ,Co llege of Op toelectronic Engineering ,Changchun U niversity of Science and T echno logy ,Changchun 130022,Ch ina ;2.R esearch Center of Op to 2electricalM easurem ent and Contro l Instrum ent Engineering , Changchun U niversity of Science and T echno logy ,Changchun 130022,Ch ina ) Abstract :A refractive infrared zoom op tical system w o rk ing in (8～12)Λm is designed ,based on long 2w ave uncoo led ther m al I R focal p lane arrays (160p ixel ×120p ixel )detecto r .T he system has characteristics of large relative ap ertu re ,F # =1.2,h igh zoom rati o and h igh i m aging quality .Tw o comm on infrared m aterials of Ge and KC l are u sed in th is op tical system .T he off ax is aberrati on and h igher o rder aberrati on of the system are co rrected by in troducing an aspheric su rface in to the system ,and the zoom rati o is rap idly i m p roved by so lving the com pen sated cu rves at the m iddle 2focu s length .T he m odu lati on tran sfer functi on (M T F )is above 0.55w ith in the w ho le focal range at the spatial frequency of 17lp mm and app roaches the diffracti on li m it .T he energy concen trati on rati o is greater than 72%w ith in the sen sing elem en t of the detecto r w ho se receiving radiu s is 17.5Λm .T he above m en ti oned param eters show that the op tical system has good i m aging quality . Key words :op tical design ;Petzval ob jective ;con tinuou s 2zoom ;i m age sh ifting com pen sati on ;dynam ic op tics 引言 变焦距光学系统具有焦距在一定范围内变化而像面位置保持稳定,相对孔径基本不变的主要特点, 针对此特点所设计的连续变焦镜头可通过在一定范围内连续改变焦距来实现大视场搜索目标,小视场准确观察目标的目的[1]。红外探测器具有环境适应 收稿日期:2009206211; 修回日期:2009207218 作者简介:刘峰(1984-),男,陕西宝鸡人,硕士研究生,主要从事光学设计与红外探测技术研究。E 2m ail :liufenggjy @https://www.wendangku.net/doc/db12816049.html, 第30卷第6期2009年11月 应用光学Journal of A pp lied Op tics V o l .30N o.6 N ov .2009
一种微型变焦系统的设计
第7卷 第10期 2007年5月1671 1819(2007)010 2343 04科 学 技 术 与 工 程 Sc i ence T echno logy and Eng i neer i ng V o l 7 N o 10 M ay 2007 2007 Sci T ech Engng. 机电技术 一种微型变焦系统的设计 谢洪波 张春慧 李保安 郁道银 王向军 (天津大学精仪学院,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072) 摘 要 为适应某些特殊领域对微型化和简单化的需要,运用光学设计软件CODE V,在传统机械补偿式变焦镜头的基础上,结合非球面透镜理论,设计了一个可见光波段的只有一个移动镜的4片式微型变焦系统。此系统具有结构简单、精度高、成本低、体积小等特点,可满足在变焦范围内连续清晰成像的要求。 关键词 变焦系统 非球面 超小型 中图分类号 TH74; 文献标识码 A 变焦距光学系统原理是焦距在一定范围内连续改变,其物面、像面保持不动。应用变焦距系统时,应满足均匀地改变焦距,且在此过程中像面保持稳定,相对孔径基本保持不变等基本要求。变焦距光学系统通常都是由前固定组、变焦组和固定组三个部分组成。变焦组移动改变放大倍率的同时,成像位置也会随之变化;因此,在变焦组透镜移动的过程中,必须有其他的透镜组作像差补偿,以保证在所有变焦位置连续清晰成像。正因如此,目前的变焦系统都较为复杂,透镜数目多,长度和体积也较大。然而,有些特殊领域,需要产品简单化、小型化,甚至微型化,这就使传统的变焦镜头难以胜任。现设计了一个接收器为贫点阵CCD的微型变焦系统,与常用的变焦系统不同,此系统只含有一片移动透镜,没有补偿组,是一个微型化的、可连续清晰成像的变焦系统。 1 原理分析 变焦距光学系统原理是根据 物像交换原则,使焦距在一定范围内连续改变时,其像面基本保持不动。虽然传统的变焦理论已比较成熟,但它并不是可以通用于所有变焦系统的设计,而且传统理论 2006年12月6日收到 第一作者简介:谢洪波(1969!),男,湖南常德人,副教授,博士生,研究方向:成像技术和显示技术。相对繁琐,设计结果也比较复杂。要想做到结构简单并且能连续清晰成像,运用传统变焦理论就显得比较困难了。只有充分研究透镜形状、玻璃材料和它们的光学特性,改进传统设计方法,才可能实现系统的简化和微型化。在像质允许的情况下,尽量降低对像差的要求,从而达到用4至5片透镜起到一个复杂变焦系统所能实现的功能。由于现设计系统的接收器是贫点阵CCD,其像差要求相对较低;因此,尝试固定或删除机械补偿式系统的补偿组透镜,通过合理地优化改进,使得像面的微位移小于焦深,从而达到既结构简单,又能实现在两个视场连续清晰成像的目标。 另一方面,球面透镜对远轴光成像会出现较大的散焦和像差。经过特定设计的非球面透镜则可使远轴光同近轴光一样有良好的聚焦能力,使得成像像质得到极大改善[1]。因为单透镜的球差与透镜两个面的曲率半径分配有关,而非球面各点的曲率值在不同方向上是不同的;所以,可改变镜面曲率来降低系统的球差[2]。换言之,选择可变参数比球面镜多的非球面镜可更好地校正像差。现在的设计正是运用非球面的性质,简化系统的组成。 2 设计过程和结果 2 1 系统设计的总体目标 物镜外形尺寸: 7mm?21mm或更小,物镜分
监控摄像机镜头焦距计算方法
监控摄像机镜头焦距计算方法 发布时间: 2008-9-27 14:26:45 一、公式计算法： 视场和焦距的计算视场系指被摄取物体的大小，视场的大小是以镜头至被摄取物体距离，镜头焦头及所要求的成像大小确定的。 1、镜头的焦距，视场大小及镜头到被摄取物体的距离的计算如下； f=wL/W f=hL/h f：镜头焦距 w：图象的宽度（被摄物体在ccd靶面上成象宽度） W：被摄物体宽度 L：被摄物体至镜头的距离 h：图象高度（被摄物体在ccd靶面上成像高度）视场（摄取场景）高度 H：被摄物体的高度 ccd靶面规格尺寸：单位mm 规格 W H 1/3" 4.8 3.6 1/2" 6.4 4.8 2/3" 8.8 6.6 1" 12.7 9.6 由于摄像机画面宽度和高度与电视接收机画面宽度和高度一样，其比例均为4:3,当L 不变，H或W增大时，f变小，当H或W不变，L增大时，f增大。 2、视场角的计算如果知道了水平或垂直视场角便可按公式计算出现场宽度和高度。水
平视场角β（水平观看的角度）β=2tg-1= 垂直视场角q（垂直观看的角度） q=2tg-1= 式中w、H、f同上水平视场角与垂直视场角的关系如下： q=或=q 表2中列出了不同尺寸摄像层和不同焦距f时的水平视场角b的值，如果知道了水平或垂直场角便可按下式计算出视场角便可按下式计算出视场高度H和视场宽度W. H=2Ltg、W=2Ltg 例如；摄像机的摄像管为17mm(2/3in),镜头焦距f为12mm，从表2中查得水平视场角为40℃而镜头与被摄取物体的距离为2m，试求视场的宽度w。W=2Ltg=2×2tg=1.46m则H=W=×1.46=1.059m焦距f越和长，视场角越小，监视的目标也就小。 二、图解法 如前所示，摄像机镜头的视场由宽（W）。高（H）和与摄像机的距离（L）决定，一旦决定了摄像机要监视的景物，正确地选择镜头的焦距就由来3个因素决定； *.欲监视景物的尺寸 *.摄像机与景物的距离 *.摄像机成像器的尺士：1/3"、1/2"、2/3"或1"。图解选择镜头步骤：所需的视场与镜头的焦距有一个简单的关系。利用这个关系可选择适当的镜头。估计或实测视场的最大宽度；估计或实测量摄像机与被摄景物间的距离；使用1/3”镜头时使用图2，使用1/2镜头时使用图3，使用2/3”镜头时使用图4，使用1镜头时使用图5。具体方法：在以W和L为座标轴的图示2-5中，查出应选用的镜头焦距。为确保景物完全包含在视场之中，应选用座标交点上，面那条线指示的数值。例如：视场宽50m,距离40m,使用1/3"格式的镜头，在座标图中的交点比代表4mm镜头的线偏上一点。这表明如果使用4mm镜头就不能覆盖50m的视场。而用2.8mm 的镜头则可以完全覆盖视场。 f=vD/V f=hD/H 其中，f代表焦距，v代表CCD靶面垂直高度，V代表被观测物体高度，h代表CCD 靶面水平宽度，H代表被观测物体宽度。 举例：假设用1/2”CCD摄像头观测，被测物体宽440毫米，高330毫米，镜头焦
如何调整摄像机焦距
随着人们生活水平的提高，数码摄像机已越来越多地走进普通家庭和单位，用它来拍摄一些家庭聚会、生活细节、旅游游记等录像，然后刻录成光盘，到闲暇时拿出来看看，岂不快哉！我们近期将请曾庆祝先生，针对新手，介绍数码摄像机的使用方法与操作技巧，让您轻松地拍摄使用自己的DV，制作满意的数码影片。 新手学摄像----调整镜头的焦距 在实际摄像过程中，物距是经常变动的，因此常常会超出景深范围而导致图像模糊。为了使图像保持清晰，就必须不断改变镜头的焦点位置，使成像面始终落在焦深以内。这里就要进行不断的调节焦点，使影像更清晰。下面我们将向您介绍让DV聚焦更清晰的方法。 一、自动聚焦 通常DV采用的是主动式聚焦，其原理就是当镜头对准目标时，由装置在摄像机镜头内下方的一组发射器，发出红外线或超声波，经被摄物体反射回来后，再由摄像机的红外线传感器或超声波传感器接收下来，从而测定出距离，根据测定的距离驱动摄像机的聚焦装置聚实焦点。 当摄像机处于自动聚焦状态下，不需进行任何调整，摄像机的自动聚焦电路便可以把聚焦调整到最佳状态。在实际操作过程中，一般都是将变焦距镜头推到广角位置（W）再进行聚焦，因这时景深范围大，如图1，可以很容易地将焦点聚实。我们通过取景器观察图像的清晰度情况，直到满意为止。聚实焦点之后，再推拉变焦拉杆将镜头调整到所希望的构图景别上，焦点在变焦过程中不会变化。
此主题相关图片如下： 小提示：运用自动聚焦时镜头拍摄中尽量不变焦点。移动时注意保持与被拍摄主体的距离，不要与预先确定的距离相差太大，拍摄中千万不要尝试手动找焦点。拍摄时应避免前后景光线强度的剧烈变化，如果焦点在前景，后景突然变得很亮时，机器自己会在瞬间来回找一找焦点，看起来就是焦点的抖动。另外，拍摄时应避免被摄物前有走动的物体影响红外线测距。 小技巧：自动聚焦系统受被摄体亮度的影响很大。光线充足时，自动光圈缩小，景深变深，对焦范围变宽，对焦容易。在拍摄照明暗的被摄体时，由于镜头光圈大开，景深变浅，聚焦会困难。最好的解决方法是增加被摄体的照度。 二、手动聚焦的场景 DV虽然全部采用自动对焦，但是在某些特殊情况下，画面的焦距就没有那么稳定了。如在下述拍摄条件下，自动焦点装置往往会发生错误判断，此时需要使用手动聚焦： 1、拍摄时只有画面中央很小范围是自动焦点的检测范围，这一小范围内的物体的焦点能够自动聚实，也就是说如果被摄物体不在画面中央这一范围内，自动聚焦就会出现偏差。如下图。
光学习题答案
P1：用费马原理证明光的反射定律 1.有一双胶合物镜，其结构参数为： n 1=1 r 1=83.220 d 1=2 n 2=1.6199 r 2=26.271 d 2=6 n 3=1.5302 r 3=-87.123 n 4=1 （1）计算两条实际光线的光路，入射光线的坐标分别为： L 1=-300; U 1=-2 ° L 1= ∞ ; h=10 （2）用近轴光路公式计算透镜组的像方焦点和 像方主平面位置及与 近轴像点位置。 P2：r/mm d/mm 26.67 189.67 5.2 -49.66 7.95 25.47 1.6 72.11 6.7 -35.00 2.8 1.614 1 1.6475 1.614 l 1=-300 的物点对应的
2. 有一放映机，使用一个凹面反光镜进行聚光照明，光源经过反光镜反射以后成像在投影物平面上。光源长为10mm，投影物高为40mm ，要求光源像等于投影物高；反光镜离投影物平面距离为600mm ，求该反光镜的曲率半径等于多少? 6. 已知照相物镜的焦距f′=75mm，被摄景物位于距离x=- ∞ ,-10,-8,-6,-4,-2m 处，试求照相 底片应分别放在离物镜的像方焦面多远的地方 9. 已知航空照相机物镜的焦距f′=500mm ，飞机飞行高度为6000m，相机的幅面为300× 300mm2，问每幅照片拍摄的地面面积。 10. 由一个正透镜组和一个负透镜组构成的摄远系统，前组正透镜的焦距f1′=100 ，后组负透镜的焦距f2 ′ =-50，要求由第一组透镜到组合系统像方焦点的距离与系统的组合焦距之比为1∶1.5，求二透镜组之间的间隔 d 应为多少? 组合焦距等于多少?
光学系统设计
光学系统设计报告 一．设计要求： 1.物镜的有效焦距f=4mm； 2.光谱范围：400nm-700nm，其中要求400nm，550nm，650nm复消色差； 3.放大倍率-40； 4.物方数值孔径NA=0.65； 5.工作距离不小于0.6mm； 6.后焦距146mm。 二．设计过程： 由于像方焦距设计起来会相对容易，因此把物镜倒过来进行设计，此时物方焦距变成了新光路的像方焦距。倒过来设计以后，系统的相关参数也相应变化，物镜的放大倍率变为-0.025，物方数值孔径变为0.01625，镜组的第一个面到物平面的距离为146mm。 通过网络及相关教材，我找到类似的结构，初始设计参数如下 系统2D结构图： （最右侧的镜片是盖玻片） 仿真结果：
传递函数图（FFT MTF） 色焦移曲线（Focal Shift）
相差图（Ray Fan） 点列图（Spot Diagram）System/Prescription Data File : E:\光学系统设计\光学系统设计.ZMX Title: Lens has no title.
Date : MON DEC 3 2012 LENS NOTES: GENERAL LENS DA TA: Surfaces : 12 Stop : 7 System Aperture : Object Space NA = 0.01625 Glass Catalogs : CHINA Ray Aiming : Off Apodization : Uniform, factor = 0.00000E+000 Effective Focal Length : 3.854214 (in air at system temperature and pressure) Effective Focal Length : 3.854214 (in image space) Back Focal Length : -0.182259 Total Track : 18.25 Image Space F/# : 0.7451534 Paraxial Working F/# : 0.7726446 Working F/# : 0.7759774 Image Space NA : 0.5432923 Object Space NA : 0.01625 Stop Radius : 1.756853 Paraxial Image Height : 0.02511427 Paraxial Magnification : -0.02511427 Entrance Pupil Diameter : 5.172376 Entrance Pupil Position : 13.12902 Exit Pupil Diameter : 3.520975 Exit Pupil Position : -2.805925 Field Type : Object height in Millimeters Maximum Field : 1 Primary Wave : 0.55 Lens Units : Millimeters Angular Magnification : 1.469018 Fields : 3 Field Type: Object height in Millimeters # X-Value Y-Value Weight 1 0.000000 0.000000 1.000000 2 0.000000 1.000000 1.000000 3 0.000000 1.000000 1.000000 Vignetting Factors # VDX VDY VCX VCY VAN 1 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 2 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000 0.000000
镜头常用术语 参数说明和镜头焦距选择方法
一、镜头常用术语参数说明和镜头焦距选择方法 镜头之主要功能为，收集被摄影物体反射光并将其反射光聚焦于CCD上其投射至CCD上之图像是倒立，摄影机电路具有将其反转功能，其成像原理与人的眼睛相同。 A. LENS 种类: 1. 固定焦距式( Fixed Focal lens ) 2. 伸缩式( Zoom lens ) 3. 自动光圈或手动光圈( auto iris or manual iris ) B. 依据焦距数字大小区分: 1. 标准镜头 2. 广角镜头 3. 望远镜头 C. 依据光圈区分: 1. 固定光圈式( fixed iris ) 2. 手动光圈式( manual iris ) 3. 自动光圈式( auto iris ) EX : 依据影像讯号调整光圈大小,优点灵敏度高. EE : 依据photo sensor 变化调整. D. 伸缩镜头(Zoom lens ): 伸缩调整方式: 1. 电动伸缩镜头(motorized zoom lens ) 2. 手动伸缩镜头(manual zoom lens ) 镜头倍数: 6倍, 8倍, 10倍, 12倍等 E. 镜头特有术语及其代表意义: 1. Iris ( 光圈) 2. Focus ( 聚焦) 3. Zoom ( 变焦) 4. F-stop ( 光圈孔径) 5. Focus length ( 焦距) F. F & f 代表意义 F :代表光圈孔径: F1.2 , F1.4 , F1.6 , F1.8 , F2.0,数值越小代表光圈可开启越大进光量越强;F. 代表焦距范围f : 4mm ; f : 6mm ; f : 8mm 等;zoom lens f : 8-48 ; f : 8-80 ; f : 7.5-120 等G. 镜头与摄影机选用: camera lens (标准) (广角) (超广角) 1/3" 6 mm 4.2 mm 1/2" 12 mm 6 mm 4.2 mm 2/3" 16 mm 8 mm 4.8 mm 1" 25 mm 12.5 mm 8 mm H. 镜头搭配摄影机注意事项: 1. 安装方式C or CS mount , 不同规格时请加转换环或调整摄影机镜头座位置 2. 镜头规格表上标示使用于何种尺寸摄影机, 请依照标示使用. 3. DC drive & Video drive 请配合摄影机规格使用. 4. 镜头驱动电压需使用正确( 6v or 9v~12v ) .
工程光学习题解答 第七章 典型光学系统
第七章 典型光学系统 1．一个人近视程度是D 2-（屈光度），调节范围是D 8，求： （1）远点距离； （2）其近点距离； （3）配戴100度近视镜，求该镜的焦距； （4）戴上该近视镜后，求看清的远点距离； （5）戴上该近视镜后，求看清的近点距离。 解： ① 21 -== r l R )/1(m ∴ m l r 5.0-= ② P R A -= D A 8= D R 2-= ∴ D A R P 1082-=--=-= m P l p 1.010 1 1-=-== ③f D '= 1 ∴m f 1-=' ④D D R R 1-=-=' m l R 1-=' ⑤P R A '-'= D A 8= D R 1-=' D A R P 9-=-'=' m l P 11.09 1 -=-=' 2．一放大镜焦距mm f 25='，通光孔径mm D 18=，眼睛距放大镜为mm 50，像距离眼睛在明视距离mm 250，渐晕系数为%50=k ，试求（1） 视觉放大率；（2）线视场；（3）物体的位置。 eye
已知：放大镜 mm f 25=' mm D 18=放 mm P 50=' mm l P 250='-' %50=K 求：① Γ ② 2y ③l 解： ① f D P '-'- =Γ1 25 501252501250-+=''-+'= f P f 92110=-+= ②由%50=K 可得： 18.050 *218 2=='= 'P D tg 放ω ωωtg tg '= Γ ∴02.09 18 .0==ωtg D y tg = ω ∴mm Dtg y 502.0*250===ω ∴mm y 102= 方法二： 18.0='ωtg mm tg y 45*250='='ω mm l 200-=' mm f e 250=' mm l 2.22-= y y l l X '==='= 92.22200β mm y 102= ③ l P D '-'= mm D P l 20025050-=-=-'=' f l l '=-'11125 112001=--l mm l 22.22-= 3．一显微镜物镜的垂轴放大率为x 3-=β，数值孔径1.0=NA ，共扼距mm L 180=，物镜框是孔径光阑，目镜焦距mm f e 25='。
红外变焦距光学系统的研究
红外变焦距光学系统的研究 摘要:基于战场环境要求红外光学系统不仅可以兼顾大视场搜索，还能够满足小视场瞄准跟踪的需求，针对160×128元非制冷焦平面阵列探测器，设计了8～12μm波段折射式长波红外连续变焦系统。该系统变焦过程中相对孔径不变，F数为3，变倍比为15∶1，在20～300 mm范围内可连续变焦。用ZEMAX光学设计软件对设计结果进行像质评价,结果表明，系统的调制传递函数接近衍射极限，成像质量优良，满足光学系统的设计要求。 关键词:红外变焦距光学系统光学设计调制传递函数 Abstract:The battlefield environment requires the infrared optical system can not only balance of large field of view based search, but also can meet the requirements of small field of view aiming and tracking requirements, according to the 160×128 element uncooled focal plane array detector,designed 8～12 band reflection type infrared continuous zoom system. The system of zoom process relative aperture unchanged,number 3,zoom ratio is 15∶1, in the range of 20～300mm continuous zoom. For image quality evaluation, the result of design with ZEMAX optical design software results, function is close to the diffraction limit transfer system modulation, good imaging quality,meet the requirements of the optical system design.
光学系统设计的要求
光学系统设计的要求 任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求，因 此，在我们进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求。这些要求概括起来有以下几个方面。 一、光学系统的基本特性 光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；线视场或视场角；系统的放大率或焦距。此外还有与这些基本特性有关的一些特性参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。 二、系统的外形尺寸 系统的外形尺寸，即系统的横向尺寸和纵向尺寸。在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。 三、成象质量 成象质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成象质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成象质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成象质量。 四、仪器的使用条件 在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。如生物显微镜的放大率Г要满足500NA≤Г≤1000NA条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。 光学系统设计过程 所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决 定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。 一、外形尺寸计算 在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔 径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段称为外 形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在 计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。每项 性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使 设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。 二、初始结构的计算和选择、 初始结构的确定常用以下两种方法： 1．根据初级象差理论求解初始结构 这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。 2．从已有的资料中选择初始结构 这是一种比较实用又容易获得成功的方法。因此它被很多光学设计者广泛采
焦距与视角的关系
焦距与视角的关系 全画幅相机，所谓全画幅是针对传统135胶卷的尺寸来说的。传统的照相机胶卷尺寸为35mm，35mm为胶卷的宽度（包括齿孔部分），35mm胶卷的感光面积为36 x 24mm。换算到数码相机，对角线长度越接近43.2mm的，CCD/CMOS 尺寸越大。在单反数码相机中，很多都拥有接近35mm胶卷感光的CCD/CMOS尺寸，例如尼康的D100，CCD/CMOS 尺寸面积达到23.7 x 15.6，比起消费级数码相机要大很多，而佳能的EOS-1Ds的CMOS尺寸为36 x 24mm，达到了35mm的面积，所以成像也相对较好。我们就叫他们是全画幅。 在数码相机性能规格表中用英寸表示并不是CCD的真实尺寸，但可以使用一个简单而实用的方法求得CCD的真实尺寸。镜头的真实焦距与相当（等效）焦距在数码相机或使用说明书上一般都会列出，而相当于35mm照相机的焦距与真实焦距之比，即为35mm照相机的画幅对角线尺寸与CCD的实际对角线长度比，由此可以方便计算出CCD的真实尺寸。 举例说明，松下LX2（有效像素1020万）轻便数码相机使用1/1.65英寸CCD，镜头的相当焦距为28-112mm，真实焦距为6.3-25.2mm，两者的比例4.44，35mm照相机的画幅尺寸为24x36mm，对角线长43.2mm， 43.2/4.44=9.72mm，这就是1/1.65英寸CCD有效对角线长度，换算成画幅横纵比4/3，可求得真实尺寸为 7.78x5.83mm。松下LX2相机CCD有效感光成像面积仅为全幅尺寸的二十分之一，为APS—C画幅尺寸的九分之一。 ?人的自然视角约在 50 度左右。 ?焦距 50 mm 的镜头，视角 = 53 度（就135系统而言），称为标准镜头。（一说焦距 45 ~ 55mm 或35 ~ 70 mm 为标准镜头） ?焦距＜50 mm 的镜头，视角＞53 度，大于人的自然视角，观景范围较为宽广，称为广角镜头。 ?焦距＞50 mm 的镜头，视角＜53 度，小于人的自然视角，可将被摄物拉近，称为长焦镜头。 ?焦距＜24 mm 的广角镜头，拍摄的照片将有明显的大量变形，甚至到达扭曲的程度。（尤其是边缘） ?焦距＞200 mm 的长焦镜头，将被摄物拉近的程度颇为可观，一称“大炮”（拍摄时切忌震动）。 ?焦距 = 135 mm 的长焦镜头，拍摄人像时感觉不到鼻子会变大，一称“人像专用镜头”。 焦距是不变的。但随着画幅的变化，我们的在同样焦距镜头下所看到的视角也发生着变化。
2020年常见镜头视角角度
作者：非成败 作品编号：92032155GZ5702241547853215475102 时间：2020.12.13 常见镜头视角角度 焦距规格角度 2.1 mm小镜头1/3 150° 2.5mm小镜头1/3 130° 2.8mm小镜头1/3 115° 2.8mm固定光圈1/3 115° 3.6mm 1/3 96° 4mm 1/3 78° 6mm 1/3 53° 8mm 1/3 40° 12mm 1/3 23° 16 mm 1/3 17° 3.5-8mm 1/3 96°- 45° 6-15mm 1/3 54°- 23° 6-36mm电动变倍镜头1/3 51°- 9° 8.5-51mm电动变倍镜头1/3 57°- 10° 6-60mm电动变倍镜头1/3 52°- 6° (5)从镜头焦距上分 短焦距镜头：因入射角较宽，可提供一个较宽广的视野 中焦距镜头：标准镜头，焦距的长度视CCD的尺寸而定 长焦距镜头：因入射角较狭窄，故仅能提供狭窄视景，适用于长距离监视 变焦距镜头：通常为电动式，可作广角、长焦变化 摄像机镜头的分类 视频监控系统摄像机镜头品种繁多，从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头、长焦镜头、变焦镜头；从视场大小分有广角、标准、远景镜头；结构上分有固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头、电动三可变镜头等。 按外形功能分按尺寸大小分按光圈分按变焦类型分按焦距长矩分 球面镜头1" 25mm 自动光圈 电动变焦长焦距镜头 非球面镜头1/2" 3mm 手动光圈 手动变焦标准镜头
针孔镜头1/3" 8.5mm 固定光圈 固定焦距广角镜头 鱼眼镜头2/3" 17mm (1)以镜头安装方式分类：所有的摄像机镜头均是螺纹口的，CCD摄像机的镜头安装有两种工业标准，即C安装座和CS安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。C安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm。CS安装座：特种C安装，此时应将摄像机前部的垫圈取下再安装镜头。其镜头安装基准面到焦点的距离是12.5mm。C型安装的摄像机可用CS 型镜头，但CS安装的摄像机不能使用C型镜头。如果要将一个C安装座镜头安装到一个CS安装座摄像机上时，则需要使用镜头转换器。 (2)以摄像机镜头规格分类：摄像机镜头规格应视摄像机的CCD尺寸而定，两者应相对应。即摄像机的CCD靶面大小为1/2英寸时，镜头应选1/2英寸。摄像机的CCD靶面大小为1/3英寸时，镜头应选1/3英寸。摄像机的CCD靶面大小为1/4英寸时，镜头应选1/4英寸。如果镜头尺寸与摄像机CCD靶面尺寸不一致时，观察角度将不符合设计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。1/2英寸的镜头可用于1/2英寸、1/3英寸的摄像机；而1/3英寸的镜头只能用于1/3英寸的摄像机，不能用于1/2英寸的摄像机，这是因为1/3英寸镜头光通量只有1/2英寸镜头光通量的44%，不能满足1/2英寸的摄像机的光通量要求。 (3)以镜头光圈分类：固定光圈镜头、手动光圈(manual iris)和自动光圈(auto iris)之分，配合摄像机使用，手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合，自动光圈镜头因亮度变更时其光圈亦作自动调整，故适用亮度变化的场合。 固定光圈镜头，其通光量是固定不变的。主要用光源恒定或摄像机自带电子快门的情况。 自动光圈镜头有两类：一类是将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，它将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，这种视频输入型镜头内包含有放大器电路，用以将摄像机传来的视频信号转换成对光圈马达的控制，称为视频输入型Video driver(with Amp)；另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈，它利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈，这种镜头内只包含电流计式光圈马达，摄像机内没有放大器电路，称为DC输入型(DC driverno Amp)。二种驱动方式产品不具可互换性，但现已有通用型自动光圈镜头推出。
变焦系统设计的小型化
doi:10．3969/j．issn．1671-1041．2011．02．013 变焦系统设计的小型化 冯蕾1，王栋2，冯冲3，张桂源1 (1．长春理工大学光电工程学院，长春130022;2．山西师范大学，临汾042603;3．东北大学，沈阳110031) 摘要:目前，随着光学设计水平的不断提高，变焦光学系统的质量可与定焦系统相媲美，正向着大倍率、大相对孔径、小型化的方向发展，变焦系统的应用也随之日益广泛。本文根据变焦系统的基本原理，利用ZEMAX软件设计了一个用于监控的变焦系统，变焦范围:200mm一600mm，变倍比:3x，镜筒长度:450mm。设计结果表明:该变焦系统较之同类设计结果，具有结构紧湊，质量轻，长度短的优点。 关键词:变焦透镜;光学系统;小型化设计 中图分类号:TH703文献标志码:A Miniature of zoom systems design FENG Lei1，WANG Dong2，FENG Chong3，ZHANG Gui-yuan1 (1．School of Optical Enginerring，Changchun University of Science and Technology，Changchun130022，China; 2．ShanXi Normal University，Linfen042603，China;3．Northeastern University，Shenyang110031，China) Abstract:At present，as the development of optical level，the quality of zoom lens have been possible compared with fixed focus system．The zoom lens are developing to the direction of the big percentage，the greatly relative aperture and miniature．And day and day，the zoom lens are applied in widespread field．The article is based on the principle of zoom lens．A monitoring system is designed by using ZEMAX software．Zoom scope is200mm to600mm．Change percentage is3times．The system length is450mm．The results show that the zoom lens has the characteristics of miniature and light weight and small length． Key words:zoom lens;optical system;design miniature 0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。变焦的原理基于成像的一个简单性质—物像交换原则，即透镜要满足一定的共轭距可有两个位置。若物面一定，当透镜从一个位置向另一个位置移动时，像面将要发生移动，若采取补偿措施使像面不动，便构成一个变焦系统。目前变焦镜头都用改变透镜组之间的间隔来改变整个物镜的焦距。在移动透镜组改变焦距时，总是要伴着像面的移动，因此要对像面的移动给以补偿。根据变焦补偿方式的不同，补偿方法分为机械补偿法和光学补偿法。机械补偿法就是用一组透镜(通称补偿组)作少量移动以补偿像面位移。补偿透镜组的移动与其它透镜(通称变倍组)的移动方向不同且不等速。但它们的相对运动却有严格的对应关系，各透镜组通过一个复杂的凸轮机构实现相对运动。光学补偿法用几组透镜作变倍和补偿时，各透镜组的移动同向等速，只需要用简单的机构把各透镜组连在一起就行了。变焦距光学系统可以实现对目标的连续探测，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，所以需要进行专门设计。 市场上常见的变焦镜头，焦距不长，总长相对比较长，结构比较复杂。这是因为受到成像质量以及加工工艺，加工条件的限制。焦距变长，系统很难校正像差，从而难以保证成像质量。本文主要研究长焦距变焦系统的小型化设计。在设计中使用了特殊材料，更好的校正了二级光谱。 1系统设计 1．1光学技术指标要求 变焦范围:200－600mm;变倍比:3x;F数为4;镜筒长度:450mm;像面接收为1/2英寸的CCD。 1．2系统分析 由于该系统的变倍比不大，焦距又比较长，所以系统中的色差和二级光谱的校正较为困难，而且变焦 □科研设计成果□仪器仪表用户 38EIC Vol．182011No．2欢迎光临本刊网站http://www．eic．com．cn