运用变焦镜头的十大法则
CBSi中国·蜂鸟网作者：数字生活网 [转载] 2011-03-16 06:01:00评论(1)
美国摄影家诺曼罗思柴尔德在多年使用变焦镜头的实践中积累了不少宝贵经验，总结成以下10条提供给摄影爱好者参考。
1．利用长焦距对焦
使用变焦镜头时，正确的对焦方法是先用长焦距对焦后，再选择合适的焦距拍摄；因为在长焦距时，被摄体的影像最大而景深最小，这就方便了准确对焦。在遇到逆光或光线复杂的情形时，也有助于选择适当的局部测光，而无需走近被摄体进行测光。在平时拍摄时，经常以一个中焦距或长焦距的变焦镜头为主，用最长焦距对焦和测光，锁定曝光后再选择理想的焦距拍摄，这样就不必来回移动脚步。
2．对各焦距要多作尝试
大部分摄影爱好者虽然都极为关心变焦镜头的变焦倍率问题，但在具体使用时却往往是长焦距一头用得最多，有些甚至将其当作一个定焦远摄镜头看待。其实，当你尝试运用其他各焦距而获得截然不同的画面时，便会发现变焦镜头作为一种可变的取景工具，有着相当的潜能。
3．熟悉变焦镜头的操作
早期的变焦镜头上，变焦和对焦是以二环分别调节的。现在大部分变焦镜头都已改为单环控制，其特点是通过将镜头前后推拉来改变焦距，左右旋转来进行对焦。因此，对刚刚购买新镜的摄影爱好者来说，要熟悉及牢记变
焦的前后方向和对焦的左右位置，避免在精确对焦之后因变焦时微稍转动调节环而影响清晰度。这也是很多较为“保守”的摄影家宁愿使用旧式的双环式变焦镜头的原因。
4．适当运用支撑物
当运用焦距为200mm或更长焦距的变焦镜头时，应把镜头固定在三脚架等支撑物上，以保证拍摄时的稳定性。
5．选择合适的遮光罩
变焦镜头比其他类型的镜头更容易产生光晕，因此，一个合适的遮光罩是少不了的。有时遮光罩造成的遮挡在单镜头反光相机的取景屏上看不出来，但是在胶片上却显示出来。这种情况在使用小光圈拍摄时最为明显，往往会使遮光罩也落入景深范围。此外，有些遮光罩在长焦距一端有效，但变焦至短焦距一端使用时，就会使照片上产生取景屏上看不出来的因遮挡而造成的晕映现象。因而，为变焦镜头选择合适的遮光罩并合理使用，是至关重要的。
6．加用增距镜
在需要使用极长焦距的情况下，花很少的钱购买一个2倍增距镜，便可随意将你的70—210mm镜头立即变成140-420mm超望远变焦镜头，一个3倍增距镜更可达到210--630mm，使你的镜头马上跻身天文望远镜的行列。然而，代价将是损失光圈级数和摄得照片的清晰度。例如，一个F4的变焦镜头加上2倍增距镜后，光圈会损失2级而变为F8；加上3倍增距镜后，最大光圈就变成了F11。如你所知，要发挥镜头的最佳解像力应当是选择比最大光圈收小2级的光圈来拍摄。因此，当加用增距镜时就必须考虑选用高速胶片和三脚架，同时，被摄体以静止的为宜。
7．慎用滤光镜
除非确实需要，一般不要给变焦镜头加用滤光镜。在海滩或咸水的环境下，确实需要一块保护镜。为了改变色温，制造特殊效果，例如为了加深天空颜色和消除反光，需加用偏振镜。除此之外，加上一些可有可无的滤光镜，只会增加已经让人头痛的镜头内部光线反射问题。
8．控制画面深度
用一个变焦镜头在离被摄体1.5米处用60mm焦距拍摄，与在离被摄体7.5米远处用300mm焦距拍摄，所得照片中的被摄体影像是一样大小的，所不同的是两张照片画面深度不同。用60mm焦距拍摄的照片，其背景有深度和空间感；而300mm焦距拍摄的，给人的感觉是景物被压缩了，被摄体与景物似乎被“拉近”了。
9．保持距离，防止变形
在使用变焦镜头的广角一端拍摄时，要注意与被摄体保持适当的距离，以免造成被摄体变形。须记住，拍摄时的距离是影响透视效果的主要因素，而不是焦距。
10．控制景深的诀窍
可以做一个实验，用同一光圈，在同一距离分别以25mm和50mm的焦距拍摄两张照片，再将用25mm焦距所拍摄的照片放大，使画面中被摄体影像与50mm的一张中的一样大小。比较两张照片的背景后就会发现，放大后照片中的背景并不像第一张照片中的那么朦胧，实际上得到了更有用的景深。这种方法应用于定焦的广角镜头时同样有效。
万方数据
第１期李永刚．等：红外连续变焦镜头的结构设计６１ 统，共有１４片透镜，包括变焦物镜系统和二次成像系统。镜片数日的增加，有利于校正像差，可提高像质；二次成像系统的作用是为了减小物镜的直径同时保证１００％的冷屏效率。 １．２变倍组导向机构选型 连续变焦镜头在连续变焦的过程中，光轴随着变倍和补偿镜组的位移始终在跳动，而光轴跳动量的大小直接影响系统的性能指标。所以变倍、补偿镜组的导向机构设计是此红外变焦距镜头结构设计的核心。变焦距镜头导向机构的种类很多，按接触摩擦性质可分成两大类：滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。滑动摩擦机构是导轨与移动镜组之间采用滑动接触方式，滚动机构是导轨与移动镜组之间采用滚动方式…。常用的变倍机构有以下几种形式¨】：１．圆柱导轨滑动机构。这种结构变倍精度高，径向结构尺寸小，适用于变倍和补偿组光学通光口径较小的结构。 ２．两根圆柱导轨滑动机构。由于滑动部件为两根圆柱导轨，这种结构变倍精度高，承载的负荷也比第一种大。但是由于是超定位结构，光学通光口径太大，容易产生机构卡死现象，机构的径向尺寸也较大。一般适用通光口径３０—８０ｍｍ的结构。 ３．三根圆柱导轨滑动机构。这种结构的优点是运动舒适、平稳，不容易产生卡死现象，可以带动通光口径较大的光学组件。缺点是运动精度较前两种低，一般适用通光口径５０—１２０ｍｍ的结构。 滚动摩擦机构就是在上述滑动摩擦机构的基础上，加上精密轴承或者精密钢球等，来减小摩擦力矩，提高系统总体性能。 根据以上经验，本文选用两根圆柱导轨形式，并且在变倍、补偿镜组与圆柱导轨之间采用精密直线轴承配合，使该机构由滑动摩擦变为滚动摩擦。１．３调焦机构选型 调焦组的作用是通过调焦机构，使调焦镜组沿光轴方向移动，以保证在远近不同距离上的物体，都能清晰地成像在像面上。因此，它的机构优劣直接影响到变焦距镜头的成像质量。 光学系统调焦机构大体有三种方式，一种是凸轮调焦¨１，一种是采用直线电机调焦…，另一种是丝杠丝母调焦。考虑到调焦系统行程短，通光口径比较大，如果采用丝杠丝母调焦或者直线推进调焦机构，对加工装配要求就很严格，而且很容易出现卡滞现象。而采用简单的凸轮机构实现调焦过程，可以避免上述的缺点。 ２主要机械结构设计 ２．１凸轮机构设计 由于补偿组作非线性移动，直接的直线驱动很难控制其与变倍组线性同步，而采用圆柱凸轮，由凸轮的旋转同时带动变倍、补偿镜组实现直线移动，可使得驱动控制简单易行。 凸轮机构是实现由电机旋转运动转化为变倍、补偿镜组沿光轴方向平移运动的执行机构，凸轮机构主要由带齿轮的凸轮、轴承环、导轨、导钉、导环等组成，结构简图如图１所示。当电机带动带齿轮的凸轮转动时，通过导环、导钉将运动传递给变倍、补偿镜组，通过导轨的导向作用，将凸轮的旋转运动转化为变倍、补偿镜组光轴方向的平行移动。 图１变倍、补偿镜组凸轮机构简图 Ｆｉｇ．１Ｃａｍｇｕｉｄｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｋｅｔｃｈｏｆ ｖａｒｉｆｏｃｕｓｉｎｇａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ 图２凸轮结构图 Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｃａｍｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ 凸轮圆周上开有两条空间曲线槽，通过这样的曲线轨迹实现确定的轨迹。其中一条为变倍用，一 条为补偿用。使变倍镜组移动时，补偿镜组做相应 万方数据
部件,镜头好坏直接影响到拍摄效果。一架好的照相机可拥有不同规格的镜头,除标准定焦镜头外,好的广角镜头、长焦镜头和变焦镜头的价钱都比相机机身要贵。 镜头的组成 镜头是由光学镜片和镜头筒组成的。光学镜片的作用是将景物成像在感光胶片上,而镜头筒的作用是将光学镜片按照光路位置固定好,并且与照相机机身准确接合。镜头筒上有光圈调节装置,有调节镜头距离的装置,变焦镜头还有调节焦距装置。自动对焦镜头筒上装有马达,电路是通过镜头卡口上的触点与照相机机身上的触点相连接的。如果照相机不带快门,镜头筒上还必须安装镜间快门。 镜头的设计 设计制造一种镜头,首先要弄清楚是什么类型的镜头,是定焦镜头还是变焦镜头?是一般业余镜头还是高质量的专业镜头?最大光圈是多少?手动对焦还是自动对焦?用在什么卡口的相机上?市场价位大概定在什么位置上?要拟订出镜头技术要求。 根据上述技术要求方可进行光学系统的设计,通过电子计算机复杂的计算确定光学透镜的各种参数以及镀膜层设计数据。要确保镜头解像力、反差、畸变、色彩还原达到标准要求。不同规格的镜头有不同的光学系统,如佳能普通标准定焦镜头由6片光学镜片组成,而佳能高级的大孔径标准镜头由11片组成,后者为了获得大孔径和高清晰度还用2片非球面镜头和4片高折射率镜片。一般讲在同等的条件下镜片数量多的镜片要比镜片数量少的镜头综合素质好。变焦镜头镜片数量还要多,如佳能28-105mm镜头是由15个镜片组成的。 接下来按照光学系统数据设计镜头筒,要保证光学镜片固定位置的准确,每个光学镜片的中心都重合在一个轴线上。光圈调节机构要灵活准确,变焦机构也要确保运动的镜头组相对位置准确,在不同焦距时其像面不能位移,调焦轮转动灵活,距离刻度准确,镜头组不能前后串动,镜头卡口与照相机卡口相匹配而且牢固。卡口上的电路触点与相机上的弹性触点接触良好。与照相机机身上相连的光圈收缩拨杆工作正常。设计镜头筒一般使用AUTO-CAD设计,要绘制出组成镜头筒每一个零件的生产图纸。一个普通标准镜头约有近百个零件。 镜头的制造 光学镜片加工比较复杂。从光学玻璃材料厂采购的材料必须测定它的折射率,然后切割成豆腐块,再磨成圆片型毛坯。圆片型毛坯在光学冷加工机床上进行粗砂球面磨削、细砂球面磨削、球面研磨抛光,两面球面磨成象镜头一样的光度,球面半径偏差要小于4分之5毫米,球面越光越好,再安装在自动定位中心的磨边机上磨削外圆直径,外圆光度不能太高,否则会产生杂光影响影像质量。接下来是对需要胶合的镜片进行胶合,最后一道是镀膜,过去老镜头由于当年技术限制只能镀单层膜,镜头色彩还原及通光性能不理想,如今好的镜头都镀多层膜,大大改良了镜头成像质量,使透光能力增加,杂散光减少,色彩还原准确真实,色彩的饱和度与透明度大大提高,镀多层膜镜头标有MC。镜片外圆边须涂黑色颜料,以防止反光。 镜头筒主体一般采用硬铝合金制造,用数控机床加工,光学镜片装在镜筒上用特制细圈紧固,靠近光圈的光学镜片由于空间小采用镜筒包边固定光学镜片,光学镜片之间的距离要求准确,装镜片镜筒零件同心度要好,镜筒内壁必须呈黑色不能反光,有的地方需要制散光纹。 光圈一般由5-8个光圈叶片组成,光圈叶片是由0.06毫米左右弹簧钢片冲制而成的,一个叶片上还铆上两个铜铆钉,一个铆钉作转轴用,另一个铆钉用作拨光圈用。为了防止光圈叶片反光,表面涂磷染黑处理,光圈表面和快门叶片一样,不能有油,有油会相互粘住妨碍正常运动。 调焦机构能使镜头拍摄不同距离的景物。标准镜头可以从0.5米调至无限远。镜头前后运动约5毫米,调焦轮转动140度,这样需要采用多头细螺纹来调焦,多头细螺纹制造比较困难,大
变焦镜头设计案例 本案例的公开已征得客户的同意，但关键参数无法公开，且约为90%的设计进程。 一、设计应用 单透镜反射式照相机,全画幅（像面对角线为43mm）。 二、设计要求 适用波长：可见光 EFL：75~150mm 镜片数量：不超过12片 镜片面型：全部球面 镜片材料：光学玻璃 总长度：小于254mm 最大光圈：2 后截距：大于40mm 分辨率：大于80lp/mm@0.3 调焦方式：内调焦
可加入可变光圈 三、设计特点 采用机械补偿的变焦方式，这样做与光学补偿相比，可以使系统长度更短。而且，像面可以保持不变。然而，机械补偿方式的弊端就是给机械设计带来更多难度，因每个变焦组的移动量不成线性关系，必须加入空间凸轮。 四、设计结果
上海荧沃光电科技有限公司依托北京航天大学和杭州电子科技大学，设计团队由光学工程，电子专业硕、博士和教授组成，有近十年的多领域的光学设计经验，可根据客户订制要求设计各种镜头设计，激光光路设计，望远系统，扫描光路设计和LED透镜，手电筒反光碗，路灯透镜设计加工等。我们主要运用ZEMAX、Code V 、TracePro、Lighttool等国外优秀光学设计软计，为客户提供精准、高效、低成本的光学及机械设计方案和技术支持。 照明光学业务: 订制远、近红外透镜，玻璃透镜，安防透镜，车灯透镜，LED透镜光学设计，透镜LED，直下式LED背光透镜光学设计，LED透镜设计，LED透镜光学设计， COB透镜，LED透镜，凹面透镜，凸面透镜，菲尼尔透镜光学设计与加工；路灯透镜, PMMA透镜, PC透镜, 鼠标透镜,非球面透镜设计及加工生产;透光率极高，光效极度好，无黄斑。 成像光学设计：手机镜头，照相镜头，PDA镜头设计，望远镜头，扫描仪镜头，显微镜头，投影镜头，工业镜头等镜头的设计、加工。
镜头基本结构 机器视觉光学系统讨论的是可见视觉成像系统的镜头，镜头的作用是将目标聚集在图象传感器的光敏面上，镜头质量的好坏直接影响到机器视觉的整体性能，合理选择光学镜头是机器视觉系统设计的一个重要环节。 机器视觉光学系统的镜头一般由一组透镜和光阑组成，下面分别做简单介绍： 1）透镜 透镜包括凸透镜和凹透镜两种，其中凸透镜对光线具有会聚作用，也称为会聚透镜或正透镜；凹透镜对光线有发散作用，也称为发散透镜或负透镜。由于正负透镜具有相反的作用，所以经常将两者配合使用，以矫正像差或其他失真。 2）光阑 进入镜头的光束大小一般由透镜框和其他机械结构决定。通常在镜头中设置设置带孔的金属薄片以限制光束的大小，称为光阑，其通光孔一般为圆形并中心在透镜的中心轴上。为了调节进光量，普通镜头都具有光圈调节环，调节环转动时带动镜头内的黑色叶片以光轴为中心做伸缩运动，称为可变孔径光阑。镜头中决定成像面大小的光阑称为视场光阑。镜头的镜管通常被加工成罗纹状并漆成黑色以消除杂光的影响。 4）自动光圈 在机器视觉中，自动光圈的主要作用是通过自动调整光圈控制入射光通量的大小，从而使CCD获得理想的曝光，以获得理想的图象。自动光圈镜头目前主要有两类：一类是视频驱动型(Video)，另一类是直流驱动型（DC）。 5）变焦镜头 变焦镜头的成像质量一般低于固定焦距镜头，但在无须改变物距的情况下通过焦距变化即可获得清晰的图象，从而提高了机器视觉的设计灵活性。 6）自动调焦 自动调焦镜头可以根据不同的成像目标对镜头的焦距进行自动调整，从而确保在多种应用下都能实现精确聚焦。CCD相机一般采用差分式对比传递函数方式进行自动调焦。 7）镜头接口 物镜的接口尺寸国际标准共有三种：F型、C型、CS型。 F型比较通用，一般实用于焦距大于25mm的镜头，而小于25mm时因为物镜的尺寸不大，便采用C型或CS型。
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
红外连续变焦镜头的结构设计 摘要：随着红外光学技术的长足发展及其实际应用范围的不断扩展，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。为了验证红外连续变焦镜头的变倍性能及其成像质量，根据某红外连续变焦镜头的光学设计特点，通过对其机械结构进行选型，最终采用不同形式的凸轮机构来实现红外变焦距镜头变倍、调焦过程，对凸轮机构、变倍导向机构、调焦机构等作了较详细的说明，并从机械设计的角度出发，对系统的杂散辐射提出了抑制措施。装调结果表明，采用凸轮机构、变倍导向机构可以实现红外连续变焦镜头的变倍及调焦过程，提出的杂散辐射措施可以有效地抑制系统的杂散辐射，提高镜头的成像质量。 关键词：红外连续变焦镜头；凸轮机构；导向机构；杂散辐射 中图分类号：TN216文献标识码：A文章编号：1672－9870（2009）01－0060－04 收稿日期：200801 作者简介：李永刚（1979
统，共有14片透镜，包括变焦物镜系统和二次成像系统。镜片数目的增加，有利于校正像差，可提高像质；二次成像系统的作用是为了减小物镜的直径同时保证100％的冷屏效率。 1.2变倍组导向机构选型 连续变焦镜头在连续变焦的过程中，光轴随着变倍和补偿镜组的位移始终在跳动，而光轴跳动量的大小直接影响系统的性能指标。所以变倍、补偿镜组的导向机构设计是此红外变焦距镜头结构设计的核心。变焦距镜头导向机构的种类很多，按接触摩擦性质可分成两大类：滑动摩擦机构和滚动摩擦机构。滑动摩擦机构是导轨与移动镜组之间采用滑动接触方式，滚动机构是导轨与移动镜组之间采用滚动方式［1］。常用的变倍机构有以下几种形式［2］： 1.圆柱导轨滑动机构。这种结构变倍精度高，径向结构尺寸小，适用于变倍和补偿组光学通光口径较小的结构。 2.两根圆柱导轨滑动机构。由于滑动部件为两根圆柱导轨，这种结构变倍精度高，承载的负荷也比第一种大。但是由于是超定位结构，光学通光口径太大，容易产生机构卡死现象，机构的径向尺寸也较大，一般适用通光口径30～80mm的结构。 3.三根圆柱导轨滑动机构。这种结构的优点是运动舒适、平稳，不容易产生卡死现象，可以带动通光口径较大的光学组件。缺点是运动精度较前两种低，一般适用通光口径50～120mm的结构。 滚动摩擦机构就是在上述滑动摩擦机构的基础上，加上精密轴承或者精密钢球等，来减小摩擦力矩，提高系统总体性能。 根据以上经验，本文选用两根圆柱导轨形式，并且在变倍、补偿镜组与圆柱导轨之间采用精密直线轴承配合，使该机构由滑动摩擦变为滚动摩擦。 1.3调焦机构选型 调焦组的作用是通过调焦机构，使调焦镜组沿光轴方向移动，以保证在远近不同距离上的物体，都能清晰地成像在像面上。因此，它的机构优劣直接影响到变焦距镜头的成像质量。 光学系统调焦机构大体有三种方式，一种是凸轮调焦［3］，一种是采用直线电机调焦［4］，另一种是丝杠丝母调焦。考虑到调焦系统行程短，通光口径比较大，如果采用丝杠丝母调焦或者直线推进调焦机构，对加工装配要求就很严格，而且很容易出现卡滞现象。而采用简单的凸轮机构实现调焦过程，可以避免上述的缺点。 2主要机械结构设计 2.1凸轮机构设计 由于补偿组作非线性移动，直接的直线驱动很难控制其与变倍组线性同步，而采用圆柱凸轮，由凸轮的旋转同时带动变倍、补偿镜组实现直线移动，可使得驱动控制简单易行。 凸轮机构是实现由电机旋转运动转化为变倍、补偿镜组沿光轴方向平移运动的执行机构，凸轮机构主要由带齿轮的凸轮、轴承环、导轨、导钉、导环等组成，结构简图如图1所示。当电机带动带齿轮的凸轮转动时，通过导环、导钉将运动传递给变倍、补偿镜组，通过导轨的导向作用，将凸轮的旋 转运动转化为变倍、补偿镜组光轴方向的平行移动。 图1变倍、补偿镜组凸轮机构简图 Fig.1Cam guide mechanism sketch of varifocusing and compensating 图2凸轮结构图 Fig.2Sketch of cam configuration 凸轮圆周上开有两条空间曲线槽，通过这样的曲线轨迹实现确定的轨迹。其中一条为变倍用，一条为补偿用。使变倍镜组移动时，补偿镜组做相应 李永刚，等：红外连续变焦镜头的结构设计 第1期61
红外连续变焦镜头 一、基本原理 利用光学系统中两个或两个以上透镜组的移动，改变光学系统的组合焦距，同时保持像面位置不动，且在变焦过程中像质始终保持良好。 二、光学系统 机械补偿变焦系统：各运动组元按不同的运动规律作相对复杂的对应移动，最终达到防止像面移动的目的。机械补偿法变焦镜头：一组透镜做线性移动(通称变倍组)以改变焦距，另一组透镜(通称补偿组)作少量非线性移动以补偿像面位移，来达到光学系统既变倍而像面位置又稳定的要求。变倍组一般是负透镜组,补偿组有取正透镜组,也有取负透镜组的。补偿透镜组的移动与变倍透镜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。这类变焦距镜头的焦距在一定范围内连续改变。 三、光学结构 机械补偿变焦距镜头，其光学结构由前固定组，变倍组，补偿组，后固定组组成。 1、前固定组：其作用是给系统提供固定的像； 2、变倍组：担负着系统的变倍作用，做线性移动以改变焦距； 3、补偿组：按一定的曲线轨迹作非线性运动，以补偿变倍组在变倍过程中所产生的像面移动；
4、后固定组：用于将补偿组的像转化为系统的最后实像，并调整系统的合成焦距值、设备孔径光阑，保证在变焦运动中系统的相对孔径不变。 四、连续变焦机构 主要由电机、齿轮、变倍凸轮、限位装置、导向销、变倍组、补偿组、导向机构等组成，其中，导向机构和变倍凸轮设计是连续变焦机构的核心技术。工作原理为：当产品需要进行变焦时，由控制系统发给电机变倍信号，电机驱动齿轮，由齿轮带动变倍凸轮进行运动，此时，变倍组和补偿组通过导向销在满足函数关系的两条凸轮槽中进行运动，实现变倍组和补偿组直线运动，当变倍组和补偿组移动到两个极限位置时，通过压力开关来控制驱动电机的工作。精密电位计在齿轮的驱动下随变倍凸轮一起转动，电位计随着变倍凸轮转角的不同输出不同的电压，通过对电压值的换算可以得到系统的对应焦距。 1、变倍组导向机构 （1）一根光杠导轨和滚珠丝杠组合机构。这种结构精度较高，由于变倍和补偿同时移动的轨迹不同，需要两套导向驱动机构，占用较大空间，控制系统设计也有难度。 （2）两根圆柱导轨滑动机构。由于滑动部件为两根圆柱导轨，这种结构变倍精度高，承载的负荷也比第一种大。但是由于是超定位结构，光学通光口径太大，容易产生机构卡死现象，机构的径向尺寸也较大。一般适用通光口径30—80 mm的结构。 （3）三根圆柱导轨滑动机构。这种结构的优点是运动舒适、平
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
第15卷 第7期 2007年7月 光学精密工程 Optics and Precision Engineering Vol.15 No.7 J ul.2007 收稿日期:2007201222;修订日期:2007203220. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.60471024) 文章编号 10042924X (2007)0721038206 中波红外连续变焦光学系统 郜洪云1,熊 涛2,杨长城2 (1.武汉理工大学,湖北武汉430070;2.华中光电技术研究所,湖北武汉430074) 摘要:针对制冷式320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一个中波红外连续变焦光学系统。该系统由变焦物镜系统和二次成像系统构成,包括7片透镜,引入一个非球面,并采用两个反射镜折叠光路。利用变焦系统原理和光学设计软件给出了系统的光学参数和外形结构图,并对其像质和冷反射进行了系统分析。该系统可以实现50～500mm 的连续变焦,工作波段为3.7～4.8μm ,满足100%冷光阑效率。结构紧凑,像质较好,变焦行程短,变焦轨迹平滑。关 键 词:红外光学系统;连续变焦;光学设计中图分类号:TN216 文献标识码:A Middle infrared continuous zoom optical system GAO Hong 2yun 1,XION G Tao 2,YAN G Chang 2cheng 2 (1.W uhan Uni versit y of Technolog y ,W uhan 430070,Chi na; 2.H uaz hon g I nstit ute of O ptoelect ronic Technolog y ,W uhan 430074,Chi na ) Abstract :For cool 320×240detector wit h staring focal plane array ,a middle inf rared continuous zoom a optical system was presented.The optical system using optical configuration of reflect mirror fold is composed of a zoo m object lens system and a secondary imaging system ,including seven lenses and two reflectors.Based on t he p ractical requirement and feat ure parameters of detector ,t he optical de 2sign parameters were given.U sing zoom system principle and optical design software ,t he schematic diagram ,modulatio n t ransfer f unction (M TF )curve ,spot diagram ,and Root Mean Square (RMS )value of t he spot diameter were investigated.Finally ,t he cold reflection ray 2t racing of short EFL end was st udied and t he correlative schematic diagram was also given.The result s indicate t hat t he optical system wit h 3.7～4.8μm spect ral region can realize 50～500mm continuous zoom and satisfy 100%cold shield efficiency.It has t he advantages of simple st ruct ure ,high image quality ,short zoom pat h and smoot h zoom locus.And moreover ,only one asp heric surface is adopted in t he system ,so t he system is in a low p rice and easy to machine and adjust. K ey w ords :infrared optical system ;continuous zoo m ;optical design
购买前先补齐知识细说镜头原理与构 造 镜头是什么？ 有很多摄影新丁，一冲动买了个单反或者微单，然后就纠结于配个什么镜头，这时候八成许多最基本的事情他们都是不知道的，所以你说能挑选到最适合自己的镜头么？下面，我们从最基本的讲起，先告诉你镜头到底是什么。 镜头是什么？ 我们这里说的镜头是物理和光学意义上的镜头，是照相机感光元件之前，由透镜组成的光学装置，也就是单反和微单上你能用手拧下来的那个玩意儿。不同的镜头由于光学设计的不同，内部构造也千差万别，而其成像素质的优劣，则取决于光学设计的水平和镜片材质的好坏。这里我们先不详细介绍镜头好坏到底怎么区分，从购买的角度来说，越贵的镜头素质越高，基本是不变的金科玉律。 镜头的外部和内部构造 镜头的外部构造：
一只镜头的可见部分，我们叫它外部构造，一般通常都具备的，包括变焦环、对焦环、对焦模式切换等等。当然在镜头的外壳上，肯定会详细的标注出镜头的焦距、光圈、口径等参数，这些也是您了解一只镜头的最直接途径。 镜头的外部组成 1、对焦环：在MF手动对焦时转动可调整是否合焦 2、变焦环：转动可调整镜头的焦距，也就是“俗称”的拉近和缩小 3、对焦指示窗：显示对焦数据 4、对焦模式切换：切换手动和自动对焦(还可能有防抖开关等) 5、镜头螺纹和遮光罩卡口：位于镜头前组，螺纹可拧滤镜，卡口可固定遮光罩 6、卡口和触点：卡口用于和机身连接，触点负责拍摄数据的传输
如果卡口部分不是这样的金属材质，基本都是低端镜头 镜头的内部构造： 镜头的内部构造十分复杂，也是最能反映一只镜头好坏的部分，直接关系到成像素质。这部分我们不可见，一般由结构复杂的多组多枚透镜组成，不同的透镜加工方法、材质均不同。镜头的好坏与透镜数量的多少并非简单的正比关系，这点需要注意。 内部结构
照相机的主要结构 照相机的结构示意图 ①机身②镜头③光圈④快门 ⑤胶卷⑥卷片器⑦取景框 照相机是一种集光学、机械、化学、电子、材料于一体的仪器，大小部件很多，但其主要部件有镜头、光圈、快门、取景器、测距器、机身、卷片装置、闪光連动和自拍机等。 一、镜头的结构和成像原理 镜头是照相机的眼睛，它和人的眼睛一样，能使被摄物体形成一定的景象，并如实地记录在感光片或者磁盘上。现代照相机机的镜头是一种复式镜头，它是由三、四片或者六、七片不等的凹凸透镜组成。这些镜头口径大，并其表面有镀膜，大大提高了镜头的透光能力和成象的清晰度，克服了单透镜照相机容易出现的变形现象。镜头分为固定镜头和活动镜头两种，都安装在照相机的前端。 1、镜头的成像原理： 构成镜头的主要成分是玻璃透镜。透镜又 分凹透镜和凸透镜两种。凹透镜只能发散光 线，不能成像；凸透镜有聚光的作用，能把 外界的各种光线会集起来，形成一定的影像。 现代照相机的复式镜头都具有聚光成像的作 用，而凹透镜虽然没有聚光成像作用，但它有 校正镜头成像时出现的各种像差的功能。 从凸透镜成像原理图可以看出，凸透镜左边有一个光点，透镜将它的发散光线分别向主轴折射，最后所有的光线会集成一个很清晰的小亮点。这个小亮点就是透镜左边光亮点的“像”，也就是光学上讲的“焦点”。 假如透镜左边的光点换成一个物体，那么在透镜右边就不是一个小光点了，而是这个物体的影像了。 影像倒置：经过透镜聚成的物体的影像，其各个部分的位置和原物体恰恰
相反，上下颠倒，左右移位。这是因为光线都是 直线传播的，这些光线穿过透镜分别向主轴折射 后，到达成像屏上就会聚成一定的影像。这时从 图中可看到，从物体下部射来的光线并不会聚在 下边，而是在上面；从物体左边射来的光线也不 会聚在左边，而是在右面。所以说，物体通过透镜会聚成的影像，其各部分的位置都是和原物体相互倒置的。 2、镜头的焦距： 透镜成像在理想的情况下，同一物点发出的全部光线，通过透镜后仍相交于一点，每一条直线都相对于惟一的一条直线，每一个平面，都对应于惟一的一个平面。这种物与像一一相对应的关系，叫做共轭关系。一般地说，被摄物体离镜头30米以上，即称之为无穷远，用符号“∞”表示。无穷远处的物体散射出来的光线，通过镜头的透镜形成的像点，就是焦点。从焦点到透镜中心的距离，就是焦距。焦距用符号“F”来表示。除了变焦镜头以外，其它的镜头的焦距都是固定的。常见的镜头的焦距有2.8cm、3.5cm、5cm、9cm、13.5cm等多种。 镜头焦距的长短，直接影响物体成像的大小。在同一地点，用不同焦距的镜头拍摄同一物体，其形成的影像的大小是不一样的。这个变化的规律是，用的镜头的焦距越长，其物体成像就会越大。反之，镜头的焦距越短，其拍摄物体的影像就会越小。即物体成像的大小与镜头的焦距的长短成正比。镜头焦距增加一倍，物体成像也就增加一倍。如下图所示。 镜头焦距的长短还影响到镜头的透光量、镜头的视角大小和景深的长短。凡是焦距长的镜头，其透光的能力较弱，视角较小，景深较短；而焦距短的镜头，其透光能力就较强，视角也较大，景深较长。因此，在摄影时就要根据不同的需要，选取不同焦距的镜头。 3、镜头口径的光圈系数： 镜头的口径就相当于房子的窗口，窗子越大，进入房子里的光线就越多，室内就越明亮。镜头的焦距就相当于房子 的深度。镜头的焦距越长，感光片上得到的光线照度就越弱；镜 头的焦距越短，感光片上得到的光线照度就越强。例如，有两个 口径都为一吋的镜头，但它们的焦距不一样，分别为8吋和16 吋，口径与焦距的比值为1：8和1：16，显然，焦距为8吋的 镜头比焦距为16吋的镜头的光通量要大。 我们通常把1：8 和1：16的比值写成f8和f16，“f”是一个系数，它表明镜头焦距对镜头口径的倍数。口径相同的镜头，焦距越长，f系数的数值就越大，而f系数的数值就越大，镜头的透光能力就越弱。如f2.8>f3.5>f5.6>f8> f11>f16>f22。 自然界的光线是瞬息变化的，时强时弱。在拍摄时，为了能让所需要的光线完全通过透镜，折射到感光片上，使物体清晰成像，最理想的办法是使镜头的
文章编号:1002-2082(2009)01-0001-05 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ZEM AX 上机调试,设计了焦距为6.9mm ～91.6m m ,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: T N 942.21 文献标志码: A Optical design of high -magnification digital zoom lens GAO Ming ,DU AN J ing (Sch oo l o f Opto -elec tro nic Engineering ,Xi ′an Technological U niv er sity ,Xi ′a n 710032,China ) Abstract :To improv e the perfo rmance of zoom system s and achiev e a g ood imaging quality in W FOV ,and to sim plify the mechanical structure fo r the conv enience o f desig n ,process and adjustment,a desig n concept that combines th e co nv entio nal spheric optics with the aspheric o ptics w as introduced in the desig n o f zo om lens.A zo om lens system with f ′= 6.9mm -91.6m m and FOV =5°-60°w as designed by choosing four positions o f focal leng th for the design calculatio n and ZEM AX as the optical desig n softw are .The w hole system is com posed of 8lenses in 4sets,including 3aspheric surfaces.The results sho w that the zoo m lens has the cha racteristics o f hig h magnifica tion a nd la rg e field of view ,and the use of aspheric surface m akes the structure co mpact and the imaging quality high . Key words :zoom lens;optica l system desig n;aspheric surface;aberratio n 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[1-3]。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:2008-06-30; 修回日期:2008-07-13 基金项目:国防科工委基础科研项目(B 2220061084) 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:E -mail :duanjing 608@ho tmail .com 第30卷第1期2009年1月 应用光学Jour nal of Applied O ptics V o l.30N o.1 J a n.2009
文章编号!"##$%$#&$’$##()#*%#$&+%#+ 用矩阵方法设计变焦镜头 赵存华 ’洛阳师范学院物理与电子科学系,河南洛阳+("#$$) 摘 要!传统上,在设计变焦距镜头时都要利用高斯光学求解变焦距的各组元焦距-组间隔.与传 统方法不同的是,该文利用矩阵光学理论,建立变焦距镜头的光线传输矩阵,并以此矩阵建立非线性方程组,然后用数学软件对其求解,得到各组元的焦距-组间隔等参数.最后以设计一个普通的摄像物镜为例,演示了矩阵光学在设计变焦距镜头中的应用.关键词!矩阵光学/变焦距镜头/光学设计/01234 中图分类号!567 +$8$文献标志码!9 :;<=>?@A B C @@D E ;?< （二）数码相机的基本结构 数码照相机的种类繁多，样式和型号也各有不同，但是基本结构大同小异，都包括镜头、光圈、快门、取景器、调焦装置、机身、图像传感器、数字信号处理电路、存储器等基本组成部分。 1.镜头 镜头的作用是将被摄景物成像于图像传感器上。镜头由透镜组构成，其性能水平是影像画面质量高低的决定因素。 摄影镜头根据其焦距能否调节，可分为定焦距镜头和变焦距镜头。 （1）定焦距镜头 定焦距镜头根据焦距的不同可分为标准镜头、广角镜头（短焦距镜头）和远摄镜头（长焦距镜头）。 ①标准镜头：焦距长度与成像元件（CCD或者CMOS，传统相机的胶卷）对角线基本相等(如135照相机的标准镜头的焦距约为50mm)。其拍摄的景物范围视场角在45°～55°之间，接近人眼视角，拍摄的画面景物透视关系正常，符合人眼视觉习惯。 ②广角镜头：焦距长度小于成像元件的对角线(如135照相机广角镜头的焦距约小于40mm)。视场角大，拍摄范围广，可在距离较近或环境较窄的情况下拍摄较宽阔的场景；有夸张前后景物大小和比例的作用，画面空间感强；画面会发生变形，不适合拍摄人像特写。 ③远摄镜头：焦距长度大于所成像元件对角线(如135照相机长焦镜头的焦距约大于60mm)。视场角小，成像大，适合于拍摄一些不便靠近的物体；景深小，有利于虚化背景，突出主体。 （2）变焦镜头 变焦镜头是指镜头焦距可在一定范围内调整变化。镜头的最长焦距值与最短焦距值之比称为变焦倍数。在拍摄过程中，摄影者可根据需要随时调整焦距，得到所要的取景和构图，以满足不同拍摄效果的需要。 2．光圈 光圈是在镜头中间由数片互叠的金属叶片组成的可调节镜头通光口径的装置。光圈的主要作用是调节通光量。在拍摄同一个对象时，光线强时，应将光圈缩小，光线弱时，应将光圈开大。 光圈系数指光圈的大小，是焦距与光孔直径的比。如F2.8、F4、F5.6、F8、F11、F16、F22等，光圈系数越大，光圈孔径越小，进入镜头的光线越少，如图3.6所示。相邻的光圈系数的光通量相差一倍。数码相机的基本结构
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