10×连续变倍照摄像物镜的光学设计
2014-03-18陆金男
摘要： 连续变倍照摄像物镜在各种照相和摄像等领域有着广泛且必不可少的实际应用。通过大量反复研究与计算，在参考他人资料的基础上，设计出了可用于像方线视场16 mm的照摄像机物镜，变焦范围为15～150 mm连续变倍，物镜的像方F数为2.5，MTF曲线在50 lp/mm时值均大于0.12，畸变在8%以内，是一成像质量满足实际要求的连续变倍物镜。
关键词： 连续变倍； 光学设计； 物镜； MTF曲线
中图分类号： TH 741； O 439文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.007
引言
在拍摄动感型画面时，利用连续变倍变焦照摄像物镜可以使画面连续变大变小，图像生动，立体感强。在物距认为无穷大时，变倍比与变焦比相等。目前市场上广泛使用的摄像机照相机单组物镜的变焦范围都不大于10倍（当然配以其他辅助镜头可以变倍更大），变焦范围不大，在几毫米到几十毫米之间连续变化。本文通过不断尝试和反复研究，在大量参阅资料[19]的基础上设计出了一款成像质量较高的焦距范围为15～150 mm的10×连续变倍物镜，具有很高的实际应用价值。
1连续变倍物镜设计原理
2设计实例
在设计时参阅了大量参考资料，特别是参考文献[9]的变焦物镜，其MTF曲线在大视场和小视场的光线子午值均较小，通过反复尝试，在评价函数中不断改变参数和增减操作控制符。采用四重结构设计，焦距分别取15.0 mm，32.3 mm，69.4 mm和150.0 mm，操作控制符除加入焦距EFFL外，还须加入控制玻璃和空气厚度的参数MNEG、MNCA、CTGT、CTLT等，还加入了控制像差和提高分辨率的操作符DIST、COMA、MTFA等，并且需逐步优化，根据结果不断修正，最后优化后得一成像质量更加满意更有实用价值的 10×连续变倍变焦物镜，系统总长度312.64 mm。
2.1优化后结构参数
优化设计后得到的变倍照摄像物镜的结构参数如表1所示，其中空气间隔取四重结构中的（a）结构，焦距为15 mm的数值。
2.2优化后的结构布局图
不同视场光线均在像面上成清晰像，四种结构如图4（a）～（d）所示，对应焦距分别为15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm。
2.3优化后的MTF曲线
目前比较全面客观评价成像质量优劣的标准一般看调制传递函数MTF曲线，本设计最劣的一根大视场子午光线在分辨率50 lp/mm时，其值也在0.12以上，是一款分辨率很好的连续变焦镜头。图5所示为光学系统不同焦距时的MTF曲线。
3结论
通过对四重结构设计，焦距分别取15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm，采用逐步优化，增减操作符及目标值和权重的方法，最后从图5的MTF曲线和表2及图6的场曲和畸变值可知，得到像质均为非常良好的成像系统，分辨率已达μm数量级，用于照相机和摄像机时，将是非常好的连续变焦变倍物镜，变倍比达到10倍，应用前景可观。
参考文献：
[1]陆金男，高照林.0.8×～8×新型连续变倍体视显微镜物镜的设计[J].光学仪器，2011，33（6）：3642.
[2]王巍，崔庆丰，费冰，等.红外变焦光学系统设计[J].光学仪器，2012，34（3）：3336.
[3]刘雨沁，张孟伟.变倍光学系统的公差分析[J].光学仪器，2013，35（2）：4245.
[4]李宏壮，张振铎，曹景太，等.长焦距超高倍率变焦距光学系统设计[J].光子学报，2012，41（3）：358362.
[5]张良.中波红外变焦距系统的光学设计[J].应用光学，2006，27（1）：3234.
[6]许利峰，张新，曲贺盟，等.高变倍比连续变焦体视显微镜物镜设计[J].应用光学，2013，34（1）：3843.
[7]宋岩峰，孙卫平，王国力.一种高分辨率电视制导连续变焦光学系统[J].应用光学，2013，34（2）：203208.
[8]毛文炜.光学工程基础（一）[M].北京：清华大学出版社，2006：221239.
[9]LAIKIN M.Lens design[M].4th edition.New York：CRC Press Taylor & Francis Group，2011：322360.
摘要： 连续变倍照摄像物镜在各种照相和摄像等领域有着广泛且必不可少的实际应用。通过大量反复研究与计算，在参考他人资料的基础上，设计出了可用于像方线视场16 mm的照摄像机物镜，变焦范围为15～150 mm连续变倍，物镜的像方F数为2.5，MTF曲线在50 lp/mm时值均大于0.12，畸变在8%以内，是一成像质量满足实际要求的连续变倍物镜。
关键词： 连续变倍； 光学设计； 物镜； MTF曲线
中图分类号： TH 741； O 439文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.007
引言
在拍摄动感型画面时，利用连续变倍变焦照摄像物镜可以使画面连续变大变小，图像生动，立体感强。在物距认为无穷大时，变倍比与变焦比相等。目前市场上广泛使用的摄像机照相机单组物镜的变焦范围都不大于10倍（当然配以其他辅助镜头可以变倍更大），变焦范围不大，在几毫米到几十毫米之间连续变化。本文通过不断尝试和反复研究，在大量参阅资料[19]的基础上设计出了一款成像质量较高的焦距范围为15～150 mm的10×连续变倍物镜，具有很高的实际应用价值。
1连续变倍物镜设计原理
2设计实例
在设计时参阅了大量参考资料，特别是参考文献[9]的变焦物镜，其MTF曲线在大视场和小视场的光线子午值均较小，通过反复尝试，在评价函数中不断改变参数和增减操作控制符。采用四重结构设计，焦距分别取15.0 mm，32.3 mm，69.4 mm和150.0 mm，操作控制符除加入焦距EFFL外，还须加入控制玻璃和空气厚度的参数MNEG、MNCA、CTGT、CTLT等，还加入了控制像差和提高分辨率的操作符DIST、COMA、MTFA等，并且需逐步优化，根据结果不断修正，最后优化后得一成像质量更加满意更有实用价值的 10×连续变倍变焦物镜，系统总长度312.64 mm。
2.1优化后结构参数
优化设计后得到的变倍照摄像物镜的结构参数如表1所示，其中空气间隔取四重结构中的（a）结构，焦距为15 mm的数值。
2.2优化后的结构布局图
不同视场光线均在像面上成清晰像，四种结构如图4（a）～（d）所示，对应焦距分别为15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm。
2.3优化后的MTF曲线
目前比较全面客观评价成像质量优劣的标准一般看调制传递函数MTF曲线，本设计最劣的一根大视场子午光线在分辨率50 lp/mm时，其值也在0.12以上，是一款分辨率很好的连续变焦镜头。图5所示为光学系统不同焦距时的MTF曲线。
3结论
通过对四重结构设计，焦距分别取15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm，采用逐步优化，增减操作符及目标值和权重的方法，最后从图5的MTF曲线和表2及图6的场曲和畸变值可知，得到像质均为非常良好的成像系统，分辨率已达μm数量级，用于照相机和摄像机时，将是非常好的连续变焦变倍物镜，变倍比达到10倍，应用前景可观。
参考文献：
[1]陆金男，高照林.0.8×～8×新型连续变倍体视显微镜物镜的设计[J].光学仪器，2011，33（6）：3642.
[2]王巍，崔庆丰，费冰，等.红外变焦光学系统设计[J].光学仪器，2012，34（3）：3336.
[3]刘雨沁，张孟伟.变倍光学系统的公差分析[J].光学仪器，2013，35（2）：4245.
[4]李宏壮，张振铎，曹景太，等.长焦距超高倍率变焦距光学系统设计[J].光子学报，2012，41（3）：358362.
[5]张良.中波红外变焦距系统的光学设计[J].应用光学，2006，27（1）：3234.
[6]许利峰，张新，曲贺盟，等.高变倍比连续变焦体视显微镜物镜设计[J].应用光学，2013，34（1）：3843.
[7]宋岩峰，孙卫平，王国力.一种高分辨率电视制导连续变焦光学系统[J].应用光学，2013，34（2）：203208.
[8]毛文炜.光学工程基础（一）[M].北京：清华大学出版社，2006：221239.
[9]LAIKIN M.Lens design[M].4th edition.New York：CRC Press Taylor & Francis Group，2011：322360.
摘要： 连续变倍照摄像物镜在各种照相和摄像等领域有着广泛且必不可少的实际应用。通过大量反复研究与计算，在参考他人资料的基础上，设计出了可用于像方线视场16 mm的照摄像机物镜，变焦范围为15～150 mm连续变倍，物镜的像方F数为2.5，MTF曲线在50 lp/mm时值均大于0.12，畸变在8%以内，是一成像质量满足实际要求的连续变倍物镜。
关键词： 连续变倍； 光学设计； 物镜； MTF曲线
中图分类号： TH 741； O 439文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.007
引言
在拍摄动感型画面时，利用连续变倍变焦照摄像物镜可以使画面连续变大变小，图像生动，立体感强。在物距认为无穷大时，变倍比与变焦比相等。目前市场上广泛使用的摄像机照相机单组物镜的变焦范围都不大于10倍（当然配以其他辅助镜头可以变倍更大），变焦范围不大，在几毫米到几十毫米之间连续变化。本文通过不断尝试和反复研究，在大量参阅资料[19]的基础上设计出了一款成像质量较高的焦距范围为15～150 mm的10×连续变倍物镜，具有很高的实际应用价值。
1连续变倍物镜设计原理
2设计实例
在设计时参阅了大量参考资料，特别是参考文献[9]的变焦物镜，其MTF曲线在大视场和小视场的光线子午值均较小，通过反复尝试，在评价函数中不断改变参数和增减操作控制符。采用四重结构设计，焦距分别取15.0 mm，32.3 mm，69.4 mm和150.0 mm，操作控制符除加入焦距EFFL外，还须加入控制玻璃和空气厚度的参数MNEG、MNCA、CTGT、CTLT等，还加入了控制像差和提高分辨率的操作符DIST、COMA、MTFA等，并且需逐步优化，根据结果不断修正，最后优化后得一成像质量更加满意更有实用价值的 10×连续变倍变焦物镜，系统总长度312.64 mm。
2.1优化后结构参数
优化设计后得到的变倍照摄像物镜的结构参数如表1所示，其中空气间隔取四重结构中的（a）结构，焦距为15 mm的数值。
2.2优化后的结构布局图
不同视场光线均在像面上成清晰像，四种结构如图4（a）～（d）所示，对应焦距分别为15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm。
2.3优化后的MTF曲线
目前比较全面客观评价成像质量优劣的标准一般看调制传递函数MTF曲线，本设计最劣的一根大视场子午光线在分辨率50 lp/mm时，其值也在0.12以上，是一款分辨率很好的连续变焦镜头。图5所示为光学系统不同焦距时的MTF曲线。
3结论
通过对四重结构设计，焦距分别取15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm，采用逐步优化，增减操作符及目标值和权重的方法，最后从图5的MTF曲线和表2及图6的场曲和畸变值可知，得到像质均为非常良好的成像系统，分辨率已达μm数量级，用于照相机和摄像机时，将是非常好的连续变焦变倍物镜，变倍比达到10倍，应用前景可观。
参考文献：
[1]陆金男，高照林.0.8×～8×新型连续变倍体视显微镜物镜的设计[J].光学仪器，2011，33（6）：3642.
[2]王巍，崔庆丰，费冰，等.红外变焦光学系统设计[J].光学仪器，2012，34（3）：3336.
[3]刘雨沁，张孟伟.变倍光学系统的公差分析[J].光学仪器，2013，35（2）：4245.
[4]李宏壮，张振铎，曹景太，等.长焦距超高倍率变焦距光学系统设计[J].光子学报，2012，41（3）：358362.
[5]张良.中波红外变焦距系统的光学设计[J].应用光学，2006，27（1）：3234.
[6]许利峰，张新，曲贺盟，等.高变倍比连续变焦体视显微镜物镜设计[J].应用光学，2013，34（1）：3843.
[7]宋岩峰，孙卫平，王国力.一种高分辨率电视制导连续变焦光学系统[J].应用光学，2013，34（2）：203208.
[8]毛文炜.光学工程基础（一）[M].北京：清华大学出版社，2006：221239.
[9]LAIKIN M.Lens design[M].4th edition.New York：CRC Press Taylor & Francis Group，2011：322360.
