10×連續(xù)變倍照攝像物鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)

摘要： 連續(xù)變倍照攝像物鏡在各種照相和攝像等領(lǐng)域有著廣泛且必不可少的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)大量反復(fù)研究與計(jì)算，在參考他人資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了可用于像方線視場(chǎng)16 mm的照攝像機(jī)物鏡，變焦范圍為15～150 mm連續(xù)變倍，物鏡的像方F數(shù)為2.5，MTF曲線在50 lp/mm時(shí)值均大于0.12，畸變?cè)?%以?xún)?nèi)，是一成像質(zhì)量滿(mǎn)足實(shí)際要求的連續(xù)變倍物鏡。

關(guān)鍵詞： 連續(xù)變倍； 光學(xué)設(shè)計(jì)； 物鏡； MTF曲線

中圖分類(lèi)號(hào)： TH 741； O 439文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.007

引言

在拍攝動(dòng)感型畫(huà)面時(shí)，利用連續(xù)變倍變焦照攝像物鏡可以使畫(huà)面連續(xù)變大變小，圖像生動(dòng)，立體感強(qiáng)。在物距認(rèn)為無(wú)窮大時(shí)，變倍比與變焦比相等。目前市場(chǎng)上廣泛使用的攝像機(jī)照相機(jī)單組物鏡的變焦范圍都不大于10倍（當(dāng)然配以其他輔助鏡頭可以變倍更大），變焦范圍不大，在幾毫米到幾十毫米之間連續(xù)變化。本文通過(guò)不斷嘗試和反復(fù)研究，在大量參閱資料[19]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了一款成像質(zhì)量較高的焦距范圍為15～150 mm的10×連續(xù)變倍物鏡，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1連續(xù)變倍物鏡設(shè)計(jì)原理

2設(shè)計(jì)實(shí)例

在設(shè)計(jì)時(shí)參閱了大量參考資料，特別是參考文獻(xiàn)[9]的變焦物鏡，其MTF曲線在大視場(chǎng)和小視場(chǎng)的光線子午值均較小，通過(guò)反復(fù)嘗試，在評(píng)價(jià)函數(shù)中不斷改變參數(shù)和增減操作控制符。采用四重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，焦距分別取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，還須加入控制玻璃和空氣厚度的參數(shù)MNEG、MNCA、CTGT、CTLT等，還加入了控制像差和提高分辨率的操作符DIST、COMA、MTFA等，并且需逐步優(yōu)化，根據(jù)結(jié)果不斷修正，最后優(yōu)化后得一成像質(zhì)量更加滿(mǎn)意更有實(shí)用價(jià)值的 10×連續(xù)變倍變焦物鏡，系統(tǒng)總長(zhǎng)度312.64 mm。

2.1優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)

優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到的變倍照攝像物鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其中空氣間隔取四重結(jié)構(gòu)中的（a）結(jié)構(gòu)，焦距為15 mm的數(shù)值。

2.2優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)布局圖

不同視場(chǎng)光線均在像面上成清晰像，四種結(jié)構(gòu)如圖4（a）～（d）所示，對(duì)應(yīng)焦距分別為15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm。

2.3優(yōu)化后的MTF曲線

目前比較全面客觀評(píng)價(jià)成像質(zhì)量?jī)?yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)一般看調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線，本設(shè)計(jì)最劣的一根大視場(chǎng)子午光線在分辨率50 lp/mm時(shí)，其值也在0.12以上，是一款分辨率很好的連續(xù)變焦鏡頭。圖5所示為光學(xué)系統(tǒng)不同焦距時(shí)的MTF曲線。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)四重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，焦距分別取15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm，采用逐步優(yōu)化，增減操作符及目標(biāo)值和權(quán)重的方法，最后從圖5的MTF曲線和表2及圖6的場(chǎng)曲和畸變值可知，得到像質(zhì)均為非常良好的成像系統(tǒng)，分辨率已達(dá)μm數(shù)量級(jí)，用于照相機(jī)和攝像機(jī)時(shí)，將是非常好的連續(xù)變焦變倍物鏡，變倍比達(dá)到10倍，應(yīng)用前景可觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸金男，高照林.0.8×～8×新型連續(xù)變倍體視顯微鏡物鏡的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2011，33（6）：3642.

[2]王巍，崔慶豐，費(fèi)冰，等.紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2012，34（3）：3336.

[3]劉雨沁，張孟偉.變倍光學(xué)系統(tǒng)的公差分析[J].光學(xué)儀器，2013，35（2）：4245.

[4]李宏壯，張振鐸，曹景太，等.長(zhǎng)焦距超高倍率變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光子學(xué)報(bào)，2012，41（3）：358362.

[5]張良.中波紅外變焦距系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué)，2006，27（1）：3234.

[6]許利峰，張新，曲賀盟，等.高變倍比連續(xù)變焦體視顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué)，2013，34（1）：3843.

[7]宋巖峰，孫衛(wèi)平，王國(guó)力.一種高分辨率電視制導(dǎo)連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)[J].應(yīng)用光學(xué)，2013，34（2）：203208.

[8]毛文煒.光學(xué)工程基礎(chǔ)（一）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：221239.

[9]LAIKIN M.Lens design[M].4th edition.New York：CRC Press Taylor & Francis Group，2011：322360.

摘要： 連續(xù)變倍照攝像物鏡在各種照相和攝像等領(lǐng)域有著廣泛且必不可少的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)大量反復(fù)研究與計(jì)算，在參考他人資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了可用于像方線視場(chǎng)16 mm的照攝像機(jī)物鏡，變焦范圍為15～150 mm連續(xù)變倍，物鏡的像方F數(shù)為2.5，MTF曲線在50 lp/mm時(shí)值均大于0.12，畸變?cè)?%以?xún)?nèi)，是一成像質(zhì)量滿(mǎn)足實(shí)際要求的連續(xù)變倍物鏡。

關(guān)鍵詞： 連續(xù)變倍； 光學(xué)設(shè)計(jì)； 物鏡； MTF曲線

中圖分類(lèi)號(hào)： TH 741； O 439文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.007

引言

在拍攝動(dòng)感型畫(huà)面時(shí)，利用連續(xù)變倍變焦照攝像物鏡可以使畫(huà)面連續(xù)變大變小，圖像生動(dòng)，立體感強(qiáng)。在物距認(rèn)為無(wú)窮大時(shí)，變倍比與變焦比相等。目前市場(chǎng)上廣泛使用的攝像機(jī)照相機(jī)單組物鏡的變焦范圍都不大于10倍（當(dāng)然配以其他輔助鏡頭可以變倍更大），變焦范圍不大，在幾毫米到幾十毫米之間連續(xù)變化。本文通過(guò)不斷嘗試和反復(fù)研究，在大量參閱資料[19]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了一款成像質(zhì)量較高的焦距范圍為15～150 mm的10×連續(xù)變倍物鏡，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1連續(xù)變倍物鏡設(shè)計(jì)原理

2設(shè)計(jì)實(shí)例

在設(shè)計(jì)時(shí)參閱了大量參考資料，特別是參考文獻(xiàn)[9]的變焦物鏡，其MTF曲線在大視場(chǎng)和小視場(chǎng)的光線子午值均較小，通過(guò)反復(fù)嘗試，在評(píng)價(jià)函數(shù)中不斷改變參數(shù)和增減操作控制符。采用四重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，焦距分別取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，還須加入控制玻璃和空氣厚度的參數(shù)MNEG、MNCA、CTGT、CTLT等，還加入了控制像差和提高分辨率的操作符DIST、COMA、MTFA等，并且需逐步優(yōu)化，根據(jù)結(jié)果不斷修正，最后優(yōu)化后得一成像質(zhì)量更加滿(mǎn)意更有實(shí)用價(jià)值的 10×連續(xù)變倍變焦物鏡，系統(tǒng)總長(zhǎng)度312.64 mm。

2.1優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)

優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到的變倍照攝像物鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其中空氣間隔取四重結(jié)構(gòu)中的（a）結(jié)構(gòu)，焦距為15 mm的數(shù)值。

2.2優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)布局圖

不同視場(chǎng)光線均在像面上成清晰像，四種結(jié)構(gòu)如圖4（a）～（d）所示，對(duì)應(yīng)焦距分別為15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm。

2.3優(yōu)化后的MTF曲線

目前比較全面客觀評(píng)價(jià)成像質(zhì)量?jī)?yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)一般看調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線，本設(shè)計(jì)最劣的一根大視場(chǎng)子午光線在分辨率50 lp/mm時(shí)，其值也在0.12以上，是一款分辨率很好的連續(xù)變焦鏡頭。圖5所示為光學(xué)系統(tǒng)不同焦距時(shí)的MTF曲線。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)四重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，焦距分別取15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm，采用逐步優(yōu)化，增減操作符及目標(biāo)值和權(quán)重的方法，最后從圖5的MTF曲線和表2及圖6的場(chǎng)曲和畸變值可知，得到像質(zhì)均為非常良好的成像系統(tǒng)，分辨率已達(dá)μm數(shù)量級(jí)，用于照相機(jī)和攝像機(jī)時(shí)，將是非常好的連續(xù)變焦變倍物鏡，變倍比達(dá)到10倍，應(yīng)用前景可觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸金男，高照林.0.8×～8×新型連續(xù)變倍體視顯微鏡物鏡的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2011，33（6）：3642.

[2]王巍，崔慶豐，費(fèi)冰，等.紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2012，34（3）：3336.

[3]劉雨沁，張孟偉.變倍光學(xué)系統(tǒng)的公差分析[J].光學(xué)儀器，2013，35（2）：4245.

[4]李宏壯，張振鐸，曹景太，等.長(zhǎng)焦距超高倍率變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光子學(xué)報(bào)，2012，41（3）：358362.

[5]張良.中波紅外變焦距系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué)，2006，27（1）：3234.

[6]許利峰，張新，曲賀盟，等.高變倍比連續(xù)變焦體視顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué)，2013，34（1）：3843.

[7]宋巖峰，孫衛(wèi)平，王國(guó)力.一種高分辨率電視制導(dǎo)連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)[J].應(yīng)用光學(xué)，2013，34（2）：203208.

[8]毛文煒.光學(xué)工程基礎(chǔ)（一）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：221239.

[9]LAIKIN M.Lens design[M].4th edition.New York：CRC Press Taylor & Francis Group，2011：322360.

摘要： 連續(xù)變倍照攝像物鏡在各種照相和攝像等領(lǐng)域有著廣泛且必不可少的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)大量反復(fù)研究與計(jì)算，在參考他人資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了可用于像方線視場(chǎng)16 mm的照攝像機(jī)物鏡，變焦范圍為15～150 mm連續(xù)變倍，物鏡的像方F數(shù)為2.5，MTF曲線在50 lp/mm時(shí)值均大于0.12，畸變?cè)?%以?xún)?nèi)，是一成像質(zhì)量滿(mǎn)足實(shí)際要求的連續(xù)變倍物鏡。

關(guān)鍵詞： 連續(xù)變倍； 光學(xué)設(shè)計(jì)； 物鏡； MTF曲線

中圖分類(lèi)號(hào)： TH 741； O 439文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.007

引言

在拍攝動(dòng)感型畫(huà)面時(shí)，利用連續(xù)變倍變焦照攝像物鏡可以使畫(huà)面連續(xù)變大變小，圖像生動(dòng)，立體感強(qiáng)。在物距認(rèn)為無(wú)窮大時(shí)，變倍比與變焦比相等。目前市場(chǎng)上廣泛使用的攝像機(jī)照相機(jī)單組物鏡的變焦范圍都不大于10倍（當(dāng)然配以其他輔助鏡頭可以變倍更大），變焦范圍不大，在幾毫米到幾十毫米之間連續(xù)變化。本文通過(guò)不斷嘗試和反復(fù)研究，在大量參閱資料[19]的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了一款成像質(zhì)量較高的焦距范圍為15～150 mm的10×連續(xù)變倍物鏡，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1連續(xù)變倍物鏡設(shè)計(jì)原理

2設(shè)計(jì)實(shí)例

在設(shè)計(jì)時(shí)參閱了大量參考資料，特別是參考文獻(xiàn)[9]的變焦物鏡，其MTF曲線在大視場(chǎng)和小視場(chǎng)的光線子午值均較小，通過(guò)反復(fù)嘗試，在評(píng)價(jià)函數(shù)中不斷改變參數(shù)和增減操作控制符。采用四重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，焦距分別取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，還須加入控制玻璃和空氣厚度的參數(shù)MNEG、MNCA、CTGT、CTLT等，還加入了控制像差和提高分辨率的操作符DIST、COMA、MTFA等，并且需逐步優(yōu)化，根據(jù)結(jié)果不斷修正，最后優(yōu)化后得一成像質(zhì)量更加滿(mǎn)意更有實(shí)用價(jià)值的 10×連續(xù)變倍變焦物鏡，系統(tǒng)總長(zhǎng)度312.64 mm。

2.1優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)

優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到的變倍照攝像物鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，其中空氣間隔取四重結(jié)構(gòu)中的（a）結(jié)構(gòu)，焦距為15 mm的數(shù)值。

2.2優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)布局圖

不同視場(chǎng)光線均在像面上成清晰像，四種結(jié)構(gòu)如圖4（a）～（d）所示，對(duì)應(yīng)焦距分別為15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm。

2.3優(yōu)化后的MTF曲線

目前比較全面客觀評(píng)價(jià)成像質(zhì)量?jī)?yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)一般看調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線，本設(shè)計(jì)最劣的一根大視場(chǎng)子午光線在分辨率50 lp/mm時(shí)，其值也在0.12以上，是一款分辨率很好的連續(xù)變焦鏡頭。圖5所示為光學(xué)系統(tǒng)不同焦距時(shí)的MTF曲線。

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)四重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，焦距分別取15.0 mm，32.3 mm，69.6 mm和150.0 mm，采用逐步優(yōu)化，增減操作符及目標(biāo)值和權(quán)重的方法，最后從圖5的MTF曲線和表2及圖6的場(chǎng)曲和畸變值可知，得到像質(zhì)均為非常良好的成像系統(tǒng)，分辨率已達(dá)μm數(shù)量級(jí)，用于照相機(jī)和攝像機(jī)時(shí)，將是非常好的連續(xù)變焦變倍物鏡，變倍比達(dá)到10倍，應(yīng)用前景可觀。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸金男，高照林.0.8×～8×新型連續(xù)變倍體視顯微鏡物鏡的設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2011，33（6）：3642.

[2]王巍，崔慶豐，費(fèi)冰，等.紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2012，34（3）：3336.

[3]劉雨沁，張孟偉.變倍光學(xué)系統(tǒng)的公差分析[J].光學(xué)儀器，2013，35（2）：4245.

[4]李宏壯，張振鐸，曹景太，等.長(zhǎng)焦距超高倍率變焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光子學(xué)報(bào)，2012，41（3）：358362.

[5]張良.中波紅外變焦距系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué)，2006，27（1）：3234.

[6]許利峰，張新，曲賀盟，等.高變倍比連續(xù)變焦體視顯微鏡物鏡設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué)，2013，34（1）：3843.

[7]宋巖峰，孫衛(wèi)平，王國(guó)力.一種高分辨率電視制導(dǎo)連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)[J].應(yīng)用光學(xué)，2013，34（2）：203208.

[8]毛文煒.光學(xué)工程基礎(chǔ)（一）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：221239.

[9]LAIKIN M.Lens design[M].4th edition.New York：CRC Press Taylor & Francis Group，2011：322360.