30-300mm轻型变焦物镜光学系统设计

发布时间：2020-04-07 04:12

【摘要】：变焦系统在各行各业都得到了广泛的应用,因此对变焦系统的设计要求也各有差异。由于用途不同,有些行业不仅对系统的像质有要求,还对系统的重量和体积有了更严格的要求,以便使变焦系统适用于更多的特殊环境。本论文设计出一组长焦距轻量型的变焦光学系统,焦距为30mm~300mm,视场角为1.1°~11.4°,F数为3.5。由于变焦系统焦距较长,并且需要在控制口径的前提下减轻重量,经过对变焦理论的研究,本设计采用正组补偿。运用ZEMAX软件,对变焦系统同时进行像质优化与轻量化设计。优化过程中加入非球面,起到简化结构,提高像质的作用。对变焦系统透镜使用的材料进行了分析与比较,对部分透镜材料进行了有效的替换;同时保证像面的相对照度在允许的范围内,对轴外光线进行了适当的拦光,使得有效口径尽量变小。平衡了像质与重量间的关系,最终使光学系统的总体重量从920g减轻到648g,同时系统的像质良好,轴上调制传递函数在120 lp/mm处大于0.3,轴外调制传递函数在120 lp/mm处大于0.2,各视场的调制传递函数在40 lp/mm处大于0.5,畸变小于1%。根据变焦运动方程,运用MATLAB软件进行编程计算,得到反映变倍组与补偿组运动过程的运动曲线图,在变焦的过程中像面比较稳定,调焦顺畅,最后对变焦系统进行了公差分析。系统在满足轻重量的同时又达到了较好的像质要求。
【图文】：

原理图,光学补偿,变焦,原理图

统的类型及分析补偿方式的变焦系统统是通过改变组元之间的间隔实现系统整体焦距的变化。在位置发生改变，像面的位置也会随之发生变化，为使像面保相应的位移，以此来补偿像面的移动。变焦系统有多种补偿式与补偿特点的不同，可分为光学补偿变焦系统、机械补偿变焦系统和全动型变焦系统[24,25]。变焦系统补偿法中，变焦系统运动组元中的变倍组和补偿组固连在一，起到改变系统焦距的作用。这种方法的优点是不需要凸轮，，较为简易；缺点是光学系统总长较长，变焦过程中会存在元移动到几个特殊位置时，系统才会得到清晰稳定的像面，系统可实现的变倍比较小。虽然光学补偿变焦系统结构较为很多的局限性[26,27]。

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克服了光学补偿法的一些缺点，实现了较大的变倍比，并且消除了像面的漂移。但是这种方法需要使用凸轮机构，通过凸轮实现变倍组的线性移动与补偿组的非线性移动，从而实现变焦功能。机械补偿系统根据其补偿组光焦度的正负可分为正组补偿与负组补偿。两种补偿方式系统的特点有较明显的差异，正组补偿的系统细而长，可实现的变倍比相对较大，其系统结构如图 2.2 a)；负组补偿的系统短而粗，可实现的变倍比相对较小，其系统结构如图 2.2 b)。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O43;TH74

【参考文献】