连续变焦光学系统设计方法

摘 要：本文介绍了连续变焦光学系统的基本工作原理以及光学设计方法的全过程。其中包括变焦和补偿方案的选择、高斯光学各组元焦距分配、外形尺寸计算、初级像差平衡、PW求解、初始结构参数确定、系统实际像差自动平衡，直到凸轮曲线优化设计等。文章以图形和公式说理，用OCAD光学自动设计软件为工具，全面介绍三组元连续变焦系统的设计方法及过程。 关键词 变焦系统 机械补偿 像差平衡 凸轮优化设计 OCAD光学设计程序

一、 连续变焦光学系统的基本工作原理 在日常生活或军事观察中有时会想在一定图象画面内了解较大范围的目标全貌，有时又需要在一个较小范围内观察目标图象的具体细节。从光学设计的角度说，就是要求一个光学系统在像高大小不变时，可以改变物面尺寸大小。由光学系统能量守衡定律，拉氏不变量

可以看出，对同一个光学系统，无论在物方还是像方甚至中间任意一个光学表面都要遵循这个拉氏变量J不变的原则。对于照相（望远）物镜而言，上式可以写成

的形式。又由于光学系统的焦距计算公式为

这样又有关系式

这就意味着要改变物方视场就必须通过改变系统焦距来实现。这就是可变焦距光学系统的由来。一个光学系统影响其焦距变化的因素也很简单，因为系统焦距只是组成该系统的各表面的表面半径（曲率）、间隔以及其光学材料的折射率的函数，即

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