變焦鏡頭設計
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
變焦鏡頭設計的實例教程
課程三十八：從零開始設計變焦鏡頭
在某個周五的中午。您的老板跑了進來：“客戶希望在星期一早上8點前收到 8 倍變焦鏡頭”。您從未設計過變焦鏡頭。您的工作不知如何開始？他給您一份設計清單，然后就出去了。現在怎么辦？
如果您有一個設計變焦鏡頭的任務，您可以訪問專利數據庫并嘗試找到類似的鏡頭。這可能需要很長的時間。
但是，如果您選擇 SYNOPSYS? 光學設計軟件,您將有一位很好的助手來幫助您快速的完成這項工作。以下是您需要做的。
1.啟動程序。
2.在命令窗口中輸入 HELP ZSEARCH。打開 10.7.3 節。
3.閱讀整章。但如果您已經知道如何在 SYNOPSYS 上執行其他任務，那么您就能很好的完成工作。
4.設置您對 ZSEARCH 的輸入。鏡頭 F / 3.5，半視場角為 14 度，像高（GIHT）為 5 毫米。
以下是您的 MACro：（C42M1.MAC）
LOG ! 以備日后追跡
PROJ ! 來看看這次運行花了多長時間
CORE 16 ! 在我們的8核超線程電腦上，它的運行速度是原來的8倍ZSEARCH 3 QUIET ! 將結果保存在鏡頭庫位置3
SYSTEM ID ZSEARCH TEST
OBB 0 14 2.85 ! 無限遠的物體，14度的半場，2.85毫米的半光圈。
展開 SYNOPSYS 光學設計軟件課程三十八：從零開始設計變焦鏡頭
在某個周五的中午。 你的老板跑了進來：“客戶希望在星期一早上8點前收到8倍變焦鏡頭”。 你從未設計過變焦鏡頭。 你的工作不知如何開始？他給你一份設計清單，然后就出去了。 現在怎么辦？
如果您有一個設計變焦鏡頭的任務， 您可以訪問專利數據庫并嘗試找到類似的鏡頭。 這可能需要很長的時間。
但是，如果您選擇SYNOPSYS?光學設計軟件。 你有一位很好的助手來幫助你快速的完成這項工作。以下是你需要做的。
1.啟動程序。
2.在命令窗口中輸入HELP ZSEARCH。 打開10.7.3節。
3.閱讀整章。但如果您已經知道如何在SYNOPSYS上執行其他任務，那么您就能很好的完成工作。
4.設置您對ZSEARCH的輸入。 鏡頭F / 3.5，半視場角為14度，GIHT為5毫米。
以下是你的MACro：（L38M1）
LOG ! to keep track of things later
PROJ ! to see how long this run took
CORE 16 ! on our 8-core hyperthreaded PC, it runs 8 times faster
ZSEARCH 3 QUIET ! save results in library location 3
SYSTEM ID ZSEARCH TEST
OBB 0 14 2.85 ! infinite object, 14 degrees semi field, 2.85 mm semi aperture.
!
展開 概論
成像鏡頭包括定焦鏡頭和變焦鏡頭，我們在日常生活中使用的光學系統大多是可以變焦的，比如手機鏡頭、專業相機的鏡頭、顯微鏡等。
成像鏡頭在很多實際應用中通常也要求具備變焦的能力，如 CCTV 監控鏡頭，紅外探測鏡頭，攝影鏡頭，雙筒望遠鏡等等，鏡頭具備變焦的能力便可以應用于多種環境條件，放大縮小或局部特寫，這是一個定焦鏡頭所無法完成的。
所謂變焦，即鏡頭的焦距在一定范圍可調節，通過改變焦距從而改變系統視場大小，達到不同距離不同范圍景物的成像。我們通常所說的變焦鏡頭一般指攝像鏡頭，即在不改變拍攝距離的情況下通過改變焦距來改變拍攝范圍，因此非常利于畫面構圖。
由于一個系統的焦距在某一范圍可變，相當于由無數多個定焦系統組成的，在設計變焦鏡頭時也是使用類似定焦鏡頭的分析優化方法。
設計要求
設計好的一組鏡頭如果變化鏡片與鏡片之間的空氣厚度，鏡頭的焦距會隨之變化，通常來說一個系統的接收面尺寸大小是固定不變的(像面：CCD 或COMS 或其它探測面)，在基礎光學理論中像面大小、視場和焦距三者有如下關系：
I=f×tan(θ) I = f × tan(\theta) I=f×tan(θ)
I為像高，f為焦距，θ為視場角度。
這個關系也很容易理解，一個三角形即可。
變焦鏡頭的變焦倍數為長焦距和短焦距比值，也稱為“倍率”。理論定義下，在變焦過程中鏡頭的相對孔徑保持不變，但對于實際的高變倍比系統，由于外形尺寸不希望過大或二級光譜校正等問題，通常在變焦時采取相對孔徑（即F/#） 也跟隨變化的方案。
展開 SYNOPSYS? 光學設計軟件是目前世界上功能強大的光學設計軟件之一，擁有最強大的優化功能，可快速準確地優化光學系統，可分析各種各樣的復雜光學系統，同時能自動為客戶提供一些較有潛力的初始結構和自動鏡片增刪功能，極大的提高設計效率。
為幫助大家更全面的了解 SYNOPSYS? 光學設計軟件，武漢墨光將于07月27日開展《SYNOPSYS 成像系統設計》免費線上培訓，將通過分享多種設計實例，帶大家更為直觀的學習了解 SYNOPSYS 在光學設計領域的具體應用實操。以下是本次培訓的具體介紹：
培訓主題
SYNOPSYS 成像系統設計
培訓大綱
· SYNOPSYS 軟件介紹
· 單透鏡建模與分析
· 三片式攝影透鏡完整建模流程
· SYNOPSYS 自動增刪功能介紹
· 5片式透鏡設計案例
· 定焦鏡頭設計功能介紹
· 自動玻璃優化功能介紹
· 變焦鏡頭設計功能介紹
· 三倍變焦鏡頭設計實際
· 顯微鏡設計實例
· 投影物鏡設計實例
· 望遠鏡設計實例
· 廣角鏡頭設計實例
· 自由曲面設計
· 公差分析
培訓詳情
舉辦單位：武漢墨光科技有限公司
培訓講師：武漢墨光科技資深光學工程師
培訓時間：2023年07月27日 （上午09：00-12：00，下午14:00-17:00）
報名方式：掃碼即可提前預約會議
# 騰訊會議：629-157-273
溫馨小提示
本次培訓名額有限，滿額請評論留言添加工作人員微信或致電咨詢。
咨詢電話：13396044940
展開 我們只糾正了7個變焦位置，在完成設計之前，可能還需要更多的變焦位置，但是前期選擇少量的變焦位置做參考，會使ZSEARCH運行得更快。
打開工作表并將APS命令更改為APS -19。這將產生一個真實的光瞳。
運行ZSEARCH產生的宏。
現在讓我們增加變焦組的數量。輸入以下命令：
CAM 15 SET
運行變焦滑塊，會顯示在變焦范圍內設計得到了很好的糾正，但是在中間的位置會出現離焦。我們預設置為7個變焦位置。讓我們看看變焦組是如何分布的。輸入以下命令：
CAM 100
在這張圖的左端數據變化最快，所以在這一區域，需要分配更多的變焦位置，來控制像差和焦點。輸入以下命令：
CAM 100 APERT
現在這個圖與前面的圖片比例不再相同。我們可以看到左邊的變焦位置比右邊的變焦位置靠得更近。命令如下
ZSPACE NONLIN 1.7
在ZSEARC文件中，更大的非線性值會將它們分布的更廣泛一些；而小于1.0的值會將它們聚集在圖片的左邊區域，這是我們不希望看到的情況。
現在鏡頭已經定義了15個變焦組，同樣聚集在凸輪曲線的左邊，因為鏡頭還沒有被校正。變焦運動是從原來的凸輪曲線插值而來的，只有7個變焦組是準確的。
展開 
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<p><strong>引言</strong></p><p>在安防監控領域，鏡頭需應對?40℃~80℃的極端溫度環境，溫度載荷引發的熱離焦問題直接影響成像穩定性。傳統設計難以準確耦合光學、結構與溫度場的相互作用，導致研發周期長、成本高。長春理工大學與東莞市宇瞳光學科技股份有限公司聯合團隊<sup>[1]</sup>，以<strong>Zemax OpticStudio</strong>為核心工具，通過光機熱集成仿真分析
打入式斷續變焦光學系統的固定組就是一般定焦系統的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統相對孔徑不變原則。在分配活動組兩組透鏡的焦距時有兩種求解方法，一種是根據前活動組位置及后組位置先求出光線M1M2，很容易得到兩組份焦距值；
A) 會聚光路中打入型變焦系統設計
多組轉換型變焦系統可以實現多檔斷續變焦。設計時同時設計多重可打入活動組，在打入時隨意轉換。多組轉換型的活動組可以放置在會聚光路中也可以在平行光路中。選擇在平行光路中，可利用活動組的無焦性來回倒置獲得放大縮小兩種不同變焦效果。
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打入式斷續變焦系統還分為一次性打入式斷續變焦系統和多重轉換式斷續變焦系統兩種。一次性打入式斷續變焦系統只有打入或打出兩個變焦倍率。多重轉換式斷續變焦系統可以通過多組可打入組分輪番打入（打出）獲得多個變焦倍率。
1. 一次性打入式斷續變焦系統設計
打入（出）型斷續變焦系統結構比較簡單，在不需要連續變焦時一般采用這種結構形式。在活動組打出時使用固定組，系統焦點位置穩定，瞄準精度高。打入（出）型變焦系統的活動組可以在前
多組轉換型變焦系統可以實現多檔斷續變焦。設計時同時設計多重可打入活動組，在打入時隨意轉換。多組轉換型的活動組可以放置在會聚光路中也可以在平行光路中。選擇在平行光路中，可利用活動組的無焦性來回倒置獲得放大縮小兩種不同變焦效果。
圖1.多組轉換型變焦系統結構示意圖
圖2.多組轉換型變焦系統結構展開示意圖
所謂軸向位移型斷續變焦系統，其實就是連續變焦斷續化，類似連續變焦的結構形式利用系統內兩個活動組的軸向位移獲得兩個端點位置不同的系統焦距值。在設計時可以參照連續變焦的設計方法，不需要進行凸輪曲線設計，將連續變焦中的曲線運動簡化為直線運動即可，如右圖1。
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所謂軸向位移型斷續變焦系統，其實就是連續變焦斷續化，類似連續變焦的結構形式利用系統內兩個活動組的軸向位移獲得兩個端點位置不同的系統焦距值。在設計時可以參照連續變焦的設計方法，不需要進行凸輪曲線設計，將連續變焦中的曲線運動簡化為直線運動即可，如右圖1。
圖1.軸向位移型變焦系統設計界面
軸向位移型斷續變焦系統也可以是三組元結構、四組元結構等多種形式。設計時都是借用機械補償式連續變焦系統設計方法設計
打入式斷續變焦光學系統的固定組就是一般定焦系統的物鏡，需要獨立矯正像差。活動組一般由正負兩組透鏡組成。在變焦過程中一般遵循系統相對孔徑不變原則。在分配活動組兩組透鏡的焦距時有兩種求解方法，一種是根據前活動組位置及后組位置先求出光線M1M2，很容易得到兩組份焦距值；
圖1.會聚光路中打入式工作原理圖（一）
另一方法保持兩組之間光線平行光軸，有了前組距離求得光線投射高度M1，M2=M1，
前言
在光學設計領域，鏡頭系統是核心研究對象，鏡頭相關設計與仿真在光學設計中占據著重要比重。傳統鏡頭分析多依托幾何鏡頭設計等專業工具，而在需要精細化衍射分析的實際場景中，光學仿真需兼顧衍射效應等關鍵物理特性。本次我將以像散轉換器為實操案例，為大家講解如何通過 VirtualLab Fusion 導入鏡頭文件，完成包含衍射分析的光學系統仿真。
圖1. 模式像散轉換器概念圖
如圖1所示
VirtualLab Unity光學鏡頭設計套裝專注于光學系統的分析和設計。可被用于分析光學鏡頭的性能，根據設計指標提供最佳方案以及將設計結果導出為CAD文件，與VirtualLab Fusion的共享核心技術，因此透鏡設計模塊文件可以無縫轉入到VirtualLab Fusion中用于后續的跨尺度建模。
摘要
