哈尔滨理工大学学士学位论文 镜头相比，且变焦距镜头微距挡的影像放大率也很有限，一般为1：4左右。

3.3 变焦距照相镜头的设计

本节我们会重点讨论变焦系统工作过程和对它的基本要求、变焦过程中的几个重要规律、变焦系统设计过程以及f70-210/4-5.6变焦距照相镜头的基本参数及主要设计性能指标。

3.3.1 变焦系统工作过程和对它的基本要求

变焦系统工作过程和对它的基本要求：变焦系统要改变焦距，而每个组元焦距一经设计与加工之后，就是固定不变的，要变焦，只能改变各组元之间的间隔。改变组元之间的间隔，系统的像面随之移动，为了消除像面的移动，需要有的组元作抵消像面移动的补偿运动，从而产生不同的补偿形式。几个运动组元固连在一起作同方向的移动，达到在变焦的同时能减少像面移动，这种系统叫光学补偿系统。各个运动组元按不同的运动规律作较复杂的移动，达到完全防止像面移动，这种系统叫机械补偿系统。它需要用机械加工办法加工成准确的凸轮，保证运动组元的准确移动，从而有效地防止有害的像面移动。现在，由于机械加工水平完全有保证，从而这种补偿形式的系统也就越来越显示出它优越性。目前，大多数变焦系统都属于这种补偿形式。变焦系统的使用，应满足好下基本要求：均匀改变焦距；变焦过程中像面保持稳定；相对孔径基本保持不变；成像质量符合要求。

3.3.2 变焦过程中的几个重要规律

(1) 系统焦距的改变是依靠组元之间间隔的改变来实现的；

(2) 系统像面的稳定，即像面位移补偿依赖于各个运动组元共轭距改变量的总和为零来实面；

(3) 物像变换原则。变焦系统的任何运动组元每时每刻都有两个物像交换位置，对每个运动组元都存在孪生的两条补偿曲线。组元在这一对物像位交换位置上共轭距不变。

3.3.3 变焦系统设计过程

主要包括两个阶段，变焦系统高斯解的阶段和消像差设计阶段。主要是决定采用何种型式，如决定选取正组补偿还是负组补偿及双组联动；决定补偿组焦距。在正组补偿系统中，设法用变倍组及后固定组的二级光谱去抵消前固定组及补偿组的二级光谱，为了确定一个组元由几个透镜组成，首先必须了解该组元的最大光线高度和最大相对孔径。若两个组元相

- 17 -

哈尔滨理工大学学士学位论文 对孔径一样，但对光线高度高的一个组份，视情况应选用更复杂的结构形式。为了在组元内作到正确地分配光焦度，往往要使组元内单透镜的光焦度高于胶合透镜的光焦度。以前固定组使光焦度分配越来越递增，对变倍组应顺序使光焦度分配越来越降低，才符合光束的走向[33- 35] 。

3.3.4 f70-210/4-5.6变焦距照相镜头的基本参数及主要设计性能指标

焦距：70-210毫米；

最大相对孔径：F4(焦距为70毫米时)； 视场角：35°-11.8°；

卡口型式：PK或MD卡口； 质量特性指标等级：J2

最近摄影距离：1.1米，微距：0.8米；

光学系统采用的初始结构：三组移动机械补偿式，如图3-1。

123图3-1 f70-210光学系统初始结构示意图

整个光学系统为由7组11片光学镜片组成，系统最短焦距为71.43毫米，最长焦距为204.6毫米，与标定焦距的偏离量≤3%[11]。

3.3.5 f70-210变焦距照相镜头的结构参数

变焦镜头处在短焦、中焦、长焦的光学系统结构参数分别见表3-1、3-2、3-3

表3-1 f70-210短焦位置光学系统结构参数

Surf: Type OBJ 1* 2* Radius, mm Infinity 49.32 34.59 Thickness, mm Infinity 1.60 7.60 - 18 - Glass ZF7 K9 Semi-Diameter, mm Infinity 20.20 18.80 哈尔滨理工大学学士学位论文 3* 4* 5* 6* 7* 8* 9* 10* 11* 12* 13* STO 15* 16* 17* 18* 19* IMA -243.90 -74.02 20.51 50.70 -61.94 222.8 65.46 -65.46 32.39 -48.75 187.07 Infinity 65.46 -43.3 -23.80 35.160 -635.46 Infinity 3.10 1.10 3.70 2.39 1.20 23.36 3.90 0.20 5.80 1.20 4.0 19.07 3.72 5.79 1.10 3.20 40.717584 - LAK6 ZF7 ZK7 ZK7 K9 ZF7 QF1 LAF3 ZF3 18.85 12.50 12.50 11.90 11.90 11.90 13.10 13.10 13.10 13.10 13.10 11.200221 11.0 11.0 11.0 11.0 11.0 21.103161 表3-2 f70-210中焦位置光学系统结构参数图

Surf: Type OBJ 1* 2* 3* 4* 5* 6* 7* 8* 9* 10* 11* 12* 13* STO 15* 16* 17* 18* 19* IMA Radius, mm Infinity 49.32 34.59 -243.90 -74.02 20.51 50.70 -61.94 222.8 65.46 -65.46 32.39 -48.75 187.07 Infinity 65.46 -43.3 -23.80 35.160 -635.46 Infinity Thickness, mm Infinity 1.60 7.60 15.47133 1.10 3.70 2.39 1.20 9.481781 3.90 0.20 5.80 1.20 4.0 15.629596 3.72 5.79 1.10 3.20 69.914751 - Glass ZF7 K9 LAK6 ZF7 ZK7 ZK7 K9 ZF7 QF1 LAF3 ZF3 Semi-Diameter, mm Infinity 20.20 18.80 18.85 12.50 12.50 11.90 11.90 11.90 13.10 13.10 13.10 13.10 13.10 11.200221 11.0 11.0 11.0 11.0 11.0 21.103161

- 19 -

哈尔滨理工大学学士学位论文 表3-3 f70-210长焦位置光学系统结构参数图

Surf: Type OBJ 1* 2* 3* 4* 5* 6* 7* 8* 9* 10* 11* 12* 13* STO 15* 16* 17* 18* 19* IMA Radius, mm Infinity 49.32 34.59 -243.90 -74.02 20.51 50.70 -61.94 222.8 65.46 -65.46 32.39 -48.75 187.07 Infinity 65.46 -43.3 -23.80 35.160 -635.46 Infinity Thickness, mm Infinity 1.60 7.60 20.865220 1.10 3.70 2.39 1.20 2.405499 3.90 0.20 5.80 1.20 4.0 14.708386 3.72 5.79 1.10 3.20 96.093134 - Glass ZF7 K9 LAK6 ZF7 ZK7 ZK7 K9 ZF7 QF1 LAF3 ZF3 Semi-Diameter, mm Infinity 20.20 18.80 18.85 12.50 12.50 11.90 11.90 11.90 13.10 13.10 13.10 13.10 13.10 11.200221 11.0 11.0 11.0 11.0 11.0 21.103161 3.4 镜头像质评价

镜头的像质评价是判断一个镜头质量好坏的根本依据，而判断一个镜头像质好坏主要看镜头是否存在离焦以及镜头的像差曲线、传递函数曲线是否良好等因素[35- 38]。

3.4.1 是否存在离焦现象

光线特性曲线图如图3-3所示。图形以光瞳坐标的函数形式表示了横向的光线像差（指的是以主光线为基准）。其中每个视场左边的图形中以“EY”代替εY。这是Y方向的像差，有时也叫做子午的，或YZ面的。右图以“EX”代替εX，有时也叫做弧矢的，或XZ面的。此光学特性曲线表示不存在离焦现象 [38- 40]。

离焦现象可解释为：光线通过不同的孔径光阑是不能标准的汇聚到一点上的，但有一个面是可以使大多数光线汇聚在一起的，我们称成像面与该面不重合的现象称为离焦现象。

- 20 -