成像系统中应用主动光学变焦系统的浅析
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张志平 翟旭华 隋 鑫
【摘 要】 光学变焦系统在光学成像系统中有着很重要的应用。为了用光学方法来改变一个成像系统的放大率， 连续机
械变焦透镜需要多组光学元件并利用精密机械运动来精确调节透镜组之间的间距。 虽然传统的机械式变焦的方法能够
改变放大率， 适应实际物体的大小形状的变化， 但是由于机械式光学变焦系统中各个透镜组的移动要非常精确， 对机械
构造的要求也就非常的高。 正是出于对透镜尺寸、 价格以及反应速度各方面的考虑， 本论文提出将主动光学元件加入光
设计， 成像系统有可能不用宏移动部件实现变化的光学放大。主动光学变焦系统比传统的机械式的变焦系统有很多的
优势， 它更小， 更灵活， 更方便。
【关键词】 空间光调制器； 机械式光学变焦系统； 主动光学变焦系统
中图分类号： TN76 文献标识码 A 文章编号 1006-0278(2014)06-153-01
一、 引言
随着光电技术的迅速发展， 人们希望光学成像系统的性
能越来越稳定， 质量也越来越好， 这样对于光学成像的要求也
就变得越来越高。 光学变焦系统在光学成像系统中有着很重
要的应用。
① 光学变焦是利用光学透镜来放大、 缩小图像。 随
着变焦技术的发展， 传统的机械式的变焦技术现在已经越来
越成熟。 传统的机械式变焦技术是利用光学透镜组的相互移
动来实现光学变焦的。虽然传统的机械式变焦的方法能够
改变放大率， 能够适应实际物体的大小形状的变化， 但是由
于机械式光学变焦系统中各个透镜组的移动要非常精确， 这
样对系统的机械构造要求也就非常的高。正是出于对透镜
尺寸、 价格以及反应速度各方面的考虑， 需要一种新的变焦
方式来取代传统的机械式变焦方法， 构建一个新型的变焦系
统。 为了弥补光学成像系统的不足， 本文分析了基于空间光
调制器的主动光学变焦的实验系统。这样就可以对整个视
场以及视场中感兴趣的细节区域进行放大。基于空间光调
制器的主动光学变焦系统比传统的机械式的变焦系统有很
多的优势， 它更小， 更灵活， 更方便。 除了形成新型的摄像机
的系统外， 此系统还有许多其他的应用， 诸如在光的互连、 光
束的转向、 光的测量等等方面， 基于主动光学的光场控制都
有着广泛的应用。 正是由于主动光学变焦系统的这些优势，
所以引入空间光调制器这一主动光学元件来进行研究有一定
的科学的意义。
②
二、 主动光学变焦成像系统
在机械式变焦距成像系统中， 透镜是实现变焦功能的最
主要的元件。为了实现主动光学变焦的功能， 首先就要对透
镜的性质做比较详细的分析， 然后将主动光学元件引入变焦
系统， 取代传统的透镜来实现变焦的功能， 得到主动光学变焦
系统。
（一） 透镜作为相位变换器
透镜作为光学的重要元件经常应用在光学成像和光学处
理系统中。
③ 透镜是由光密物质(一般是玻璃材料)组成， 所以
一束光入射到透镜中， 在其内部的传播速度要小于它在空气
中的传播速度。一束光在透镜的一侧入射进去， 从另一侧射
出来。假定这束光从坐标点原点射入透镜， 从相对于这一点
近似相同的位置处射出。就是说， 如果忽略光在透镜内传播
时发生的平移， 透镜就可以作为一个薄透镜。薄透镜可以延
迟入射波前， 延迟的入射波前的大小与所用透镜的每一点处
的厚度成正比。
（二） 基于 LCOS 的主动光学变焦系统
机械式变焦距成像系统作为一种光学器件被广泛的应用
于各种精密仪器、 各种电子仪器中。传统的机械式变焦距成
像系统由多个固定焦距的透镜组组成， 每个透镜 （透镜组） 位
置的机械移动能够使变焦距成像系统获得想要的光学特性。
这些系统的一个很明显的缺点是为了得到想要的光学特性，
这些光学系统中的每个元件必须移动的非常精确， 这将导致
这些光学系统的机械构造要求特别高， 不仅消耗的成本大， 而
且精度要求很难保证。为了解决这些问题， 提出非机械式变
焦距成像系统。通过将主动元件加入光设计， 成像系统有可
能不用机械移动部件来实现变化的光学放大。 改变一个成像
系统的有效焦距和放大率可以同在光设计中放入2个或更多
的主动光学来完成。在此应用中， 主动光学元件担任了可变
化的焦距透镜和转向镜， 使得主动光学变焦系统能够在图像
的离轴点上进行变焦， 以便更好的跟踪视场中的目标。
LCOS 是液晶空间光调制器， 可以工作在纯相位调制的
模式。这里将 LCOS 引入光学变焦系统中来实现光学变焦
的功能， 其中的 LCOS 作为主动光学元件。这样就可以在不
需要机械移动部件的情况下， 实现变化的光学放大。 这样， 可
以用主动元件 LCOS 实现光学变焦的功能， 向 LCOS 面板上
送不同焦距的数字透镜的相位图， 使其具有类似于透镜的功
能。这样在变焦功能中可以很方便的使用， 不用像机械式变
焦距成像系统那样， 加入补偿部分来实现变焦的功能。
三、 结论
引入了主动光学元件能够改进原来的机械式变焦距成像
系统， 同时焦距的控制不需要通过移动器件来实现， 这在很大
程度上保证了精确度， 节约了成本， 也带来了方便。 但是实验
所得的变焦效果并不是很理想， 所以还要进一步的进行实验。
所用的非相干光源是在LED绿光的情况下实现的， 与自然光
源还是有差别的， 这也是需要进一步实验解决的。 同时LCOS
自身的结构问题也会给变焦过程带来一定的困难， 所以主动
光学变焦系统取代机械式变焦还有很长的一段路。
注释：
①白瑜.实现光学被动热补偿的非制冷红外双焦光学系统
[J].激
光与红外,2010,40(7):748-751.
②王启明.液晶空间光调制器相位调制特性研究及其应用
[D].浙
江大学,2008.
③吕国皎,吴非,杨艳.液晶空间光调制器的研究 [J].现代显示,2009,
104:47-49.
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