光设内参 · Alvarez变焦系统简述

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变焦光学系统是指焦距可以在一定范围内发生变化的系统。传统的光学变焦系统包含许多固态透镜，使用机械来控制透镜沿光轴方向移动。系统中通常会包含变倍组和补偿组，前者的功能在于改变物体的成像大小，后者的功能在于使物体能清晰地成像于探测器。随着科学技术的发展进步，许多新型的变焦方式逐渐出现在人们的视野中。例如，利用液体的填充和抽取来改变透镜曲率的液体透镜，通过控制电场实现表面张力变化来改变焦距的电润湿透镜，以及应用液晶的双折射特性调控通光的液晶透镜。然而，上述变焦系统的原理及结构较为复杂，稳定性也有待提高。

图1 (a) Optotune公司生产的液体填充透镜；

(b) PHILIPS公司生产的电润湿透镜；

(c) LensVector公司生产的液晶透镜；

Alvarez于1967年提出了一种有趣的变焦系统结构。该变焦系统由两个镜片组成，通过反向移动垂直于光轴方向的两个镜片即可实现变焦功能。系统的变焦原理如图1所示，每个镜片包含一个平面和一个自由曲面，第二个镜片中的自由曲面由第一个镜片中的自由曲面旋转180°得到。图1(a)为系统的初始状态，两个镜片完全对齐，整体作用等效于平行玻璃板；当系统平移到图1(b)的状态时，两个镜片凸面部分相对，整体作用等效于凸透镜，会聚光束；当系统平移到图1(c)的状态时，两个镜片凹面部分相对，整体作用等效于凹透镜，发散光束。

图1 Alvarez变焦系统原理示意图

Alvarez变焦系统的初始结构为三阶多项式，通过推导计算可得系统光焦度（焦距的倒数）变量与两个镜片的平移量呈线性关系。通过简单地控制两个镜片的位移即可实现连续的变焦。

相较于其他变焦系统，Alvarez系统的优点有：

1. 系统的光焦度可以连续线性变化；

2. 原理结构简单，没有涉及衍射、偏振等领域；

3. 机械控制方便，只需利用现有的技术就可以实现对系统的控制。

但是由于变焦原理的限制，Alvarez系统也具有如下缺点：

1. 视场角较小，随着视场角的增大，光焦度的均匀性会逐渐降低。

2. 系统像散也无法完全消除。

基于上述简述，Alvarez系统主要应用在视光学领域中。因为光焦度线性可调，该系统可以为老视患者的远近视物提供不同的度数。另外，调整光焦度后，不同度数的人也可以交替佩戴同一副Alvarez变焦眼镜，这为发展中国家的贫困家庭节约了配镜成本。随着光学设计和加工技术的进步，优化后的Alvarez系统的成像质量提升，视场角增大，系统像散能控制在可接受范围。因此，目前也被应用于内窥镜、显微镜以及手机镜头等小型化成像系统的研究中。