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连续变焦光学系统设计方法
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连续变焦光学系统设计方法
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楼主
发表于: 2021-05-08
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
4/ kv3rv
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
p(;U@3G
8P7"&VYc8
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
Ho DVn/lr
UJfT!= =U
的形式。又由于光学系统的焦距计算公式为
@vL20O.
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这样又有关系式
<~TP#uAz
'i;|c
!Cgx.
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
l0&EZN0V2
为此,要改变光学系统焦距必须通过改变组成系统的表面半径(曲率)、间隔以及其光学材料的折射率来实现。为了实现光学系统变焦,最古老的也是最有效的方法就是提高改换光学系统内部分光学零件来实现。比如对一个显微系统,可以更换不同焦距的显微物镜或不同焦距的目镜实现。因为这样有限数量的整组物镜或目镜的更换,对一个显微镜而言,其放大倍率的改变自然也是有限的和不连续的。还有一种是不改变光学系统内光学零件,也就是不改变光学系统的各表面半径和材料折射率,而仅是通过改变各光学零件之间的空气间隔,即改变参数d改变系统焦距,这样就可以连续无间断地获得一个变焦光学系统。为此变焦光学系统就分为两大类。前者被称作断续变焦光学系统,后者叫做连续变焦系统。 断续变焦系统还可以分成几种不同类型,比如通过打入(出)一组或多组光学零(部)件实现系统两个不同焦距变化的变焦的光学系统被称做打入型断续变焦系统;
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可以分多组以不同顺序多次打入(出)不同光学光学零(部)件,每打入(出)一组光学零(部)件就可以获得一次不同系统焦距变化的变焦系统,被称做多组打入型断续变焦系统。
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iv`O/T
还有一种是通过光学系统内部分光学零(部)件沿光轴方向移动,改变光学间隔以实现系统焦距变化,但在移动过程中只能在几个特定位置上保持系统像面大小和位置不变切
成像
质量满足要求的变焦系统被称做改变间隔型断续变焦系统,无论那种断续变焦系统,在其变焦过程中都要求系统像面大小几像面位置不变,而且还要求在变焦过程中系统成像质量满足使用要求。 连续变焦系统同样也可以分成几种不同类型的变焦系统。比如把光学系统内一部分光学零(部)件保持位置不变,另一部分相对固连在一起和位置不动的部分分别相间沿光轴方向移动实现系统焦距连续可变的系统被称为光学补偿式连续变焦系统。
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如果把一个变焦系统的可沿光轴方向移动的组分分成两组,各自按不同的运动规律移动的变焦系统被叫做机械补偿式连续变焦系统,
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E$9Ys
如果变焦组或补偿组本身不是一个独立组分,期间还和系统固定部分相间排列的变焦系统,有叫做双组联动型连续变焦系统。
nJ4@I7Sk;
二、 打入型断续变焦光学系统的设计方法
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三、 光学补偿式连续变焦光学系统设计方法
T=hh oGn
四、 机械补偿式三组元连续变焦光学系统的基本工作原理
C%*k.$#r!
对成像系统,采用连续变焦光学系统是解决大视场搜索观察小视场分辨的最佳途径。由交替固定和相对活动的
透镜
或透镜组组成的光学系统就是连续变焦光学系统[1]。系统的最前一个透镜或透镜组和最后一个透镜或透镜组都可以是固定的或是活动的。变焦系统的最后一个活动组前面的所有固定组和活动组的总数被称为变焦系统的组分数或组元数。变焦系统中所有活动组分固连在一起沿光轴方向做直线运动的系统称作光学补偿式变焦系统。由一部分活动组的运动补偿因另一部分活动组的运动产生的系统像面位移的变焦系统称作机械补偿式变焦系统。其中为完成系统焦距变化的活动组份叫变焦组,用来补偿因变焦组的运动产生的像面位移的活动组分叫补偿组。在利用物象交换原则进行变焦,用往复式运动的补偿方式的变焦系统,有着明显的变焦组和补偿组的分工,但利用物象交换原则进行变焦,用换根原则单调方向运动的补偿方式的变焦系统已没有严格的变焦组和补偿组之分了,因为此类变焦系统的两个活动组分的变焦贡献相差不大,只是习惯上称呼前面的活动组为变焦组,后面的活动组为补偿组。系统的最后一个活动组前面的所有组分也被叫做系统的变焦部分,主要负责完成系统的焦距连续变化,并保持系统像差的稳定不变。后固定组也叫固定部分,他对系统变焦没有贡献,主要负责把整个系统成像质量达到最佳状态,当然后固定组还可以调整系统的后工作距离和光学筒长的作用。 机械补偿式三组元连续变焦光学系统就是由一个前固定组、一个变焦组和一个补偿组组成的光学系统。机械补偿式三组元连续变焦光学系统还可以有一个后固定组,如图1。该系统中透镜组1为前固定组,透镜组2为变焦组,透镜组3为补偿组,透镜组4为后固定组。前固定组的焦距值直接影响着系统的总体焦距大小,变焦组和补偿组的相对位置的变化决定系统的焦距变化倍率,即变焦比。补偿组的焦距为正值的变焦系统叫做正组补偿系统,补偿组的焦距为负值的变焦系统为负组补偿系统。由于该类变焦系统结构简单,便于设计,其应用面也最广。本文着重论述机械补偿式三组元连续变焦光学系统从理想光学的高斯计算、初级像差平衡、系统像差优化方法直到凸轮曲线的优化设计。
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1.1 对机械补偿式三组元连续变焦光学系统的特点及基本要求
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对机械补偿式三组元连续变焦光学系统,必须满足以下要求
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1) 均匀改变焦距 系统变焦必须在规定范围内连续变化。系统焦距变化范围可以用系统的最小焦距值和最大焦距值,或者用给定最小焦距值和变焦比规定。
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2) 系统的相对孔径基本保持不变 由于系统的相对孔径表征着像面的照度,为保证在变焦过程中像面照度不变,必须保持系统相对孔径稳定不变。变焦系统的孔径光栏一般设在后固定组的位置,因为孔径光栏在固定组上可以保证系统像面总照度维持不变。如果系统孔径光栏不在固定组上,必须要求该孔径光栏随系统变焦而随时调整光栏位置和大小,确保系统像面总照度维持不变。
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3) 变焦过程像面保持稳定 在变焦过程中像面保持稳定有两个含义,一是保持像面位置稳定,二是要求随着系统焦距的变化系统像面尺寸保持稳定。
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4) 成像质量符合要求 连续变焦系统和定焦距系统对成像质量的要求不同,不仅要求某个变焦位置的成像质量最佳,还要求所有各变焦位置的成像质量稳定一致。
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1.2 变焦组在变焦过程中的像面位移分析
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机械补偿式三组元连续变焦光学系统中,变焦组在变焦过程中由于其物象共轭距离的变化不断产生像面位移。变焦组在变焦过程中沿光轴方向可以是匀速直线运动,也可以任意曲线方程规律作非匀速运动。图2给出了正组变焦组在变焦过程中匀速直线运动时产生像面位移的光学系统示意图,图中用虚线
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