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连续变焦光学系统设计方法
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infotek
2021-05-08 09:41
连续变焦光学系统设计方法
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
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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
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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
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的形式。又由于光学系统的焦距计算公式为
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这样又有关系式
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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
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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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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。
-R&E