变焦镜头结构形式的最佳选择方法

文章编号:1005-5630(2004)01-0034-05变焦镜头结构形式的最佳选择方法Ξ金逢锡,金虎杰(延边大学理工学院物理系,吉林延吉133002) 摘要:从几个方面介绍了对结构型式的选择考虑方法,具体地分析了每种方法对结构设计产生的不同效果。

为此在设计之前要求考虑各种因素,解决光学系统像质好与结构简单化、外形尺寸要小之间的矛盾,最终选择最佳设计方案,使之达到所要求的目的。

关键词:变焦镜头;变倍组;补偿组;高斯光学中图分类号:TB 851+.1 文献标识码:AStructura l style ′s the best select dev ice of var i -focus len sJ IN F eng 2x i ,J IN H u 2j ie(D epartm ent of Physics ,Science and Engineer Co llege ,Yanbian U niversity ,Yanji 133002,Ch ina ) Abstract :T h is p ap er p resen ts selecting best device of structu ral design from several aspects .It be analyzed concretely that each th ink ing m ethod p roduces differen t resu lt to design of structu ral style .It m u st be th inked all k inds of circum stances befo re design fo r being so lved con tradicti on am ong that i m ageis sharp ly focu sed and structu re is si m p le and vo lum is s m all.F inal p lan of best design be selected and m ake it be m et dem and w hat w e w an t .Key words :vari 2focu s len s ,m u ltifocal len s group ,com pen sating len s group ,Gau ssian op tics1　引　言设计变焦镜头在满足各种各样要求的条件下,需要解决光学系统像质好与结构简单化、外形尺寸要小之间的矛盾。

好的结构形式应当是既能满足使用要求,又能够尽量做到体积小、结构简单。

因此设计的方向就是要考虑这些因素,在满足这些条件下尝试整个设计过程。

2　从像面位置稳定要求考虑补偿形式的选择变焦镜头按补偿方法之不同可分为光学补偿法和机械补偿法两种。

机械补偿法的变焦距镜头,一般由前固定组1,变倍组2,补偿组3和后固定组4构成。

变倍组作线性移动,补偿组作相对少量非线性移动,以达到光学系统既变倍而像面位置又稳定的要求。

变倍组一般是负透镜组,补偿组有取正透镜组,也有取负透镜组的,如图1和图2所示。

机械补偿法的变焦镜头像面位移,从高斯光学计算,总是可以完全补偿的。

但凸轮加工误差以及其它加工误差会引起像面偏移。

假设变倍组和补偿组之间间隔误差为∃d 23,则引起像面位移量∃l k ′,可由下式计算:第26卷　第1期2004年2月 光　学　仪　器O PT I CAL I N STRUM EN T S V o l .26,N o.1Fedruary,2004Ξ收稿日期:2003205229作者简介:金逢锡(19632),男(朝鲜族),吉林延吉人,副教授,学士,主要从事光学设计及检测方面的研究。

n k ′u ′2k ∃l k ′=-n 3u 23∃d 23=m Κ(1)若像面引起位移量∃l k ′为1焦深,m =1,则允许∃d 23=Κn 3u 32。

长焦距之u 3最大,要求∃d 23最小。

若u 3=0.25,则∃d 23≤0.008～∃d 23≤0.01,这样的精度,是完全能够加工完成的。

当变焦距系统为大像差系统时,∃l k ′可以取大于1倍焦深,那么加工要求还可以放宽一些。

用光学补偿法的变焦镜头像面位移总是不能完全补偿的(除设计规定的几点外),总是有一定的偏移。

因而,考虑采用光学补偿法变焦镜头形式时,首先要计算像面最大位移量是否满足使用要求。

例如,利用两组运动(线性轴向移动)的四透镜系统的光学补偿,有四个完全补偿点,其最大位移量Y m ax 由下式计算之[1]:Y m ax =Ηf 2m ax Z m (2)式中,f m ax 为变焦物镜的最大焦距,Z m 为最大导程。

Q =0.001284 Σ 5[(1-1.224Σ2+0.778Σ4)+0.147Σ(1-1.11Σ2+0.88Σ4)][2](3)Σ=±g -1g +1(4)g =f ′m ax f ′m in (5)Q 为透镜之弯曲,g 为变倍比。

从上式知道,偏移量与变焦物镜的最大焦距的平方成正比关系,与导程(或变焦物镜长度)成反比,与Σ即变倍比成正比关系。

即光学系统结构尺寸越小,变倍比越大,以及最大焦距越长,则像面位移量越大。

综上所述,按照像面位移稳定的要求,在一般情况下,光学补偿法宜用于小相对口径和小视场的变焦距设计。

若对像面位置不要求固定,即不需要在连续变倍过程中,像面完全补偿的话,光学补偿法可用于大倍率系统。

3　从外形尺寸和像质要求考虑结构形式对于机械补偿法变焦镜头,通过高斯光学计算确定变倍补偿曲线之后,就要考虑选取变倍补偿曲线的段落问题,因补偿曲线形状以及导程(即变倍组的总移动量),对变焦镜头的外形尺寸(即头部尺寸和总长度)和凸轮的曲线形状有很大的关系。

所以开始设计时就必须从补偿曲线情况和导程来考虑变倍补偿曲线的选段问题。

计算变倍补偿曲线时,不仅计算所需要满足的倍率,还往往使曲线向两头延伸一些计算点,之后再从结构外形尺寸考虑,估量二级光谱以及凸轮曲线的形状等,决定选取变倍补偿曲线的段落问题,对于正组补偿(f 3′>0),起算位置应选Β2=-1,变倍组Β2变化的段落Β2=-1到Β2=-1 N (N >1,且为正数)。

对于负组补偿(f 3′<0),起算位置Β2=-1 N (N >1,且为正数),变倍组Β2变化的段落为Β2=-1 N 到Β2=-M (1<N <M ,且为正数)。

也就是说正组补偿取非物像交换位置的上半段,负组补偿取近物像交换位置的下半段,尤其短焦距的变焦距光学系统,可以更偏向下半段。

头部正组焦距f 1′及后固定组焦距f 4′与组与组之间最小间隔有关[3]。

如正组补偿的变焦距:f 1′=l 2m ax +d 12m in (6)f 4′=l 3m in -d 34m in (7)f 5′=h 4 u k ′(8)前固定组和后组之焦距不能影响总倍率的变化,但可影响总焦距在特定范围内的变化。

前固定组要使被拍摄的物体落在变倍组的物点上,而在变倍时两组不能相碰来考虑d 12m in 量。

后固定组要使从补偿组出来的像,按特定的焦距变化范围落在胶片上,且在变倍时不能与补偿组相碰来选取d 34m in 。

但组与组之间最小距离的选择是否恰当,要根据透镜组前主面和其第一面,或后主面和其最后一面之距离量来决定。

所以,从薄透镜变为实际透镜组时,往往有时主面距d m in 小了,镜面相碰;有时主面距d m in 大了,空隙多了,需要重新给定d m in ,再调整一下高斯光学计算。

・53・第1期金逢锡等:　变焦镜头结构形式的最佳选择方法　若变倍组焦距取一样,且变倍补偿曲线按上述选段时,则正组补偿与负组补偿比较,正组补偿细而长,负组补偿短而粗,负组补偿二级光谱和光阑球差均比正组补偿大,负组补偿法变焦距镜头之补偿组结构简单。

一般情况下对于小视场和只要求在可见范围(C ,D ,F 线)消色差,即对光阑球差和二级光谱降低要求的情况下,可选负组补偿法。

对于大视场的光学系统,或焦距较长的大倍率光学系统(如20倍物镜或者更大倍率的光学系统),考虑需要的镜头通光口径小和二级光谱小,采用正组补偿法较好。

从设计结果来看,正组补偿的像质量比负组补偿好。

因此,目前设计的16mm 电影镜头(f ′=8×12.5,1 2.2,2Ξ=54°～7°),35mm 电影镜头(f ′=10×25,1 3.5,2Ξ=57°～6°)和35mm 电影镜头(f ′=20×25,1 4,2Ξ=57°～3°)均采用了正组补偿法变焦镜头。

图1是正组补偿的变倍补偿系统,图2是负组补偿的变倍补偿系统,F 点表示变倍组的物点,即为被摄的物体经头部固定组所成的像点,F ′表示F 点经变倍组和补偿组后的像点,2代表变倍组,3代表补偿组。

图1　正组变倍补偿系统 图2　负组变倍补偿系统4　从变倍组焦距大小的影响考虑外形尺寸在像质允许的情况下,应尽量缩小变倍组的焦距。

例如,正组补偿变焦距物镜,轴上光线从第四组(即后固定组为第一组)出来为平行光,即前四组为无光焦度系统,也就是望远系统。

当望远系统各焦距缩小时,望远系统之倍率不变,则h 4不变。

最后一组焦距f 5′不变,则Λ5′不变,整个系统焦距不变。

而这时头部的通光口径与变倍组的焦距成正比例缩小。

比如,当变倍组焦距取40mm 时,头部通光口径为120mm ,若变倍组焦距缩小018倍,即f 2′=-32mm ,则需要的头部口径为96mm ,这是很可观的。

因为体积与口径成平方关系,若长度缩短不计之,则体积为原来的0.64倍。

变倍组焦距的选择主要由长焦距的轴外宽光束像差允许量决定。

因为主光线之高度h p 随其焦距缩小而缩小,故当f 2′缩短时,细光束之像差减少,而轴上光线在各组上高度h p 不变,则各组所负担的相对口径增大。

孔径光束之像差,主要是由长焦距轴外孔径光束之像差(H ′—tg Λ′)弥散加大决定的。

在结构形式选定之后,考虑变倍组焦距该取何值,需要考虑像差的校正,了解长焦距像质的大概情况,决定f 2′放大或缩小某一比例。

根据过去的一些设计经验,一般情况下,变倍组焦距取值范围在:F m in ′<f 2′≤2F m in ′(9)F m in 为变焦距系统最短的焦距。

在大倍率的情况下, f 2′取大些。

如20倍变焦距, f 2′ =45mm 为1.8F m in 。

如10倍变焦距(f ′=10×25,1 3.5,2Ξ=57°～6°),取f 2=35mm ,为1.4F m in 。