长焦距大口径连续变焦光学系统的设计_胡际先

面偏移需要补偿 ,且补偿组的相对孔径属于较大相 对孔径。因此 ,补偿组选取双双型的复杂结构 ,如图 4所示。
图 3 变倍组结构 Fig. 3 Conf iguration of zoom assembly
图 4 补偿组结构 Fig. 4 Conf iguration of compensation assembly
为 m2S ; 长焦时 各组之间的间隔分 别为 d12l , d23l和
d34l ,变焦组的倍率为 m2l。 对于正组补偿的变焦系
Байду номын сангаас
统 ,通常选取长焦时的参量作为计算的起始位置。
为了计算简便 ,取 f ′2= - 1,从补偿曲线单调、平滑
且变焦比增长快的角度考虑 ,取 d12S = d23l = 0. 5,在
Abstract: Based o n t he f ea tures and speci ficatio ns o f the vi si bl e optics f o r a detecti on syst em , the selectio n o f optical lay outs, the parameter calcula tion o f i nitia l layo ut and the m ethod of aberratio n balance fo r a lo ng focal leng th , large-aper ture optical zoo m system a re int roduced. The o ptical sy stem desig n inco rpo ra ted wi th m echanical co mpensati on is present ed. The i mage qualit y t est , scene imagi ng evaluatio n and env iro nm ent test fo r the o ptical system w ere carri ed o ut. The test result sho ws that the optical system desig ned w ith t his method m eet s t he sy st em r eq uir em en t. Key words: o ptical zoo m sy st em; i ni tial st ructure paramet er; optical desi g n; aberra tio n balance; imag e quali ty
后固定组担负着缩短总长 ,校正自身像差和 补偿前面各组的剩余像差 ,保证系统后截距的任 务 ,因此后固定组选图 5所示的摄远式结构。
图 2 前固定组结构 Fig. 2 Conf iguration of f ront fixed assembly
2) 变倍组结构形式的选择 因光阑放在补偿组后 ,离变倍组较远 ,故主光 线经过前固定组后出射角较大。又由于长焦时前固 定 组的口径为 140 mm , d12l = 150 m m, f ′2 = - 58 m m, 变倍组长焦时光线的投射像最大 , 通过作图 法 ,取变倍组的口径为 55 m m。 这样变倍组的相对 孔径 D2∶ f ′2= 1∶ 1. 1,用 1组透镜无法满足该要 求 ,至少要用 2组或 3组透镜。另外 ,为使倍率色差 容易校正 ,变倍组本身需要消色差 ,因此至少要用 1 组双胶合透镜。 预先设变倍组为双单结构形式 ,如 图 3所示。 3) 补偿组及后固定组结构形式的选择 该系统采用正组补偿结构 ,变倍组有较长的像
各组分的焦距及组分间隔确定以后 ,根据像差 平衡要求进行各组分结构形式的选择。
1) 前固定组结构形式的选择 该系统前固定组的相对孔径 D∶ f ′1= 1∶ 3,该 值比较适中 ,系统在长焦时的球差和正弦差不太突 出 ,该组分的主要矛盾是色差和二级光谱 ,可采用双 单单的结构 (如图 2所示 ) ,以及用 Ca F2 和 FK 等光 学材料 ,尽量减小前固定组本身的色差和二级光谱。
算图 1中各参量。
m 3l =
f′3 f ′2 ( 1- m2l ) - 0. 5+
f ′3
( 2)
m 2=
1
m12l+
q2 f ′2
( 3)
b=
-
ff′′23 (
1 m2
-
m12l+
m 2 - m 2l )+
( m13l+
m 3l )
( 4)
m 31= b+
b2 - 4 2
( 5)
m 32= b-
收稿日期: 2007-03-21; 修回日期: 2007-04-11 作者简介: 胡际先 ( 1965- ) ,女 ,湖 北鄂州人 ,华中光电技术研究所高级工程师 ,主要从事光学设计工作。 E-mail: xia- hua555 @ 126. com
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应用光学 2007, 28( 5) 胡际先: 长焦距大口径连续变焦光学系统的设 计
组满足运动方程的倍率解 ; Δ1 和Δ2 分别为对应于
q2补偿组的移动量 ; Γ为变焦比。
以 上 给 定及 计 算 出 的焦 距 、间 隔、 倍 率均 是 在
f ′2= - 1的条件下得出的 ,还必须给出一个适当的
比例系数。 考虑到该系统的色差及二级光谱较大 ,
而前固定组对系统二级光谱的贡献量最大 ,从减小
补偿组的焦距有较大的选择余地 ,但也不宜过 长或过短 ,过长时补偿像面位 移需要的补偿量太 大 ,过短时补偿组负担的相对孔径太大 ,设计比较 困难。该系统属长焦距、小相对孔径系统 ,变倍组有 较大的导程 ,所需的补偿量也大 ,因此补偿组焦距 宜取小一些 ,一般变倍组取 1. 3倍左右。
后固定组的主要任务是缩短总长和补偿像差。 后固定组的倍率大、系统总长短 ,但透镜的焦距短 , 像差不易校正。 考虑到后截距的要求及像差的校 正 ,取 f ′4= - 70 m m。
( 1)式中选取一组 m2l , f ′3 作为计算的初始数据 ,并
假设一系列等间距的变倍组移动量为 q2,则
m 2l = - 1
f ′3= 1, 1. 1, 1. 2
m 2l = 0. 9 f ′3 = 1, 1. 1
( 1)
m 2l = - 0. 8 f ′3 = 1, 1. 1
依据下列各公式 ,并利用计算机编制软件 ,计
第 28卷 第 5期 2007年 9月
应用光学
V o l. 2 8 N o . 5
Jo urnal o f Applied Optics
Sep. 2007
文章编号: 1002-2082( 2007) 05-0569-05
长焦距大口径连续变焦光学系统的设计
补偿组的运动方程出现无解 ,运动曲线过于平滑或
拐弯等严重现象。同时初步确定图 1中各组分的焦
距 、间 隔及 倍率。设前 固定 组、变 焦组 、补 偿组、 后固
定组的焦距分别为 f ′1 , f ′2 , f ′3 和 f′4 ,短焦时各组
之 间的间隔分别为 d12S , d23S和 d34S ,变焦组的倍率
图 1 正组机械补偿 连续变焦光学系统的原理图 Fig. 1 Principle of zoom optical system with mechanical compansat ion
2 光学系统设计及像质评价
2. 1 光学系统设计 2. 1. 1 结构参数的确定
初始结构计算的主要目的是寻找补偿组的焦 距 f ′3 和长焦时变焦组的倍率 m2l的取值范围 ,避免
b2 2
4
Δ1 = f ′3 (m 31 - m3l )
Δ2 = f ′3 (m 32 - m3l )
( 6)
Γ1=
m2lm 3l m 2m31
( 7)
Γ2=
m2lm 3l m 2m32
f ′1 =
0. 5+
f ′2 ( 1- m2S ) m2S
( 8)
式中: m2 为变倍组的倍率 ; m31和 m32分别为补偿
前固定组像差校正的难度考虑 ,前固定组的焦距越
大越好。 但前固定组的焦距越大 ,则系统的总长就
越长 ,这对减小系统的外形尺寸不利。因此 ,预选前
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固定组的相对孔径 D∶ f ′1= 1∶ 3,系统要求长焦时 D= 140 m m,则 f ′1= 420 m m。
中图分类号: TN 942. 2 文献标志码 : A
Design of long focal length large-aperture optical zoom system
HU Ji-xi an
( Hua zho ng Institute o f Electr o-Optics, W uhan 430073, China )
综合考虑上述各因素 ,分别取 f ′2= - 58 mm , f ′3 = 95 mm , d′12S = 80 mm , d′23S = 170 m m, d′34S = 5 m m, d′12l = 160 m m, d′23l = 3 mm , d′34 = 92 mm。 2. 1. 2 各组分结构形式的选定
( H)× 350 m m( W ) 1. 2 结构形式分析
由于镜头的总长不大于 1 000 mm ,光学系统 的长焦距为 900 mm ,因此光学系统的总长允许在 300 mm～ 600 mm 之间。 又因为系统通光口径为 140 mm ,变焦比为 12,则该系统属于口径、焦距、变 焦比均偏大的系统 ,因此该系统中的色差和二级光 谱的校正较为困难 ,且变焦过程中有较大的像面偏 移量需要补偿。用复杂的光学补偿法降低像面偏移 量时 ,需要多组大尺寸透镜 ,这会增加镜头的质量 , 降低系统的透过率 ,所以不采用光学补偿法。 双联 动补偿法兼有光学补偿法和机械补偿法的特点 ,在 整个变焦移动过程中成像质量良好 ,运动组分移动 曲线比较平缓 ,并有其特有的调焦方式 ,在对近距 离物体成像时不会引起视场角的变化和口径的明 显增加。 但双联动系统的前固定组焦距亦较小 ,也 有较大的二级光谱 ,且双联动系统中运动组份多 , 增加了结构及装调的难度 ,降低了系统的可靠性 , 因此本文也不选取双联动补偿法。本文选用机械补 偿法 ,是因为机械补偿法正组补偿长度较长 ,口径 较小 ,前固定组焦距较长 ,因此 ,对系统产生的二级 光谱最小 ,补偿曲线单调、平滑且变焦比增长快 ; 机 械补偿负组补偿长度较短 ,口径较大 ,前固定组焦 距较短 ,对系统产生的二级光谱最大。 根据光学系 统的指标要求 ,初步确定变焦系统的结构为正组机 械补偿形式 ,如图 1所示。
求 ,对设备的光学系统进行光学系统初始结构参数 计算及像差平衡 ,最终设计的连续变焦光学系统通 过了像质检测、实景成像及环境试验的考核 ,各项 性能指标均满足该探测设备要求。
1 指标要求及结构形式分析
1. 1 主要指标要求 连续变焦光学系统的主要技术指标如下: · 焦距: 75 mm～ 900 mm 连续变焦 · 口径: D = 140 m m · 相对孔径: D /F= 1 / 4～ 1 / 6. 4 · 中心波长: 0. 51μm · CCD靶面尺寸: 6. 4 m m× 4. 8 mm ,像元尺 寸 0. 008 6 m m 设置可变光阑: · 后截距: 不小于 30 mm · 外型尺寸: 不大于 1 000 mm ( L ) × 600 m m
引言
某军用光电探测设备要求探测目标距离大 ,对 目标既能作大区域小倍率的概观 ,又能小区域大倍 率的仔细观察 ,因此 ,要求光学系统须采用长焦距 大口径的连续变焦系统。目前国内外各种形式的商 用连续变焦镜头很多 ,但能满足该探测设备要求的 口径、焦距及使用环境等指标的镜头很难找到。 本 文根据某光电探测设备可见光通道性能指标的要
胡际先
(华中光电技术研究所 , 湖北 武汉 430073)
摘 要: 根据某探测设备可见光通道光学系统的特点和技术指标要求 ,详细介绍长焦距大口径 连续变焦光学系统结构形式选择、初始结构参数计算及像差平衡的方法 ,给出运用该方法设计的 采用正组机械补偿形式的长焦距大口径连续变焦光学系统的设计结果。对连续变焦光学系统进行 了像质检测、实景成像及环境试验考核 ,其结果表明: 该光学系统能满足某探测设备的性能要求。 关键词: 连续变焦光学系统 ;初始结构参数 ; 光学设计 ; 像差平衡 ; 像质