数码镜头设计原理_基础篇(望远系统)

章节内容
数码镜头设计原理_基础篇
第六章望远系统
监视镜头的使用场合千差万别。

监视纵深范围在6米以内的镜头焦距在8mm以内;
监视纵深范围在6米～十几米，镜头焦距在几十毫米; 监视纵深范围在上百米，镜头焦距就上了100毫米以上。

焦距与监视纵深范围的这种依从关系是源于在CCD上人体应占有适当比例的要求的。

对于军用夜视仪，下例的外形尺寸计算说明了应如何从简单的外形尺寸来确定更深层次的光学参数的。

下面还介召了在Zemax中以透镜为单元的追迹方法（将以透镜为单元的追迹方法辅以自动设计就可得到变焦系统有关的最初变焦曲线），介召了系统理论鉴别率计算，介召了系统的内调焦计算。

这些在系统初始结构计算，系统象差评价中都是常用的方法。

第一节实例
1 外形尺寸：φ85 X 100 mm
2 视场：物方在250 M处物高10 M ，象方采用1/2 英寸CCD。

3 调焦：(1) 物方50 M ～250 M ，(2) 象方采用内调焦（第二镜最大调节量1 mm）
4 夜间与白天均可观查（为单色）。

另外对实物测出，两镜最近距离是95，第二镜距CCD面距离为5mm。

第二节求解思路，
用CCD作为接受器，用计算机屏幕来显示，用以对军用设施进行24小时监控。

对光学系统应提出什么样的要求，才是适当的？这就是本章要讨论的问题。

先要确定监控目标的范围，例如要对50 M ～250 M纵深的物方进行监控，在270M处物高10 M（两层建筑），人要看到轮括。

50M处要看清人。

这就要求在200M 处，10M建筑要恰好充满CCD，而人占1/6 CCD尺寸，应可分辩出人的轮廓了。

在50M 处，人应占2/3 CCD 尺寸。

为了获取足够的信息，采用1/2 英寸当CCD 。

由最远物距和物高，可得到系统的最大物方视场角，再由CCD 尺寸，即可解出物镜焦距。

系统应能对50M近距调焦，由于物镜焦距与CCD尺寸由上面已确定，则50M的近距视场应等于远距视场角，从而可求出50M处线视场直径是否合于看清人的要求。

应是白天与黑夜两用光学系统，采用黑白CCD（因为夜间物体不带色，这样应选黑白镜头类型），夜间用红外探照灯照明物体，考率光学玻离色光折射率计算公式在可见光
范围（400～750）计算精度为，在红外段（750～1014）计算精度为（见光学仪器设计册421页），为了有较高的折射率精度，光源峰值选在800～1000的中间较好。

对于十几米以内的夜视红外系统，可选砷化钾红外发光二级管，其工作波长为940nm; 对于作用距离上百米的红外系统，要用大功率光源加窄带红外滤光片，通过波长为800～1000，中心波长900（黑白两用红外镜头）。

光学系统消色差设计的波段范围取400～1000。

如果对250M有10M视场要求，又要能分辨出人，则物镜要变焦，即要有2M～10M 视场的变焦要求。

为了使尺寸小些，镜头应取射远双分离镜头，属于两组元变焦系统，前组变焦曲线是线性的，后组是非线性的。

但后组可先定为线性，然后用Zemax中以透镜为追迹单元的变焦自动设计，将后组非线性曲线找出。

下面就按上思路求解光学系统。

第三节外形尺寸计算
1 焦距计算
（1）250 M处最大视场角计算
已知1/2英寸CCD尺寸为：
下图是成象光路示意图，10 米是最远物距250米处的电线标志杆长度，Y是最近距离50 米处CCD 4.8mm 尺寸对应物方尺寸，它用以衡量50 米物距的物方线视场高度方向尺寸。

下面计算f ’和Y：
上面计算出的f’=120 mm 是组合焦距值，下面将此值按要求分解到射远物镜的正负透镜上。

据已知条件有下光路图：
由上计算可知：最远距上人占高度方向视场的五分之一，在最近距离上人占高度方向视场的五分之四多些。

这与夜视仪要求接近。

（2）焦距分配
上面计算出的f’=120 mm 是组合焦距值，下面将此值按要求分解到射远物镜的正负透镜上。

据已知条件有下光路图：
由厚透镜光焦度公式有：
由后镜的高斯成象公式有：
（1）与（2）两式的后镜光焦度计算结果应相等，有：
化简有：
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合并同类项有：
与要求的120mm组合焦距一致。

2 Zemax 外型尺寸确定时常用的方法
在确定和学系统外形尺寸时，常辅以Zemax中以透镜为单元的追迹功能。

下面我们用此功能进行外形计算验证，和外行其它的计算。

下面是在Zemax中的验证结果：
上例见：“夜视摄远系统(焦距分配验证).ZMX”
系统焦距：
说明计算正确。

另外上面各透镜有效口径高度值对应：相对口径为1，象方半视场高度是4mm(1/2英寸CCD半对角线值)。

3入瞳确定
由上例，入瞳在较大范围变动，各镜的有效口径高的变化很小，因此光栏设定在第一镜上。

4理论传函计算
Zemax中，建立了光学系统以透镜为单元结构时，就以是没有象差的系统，因此其传函就是光学系统的理论传函值，例本光学系统的理论鉴别率如下图：
5内调焦计算
（1）离焦概念及在Zemax上的表示
为了进行调焦计算，需先了解什么是离焦，下面是光学系统在不同物距下的离焦量：
（2）调焦计算
内调焦概念
由于物距的变动引起象面沿轴向的走动，为使象重新落到CCD上，在保正前镜到CCD面距离不变的前题下，移动后镜使象重新落到CCD上。

这个过程叫内调焦。

在内调焦过程中，要求前镜到CCD面距离不变（本例是100），才能确保光学仪器结构的密闭性，这在军用光学仪器中是应优先考虑的。

下面我们进行离焦量调整的计算：
例题见：“夜视摄远系统(调焦计算).ZMX”
第四节变焦外形设计
1 焦距分配
（1）在10M视场焦距分配
在250M距离上的2M～10M线视场直径，确定了变焦范围。

在10M视场时的焦距是120mm，
这属于射远系统，其焦距分配方法如下。

由总光焦度计算式有：
由场曲平衡方程有：代如上式，化简有：
先给f’、d值，可计算出φ1、φ2来。

（2）在2M 处两镜间隔确定
在2M 视场时的焦距是
将(1)中的φ、d 值代入 可解出d 来，最后观查f1’、f2’、d 值是否合理来最后确定。

下面是计算记录表：
2 凸轮曲线确定
仍然用上计算方法，令焦距=200，300，400，500计算在f1’=97.98，f2’=-97.98时，调整d 值，使焦距分别为上值。

◆ 整组变焦曲线的确定 下表中的d+L’
◆ 后组对前组变焦曲线的确定
下表中的d
变焦凸轮计算表（d 由mashematica 计算得到、L ’由Zemax 计算得到）
◆ 凸轮曲线图
现设定在整组套筒上有后镜对前镜的变焦凸轮槽，由于系统口径为80mm ，加上变焦结构，大致有100 mm ，则该凸轮槽直径大致为88 mm 。

设凸轮分布在120度角内，再将整组对CCD 移动的凸轮槽也以转角度数为垂轴，移动量为横轴展开凸轮槽。

现计算直径88mm 展开120度的凸轮槽，在垂向长度=2π*88*120/360=184.3072 mm ，该凸轮槽的平均倾角为：argtan[(80-16)/184.31]=19°左右，其自锁力还是适合的。

下面展开计算。

现假定变焦均布，则凸轮转过角与焦距变化量成正比，有：
在Autocad中作出变焦曲线图如下（注意：应倒光路放置）：
第五节初始结构求解
一前镜用专例
1结构
这是美国专例如下：
第一片与第四片是丙烯，第二片与第三片是聚本乙稀。

四片全塑镜，重量轻且易于加
工成非球面（系统有很大校正象差的潜力）。

系统焦距是99.94mm，它是用作第一镜的，现所放到焦距的应有值：97.9796，且入瞳直径为80，物距250000，物高5000的下结构：
2象差
下面是传函图：
下面是光路图：
由上图可见主要是球差还没校好。

上例见：“前镜初解.ZMX”
二后镜用WPC求解
1 WPC平衡方程建立
轴上点追大口径光线投射角:
下面是建立平衡方程的输入文件：
得象差平衡方程：
由于视场很小，象散与畸变不考虑，则：P1,W1,C1,P2,W2,C2均为零。

现只需对第二镜求P1,W1,C1均为零的结构就可以了。

将上结构置于Zemax中，在平行光路中给口径80后调好厚度（看图），再将焦距缩放到-97.98，得下结构：
上例见：“后镜初解.ZMX”
2 初始结构求解
将上两镜组合，调两镜间隔，使组合焦距为400mm(因为PWC是在焦距为400mm时进行结构求解的)，的下结构：
象差为：
上例见：“系统整合.ZMX”
由于此时焦距为400mm，长焦距下的传函比短焦时要低较多，因此初解得到这样的结果是可以了。

另外由于前镜的传函频率是16，可见主要是前镜球差所致。

前系统有焦大校正潜力，从象差平衡的角度，校正下去是可以得到需要结果的。

但两镜间隔此时为3.7mm，要变焦到600时，间隔还应变小24-16=8mm，已没有余量了。

这是因为前镜后主面进入前镜内太多造成的。

因此还需加大变焦时间隔量的最小值，重新设计。

还有一个问题，看下图：
由图可见后镜正透镜厚度取值不够大，使部分口径光线过不去，这时在此图中调厚度，使光线过去，再在
上例见：“后镜初解.ZMX”
我们这里主要是介召望远系统两主元外型尺寸设计与PWC求解初始结构的，由于时间关系，就不再介召下去了。