长焦距大口径连续变焦光学系统的设计

! $% & ’((! "# )# * + , 结构形式分析 由 于 镜 头 的 总 长 不 大 于 *’ 光学系统 ’ ’((因此 光 学 系 统 的 总 长 允 许 在 的长 焦距 为 . ’ ’((% ’ ’((/ 0 ’ ’(( 之 间 1 又 因 为 系 统 通 光 口 径 为 变焦比为 * 则该系统属于口径 3 焦距 3 变 * 2 ’((, 焦比均偏大的系统 因此该系统中的色差和二级光 谱的校正较为困难 且变焦过程中有较大的像面偏 移量需要补偿 1 用复杂的光学补偿法降低像面偏移 量时 需要多组大尺寸透镜 这会增加镜头的质量 降低系统的透过率 所以不采用光学补偿法 1 双联 动补偿法兼有光学补偿法和机械补偿法的特点 在 整个变焦移动过程中成像质量良好 运动组分移动 曲 线比较 平 缓 并 有 其 特 有 的 调 焦 方 式在对近距 离 物体成像时不 会 引 起 视 场 角 的 变 化 和 口 径 的 明 也 显增加 1 但双联动系统的前固定组焦距亦较小 有 较 大的 二 级 光 谱 且 双 联 动 系 统 中 运 动 组 份 多增加 了 结 构 及 装 调 的 难 度 降 低 了 系 统 的 可 靠 性因此本文也不选取双联动补偿法 1 本文选用机械补 偿法是因 为 机 械 补 偿 法 正 组 补 偿 长 度 较 长 口径 较小 前固定组焦距较长 因此 对系统产生的二级 光谱最小 补偿曲线单调 3 平滑且变焦比增长快 4 机 械 补 偿负 组 补 偿 长 度 较 短 口 径 较 大前固定组焦 距较短 对系统产生的二级光谱最大 1 根据光学系 统的指标要求 初步确定变焦系统的结构为正组机 械补偿形式 如图 *所示 1
长焦距大口径连续变焦光学系统的设计
胡际先
华中光电技术研究所 - 湖北 武汉 . ’ / # # ( / )
摘
要 ! 根据某探测设备可见光通道光学系 统的 特 点和 技术指标 要求 详细介 绍长焦 距大 口径
连续变焦光学系统结构形式选择 0 初始结构参 数计 算 及像 差平衡的 方法 给出运 用该方 法设 计的 采用正组机械补偿形式的长焦距大口径连续变焦光学系统的设计结果 1 对连续变焦光学系统进行 了像质检测 0 实景成像及环境试验考核 其结果表明 ! 该光学系统能满足某探测设备的性能要求 1 关键词 ! 连续变焦光学系统 2 初始结构参数 2 光学设计 2 像差平衡 2 像质
, 光学系统设计及像质评价
, + * 光学系统设计 , + * + * 结构参数的确定 初始结构计算的主要目的是寻找补偿组的焦 距I 的取值范围 避免 J % 和长焦时变焦组的倍率 K , L
应用光学
, * * 1 ( , 3 : 2 9
胡际先 U 长焦距大口径连续变焦光学系统的设计
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第$ &卷 第 *期 $ # # (年 ,月 文章编号 ! " # # $ % $ # & $ ’ $ # # ( ) # * % # * + , % # *
应 用 光 学 M U R _ Q P ] U [ 6a a ] N Z g‘a Y N ^ X
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OP’ + R K, I J O* * + * L % 依 据 下 列 各 公 式并 利 用 计 算 机 编 制 软 件计 算图 *中各参量 1 O K% L I J % ! , # I J ! * PK, # P’ + & VI J , L % * ! % # K,O * Q , V K, I J L , I J * * , * OP ! P VK,PK, # V! VK% # W L L I J K, K% % K , L L ! 2 # K% O *
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 1 同时初步确定图 *中各组分的焦 距3 间隔及倍率 1 设前固定组 3 变焦组 3 补偿组 3 后固 定组 的 焦 距 分 别 为 I 短焦时各组 J J J J I I * , %和 I 2 之 间的间隔分别为 M 变焦组的倍率 M * , N , % N和 M % 2 N 为 K, 长焦时各组之间的间隔分别为 M 和 4 M N * , L , % L 变焦组的倍率为 K, 1 对于正组补偿 的变 焦系 M % 2 L L 统通常选 取 长 焦 时 的 参 量 作 为 计 算 的 起 始 位 置 1 为了计算简便 取I 从补偿曲线单调 3 平滑 J OP* , 且变焦比增长快的角度考虑 取M 在 OM O’ + & * , N , % L 式中选取一组 K, 并 ! * # J I L % 作为计算的初始数据 假设一系列等间距的变倍组移动量为 Q 则 , K, OP* L O’ + . K, L I J O* * + * * + , % T O* * + * I J % S U ! * #
收稿日期 ! $ # # ( % # / % $ " 2 修回日期 ! $ # # ( % # . % " "
" 指标要求及结构形式分析
" 5 " 主要指标要求 连续变焦光学系统的主要技术指标如下 ! q 焦距 !( *kkr, # #kk 连续变焦 q 口径 !s t" . #kk q 相对孔径 !su t" u . r" u + 5 . v 中心波长 q !# 5 * "w k 像元尺 qc + 5 .kky . 5 &kkc x靶 面 尺 寸! 寸# 5 # # &+kk 设置可变光阑 ! 不小于 / q 后截距 ! #kk 不大于 "# q 外型尺寸 ! # #kk’ )y+ # #kk z
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பைடு நூலகம்
图 * 正组机械补偿连续变焦光学系统的原理图 + * 8 5 6 7 9 6 : ; 6 < = >? @A ? ? B? < C 6 ; D = E F E C > BG 6 C H B> ; H D : 6 ; D = ; ? B< D : E D C 6 ? :
I J ! * PK, # , N ! R # K, N 式中 ]K, 为变倍组 的倍率 4K% 和 K% 分别 为补 偿 * , 组满足运动方程的倍率解 4^ 和 分别为对应于 ^ * , Q , 补偿组的移动量 4[ 为变焦比 1 以 上 给 定 及 计 算 出 的 焦 距3 间 隔3 倍率均是在 还必须给出一个适当的 J OP*的条件下得出的 I , 比例系数 1 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 前固定组像差校正的难度考虑 前固定组的焦距越 大越好 1 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 1 因此 预选前
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 1 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 0 焦距及使用环境等指标的镜头很难找到 1 本 文 根 据某光电探 测 设 备 可 见 光 通 道 性 能 指 标 的 要 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 0 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
作 者简介 ! 胡际先 ’ 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 1 " , + * {) % ! * * * \ kP N ] O N PT R P |" $ + 5 ^ U k
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应用光学
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胡际先 ] 长焦距大口径连续变焦光学系统的设计
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固定组的相对孔径 !"# 系统要求长焦时 $ &% "’ ( % 则# ) *++( $ &) , *++!&% % 补偿组的焦距有较大的选择余地 ( 但也不宜过 过长时补偿像面位移需要的补偿量太 长 或 过 短( 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 % / ’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# $ &01 *++) 综合考虑上述各因素 ( 分别取 # $ &02 3++( , $ 2++( $ *++( $ 1 *++( $ # 5 5 5 ’& 4 % , 6& 3 , ’ 6& % ’ ) 6 & 2 ++( $ 8 * ++( $ $ 5 5 5 % , 7& % , ’ 7& ’ ++( ’ )& 4 ,++, / % / , 各组分结构形式的选定 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 % 9 前固定组结构形式的选择 该系统前固定组的相对孔径 !"# 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 ,所示 9 以及用 ; ( < = > 等光 ,和 = 学材料 ( 尽量减小前固定组本身的色差和二级光谱 -