短焦距变焦物镜设计

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第34卷第12期光子学报Vo1．34No．122005年12月ACTAPHOTONICASINICADecember2005短焦距变焦物镜设计程珂周泗忠张恒金(中国科学院西安光学精密机械研究所，西安710068)摘要介绍了机械补偿式三组元连续变焦系统设计方法；基于微分解析法，提出快速变焦法用于优化系统高斯初始结构，减小了外形尺寸．并设计了一焦距3．87mm～19．35mm，视场76．6。～17．71。可见光变系统．设计结果表明：该变焦系统较之同类专利设计结果，具有结构紧凑、视场大、像面稳

2、定度高的优点．关键词光学设计；变焦距；光学系统中图分类号TP73文献标识码A1+1一一0引言z)+(击+一短焦距变焦物镜在广角监控、数码摄像、医疗诊(3)壶一z)一0断、公安侦察等领域有广泛的应用，但短焦距变焦系整理可得统设计的公开报道较少，其特点是焦距短、视场大、J8；一+1=0(4)结构要求紧凑，大多采用机械补偿式，高斯初始结构式中b可以表示为的选取尤为重要．文献FI]提出曲线拟合法选取高斯结构，但不能对结构做定性分析，不能实现快速变6一(壶一1+)+(壶)(5)焦；文献[2]提出了微分解析法选取初始高斯参数，求解式(5)，可得可

3、定性分析结构，但没有给出快速变焦实现的条件及实现途径．本文解决了以上问题，并用于指导初一(6)始结构设计，与同类专利相比，系统的长度减小，同时保证了相同相对孔径并扩大了视场，满足了使用xC~t(1)求微分蓑，有要求．dJ92一(1(7)一』8；)1设计方法当=一1时(根1舍)有最小值，由式(7)知快速变焦是指通过选取合适的变倍组、补偿组有2根，且满足一壶，可知其轨迹为两对称曲垂轴放大率，找到最短途径实现变焦．机械补偿式线，对称点的距离随着b的值而变化，式(5)中，当连续变焦系统中，变焦组元都满足方程6一一2时两根相等为一1．图1(a)

4、直线代表变∑ia[~i一～0化轨迹，曲线为变化轨迹，此时两曲线相切(图1(b))，曲线相切为实现快速变焦的必要条件．当选取适当、、，再取一适当d。使变倍、补偿IbI>2时两根不相等，此时两曲线无切点，不能组元长焦时不会相碰，得z一式中／2、分别为变倍组、补偿组焦距；z、分别为长焦时变倍组、补偿组垂轴放大率；d。。为长焦时变倍组、补偿组之间距离．(a)Curveof#2Vel~tlSm令变倍组作线性移动，移动量为e，得一f2+&l’由式(1)、(2)可得如下方程(b)CurveofB2V~I~US．32图1系统外形图Tel：029—88

5、484238Email：lion_2001@etang．tomFig．1Zoomsystemconfiguration收稿日期：2004—10-02维普资讯http://www.cqvip.com光子学报实现换根，若在此情况下设计，一般取屉>一1一1，故无法换跟，所以实例结构比专利结构短．段(图1(a))，不能取<一1段，此段为最慢变焦．2．2校正像差快速变焦另外一个条件是：变倍组、补偿组同时寻找到最速变焦结构后要重点校正大视场带来的像差．视场大使得垂轴像差(慧差、畸变、倍率色实现物像交换，即一，z一；为补偿p31p2z差)校正有一定

6、困难，但是只要找到像差变化规律还组长短焦垂轴放大率；在图1(b)中快速变焦途径为是可以做到的．>一1段及切点对称z<一1段(图中实线部变焦距像差的校正遵循“先分再合”的原则q]，分)，若曲线与。曲线对称于切点，此途径为快即先不考虑后固定组，将其他组元各自独立校正像速变焦途径．差，保证变倍过程中各透镜组不会产生很大的像差变求出补偿组移动量为一(一z)，此时系统化；再将上述几个组元组合起来在变倍范围内等间隔的总变焦比一，当r达到要求时可停止搜索．取5个焦距位置，保持各组元光焦度不变的情况下改p2p3变各组元结构参数，使5个焦距的像差尽可能

7、接近．恰当利用以上规律可以设计出外形尺寸紧凑的最后再考虑后固定组，使其产生与前数量相同但符系统，以下举例说明其应用．号相反的像差，对前几组进行像差补偿，但是前面的2实例分析像差也不能留很多，因后固定组要校正很多的残留像差是很困难的，特别是像散和畸变．现设计一焦距3．87ITlm～19．35mm，视场76．6。～17．71。大视场可见光变焦系统．，要求结构S一∑hP—J∑Wi=l一1尽可能紧凑．rS。一鍪P～2．，∑"hpw+．，z{△一u(8)2．1求解最速变焦高斯结构i—l凡pi一1ni一1n将取规划值～1，取一1．4；一一1．1．

8、届一P一7z。(hc一乱)。A7z一1时6一一2，带入式(5)，得一一(f一“)△／壶1一壶1+一f)+壶1～f)一27z解得：一一1．084，。一～0．923，带入式(3)求出C2一∑里‘(9)f—ld23z为：d23