光学补偿式步进变焦距物镜

　　0 引 言

　　在光电经纬仪以及远距离监视电视摄像机光学系统中，按传统的方法步进变焦是用加倍率镜的方式实现的[3]。这有两个缺点，一是由于倍率镜是由分离的正负两组透镜组成的，因而场曲会随着倍率的增加而增加，因此不能实现大倍率变焦，一般都在 2 倍以内;二是机械结构很难保证更换倍率镜时与系统保持同心，尤其是长期使用以后，因此很难避免在变焦过程中产生的像点移动现象，这在测量经纬仪中是个突出的问题。如果采用光学补偿式方法实现步进变焦，这两个问题都可以圆满解决。由于变焦动作是靠透镜组的移动来实现的，因此场曲保持不变，所以可实现大倍率变焦。又因移动透镜组是在镜筒里作直线滑动，且移动距离可以设计得比较小，同心度很容易保证，而且增加了长期使用的可靠性。比起加倍率镜的方法，结构(包括机械结构)也较简单，筒长也较短。

　　1 原 理

　　按光学补偿变焦理论[1-2]对于无限远物成像，如果由分离的透镜组组成的光学补偿式变焦距光学系统存在 N 个间隔，就会有 N 个焦距的像面处在同一个位置，如果将相同的像面位置的坐标取为原点则我们可称之谓零点。其中连动的透镜组要为刚性连接，且中间要有固定透镜分开。如图1(a)，前后为两个固定组，中间为一移动组，存在两个间隔，则存在两个零点。图1(b)从左至右第1、第3 组刚性连接，第2 和第4组固定，有三个间隔则存在三个零点。又如图1(c)，第2 和第4 组连动，第1 和第3 及第 5 组固定，有四个间隔则存在四个零点。

　　如果用光学补偿方式设计连续变焦距物镜，为减小零点之间的焦距的像面位移，则需要移动透镜组移动很长的距离，因此应用受到限制。但如果用来设计成步进变焦，让要求焦距的像面处在零点位置，则移动距离可设计成比较小，因为移动距离的大小只受到像差校正可能性的限制。将各透镜组的焦距、透镜组的间隔、移动距离作为变数，就可设计出各种焦距、各种倍率要求的一步变焦(图1(a))，两步变焦(图1(b))和三步变焦(图1(c))等光学补偿式步进变焦距物镜来。

　　2 实 例

　　下面是由作者设计的三个实例：

　　例 1：一步变焦

　　焦距：400 mm、1 000 mm

　　变焦倍率：2.5×

　　相对孔径：F/3.3、F/8.25

　　像面尺寸：6 mm(对角线)

　　波长：0.4 ～0.7 μm

　　光学系统结构见图2，MTF 值如表1。这是一个一次成像折反式步进变焦距物镜。一次成像折反式系统二级光谱很小[3]。移动组为一负组，移动距离为 30.4 mm，筒长即从第一面顶点至像面距离为405.7 mm，中心遮拦比为0.28。