远焦小型线性变焦距物镜的设计原理

　　1　引　言

　　作者曾设计一种小型线性差变焦距物镜[1]用于胃窥镜图像显示系统,从目镜中再取出图像,使用效果良好。为把这种变焦距的物镜推广应用于其它医用内窥镜图像显示系统,在上述工作基础上,又设计出一种远焦小型变焦距物镜。该变焦距物镜的变倍比、焦距、视场及孔径等光学参数可与多种医用内窥镜相匹配,其体积小,重量轻,与目镜联接后不会改变原来内窥镜的使用环境及条件。该变焦距物镜的像质可与目前常用的CCD图像传感器相匹配。本文介绍这种远焦小型线性变焦距物镜的设计原理及方法,文中给出了一设计实例及其像质评价结果。

　　2　远焦型变焦距物镜

　　远焦型变焦距物镜是由一定焦距物镜与一远焦附加镜组组合而成。远焦附加镜组是一个无光焦度的伽俐略望远系统[2]。这种变焦距物实质上是一种光学补偿变焦系统。图1所示是一个三组元光学补偿远焦型变焦距物镜的光学原理。图1(a)为短焦距;(b)为长焦距。图1中组元iv、为固定组;组元为变倍组,变倍组作线性平移时物镜的焦距随之改变;组元Ⅳ为定焦距物镜。变倍组处于图1(a)、(b)位置时满足物像交换原则。

　　设f′1、f′2、f′3、f′4分别为组元iv、、、iv的焦距,其中f′1= f′3。变倍组Ⅱ由完全相同的二个透镜组成,其焦距分别为f′21、f′22,则f′21= f′22。由图1进行高斯光学计算得到

　　式中f′23为、组元的组合焦距。图1所示变焦距物镜的变倍比为

　　3　小型变焦距物镜设计

　　远焦型变焦距物镜适合从目镜中取出图像,但与目镜联接要求变焦距物镜小型化,其光学参数应与目镜相匹配。计算证明,变焦距物镜在低变倍比情况下,选取较小的变倍组元焦距f′2值,可使变焦距物镜总长度减小。变倍组线性平移量也较小,因此变焦距物镜结构简单。选取适当的成像倍率,可使像平面漂移保持在一定的精度范围之内。

　　根据变焦距物镜的使用要求及成像倍率确定其焦距范围为15mm~30mm;与目镜匹配要求变焦距物镜的最大通光口径小于10mm,物镜的总长度小于30mm;物镜的视场角20°~40°。

　　变焦距物镜的像质可按电视电影摄像物镜的特征频率MTF要求评价,即在12、251p/mm时,视场中心三色光的MTF值大于0·7。视场边缘可适当降低。

　　由于变焦过程中视场和孔径会发生变化,所以针对变焦距物镜的主要像差进行校正。分析认为前固定组在长焦距时,轴上物点光线入射高度最高,所以前固定组长焦距时球差最大;在长焦距时色差自然也大。轴外物点主光线在短焦距时变倍组上入射高度最高,所以轴外主光线像差最大。因此,远焦型变焦距物镜校正的像差为球差、正弦差、色差及轴外细光束像差.对于高级像差,因系统结构简单,没有足够的结构变量,因此不做为重点校正。