连续变焦距镜头焦距实时输出问题研究

　　1　引　　言

　　变焦距系统是指焦距在一定范围内连续改变而像面位置保持不变的光学系统。随着人们生产实践活动领域的扩展和深入,提出了既要能对被观察物体作大区域小倍率的概观,同时又能对它作小区域大倍率的仔细观察,变焦距光学系统就是在这样的要求下产生的。

　　本文在简单介绍连续变焦距镜头基本分类,以及结构形式和原理的基础上,着重分析了其在变倍过程中焦距值实时输出的问题

　　2　测量方法

　　变焦距光学系统从原理方案上来讲有两种:一种为光学补偿系统,在变倍范围和数值孔径较小的连续变倍体视显微镜中往往会采用光学补偿的结构,这种形式下透镜组的移动是同方向等速度的,只需用机械结构把透镜组连在一起作线性移动即可。结构中没有曲线,仅需在变倍筒上开一直槽。光学补偿式结构在变倍过程中像面是漂移的,但由于数值孔径小,景深较大,只要像面漂移不超出景深范围,在观察时,就不会感到移动以达到既变焦而像面位置又稳定的要求。另一种为机械补偿系统,或称为绝对补偿系统,所谓机械补偿方式就是由精密机械凸轮驱动变倍组作线性移动,补偿组作相对的少量非线性移动以达到既变焦而像面位置又稳定的要求。在机械补偿系统中,变焦凸轮曲线的优化和加工是实现镜头光学设计像质目标和连续变焦过程的关键,军用变焦距镜头尤其应考虑其变焦运动的平滑性和变焦过程的快速性。

　　变焦距系统按系统中变焦距透镜组(即系统中的可移动透镜组)的个数,以及正透镜组和负透镜组的匹配位置进行分类,主要有负-负型、负-正型和正-负-正型3种类型,如图1所示。

　　3　变焦距光学系统的基本结构形式及原理

　　图2是一个典型的具有2运动组元的变焦距光学系统示意图。物体在无限远的情况下,光学系统可以用焦距参数f′表征。图中a,b,c,d分别是光学系统的前固定组(或称对焦组)、变倍组、补偿组、后固定组。

　　组元a为前固定组,其作用是给系统提供固定的像;组元b为变倍组,在变焦运动过程中它多作线性运动,担负着系统的变倍作用;组元c为补偿组,当变倍组组作线性运动时,补偿组按一定的曲线轨迹作非线性运动,以补偿变倍组在变倍过程中所产生的像面位移;组元d为后固定组,它将补偿组的像转化为系统的最后实像,并调整系统的合成焦距值、设备孔径光阑,保证在变焦运动中系统的相对孔径不变,补偿前三组透镜的像差。

　　所以在以上四组透镜组中,前固定组a和后固定组d在整个变焦过程中保持不动,当变倍组元b在组元a、d之间作线性移动时,为了保证最后像面性运动,此时整个物镜的焦距值随之改变。该物镜为多光组组合系统,故可用光组组合方法来分析计算光学参数及其外形尺寸。利用变倍组和补偿组移动(即改变各镜组之间的空气间隔,使变倍组和补偿组的倍率变化)时必须满足的函数关系,确定变倍曲线和补偿曲线,指导凸轮的加工。