大口径折反射式变焦距物镜的设计

　　1　引　言

　　随着现代观察和测量技术手段的不断提高,越来越多的情况下需要对远距离的目标进行观察和监视。由于要对远距离的物体清晰成像,所以对观察用光学系统的要求也随之提高。能实现远距离观察和测量的大口径光学系统越来越多地应用在地面观察测量系统中。为了满足对远距离目标同时发现和识别的要求,本文将变焦距镜头的设计思想结合到大口径光学系统中,使大口径的光学系统在保证成像质量的同时又能实现光学系统焦距的连续变化。

　　2　光学系统的设计思想

　　变焦距镜头是一种焦距(或倍率)可以连续变化而像面位置保持相对稳定的镜头[1-2]。光学系统的放大率β与焦距f′有如下关系:

　　式中:f′为光学系统的后焦距;x为光学系统前焦点到物面的距离。

　　放大率的变化为:

　　从式(2)可知,如果光学系统的焦距不变,要想在画面上得到不同倍率的像,必须改变被摄体到前焦点的距离x,而在被摄体的距离不变时,光学系统放大率的连续变化,就取决于焦距的连续变化[3]。

　　对远距离物体成像时,为了使到达接收器的能量高于接收器响应值,可根据式(3)增大光学系统的通光口径。

　　因此,大口径的光学系统往往采用卡塞格林式或牛顿式的结构。大口径变焦距物镜就是在这种结构基础上结合变焦距物镜设计的。这种光学系统为了减小后端变焦距设计的难度通常都有一次像面,在一次像面的后端接变焦距结构。由于变焦距物镜的设计是以远距离物体为目标进行的,可近似地看成平行光入射,在焦距变化的过程中像面保持不变,因此,将变焦距结构应用到大口径光学系统时,如果采用传统的对接方式(变倍组在前大于补偿组在后)就相当于对有限远的目标进行连续变焦,使得后端变焦距系统的结构复杂,如果将传统的变焦距结构颠倒(补偿组在前大于变倍组在后)与前端大口径光学系统产生的一次像面进行对接,即将一次像作为后端变焦距系统的成像面,在变焦距物镜的出射处形成平行光,再组合上一组正光焦度的透镜形成最终的像面。这样的设计思想便于后端变焦距物镜的设计,使得整体光学系统结构简单紧凑,便于装调。

　　3　光学系统的设计过程

　　为了进一步地说明大口径变焦距物镜的设计思想,以一个实例来进行具体阐述。以一款像元数为1 400×1 400,像素大小为7.5μm的高清晰度CCD作为接收器件,光学系统的焦距定为f′=2 000~6 000 mm,可以进行连续变焦。

　　3.1　光学系统指标的确定

　　在已知接收器的尺寸和光学系统焦距的前提下,取探测器的对角线视场作为系统的视场,得到系统的视场角在焦距为f′=2 000~6 000 mm时,2ω=2×0.211 7°~2×0.070 6°,系统的入射口径为Φ600 mm,系统相对孔径的选择以CCD接收器靶面灵敏度为确定标准,取:D/f′=1∶3.33~1∶10,参考波长取CCD探测波长的应用范围λ=486.13~525.17~620 nm,系统的变倍比为3倍。