变焦系统设计的小型化

0 引言

    变焦距系统是一种焦距可以连续变化而像面保持稳定，且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。变焦的原理基于成像的一个简单性质—物像交换原则，即透镜要满足一定的共轭距可有两个位置。若物面一定，当透镜从一个位置向另一个位置移动时，像面将要发生移动，若采取补偿措施使像面不动，便构成一个变焦系统。目前变焦镜头都用改变透镜组之间的间隔来改变整个物镜的焦距。在移动透镜组改变焦距时，总是要伴着像面的移动，因此要对像面的移动给以补偿。根据变焦补偿方式的不同，补偿方法分为机械补偿法和光学补偿法。机械补偿法就是用一组透镜( 通称补偿组) 作少量移动以补偿像面位移。补偿透镜组的移动与其它透镜( 通称变倍组) 的移动方向不同且不等速。但它们的相对运动却有严格的对应关系，各透镜组通过一个复杂的凸轮机构实现相对运动。光学补偿法用几组透镜作变倍和补偿时，各透镜组的移动同向等速，只需要用简单的机构把各透镜组连在一起就行了。变焦距光学系统可以实现对目标的连续探测，已广泛应用于国民经济和国防工业的很多领域，由于光学参数，成像质量及自动化控制变焦的要求，市场难以选择到合适的光学系统满足要求，所以需要进行专门设计。

    市场上常见的变焦镜头，焦距不长，总长相对比较长，结构比较复杂。这是因为受到成像质量以及加工工艺，加工条件的限制。焦距变长，系统很难校正像差，从而难以保证成像质量。本文主要研究长焦距变焦系统的小型化设计。在设计中使用了特殊材料，更好的校正了二级光谱。

1 系统设计

1． 1 光学技术指标要求

    变焦范围: 200 －600mm; 变倍比: 3x; F 数为 4; 镜筒长度: 450mm; 像面接收为 1/2 英寸的 CCD。

1． 2 系统分系

    由于该系统的变倍比不大，焦距又比较长，所以系统中的色差和二级光谱的校正较为困难，而且变焦过程中的像面漂移量需要进行补偿。如果采用复杂的光学补偿法，会使得系统的尺寸变大，增加镜头的质量，还会使系统的透过率降低，所以不宜采用光学补偿法［1］。双组联动学法在整个变焦过程中成像量良好，但是双组联动的前固定组焦距比较小，会有较大的二级光谱，因为二组光谱的主要贡献来自前固定组，而且双组联动中运动组份多，增加了结构和装调的难度，降低了系统的可靠性，因此本文不选用双组联动补偿法。本文选用了机械补偿法，因为此系统变倍比不大，正组补偿可以满足要求，而且正组补偿的前固定组焦距比较长，这样更有利于校正二组光谱，设法用变倍组和后固定组的二级光谱去抵消前固定组和补偿组的二组光谱，且正组补偿的补偿曲线平滑，基于上述原因综合考虑采用正组补偿［2］。