一种8倍可见光变焦光学系统设计

　　0　引言

　　变焦距光学系统可以实现焦距的连续变化并保持像面稳定，在变焦过程中保持良好的成像质量，且具有相对孔径基本不变的主要特点，已广泛应用于国民经济和国防的很多领域[1].与定焦距镜头相比，变焦距镜头能在一定范围内迅速改变系统的焦距，使物像之间的倍率连续变化，产生定焦镜头无法达到的良好的视觉效果[2-3].可以在短焦距大视场状态下监测，在长焦距小视场下对目标进行定位分析，另外与换档变倍光学系统相比，连续变焦距光学系统的优势主要在于在工作状态下，连续变焦过程中不丢失目标信息(换档变倍光学系统变焦过程中会丢帧[1-3]).本文设计了一种8倍连续变焦的光学系统，该系统能够满足航空相机前视要求，通过焦距连续变化，实现对不同视场目标成像，并给出了优化后的凸轮曲线.

　　1　设计原理

　　机械补偿变焦距系统的基本原理是利用系统中2个以上透镜组的移动来改变系统的组合焦距[4]，移动过程中需满足“物像交换原则”，使焦距在一定范围内连续改变时，其像面基本保持不动.即需要满足方程[5]：

　　本文采用的变焦形式如图1所示，其中2为变倍组，3为中间固定组，4为补偿组，此种形式的变焦运动应满足方程：

　　将式(3)和(4)代入式(2)可知该种形式的变焦方程为：

　　2　设计实例

　　现设计一焦距为6.5～52mm，系统F数为4，靶面尺寸为1/3英寸CCD的可见光变焦距光学系统，其好处是由前组成像后的系统倍率经由固定组3放大后传递给补偿组，有助于系统尺寸的减小，并且采用负组变倍，正组补偿系统也有助于系统轴向尺寸的减小，采用正组补偿的优点是前固定组焦距较长，口径较小，对系统产生的二级光谱最小，补偿曲线单调、平滑且变焦比增长快，初始位置选定为系统的长焦位置，本例中，归一化后前固定组焦距f′1=4.91，变倍组焦距f′2=-1，中间固定组焦距为f′3=3.87，补偿组焦距f′4=1.12，后固定组焦距为f′5=3.76.设计结果如图2.

　　图2中给出了系统在焦距为f′=6.5，15，52mm时的光学结构图.系统距为f′=6.5，15，52mm时的光学结构图.系统从第一面顶点到像面总长为115mm所有透镜均为球面镜，加工难度低，系统的间隔参量如表1，其中最后一列为后截距(Back　Focal　Length，BFL).

　　3　像差校正及像质评价

　　当光学系统中前固定组、变倍组、补偿组、后固定组的焦距及各组件之间长焦、短焦位置的间隔初步确定以后，进入像差校正阶段，分别对前固定组、变倍组、补偿组、后固定组进行优化，然后将各部分连接起来总体优化.由于第一辅助光线改变量的最大值发生在前固定组长焦位置，因此用前固定组校正长焦位置的球差和正弦差;第二辅助光线该变量的最大值发生在变倍组的短焦位置，因此用变倍组来校正短焦位置的细光束像差，利用后固定组校正短焦位置的轴上像差[6].表2给出了系统中五个位置最大视场弥散圆直径的均方根值.从表中可以看出，系统长焦时最大视场弥散圆直径为4.2μm，小于CCD像元尺寸.