长焦距超高倍率变焦距光学系统设计

　　0　引言

　　变焦距镜头通过焦距的连续变化使画面上的景物成像倍率连续的变化，对目标既能作大视场小倍率的概观，又能作小视场大倍率的详细观察，因此在摄影、跟踪与测量等诸多领域得到广泛的应用[1-2].

　　评价一个变焦距镜头的主要指标包括变倍比、长焦端焦距、相对孔径、视场角等.而这些指标又与结构紧凑性以及成像质量间相互矛盾.变焦距镜头光学总长的决定因素是长焦端焦距、相对孔径和变倍比.其中变倍比越大，变倍、补偿组的移动量越大，其结果是镜头的长度越大.另外几何像差随焦距成比例的增加，尤其是二级光谱的校正，成为影响长焦距物镜成像质量的重要因素.因此设计结构简单紧凑、像质优良的长焦距、高倍率变焦距系统具有一定的难度[3-6]，需要经过反复的高斯光学计算分析与像差优化[7-8].

　　本文根据设备指标要求，设计了一套焦距17～1　700mm，变倍比100倍的长焦距、超高倍率变焦距物镜.首先通过高斯光学计算，找出不同高斯解对系统性能影响的规律，从而选择合理的初始结构和高斯解，然后分析各组元的相对孔径和像差校正的特点，确定各组元的初始型式，再对系统进行整体优化，最终使系统的光学总长和成像质量都满足了要求.

　　1　光学参量指标

　　系统的主要设计指标如表1，可见该系统是一个相对口径和视场角适中、焦距和变倍比很大的可见光变焦距成像系统.

　　2　光学系统设计

　　2.1　形式选择与高斯光学计算

　　变焦距系统按像面补偿方式不同分为光学补偿和机械补偿两种，光学补偿方式由于像面不能完全补偿、结构尺寸大、变倍比小等缺点而逐步被机械补偿方式所取代.机械补偿方式按照技术指标要求不同，可以有两组式、三组式、四组式甚至五组式，其中四组式是当今最流行的典型结构.四组式机械补偿方式按照补偿组光焦度的正负又分为负组补偿、正组补偿方式.负组补偿的特点是短而粗，但二级光谱和光阑球差都较大，难以用于较高

变倍比的系统中;正组补偿的特点是细而长，前其固定组焦距较长，产生的二级光谱较小，且补偿曲线单调，因此适于长焦距大倍率的系统.正组补偿方式又分为换根和不换根两种，其中换根方式能够在较小的空间内实现较高的变倍比，对于变倍比的增加效果非常明显，因此本系统选择换根正组补偿方式.正组补偿变焦距系统的结构如图1所示，其中φ1、φ2、φ3、φ4_1、φ4_2分别表示前固定组、变倍组、补偿组、后固定前组、后固定后组的光焦度，d12、d23、d34表示其间隔、f4_2′为后固定后组焦距，s、m、l分别表示短焦、中焦、长焦位置.下面通过高斯光学计算确定系统的关键参量.