一款新型同步调焦双筒望远数码相机的光学设计

    1 引 言

    课题所说的同步可调式双筒望远数码相机的创新之处就是:在用望远镜通过中调手轮调节观察3m到]范围内的景物时,中调手轮通过同步调焦机构带动数码照相物镜同时同步对3m到]范围内的同一景物进行同步对焦,同时拍摄到所观察到的同一景物。这一创新技术的核心之处,就是如何设计与1/2英寸CMOS图像传感器的像素相匹配的数码照相物镜,如何设计计算3m到]范围内望远物镜和数码照相物镜的同步离焦曲线,用机械结构实现其同步传动,进而实现同步拍摄的功能,使望远镜成为数码相机真正意义上的取景器。下面主要介绍该款同步调焦双筒望远数码相机的光学系统设计过程。

    2 指标要求

    光学取景器的光学总长大约135mm,放大率为8@,视场角为6b,入瞳直径为<30mm,出瞳直径为<3.8mm,出瞳距离为14.3mm,分辨力不大于10d。数码照相机所用的图像传感器为1/2英寸CMOS芯片,图像有效分辨力为2048@1536,取景液晶屏为1.5英寸TFT、LCD屏,照片比例是4B3,电源是2节1.5V(AAA)碱性电池[1]。同调焦范围是3m~]。同时具有SD卡存储功能、USB、AV端图片输出功能。

    3 设计原理

    将观察光路和照相光路分开,数码照相系统与光学取景系统相对独立,分立采光,用双筒望远镜作为数码相机的光学取景器,数码照相系统的电路元件设置在望远镜中间连接板的上下部位,以连接板为关键元件组成光学取景物镜和数码照相物镜的同步调焦机构。通过同步调焦机构的准确传动实现对同一物体的同步观察和拍摄,使望远镜成为照相机的真正取景器,实现真正的/所拍即所看0功能。

    这一方案同时解决了光照度不足和成本高等问题[2],且可达到产品结构紧凑,外观造型美观的效果。系统功能原理框图如图1。

    4 光学系统设计

    4.1 根据产品总体要求分析计算数码相机物镜参数

    4.1.1 计算与CMOS分辨力相匹配的镜头分辨力

    选用的1/2英寸CMOS水平方向的最大像素数是2048个,水平方向尺寸是6.4mm,所以每个像素的宽度是:s=6.42048=0.003125(mm),进而要想分辨开两个像素点必须使镜头能分辨开距离为:m=2s=2@0.003125=0.00625(mm)的两个点,故得照相物镜的理想分辨力[3]:物=10.00625@2=80(lp/mm)

    4.1.2 数码相机的其它参数

    根据设计指标、产品总长及结构空间等的要求确定其焦距fc=59.9mm,相机光学系统总长[55mm。根据1/2英寸CMOS图像传感器的对角线计算确定数码物镜的视场角2X=8.7b,相对孔径D/fc=1/4.8。MTF.75,畸变[1%,无渐晕,焦距调节量:?1.5%[4]。

    4.2 取景器的选型与分析

    4.2.1 确定望远取景器的几何焦深

    根据设计指标和照相物镜的相对孔径D/fc=1/4.8,计算与数码相机的景深(能在相面上获得清晰像 的物空间深度)相匹配的光学取景器的几何焦深(物面位置固定,保证成像清晰所允许的像面在像空间沿轴离焦量)FN0=4.1。这样就很好地做到了数码相机的景深和望远取景物镜/景深0的协调一致。