机械补偿法变焦距镜头的模块化设计

    引　言

    计算机在光学设计中的应用,使得设计变焦距镜头更方便、快捷。由于变焦镜头的特殊性:变焦过程中既要保证象面位置的一致性,又要保证成象质量,对整个系统的结构尺寸加以限制等。在设计时必须首先考虑采用何种补偿方式、什么样的结构形式以及各组元的焦距分配,这些环节又不是计算机所能完全替代的。在已有的文献[1,2,3]中论及变焦距初始结构的确定(即高斯光学计算),步骤繁琐且修改起来麻烦。本文将介绍用计算机辅助以确定变焦镜头初始结构的方法,即模块化设计方法。此方法在确定变焦镜头的初始结构时,不但步骤简化,而且操作简单方便。

    1　变焦距镜头的模块化设计

    本文主要讨论变焦镜头初始结构(即高斯光学参数)的确定以及关键设计步骤,对于补偿方式的选择和各组透镜的具体设计方法在其他的文献[1]中已有介绍,不再重述。变焦距镜头模块化设计的框图如图1。

    为了更直观地了解变焦距镜头模块化设计过程,采用一实例分步骤进行介绍。

    1.1　技术要求的输入

    变焦镜头的技术要求如下:

    焦　　距: 200～1000mm(即变倍比g=5)

    象方视场: 2y′=50mm

    相对孔径: 1/8

    1.2　确定各组元焦距

    此步是利用小程序ZOOMF来完成。程序要求输入变倍比g,归一化的f′2,起算位置倍率m20,m30,组与组之间的主面最小间隔d12,d23,d34。一般情况下,采用正组补偿方式时,取f′2=-1,m20=-1,m30=-1。变倍过程中,要保证组与组不碰,选取最小主面间隔d12=0.35,d23=0.4,d34=0.4可以满足要求。程序运行情况如下:

    输出的结果中,第四组焦距的确定是假设从其出来的轴上点光束为平行光(即前四组为伽里略系统);X指变倍组的移动量,Y指补偿组的移动量,Length为前四组的长度。

    1.3　根据比例,设计各组元

    此步需要完成各组元的设计。首先根据总体尺寸要求及上一步中计算的长度Length确定变倍组的实际焦距f′2,再根据比例要求设计前固定组、补偿组、后固定组,详细设计过程主要参考文献[1,2]。设计的结果:f′1=473.4113,f′2=-130.5618,f′3= 158.7040,f′4=-356.2942(此处的f′4为四、五组的组合焦距)。此步还需计算各组的主面距离,以备下一步骤使用。

    1.4　计算各焦距位置变倍组与补偿组的移动量

    此步主要是计算凸轮曲线数据,即变倍组与补偿组的移动量。利用程序ZOOMCAM可以计算不同焦距时各项数据。输入数据主要来自于上一步的设计结果,包括前三组焦距f′1,f′2,f′3和主面最小间距d12,d23,另外还需输入系统最短焦距fd,凸轮总的转角A(单位:度)和角度间隔S(单位:秒)。输出数据依次为凸轮转角an、焦距f′、变倍组的移动量x、补偿组的移动量y;短焦距位置变倍组的物距l2d、补偿组的象距l′3d、变倍组与补偿组主面间隔d23d、变倍组、补偿组的导程X,Y。因输出的数据量大,只选择典型的几组数据列在下面。程序运行情况如下: