一种微型变焦系统的设计

    变焦距光学系统原理是焦距在一定范围内连续改变,其物面、像面保持不动。应用变焦距系统时,应满足均匀地改变焦距,且在此过程中像面保持稳定,相对孔径基本保持不变等基本要求。变焦距光学系统通常都是由前固定组、变焦组和固定组三个部分组成。变焦组移动改变放大倍率的同时,成像位置也会随之变化;因此,在变焦组透镜移动的过程中,必须有其他的透镜组作像差补偿,以保证在所有变焦位置连续清晰成像。正因如此,目前的变焦系统都较为复杂,透镜数目多,长度和体积也较大。然而,有些特殊领域,需要产品简单化、小型化,甚至微型化,这就使传统的变焦镜头难以胜任。现设计了一个接收器为贫点阵CCD的微型变焦系统,与常用的变焦系统不同,此系统只含有一片移动透镜,没有补偿组,是一个微型化的、可连续清晰成像的变焦系统。

    1   原理分析

    变焦距光学系统原理是根据/物像交换原则0,使焦距在一定范围内连续改变时,其像面基本保持不动。虽然传统的变焦理论已比较成熟,但它并不是可以通用于所有变焦系统的设计,而且传统理论 相对繁琐,设计结果也比较复杂。要想做到结构简单并且能连续清晰成像,运用传统变焦理论就显得比较困难了。只有充分研究透镜形状、玻璃材料和它们的光学特性,改进传统设计方法,才可能实现系统的简化和微型化。在像质允许的情况下,尽量降低对像差的要求,从而达到用4至5片透镜起到一个复杂变焦系统所能实现的功能。由于现设计系统的接收器是贫点阵CCD,其像差要求相对较低;因此,尝试固定或删除机械补偿式系统的补偿组透镜,通过合理地优化改进,使得像面的微位移小于焦深,从而达到既结构简单,又能实现在两个视场连续清晰成像的目标。

    另一方面,球面透镜对远轴光成像会出现较大的散焦和像差。经过特定设计的非球面透镜则可使远轴光同近轴光一样有良好的聚焦能力,使得成像像质得到极大改善[1]。因为单透镜的球差与透镜两个面的曲率半径分配有关,而非球面各点的曲率值在不同方向上是不同的;所以,可改变镜面曲率来降低系统的球差[2]。换言之,选择可变参数比球面镜多的非球面镜可更好地校正像差。现在的设计正是运用非球面的性质,简化系统的组成。

    2 设计过程和结果

    2.1 系统设计的总体目标

    物镜外形尺寸:57mm@21mm或更小,物镜分辨率:最大视场大于25线对/mm,中间视场大于20线对/mm,变焦范围:全视场为6b)17b,像面尺寸:3 mm@3 mm,物镜结构:[4片,靠其中一片移动实现变焦。

    2.2 选择初始模型

    由于本项设计的要求比较特殊,需要只有一片透镜移动的变焦镜头,且尺寸很小,它既不属于机械补偿式,又不属于光学补偿式变焦系统,没有现成的专利可供参考,因此,选择的初始模型(简称初模)是一个参数较为接近的线性差动机械补偿式变焦镜头[3)5]。