短焦距变焦物镜设计

    0 引言

    短焦距变焦物镜在广角监控、数码摄像、医疗诊断、公安侦察等领域有广泛的应用,但短焦距变焦系统设计的公开报道较少,其特点是焦距短、视场大、结构要求紧凑,大多采用机械补偿式,高斯初始结构的选取尤为重要1文献[1]提出曲线拟合法选取高斯结构,但不能对结构做定性分析,不能实现快速变焦;文献[2]提出了微分解析法选取初始高斯参数,可定性分析结构,但没有给出快速变焦实现的条件及实现途径1本文解决了以上问题,并用于指导初始结构设计,与同类专利相比,系统的长度减小,同时保证了相同相对孔径并扩大了视场,满足了使用要求。

    1 设计方法

    快速变焦是指通过选取合适的变倍组、补偿组垂轴放大率Bi,找到最短途径实现变焦.机械补偿式连续变焦系统中,变焦组元都满足方程

    选取适当fc2、fc3、B2l,再取一适当d23l,使变倍、补偿组元长焦时不会相碰,得

    式中fc2、fc3分别为变倍组、补偿组焦距;B2l、B3l分别为长焦时变倍组、补偿组垂轴放大率;d23l为长焦时变倍组、补偿组之间距离。

    令变倍组作线性移动,移动量为N,得B2=

    由式(1)、(2)可得如下方程

    当B2=-1时(根1舍)B3有最小值,由式(7)知B3有2根,且满足,可知其轨迹为两对称曲线,对称点的距离随着b的值而变化,式(5)中,当b=-2时B3两根相等为-1.图1(a)直线代表B2变化轨迹,曲线为B3变化轨迹,此时两曲线相切(图1(b)),曲线相切为实现快速变焦的必要条件.当|b|>2时B3两根不相等,此时两曲线无切点,不能实现换根,若在此情况下设计,B3一般取B31>-1段(图1(a)),不能取B31<-1段,此段为最慢变焦1

    快速变焦另外一个条件是:变倍组、补偿组同时实现物像交换,即为补偿组长短焦垂轴放大率;在图1(b)中快速变焦途径为B31>-1段及切点对称B32<-1段(图中实线部分),若B31曲线与B32曲线对称于切点,此途径为快速变焦途径。

    求出补偿组移动量为D=fc3(B3-B3l),此时系统的总变焦比当S达到要求时可停止搜索。

    恰当利用以上规律可以设计出外形尺寸紧凑的系统,以下举例说明其应用1

    2 实例分析

    现设计一焦距3.87mm~19.35mm,视场76.6b~17.71b大视场可见光变焦系统.,要求结构尽可能紧凑。

    2.1 求解最速变焦高斯结构

    将fc2取规划值-1,取fc3=1.4;B2l=-1.1.B3=-1时b=-2,带入式(5),得

    解得:B3l1=-1.084,B3l2=-0.923,带入式(3)求出d23l为:d23l1=0.592,d23l2=0.817.

    选择d23l较长的那组解,长焦时变倍组补偿组不会相碰,此时B3l=-0.923,d23l=0.817,利用式(2)~(7)可得S=5时,N=1.4,D=0.6.