内调焦摄远镜头的光学设计

    长焦距镜头(即摄远镜头)具有适于远距离拍摄等优点,越来越多地为摄影爱好者、新闻工作者所喜爱。但我国市场上的摄远镜头一向为国外所垄断,为填补国内空白,开发了具有国内自主知识产权的摄远镜头,即焦距fc=500 mm、相对孔径F=1/415的摄远镜头(以下简称f500/F415镜头)。

    由于摄远镜头的焦距长,结构复杂,二级光谱色差大,因此长期以来在设计和制造上都具有一定的难度。早期的f500镜头多为f500/F8镜头,其相对孔径较小,因而在结构上比较简单,多采用外调焦方式。为了提高像面照度,f500/F8镜头已不能满足市场的需求。近几年来,随着设计水平和光学零件加工工艺的提高,大相对孔径的镜头已逐渐进入市场。

    长焦距镜头的设计难点有三个方面:一是摄远比很难缩短;二是二级光谱色差很难校正;三是调焦方式比较特殊。经过调研,笔者确定f500摄远镜头的设计指标为

    焦距:fc=500 mm

    相对孔径:1B4.5

    视场角:5b

    最近摄影距离:5 m

    调焦方式:内调焦

    成像质量:高于国家标准GB9917-88规定的J0级镜头标准

    2 二级光谱特性[1]

    任何两种色光在一定位置校正后,对第三种色光的剩余色差来说可看作是二级光谱色差。其几何像差及波像差的图形如图1所示。

    把D光线的边缘校正到零,C光线与F光线在0.707带相交,交点到D光线01707带顶点的距离代表二级光谱的几何值。几何像差的积分即为波像差。双胶合透镜的二级光谱色差为

    消色差的条件为

    用几何像差表示为

    对于非胶合透镜来说则可表示为

    式中,h表示第一近轴光线在光学系统上的高度,其中h1,h2表示第一近轴光线分别在光学系统第一面和第二面上的高度;U表示系统的光焦度,其中Uc1表示双胶合透镜中第一片的光焦度,Uc2表示双胶合透镜中第二片的光焦度;fc表示系统的焦距;M1和M2分别表示双胶合透镜中第一片的阿贝数和第二片的阿贝数;nF表示F光线的折射率;nC表示C光线的折射率;nK表示第三种光线的折射率;$M=M1-M2;$P = (U1/M1)[(nF-nK)/(nF- nc)]+(U2/M2)[(nF- nK)/(nF- nc)]。

    色散差与阿贝常数差的比值来确定的,因此只有相对色散小,色散差与阿贝常数差的比值来确定的,因此只有相对色散小,阿贝常数又足够大的玻璃组合,才能较好地校正二级光谱。但绝大多数玻璃的色散和阿贝常数之间可用线性关系表示: