变焦镜头结构形式的最佳选择方法

    1　引　言

    设计变焦镜头在满足各种各样要求的条件下,需要解决光学系统像质好与结构简单化、外形尺寸要小之间的矛盾。好的结构形式应当是既能满足使用要求,又能够尽量做到体积小、结构简单。因此设计的方向就是要考虑这些因素,在满足这些条件下尝试整个设计过程。

    2　从像面位置稳定要求考虑补偿形式的选择

    变焦镜头按补偿方法之不同可分为光学补偿法和机械补偿法两种。

    机械补偿法的变焦距镜头,一般由前固定组1,变倍组2,补偿组3和后固定组4构成。变倍组作线性移动,补偿组作相对少量非线性移动,以达到光学系统既变倍而像面位置又稳定的要求。变倍组一般是负透镜组,补偿组有取正透镜组,也有取负透镜组的,如图1和图2所示。

    机械补偿法的变焦镜头像面位移,从高斯光学计算,总是可以完全补偿的。但凸轮加工误差以及其它加工误差会引起像面偏移。假设变倍组和补偿组之间间隔误差为$d23,则引起像面位移量$lk′,可由下式计算:

    若像面引起位移量$lk′为1焦深,m=1,则允许长焦距之u3最大,要求$d23最小。若u3=0.25,则$d23≤0.008～$d23≤0.01,这样的精度,是完全能够加工完成的。当变焦距系统为大像差系统时,$lk′可以取大于1倍焦深,那么加工要求还可以放宽一些。

    用光学补偿法的变焦镜头像面位移总是不能完全补偿的(除设计规定的几点外),总是有一定的偏移。因而,考虑采用光学补偿法变焦镜头形式时,首先要计算像面最大位移量是否满足使用要求。例如,利用两组运动(线性轴向移动)的四透镜系统的光学补偿,有四个完全补偿点,其最大位移量Ymax由下式计算之[1]:

    式中,fmax为变焦物镜的最大焦距,Zm为最大导程。

    Q为透镜之弯曲,g为变倍比。从上式知道,偏移量与变焦物镜的最大焦距的平方成正比关系,与导程(或变焦物镜长度)成反比,与S即变倍比成正比关系。即光学系统结构尺寸越小,变倍比越大,以及最大焦距越长,则像面位移量越大。

    综上所述,按照像面位移稳定的要求,在一般情况下,光学补偿法宜用于小相对口径和小视场的变焦距设计。若对像面位置不要求固定,即不需要在连续变倍过程中,像面完全补偿的话,光学补偿法可用于大倍率系统。

    3　从外形尺寸和像质要求考虑结构形式

    对于机械补偿法变焦镜头,通过高斯光学计算确定变倍补偿曲线之后,就要考虑选取变倍补偿曲线的段落问题,因补偿曲线形状以及导程(即变倍组的总移动量),对变焦镜头的外形尺寸(即头部尺寸和总长度)和凸轮的曲线形状有很大的关系。所以开始设计时就必须从补偿曲线情况和导程来考虑变倍补偿曲线的选段问题。计算变倍补偿曲线时,不仅计算所需要满足的倍率,还往往使曲线向两头延伸一些计算点,之后再从结构外形尺寸考虑,估量二级光谱以及凸轮曲线的形状等,决定选取变倍补偿曲线的段落问题,对于正组补偿(f3′>0),起算位置应选B2=-1,变倍组B2变化的段落B2=-1到B2=-1/N(N>1,且为正数)。对于负组补偿(f3′<0),起算位置B2=-1/N(N>1,且为正数),变倍组B2变化的段落为B2=-1/N到B2=-M(1<N<M,且为正数)。也就是说正组补偿取非物像交换位置的上半段,负组补偿取近物像交换位置的下半段,尤其短焦距的变焦距光学系统,可以更偏向下半段。