变焦距镜头最佳像面位移的调整

    引言

    在设计光学系统的部件时,我们用变倍组和补偿组相互按一定规律移动来保证所要求的变焦倍率,同时保证各个不同焦距位置的高斯像面严格一致。实际上,由于高级像差二级光谱的存在,各个焦距位置的最佳像面是不一致的,对二级光谱很大的高倍率变焦距物镜更是如此,如20倍变焦距物镜的最佳像面位移接近0.8 mm。为了得到满意的像质,需对像面作一定的调整。这个问题可以用调整各组间隔的方法解决。

    调整各组之间的间隔,实际上是改变凸轮的运动轨迹,使之尽量符合各焦距最佳像面的位移变化。当各组之间的间隔作小量的改变时,所产生的像差变化远远小于由此引起的像面位移的变化。可以认为,改变各组之间间隔引起的最佳像面的变化量和单色光(如d光)的高斯像面变化量是相同的。因此,我们可以用计算单色光(如d光)的高斯像面位移来计算宽波段光束的最佳像面位移变化。

    1　调整和推算最佳像面位置

    首先根据各焦距的像差曲线确定各焦距的最佳像面位置,由此画出随焦距变化的最佳像面的位移曲线,然后选取3个焦距位置f′a,f′b,f′c。根据这条曲线求出使它们之间像面一致所需要调整的像位移:

Δab=l′5a-l′5b

Δac=l′5a-l′5c

    再代入公式:

    求出d12和d23的变化量$d12和$d23。d12,d23是头部和变倍组及变倍组和补偿组之间的间隔。B25,B35各为变倍组物方到最佳像面及补偿组物方到最后像方的纵向放大率,即:

    u2,u3和u′5在设计过程中往往都已经有了,否则用正切公式很容易求出它们。

    求出$d12和$d23后再用公式

    计算任一焦距位置f′i的像位移,并根据计算出的一系列$l′5i值画出新的随焦距而变化的最佳像面位移曲线。3个焦距的像面重合的位置就是调整后的最佳像面位置。由于有3个可调间隔,经过调整后得出的随焦距而变化的最佳像面位置曲线是一个三次曲线,并有两个极值。3个焦距位置选择不同,得出的结果也不一样,但是最终可以找到3个焦距位置,使像面位移达到最小。

    2　举例并实算最佳像面位置

    下面以20倍的镜头为例。表1列出了不同焦距f′i下的B25和B35值。它们是由设计过程中已知的u2、u3和u′5求得的。图1中的实线为从像差曲线得出的随焦距而变化的最佳像面位移曲线。由于焦距范围太大,我们选取变焦倍率为纵坐标。20倍对应的焦距为500 mm,1倍对应的焦距为25 mm。