连续变焦距镜头结构设计及焦距实时输出分析

    引言

    随着现代光学技术的发展,以及人们在生产实践活动领域的不断扩展和深入,要求观测设备对运动目标进行观测时,既要实现对快速小型运动目标的近距离捕获(大视场),又能对中低速运动目标实行远距离捕获(小视场)。但由单一定焦距组成的观测系统无法对两种要求同时兼顾,因此变焦距光学系统受到广泛关注和使用[1-2]。变焦距系统是指焦距在一定范围内连续变化时,像面位置始终保持不动、像质保持良好的光学系统。目前,变焦距光学系统在变焦过程中要保持像面的稳定、像质的清晰,从原理上来讲有光学补偿法变焦系统和机械补偿法变焦系统两种。其中光学补偿变焦系统是指在变焦距物镜中用几组透镜作变倍和补偿时,各透镜组的移动按同向等速进行,因此只需用简单机械结构把各透镜组连在一起做线性运动即可;机械补偿式是指各运动组元按不同的运动规律作相对复杂的对应移动,最终达到防止像面移动的目的。然而,光学补偿法变焦系统的成像像面并不在恒定的平面内,是以一个理想像面为中心的曲线,即成像像面与理想像面之间有一定的位移量,只有像面位移量小于系统焦深时,才能得到稳定清晰的像面,因而在使用中受到很多限制[3-4]。机械补偿式变焦距系统是通过补偿组作相对小的非线性运动来弥补变倍过程中像面位置的移动,使之达到既变焦像面位置又相对稳定的目的。本文针对机械补偿式结构进行探讨,以典型的机械补偿式三运动组元变焦距光学系统为例,从结构形式的实现,到变倍过程中整个光学系统焦距值实时输出的精度问题等进行分析,为今后变焦距镜头的设计和装调提供借鉴和参考。

    1　变焦距系统原理及组成

    机械补偿式变焦距光学系统在变焦过程中,各透镜组的的运动规律各有差异。图1给出了一个典型的三组元变焦距光学系统示意图。当被测目标在无限远的情况下,光学系统可以用焦距参数f′表示。其中镜组a,b,c,d分别是光学系统的前固定组、变倍组、补偿租和后固定组[5]。

    光学系统中组元a为前固定组,其作用是给系统提供固定的像;组元b为变倍组,担负着系统的变倍作用;组元c为补偿组,按一定的曲线轨迹作非线性运动,以补偿变倍组在变倍过程中所产生的像面移动;组元d为后固定组,用于将补偿组的像转化为系统的最后实像,并调整系统的合成焦距值、设备孔径光阑,保证在变焦运动中系统的相对孔径不变,补偿前3组透镜的剩余像差,使整个系统成像质量达到最佳状态。

    从图中可以看出,前固定组a和后固定组d在整个变焦过程中保持不动,当变倍组元b在组元a、d之间移动时,为保证最后像面的稳定,补偿组元c作相应的非线性移动,此时整个光组组合物镜的焦距值随之改变。虽然可以用光组组合方法来分析计算系统光学参数及其外形尺寸,但通常利用变倍组和补偿组移动(即改变各镜组之间的间隔,使变倍组和补偿组的倍率变化)时必须满足的函数关系,来确定变焦过程中的变倍曲线和补偿曲线。