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2021-08-31 10:16

連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

摘要：本文介紹了連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的基本工作原理以及光學(xué)設(shè)計(jì)方法的全過(guò)程。其中包括變焦和補(bǔ)償方案的選擇、高斯光學(xué)各組元焦距分配、外形尺寸計(jì)算、初級(jí)像差平衡、PW求解、初始結(jié)構(gòu)參數(shù)確定、系統(tǒng)實(shí)際像差自動(dòng)平衡，直到凸輪曲線優(yōu)化設(shè)計(jì)等。文章以圖形和公式說(shuō)理，用OCAD光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)軟件為工具，全面介紹三組元連續(xù)變焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及過(guò)程。關(guān)鍵詞變焦系統(tǒng) 機(jī)械補(bǔ)償像差平衡凸輪優(yōu)化設(shè)計(jì) OCAD光學(xué)設(shè)計(jì)程序
一、連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的基本工作原理在日常生活或軍事觀察中有時(shí)會(huì)想在一定圖象畫(huà)面內(nèi)了解較大范圍的目標(biāo)全貌，有時(shí)又需要在一個(gè)較小范圍內(nèi)觀察目標(biāo)圖象的具體細(xì)節(jié)。從光學(xué)設(shè)計(jì)的角度說(shuō)，就是要求一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)在像高大小不變時(shí)，可以改變物面尺寸大小。由光學(xué)系統(tǒng)能量守衡定律，拉氏不變量

可以看出，對(duì)同一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，無(wú)論在物方還是像方甚至中間任意一個(gè)光學(xué)表面都要遵循這個(gè)拉氏變量J不變的原則。對(duì)于照相（望遠(yuǎn)）物鏡而言，上式可以寫(xiě)成

的形式。又由于光學(xué)系統(tǒng)的焦距計(jì)算公式為

這樣又有關(guān)系式

這就意味著要改變物方視場(chǎng)就必須通過(guò)改變系統(tǒng)焦距來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就是可變焦距光學(xué)系統(tǒng)的由來(lái)。一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)影響其焦距變化的因素也很簡(jiǎn)單，因?yàn)橄到y(tǒng)焦距只是組成該系統(tǒng)的各表面的表面半徑（曲率）、間隔以及其光學(xué)材料的折射率的函數(shù)，即

為此，要改變光學(xué)系統(tǒng)焦距必須通過(guò)改變組成系統(tǒng)的表面半徑（曲率）、間隔以及其光學(xué)材料的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)變焦，最古老的也是最有效的方法就是提高改換光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部分光學(xué)零件來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如對(duì)一個(gè)顯微系統(tǒng)，可以更換不同焦距的顯微物鏡或不同焦距的目鏡實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@樣有限數(shù)量的整組物鏡或目鏡的更換，對(duì)一個(gè)顯微鏡而言，其放大倍率的改變自然也是有限的和不連續(xù)的。還有一種是不改變光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)光學(xué)零件，也就是不改變光學(xué)系統(tǒng)的各表面半徑和材料折射率，而僅是通過(guò)改變各光學(xué)零件之間的空氣間隔，即改變參數(shù)d改變系統(tǒng)焦距，這樣就可以連續(xù)無(wú)間斷地獲得一個(gè)變焦光學(xué)系統(tǒng)。為此變焦光學(xué)系統(tǒng)就分為兩大類(lèi)。前者被稱(chēng)作斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，后者叫做連續(xù)變焦系統(tǒng)。斷續(xù)變焦系統(tǒng)還可以分成幾種不同類(lèi)型，比如通過(guò)打入（出）一組或多組光學(xué)零（部）件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)兩個(gè)不同焦距變化的變焦的光學(xué)系統(tǒng)被稱(chēng)做打入型斷續(xù)變焦系統(tǒng)；

可以分多組以不同順序多次打入（出）不同光學(xué)光學(xué)零（部）件，每打入（出）一組光學(xué)零（部）件就可以獲得一次不同系統(tǒng)焦距變化的變焦系統(tǒng)，被稱(chēng)做多組打入型斷續(xù)變焦系統(tǒng)。

還有一種是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部分光學(xué)零（部）件沿光軸方向移動(dòng)，改變光學(xué)間隔以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)焦距變化，但在移動(dòng)過(guò)程中只能在幾個(gè)特定位置上保持系統(tǒng)像面大小和位置不變切成像質(zhì)量滿足要求的變焦系統(tǒng)被稱(chēng)做改變間隔型斷續(xù)變焦系統(tǒng)，無(wú)論那種斷續(xù)變焦系統(tǒng)，在其變焦過(guò)程中都要求系統(tǒng)像面大小幾像面位置不變，而且還要求在變焦過(guò)程中系統(tǒng)成像質(zhì)量滿足使用要求。連續(xù)變焦系統(tǒng)同樣也可以分成幾種不同類(lèi)型的變焦系統(tǒng)。比如把光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)一部分光學(xué)零（部）件保持位置不變，另一部分相對(duì)固連在一起和位置不動(dòng)的部分分別相間沿光軸方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)焦距連續(xù)可變的系統(tǒng)被稱(chēng)為光學(xué)補(bǔ)償式連續(xù)變焦系統(tǒng)。