变焦镜头结构形式的最佳选择方法

文章编号: 1005- 5630 (2004) 01- 0034- 05 变焦镜头结构形式的最佳选择方法Ξ 金逢锡, 金虎杰 (延边大学理工学院物理系, 吉林 延吉 133002) 　　摘要: 从几个方面介绍了对结构型式的选择考虑方法, 具体地分析了每种方法对结构 设计产生的不同效果。为此在设计之前 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 考虑各种因素, 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, 最终选择最佳设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 , 使之达到所要求的目的。 关键词: 变焦镜头; 变倍组; 补偿组; 高斯光学 中图分类号: TB 851+ . 1　　　文献标识码: A Structura l style′s the best select dev ice of var i-focus len s J IN F eng 2x i, J IN H u2j ie (D epartm en t of Physics, Science and Engineer Co llege, Yanb ian U n iversity, Yan ji 133002, Ch ina) 　　Abstract: T h is paper p resen ts select ing best device of st ructu ra l design from severa l aspects. It be ana lyzed concretely tha t each th ink ing m ethod p roduces d ifferen t resu lt to design of st ructu ra l style. It m u st be th inked all k inds of circum stances befo re design fo r being so lved con trad ict ion am ong tha t im age is sharp ly focu sed and structu re is sim p le and vo lum is sm all. F ina l p lan of best design be selected and m ake it be m et dem and w hat w e w an t. Key words: vari2focu s len s,m u lt ifoca l len s group , com pen sa t ing len s group , Gau ssian op t ics 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 ∃d 23, 则引起像面位移量 ∃ lk′, 可由下式 计算: 第 26 卷　第 1 期 2004 年 2 月 　　 光　学　仪　器 O PT ICAL IN STRUM EN T S V o l. 26,N o. 1 Fedruary, 2004 Ξ 收稿日期: 2003205229 作者简介: 金逢锡 (19632) , 男 (朝鲜族) , 吉林延吉人, 副教授, 学士, 主要从事光学设计及检测方面的研究。 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. nk′u′2k ∃ lk′= - n3u 23∃d 23= m Κ (1) 若像面引起位移量 ∃ lk′为 1 焦深,m = 1, 则允许 ∃d 23= Κ n3u 3 2。长焦距之 u 3 最大, 要求 ∃d 23最小。若 u 3= 0. 25, 则 ∃d 23≤0. 008～ ∃d 23≤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 Y m ax由下式计算 之[ 1 ]: Y m ax= Ηf 2m axZm (2) 式中, f m ax为变焦物镜的最大焦距, Zm 为最大导程。 Q = 0. 001284ûΣû 5 [ (1- 1. 224Σ2+ 0. 778Σ4) + 0. 147Σ(1- 1. 11Σ2+ 0. 88Σ4) ] [ 2 ] (3)Σ= ±g - 1g + 1 (4) g = f ′m ax f ′m in (5) 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 Σ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 (f 3′> 0) , 起算位置应选 Β2= - 1, 变倍组 Β2 变化的段落 Β2= - 1 到 Β2= - 1öN (N > 1, 且为正 数)。对于负组补偿 (f 3′< 0) , 起算位置 Β2= - 1öN (N > 1, 且为正数) , 变倍组 Β2 变化的段落为 Β2= - 1öN 到 Β2= - 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。 头部正组焦距 f 1′及后固定组焦距 f 4′与组与组之间最小间隔有关[ 3 ]。如正组补偿的变焦距: f 1′= l2m ax+ d 12m in (6) f 4′= l3m in- d 34m in (7) f 5′= h 4öu k′ (8) 前固定组和后组之焦距不能影响总倍率的变化, 但可影响总焦距在特定范围内的变化。前固定组要使 被拍摄的物体落在变倍组的物点上, 而在变倍时两组不能相碰来考虑 d 12m in量。后固定组要使从补偿组出 来的像, 按特定的焦距变化范围落在胶片上, 且在变倍时不能与补偿组相碰来选取 d 34m in。但组与组之间最 小距离的选择是否恰当, 要根据透镜组前主面和其第一面, 或后主面和其最后一面之距离量来决定。所以, 从薄透镜变为实际透镜组时, 往往有时主面距 dm in小了, 镜面相碰; 有时主面距 dm in大了, 空隙多了, 需要重 新给定 dm in , 再调整一下高斯光学计算。 ·53·第 1 期 金逢锡等: 　变焦镜头结构形式的最佳选择方法 　 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 若变倍组焦距取一样, 且变倍补偿曲线按上述选段时, 则正组补偿与负组补偿比较, 正组补偿细而长, 负组补偿短而粗, 负组补偿二级光谱和光阑球差均比正组补偿大, 负组补偿法变焦距镜头之补偿组结构简 单。一般情况下对于小视场和只要求在可见范围 (C, D , F 线) 消色差, 即对光阑球差和二级光谱降低要求 的情况下, 可选负组补偿法。对于大视场的光学系统, 或焦距较长的大倍率光学系统 (如 20 倍物镜或者更 大倍率的光学系统) , 考虑需要的镜头通光口径小和二级光谱小, 采用正组补偿法较好。从设计结果来看, 正组补偿的像质量比负组补偿好。因此, 目前设计的 16mm 电影镜头 (f ′= 8×12. 5, 1ö2. 2, 2Ξ= 54°～ 7°) , 35mm 电影镜头 (f ′= 10×25, 1ö3. 5, 2Ξ= 57°～ 6°) 和 35mm 电影镜头 (f ′= 20×25, 1ö4, 2Ξ= 57°～ 3°) 均 采用了正组补偿法变焦镜头。图 1 是正组补偿的变倍补偿系统, 图 2 是负组补偿的变倍补偿系统, F 点表 示变倍组的物点, 即为被摄的物体经头部固定组所成的像点, F′表示 F 点经变倍组和补偿组后的像点, 2 代表变倍组, 3 代表补偿组。 图 1　正组变倍补偿系统　　　　　　　　　　　　　　　　图 2　负组变倍补偿系统 4　从变倍组焦距大小的影响考虑外形尺寸 在像质允许的情况下, 应尽量缩小变倍组的焦距。例如, 正组补偿变焦距物镜, 轴上光线从第四组 (即 后固定组为第一组) 出来为平行光, 即前四组为无光焦度系统, 也就是望远系统。当望远系统各焦距缩小 时, 望远系统之倍率不变, 则 h 4 不变。最后一组焦距 f 5′不变, 则 Λ5′不变, 整个系统焦距不变。而这时头部 的通光口径与变倍组的焦距成正比例缩小。比如, 当变倍组焦距取 40mm 时, 头部通光口径为 120mm , 若 变倍组焦距缩小 018 倍, 即 f 2′= - 32mm , 则需要的头部口径为 96mm , 这是很可观的。因为体积与口径成 平方关系, 若长度缩短不计之, 则体积为原来的 0. 64 倍。变倍组焦距的选择主要由长焦距的轴外宽光束像 差允许量决定。因为主光线之高度 h p 随其焦距缩小而缩小, 故当 f 2′缩短时, 细光束之像差减少, 而轴上光 线在各组上高度 hp 不变, 则各组所负担的相对口径增大。孔径光束之像差, 主要是由长焦距轴外孔径光束 之像差 (H ′—tgΛ′)弥散加大决定的。 在结构形式选定之后, 考虑变倍组焦距该取何值, 需要考虑像差的校正, 了解长焦距像质的大概情况, 决定 f 2′放大或缩小某一比例。根据过去的一些设计经验, 一般情况下, 变倍组焦距取值范围在: Fm in′< f 2′≤2Fm in′ (9) Fm in 为变焦距系统最短的焦距。在大倍率的情况下, û f 2′û取大些。如 20 倍变焦距, û f 2′û = 45mm 为1. 8Fm in。如10倍变焦距 (f ′= 10×25, 1ö3. 5, 2Ξ= 57°～ 6°) , 取f 2= 35mm , 为1. 4Fm in。在大相对孔径下,û f 2′û取大些。如 16mm 8 倍变焦距 (f ′= 8×12. 5, 1ö2. 2, 2Ξ= 54°～ 7°) , 取û f 2′û= 23mm , 为 1. 84Fm in。下 面对结构形式的选择趋向, 举一个具体设计例子 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 。 5　用高斯光学计算法设计举例 5. 1　设计 6 倍工业电视变焦距镜头, 设计要求如下: 焦距: f ′= 6×10. 5 (即 10. 5mm～ 63. 3mm ) ·63·　 光　学　仪　器 第 26 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 相对孔径: F = f ′ö4 有效画面: <= 15. 8mm 2Ξ= 74°～ 14° 调焦距离: 从 1m 到无限远 光谱范围: 可见光谱 5. 2　从高斯光学计算考虑选择结构形式 选择双组联动光学补偿法, 根据 g = 6, Fm ax = 63. 3mm , 当导程取 Zm = 50mm 时, 像面最大偏移量为 Y m ax= 0. 0124mm。从焦深为 0. 032mm 来看, 可采用双组连动补偿法。但由于视场角大, 前两组需要的通光 口径比焦距大两倍。显然, 这种结构形式不利于像差的校正。考虑视场角特大, 2Ξ= 74°, 最近拍摄距离为 1m (指物和像面距离) , 采取在机械补偿法变焦距物镜前加一负光焦度的调焦组, 使轴外光线之角 upm ax , 经 负调焦组后变小。且对近距离目标调焦时, 由于角 up 之减少, 调焦组往外拉, h p 上升不多, 需要的通光口径 并不增大很多。 调焦组的焦距 f 0′, 一般选择范围是[ 4 ]: f 1′< f 0< 2f 1′ (10) f 1′为头部正组焦距。当光学系统视场角特大且孔径角相应减少时, 调焦组之焦距可取短些。主要考虑 最大视场角经调焦组后, 应不超过 28°。一般取 upm ax< 25°～ upm ax< 28°。设计结果如图 1 所示。图中 0 表示 负调焦组, 1 表示前固定组, 2 表示变倍组, 3 表示补偿组, 4 表示后固定组。 图 3　六倍变焦距镜头结构形式设计图 (1)为使凸轮不存在拐点, 变倍补偿曲线从 Β2= - 1 开始, 取上半段。 (2)取变倍组的焦距 f 2′= - 25mm。其轴外光线最大的相对孔径 2hpm axöf 2′= 1ö0. 97。 (3)各组焦距的比例关系: û f 0′û= 1. 17f 1′ f 1′= 2f 2 f 3′= 1. 3f 2 f 4′= 1. 485f 2′ f 5′= 1. 346f 2 (4)外形尺寸: 最大的通光口径: <1m ax= 90mm 机械总长 (包括调焦量) : ∑d = 262mm 后工作距离: lk′= 30. 95mm 6　结　论 总之, 变焦距的结构形式考虑方法很多, 现只对一些典型的情况做了介绍, 具体情况可根据具体的用 途来考虑和设计。对于每种设计程序, 因它考虑的因素较多, 所以它们各自都存在一些不足与缺陷。如: 由 于各种像差的影响而使结构形式复杂化的问题; 由于各透镜组之间的倍率和焦距的相互关联而出现相互 ·73·第 1 期 金逢锡等: 　变焦镜头结构形式的最佳选择方法 　 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 不搭配的问题; 由于结构限制而影响像质的问题等。因此, 要设计好一个光学系统, 必须根据它的具体使用 情况和范围, 综合考虑, 解决好光学系统即要像质好、结构简单化、外形尺寸要小之间的矛盾。当然对于外 形尺寸没有严格限制的, 可适当提高光学系统的一些设计参数, 以利于提高成像质量。 7　参考文献 [ 1 ]　N eil I A. Op tim ization glitches in zoom lens design [J ]. SP IE, 1997, 3129: 158～ 180. [ 2 ]　袁旭沧. 光学设计[M ]. 北京: 科学技术出版社, 1983. [ 3 ]　M asumo to H. D evelopm ent of zoom lens fo r cam era and technical top ics[J ]. SP IE, 1998, 3482: 202～ 212. [ 4 ]　王之江. 光学技术手册[M ]. 北京: 机械工业出版社. 1994. 消　　息 光子晶体改善中红外辐射的发生 在硅片中设计的一种光子晶体使得用户能够有控制地产生中红外辐射, 由美国 Ion 光学公司研制的 这种发射器正准备投入环境监测应用。据有关专家解释说, 中红外辐射一般由热灯丝、发光二极管或者量 子级联激光器发生。该公司的研究人员在一块硅片上先覆盖一层玻璃, 然后再覆盖一层黄金或者一层铂 金。利用光刻技术, 他们在硅片上刻蚀了一些微米大小的孔洞构成的图形, 刻蚀的深度为 5Λm。这种结构 使得硅片成为一个红外发射器, 其输出波长取决于晶格的尺寸和位置。 当硅片受到加热时, 其作用犹如一根热灯丝, 并且产生宽谱黑体辐射。光子晶体对辐射光谱进行整形, 使其中心波长定在由晶格决定的谐振波长处, 但这种器件并非对黑体辐射进行简单的滤波。光子激发被遮 盖的金属界面处的等离子体激元, 并使它们与表面的等离子体激元耦合, 后者因衰变而释放窄波段的中红 外辐射。 为了驱动发射器, 研究人员最初把发射器放在一块 325℃的热金属板上。现在他们已把发射器插入一 块有小孔的金属板, 并且用电来驱动它。 Ion 光学设备公司的研究人员现已用这种发射器制成可探测甲烷 和二氧化碳的气体传感器样机, 但传感器的分辨力还不够高, 仅为 1000ppm。为了提高传感器的分辨力, 他们打算改进发射器的带宽并增加其发射强度。 (摘自《红　外》) ·83·　 光　学　仪　器 第 26 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.