| infotek | 2021-05-08 09:41 |
連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法一、 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         如果把一個(gè)變焦系統(tǒng)的可沿光軸方向移動(dòng)的組分分成兩組，各自按不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律移動(dòng)的變焦系統(tǒng)被叫做機(jī)械補(bǔ)償式連續(xù)變焦系統(tǒng)，  二、 打入型斷續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 三、 光學(xué)補(bǔ)償式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 四、 機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的基本工作原理 對(duì)成像系統(tǒng)，采用連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)是解決大視場(chǎng)搜索觀察小視場(chǎng)分辨的最佳途徑。由交替固定和相對(duì)活動(dòng)的透鏡或透鏡組組成的光學(xué)系統(tǒng)就是連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)的最前一個(gè)透鏡或透鏡組和最后一個(gè)透鏡或透鏡組都可以是固定的或是活動(dòng)的。變焦系統(tǒng)的最后一個(gè)活動(dòng)組前面的所有固定組和活動(dòng)組的總數(shù)被稱為變焦系統(tǒng)的組分?jǐn)?shù)或組元數(shù)。變焦系統(tǒng)中所有活動(dòng)組分固連在一起沿光軸方向做直線運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)稱作光學(xué)補(bǔ)償式變焦系統(tǒng)。由一部分活動(dòng)組的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償因另一部分活動(dòng)組的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的系統(tǒng)像面位移的變焦系統(tǒng)稱作機(jī)械補(bǔ)償式變焦系統(tǒng)。其中為完成系統(tǒng)焦距變化的活動(dòng)組份叫變焦組，用來(lái)補(bǔ)償因變焦組的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的像面位移的活動(dòng)組分叫補(bǔ)償組。在利用物象交換原則進(jìn)行變焦，用往復(fù)式運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償方式的變焦系統(tǒng)，有著明顯的變焦組和補(bǔ)償組的分工，但利用物象交換原則進(jìn)行變焦，用換根原則單調(diào)方向運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償方式的變焦系統(tǒng)已沒(méi)有嚴(yán)格的變焦組和補(bǔ)償組之分了，因?yàn)榇祟?lèi)變焦系統(tǒng)的兩個(gè)活動(dòng)組分的變焦貢獻(xiàn)相差不大，只是習(xí)慣上稱呼前面的活動(dòng)組為變焦組，后面的活動(dòng)組為補(bǔ)償組。系統(tǒng)的最后一個(gè)活動(dòng)組前面的所有組分也被叫做系統(tǒng)的變焦部分，主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的焦距連續(xù)變化，并保持系統(tǒng)像差的穩(wěn)定不變。后固定組也叫固定部分，他對(duì)系統(tǒng)變焦沒(méi)有貢獻(xiàn)，主要負(fù)責(zé)把整個(gè)系統(tǒng)成像質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)，當(dāng)然后固定組還可以調(diào)整系統(tǒng)的后工作距離和光學(xué)筒長(zhǎng)的作用。 機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)就是由一個(gè)前固定組、一個(gè)變焦組和一個(gè)補(bǔ)償組組成的光學(xué)系統(tǒng)。機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)還可以有一個(gè)后固定組，如圖1。該系統(tǒng)中透鏡組1為前固定組，透鏡組2為變焦組，透鏡組3為補(bǔ)償組，透鏡組4為后固定組。前固定組的焦距值直接影響著系統(tǒng)的總體焦距大小，變焦組和補(bǔ)償組的相對(duì)位置的變化決定系統(tǒng)的焦距變化倍率，即變焦比。補(bǔ)償組的焦距為正值的變焦系統(tǒng)叫做正組補(bǔ)償系統(tǒng)，補(bǔ)償組的焦距為負(fù)值的變焦系統(tǒng)為負(fù)組補(bǔ)償系統(tǒng)。由于該類(lèi)變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于設(shè)計(jì)，其應(yīng)用面也最廣。本文著重論述機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)從理想光學(xué)的高斯計(jì)算、初級(jí)像差平衡、系統(tǒng)像差優(yōu)化方法直到凸輪曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。  對(duì)機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，必須滿足以下要求 1) 均勻改變焦距 系統(tǒng)變焦必須在規(guī)定范圍內(nèi)連續(xù)變化。系統(tǒng)焦距變化范圍可以用系統(tǒng)的最小焦距值和最大焦距值，或者用給定最小焦距值和變焦比規(guī)定。 2) 系統(tǒng)的相對(duì)孔徑基本保持不變 由于系統(tǒng)的相對(duì)孔徑表征著像面的照度，為保證在變焦過(guò)程中像面照度不變，必須保持系統(tǒng)相對(duì)孔徑穩(wěn)定不變。變焦系統(tǒng)的孔徑光欄一般設(shè)在后固定組的位置，因?yàn)榭讖焦鈾谠诠潭ńM上可以保證系統(tǒng)像面總照度維持不變。如果系統(tǒng)孔徑光欄不在固定組上，必須要求該孔徑光欄隨系統(tǒng)變焦而隨時(shí)調(diào)整光欄位置和大小，確保系統(tǒng)像面總照度維持不變。 3) 變焦過(guò)程像面保持穩(wěn)定 在變焦過(guò)程中像面保持穩(wěn)定有兩個(gè)含義，一是保持像面位置穩(wěn)定，二是要求隨著系統(tǒng)焦距的變化系統(tǒng)像面尺寸保持穩(wěn)定。 4) 成像質(zhì)量符合要求 連續(xù)變焦系統(tǒng)和定焦距系統(tǒng)對(duì)成像質(zhì)量的要求不同，不僅要求某個(gè)變焦位置的成像質(zhì)量最佳，還要求所有各變焦位置的成像質(zhì)量穩(wěn)定一致。 1.2 變焦組在變焦過(guò)程中的像面位移分析 機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)中，變焦組在變焦過(guò)程中由于其物象共軛距離的變化不斷產(chǎn)生像面位移。變焦組在變焦過(guò)程中沿光軸方向可以是勻速直線運(yùn)動(dòng)，也可以任意曲線方程規(guī)律作非勻速運(yùn)動(dòng)。圖2給出了正組變焦組在變焦過(guò)程中勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生像面位移的光學(xué)系統(tǒng)示意圖，圖中用虛線   移動(dòng)到 處像面位移的曲線圖。   處變焦組放大率 。變焦組放大率m和變焦比Γ隨物距的變化成二次曲線關(guān)系。     1） 變焦組在變焦過(guò)程中，保持物面不動(dòng)，變焦組緗對(duì)物面沿光軸方向移動(dòng)改變系統(tǒng)總焦距。 2） 變焦組在變焦過(guò)程中，因其物距變化引起像面位移，像面位移量在物距l(xiāng)=-2f處有極值，像面位移曲線從極值點(diǎn)向兩邊延伸，并在l=-f和l=-∝處像面位移趨向無(wú)窮大。像面位移曲線在極值點(diǎn)前后變化速率不同。在極值點(diǎn)前（l=-f～-2f）速率較快，在極值點(diǎn)后（l=-2f～-∝）速率變化逐步緩慢。 3） 像面位移量的大小，在變焦組的焦距值不變的前提下僅和物面位置（物距）有關(guān)。 4） 像面位移曲線是個(gè)二次曲線，對(duì)應(yīng)一個(gè)像面位移量有兩個(gè)不同的物距值，由于這兩個(gè)不同的物距有相同的像面位移量，或者說(shuō)是有一個(gè)相同的共軛距離，通常把這一對(duì)物像點(diǎn)叫做物像交換點(diǎn)。 5） 在像面位移的極值點(diǎn)，物象放大率等于-1（m=-1），物面在極值點(diǎn)和變焦組之間，物像放大率絕對(duì)值大于1（abs(m)>1）,在l=-f處m=∝；物面位置在無(wú)窮遠(yuǎn)和像面位移極值點(diǎn)之間物像放大率絕對(duì)值小于1（abs(m)<1）。在l=∝處m=0。 1.3 補(bǔ)償組在變焦過(guò)程中的像面位移分析 機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)中的補(bǔ)償組，在變焦過(guò)程中的作用就是以自身的物面位移量吻合變焦組的像面位移量，時(shí)刻保持系統(tǒng)像面位置穩(wěn)定。也就是在保持補(bǔ)償組的像面位置不變的前提下，軸向移動(dòng)補(bǔ)償組必然要求相應(yīng)的物面位移，當(dāng)補(bǔ)償組的物面位移和變焦組的像面位移完全吻合時(shí)，變焦系統(tǒng)的像面保持穩(wěn)定不變。機(jī)械補(bǔ)償式三組元連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)補(bǔ)償組在補(bǔ)償過(guò)程中，為補(bǔ)償變焦組產(chǎn)生的像面位移，均以非均勻變化的非勻速運(yùn)動(dòng)形式相對(duì)系統(tǒng)像面運(yùn)動(dòng)。圖8所示為機(jī)械補(bǔ)償式三組元正組補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償組相對(duì)系統(tǒng)像面在作勻速直線運(yùn)動(dòng)示意圖。在圖8中，補(bǔ)償組相對(duì)系統(tǒng)像面變化，即隨像距'l的變化為自變量。為此，有公式（6）、（7）、（8）和（9），并由此公式組繪出圖形如圖9和圖10。    圖10 正組補(bǔ)償在變焦過(guò)程中物象放大率曲線 負(fù)組補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)示意圖及其相應(yīng)曲線如圖（11）、（12）和（13）。 | |