一种微型变焦系统的设计

第7卷 第10期 2007年5月1671 1819(2007)010 2343 04科 学 技 术 与 工 程

Sc i ence T echno logy and Eng i neer i ng

V o l 7 N o 10 M ay

2007

2007 Sci T ech Engng.

机电技术

一种微型变焦系统的设计

谢洪波 张春慧 李保安 郁道银 王向军

(天津大学精仪学院,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072)

摘 要 为适应某些特殊领域对微型化和简单化的需要,运用光学设计软件CODE V,在传统机械补偿式变焦镜头的基础上,结合非球面透镜理论,设计了一个可见光波段的只有一个移动镜的4片式微型变焦系统。此系统具有结构简单、精度高、成本低、体积小等特点,可满足在变焦范围内连续清晰成像的要求。

关键词 变焦系统 非球面 超小型

中图分类号 TH74; 文献标识码 A

变焦距光学系统原理是焦距在一定范围内连续改变,其物面、像面保持不动。应用变焦距系统时,应满足均匀地改变焦距,且在此过程中像面保持稳定,相对孔径基本保持不变等基本要求。变焦距光学系统通常都是由前固定组、变焦组和固定组三个部分组成。变焦组移动改变放大倍率的同时,成像位置也会随之变化;因此,在变焦组透镜移动的过程中,必须有其他的透镜组作像差补偿,以保证在所有变焦位置连续清晰成像。正因如此,目前的变焦系统都较为复杂,透镜数目多,长度和体积也较大。然而,有些特殊领域,需要产品简单化、小型化,甚至微型化,这就使传统的变焦镜头难以胜任。现设计了一个接收器为贫点阵CCD的微型变焦系统,与常用的变焦系统不同,此系统只含有一片移动透镜,没有补偿组,是一个微型化的、可连续清晰成像的变焦系统。

1 原理分析

变焦距光学系统原理是根据 物像交换原则,使焦距在一定范围内连续改变时,其像面基本保持不动。虽然传统的变焦理论已比较成熟,但它并不是可以通用于所有变焦系统的设计,而且传统理论

2006年12月6日收到

第一作者简介:谢洪波(1969!),男,湖南常德人,副教授,博士生,研究方向:成像技术和显示技术。相对繁琐,设计结果也比较复杂。要想做到结构简单并且能连续清晰成像,运用传统变焦理论就显得比较困难了。只有充分研究透镜形状、玻璃材料和它们的光学特性,改进传统设计方法,才可能实现系统的简化和微型化。在像质允许的情况下,尽量降低对像差的要求,从而达到用4至5片透镜起到一个复杂变焦系统所能实现的功能。由于现设计系统的接收器是贫点阵CCD,其像差要求相对较低;因此,尝试固定或删除机械补偿式系统的补偿组透镜,通过合理地优化改进,使得像面的微位移小于焦深,从而达到既结构简单,又能实现在两个视场连续清晰成像的目标。

另一方面,球面透镜对远轴光成像会出现较大的散焦和像差。经过特定设计的非球面透镜则可使远轴光同近轴光一样有良好的聚焦能力,使得成像像质得到极大改善[1]。因为单透镜的球差与透镜两个面的曲率半径分配有关,而非球面各点的曲率值在不同方向上是不同的;所以,可改变镜面曲率来降低系统的球差[2]。换言之,选择可变参数比球面镜多的非球面镜可更好地校正像差。现在的设计正是运用非球面的性质,简化系统的组成。

2 设计过程和结果

2 1 系统设计的总体目标

物镜外形尺寸: 7mm∀21mm或更小,物镜分

科 学 技 术 与 工 程 7卷

辨率:最大视场大于25线对/mm,中间视场大于20线对/mm,变焦范围:全视场为6#!17#,像面尺寸:3mm ∀3mm,物镜结构:∃4片,靠其中一片移动

实现变焦。

2 2 选择初始模型

由于本项设计的要求比较特殊,需要只有一片透镜移动的变焦镜头,且尺寸很小,它既不属于机械补偿式,又不属于光学补偿式变焦系统,没有现成的专利可供参考,因此,选择的初始模型(简称初模)是一个参数较为接近的线性差动机械补偿式变焦镜头

[3!5]

。

(a)广角端位置结构图

(b )望远端位置结构图

图1 初始模型的两个变焦位置的结构图

初模由6片单透镜组成,其优点是构造简单、外

形尺寸小且像质良好[6]

。但它的透镜片数较多且最大口径为18 5mm ,总长为46mm ,距目标参数还较远。因此,对其改进和优化的方法就需要特殊考虑。

2 3 简化并优化初模

首先根据本系统的特点删除初始模型的补偿组透镜,简化并优化成5片式变焦系统;而后根据组合焦距公式将系统中的2片透镜等效为1片,再进行优化,最终设计成为4片式变焦系统。

2 3 1 5片透镜系统的优化

在删除补偿组透镜后,将系统第一片透镜的第一面设为偶次非球面,运用软件CODE V [7]

对其进行优化,得到图2所示的5

片系统的结构图。

(a)

广角端位置结构

(b)望远端位置结构图

图2 含一面非球面的5片式变焦系统二维结构图

2 3 2 简化为4片透镜系统

由于设计的目标要求结构越简单越好,因此,可运用几何光学的组合焦距公式简化系统:

f %=-f %1f %2

(1)

其中f %为等效焦距,f %1和f %2分别为等效前两片透镜的焦距, 为其光学间隔。利用该公式将图2中

后固定组的最后两片透镜合并为等焦距的1片,计算出等效透镜的曲率和间距,替换原系统的最后两片透镜;使系统简化为4片式。2 4 最终设计结果

由于系统透镜片数的减少,使固定组补偿像差的作用有所降低,为改善像质,现将第六面镜也设为偶次非球面。将物镜总长限定为21mm ,再进行改进优化,最终设计结果如图3所示。最终设计结果的所有视场的像差都可以达到25线对/mm 以上,像质较好。优化后系统的像差曲线由图4

给出。

(a)广角端位置结构图

2344