內(nèi)調(diào)焦攝遠角度光學設計

內(nèi)調(diào)焦攝遠角度光學設計

1攝遠鏡頭f00/f.5長短距離攝像頭（即遠距離攝像頭）具有遠距離攝影的優(yōu)點，越來越受到攝影愛好者和記者的喜愛。但我國市場上的攝遠鏡頭一向為國外所壟斷,為填補國內(nèi)空白,開發(fā)了具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權的攝遠鏡頭,即焦距f′=500mm、相對孔徑F=1/4.5的攝遠鏡頭(以下簡稱f500/F4.5鏡頭)。由于攝遠鏡頭的焦距長,結構復雜,二級光譜色差大,因此長期以來在設計和制造上都具有一定的難度。早期的f500鏡頭多為f500/F8鏡頭,其相對孔徑較小,因而在結構上比較簡單,多采用外調(diào)焦方式。為了提高像面照度,f500/F8鏡頭已不能滿足市場的需求。近幾年來,隨著設計水平和光學零件加工工藝的提高,大相對孔徑的鏡頭已逐漸進入市場。長焦距鏡頭的設計難點有三個方面:一是攝遠比很難縮短;二是二級光譜色差很難校正;三是調(diào)焦方式比較特殊。經(jīng)過調(diào)研,筆者確定f500攝遠鏡頭的設計指標為焦距:f′=500mm相對孔徑:1∶4.5視場角:5°最近攝影距離:5m調(diào)焦方式:內(nèi)調(diào)焦成像質(zhì)量:高于國家標準GB9917-88規(guī)定的J0級鏡頭標準2系統(tǒng)的焦距校核任何兩種色光在一定位置校正后,對第三種色光的剩余色差來說可看作是二級光譜色差。其幾何像差及波像差的圖形如圖1所示。把D光線的邊緣校正到零,C光線與F光線在0.707帶相交,交點到D光線0.707帶頂點的距離代表二級光譜的幾何值。幾何像差的積分即為波像差。雙膠合透鏡的二級光譜色差為消色差的條件為則有用幾何像差表示為對于非膠合透鏡來說則可表示為式中,h表示第一近軸光線在光學系統(tǒng)上的高度,其中h1,h2表示第一近軸光線分別在光學系統(tǒng)第一面和第二面上的高度;φ表示系統(tǒng)的光焦度,其中φ′1表示雙膠合透鏡中第一片的光焦度,φ′2表示雙膠合透鏡中第二片的光焦度;f′表示系統(tǒng)的焦距;ν1和ν2分別表示雙膠合透鏡中第一片的阿貝數(shù)和第二片的阿貝數(shù);nF表示F光線的折射率;nC表示C光線的折射率;nλ表示第三種光線的折射率;Δν=ν1-ν2;ΔP=(φ1/ν1)[(nF-nλ)/(nF-nc)]+(φ2/ν2)[(nF-nλ)/(nF-nc)]。在焦距一定的情況下,由于二級光譜是由兩塊玻璃的相對色散差與阿貝常數(shù)差的比值來確定的,因此只有相對色散小,阿貝常數(shù)又足夠大的玻璃組合,才能較好地校正二級光譜。但絕大多數(shù)玻璃的色散和阿貝常數(shù)之間可用線性關系表示:式中,Pxy表示相對部分色散;Axy,Bxy表示常數(shù);νd表示阿貝數(shù)。此式不能滿足校正二級光譜色差的要求。若要校正二級光譜色差,則至少要選擇一種偏離此線性關系的玻璃。由于二級光譜正比于f·NA2,對于長焦距鏡頭來說,焦距較長,二級光譜色差很大,若校正不好,則會給系統(tǒng)帶來很大的像差,所以無法達到較好的成像質(zhì)量。因此在設計f500/F4.5鏡頭時,要充分考慮二級光譜色差的影響,選擇合適的超低色散玻璃。3光學結構類型與聚焦成像方法3.1遠攝比的確定對于f500/F4.5鏡頭的設計來說,為了縮短物鏡的尺寸,達到較小的遠攝比,必須采用遠距型結構。在遠距型結構中,正光焦度的透鏡組在前,負光焦度的透鏡組在后,使整個系統(tǒng)的主面移出物鏡之外,如圖2所示。這種結構的物鏡筒長即物鏡前表面到焦平面的距離小于焦距,從而縮小了物鏡的軸向尺寸。對遠距型結構的高斯光學可作如下分析。其中,h1和h2分別表示第一近軸光線在第一鏡組上的高度和在第二鏡組上的高度;hp1表示第二近軸光線在第一鏡組上的高度;u1表示物方孔徑角;u′1表示第一鏡組的像方孔徑角u2=u′1;u′2表示像方孔徑角;up1表示物方視場角;u′p1表示第二近軸光線經(jīng)過第一鏡組后的孔徑角;l′表示像距;f′表示系統(tǒng)焦距;d表示系統(tǒng)的高斯間隔;φ′1和φ′2分別表示第一鏡組的光焦度和第二鏡組的光焦度;f′1和f′2表示第一鏡組的焦距和第二鏡組的焦距;L表示系統(tǒng)總長。令h1=1,u′2=1,f′=1,up1=-1,則當主光線通過后組主點時,前組主光線的角放大率為Mu=u′p1/up1前組軸外光線偏角為前組軸上光線偏角為u′1-u1=h1φ′1h2=h1-du′1=1-dφ′1后組軸上光線偏角為u′2-u2=h2φ2則有當后截距l(xiāng)′不變時,縮短前后組的間隔,前組光焦度φ′1增大;d不變時,縮短l′,φ′1增大。由于前組承擔的偏角大于整組的偏角,因此,結構越緊湊,前組承擔的偏角越大,其結構越復雜。設計中的一個關鍵的參數(shù)是遠攝比,遠攝比小,結構緊湊,但像差校正困難。遠攝比大,像差校正容易,但結構尺寸較大。因此,遠距物鏡的遠攝比至關重要,選擇合適的遠攝比對于鏡頭的設計來說是很關鍵的。根據(jù)定義,遠攝比為前組與后組的光焦度與前后組之間的距離有如下關系:考慮到結構的復雜性以及實際的應用,選擇遠攝比為0.70,以d作為變量,在遠攝比一定的情況下,求出前組和后組的光焦度。3.2分組調(diào)焦法常見的鏡頭調(diào)焦類型有整組調(diào)焦和分組調(diào)焦兩種,而分組調(diào)焦又包括前組調(diào)焦,內(nèi)調(diào)焦和后組調(diào)焦等。本方案采用內(nèi)調(diào)焦方式,這是因為它有許多優(yōu)點的緣故。(1)拍攝需要改變的鏡頭,包括拍攝筒的筒長和前組整組調(diào)焦和前組或后組調(diào)焦時,物鏡的筒長都會改變,并且改變的趨勢當都是由無窮遠到近距離時,鏡筒的筒長變長,這樣會使整個鏡頭變長,且在整組和前組調(diào)焦時,由于鏡筒變長,光線的高度在鏡頭的第一個面變大,會使鏡頭的外徑變大,使整個系統(tǒng)很龐大。而采用內(nèi)調(diào)焦方式調(diào)焦時,調(diào)焦組在鏡筒的內(nèi)部運動,筒長不變,當從無窮遠到近距離調(diào)焦時,鏡頭的外徑改變不大。(2)調(diào)焦量表1采用內(nèi)調(diào)焦方式,其調(diào)焦量一般可以設計到2~5mm,其結構比較簡單。當采用整組調(diào)焦時,應用牛頓公式可知,f′=500mm,當物距為5m時,調(diào)焦量為55mm。這樣會使整個系統(tǒng)的機械結構復雜,實現(xiàn)起來比較困難。綜上分析,本設計采用內(nèi)調(diào)焦的結構方式,在基本結構的后面加上G2,G3兩個鏡組用于內(nèi)調(diào)焦。其結構原理如圖3所示。圖中的G1為基本結構組,焦距為f′1,其中G11為前組,G12為后組;G2為調(diào)焦組,焦距為f′2;G3為補償組,焦距為f′3。3.3內(nèi)部焦帶的實現(xiàn)3.3.1焦距和光焦度的要求對各組元光焦度進行分配時,要考慮到系統(tǒng)長度、匹茲伐和的校正以及像差校正的可行性。G1組元是系統(tǒng)的基本結構組,必須具有正的光焦度。若f′1>500mm,則需要G2也是正的光焦度,只有這樣才能滿足總焦距為500mm的要求。由于G1,G2都是正組元,對校正像差不利,因此G1的焦距應小于500mm。通過對系統(tǒng)的分析,該系統(tǒng)焦距為f′,f′1/f′應嚴格控制。若f′1過大,則對像差校正有利,但系統(tǒng)較松散;若f′1過小,則系統(tǒng)緊湊,但會使G1中的正組的半徑變小,從而使鏡片的厚度變大,使整個鏡頭的重量增大。同時由于半徑小,也會使各個面的像差變大,這對校正像差很不利。經(jīng)過分析,G1的焦距應滿足0.25<f′1/f′<0.60。G1的光焦度確定以后,要滿足總焦距的要求,G2必須具有負的光焦度。同時為縮小調(diào)焦量,應使|f′2|<f′1。由于G3只起補償像面的作用,它對焦距和像差的貢獻都不大,因此將它近似為無光焦度系統(tǒng),結構簡單。3.3.2像差結構的選擇由于基本結構組G1主要是對整個系統(tǒng)的遠攝比和光焦度有貢獻,系統(tǒng)的入瞳也是G1的入瞳,因此G1的相對孔徑很大。由于G1的像差尤其是二級光譜色差要經(jīng)過G2的放大,所以G1的像差要盡量校正好,其結構要復雜些。因此,G1的前組G11采用了一個三片結構,G1的后組G12采用了雙膠合的結構形式。G1可承擔的最大相對孔徑可達1∶1.4。在此鏡頭中,當物距從無窮遠向近距離(5m)改變時,物面的移動會使初級像差系數(shù)發(fā)生改變。由于此鏡頭的相對口徑很大,且物距的改變所產(chǎn)生的像差也很大,因此需要有復雜的調(diào)焦組來平衡像差。因此本方案采用三片二組作為調(diào)焦組。G3只用單片就可以實現(xiàn)。4基本結構組的圖像fk1系統(tǒng)由于此鏡頭的相對孔徑較大,像差較大,所以采用了9片7組的結構,其中前5片組成基本結構組,后3片組成調(diào)焦組,最后