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内调焦摄远角度光学设计 1 摄远镜头f00/f.5 长短距离摄像头（即远距离摄像头）具有远距离摄影的优点，越来越受到摄影爱好者和记者的喜爱。但我国市场上的摄远镜头一向为国外所垄断,为填补国内空白,开发了具有国内自主知识产权的摄远镜头,即焦距f′=500 mm、相对孔径F=1/4.5的摄远镜头(以下简称f500/F4.5镜头)。 由于摄远镜头的焦距长,结构复杂,二级光谱色差大,因此长期以来在设计和制造上都具有一定的难度。早期的f500镜头多为f500/F8镜头,其相对孔径较小,因而在结构上比较简单,多采用外调焦方式。为了提高像面照度,f500/F8镜头已不能满足市场的需求。 近几年来,随着设计水平和光学零件加工工艺的提高,大相对孔径的镜头已逐渐进入市场。 长焦距镜头的设计难点有三个方面:一是摄远比很难缩短;二是二级光谱色差很难校正;三是调焦方式比较特殊。经过调研,笔者确定f500摄远镜头的设计指标为 焦距:f′=500 mm 相对孔径:1∶4.5 视场角:5° 最近摄影距离:5 m 调焦方式:内调焦 成像质量:高于国家标准GB9917-88规定的J0级镜头标准 2 系统的焦距校核 任何两种色光在一定位置校正后,对第三种色光的剩余色差来说可看作是二级光谱色差。其几何像差及波像差的图形如图1所示。 把D光线的边缘校正到零,C光线与F光线在0.707带相交,交点到D光线0.707带顶点的距离代表二级光谱的几何值。几何像差的积分即为波像差。双胶合透镜的二级光谱色差为 消色差的条件为 则有 用几何像差表示为 对于非胶合透镜来说则可表示为 式中,h表示第一近轴光线在光学系统上的高度,其中h1,h2表示第一近轴光线分别在光学系统第一面和第二面上的高度;φ表示系统的光焦度,其中φ′1表示双胶合透镜中第一片的光焦度,φ′2表示双胶合透镜中第二片的光焦度;f′表示系统的焦距;ν1和ν2分别表示双胶合透镜中第一片的阿贝数和第二片的阿贝数;nF表示F光线的折射率;nC表示C光线的折射率;nλ表示第三种光线的折射率;Δν=ν1-ν2;ΔP=(φ1/ν1)[(nF-nλ)/(nF-nc)]+(φ2/ν2)[(nF-nλ)/(nF-nc)]。 在焦距一定的情况下,由于二级光谱是由两块玻璃的相对 色散差与阿贝常数差的比值来确定的,因此只有相对色散小,阿贝常数又足够大的玻璃组合,才能较好地校正二级光谱。但绝大多数玻璃的色散和阿贝常数之间可用线性关系表示: 式中,Pxy表示相对部分色散;Axy,Bxy表示常数;νd表示阿贝数。此式不能满足校正二级光谱色差的要求。若要校正二级光谱色差,则至少要选择一种偏离此线性关系的玻璃。 由于二级光谱正比于f·NA2,对于长焦距镜头来说,焦距较长,二级光谱色差很大,若校正不好,则会给系统带来很大的像差,所以无法达到较好的成像质量。因此在设计f500/F4.5镜头时,要充分考虑二级光谱色差的影响,选择合适的超低色散玻璃。 3 光学结构类型与聚焦成像方法 3.1 远摄比的确定 对于f500/F4.5镜头的设计来说,为了缩短物镜的尺寸,达到较小的远摄比,必须采用远距型结构。在远距型结构中,正光焦度的透镜组在前,负光焦度的透镜组在后,使整个系统的主面移出物镜之外,如图2所示。这种结构的物镜筒长即物镜前表面到焦平面的距离小于焦距,从而缩小了物镜的轴向尺寸。 对远距型结构的高斯光学可作如下分析。其中,h1和h2分别表示第一近轴光线在第一镜组上的高度和在第二镜组上的高度;hp1表示第二近轴光线在第一镜组上的高度;u1表示物方孔径角;u′1表示第一镜组的像方孔径角u2=u′1;u′2表示像方孔径角;up1表示物方视场角;u′p1表示第二近轴光线经过第一镜组后的孔径角;l′表示像距;f′表示系统焦距;d表示系统的高斯间隔;φ′1和φ′2分别表示第一镜组的光焦度和第二镜组的光焦度;f′1和f′2表示第一镜组的焦距和第二镜组的焦距;L表示系统总长。令h1=1,u′2=1,f′=1,up1=-1,则当主光线通过后组主点时,前组主光线的角放大率为 Mu=u′p1/up1 前组轴外光线偏角为 前组轴上光线偏角为 u′1-u1=h1φ′1 h2=h1-du′1=1-dφ′1 后组轴上光线偏角为 u′2-u2=h2φ2 则有 当后截距l′不变时,缩短前后组的间隔,前组光焦度φ′1增大;d不变时,缩短l′,φ′1增大。由于前组承担的偏角大于整组的偏角,因此,结构越紧凑,前组承担的偏角越大,其结构越复杂。设计中的一个关键的参数是远摄比,远摄比小,结构紧凑,但像差校正困难。远摄比大,像差校正容易,但结构尺寸较大。因此,远距物镜的远摄比至关重要,选择合适的远摄比对于镜头的设计来说是很关键的。 根据定义,远摄比为 前组与后组的光焦度与前后组之间的距离有如下关系: 考虑到