[發(fā)明專利]一種四組元變焦遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810408038.0
• 申請(qǐng)日: 2018-05-02
• 公開（公告）號(hào): CN108535864A
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊寶喜;馬健;張方;黃惠杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號(hào): G02B27/00
• 分類號(hào): G02B27/00;G02B13/22;G02B15/16
• 代理公司: 上海恒慧知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種四組元變焦遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，涉及光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域：該設(shè)計(jì)方法的步驟是：(1)確定四組元變焦遠(yuǎn)心系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式：(2)設(shè)系統(tǒng)的前焦面距系統(tǒng)第一面距離為S_F、后焦面距離系統(tǒng)最后一面為S_F′，第一組元與第二組元的間距為d₁₂，第二組元與第三組元的間距為d₂₃，第三組元與第四組元的間距為d₃₄；(3)使四組元變焦遠(yuǎn)心系統(tǒng)前后焦點(diǎn)之間的距離D滿足如下條件：D＝S_F+d₁₂+d₂₃+d₃₄+S_F′。該設(shè)計(jì)方法利用高斯光學(xué)的理論解決了現(xiàn)有變焦光學(xué)設(shè)計(jì)方法無法控制系統(tǒng)焦面位置參數(shù)，從而不能實(shí)現(xiàn)變焦遠(yuǎn)心系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)難題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種四組元變焦遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)背景

變焦成像系統(tǒng)由若干透鏡組合在一起，系統(tǒng)要改變焦距就只能改變各個(gè)透鏡之間的間隔，透鏡間隔發(fā)生改變，系統(tǒng)的像面隨之發(fā)生移動(dòng)。為了消除像面位置的移動(dòng)，需要一些透鏡作抵消像面移動(dòng)的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生了不同的補(bǔ)償型式。例如，光學(xué)補(bǔ)償系統(tǒng)和機(jī)械補(bǔ)償系統(tǒng)，不管哪種補(bǔ)償方式，它們都是在系統(tǒng)焦距變化的同時(shí)，保持像面位置不變。而變焦遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)在系統(tǒng)焦距改變時(shí)，要保證系統(tǒng)遠(yuǎn)心，即需要保持系統(tǒng)前后焦面距離一定，但是傳統(tǒng)的變焦分析方法例如幾何法、微分法均沒有控制焦面位置的參數(shù)，不適合分析此類變焦系統(tǒng)。幾何法直接以變倍組的放大率和變倍組與補(bǔ)償組的間隔為變量，反復(fù)應(yīng)用放大倍率公式，從而求出補(bǔ)償組的物距和像距及放大倍率。微分法吸取了幾何法以變倍組的放大率為變量的優(yōu)點(diǎn)，用以放大倍率為變量的方程來描述變焦運(yùn)動(dòng)。顯然針對(duì)目前的變焦遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)目的不同，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法不能直接加以利用。

實(shí)現(xiàn)變焦遠(yuǎn)心系統(tǒng)通常有三種結(jié)構(gòu)：(1)在變焦系統(tǒng)內(nèi)部放置一個(gè)可移動(dòng)的孔徑光欄，變焦時(shí)孔徑光欄隨著透鏡組移動(dòng)而移動(dòng)。(2)引入更多的透鏡組來同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)像面和焦面位置的控制。(3)使入瞳位于系統(tǒng)的前面，即將光欄放置在系統(tǒng)的前焦面位置上構(gòu)成像方遠(yuǎn)心。第一種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的變焦范圍通常不是很大，否則會(huì)使透鏡組之間產(chǎn)生干涉，同時(shí)需要額外的機(jī)械結(jié)構(gòu)來控制光欄的移動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)精度不易控制。第二種結(jié)構(gòu)引入更多的透鏡組使得變焦遠(yuǎn)心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，制作成本高、體積大，一般不采用方法。第三種結(jié)構(gòu)最為簡單，也是實(shí)現(xiàn)變焦遠(yuǎn)心最常見的結(jié)構(gòu)。然而，由于沒有方便快捷的變焦遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，目前市面上只有一款商用的變焦遠(yuǎn)心鏡頭來自Navitar公司。隨著工業(yè)測量和機(jī)器視覺領(lǐng)域的發(fā)展，人們對(duì)變焦遠(yuǎn)心系統(tǒng)的需求越來越大，因此迫切需要找到一種適合設(shè)計(jì)變焦遠(yuǎn)心系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，來實(shí)現(xiàn)變焦遠(yuǎn)心鏡頭的大規(guī)模商用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種四組元變焦遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法針對(duì)有限遠(yuǎn)成像，利用高斯括弧計(jì)算方法解決現(xiàn)有變焦分析方法不能實(shí)現(xiàn)焦面位置控制的技術(shù)問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的一種四組元變焦遠(yuǎn)心光學(xué)設(shè)計(jì)方法，其具體步驟是：

(1)確定四組元變焦遠(yuǎn)心系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式：

根據(jù)系統(tǒng)的變倍比、工作距離、后截距和系統(tǒng)總長，為每個(gè)組元分配光焦度分別為四個(gè)組元的焦距分別為f₁,f₂,f₃,f₄，系統(tǒng)總焦距為f，光焦度為φ；

(2)設(shè)系統(tǒng)的前焦面距離第一個(gè)面的距離為S_F、后焦面距離最后一個(gè)面的距離為S_F′，第一組元與第二組元的間距為d₁₂，第二組元與第三組元的間距為d₂₃，第三組元與第四組元的間距為d₃₄；

(3)使四組元變焦遠(yuǎn)心系統(tǒng)前后焦點(diǎn)之間的距離D滿足如下條件：