摘　要:介绍远焦小型变焦距物镜的设计原理及方法。合理选取物镜的光学参数使变焦距物镜小型化;选取透镜的玻璃材料校正物镜的色差;采用适应法光学自动设计程序进行像差平衡,提高变焦距物镜的像质。所设计的变焦距物镜适用于多种医用内窥镜图像显示系统,其像质可与高分辨率的CCD图像传感器匹配。

　　1　引　言

　　作者曾设计一种小型线性差变焦距物镜[1]用于胃窥镜图像显示系统,从目镜中再取出图像,使用效果良好。为把这种变焦距的物镜推广应用于其它医用内窥镜图像显示系统,在上述工作基础上,又设计出一种远焦小型变焦距物镜。该变焦距物镜的变倍比、焦距、视场及孔径等光学参数可与多种医用内窥镜相匹配,其体积小,重量轻,与目镜联接后不会改变原来内窥镜的使用环境及条件。该变焦距物镜的像质可与目前常用的CCD图像传感器相匹配。本文介绍这种远焦小型线性变焦距物镜的设计原理及方法,文中给出了一设计实例及其像质评价结果。

　　2　远焦型变焦距物镜

　　远焦型变焦距物镜是由一定焦距物镜与一远焦附加镜组组合而成。远焦附加镜组是一个无光焦度的伽俐略望远系统[2]。这种变焦距物实质上是一种光学补偿变焦系统。图1所示是一个三组元光学补偿远焦型变焦距物镜的光学原理。图1(a)为短焦距;(b)为长焦距。图1中组元iv、为固定组;组元为变倍组,变倍组作线性平移时物镜的焦距随之改变;组元Ⅳ为定焦距物镜。变倍组处于图1(a)、(b)位置时满足物像交换原则。

　　设f′1、f′2、f′3、f′4分别为组元iv、、、iv的焦距,其中f′1= f′3。变倍组Ⅱ由完全相同的二个透镜组成,其焦距分别为f′21、f′22,则f′21= f′22。由图1进行高斯光学计算得到

　　式中f′23为、组元的组合焦距。图1所示变焦距物镜的变倍比为

　　3　小型变焦距物镜设计

　　远焦型变焦距物镜适合从目镜中取出图像,但与目镜联接要求变焦距物镜小型化,其光学参数应与目镜相匹配。计算证明,变焦距物镜在低变倍比情况下,选取较小的变倍组元焦距f′2值,可使变焦距物镜总长度减小。变倍组线性平移量也较小,因此变焦距物镜结构简单。选取适当的成像倍率,可使像平面漂移保持在一定的精度范围之内。

　　根据变焦距物镜的使用要求及成像倍率确定其焦距范围为15mm~30mm;与目镜匹配要求变焦距物镜的最大通光口径小于10mm,物镜的总长度小于30mm;物镜的视场角20°~40°。

　　变焦距物镜的像质可按电视电影摄像物镜的特征频率MTF要求评价,即在12、251p/mm时,视场中心三色光的MTF值大于0·7。视场边缘可适当降低。

　　由于变焦过程中视场和孔径会发生变化,所以针对变焦距物镜的主要像差进行校正。分析认为前固定组在长焦距时,轴上物点光线入射高度最高,所以前固定组长焦距时球差最大;在长焦距时色差自然也大。轴外物点主光线在短焦距时变倍组上入射高度最高,所以轴外主光线像差最大。因此,远焦型变焦距物镜校正的像差为球差、正弦差、色差及轴外细光束像差.对于高级像差,因系统结构简单,没有足够的结构变量,因此不做为重点校正。

　　远焦型变焦距物镜是多组元分离的透镜系统,对其前部分伽俐略望远系统,可以通过选取玻璃材料来校正色差。把伽俐略系统视为分离薄透镜系统,根据消色差公式[3],组元Ⅰ(第一块透镜)的玻璃材料的阿贝常数γ1和组元Ⅱ(第Ⅱ组元的两块透镜)的玻璃材料的阿贝常数γ2满足下式[4]

　　(7)式为一近似公式,按(7)式选取玻璃材料可以校正色差。

　　变焦距物具有后固定组,所以应选取固定焦距适应法和变焦距系统适应法像差自动校正程序联合应用。首先使用变焦距系统适应法像差自动校正程序,保持后固定组不变把前面各组的结构参数作变量。因为系统变倍比较低,要求交焦距物镜的像差在长、短二个焦距时趋于一致。即选取长、短焦距时的像差之差为像差变量。当两个焦距像差达到足够一致时,可把系统固定在这一位置。然后再运用固定焦距系统适应法像差自动校正程序进行校正。这时只把后固定组结构参数作为自变量,把系统的像差校正到满意为止。这样系统其它焦距位置的像差也得以校正。实际中由于短焦时视场较大,因此,短焦时物镜具有较大的剩余像差。

　　4　设计实例

　　外形尺寸计算得到一组适用的参数:f′1= f′3=33.72mm,f′2=-13.66mm。选取组元由两块相同透镜组成,组元iv选取为一小型三片摄影物镜,缩放后f′4=23.51mm。按上述方法,选用适应法光学自动设计程序,设计得到一个由七片透镜组成的远焦型变焦距物镜。物镜的变倍比M =1.62;最大通光孔径10mm;总长度为28mm;变倍组线性平移最大移动距离为6·15mm。物镜在短、中、长焦距时有关参数在表1中列出。

　　由表1可见,变焦距物镜在中焦距时有较大的像平面漂移,其余焦距像平面漂移极小,在长、短焦距像平面无漂移。

　　按物在无穷远,物方视场角2ω=30°入瞳半高度H=3mm计算得到物镜中焦距MTF曲线如图2所示。图2中给出了三个视场(0、0·707、1)不同色光(D、F、C)的MTF(t)(子午)及MTF(S)(弧矢)曲线。由计算结果可见视场中心及大部分视内特征频率25lp/mm的MTF(t)及MTF(S)均大于0·7,边缘视场MTF(t)及MTF(S)均大于0·4。变焦距物镜其余焦距时的像质与中焦时基本一致,所以变焦距物镜具有较好的像质,满足设计要求。

　　参考文献:

　　[1]吴福田.小型线性差动变焦距物镜设计原理[J].光电子激光,1997,(2):28—30.

　　[2]包学诚.电影光学[M].北京:中国电影出版社,1989:31

　　[3]张以谟.应用光学[M].北京:机械工业出版社,1990:315

　　[4]王之江.光学技术手册[M].北京:机械工业出版社,1987:1125238

　　作者简介:吴福田(1943-),男,山东人,山东大学教授,从事光学设计研究。

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