[发明专利]一种四组元变焦远心光学系统设计方法

说明书

一种四组元变焦远心光学系统设计方法，涉及光学设计技术领域：该设计方法的步骤是：(1)确定四组元变焦远心系统的结构形式：(2)设系统的前焦面距系统第一面距离为S_F、后焦面距离系统最后一面为S_F′，第一组元与第二组元的间距为d₁₂，第二组元与第三组元的间距为d₂₃，第三组元与第四组元的间距为d₃₄；(3)使四组元变焦远心系统前后焦点之间的距离D满足如下条件：D＝S_F+d₁₂+d₂₃+d₃₄+S_F′。该设计方法利用高斯光学的理论解决了现有变焦光学设计方法无法控制系统焦面位置参数，从而不能实现变焦远心系统设计的技术难题。

技术领域

本发明涉及光学设计技术领域，特别涉及一种四组元变焦远心光学系统的光学设计方法。

技术背景

变焦成像系统由若干透镜组合在一起，系统要改变焦距就只能改变各个透镜之间的间隔，透镜间隔发生改变，系统的像面随之发生移动。为了消除像面位置的移动，需要一些透镜作抵消像面移动的补偿运动，从而产生了不同的补偿型式。例如，光学补偿系统和机械补偿系统，不管哪种补偿方式，它们都是在系统焦距变化的同时，保持像面位置不变。而变焦远心光学系统在系统焦距改变时，要保证系统远心，即需要保持系统前后焦面距离一定，但是传统的变焦分析方法例如几何法、微分法均没有控制焦面位置的参数，不适合分析此类变焦系统。几何法直接以变倍组的放大率和变倍组与补偿组的间隔为变量，反复应用放大倍率公式，从而求出补偿组的物距和像距及放大倍率。微分法吸取了几何法以变倍组的放大率为变量的优点，用以放大倍率为变量的方程来描述变焦运动。显然针对目前的变焦远心光学系统，设计目的不同，现有的设计方法不能直接加以利用。

实现变焦远心系统通常有三种结构：(1)在变焦系统内部放置一个可移动的孔径光栏，变焦时孔径光栏随着透镜组移动而移动。(2)引入更多的透镜组来同时实现对像面和焦面位置的控制。(3)使入瞳位于系统的前面，即将光栏放置在系统的前焦面位置上构成像方远心。第一种结构实现的变焦范围通常不是很大，否则会使透镜组之间产生干涉，同时需要额外的机械结构来控制光栏的移动，机械结构复杂，运动精度不易控制。第二种结构引入更多的透镜组使得变焦远心系统结构非常复杂，制作成本高、体积大，一般不采用方法。第三种结构最为简单，也是实现变焦远心最常见的结构。然而，由于没有方便快捷的变焦远心光学系统设计方法，目前市面上只有一款商用的变焦远心镜头来自Navitar公司。随着工业测量和机器视觉领域的发展，人们对变焦远心系统的需求越来越大，因此迫切需要找到一种适合设计变焦远心系统的光学设计方法，来实现变焦远心镜头的大规模商用。

发明内容

本发明提供一种四组元变焦远心光学系统设计方法，该方法针对有限远成像，利用高斯括弧计算方法解决现有变焦分析方法不能实现焦面位置控制的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种四组元变焦远心光学设计方法，其具体步骤是：

(1)确定四组元变焦远心系统的结构形式：

根据系统的变倍比、工作距离、后截距和系统总长，为每个组元分配光焦度分别为四个组元的焦距分别为f₁,f₂,f₃,f₄，系统总焦距为f，光焦度为φ；

(2)设系统的前焦面距离第一个面的距离为S_F、后焦面距离最后一个面的距离为S_F′，第一组元与第二组元的间距为d₁₂，第二组元与第三组元的间距为d₂₃，第三组元与第四组元的间距为d₃₄；

(3)使四组元变焦远心系统前后焦点之间的距离D满足如下条件：