第一章综述

北京理工大学研究生院学位论文用纸第一章综述§1.1引言变焦距物镜是焦距可在一定范围内连续改变而保持像面不动的光学系统。它能在拍摄点不变的情况下获得不同比例的像，因此它在新闻采访，影片摄制和电视转播等场合，使用特别方便。而且在电影和电视拍摄的连续变焦过程中，随着物像之间倍率的连续变化，像面景物的大小连续改变，可以使观众产生一种由近及远或由远及近的感觉，更是定焦距物镜难以达到的。目前变焦距物镜的应用日益广泛，开始主要用于电影和电视摄影，现在已逐步扩大到照相机和小型电影放映机上[2]。变焦距物镜的高斯光学是在满足像面稳定和满足焦距在一定范围内可变的条件下来确定变焦距物镜中各组元的焦距、间隔、移动量等参数的问题。高斯光学是变焦距物镜的基础，高斯光学参数的求解在变焦距物镜设计中至关重要，直接影响最后的成像质量。若要求全部范围内成像质量都要好，就需要在所有可能解中挑选出尽量少产生高级像差的解。这相当于在系统总长一定的条件下，挑选各组焦距尽可能长的解，使各组元无论对轴上还是轴外光线产生尽量小的偏角[13]。这也正是本课题研究的主要内容。§1.2变焦距物镜的发展概况早在1930年前后，电影放映镜头就有采用变焦距物镜的，当时为了避免凸轮加工制造误差引起的像面位移等缺陷，一般采用光学补偿法，但由于其成像质量较差，应用并不广泛。在1940年前后至1960年，机械补偿法变焦距物镜开始应用，这一时期的机械补偿法变焦距物镜镜片数目较少，变倍比较小，质量也较差，所以应用也不够普遍。相反，在四十年代末五十年代初，出现了真正意义上的光学补偿法的变焦距物镜，由于它的机械加工工艺比较简单，所以曾风靡一时。1960年以后，电子计算机在光学设计中较多的应用，并采用了高精度机床加工凸轮曲线等，使机床加工水平北京理工大学研究生院学位论文用纸大大提高，光学补偿法的变焦物镜就愈来愈少了，取而代之的是较高质量的机械补偿法的变焦距物镜。1960年-1970年这一时期的机械补偿法变焦距物镜一般只有两个移动组元，但所用镜片数目比以往明显增加了，大大提高了镜头的像质，这个阶段的变焦镜头虽然变倍比不高，但在电影电视中开始广泛使用[8]。1970年以后，除了计算机自动设计技术的普及，以及多层镀膜技术的开发和使用外，还利用高精度数控技术加工变焦距物镜的复杂凸轮机构，并利用新型材料和非球面技术，不但大大改进了二移动组元变焦距物镜，还大力开发了多移动组元变焦距物镜，即通常所说的光学补偿法和机械补偿法相结合的变焦距物镜。在1980年，小西六公司展出了5组同时移动的F4-.6/28-135mm高倍广角变焦镜物镜样品，1983年正式出售，从而揭开了全动型高倍率镜头的序幕，这种镜头采用新的变焦和调焦方式，体积小，性能优越，质量较高。从变焦镜头的发展来看，人们为了解决二移动组元变倍比较小的问题，从1970年到现在，一直致力于开发多移动组元的变焦镜头，现在，由于大力开发了新材料和新技术，有的变焦镜头已赶上了定焦镜头的成像质量，但是变焦镜头与定焦镜头相比，在某些方面还存在着差距。例如，相对孔径不够大，体积不够小等。但我们相信，随着光学工业的发展，将会出现一批更新型，更高质量的变焦镜头。§1.3变焦距物镜的分类及其特点变焦距物镜根据其变焦补偿方式的不同大体上可分为机械补偿法变焦距物镜和光学补偿法变焦距物镜以及在这两种类型基础上发展起来的其他一些类型的变焦距物镜。下面，我们就针对不同类型的变焦距物镜做一下简单介绍。一．机械补偿法变焦距物镜机械补偿法变焦距物镜中最典型的是由四组透镜组成的，它们的名称和作用分别是[14]：①前固定组：它的作用是给系统提供一个固定的像，在近摄影时，也通过移动前固定组整体或它的一部分达到调焦的目的。②变倍组：在变焦运动过程中，变倍组多作线性运动，担负着系统的变倍作用。北京理工大学研究生院学位论文用纸③补偿组：当变倍组作线性或非线性运动时，补偿组通过一定的曲线轨迹运动以补偿变倍组在变倍过程中所产生的像面位移，使像面位置达到稳定，并且在运动过程中有时也对变倍作出贡献，特别是对于正组补偿系统。④后固定组：将补偿组的像转化为系统的最后实像，调整系统的合成焦距值，设置孔径光阑，保证在变焦运动中整个系统的相对孔径不变，补偿前三组透镜的像差。机械补偿法变焦距物镜的变倍组一般是负透镜组，而补偿组可以是正透镜组也可以是负透镜组，前者称为正组补偿（图1-3-1），后者称为负组补偿（图1-3-2）。机械补偿变焦距物镜的变倍组和补偿组的合成共轭距，在变焦运动过程中是一个常量，理论上像点是没有漂移的，而且各组元分担职责比较明显，整体结构也比较简单。近年来，随着机械加工技术的发展，机械补偿系统中凸轮曲线的加工已不象过去那么困难，加工精度也越来越高，所以，目前此种类型变焦距物镜得到了广泛的应用。图（1-3-1）正组补偿图（1-3-2）负组补偿二.光学补偿法变焦距物镜光学补偿法变焦距物镜是在变焦运动过程中用若干组透镜作线性运动来实现变焦距，它们作同向且等速移动[14]，在移动过程中，各组元共同完成变倍和补偿任北京理工大学研究生院学位论文用纸务，使像面达到稳定的状态，但实际在变焦运动过程中，光学补偿法变焦物镜只能在某些点作到像面稳定，所以在全范围内它的像面是有一定漂移的。正是由于这个原因，纯粹的光学补偿变焦物镜在目前已很少使用。图（1-3-3）是一种双组元联动的光学补偿法变焦距物镜。图（1-3-3）双组联动光学补偿变焦系统光学补偿法变焦距物镜仅要求一个线性运动来执行变焦的职能，避免了机械补偿法中曲线运动所需的复杂结构；这类系统的组成次序是依次交替的固定组元和移动组元，而且固定组元与移动组元光焦度反号，在系统内部没有实像；另一方面，若不计入后固定组，像面稳定点的个数与组元数是相等的，即在这几个点像面位置相同，在其余各点均有像面位移。三．光学机械补偿混合型变焦距系统这种类型的变焦距物镜是在光学补偿法的基础上发展起来的，由于光学补偿法变焦系统仍存在一定的像面位移，为了补偿这些像面位移，可使其中另一组元作适当地非线形移动来进行补偿，这样就构成了光学机械补偿混合型变焦系统（图1-3-4），也有人称之为机械补偿双组联动型变焦距系统[19]。图（1-3-4）光学机械补偿混合型变焦系统北京理工大学研究生院学位论文用纸光学机械补偿混合型变焦距系统由若干组元联动实现变倍目的，另有一组元作非线性运动来补偿像面的位移，使像面严格稳定；各移动组元分工并不明确，在有的情况下，是由某一单组元执行变倍职责，而双组联动仅起补偿像面的作用；它的光焦度分配比较均匀，对像差的校正比较有利；各组元光焦度交替出现正负，系统内部无实像。四．全动型变焦距物镜这种变焦距物镜在变焦运动过程中，各组元均按一定的曲线或直线运动，若按其职能来分，可认为第一组元为补偿组，其余组元为变倍组。全动型变焦物镜系统有这样一些特点：第一，它摆脱了系统内共轭距为常量这一约束条件，使各组元按最有利的方式移动，以达到最大限度的变焦效果。第二，第一组元用作调焦，其余组元对变倍比均有贡献。第三，像差的校正必须全系统同时进行。第四，光阑一般设在后组之前，当后组元作变焦运动时，为使光阑指数不变，则必须连续改变光阑直径，使得机械结构进一步复杂。第五，由于执行变倍的组元比较多，可以选四组或五组的结构，所以各组元倍率的变化可以比较小，各组元的光焦度分配可以比较均匀。第六，它的镜筒设计要比以上几种类型的变焦系统复杂，但随着加工工艺的提高，这种复杂度也随之降低。图（1-5）是一个四组元全动型变焦距物镜。图（1-3-5）全动型变焦系统在某些情况下，有的光学设计者在全动型基础上加一个后固定组，这样可以使全北京理工大学研究生院学位论文用纸动型在运动过程中相对孔径保持不变，而且在校正像差过程中，可先使前面若干组元的像差趋于一致，再利用后固定组产生与前若干组元符号相反的像差来进行全系统的像差校正。以上便是几种主要类型的变焦距物镜，光学补偿法变焦距物镜由于它本身存在的缺陷，现在已很少有人使用，而对于全动型变焦距物镜，由于加工工艺等因素的制约，在目前应用并不广泛。在实际的光学设计过程中，我们接触到的变焦距物镜绝大多数是机械补偿法变焦距系统，因此，本课题主要是围绕机械补偿法变焦距系统展开的。§1.4变焦距物镜的性能指标及相应措施从变焦物镜的发展趋势来看，一个光学性能比较高的变焦距物镜应该具有以下性能指标[8]：一.高成像质量。做到在任意的焦距位置上都能校正像差；最大焦距时的二级光谱要小；变焦时尽可能消除像面位移；分辨率高；消除杂光。采取的主要措施是：①利用计算机提高设计水平。②采用高精度数控机床加工凸轮曲线。③采用多层增透膜。④使用特殊材料，改善二级色差。⑤使用非球面镜。⑥采用可变动光阑。二.高变倍比。主要措施除上述外，还有：①采用多组变焦形式。②变焦形式不变，采用新光学玻璃材料和人造晶体。③利用透镜组的不同组合。三.大孔径。主要是采用新型玻璃，人造晶体和非球面技术等。四.大视场。主要措施是：①固定组复杂化，增加一些负透镜组。北京理工大学研究生院学位论文用纸②采用非球面技术等。五.其它方面①结构尽量简单、紧凑、轻巧，成本低廉。②使用方便，操作容易。③可换性强。④透光率高，彩色还原纯正。以上的要求有一些是互相制约的[14]，不可能全部都达到，因此，设计过程是一个各种要求平衡折衷的过程。同时，在变焦距物镜设计初始阶段对系统进行选型和确定高斯光学参数时还应注意以下几方面：1.在满足技术指标的前提下，尽量选择简单的结构。2.在初始阶段就要考虑校正像差的可能性，在所有的可能解中找出尽量少产生高级像差的解，这相当于在系统总长一定的条件下，挑选各组焦距尽可能长的解，使各组透镜无论对轴上还是对轴外光线产生尽量小的偏折角。3.尽量缩短系统的长度，在变焦运动中各组元不相碰的前提下，取较小的间隔。以上所谈的只是一般情况，在实际的系统设计过程中，应根据具体要求寻找最适合的设计方案。