三组元变焦目镜光学设计

文章编号:1002-2082(2011)02-0226-04

三组元变焦目镜光学设计

姚 林,向 阳,霍肖鑫,孙 岩

(长春理工大学光电工程学院,吉林长春130022)

摘 要:基于车载观瞄模拟系统的使用要求,根据高斯光学设计理论,运用Zem ax 光学设计软件设计了一种三组元变焦目镜。为了获得较好的像质及长出瞳距,目镜结构采用三组元结构。同时,为了使目镜在连续变焦时入瞳位置保持不变,将出瞳位置设为变量进行优化。最终设计结果为:焦距f =13.35mm ~24.11m m,出瞳距离L =20.1mm ~27.5mm,出瞳直径D 约为8mm ,像面变化范围y =4.6m m~13.6m m,变焦目镜变倍比约为1.83倍。在50lp/mm 时,4个组态M TF 均大于0.3,且各组态点列图均小于艾利斑半径,高于人眼分辨极限,满足使用要求。最后利用M atlab 软件编写程序进行曲线拟合,给出了三组元之间的3个间距和所对应系统焦距的变化曲线,拟合精度达0.01m m 。关键词:光学设计;变焦目镜;三组元;M TF

中图分类号:T N942.2;T H74 文献标志码:A

Optical design of three -group telescope zoom eyepiece

YAO Lin,XIANG Yang ,H U O Xiao -x in,SU N Yan

(Scho ol of O pto -Electro nic Eng ineer ing,Changchun U niv ersity of Science and

T echnolo gy ,Chang chun 130022,China)

Abstract:Based on the operation requirements of an vehicle -bo rne o bser vation and sighting sim ulation sy stem and Gaussian o ptics theor y,a three -g roup telescope zoom eyepiece w as desig ned w ith Zem ax.In order to obtain better im ag e quality and long exit pupil relief,a three -gr oup structur e w as ado pted,and the pupil po sition w as set as an o ptimized variable to make the entrance pupil po sition unchanged for continuo us zoom.T he focal leng th is f =(13.35~24.11)mm,ex it pupil relief is L =(20.1~27.5)m m,ex it pupil diameter is about 8mm ,im -age plane range is y =(3.9~14.06)mm,and zoom ratio of telescope zo om eyepiece is1.83.At 50lp/mm,the MT Fs o f four config ur ations are greater than 0.3,the spot diagrams of all co nfiguratio ns ar e smaller than Airy disk radius and higher than human eye resolution lim it,w hich meet user requirem ents.Finally,the cur ves are fitted by M atlab,the cor respo nding focal length curves are given,and the fitting accuracy reaches 0.01m m.Key words:optical desig n;zoom ey epiece;three -gro up;M T F

收稿日期:2010-09-16; 修回日期:2010-10-26

作者简介:姚林(1984-),男,吉林公主岭人,硕士,主要从事光电测试技术和光学设计方面的研究。E -mail:3450623@sina.com

引言

车载观瞄模拟系统是用来模拟在实战中坦克观瞄系统所观察到的战场环境。模拟系统将景象通过液晶屏显示,由投影物镜将液晶屏像面缩小,

最后通过变焦目镜观察。变焦目镜的作用在于可以连续变倍。对成像系统,采用连续变焦光学系统是解决大视场搜索观察小视场分辨目标的最佳途径

[1-2]

。这是变焦目镜与普通目镜相比目标所具

应用光学 2011,32(2) 姚林,等:三组元变焦目镜光学设计

有的优势。

一般来说,变焦物镜结构较复杂,造价高,只在某些特殊场合才适合应用。而变焦目镜体积小,重量轻[3],但对加工变焦凸轮的精度和难度也相应加大。由于车载观瞄模拟系统对目镜通光口径有要求,因此采用目镜变焦的方式。

1 设计思想

1.1 光学结构的选取

变焦目镜一般分为二组元变焦目镜和三组元变焦目镜。对于目镜来说,出瞳距离是一个关键指标,出瞳距离越长,设计难度越大[2]。二组元变焦目镜有较长出瞳距,但成像质量不如三组元变焦目镜。本设计中出瞳距离要求在24mm 左右,设计难度较大。同时,变焦目镜在连续变焦时入瞳位置也在变化,与物镜配合使用时会造成光瞳不衔接,从而导致像面光亮度很低。为了使入瞳位置保持不变,需将出瞳距离设为变量,并对入瞳位置进行优化。为了获得较好的像质及长出瞳距,采用三组元光学系统的方案。

选取的三组元负组补偿变焦系统如图1所示, 1为前固定组(接目镜), 2为变倍组, 3为补偿组, 4为后固定组。其中 1可做为调焦组, 2做线性运动, 3做曲线运动。由于补偿组的光焦度为负,所以采用负组补偿[4];而变倍组一般为正组,

这样可以使尺寸较小。

图1 三组元负组补偿变焦系统

Fig.1 Z oom system of three gro ups nega tive com pensation

1.2 高斯光学计算公式[5]

选择长焦时的参量作为负组补偿的起算位

置。将变倍组 2的焦距值f 2取做规划值,即设:

f 2=-1

(1)m 3l =f 3

f 2(1-m 2l )-d 23l +f 3

(2)

由变倍组的移动量q 2,求它的倍率m 2:

m 2=

11m 2l +q f 2

(3)

求系数b :

b =-f 2f 3(1m 2-1m 2l +m 2-m 2l )+(1

m 3l +m 3l )

(4)

求补偿组 3的2个满足运动方程的解m 31

和m 32:

m 31=

b +

b 2-42

,m 32=b -b 2-42

(5)

由补偿组 3的2个倍率m 31和m 32,求满足运动方程补偿相面唯一的移动量:

y 1=f 3(m 31-m 3l ),y 2=f 3(m 32-m 3l )(6)

求系统的总变焦比: 1=

m 2l m 3l m 2m 31, =m 2l m 3l

m 2m 32

(7)求前固定组 1的焦距f 1:f 1=d 12s +

f 2(1-m 2s )

m 2s

(8)

在长焦时为避免变倍组 2和补偿组 3不至于相碰,要留出足够的间隔,即应满足:

d 23=(d 23l -q +y )>0

(9)

2 设计实例

光学系统指标:1)目镜视度要求可调 5屈光度;2)出瞳直径约为8m m;3)出瞳距离约为24mm;4)通光孔径约为25mm 。

根据上述技术指标,计算焦距f =13.35mm ~24.11mm 。为了与投影物镜像面衔接,像面变化范围y = 4.6mm~13.6m m 。

图2 长焦和短焦时二维系统结构图Fig .2 2-D layout at long focus and short f ocus

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从图3可以看出,当分辨率为50线对/mm 时,0视场、0.5视场、0.7视场和1视场的M TF 值都大于0.3,满足人眼分辨极限。由图4亦可看出各视场点列图均小于艾利斑半径。最后,根据高斯光学计算公式,利用M atlab 软件编写程序进行曲线拟合,给出3个组元之间的3个间距和所对应系统焦距的变化曲线,如图5所示,曲线拟合精度可达0.01m m 。

图5 变焦移动量Fig.5 Zoom displacment

3 结论

本文所设计的变焦目镜可以连续变倍,使人眼在观察时实现大视场时搜索目标,小视场时分辨目标。并利用M atlab 软件编写程序进行曲线拟合,给出3个组元之间的3个间距和所对应系统焦距的变化曲线。该结构尺寸小,便于使用。成像质量达到人眼分辨极限,满足使用要求。

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