6第六章 数码镜头设计原理基础篇望远系统Word文件下载.docx
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第二节求解思路,
用CCD作为接受器,用计算机屏幕来显示,用以对军用设施进行24小时监控。
对光学系统应提出什么样的要求,才是适当的?
这就是本章要讨论的问题。
先要确定监控目标的范围,例如要对50M~250M纵深的物方进行监控,在270M处物高10M(两层建筑),人要看到轮括。
50M处要看清人。
这就要求在200M处,10M建筑要恰好充满CCD,而人占1/6CCD尺寸,应可分辩出人的轮廓了。
在50M处,人应占2/3CCD尺寸。
为了获取足够的信息,采用1/2英寸当CCD。
由最远物距和物高,可得到系统的最大物方视场角,再由CCD尺寸,即可解出物镜焦距。
系统应能对50M近距调焦,由于物镜焦距与CCD尺寸由上面已确定,则50M的近距视场应等于远距视场角,从而可求出50M处线视场直径是否合于看清人的要求。
应是白天与黑夜两用光学系统,采用黑白CCD(因为夜间物体不带色,这样应选黑白镜头类型),夜间用红外探照灯照明物体,考率光学玻离色光折射率计算公式在可见光范围(400~750)计算精度为,在红外段(750~1014)计算精度为
(见光学仪器设计册421页),为了有较高的折射率精度,光源峰值选在800~1000的中间较好。
对于十几米以内的夜视红外系统,可选砷化钾红外发光二级管,
其工作波长为940nm;
对于作用距离上百米的红外系统,要用大功率光源加窄带红外滤光片,通过波长为800~1000,中心波长900(黑白两用红外镜头)。
光学系统消色差设计的波段范围取400~1000。
如果对250M有10M视场要求,又要能分辨出人,则物镜要变焦,即要有2M~10M视场的变焦要求。
为了使尺寸小些,镜头应取射远双分离镜头,属于两组元变焦系统,前组变焦曲线是线性的,后组是非线性的。
但后组可先定为线性,然后用Zemax中以透镜为追迹单元的变焦自动设计,将后组非线性曲线找出。
下面就按上思路求解光学系统。
第三节外形尺寸计算
1焦距计算
(1)250M处最大视场角计算
已知1/2英寸CCD尺寸为:
下图是成象光路示意图,10米是最远物距250米处的电线标志杆长度,Y是最近距离50米处CCD4.8mm尺寸对应物方尺寸,它用以衡量50米物距的物方线视场高度方向尺寸。
下面计算f’和Y:
上面计算出的f’=120mm是组合焦距值,下面将此值按要求分解到射远物镜的正负透镜上。
据已知条件有下光路图:
由上计算可知:
最远距上人占高度方向视场的五分之一,在最近距离上人占高度方向视场的五分之四多些。
这与夜视仪要求接近。
(2)焦距分配
由厚透镜光焦度公式有:
由后镜的高斯成象公式有:
(1)与
(2)两式的后镜光焦度计算结果应相等,有:
化简有:
第3页
合并同类项有:
与要求的120mm组合焦距一致。
2Zemax外型尺寸确定时常用的方法
在确定和学系统外形尺寸时,常辅以Zemax中以透镜为单元的追迹功能。
下面我们用此功能进行外形计算验证,和外行其它的计算。
下面是在Zemax中的验证结果:
上例见:
“夜视摄远系统(焦距分配验证).ZMX”
系统焦距:
说明计算正确。
另外上面各透镜有效口径高度值对应:
相对口径为1,象方半视场高度是4mm(1/2英寸CCD半对角线值)。
3入瞳确定
由上例,入瞳在较大范围变动,各镜的有效口径高的变化很小,因此光栏设定在第一镜上。
4理论传函计算
Zemax中,建立了光学系统以透镜为单元结构时,就以是没有象差的系统,因此其传函就是光学系统的理论传函值,例本光学系统的理论鉴别率如下图:
5内调焦计算
(1)离焦概念及在Zemax上的表示
为了进行调焦计算,需先了解什么是离焦,下面是光学系统在不同物距下的离焦量:
(2)调焦计算
◆内调焦概念
由于物距的变动引起象面沿轴向的走动,为使象重新落到CCD上,在保正前镜到CCD面距离不变的前题下,移动后镜使象重新落到CCD上。
这个过程叫内调焦。
在内调焦过程中,要求前镜到CCD面距离不变(本例是100),才能确保光学仪器结构的密闭性,这在军用光学仪器中是应优先考虑的。
下面我们进行离焦量调整的计算:
例题见:
“夜视摄远系统(调焦计算).ZMX”
第四节变焦外形设计
1焦距分配
(1)在10M视场焦距分配
在250M距离上的2M~10M线视场直径,确定了变焦范围。
在10M视场时的焦距是120mm,
这属于射远系统,其焦距分配方法如下。
由总光焦度计算式有:
由场曲平衡方程有:
代如上式,化简有:
先给f’、d值,可计算出φ1、φ2来。
(2)在2M处两镜间隔确定
在2M视场时的焦距是
将
(1)中的φ、d值代入可解出d来,最后观查f1’、f2’、d值是否合理来最后确定。
下面是计算记录表:
组别
φ1
f1’
φ2
f2’
d
f’
第一组
0.0288675
34.641
-0.0288675
-34.641
10
120
2
600
第二组
0.0166667
60
-0.0166667
-60
30
6
第三组
0.0117851
84.8528
-0.0117851
-84.8528
12
0.0102062
97.9796
-0.0102062
-97.9796
80
16
最后一组合于结构要求(用mashematica计算,Zemax校验很快得到结果)
2凸轮曲线确定
仍然用上计算方法,令焦距=200,300,400,500计算在f1’=97.98,f2’=-97.98时,调整d值,使焦距分别为上值。
◆整组变焦曲线的确定
下表中的d+L’
◆后组对前组变焦曲线的确定
下表中的d
变焦凸轮计算表(d由mashematica计算得到、L’由Zemax计算得到)
φ
L’
22.309
200
48
102.824
300
32
203.833
400
24
305.249
500
19.2
407.076
509.315
◆凸轮曲线图
现设定在整组套筒上有后镜对前镜的变焦凸轮槽,由于系统口径为80mm,加上变焦结构,大致有100mm,则该凸轮槽直径大致为88mm。
设凸轮分布在120度角内,再将整组对CCD移动的凸轮槽也以转角度数为垂轴,移动量为横轴展开凸轮槽。
现计算直径88mm展开120度的凸轮槽,在垂向长度=2π*88*120/360=184.3072mm,该凸轮槽的平均倾角为:
argtan[(80-16)/184.31]=19°
左右,其自锁力还是适合的。
下面展开计算。
现假定变焦均布,则凸轮转过角与焦距变化量成正比,有:
△Q
Q
纵座标
25°
184.3*25/120=38.396
50°
184.3*50/120=76.792
75°
184.3*75/120=115.188
100°
184.3*100/120=153.583
20°
120°
184.3*120/120=184.3
在Autocad中作出变焦曲线图如下(注意:
应倒光路放置):
第五节初始结构求解
一前镜用专例
1结构
这是美国专例如下:
第一片与第四片是丙烯,第二片与第三片是聚本乙稀。
四片全塑镜,重量轻且易于加工成非球面(系统有很大校正象差的潜力)。
系统焦距是99.94mm,它是用作第一镜的,现所放到焦距的应有值:
97.9796,且入瞳直径为80,物距250000,物高5000的下结构:
2象差
下面是传函图:
下面是光路图:
由上图可见主要是球差还没校好。
“前镜初解.ZMX”
二后镜用WPC求解
1WPC平衡方程建立
轴上点追大口径光线投射角:
下面是建立平衡方程的输入文件:
得象差平衡方程:
由于视场很小,象散与畸变不考虑,则:
P1,W1,C1,P2,W2,C2均为零。
现只需对第二镜求P1,W1,C1均为零的结构就可以了。
将上结构置于Zemax中,在平行光路中给口径80后调好厚度(看图),再将焦距缩放到-97.98,得下结构:
上例见:
“后镜初解.ZMX”
2初始结构求解
将上两镜组合,调两镜间隔,使组合焦距为400mm(因为PWC是在焦距为400mm时进行结构求解的),的下结构:
象差为:
上例见:
“系统整合.ZMX”
由于此时焦距为400mm,长焦距下的传函比短焦时要低较多,因此初解得到这样的结果是可以了。
另外由于前镜的传函频率是16,可见主要是前镜球差所致。
前系统有焦大校正潜力,从象差平衡的角度,校正下去是可以得到需要结果的。
但两镜间隔此时为3.7mm,要变焦到600时,间隔还应变小24-16=8mm,已没有余量了。
这是因为前镜后主面进入前镜内太多造成的。
因此还需加大变焦时间隔量的最小值,重新设计。
还有一个问题,看下图:
由图可见后镜正透镜厚度取值不够大,使部分口径光线过不去,这时在此图中调厚度,使光线过去,再在
我们这里主要是介召望远系统两主元外型尺寸
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