长焦距大口径变焦光学系统的设计

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1、长焦距大口径变焦光学系统的设计焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。本文主要通过对变焦光学系统的概念和特征进行介绍，分析了变焦光学系统的原理，从而对长焦距大口径变焦光学系统在天文望远镜中的应用进行分析。　　关键词长焦距；大口径；变焦光学系统　　O43A1674-6708（2012）58-0087-02　　随着物理光学的发展，变焦技术越来越得到普及使用，在天文学更是应用广泛，尤其是天文望远镜。现代的天文望远镜已实现了米级、十米级、百米级口径，其焦距变化比也实现了上千、上万的升级，使得天文观测越来越具体化，细

2、致化。有利的推动着天文学的发展。　　1变焦光学系统概述　　变焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。变焦光学系统主要在于它的变焦镜头，变焦镜头最主要的特点在于它可以随着使用者的意愿使镜头焦距实现变换。跟固定焦距镜头不同的是，它是通过旋转或者推拉变焦环以达到变换镜头焦距的效果，而不是通过快速变换镜头来达到变换焦距。其在焦距变化的范围内可以实现无级变换，在这个范围内，任何焦距都可以进行观察和拍摄。由于焦距的变化，因此变焦光学系统能够在一定范围内实现大小不同的视场角、影像和景物范围。　　2变焦光学系统的原理　　变

3、焦距光学系统主要特征在于其焦距可以进行连续的变化同时保持像面的稳定，从而能保证相同物体在一定范围内实现焦距不同的清晰像，有利于观察使用者对物体的观察分析。　　变焦光学系统是由固定焦距透镜组合而成的，首先我们分析下固定焦距透镜，固定焦距透镜在对物平面进行一定的位移时，其相应的像平面和像大小也将发生位移，只有通过在两个特殊位置进行位移，即“物像交换位置”，其相应的像大小变化而像平面不发生变化，如图1。　　此时的初始位置放大率将为：；在发生物像交换之后的放大率为：；这前后两个位置所得到放大率之间的比值即为变倍比：；因此，在物像交换位置上，其物像之间的共扼距是没有发生变化的，只是其变倍率产生了M倍的变

4、化，即为原先的β12，而这两个放大率之间的位置将随着变焦倍率的变化而发生相应的位移，如图2。　　变焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。变焦光学系统主要在于它的变焦镜头，变焦镜头最主要的特点在于它可以随着使用者的意愿使镜头焦距实现变换。跟固定焦距镜头不同的是，它是通过旋转或者推拉变焦环以达到变换镜头焦距的效果，而不是通过快速变换镜头来达到变换焦距。其在焦距变化的范围内可以实现无级变换，在这个范围内，任何焦距都可以进行观察和拍摄。由于焦距的变化，因此变焦光学系统能够在一定范围内实现大小不同的视场角、影像和景

5、物范围。　　图2中的虚线主要表示像面位置和透镜位置之间的关系，按照几何学光学原理，在透镜处在β等于-1位置时，其物像间的距离是为最短的，在这个时候的共扼距即为：；在倍率等于β的时候，其物象之间的共扼距Lβ为：；在其放大率从-1处逐渐向β位置进行变化时，其像面发生的位移量将为：；由此公式可得，其倍率为1/β和β时，两者的位移量是相同的，即变倍比M相同，即“物像交换位置”，由图2可知，在“物像交换位置”时，位移量是最小的。　　如果将两个或者以上的焦距固定透镜或者焦距固定透镜组进行组合，如图3。　　设第一个透镜或透镜组的焦距为F1'，第二个透镜或透镜组相对于第一个透镜或透镜组的放大比率为β2，其组合

6、焦距F'跟F1'满足的关系为：F'=F1'β2。在第二个透镜或者透镜组发生移动时，其β2将发生相应的变化，从而使得其像的大小也将进行相应的改变，致使像面位置产生改变，最终使组合焦距F'也将产生变化。　　变焦光学系统是由许多个这样的透镜组合而成，其焦距的变化主要是通过这些透镜位移的变化，使光组间隔发生变化，从而实现更为精细的变倍比，即：　　变焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。变焦光学系统主要在于它的变焦镜头，变焦镜头最主要的特点在于它可以随着使用者的意愿使镜头焦距实现变换。跟固定焦距镜头不同的是，它是通

7、过旋转或者推拉变焦环以达到变换镜头焦距的效果，而不是通过快速变换镜头来达到变换焦距。其在焦距变化的范围内可以实现无级变换，在这个范围内，任何焦距都可以进行观察和拍摄。由于焦距的变化，因此变焦光学系统能够在一定范围内实现大小不同的视场角、影像和景物范围。　　同时，为了让变焦光学系统中的像面不发生变化，还应该附加一个能够进行移动的透镜组，以对像面移动进行补偿，即变焦光学系统中的“补偿组”。因而将能够实