中等视场大相对孔径水下两档变焦光学系统

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1、第11卷第16期2011年6月科学技术与工程Vol.11No.16June20111671—1815(2011)16-3675-04ScienceTechnologyandEngineering2011Sci.Tech.Engng.中等视场大相对孔径水下两档变焦光学系统1，211卢卫涛何俊华闫亚东12(中国科学院西安光学精密机械研究所，西安710119;中国科学院研究生院，北京100039)摘要研究了水下两档变焦光学系统的设计方法并给出了具体设计实例。采用轴向移动变焦方式，变焦过程中相对孔径保持不变，相对孔径为1/1．4，系统变焦比为2，在水下的宽视场角为60°，有效焦距3．6mm，用于大范

2、围内搜索目标;窄视场角为20°，有效焦距7．2mm，用于对目标进行具体分析。在空间42lp/mm处的宽视场和窄视场的光学传递函数值均大于0．4，成像质量较好。既满足了水下成像对大相对孔径和较大视场的要求，又能够在大范围内搜索目标，小范围内对具体目标进行分析，满足实际应用的需要。关键词水下光学设计光学系统两档变焦中图法分类号TN942．2;文献标志码A随着社会的发展和人类活动范围的不断扩大，程中相对孔径保持不变，相对孔径为1/1．4，变倍比°人们在水下的活动日益增多。对水下资源开发利为2，在水下宽视场时全视场角为60，窄视场时全°用的深度和广度日益增大，水下电视、水下机器人视场角为20，克服了

3、普通水下镜头不能充分利用等水下摄影技术是水下探测的基本手段，受到了各水下光能和视场缩小的问题，并且能够实现两档变［1，2］国的广泛重视，由此对水下光学系统的要求也焦，在大范围内搜索目标的同时对具体目标进行具越来越高，水下两档变焦光学系统能有效地提高水体分析。系统在空间42lp/mm处，宽视场和窄视场下成像的质量。增大水下光学系统的视场角可以都具有较好的成像质量，既满足了水下成像对大相拓展镜头的有效观测范围，弥补物方水介质所带来对孔径和较大视场的要求，又能够在大范围内搜索的视场角减小，相对孔径的增大则有利于提高水下目标，小范围内对具体目标进行分析，满足实际应光能的利用，从而在像面得到比较高的像

4、面照度，用的需要。［3，5］有利于水下弱光拍摄。1设计原理水下变焦光学系统按照其在变焦过程中焦距是否连续变化分为连续变焦光学系统和非连续变水下两档变焦光学系统在变焦过程中要求像焦光学系统，对于非连续变焦系统，常用的有两档面保持稳定，相对孔径基本保持不变，并且在改变变焦。与水下连续变焦光学系统相比，水下两档变焦距的同时具有良好的成像质量，和水下连续变焦焦光学系统具有结构简单、生产成本低和成像质量光学系统的设计原则相同，系统的设计过程分为两好等特点。个阶段:第一阶段是外形尺寸计算，即求取高斯解;本文采用轴向移动的两档变焦方式，通过透镜第二阶段是像差设计。组轴向间隔的变化而改变光学系统的焦距，变焦

5、过轴向移动式水下两档变焦光学系统的原理图［6］2011年2月18日收到如图1所示，系统采用物象交换的原则，通过变第一作者简介:卢卫涛(1985—)，男，陕西礼泉人，中国科学院西安倍组轴向位置的改变来实现整个系统焦距的改变，光学精密机械研究所硕士研究生，研究方向:光学设计和光机系统变倍组在位置1时为窄视场长焦距情形，在位置2设计。E-mail:luweitao2008@163．com。时为宽视场短焦距情形，在此两个物像交换位置的3676科学技术与工程11卷2倍率互为倒数，即m1=1/m2，系统变焦比Γ=m1。长组和变倍组来使两个位置的像差尽量减小，残余像焦时变倍组的倍率m1=±槡Γ，短焦时变倍

6、组的倍差用后固定组来校正，因为水下光学系统的物方介1质是水，所以透射窗口在蓝绿波段，像差校正时将e率m2=±。［7，8］槡Γ光(0．546μm)作为消单色像差谱线，色差的校正要根据镜头的使用环境等条件进行合理选择，为了得到比较大的视场，除了消除位置色差、球差和慧差［9］之外，还要考虑像散、场曲、畸变及倍率色差。2设计举例图1两档变焦光学系统原理图2．1设计参数由几何光学的高斯公式:根据水下两档变焦光学系统设计理论，采用最111－=(1)小像元为12μm的大面阵CCD作为接收器件，其主l'lf'要设计指标如表1所示。可得:1l=(－1)f2'(2)表1光学设计参数m波长范围0．48μm～0．6

7、7μm所以当变倍组处于位置1和位置2两个物像交最小像元12μm换位置时，变倍组的移动距离变倍比2×11Δ=[(－1)－(－1)]f2'(3)视场范围20°，60°m1m2当系统处于窄视场长焦距位置时，设变倍组和焦距7．2mm，3．6mm两档变焦相对孔径1/1．4前固定组的最短距离为d，则前固定组的焦距系统总长127mmf'为:前固1f前固'=d+(－1)f2'(4)m1所以当系统处于长焦距位置时全系统的焦距2