一款小型化可見光兩檔7.5×變焦系統(tǒng)的設(shè)計

（天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，光電信息技術(shù)教育部重點實驗室，天津 300072）

引言

無人機(jī)目標(biāo)偵察、消防搜救和醫(yī)療診斷等許多應(yīng)用場合都期望以大視場搜索目標(biāo)位置，再以小視場追蹤目標(biāo)，分辨細(xì)節(jié)，這就要求系統(tǒng)具備變焦能力。同時，此類系統(tǒng)經(jīng)常作為光電載荷搭載在運動機(jī)構(gòu)上，對系統(tǒng)提出了小型化、輕量化、低成本的設(shè)計要求[1-3]。

由變焦系統(tǒng)的物像交換原理可知，若一個變焦系統(tǒng)僅要求在2個位置保持像面穩(wěn)定，那么僅需一組可動透鏡即可達(dá)到目的[4]，大大簡化了系統(tǒng)光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)稱為兩檔變焦系統(tǒng)。

根據(jù)上述應(yīng)用場景與設(shè)計要求，提出并設(shè)計一款兩檔光學(xué)補償變焦距成像系統(tǒng)，其工作于486 nm～656 nm的可見光波段，由注塑鏡片與玻璃鏡片混合組成，包含一個前固定組和一個可動組，具有小型化、輕量化、低成本的優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)原理與初始結(jié)構(gòu)

1.1 兩檔變焦系統(tǒng)原理

兩檔變焦系統(tǒng)至少應(yīng)包含前固定組與變倍組。以正變倍組為例進(jìn)行分析，簡化后的兩檔變焦系統(tǒng)原理如圖1所示[5]。

圖1 從短焦切換至長焦的兩檔變焦系統(tǒng)原理Fig.1 Two-step zoom system shifting from wide-angle state to telephoto state

圖1中變倍組由原位置向右移動距離q，使得原來位于I（0）處的像面向右移動M（q）到達(dá)I（q），系統(tǒng)由短焦?fàn)顟B(tài)切換為長焦?fàn)顟B(tài)。圖1中Δ與（Δ+q）分別是短焦?fàn)顟B(tài)與長焦?fàn)顟B(tài)下前固定組與變倍組間的光學(xué)間隔，f1′與f2′分別是前固定組與變倍組的焦距，d=（f1′+f2′+Δ）是變焦過程中兩組透鏡的最小間距。

設(shè)計變焦系統(tǒng)必須滿足3個條件：1）為保證像面位置不變，必須使像面移動量M（q）=0；……