一种无极变焦镜头的焦距仪设计方法与流程

本发明属于焦距仪设计技术领域，具体涉及一种无极变焦镜头的焦距仪设计方法。

背景技术：

放大率法焦距仪作为一种光学测量仪器，由光源、玻罗板、平行光管、被测透镜、测量镜头、ccd靶面组成，如图2所示。除了测量镜头能小范围改变位置外，其他光学元件都固定不动。

焦距仪工作原理为，玻罗板置于平行光管的物方焦平面上，经平行光管后获得一束平行光，经被测透镜第一次成像，再经测量镜头二次成像在ccd上。

2018年，繆玮杰等提出不用更换测量镜头的五档变倍镜头设计，他们利用变焦镜头实现了从-1000mm---5mm，5mm--1000mm的连续变焦测量。

现有技术存在的缺陷有：1、-5mm--5mm间的焦距不能测量；2、由于变焦镜头涉及的镜片较多，装配难度相对比较大；3、五档变倍镜头，不能实现无极变焦。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种无极变焦镜头的焦距仪设计方法

本发明采用如下技术方案：

一种无极变焦镜头的焦距仪设计方法，所述焦距仪包括依次设置的光源、玻罗板、平行光管、被测透镜、ccd靶面、测量镜头，所述测量镜头为自由曲面反射镜；

所述焦距仪设计方法包括如下步骤：

步骤1：采用光学系统设计方法设计自由曲面反射镜结构；

步骤2：抽样拟合焦距范围在-1000mm---2mm、2mm--1000mm间对应的系列自由曲面面形表征函数的系数；

步骤3：利用获得的自由曲面面形表征函数建立微型矩阵式自由曲面反射镜，用电脑控制电动传动装置实现自由曲面反射镜面形扫描，当ccd上显现出清晰、且像高最大的像时，由电脑输出被测镜头焦距值。

进一步的，步骤1，以zernike多项式表征自由曲面面形，利用zemax软件拟合某一被测镜头焦距对应的多项式系数，得到满足像差要求的面形结构。

进一步的，玻罗板与平行光管间、被测镜头与测量镜头间设有平面反射镜。

有益效果：1、将连续变焦测量范围提高到-1000mm---2mm，2mm--1000mm。

2、采用一片自由曲面反射镜取代多片变焦镜头，既可以降低装配难度，又可以实现无极变焦。

附图说明

图1为f′＝-1000mm时的(a)参量值截图，(b)弥散斑图，(c)mtf曲线图，(d)光学系统图，(e)自由曲面反射镜元件图，(f)f′＝-999mm时的参量值截图；

图2为现有技术中焦距仪结构及光路图；

图3为f′＝-2mm时的(a)弥散斑图，(b)mtf曲线图，(c)光学系统图、(d)自由曲面反射镜元件图；

图4为f′＝1000mm时的(a)弥散斑图，(b)mtf曲线图，(c)光学系统图、(d)自由曲面反射镜元件图；

图5-9为zemax软件的界面。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

本发明包括如下步骤：1、首先采用光学系统设计方法设计自由曲面反射镜结构。以zernike多项式表征该自由曲面面形，利用zemax软件拟合某一被测镜头焦距对应的多项式系数，得到满足像差要求的面形结构。

2、然后抽样拟合焦距范围在-1000mm---2mm、2mm--1000mm间对应的系列zernike多项式系数。

3、最后，利用获得的zernike多项式建立微型矩阵式自由曲面反射镜，用电脑控制电动传动装置实现自由曲面反射镜面形扫描，当ccd上显现出清晰、且像高最大的像时，由电脑输出被测镜头焦距值。

图2中被测镜头的焦距为

f′＝fy″/(yβ)(1)

(1)式中，y为玻罗板的大小，f为平行光管的焦距，β为测量镜头的横向放大率，y″为ccd靶面上像的大小。要测量较大范围的焦距，通常需要更换测量镜头。

zernike自由曲面的矢高方程表示为

(2)式中，c为顶点曲率(c＝1r)，r为顶点曲率半径，k为二次曲面常数，r为径向位置，为多项式的第j项，aj为对应的系数。

由于测量镜头是反射镜，光路图与图2略有不同，将ccd置于测量镜头左侧。根据需要，还可以在玻罗板与平行光管间、被测镜头与测量镜头间放置平面反射镜以减小整套焦距仪的体积。取参数y＝30mm，f＝1200mm，保持被测镜头和自由曲面反射镜顶点距离为1100mm、反射镜顶点距离ccd为100mm不变，对f′＝-1000mm进行拟合。拟合得到的(2)式中各参量值见截图1(a),从图中可以读出，r＝-190.989，k＝-0.787532，其他参量值具体见图1(a)。

光学系统成像质量良好，达到了衍射极限，如图1(b)弥散斑图、图1(c)mtf曲线图所示。

光学系统图、自由曲面反射镜元件分别如图1(d)、(e)所示。

对f′＝-999mm拟合，结果见截图1(f),从图中可以读出，r＝-190.988，k＝-0.785426，其他参量值具体见图1(f)。

从截图1(a)、(f)中可以看出，当被测透镜焦距分别取-1000mm、-999mm时，曲面参数及系数是近似地连续变化的。像高从1.293mmz变化为1.305mm，以目前ccd的分辨率，是能分辨这样的高度变化的。

继续拟合，可以发现当被测透镜焦距在-1000mm---2mm、2mm--1000mm间改变时，zernike自由曲面参数及系数也是近似连续变化的。因此可以实现自由曲面反射镜焦距仪无极变焦。

取f′＝-2mm、f′＝1000mm获得的弥散斑图、mtf曲线图、光学系统图、自由曲面反射镜元件图分别如图3(a)、(b)、(c)、(d)及4(a)、(b)、(c)、(d)所示。从弥散斑图、mtf曲线图中可以看出，即使是当f′＝1000mm时，成像质量仍然良好，达到了衍射极限，所成像非常清晰。

以被测镜头焦距为f′＝-1000mm为例说明步骤1，具体参数值是根据上文理论计算得到。

步骤1的具体步骤包括：

1.1：打开zemax软件；

1.2：在“镜头编辑器”中“obj”栏“thickness”框中输入2100；在工具栏中分别点击“gen”、“fie”进行入瞳、视场设置，设置入瞳半径为12.5、物高为25；

1.3：选择“镜头编辑器”中“sto”栏的面形为zernikestandardsag，在“radius”栏输入曲率半径初始值-191，且设为变量；在“thickness”栏输入-100，在“glass”栏输入mirror，设置conic、2thorderterm、4thorderterm、6thorderterm、8thorderterm初始值都为0，且全为变量；

1.4：点击工具栏“编辑”中的附加数据，在“maxterm#”栏输入37，在zernike1～zernike37中输入初始值0，且全为变量；

1.5：保存文件名；

步骤1.1-1.5的结果如图5所示；

1.6：点击图5中“编辑”设置优化函数，设置结果如图6所示；

1.7：点击图5中“opt”进行自动优化，优化结果如图7所示；

1.8：将优化后的文件另外存档。

步骤2的具体步骤包括：为保证表征函数系数的连续性，在焦距-1000mm---2mm、2mm--1000mm范围内抽样时，除抽样数目要满足抽样定理外，还需把前一个被测镜头焦距、物高对应的测量镜头优化后的结构参数作为下一个焦距、物高的初始结构参数。如，设计被测镜头焦距f′＝-999mm的测量镜头初始结构参数时，除将图7中的“obj”厚度“thickness”改为2099，“fie”中物高改为24.975外，其他不变，如图8所示。图9是优化后的结果。