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一种无极变焦镜头的焦距仪设计方法技术

技术编号:25688696 阅读:37 留言:0更新日期:2020-09-18 21:00
本发明专利技术提供一种无极变焦镜头的焦距仪设计方法,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。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。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。本发明专利技术将连续变焦测量范围提高到‑1000mm‑‑‑2mm,2mm‑‑1000mm;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。

【技术实现步骤摘要】
一种无极变焦镜头的焦距仪设计方法
本专利技术属于焦距仪设计
,具体涉及一种无极变焦镜头的焦距仪设计方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题,本专利技术提供一种无极变焦镜头的焦距仪设计方法本专利技术采用如下技术方案: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专利技术作进一步说明。本专利技术包括如下步骤: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;<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无极变焦镜头的焦距仪设计方法,其特征在于,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;/n所述焦距仪设计方法包括如下步骤:/n步骤1:采用光学系统设计方法设计自由曲面反射镜结构;/n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;/n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。/n

【技术特征摘要】
20200529 CN 20201047170231.一种无极变焦镜头的焦距仪设计方法,其特征在于,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...

【专利技术属性】
技术研发人员:龚天林许田
申请(专利权)人:南通大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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