焦距仪五档变倍镜头设计研究

发布时间：2020-04-05 18:53

【摘要】：近年来,随着光学产业的不断发展,变焦光学系统已经在医学、军事、工业检测等领域应用广泛。而焦距仪作为一种传统的测量焦距的光学仪器,一直配备着一组焦距不同的定焦测量镜头,其中每个测量镜头的放大倍率与工作距离都是固定不变的,测量的焦距范围不同。焦距仪在测量不同范围的焦距时需要更换不同的测量镜头,测量过程繁杂,效率较低,己经不能够满足当前企业的工作需求。本文设计了一款五档变倍镜头代替原有的定焦测量镜头组,该五档变倍镜头可以实现原有测量镜头组的功能。在测量不同范围焦距的被测镜头时,五档变倍镜头通过自动换档、自动对焦,配合CCD像面的处理算法可直接得到被测透镜的焦距,测量焦距过程更有效率、更加自动化、符合未来测量焦距的趋势。论文依据放大率法焦距仪的工作原理确认五档变倍镜头的档位数量、具体的档位参数以及其他相关指标。采用变焦光学系统的设计方法设计五档变倍镜头的光学结构;并对五档变倍镜头的自动换档功能模块、自动对焦功能模块以及CCD像面上的图像处理算法等模块进行辅助设计;论文还对五档变倍镜头进行了公差分析、机械设计、以及选择具体各项辅助工具如CCD的选择与驱动电机的选择等等。论文完成了整个五档变倍镜头的装配,并针对重要参数进行性能测试,在测试结果中,各档位放大倍率分别为7.93倍、2.54倍、0.93倍、0.49倍以及0.16倍,各档位工作距离分别为22.5mm、58.6mm、155mm、301.5mm以及1000mm符合设计要求,测量范围达到(-1000mm,-5mm)U(5mm,1000mm),各档位的像质也均达到要求,通过对测量结果的分析得出结论,该五档变倍镜头达到设计要求。
【图文】：

初始结构,变焦光学系统

硕士学位论文逦焦距仪五档变倍镜头３．３五档变倍镜头的设计过程逡逑３．３．１初始结构的确定逡逑在第二章中己经对变焦光学系统的设计方法作了一定的阐述，一种是从理论出发，使用Ｐ，Ｗ法去进行大量计算最终得到初始结构的各项参数；另一种则是系统的自动化设计，通过对设计指标进行评估，查找现有的类似的光学系统作并性地修改结构参数优化来达到设计的使用要求。逡逑对于变焦光学系统来说，它的结构相比于定焦光学系统要更加复杂，选择去计算需要很大的工作量，所以最终选择通过查找己有的光学系统结构和相关文料，包括经典的变焦光学系统和可以查到的专利库变焦镜头数据，选择一个类似学结构，再对该结构进行参数的修改与优化。逡逑通过查找光学技术手册［４（）］与专利，最中选择了一个相对比较合适的光学结构使用光学设计软件Ｚｅｍａｘ对其进行优化设计。初始结构由前固定组、变倍组，补与后固定组组成。变倍组的光焦度为负，补偿组的光焦度为正。后固定组主要作将物方的景物像到ＣＣＤ上。逦逡逑

光路图,档位,设计指标,评价函数

个值无法手动输入，必须建立评价函数，，设置变量，并在优化函数里将放大倍率作逡逑约束条件进行不断的优化。在优化过程中，注意结构中每一块玻璃的形状，如果出逡逑弯月形或者半圆形的玻璃形状，这种结构在实际生产与加工过程的难度非常高，需逡逑再重新进行优化。逡逑（３）除了对各个档位的参数确认，还需要考虑系统在各个档位的成像质量，根据逡逑列图分析各个档位存在的像差并针对性的进行优化，比如用高折射率透镜代替低折逡逑率透镜来减少球差，调整光阑位置来减少慧差，使用胶合透镜来降低色差等等。逡逑（４）由于五档变倍镜头在不同档位时的存在一定的焦深，在优化的过程中，对镜逡逑设置了像方远心，防止像面存在离焦现象而影响最终的测量精度。逡逑尽管该结构形式符合设计指标，但该结构由１６片玻璃镜片构成，大大增加了该镜逡逑的装配难度，而且该镜头长度接近３００ｍｍ，已经达到甚至超过了设计指标的要求值。逡逑为了进一步实现企业需求，对五档变倍镜头进行了进一步的优化处理，在Ｚｅｍａｘ逡逑重新创建评价函数，再次对系统进行优化直到满足系统指标要求。逡逑最终设计出１０片透镜组成的光学系统，完全符合设计指标且更易于装配，其系统逡逑构如图３．２与图３．３。逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74

【参考文献】