长焦距大口径变焦光学系统的设计
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摘要 焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。本文主要通过对变焦光学系统的概念和特征进行介绍，分析了变焦光学系统的原理，从而对长焦距大口径变焦光学系统在天文望远镜中的应用进行分析。
关键词 长焦距；大口径；变焦光学系统
中图分类号O43 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）58-0087-02
随着物理光学的发展，变焦技术越来越得到普及使用，在天文学更是应用广泛，尤其是天文望远镜。现代的天文望远镜已实现了米级、十米级、百米级口径，其焦距变化比也实现了上千、上万的升级，使得天文观测越来越具体化，细致化。有利的推动着天文学的发展。
1 变焦光学系统概述
变焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。变焦光学系统主要在于它的变焦镜头，变焦镜头最主要的特点在于它可以随着使用者的意愿使镜头焦距实现变换。跟固定焦距镜头不同的是，它是通过旋转或者推拉变焦环以达到变换镜头焦距的效果，而不是通过快速变换镜头来达到变换焦距。其在焦距变化的范围内可以实现无级变换，在这个范围内，任何焦距都可以进行观察和拍摄。由于焦距的变化，因此变焦光学系统能够在一定范围内实现大小不同的视场角、影像和景物范围。
2 变焦光学系统的原理
变焦距光学系统主要特征在于其焦距可以进行连续的变化同时保持像面的稳定，从而能保证相同物体在一定范围内实现焦距不同的清晰像，有利于观察使用者对物体的观察分析。
变焦光学系统是由固定焦距透镜组合而成的，首先我们分析下固定焦距透镜，固定焦距透镜在对物平面进行一定的位移时，其相应的像平面和像大小也将发生位移，只有通过在两个特殊位置进行位移，即“物像交换位置”，其相应的像大小变化而像平面不发生变化，如图1。
此时的初始位置放大率将为：；在发生物像交换之后的放大率为：；这前后两个位置所得到放大率之间的比值即为变倍比：；因此，在物像交换位置上，其物像之间的共扼距是没有发生变化的，只是其变倍率产生了M倍的变化，即为原先的β12，而这两个放大率之间的位置将随着变焦倍率的变化而发生相应的位移，如图2。
变焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。变焦光学系统主要在于它的变焦镜头，变焦镜头最主要的特点在于它可以随着使用者的意愿使镜头焦距实现变换。跟固定焦距镜头不同的是，它是通过旋转或者推拉变焦环以达到变换镜头焦距的效果，而不是通过快速变换镜头来达到变换焦距。其在焦距变化的范围内可以实现无级变换，在这个范围内，任何焦距都可以进行观察和拍摄。由于焦距的变化，因此变焦光学系统能够在一定范围内实现大小不同的视场角、影像和景物范围。
图2中的虚线主要表示像面位置和透镜位置之间的关系，按照几何学光学原理，在透镜处在β等于-1位置时，其物像间的距离是为最短的，在这个时候的共扼距即为：；在倍率等于β的时候，其物象之间的共扼距Lβ为：；在其放大率从-1处逐渐向β位置进行变化时，其像面发生的位移量将为：；由此公式可得，其倍率为1/β和β时，两者的位移量是相同的，即变倍比M相同，即“物像交换位置”，由图2可知，在“物像交换位置”时，位移量是最小的。
如果将两个或者以上的焦距固定透镜或者焦距固定透镜组进行组合，如图3。
设第一个透镜或透镜组的焦距为F1'，第二个透镜或透镜组相对于第一个透镜或透镜组的放大比率为β2，其组合焦距F'跟F1'满足的关系为：F'=F1'β2。在第二个透镜或者透镜组发生移动时，其β2将发生相应的变化，从而使得其像的大小也将进行相应的改变，致使像面位置产生改变，最终使组合焦距F'也将产生变化。
变焦光学系统是由许多个这样的透镜组合而成，其焦距的变化主要是通过这些透镜位移的变化，使光组间隔发生变化，从而实现更为精细的变倍比，即：
变焦距光学系统主要是相对于固定光学系统而言的，其焦距能偶在像面位置保持不变的情况下进行一定范围的调整，并且其孔径也基本上保持不变。变焦光学系统主要在于它的变焦镜头，变焦镜头最主要的特点在于它可以随着使用者的意愿使镜头焦距实现变换。跟固定焦距镜头不同的是，它是通过旋转或者推拉变焦环以达到变换镜头焦距的效果，而不是通过快速变换镜头来达到变换焦距。其在焦距变化的范围内可以实现无级变换，在这个范围内，任何焦距都可以进行观察和拍摄。由于焦距的变化，因此变焦光学系统能够在一定范围内实现大小不同的视场角、影像和景物范围。
同时，为了让变焦光学系统中的像面不发生变化，还应该附加一个能够进行移动的透镜组，以对像面移动进行补偿，即变焦光学系统中的“补偿组”。因而将能够实现倍率改变的移动透镜组相应的称作“变倍组”，用于将指定物平面成像到变倍组要求的物平面位置的透镜组份称作“前固定组”。当然，若变倍组所形成的像跟使用者或者光学系统的要求不符合，将可通过另外的透镜组将其成像到所要求的平面位置，这就是“后固定组”，其主要是成像和对前面透镜组进行校正的作用，以减少误差。以上变焦光学系统的原理告诉我们，变焦光学系统主要是通过固定焦距透镜的组合而形成的。
3 长焦距大口径变焦光学系统在天文望远镜中的应用
3.1 相关参数
在天文望远镜中，变焦光学系统的应用往往是长焦距大口径的变焦光学系统。下面主要介绍口径为1m的长焦距大口径天文望远镜变焦光学系统。其主要参数如下：相对口径D/f=1/8，系统放大倍率β2=4，系统焦距f=16.0m，截距b=0.3m。光学间距d=3.14m，有效F数Fe=8.2。主镜口径D1=1.0m，抛物面形:y2=16000x，顶点曲率半径r1=-8.0m。次镜直径D2=0.43m，双曲面形为:y2=4580x-(1-2.78)x2，顶点曲率半径r2=-2.29m。
3.2 系统评价
由以上参数可知，1.0m大口径长焦距变焦光学系统天文望远镜其焦距将在1.0m和16m之间进行调整，从而使得其放大率可以实现到4×8×16倍，以致其可以用于观测卫星，对卫星图形进行系统的构建，可以进行实时记录图像处理，有利于天文星象的观察。当然，现在天文望远镜的发展已经可以扩展到65m、100m等超大口径。对天文星象的观察越来越具细致，具体。
4 结论
综上所述，变焦光学系统可以使焦距在一定范围内进行转换，从而使的望远镜能够对观察图组进行具体的观察，同时可以对其进行构图分析，有利于望远镜的发展，本文主要对1.0m口径的大口径长焦距变焦光学系统进行简单的套论，根据其参数，可知其焦距将在1.0m和16m之间进行调整，从而使得其放大率可以实现到4×8×16倍，对天文观察构图具有一定跟有效性。
参考文献
[1]魏晨曦，马婷婷，汪琦.美国新太空计划及其影响[J].中国航天，2009(1).
[2]王春梅.揭密美国重返月球计划[J].探索，2010(1).
[3]潘君骥.光学非球面的设计、加工与检验[M].1版.北京：科学出版社，2004.
[4]章剑峰，龙夫年，张伟.平像场无遮掩大视场两镜系统光学设计[J].光子学报，2005(10).
[5]袁旭沧.光学设计[M].1版.北京：科学出版社，2008.
[6]莫化.应用光学[M].2版.北京：机械工业出版社，2008.
[7]李晖.光学系统杂光分析方法研究[D].西安光学精密机械研究所，2009.