带分划板的连续变倍双筒望远镜设计

　　引　言

　　连续变倍望远镜能同时满足人们对近距离目标有较大观察范围和对远距离目标有较高分辩本领的要求。低性能的变倍望远镜为了降低成本、减小体积和重量,采用的均是比较简单的目镜变焦方式,它没有固定的实象面,无法安装分划板,其象方视场较小,一般在50°左右,且还随着倍数的减小而减小20%左右;出瞳直径也与倍数成反比(D′=D/Г),在最低倍数时其最大值在5mm左右;出瞳距离也较小,约为10～15mm。该类变倍望远镜在傍晚和夜间使用时只相当定倍望远镜,没有实际的变倍效果[1],所以常常只能用在一般的旅游、娱乐等方面。在一些特殊专业及军事上,对变倍望远镜提出了较高性能要求和较特殊的使用要求。

　　本文介绍利用透镜倒象组来变倍和透镜边框作孔径光栏限制小倍率时的较大通光口径,从而使系统在安装分划板的同时还具有较大的象方视场、出瞳直径和出瞳距离,其主要性能如下:

　　1　倒象组连续变倍望远镜原理

　　1.1　二组元透镜倒象组连续变倍的高斯解

　　正组变倍、正组补偿、具有物象交换原则、机械补偿式二组元透镜倒象组连续变倍形式的原理如图1所示(为便于理解和推导,此图为反向光路图)。图中L3为变倍组,L2为补偿组,I2、I1为倒象组的一对共轭面。设变倍组L3的焦距为f3′,补偿组L2的焦距为f2′,则连续变倍的成象关系推导如下:按照倒象组最小放大倍数时的成象光路图[图1(a)],对于变倍组:

　　图1(c)为倒象组最大放大倍数时的成象光路图,同样由理想光学系统的物象关系高斯公式可推得此时倒象组的放大倍数为

　　中间任一放大倍数时的成象光路如图1(b)所示。设变倍组L₃从最小倍数位置向最大倍数位置方向移动任一小量Δ₃,补偿组L₂为了保证I₂的共轭面I₁位置不动,须相应地移动Δ₂。由理想光学系统的物象关系高斯公式进行微分运算[3]可得

　　1.2　望远系统高斯解

　　图2所示为倒象组连续变倍望远镜光学系统原理图,图中L1为物镜,L4为目镜,设L1的焦距为f1′,L4的焦距为f4′,则物镜和目镜组合的视放大率

　　而β_O和βe均由f2′、f3′、lO3、dO决定,所以f1′、f2′、f3′、f4′、lO3、dO的合理取值是整个系统设计的关键,它关系到变倍系统有解无解、各部分及全系统象差校正的难易及结构复杂程度和体积大小。

　　2　主要技术难点的解决

　　2.1　出瞳直径

　　15×时[如图2(a)所示],以物镜L1的边框P1作为孔径光栏即入瞳,其直径为75mm,它经转象组和目镜成象为P1′,即出瞳,其直径为5mm;7×时[如图2(c)所示],变倍组L3的边框P2则成了系统的孔径光栏,它经补偿组L2和物镜L1成在物方的象即为入瞳,其直径则为有效通光口径。在保证系统整个变倍过程中视场和适当渐晕的情况下,入瞳口径取为50mm,此时的出瞳直径为7.1mm。这样即保证在整个变倍过程中出瞳直径为5～7mm,满足了技术性能和使用要求。