双高斯物镜的设计

1、天津理工大学专业设计报告前言双高斯物镜是一种中等视场大孔径的摄影物镜。双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1所示。 图 1 双高斯物镜 由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正。在双高斯物镜中依靠厚透镜的结构变化可以校正场曲，利用薄透镜的弯曲可以校正球差，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散，在厚透镜中引入一个胶合面可以校正色差。双高斯物镜的半部系统可以看作是由厚透镜演变而来，一块校正了匹兹万场曲的厚透镜是弯月形的，两个球面的半径相等。在厚透镜的背后加上一块正

2、、负透镜组成的无光焦度薄透镜组，对整个光焦度的分配和像差分布没有明显的影响，然后把靠近厚透镜的负透镜分离出来，且与厚透镜合为一体，这样就组成了一个两球面半径不等的厚透镜和一个正光焦度的薄透镜的双高斯物镜半部系统。二、用初级像差理论确定初始结构1、 半部系统的规划半部系统如图2所示，计算时把焦距规化为1，同时取规化条件2、 以厚透镜校正考虑到对高级像散的平衡，取。按相对孔径需要选。玻璃可取BaF7和ZK8的组合。由式子可得 3、 加无光焦度双薄透镜校正取（实践表明取值在1.2到1.5之间为好）。（1） 求。 （2） 求个面曲率半径 由式子， 及式子 可求得半部系统焦距规化为1时各面的曲率半径分别

3、为：4、 求校正的孔径光阑位置根据校正的要求，有 令，则 由以上各式可得 从上述计算可知，由于透镜合成后球差系数，所得方程的二次项系数一定为零，也就是说只有一个根。5、 厚透镜中加入消位置色差系数的胶合面为了使得引入胶合面后，所以取胶合面初级位置色差系数 由此可得 而第一近轴光线在胶合面上的入射高度 胶合面入射角 为求胶合面的曲率半径，用近轴光光路计算公式 的胶合面曲率半径 6、 半部系统焦距确定半部系统合成完全对称系统，由光焦度公式 知，当时，。实际上系统间不可能等于零，计算表明，当半部系统的焦距等于1，取合成以后的焦距大约等于0.8。现设计要求的合成焦距为58毫米。所以半部系统的焦距 7、

4、 半部系统实际结构参数的决定及全系统的合成首先将规化半部系统结构参数乘以半部系统的实际焦距，然后将薄透镜加上必要厚度。半部系统实际结构参数确定以后，按对称关系即可构成一个完全对称系统。其全部结构参数如下：表1 双高斯物镜的结构参数 主要技术指标 结构面号/mm/mm玻璃130.03542244.47434.851.6140ZK8321.15170.34-27.67858.8451.6140ZK8512.65522.031.6140BaF76-12.655212.599727.67852.031.6140BaF78-21.15178.8451.6140ZK89-244.47430.310-30.

5、03544.851.6140ZK88、 象差计算已知物体在无限远，则视场半角的正切式中为底片对角线的一半。入射光瞳半径为，已知相对孔径，则有 按进行光路计算，求得象方孔径角总焦距拉赫不变量初级象差系数初级象差三、用ZEMAX优化1、 建立新镜头，录入初始结构参数。镜头数据为： 图3 初始镜头数据2、 像质评价报告图 优化前Ray Fan如图4： 图4 优化前Ray 优化前Opd Fan 如图5： 图5 优化前Opd优化前Spt 如图6： 图6 优化前Spt优化前Mtf 如图7： 图7 优化前Mtf 优化前Lay如图8： 图8 优化前Lay优化前场曲和畸变如图9： 图9 场曲和畸变 经分析，像质

6、不够好，有待进一步优化。将透镜的曲率半径和厚度作为优化变量，通过优化曲率半径和厚度来提高像质。 优化后镜头数据如图10： 图10 优化后镜头数据 优化后Ray Fan 如图11： 图11 优化后Ray 优化后Opd Fan 如图12： 图12 优化后Opd优化后Spt如图13： 图13 优化后Spt优化后Mtf如图14： 图14 优化后优化后Lay 如图15： 图15 优化后Lay优化后场曲和畸变如图16： 图16 场曲和畸变3、 结论双高斯物镜是一种对称型结构，故可以先从它的半部系统着手，这时只需要考虑校正半部系统的球差、像散、场曲、位置色差这四类轴向象差，全对称合成后，其垂轴色差自动相消。

7、对于半部系统，采用厚透镜校正象差弯曲系数，用加无光焦度双薄透镜校正球差系数，用选取孔径光阑位置校正像散系数，再在厚透镜中加消色散胶合面的办法，校正位置色差系数。计算出初始结构参数后，通过软件进行调试优化。选取透镜的曲率半径和厚度作为优化变量。调试优化直至各参数满足设计要求。五、心得体会光学设计课程设计结束了，通过这次课程设计，我深深体会到“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行”这句千古名言的真正含义。就说论文的编写吧，各种公式的录入和各种图形的绘画，都是在这次的课程设计中学习的。通过这次的课程设计，我认识到了学习是始终伴随自己的，从开始的对ZEMAX的一窍不通，到现在能基本用它完成简单光学系统的设计

8、优化。从开始不知道怎么使用VISIO作图，到现在能使用其作出相关的图形。当然，各种软件功能都及其庞大，但是，认识到边学边用后，自己便能在以后的工作和学习生活中更加从容一些。在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，和同学们相互探讨，相互学习。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。我努力做了，虽然不是很完美，但自己也收获了些东西，相信自己会从中受益。学无止境，今后会更加努力。参考文献 1、刘钧、高明·光学设计·西安电子科技大学出版社·西安·2006 2、光学仪器设计手册·国防科技出版社·北京·1971 3、光学设计软件ZEMAX 4