双高斯物镜的设计要点

1、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球差 S ，利用薄透镜的弯曲可以校正S ，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散S ，在厚透镜中引入一个胶合面可以校正色差 C。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uz11， u10， h11。2、以厚透镜校正 S天津理工大学专业设计报告考虑到对高级像散的平衡，取 0.07 。按相对孔径需要选d 0.15。S玻璃可取 BaF7和 ZK8 的组合。由式子可得nS cac1c21nn 1nScbc1c22d n 1a0.184006， b3

3、1.766026c15.729， c25.5493、加无光焦度双薄透镜校正S取ab1.3 （实践表明取值在（1） 求 u 、 S。2cu2n 12.719nr1S cn31 du2n2 u2n 11.2 到 1.5 之间为好）。u21 u2 2173.52（2） 求个面曲率半径由式子b1c2b ，a1a1ab2b1a 2a2an1及式子r11c11r2r3b 21r4a11a2天津理工大学专业设计报告可求得半部系统焦距规化为1 时各面的曲率半径分别为：r10.1745r20.2917r33.3721r40.41434、求校正 S 的孔径光阑位置根据校正 S 的要求，有SSaSbSc0令 hz1

4、l z1 A，则iz1c1 A1iz2 i 2 A1 1di21nh2i2u21 ndhz2h2 An由以上各式可得Al z0.0869从上述计算可知，由于透镜 a、 b、 c 合成后球差系数 S 0 ，所得方程的二次项系数一定为零，也就是说 A 只有一个根。5、厚透镜中加入消位置色差系数C 的胶合面5为了使得引入胶合面后C 0 ，所以取胶合面初级位置色差系数1dndn4CC 0.0221luninn1由此可得dndn0.0026n n而第一近轴光线在胶合面上的入射高度l 2u2h1d1u21.06104C胶合面入射角i14.9586l 2u2 n dndnnn天津理工大学专业设计报告为求胶合

5、面的曲率半径，用近轴光光路计算公式il r u的胶合面曲率半径 r 0.3818r6、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12d 1 2 知，当1 2 时， d 0，则2 2 。实际上系统间 d 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ff272.50.87、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r 、d 乘以半部系统的实际焦距，然后将薄透镜a、b 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

6、 1双高斯物镜的结构参数主要技术指标结构D1f2f 58mm240D 29mm面号r /mmd /mmn玻璃130.03542244.47434.851.6140ZK8321.15170.34-27.67858.8451.6140ZK8512.65522.031.6140BaF76-12.655212.599727.67852.031.6140BaF7天津理工大学专业设计报告8-21.15178.8451.6140ZK89-244.47430.310-30.03544.851.6140ZK88、象差计算已知物体在无限远L，则视场半角的正切tany0.3729f式中 y 为底片对角线的一半。入射

7、光瞳半径为h ，已知相对孔径 D1 ，则有f2Dfh14.524按 L, h 14.5,21 进行光路计算，求得象方孔径角uk0.2507总焦距f57.8309拉赫不变量Jn1 h1 tan5.4075初级象差系数S0.07479S0.09736S0.06245S0.01929S0.31357C0.004304C0.003771初级象差天津理工大学专业设计报告LkSCKKTkK skyzkLFCkYFCkkS122nk ukkS12 jk3S12nk ukkS12nk ukkS122nk ukkC12nk ukkC1nk uk0.5948930.0090020.5824570.1941520.

8、1534210.0684630.015040三、用 ZEMAX优化1、建立新镜头，录入初始结构参数。镜头数据为：天津理工大学专业设计报告图 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天津理工大学专业设计报告优化前 Opd Fan 如图 5：图 5优化前 Opd优化前 Spt如图 6：图 6优化前 Spt天津理工大学专业设计报告优化前 Mtf如图 7：图 7 优化前 Mtf优化前 Lay 如图 8：图 8优化前 Lay天津理工大学专业设计报告优化前场曲和畸变如图9：图 9场曲和畸变经分析，像质不够好，有待进一步优化。将透镜的曲率半径和厚度作为优化变量，

9、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优化后镜头数据天津理工大学专业设计报告优化后 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天津理工大学专业设计报告优化后 Spt 如图 13：图 13 优化后 Spt优化后 Mtf 如图 14：图 14 优化后天津理工大学专业设计报告优化后 Lay 如图 15：图 15 优化后 Lay优化后场曲和畸变如图 16：图 16场曲和畸变天津理工大学专业设计报告三、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

10、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。对于半部系统，采用厚透镜校正象差弯曲系数S ，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S校正像散系数 S ，再在厚透镜中加消色散胶合面的办法，校正位置色差系数 C。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，