《光学设计教程》-第8章

8.1照相物镜的光学特性和结构形式8.1.1三片型物镜及其复杂化形式简单的三片型物镜如图8−1所示。它是一种结构最简单的照相物镜，当焦距在50mm左右时，相对孔径可达1/3.5，视场角为50°。它被广泛应用于价格较低的照相机上。这种物镜的复杂化形式分两类。一类是把前、后两个正透镜中的一个分成两个，如图8−2（a）和图8−2（b）所示。它们主要是为了增大物镜的相对孔径。另一类是把前、后两个正透镜中的一个或两个用双胶合透镜组代替，如图8−2（c）和图8−2（d）所示。它们主要是为了增加相对孔径和视场，同时改善边缘视场的成像质量。下一页返回8.1照相物镜的光学特性和结构形式8.1.2双高斯物镜及其复杂化形式双高斯物镜是具有较大视场（2ω=40°）的物镜中相对孔径最先达到1/2的物镜。它是目前多数大孔径物镜的基础，其复杂化形式主要是为了增大物镜的相对孔径，如图8−3（a）～图8−3（c）所示。把中间两个胶合厚透镜中的一个或两个变成分离透镜可适当提高物镜的视场，如图8−3（d）所示。上一页下一页返回8.1照相物镜的光学特性和结构形式8.1.3摄远物镜及其复杂化形式摄远物镜由一个正光焦度的前组和一个负光焦度的后组构成，如图8−4（a）所示。这种物镜主要用于长焦距物镜中，它的系统长度可以小于焦距。但是这种系统的相对孔径比较小，为1/6，视场角达到2ω=30°。它的复杂化形式是把前、后两个双透镜组的一个或两个，用三透镜组来代替，如图8−4（b）和图8−4（c）所示，以增大相对孔径或提高成像质量。上一页下一页返回8.1照相物镜的光学特性和结构形式8.1.4鲁沙型物镜及其复杂化形式鲁沙型物镜视场角可达120°，相对孔径1/8，主要用于航空测量照相机，如图8−5（a）所示。它是一系列特广角摄影物镜的基础，它的复杂化形式主要是为了增大相对孔径和改善成像质量，如图8−5（b）～图8−5（d）所示。8.1.5松纳型物镜及其复杂化形式简单的松纳型物镜如图8−6（a）所示，它是一系列视场较小（2ω<30°）、相对孔径较大的物镜的基础，它的复杂化形式主要是为了增大相对孔径，如图8−6（b）所示。上一页下一页返回8.1照相物镜的光学特性和结构形式8.1.6反摄远物镜反摄远物镜是一类照相物镜的统称，它们的共同特点是有一个负光焦度的前组和一个正光焦度的后组，至于前组和后组的具体结构，种类繁多。这类物镜近年来得到了很大的发展，它能同时实现大视场和大相对孔径。它的发展使照相物镜的光学特性提高了一大步，图8−7所示为它的几种有代表性的结构。这类系统的长度比较大，系统的后工作距离l′F

也比较大。上一页返回8.2照相物镜设计的特点8.2.1原始系统结构形式的确定原始系统的选定是光学自动设计的基础和关键。由于照相物镜中高级像差比较大，结构也比较复杂，因此照相物镜设计的原始系统一般都不用初级像差求解的方法来确定，而是根据要求的光学特性和成像质量从手册、资料或专利文献中找出一个和设计要求比较接近的系统作为原始系统。上节我们所以要介绍各种原始系统的结构型式及它们适用的光学特性，就是为了使大家在选择原始系统时做到心中有数。知道什么样的光学特性和像质要求，大体上应该选用什么样的结构形式，再去有目的地寻找所需要的原始系统。下一页返回8.2照相物镜设计的特点8.2.2像差校正在原始系统确定以后，就要校正像差，究竟需要校正哪些像差，在不同光学特性和不同结构形式的系统中是不同的。我们必须通过像差计算来确定。为此我们把照相物镜的像差校正大体分成三个阶段来进行。第一阶段：首先校正“基本像差”。在照相物镜设计中所谓基本像差一般是指那些全视场和全孔径的像差。第二阶段：校正剩余像差或高级像差。在完成第一阶段校正的基础上，全面分析一下系统像差的校正状况，找出最重要的高级像差，作为第二阶段的校正对象。当然在第一阶段中已加入校正的像差在第二阶段必须继续参加校正。上一页下一页返回8.2照相物镜设计的特点

因为只有在基本像差达到校正的前提下，校正高级像差才有意义。对剩余像差或高级像差的校正，采取逐步收缩公差的方式进行，使它们校正得尽可能小。在校正过程中某些本来不大的高级像差可能会增大起来，这时必须把它们也加入校正，或者在无法同时校正的情况下采取某种折中方案，使各种高级像差得到兼顾。第二校正阶段往往是整个设计成败的关键。如果系统无法使各种高级像差校正到允许的公差范围之内，则只能放弃所选的原始系统，重新选择一个高级像差较小的原始系统，回到第一阶段重复上述校正过程，直到各种高级像差满足要求为止。上一页下一页返回8.2照相物镜设计的特点

第三阶段：像差平衡。在完成了第二校正阶段后，各种高级像差已满足要求。根据系统在整个视场和整个光束孔径内像差的分布规律，改变基本像差的目标值，重新进行基本像差的校正，使整个视场和整个光束孔径内获得尽可能高的成像质量，这就是我们在前面已经说过的“像差平衡”。对多数照相物镜来说，一般允许视场边缘像点的像差比中心适当加大，同时允许子午光束的宽度小于轴上像点的光束宽度，即允许视场边缘有渐晕。因此在校正像差过程中，可以把轴外光束在子午方向上截去一部分像差过大的光线，使它们不能通过系统到达像面成像，这就是轴外光束的拦光，也就是“渐晕”。上一页返回8.3用Zemax软件设计双高斯物镜8.3.1初始系统输入上述光学特性的要求，比典型的双高斯物镜的视场大，但相对孔径小，选用双高斯结构可以满足要求。由于阻尼最小二乘法程序对加入校正的像差参数不受限制，可以把像差以外较多的近轴参数、几何参数和边界条件加入校正。不论采用什么样的原始系统，程序总能进行迭代，使系统在满足近轴参数、几何参数和边界条件的前提下，使评价函数收缩到一个局部极小值。我们采用如下的一个原始系统，其结构参数见表8−4。这是一个典型的双高斯物镜，光学特性为f′=50，下一页返回8.3用Zemax软件设计双高斯物镜

子午光束的渐晕系数：全视场K=0.65，0.7视场K=0.8。在Zemax主窗口的镜头数据编辑窗口（LensData）中，依次输入各表面半径、厚度及玻名称。选中第6面，单击窗口左上方的下拉箭头，显示表面6属性（Surface6Properties），将“使此表面为光阑”（MakeSurfaceStop）选中，设定第6面为光阑面。由于该系统采用的都是中国玻璃，故必须保证在Zemax存放玻璃库的目录下存放有中国的玻璃库，为避免与其他玻璃库中的玻璃重名，使用者应该在系统选项栏（SystemExplorer）的材料库（MaterialCatalogs）中去除别的玻璃库，只保留中国的玻璃库作为当前使用的玻璃库。上一页下一页返回8.3用Zemax软件设计双高斯物镜

接下来，在系统选项栏（SystemExplorer）中输入光学特性参数。在系统孔径（Aperture）中输入入瞳直径（EntrancePupilDiameter）为25。在视场（Fields）中输入3个入射角度0、14、20，分别对应0、0.7和1视场，在0.7视场VCY中输入渐晕压缩因子（值为1减去渐晕系数）0.2，1视场VCY中输入0.35。在波长（Wavelengths）中选择F、d、C这3个波长值。在第11面对其厚度（Thickness）进行“求解”（Solve）。单击厚度（Thickness）右侧的空白方框，在厚度解（ThicknessSolve）中选择边缘光线高度（MarginalRayHeight），设定高度（Height）和光瞳区域（PupilZone）均为0。此时所求解出的厚度即为系统的理想像距。上一页下一页返回8.3用Zemax软件设计双高斯物镜

在主窗口的分析（Analyze）菜单中选择二维视图（Cross−Section），观察系统的二维系统图，如图8−8所示。8.3.2利用Zemax软件对系统进行第一次优化设计现在要把上述初始系统改为f′=50,2ω=60°,的设计，由于初始系统焦距和设计要求一致，所以系统不需要进行缩放，而且玻璃材料不变，直接把它作为自动优化设计的原始系统。上一页下一页返回8.3用Zemax软件设计双高斯物镜

为符合设计要求，在系统选项栏（SystemExplorer）系统孔径（Aperture）中将入瞳直径（EntrancePupilDiameter）改为20。由于初始系统视场角与设计要求相差较大，在阻尼最小二乘法程序中，需采用逐次优化的方法使原始系统逐步接近设计要求。第一次优化设计时，将视场（Fields）中的角度值改为0，17，25，即对应1视场为25°。1视场和0.7视场的渐晕压缩因子不变。对此系统进行优化设计的基本步骤如下：上一页下一页返回8.3用Zemax软件设计双高斯物镜

1.确定自变量把系统的10个曲率均作为自变量加入校正（光阑平面不作自变量），即c1,c2,c3,c4,c5,c7,c8,c9,c10,c11。透镜厚度除了两个微小的空气间隔d

2=d9=0.1不作为自变量外，其他全部厚度间隔均作为自变量加入校正，即d1,d3,d4,d5,d6,d7,d8,d10共8个，这样共有18个自变量加入校正。透镜玻璃不作为自变量。在上述参数处单击右键，选择“variable”，选择完成后在此参数的右侧小方块中会显示V，表示已经选为自变量。上一页下一页返回8.3用Zemax软件设计双高斯物镜

2.建立评价函数在主窗口的优化（Optimize）菜单中，单击评价函数编辑器（Merit弹出编辑界面。在评价函数编辑器下拉菜单或者在主窗口优化菜单中选择优化向导（OptimizationWizard）进行默认评价函数的设定。评价方法（Criterion）选择RMS，其他选项保持默认选项，在界面中单击“确认”（OK）按钮，系统自动生成一系列操作数，以控制系统的像差。上一页下一页返回8.3用Zemax软件设计双高斯物镜

根据光学系统的设计要求，还需在评价函数编辑器（MeritFunctionEditor）中加入光学特性参数要求和边界条件，这里需要控制的光学特性参数只有焦距。在表格最上方插入新的一行，在类型（Type）列中键入“EFFL”，在目标（Target）项中输入“50”，在权重（Weight）项中输入“1”。需要控制的边界条件是透镜的最小中心厚度MNCG，它们的数值如表8−5所示。3.执行优化自变量和评价函数设置完成后，就可以运行优化设计。由于第一次优化设计仅仅是初步调整，使原始系统接近视场角为25°的系统，因此优化循环次数无须过多，只要能将初始系统进行改善即可。上一页下一页返回8.3用Zemax软件设计双高斯物镜

因此，在优化（LocalOptimization）对话框中，选择“5cycles”循环，在优化前评价函数是0.611303848，程序经过5次优化后，评价函数下降为0.020669546，刷新系统结构图和点列图，系统结构趋于正常，边缘像差得到改善。8.3.3第二次优化在第一次优化结果的基础上，希望完全达到对现场角2ω=60°的设计要求，同时进一步改善系统的成像质量，为此需进行第二次校正。第二次校正的原始系统为第一次优化的最后结果，评价函数、自变量都和第一次优化相同。上一页下一页返回8.3用Zemax软件设计双高斯物镜

将第一次优化得到的最后结果作为原始系统，将现场（Fields）中的角度改为0，21，30，即对应2ω=60°的要求。在优化（LocalOptimization）对话框中选中自动更新（AutoUpdate），然后选择自动迭代方式（Automatic），程序开始进行优化设计，在优化前评价函数是2.884466672，经过优化后，评价函数下降为0.016208191，优化完成。图8−11所示为第二次优化后的系统结构及点列图。从图8−11中可以看出，经过优化后，系统点列图半径虽然有效减小，但MTF曲线表明像质仍较差。究其原因，是由于此系统的视场角要求过大，采用常规的双高斯型物镜不易获得较好的结果。上一页下一页返回8.3用Zemax软件设计双高斯物镜

为在此基础上进行适当改进，对原系统所选用的玻璃进行了更换。作者采用成都光明提供的玻璃库，将ZK11，ZK7更换为LAK3，F5更换为H−ZF52A，并进一步进行优化，最终得到了较好的结果，如图8−12所示。上一页返回8.4照相物镜像差的公差8.4.1轴上球差的公差在7.6节中，目视光学系统球差的公差以波差小于λ4为像差公差的标准。对照相物镜来说波差小于λ/2，即可认为是一个高质量的设计，因此可以把波像差小于λ2作为照相物镜轴上球差公差的标准。根据式（5−31）和式（5−32），可以得到相应的球差公差公式为：初级球差下一页返回8.4照相物镜像差的公差

8.4.2轴外单色像差的公差照相幅面的形状一般为长方形或正方形。如图8−13所示，照相物镜的视场一般按对角线视场计算，图中的圆相当于0.7视场，整个画面的绝大部分面积已包含在0.7视场的圆内。因此评价照相物镜的轴外像差主要是在0.7视场内，0.7视场以外像质允许下降。评价照相物镜的轴外像差，一般不按各种单项像差分别制定公差，而直接根据子午和弧矢垂轴像差曲线对轴外点进行综合评价。前面已经给出了轴上点球差的公差，在评价轴外点的像差时，首先作出轴上点与轴外点的子午和弧矢垂轴像差曲线。把轴上点的垂轴像差作为评价轴外点垂轴像差的标准，而且重点是考查0.7视场内的像差。上一页下一页返回8.4照相物镜像差的公差

对垂轴像差曲线一般应从两个方面来考查：一方面看它的最大像差值，它表示最大弥散范围；另一方面看光能是否集中，如果大部分光线的像差比较小，光能比较集中，即使有少量光线像差比较大，也是允许的。轴外像点的像差当然不可能校正得和轴上像点一样好，只要整个光束中有70%～80%的光线的像差和轴上点相当，就可以认为是较好的设计了。子午光束可以用渐晕的方法来减小实际成像光束的像差。弧矢光束一般无法拦光，它的成像光束宽度和轴上点相同，因此弧矢垂轴像差一般比子午垂轴像差还要大些。一般要求代表弧矢彗差的曲线最大像差值应小于同一视场的子午垂轴像差，代表弧矢场曲和弧矢球差的曲线允许比同一视场的子午垂轴像差适当加大。上一页下一页返回8.4照相物镜像差的公差

利用垂轴像差曲线评价像差时，还应考虑像面位移的影响。像面位移后的垂轴像差相当于把各视场的像差曲线对同一斜率的直线来计算垂轴像差，这在1.4节中已作过说明。8.4.3色球差公差照相物镜一般都能把轴上点指定孔径光线的色差校正得比较好（例如0.7071孔径的光线），但是色球差不可能完全校正，在不同形式的物镜中