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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 S，利用薄透镜的弯曲可以校正 球差 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
2、透镜的背后加上一块正、 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 。，101 111huuz 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07. 0 S。按相对孔径需要选15.0d。 玻璃可取 BaF7和 ZK8的组合。由式子 b d nSn a n nS n c cc c
3、cc 1 2 21 21 1 1 可得 549.5729. 5 766026.31184006. 0 21cc ba ， ， 3、加无光焦度双薄透镜校正 S 取3. 1 ba （实践表明取值在1.2 到 1.5 之间为好）。 （1） 求 c Su 、 2 。 52.17311 719.2 1 2 222 3 2 2 1 2 1 uunduu n S nr n u n c （2） 求个面曲率半径 由式子 1 12 21 n b bb cb ， aaa aaa 22 11 及式子 2 4 1 3 2 2 1 1 1 1 1 1 a a b c r r r r 天津理工大学专业设计报告 可求得半部系
4、统焦距规化为1 时各面的曲率半径分别为： 4143. 0 3721. 3 2917. 0 1745. 0 4 3 2 1 r r r r 4、求校正 S的孔径光阑位置 根据校正 S的要求，有 0 c SSSS ba 令Alh zz11 ，则 n d Ahh n u i di nh Aii Ai z z cz 22 2 2 2 2 22 11 1 1 1 1 1 由以上各式可得0869.0 z lA 从上述计算可知，由于透镜cba、合成后球差系数0 S，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 为了使得引入胶合面后 0 5 1 C，所以
5、取胶合面初级位置色差系数 0221.0 4 1 C n dn n nd luniC 由此可得 0026. 0 n dn n nd 而第一近轴光线在胶合面上的入射高度 0610.1 21122 udhul 胶合面入射角9586.4 22 4 1 n dn n nd nul C i 天津理工大学专业设计报告 为求胶合面的曲率半径，用近轴光光路计算公式 u r rl i 的胶合面曲率半径3818.0r 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 2121 d知，当 21 时， 2 20，则d。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
6、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 5.72 8. 0 2 f f 7、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dr、乘以半部系统的实际焦距，然后将薄透镜 ba、 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 mmD mmf f D 29 402 58 2 1 面号r/mm d/mm n 玻璃 1 30.0354 2 244.4743 4.85 1.6140 ZK8 3 21.1517 0.3 4 -27.6785 8.845
7、1.6140 ZK8 5 12.6552 2.03 1.6140 BaF7 6 -12.6552 12.599 7 27.6785 2.03 1.6140 BaF7 天津理工大学专业设计报告 8、象差计算 已知物体在无限远 L，则视场半角的正切 3729.0tan f y 式中y为底片对角线的一半。入射光瞳半径为h，已知相对孔径 2 1 f D ，则有 5 .14 42 fD h 按21, 5.14,hL进行光路计算，求得象方孔径角 2507.0 k u 总焦距 8309.57f 拉赫不变量 4075.5tan 11h nJ 初级象差系数 07479.0 S 09736.0 S 06245.
8、0S 01929. 0 S 31357.0 S 004304. 0 C 003771.0 C 初级象差 8 -21.1517 8.845 1.6140 ZK8 9 -244.4743 0.3 10 -30.0354 4.85 1.6140 ZK8 天津理工大学专业设计报告 009002.0 2 594893.0 2 1 2 1 j S SC un S L k K kk k k 015040.0 068463.0 153421.0 2 194152.0 2 582457.0 2 3 1 2 1 2 1 1 1 kk k FCk kk k FCk kk k zk kk k sk kk k Tk u
9、n C Y un C L un S y un S K un S K 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
10、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，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
11、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 S，用选取孔径光阑位置 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
12、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，相信自己会从 中受益。学无止境，今后会更加努力。 天津理工大学专业设计报告 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、张以谟应用光学机械工业出版社北京1982 5、王之江实用光学技术手册机械工业出版城2006 6、光学仪器设计手册国坊工业出版社北京1971