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OCAD應用：雙高斯照相物鏡系統結構優化設計

時間:2022-12-12 11:51來源:未知作者: infotek點擊:次列印

雙高斯照相物鏡屬於中等視場及中等相對孔徑的典型照相物鏡，其結構形式如圖1所示。

圖1 雙高斯照相物鏡結構形式

該類型鏡頭結構簡單，成本低，容易滿足使用要求。目前市場上也有大量鏡頭設計專利可供選用。由於具體設計需要滿足不同設計指標，引來的專利資料不可能直接拿來就用，大部分都還需要光學設計者進行二次修改設計，利用光學軟體進行進一步優化設計，以滿足具體設計要求。然而，也不是任何一個設計者拿來專利都可以優化出來一個優質照相鏡頭的，還必須瞭解該形式鏡頭的設計思想，各結構參數對系統像質的貢獻，熟練地掌握系統內涵才便於得心應手的處理鏡頭優化工作。OCAD給出雙高斯照相物鏡初始設計的思路及方法就是為使設計者瞭解該鏡頭的設計思路及各結構單元的功能，掌握設計及優化技巧。

由於雙高斯照相物鏡結構的對稱性，原則上所有橫向像差都能自動補償，因此在設計思路上只著眼於縱向像差的平衡設計。為此在設計過程中首先從設計其半部系統入手，然後再經過鏡像處理形成雙高斯照相物鏡的全系統。雙高斯照相物鏡的半部系統在其系統光欄後只包括一個雙膠合透鏡和一片單透鏡組成，如圖2。

圖2 雙高斯照相物鏡半部系統

初始結構設計實際上只是系統高斯光學設計階段。在這一階段裡只考慮系統在滿足初級像差的要求下求解系統初始結構，獲取系統基礎結構參數，為系統相差平衡，優化設計建立基礎。

在初始設計階段，把雙膠合物鏡當成一個厚透鏡，單透鏡當做一個薄透鏡處理。雙膠合的厚透鏡通常還宣稱一個等折射率無光焦透鏡。由於雙高斯物鏡在初始設計階段只考慮縱向像差的影響，具體地說，只考慮系統初級像差的SⅠ、SⅢ、SⅣ及CⅠ的影響。為此，其中單透鏡主要負擔平衡軸向球差SⅠ的作用，厚透鏡兩塊玻璃的選擇及光焦度分配影響系統色差CⅠ，透鏡厚度及光欄位置影響著系統場曲及象散的大小。由此設計思路，系統結構設計步驟如下。

在設計之前，先打開設計視窗如圖3。填寫設計要求，其中包括：系統焦距、系統孔徑、視場角度以及應滿足的初級像差系數值SⅠ、SⅢ、SⅣ及CⅠ等。然後按順序選擇單透鏡的玻璃材料以及雙膠合厚透鏡的玻璃組合。選擇厚透鏡的玻璃組合時一般是按照等折射率的匹配原則選取。

圖3 雙高斯照相物鏡設計表單

選擇單透鏡玻璃材料可以在“單透鏡玻璃”下拉式功能表內直接選取，也可以通過“優選玻璃”方式從玻璃清單裡挑選，玻璃清單內列出了相應玻璃牌號的折射率等供參考，如圖4。

圖4 優選玻璃材料清單

選擇膠合透鏡玻璃組合，首先可以有“王冕在前” 和“火石在前”的選擇，然後可以在“前組玻璃”和“後組玻璃”功能表內分別選擇，還可以利用“玻璃搭配”功能表選擇玻璃牌號、玻璃折射率、玻璃色散以及按等折射率搭配方式成組選擇。

圖5 玻璃搭配選擇

雙高斯照相物鏡的厚透鏡一般多選擇等折射率搭配，選定後介面顯示等折射率玻璃搭配清單如圖6。可以從中選擇適當搭配。

圖6 等折射率玻璃搭配列表

玻璃選擇完成介面會立即轉入外形尺寸計算狀態。

外形尺寸計算

圖7 等折射率玻璃搭配列表

在進行半部系統外形尺寸計算前，必須把半部系統規劃成總焦距為1的系統。半部系統的外形尺寸計算主要是求解半部系統三片透鏡的光焦度分配和軸向光線以及軸外光線在各個面上的投射高度等資料。

在外形尺寸計算過程中，由於厚透鏡對消場曲及象散的作用，使得光線在厚透鏡的前後表面高度產生差異，因此儘管厚透鏡是個無光焦膠合透鏡，但由於透鏡厚度的影響，他會改變單透鏡的光焦度的分配值。考慮到厚透鏡選用的是兩塊等折射率玻璃材料，膠合面的曲率直接影響系統色差，膠合面的位置其實無關重要。為計算方便還可以把厚透鏡分解為兩個薄透鏡，前面是一塊光焦度為負值的薄透鏡，後面是一塊與單透鏡靠近的正薄透鏡。如圖7所示。在圖7的介面上利用“入瞳距離”及“透鏡厚度”兩個工具條可以隨意調整半部系統入瞳距離及透鏡厚度值。通過以上選擇，程式自動計算出半部系統的外形尺寸資料如圖8。

圖8 等折射率玻璃搭配列表

結構優化

目前計算出的半部系統結構參數還只是初步資料，未必是滿足設計要求的最佳資料，還必須對其進行進一步優化設計，優化設計可以使用手工調整，也可以利用程式自動優化。使用手工調整可以體會各參量對系統初級像差的影響。手工調整可以直接拉動介面上的工具條分別對厚透鏡、單透鏡進行彎曲，可以進行色差調整，還可以調整光欄位置及後透鏡厚度等。在每一調整過程介面都同步顯示調整量及初級像差係數的變化動態。體會初始參數對系統成像品質影響的內涵。如果需要自動優化，可以先選擇優化變數。在介面生需要變化的前後組彎曲、色差調整、入瞳距離以及透鏡厚度等參數，只要在其相應工具條前選擇即可作為優化變數。選擇好優化變數後，只要點擊上部工具功能表的“結構優化”，程式會自動進行優化幷把優化後的初級像差系數值顯示在相應表格內。在進行優化前還可以調整各像差係數的權重控制優化結果。

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