大相对孔径的望远物镜的设计
望远物镜设计
f
/
D f
为
34 6
10
望远镜物镜的结构型式
(2)双－单
视场为2ω<5°; 相对孔径 D 为 1 ～ 1 ;
f 3 2
透镜口径D≤100mm
望远镜物镜的结构型式
(3)单-双
视场为2ω<5°;
相对孔径 D 为 1
f 3
～
1 2.5
;
透镜口径D≤100mm
r1=153.1 r2=-112.93 r3=-361.68
6 K9 4 ZF1
r
d
nD
1
153.10
6 1.5163
-112.93
4 1.6475
-361.68 50
1
0.00
150 1 1.521955 1.661196
1 1.521955
1
nC
1 1.513895 1.642076
反射式望远镜物镜的结构型式
对于反射面，通常都是利用等光程的 条件：
抛物面:到一条直线和一个定点的距离相等的点的轨 迹，是以该点为焦点，该直线为准线的抛物面。对 焦点和无限远轴上点符合等光程。
常用两镜系统
(1)经典卡塞格林系统
主镜为凹的抛物面， 副镜为凸的双曲面， 抛物面的焦点和双曲 面的的虚焦点重合， 经双曲面后成像在其 实焦点处。卡塞格林 系统的长度较短，主 镜和副镜的场曲符号 相反，有利于扩大视 场。
h 0.08; (h)2 0.0064 ; (h)3 0.000512
P P 0.00005 0.098
(h )3 0.000512
W W 0.00057 0.089
大相对孔径折射式望远物镜的设计
大 相 对 孔 径 折 射 式 望 远 物 镜 的 设 计
范 应 娟
（ 西 科 技 大 学 电气 与 信 息 工 程 学 院 ，陕 西 西 安 ７ ０ ２ ） 陕 １０ １
摘 要： 当望远物镜的相对孔径 Ｄ ／一１２ ４ 根据光学特性的要求 ， ／ ／．， 物镜的视场角不大， 显然
使 用 双 胶 合 物 镜 已不 能 满 足 要 求 ． 对 不 同 结 构 型 式 的 望 远 物 镜 所 适 用 的 相 对 孔 径 值 ， 者 选 针 作 用 双 胶 合 加 单 透 镜 结 构 ， 采 用 Ｚ ｍａ 并 ｅ ｘ软 件 进 行 设 计 、 化 ， 本 达 到 了设 计 要 求 ． 优 基 关 键 词 ： 相 对 孔 径 ；缩 放 ；Ｚ ｍａ ；像 差 大 ｅ ｘ 中 图法分 类号 ： １３ ＴＢ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
０ 引 言
大相对 孔 径望 远物 镜一 般指 的 是 口径 和 焦距 比较 大 的 望远 物 镜 ， 口径 的望 远 物镜 与望 远镜 的放 大 大
倍 率有 关 系． 远镜 的放 大倍 率 可 以理解 为 望远镜 拉 近物 体 的能力 ． 率越 小 ， 望 倍 视场 越大 ， 图像 的轮廓越 清 晰 ， 易于调 焦 ； 越 倍率 越 大 ， 场越 小 ， 视 图像 的 局部 被放 大 的更 清 楚 ． 于 大 口径 的望 远物 镜 ， 对 口径 大 ， 数 倍
有 系统 作 为原 始 的系统 ， 可从 《 学设 计 手册 》 光 中找 出如下 的一 个 双一 物镜 作 为原 始系 统 （ 单 如表 １所示 ） ：
表 １ 原 始 系统 的结构 参数 （ 位 ： ） 单 ｍｓ
， ８ ． ４， 一 １ ９ ９ Ｄ
，
２ 一 ２ ，ｚ 叫 。 一 。
望远物镜设计的特点
l2 f1'
2l2 r1
h2 h1
l2' l2
u2 u2'
r2
1
r1
其中，α表示次镜离第一焦点的距离，也决定了次镜的 遮光比，β表示次镜的放大倍数。主镜的焦距乘以β即为系 统的焦距，或主镜的F数乘以β的绝对值即为系统的F数。
两镜系统的最大优点是主镜的口径可能做得较大，远超 过透镜的极限尺寸，镀反射膜后，使用波段很宽，没有色差， 同时采用非球面后，有较大的消像差的能力。因此，两镜系 统结构比较简单，成像质量优良。但是，两镜系统也有一些 缺点，例如不容易得到较大成像质量优良的视场，次镜会引 起中心遮拦，有时遮拦比还较大，非球面与球面相比制造难 度加大。但现在非球面加工技术越来越成熟，因此在空间光 学系统中，两镜系统仍然是一个很好的选择。
50/ 1 ;150/ 1 ;300/1 ;1000/ 1
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望远镜物镜的结构型式
(2)双－单
视场为2ω<5°; 相对孔径 D 为 1 ～ 1 ;
f 3 2
透镜口径D≤100mm
望远镜物镜的结构型式
(3)单-双
视场为2ω<5°;
相对孔径 D 为 1
f 3
～
1 2.5
;
透镜口径D≤100mm
r1=153.1 r2=-112.93 r3=-361.68
6 K9 4 ZF1
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nD
1
153.10
6 1.5163
-112.93
4 1.6475
-361.68 50
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0.00
150 1.5163
光学CAD设计(Zemax)报告
Surf OBJ STO 2 3 IMA
Type STANDARD STANDARD STANDARD STANDARD STANDARD
Radius Infinity 63.3 36.1 -10929.8 Infinity
Thickness Infinity 4.0 6.0 142.3221
Glass ZF8 H-K9L
1.2.1 透镜结构参数，视场、孔径等光学特性参数 ································ 1 1.2.2 像差指标数据······································································· 4 1.2.3 像差公差数据······································································· 5
2 1 ，工作波段为可见光。
1.2 设计成果
1.2.1 透镜结构参数，视场、孔径等光学特性参数
System/Prescription Data
光学 CAD 课程设计实验报告
第 2 页
共 14 页
● GENERAL LENS DATA:
Surfaces Stop System Aperture Glass Catalogs Ray Aiming Apodization Effective Focal Length Effective Focal Length Back Focal Length Total Track Image Space F/# Paraxial Working F/# Working F/# Image Space NA Object Space NA Stop Radius Paraxial Image Height Paraxial Magnification Entrance Pupil Diameter Entrance Pupil Positon Exit Pupil Diameter Exit Pupil Positon Field Type Maximum Field Primary Wave Lens Units Angular Magnification
大孔径摄影物镜课程设计
大孔径摄影物镜课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握大孔径摄影物镜的基本概念、原理及分类。
2. 了解大孔径摄影物镜在摄影中的应用及其对成像效果的影响。
3. 掌握大孔径摄影物镜的成像规律，能运用相关公式计算景深、焦距等参数。
技能目标：1. 培养学生运用大孔径摄影物镜进行拍摄的能力，提高摄影技巧。
2. 学会调整相机光圈、焦距等参数，以获得理想的成像效果。
3. 能够分析不同场景下大孔径摄影物镜的适用性，并灵活运用。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对摄影艺术的兴趣和热情，激发创作潜能。
2. 培养学生勇于探索、勤于实践的精神，提高问题解决能力。
3. 增强学生对摄影器材的认识，培养正确的消费观念。
课程性质：本课程为摄影技术类课程，注重理论与实践相结合，以培养学生的实际操作能力和艺术素养为目标。
学生特点：学生为初中生，具备一定的摄影基础，对新鲜事物充满好奇，动手能力强，但理论知识相对薄弱。
教学要求：结合学生特点，注重启发式教学，引导学生主动探究，提高学生的实践能力和创新能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 大孔径摄影物镜的基本概念与原理- 摄影物镜的结构与功能- 大孔径摄影物镜的定义- 光圈与景深的关系2. 大孔径摄影物镜的分类与应用- 不同类型的大孔径摄影物镜特点- 大孔径摄影物镜在各类摄影中的应用案例3. 大孔径摄影物镜的成像规律与计算- 焦距、物距、像距的计算- 景深、超焦距的概念及其计算方法- 光圈值与曝光量的关系4. 实践操作与技巧- 相机设置与调整- 大孔径摄影物镜的使用技巧- 实际拍摄中的问题与解决方法5. 摄影作品分析与创作- 分析大孔径摄影作品的特点与美感- 创作具有个性化的摄影作品- 评价与鉴赏摄影作品的方法教学内容安排与进度：第一课时：大孔径摄影物镜的基本概念与原理第二课时：大孔径摄影物镜的分类与应用第三课时：大孔径摄影物镜的成像规律与计算第四课时：实践操作与技巧（室外实践）第五课时：摄影作品分析与创作本教学内容依据课程目标，结合教材内容进行选择和组织，注重科学性与系统性，旨在帮助学生掌握大孔径摄影物镜的相关知识，提高实践操作能力。
大相对孔径的望远物镜的设计
大相对孔径的望远物镜的设计大相对孔径的望远物镜设计是指望远镜物镜的镜片直径与望远镜焦距之比较大的设计。
大相对孔径的望远物镜可以提供更高的光收集能力和更广阔的视场，使得观测目标更加明亮和清晰。
在本文中，我们将探讨大相对孔径望远物镜的设计原理和常见的设计方法。
大相对孔径望远物镜的设计原理主要基于两个因素：光的收集能力和光的分辨能力。
光的收集能力是指物镜能够收集到的入射光的总量，这取决于物镜的直径。
光的分辨能力是指物镜能够分辨出两个非常接近的物体的能力，这取决于物镜的焦距。
为了达到较大的相对孔径，大相对孔径望远物镜通常采用折射式望远镜设计，其中最常见的是折射望远镜和反射望远镜。
折射望远镜是利用透镜来聚集光线的望远镜。
为了增加物镜的直径和焦距，设计师需要选择相应大小的透镜，并将它们组合在一起。
常用的折射望远镜设计方法有两种：单透镜设计和多透镜设计。
单透镜设计是最简单的大相对孔径望远物镜设计方法之一、它使用单个透镜来聚集光线，并产生清晰的图像。
然而，单透镜设计往往存在一些光学缺陷，例如边缘色散和球差，可能会影响成像质量。
多透镜设计是更常见的大相对孔径望远物镜设计方法之一、它使用多个透镜来纠正光学缺陷，并使得成像更加清晰。
多透镜设计可以进一步提高光的收集能力和光的分辨能力。
反射望远镜是利用反射镜来聚集光线的望远镜。
与折射望远镜不同，反射望远镜使用曲面反射镜而非透镜来聚焦光线。
由于曲面反射镜的制造更容易，反射望远镜通常具有较大的相对孔径。
为了设计大相对孔径的反射望远物镜，设计师需要选择合适大小的反射镜，并通过调整镜面的形状和曲率来达到所需的光学效果。
反射望远镜的重要优点是无边缘色散和球差，可以提供更高质量的图像。
综上所述，大相对孔径的望远物镜设计是采用较大的物镜直径和焦距，以提供更高的光收集能力和更广阔的视场的设计。
常用的设计方法包括折射式望远镜设计和反射式望远镜设计。
设计师可以选择单透镜设计或多透镜设计来实现大相对孔径的折射望远物镜，也可以选择适当大小的反射镜来设计大相对孔径的反射望远物镜。
光学设计第15章望远镜物镜设计
光学设计第15章望远镜物镜设计
望远镜物镜设计是一项精密的工作，是将光学原理与望远镜外观结合在一起，使用光学工程原理来设计最优的物镜结构的过程，让望远镜具有较高的光学性能。
望远镜物镜设计包括光学系统设计、光学稳定性设计、光学像质设计和光学布线设计等。
1、光学系统设计
光学系统设计是望远镜物镜设计的核心，它是优化物镜结构的过程，也是物镜设计的核心技术和理论支持。
它的设计考虑的因素包括成像系统的像质、失焦量、像面形状、距离等，以及物镜安装的功能及望远镜构型的要求等，实质上是用合理的光学聚焦来形成良好的成像系统。
2、光学稳定性设计
光学稳定性设计是望远镜物镜设计的重要内容，其目的是确保望远镜物镜在使用中能够保持稳定的聚焦状态。
物镜设计时，需要设计出可以确保望远镜物镜准确定位和具有良好的抗斜杆联动性的结构。
3、光学像质设计
光学像质设计是望远镜物镜设计的重要方面，主要目的是保证望远镜能够获得清晰、高质量的观测图像。
物镜设计时，需要考虑图像质量，而光学设计则是对图像质量的关键保证。
大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计
第38卷第4期2009年4月 光 子 学 报ACTA P HO TON ICA SIN ICAVol.38No.4April 20093国防科技重点实验室基金(51448030105ZK1801)资助Tel :02928888754828000 Email :minrycn @ 收稿日期:2007211206大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计3谢正茂1,2,董晓娜1,陈良益1,余义德3,何俊华1(1中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710119)(2中国科学院研究生院,北京100049)(391550部队,大连116011)摘 要:分析了大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计特点.基于反摄远结构引入一个高次非球面设计了相对孔径为1/1.4,水下全视场66°,焦距11.85mm ,光谱响应范围0.48～0.60μm ,采用平面水密壳窗的水下专用摄影物镜.全视场M TF 在空间频率42lp/mm 时高于0.4.与相同技术要求下全部采用球面透镜的设计进行比较,表明该摄影物镜结构更简单,成像质量也更优异,能够满足深水微光摄影物镜对大视场、大相对孔径、小型化、轻量化的需求.关键词:水下摄影;大视场大相对孔径;反摄远;非球面;光学设计中图分类号:TN942 文献标识码:A 文章编号:100424213(2009)042891250 引言水下摄影技术诸如水下机器人视觉、水下电视是进行水下探测的基本手段,在国防、海洋开发与工程、水下考古等领域起着极其重要的作用并因此受到世界各国的广泛重视[123].由于摄影物镜物方水介质的影响使得地面上使用的光学系统经过简单防水密封后用于水下成像会遇到很多问题,比如像质恶化、视场损失等等.文献[4]中介绍几种地面使用光学系统用于水下成像时的改装方法,但这并不能彻底地消除水介质对光学系统成像质量的影响.为了解决这一难题人们设计了水下专用摄影物镜,这类镜头从设计之初就综合考虑了水介质的影响,即前透镜直接与水接触,因此像差可以校正到高质量地面镜头的水平.目前国内外公开报道的水下专用摄影物镜不具备大视场、大相对孔径兼有的特点,其相对孔径一般在1/2.8～1/2.0,水下全视场角低于40°,另外结构也较复杂,不但无法充分地利用水下光能,而且限制了观测范围的提高,很难满足目前深水微光摄影物镜对大视场、大相对孔径、小型化、轻量化的需求[527].本文分析了大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的关键因素,设计了一个相对孔径为1/1.4,水下全视场角66°,焦距11.85mm 的水下专用摄影物镜.该物镜基于反摄远结构,结构更简单,成像质量更好.由8片(不包括平板水密壳窗)采用普通玻璃材料的透镜构成并引入了一个高次非球面.1 光学系统关键点分析1.1 光能衰减研究表明,水对光的强烈吸收和散射使得光能在水中按指数规律迅速衰减.水下不同深度的光照度可用下式来进行估算I =I 0e -k (λ)・z (1)式中I 为水下深度为z 处的照度,I 0为海面的光照度,z 为水下的深度,k (λ)为水衰减系数,它随波长λ的变化而变化.一般纯净海水对“蓝绿”光(0.48～0.57μm )具有相对较高的透过率,但水对光能的吸收也足以使光强每米衰减百分之四,相对而言水对红外及紫外光的吸引则更为强烈.正因为如此,水下光学系统的光谱适应范围一般也比较窄,从这个意义上来说有利于光学系统色差的校正,但是当自然光在水中衰减到一定程度以至于无法成像时必需要借助于水下辅助照明.由于e 光处于“蓝绿”光光谱范围之内,所以水下一般采用e 光消单色像差,而色差的校正要根据镜头的使用环境、深度、照明并结合水对光的传播特性进行合理选择.除了水对光的吸收特性之外,水对光的另外一个重要特性是散射.水中的悬浮颗粒以及微生物对光的散射包括前向散射和后向散射,前向散射会减小成像系统的作用距离,而后向散射则会降低成像的对比度使像面变得模糊不清[8].此外水的折射率、色散特性并不是常量,他们会随着深度、温度、盐度等环境因素的改变而变化,比如纯净水折射率为1.33,而一般海水的折射率为1.34,因此光学系统在设计过程中物方折射率的选择必须依据光学系统使用环境来确定.1.2 光学参量的确定水下专用成像物镜的光学参量主要有相对孔径光 子 学 报38卷D/f ′、视场角2ω、焦距f ′.由于水下光能衰减严重,必须保证目标及像面都有较高的照度才能得到比较理想的成像效果.鲁西莫夫[9]提出像面照度E i =πB 4(D f ′)2Tn 2w (2)式中B 为未衰减的照度,n w 为水的折射率,T 为水路径衰减系数.当B 、n w 、T 一定时像面照度与相对孔径D/f ′的平方成正比,相对孔径越大则像面照度越高,同时在焦距一定的前提下CCD 探测器的信噪比也会随之提高.因此,对于深水微光成像而言提高摄影镜头的相对孔径是非常有利也是非常有必要的,但是如果相对孔径达到1/1.4、1/1.2甚至更高则会给球差和彗差的校正带来极大的难度并导致结构更加复杂.当相对孔径确定之后则要进一确定视场2ω和焦距f ′.如图1,将光学系统视为理想光学系统,常用光学系统物方及像方介质均为空气,而水下光学系统物方介质为水,像方介质为空气.图1 光学参量Fig.1 Optical parameter假设镜头物方最短成像距离为L ,在该距离上要看清物高为2H 的目标,接收器件对角线长为2η′.则水下物方视场角2ω=2arctan (H/L )(3)焦距为[4]η′=-n w f ′tan ω(4)由式(4)可以求得镜头像方的参考焦距f ′=-η′/n w tan ω(5)1.3 光学非球面对于摄影物镜,为了在像面得到比较好的成像质量必须要校正七种像差,即球差、彗差、像散、场曲、畸变、轴向色差、垂轴色差.以上各像差的级数展开式为[10]球差:δL ′=A 1h 2+A 2h 4+A 3h 6+…(6)彗差:K ′S =B 1y h 2+B 2y h 4+B 3y 3h 2+…(7)像散:x ′t s =C 1y 2+C 2y 4+C 3y 6+…(8)场曲:x ′p =D 1y 2+D 2y 4+D 3y 6+…(9)畸变:δy ′z =E 1y 3+E 2y 5+…(10)轴向色差:ΔL ′FC =a 0+a 1h 2+a 2h 4+…(11)垂轴色差:Δy ′FC =b 1y +b 2y 3+b 3y 5+…(12)式中A ,B ,C ,D ,E ,a ,b 分别为级数展开式系数,h为光线的入射高度,y 为物高或视场角.式(6)至(12)中第一项为初级像差,其余高次项代表高级像差.单色像差中球差主要和通光口径h 有关,像散,场曲,畸变只与视场y 的大小有关,而彗差不仅与视场有关还和通光口径有关.对于小视场小相对孔径光学系统的像差只要消除初级像差即可,而大视场和大相对孔径水下专用摄影物镜中各种高级相差都非常显著,因此不仅要校正以上七种初级像差还要校正高级像差,比如高级球差、高级色差等等,这必然会导致光学系统过于复杂.同时对玻璃材料的选择也更加依赖于不常用且比较昂贵的镧系(La )玻璃,由此将带来诸多不良后果,比如光能损失、延长加工周期、提高生产成本等等.为了解决这一难题,在成像质量和结构简化之间取得兼顾,引入高次非球面无疑具有重要意义.高次非球面相对于球面而言具有很多不可比拟的优势,其面形由高次多项式决定,各点处的曲率不同,可以用于校正球差、彗差、像散、场曲等像差,从而提高相对孔径,扩大视场角,减少玻璃片数.伴随着非球面计算辅助设计、加工、检验技术的飞速发展,非球面技术已经广泛应用于军用、民用光学系统中,如空间光学系统,高质量数码摄像镜头等等.在ZEMAX 程序中偶次非球面方程为z =cr 21+1-(1+k )c 2r2+α1r 2+α2r 4+α3r 6+α4r 8+α5r 10+ (13)c 为顶点曲率,k 为二次曲线常量,α1、α2、α3、α4、α5为非球面系数.其中第一项为一般二次曲面方程,第二项为二次抛物面方程.在高次非球面的实际应用过程,一般到用到10次项就可以满足要求,如果用到更高次项则会给非球面的加工、检验带来更大的困难.2 设计实例设计一个相对孔径为1/1.4,水下全视场角66°的水下专用摄影物镜,接收器件为感光面尺寸15.3×12.3mm ,最小像元12μm 的大面阵CCD.该光学系统的相对孔径和视场都很大,给高级球差和彗差、轴外像差如场曲、像散、畸变的校正带来了极大的困难.同时光学系统又不能太复杂,否则不仅会增加光能的损失而且装配准确度也更难控制.在简化系统结构的前提下,必须通过合理选择初始结构,优化玻璃组合,在适当位置引入非球面来保证光学系统的质量.2.1 设计结果该光学系统以e 光(0.546μm )消单色像差,2984期谢正茂,等:大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计0.48μm 和0.6μm 消色差,并且在边缘视场的渐晕系数设为0.3,用到玻璃材料有K9、ZK7、ZK9、ZF6、ZF7、ZBA F1.光学系统结构如图2,其中物方介质为海水,折射率为1.34.考虑到结构设计、镜头调焦方式等因素,选择平板玻璃作为水密壳窗.图2 光学系统结构Fig.2 Layout of optical system水密壳窗的材料为石英玻璃(J GS1).这种材料具有优良的光谱特性和化学稳定性,耐酸性能好,比重小,膨胀系数低,抗压强度高,作为水密壳窗材料是非常合适的.参考以往经验取水密窗口的厚度为9mm ,口径为Φ65mm.水密壳窗距离第二片透镜的间隔为5mm.整个系统总长度即水接触面到成像面之间的距离为163.4mm ,后工作距为27.95mm.光学系统基于反摄远结构[11]采用了8片镜片(不包括平板水密壳窗).前负组由第二、三、四片透镜组成,其总光焦度φ1=-0.0367.由于前组中两个负透镜的发散作用使得大角度入射的光线在前组内的入射高度不断地减小,再加上弯月形厚透镜的作用很好地控制了前组产生的轴外像差,如像散,场曲等等.另外,由于该光学系统的视场角高达66°,因此前负组的第一片透镜要尽量弯向光阑,这样不仅有利于系统像差的校正,同时也可以避免边缘视场的光线进入光学系统时发生掠射.通常反摄远物镜的后正组光线入射角度会由于前组的发散作用而大大地减小,因此后组所产生的轴外像差相对要小,因而其重点在于较正由于大相对孔径所带来的高级球差及补偿前组产生的轴外像差.本系统中后正组由五片单透镜组成,其总光焦度φ2=0.0267,光阑位于后正组第一片镜片之后.为了着重控制光学系统轴上点初级球差和高级球差,后组采用了多片正负分离透镜,各单透镜都做了适当的弯曲.为了进一步提高水下光能的利用率,降低光学透镜对光的吸收、反射必须要简化结构,减少透镜数量,因此在后组第二片透镜的第二面引入一个高次非球面,其玻璃材料为Z BA F1,非球面方程如式(13),式中c =0.004,k =0,α1=0,α2=1.319458e 2005,α3=1.034049e 2008,α4=-4.689700e 2011,α5=3.124368e 2013.高次非球面的使用大大加强了后组对前组轴外像差的补偿能力,在满足设计指标的前提下不仅使系统的体积、重量得到大大地减小,而且还提高了成像质量.需要注意的是,为了防止CCD 表面玻璃窗口的反射导致在像面产生一个明显的晕斑,光学系统最后一个光学面要尽量避免向CCD 表面弯曲,即该表面的曲率应为负值.2.2 质量评价该光学系统是一个CCD 摄影光学系统,成像质量的评价主要有光学调制函数(M TF )、几何包围能量、畸变曲线等等.考察的视场为轴上点(0ω)、轴外视场(0.707ω)及边缘视场(1ω).图3为其M TF.由于CCD 最小像元尺寸d =12μm ,故奈奎斯特频率N =1/2d =1/(2×12)=42lp/mm.当N =42lp/mm 时,0ω时M TF 值达到0.76;0.707ω时,子午场和弧矢场平均M TF 为0.53;1ω时,M TF 高于0.4.各视场的子午场和弧矢场成像质量差别不大,比较均匀.当光学系统调焦时可以使各个视场的成像质量都能同时得到改善.图3 光学系统调制函数Fig.3 M TF of the optical system几何包围能量如图4.其中横坐标为离点列图质心的距离,纵坐标是横坐标数值确定的半径内所占能量的比例.本光学系统0ω,0.707ω以及1ω在以12μm 为半径的圆内所包含能量的比例均高于85%.如图5,光学系统最大光学畸变为-6.1%.由于本光学系统不用于测量用途,并且畸变并不影响成像清晰度,因此该光学畸变是可以接受的.图4 几何包围能量Fig.4 Geometry encircled energy398光 子 学 报38卷图5 畸变曲线Fig.5 Curves of the distortion值得指出的是,本光学系统用于水下这种特殊环境,与其他地面光学系统相比,在项目实施过程中遇到的主要难点在于防水密封,解决防水密封目前的技术已经非常成熟,并且在工程化的过程中被证明是行之有效的[12213].同时,随着国内非球面加工、检验技术的日益成熟[14215],特别是计算机控制光学表面成形法(Comp uter cont rolled Optical Surfacing ,CCOS )的不断发展和完善有力地保证了本光学系统的实用性和可行性.2.3 设计比较按照相同的技术指标设计了另一个光学系统,并全部采用球面透镜,其光学结构图和传递函数如图6和图7.该光学系统由11片玻璃组成(包括水密窗口),其中有六片采用了不常用的镧系(La )玻璃.0ω与0.707ω的M TF 值相差将近0.5,边缘视场的像散也比较厉害.当光学系统作一定量离焦时各视场成像质量变化差异比较大.因此如果要进一步提高成像质量可能还要增加镜片,但增加镜片对水下成像来说是非常不利的.首先水下光学系统面临的最大问题是光能不足,如果增加镜片则会增加对光能的吸收、反射使得像面照度更低,镜头内部产生杂散光的可能性也大大地增加了.其次,光学系统的安装准确度更加难以控制.相比而言,在大视场大相对孔径水下光学系统中采用非球面不仅能够简化结构、减少玻璃片数,而且还能够大大地提高成像质量.图6 全球面透镜光学系统Fig.6 Optical system only with sphericallens图7 全球面透镜系统M TFFig.7 MFT of optical system only with spherical lens3 结论基于反摄远结构,采用一个高次非球面,并选择常用玻璃使水下摄影物镜在获得水下66°大视场的同时还具有1/1.4的大相对孔径,与相同技术要求下全部使用球面透镜的设计相比不仅成像质量更加优异,而且结构也更为简单.值得注意的是随着非球面加工与检验技术的提高,通过增加非球面数以及优化玻璃组合,可以使水下专用摄影物镜的视场和相对孔径得到进一步的提高,而结构却可以更加简化.参考文献[1] ANDREW J W ,J O HN D P ,et al .The development of acompact underwater stereoscopic video camera [C ].S PI E ,1997,3012:92295.[2] TRIMBL E G M.Area reconnaissance ,object relocation ,andclassificationusingcooperatingautonomousunderwatervehicles[C].S PI E ,1999,3711:1952202.[3] SHIRO K ,HIDEK S ,et al.High 2speed photography ofunderwater sympat hetic detonation of explosives [C ].S PI E ,2001,4183:7602770.[4] SUN Chuan 2dong ,L I Chi ,ZHAN G Jian 2hua ,et al.Opticaldesign of lens for underwater imaging system [J ].Optics andPrecision Engi neeri ng ,1998,6(5):5211.孙传东,李驰,张建华,等.水下成像镜头的光学设计[J ].光学精密工程,1998,6(5):5211.[5] J O HN L ,KEN W ,CL IFF D.Liquid 2filled underwater cameralens system[C].S PI E ,1998,3482:6982702.[6] XI Li 2feng ,CAI Jian 2guo 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un2hua1 (1X i′an I nstitute of O ptics and Precision Mechanics,Chinese A cadem y of S ciences,X i′an710119,China)(2Graduate Universit y of Chinese A cadem y of Sciences,B ei j ing100049,China)(3N o.91550Unit,Dalian,116000,China)Received date:2007211206Abstract:The characteristics of design for special underwater p hotograp hy objective lens wit h wide angle and large relative apert ure are analyzed.Based on reverse–telep hoto st ruct ure wit h a high2order asp heric surface and flat waterproof interface,an underwater p hotograp hy objective,which t he relative apert ure is1/ 1.4,field of view in underwater is66°,focal lengt h is11.85mm,and spect rum bandwidt h is fro m0.48to 0.60μm,is designed.The M TF of t he whole field of view at42lp/mm is greater t han0.4.Co mpared wit h t he lens all wit h sp herical surface at t he same specification,t his p hotograp hy objective lens is simpler in st ruct ure but better in imaging quality,and it can meet t he requirement s of wide angle,large relative apert ure,miniat urization and light weight for weak illumination p hotograp hy objective lens in deep water. K ey w ords:Underwater p hotograp hy;Wide angle and large relative apert ure;Reverse2telep hoto; Asp heric;Optical designXIE Zheng2mao was born in1982.Now he is p ursuing his Master′s Degree in Xi′an Instit uteof Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences.His main interest s focus onoptical design.598。
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结论
大孔径或大视场的光学系统的设计难点是高级像 差的校正，结构复杂。 必须在校正初级像差的基础上校正高级像差。 玻璃材料作为自变量是校正高级像差的重要手段， 但必须限制边界。同时要注意尽量采用常用的玻 璃。
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第二阶段像差校正
系统由双胶合组和一个单透镜构成的，单透镜是 无法校正色差和球差，因此系统像差就靠双胶合 组校正。 我们要减小高级像差，就希望单透镜产生的像差 越小越好。一般来说，相同条件下，玻璃的折射 率越高，球差越小；玻璃的色散越小，色差越小。 例如我们把单透镜的K9换作ZK1，同时规整边缘 厚度。重新校正。
输入初始结构，入瞳直径，波长，视场
给出的初始结构焦距和设计要求像差很多 Tools——
我们发现此时入瞳直径变为 因此要将入瞳直径重新设置为50
nr1 r2 f '= (n − 1)[n(r2 − r1 ) + (n − 1)d ]
由于相对孔径要求是1/2.4，比给定初始结构 1/3.2的要大，因此将三个透镜的厚度都相应加 大，而两个透镜组之间的间隔减小为0.2。
我们看高级像差略有减小，但不明显，因此我们 把这个系统作为我们第二阶段像差自动校正的原 始系统。 第二阶段焦距，球差，正弦差和色差仍然加入校 正，只要保证初级像差达到校正的条件下考察高 级像差才有意义，同时可适当增加初级像差的权 因子，以表示初级的重要性。 此外还要加入高级球差和色球差（重点校正）， 高级彗差已达到要求无需加入校正，即权重为0。
现在要校正六种像差，五个曲率已经不能满足要 求了，需将前面双胶合组的两种玻璃玻璃作为变 量，并继续加入玻璃的边界条件（保证得到的理 想玻璃能找到相近的实际玻璃来替代）。
得到优化后的玻璃参数之后，一般对应的理论玻 璃都不常见，我们设计要考虑实际应用时的因素， 因此可以用实际玻璃来代替理想玻璃，不仅要求 二者折射率阿贝数要接近，还要考虑它们的物理 化学性能，这里我们选择K9和ZF6。 K9： n=1.5，ν=64.1； ZF6： n=1.75，ν=28； 重新进行优化！！
设计要求
f’=120mm，D=50mm，D/f’=1/2.4； 2ω=4°； 入瞳与物镜重合lz=0
对于相对孔径比较大的透镜组，和孔径相关的高 级像差增大，只校正初级像差是不够的，导致系 统结构复杂用的光学特性和特点不同， 双胶合透镜适用视场为2ω<10 °，不同焦距适用 的最大相对孔径f’~ D/f’ 为50~1/3;150~1/4;300~1/6; 1000~1/10; 不能满足要求。 双胶合加单透镜结构其透镜口径相对孔径D/f’ 为 1/3~1/2，D<100mm，符合我们的要求。 对于结构比较复杂的系统可直接从光学设计手册上 选用现有系统作为原始系统
第一个正透镜的边缘最小厚度为3mm，第 二个负透镜的中心厚度为5mm，空气间隔为 0.2mm，最后一个单正透镜的边缘最小厚度为 2.5mm。
MNEG:最小玻璃边缘厚度 MNCG:最小玻璃中心厚度 MNCA:最小空气中心厚度
分别给焦距、球差、正弦差、色差以及边界条件加 上权重，进入自动校正程序
从校正结果看，所要校正的初级像差都已达到目 标值，但是三种剩余像差: 4λ δL ≤ 4∆ ≤ n' u ' 高级球差要求小于6∆ h SC = 0.0025, u = f' 色球差要求小于4 ∆ λ ∆L ≤ ∆ ≤ n' u ' 高级彗差要求小于0.0025mm
观察初级像差值
由于场曲只和光焦度（焦距）相关，一般不参与 校正。
第一阶段像差校正
变量：该系统共有五个曲率可以作为自变量，要校 正焦距、球差、正弦差和色差完全可以了。 边界条件：由于透镜组的相对孔径增大，正透镜的 边缘厚度很可能在校正过程中变得太小，因此我们 在merit function中加入透镜的边界条件。 活动边缘厚度：为了保证边缘厚度能达到要求，可 将两个正透镜的厚度设为活动边缘厚度