双高斯物镜的设计

双高斯物镜的ZENAX优化设计《光学课程设计》

目录

一、介绍 ............................................................................................. - 3 -

二、用初级像差理论确定初始结构...................................................... - 4 -

三、用ZEMAX优化........................................................................ - 13 -

四、结论....................................................................... 错误!未定义书签。

五、心得体会..................................................................................... - 36 - 参考文献 ........................................................................................... - 38 -

一、介绍

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ⅣS ，利用薄透镜的弯曲可以校正球差ⅠS ，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散ⅢS ，在厚透镜中引入一个胶合面可以校正色差ⅠC 。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、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。这个半部系统回来了承受无限远物体的光线时，可用薄透镜的弯曲校正其球差。由于从厚透镜射出的轴上光线近似平行与光轴，因此薄透镜越向后弯曲，越接近与平凸透镜，其上产生的球差及高级量越小。但是，该透镜上的轴外光线的入射状态变坏，随着

透镜向后弯曲，轴外光线的入射角增大，于是产生了较大的像散。为了平衡

ⅢS ，需要把光阑尽量地靠近厚透镜，使光阑进一步偏离厚透镜前表面的球心，用该面上产生的正像散平衡ⅢS 。于此同时，轴外光线在前表面上的入射角急剧增大，产生的轴外球差及其高级量也在增大，从而引出了球差校正和高级量减小时，像散的高级量和轴外球差增大的后果。相反，若将光阑离开厚透镜，使之趋向厚透镜的前表面球心，则轴外光线的入射状态就能大大的好转，轴外球差很快下降，此时厚透镜前表面产生的正像散减小。为了平衡ⅢS ，薄透镜应该向前弯曲，以使球面与光阑同心。这样一来，球差及其高级量就要增加。

以上分析表明：进一步提高双高斯物镜的光学性能指标，将受到一对矛盾的限制，即球差高级量和轴外球差高级量的矛盾。

解决这对矛盾的方法有三种：

第一，选用高折射率低色散的玻璃做正透镜，使它的球面半径加大。 第二，把薄透镜分成两个，使每一个透镜的负担减小，同时使薄透镜的半径加大。

第三，在两个半部系统之间引入无焦度的校正板，使它只产生ⅤS 和ⅢS ，实现拉大中间间隔的目的，这样，轴外光束有更好的入射状态。

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

。，，101111==-=h u u z

2、以厚透镜校正ⅣS

考虑到对高级像散的平衡，取

07.0-=ⅣS 。按相对孔径需要选

15.0=d 。玻璃可取BaF7和ZK8

的组合。由式子

()()

⎪⎪⎩

⎪

⎪⎨⎧

=-=

=-=--b d nS n a n nS n c c c c c c 12212111ⅣⅣρρρρ

可得

549

.5729.5766026

.31184006.021-=-==-=c c b a ρρ，，

3、加无光焦度双薄透镜校正ⅠS

取3.1=-==b a ψψψ（实践表明取值在1.2到1.5之间为好）。 （1） 求c S u Ⅰ、2。

()

()()()[]

52.17311719

.212222322

1

21=---+=-=-=-u u n du u n S nr n u n c Ⅰ

（2） 求个面曲率半径 由式子

⎪⎩

⎪⎨⎧--==11221n b b b c b ψρρρρ，⎩⎨⎧==a a a a a a ψρρψρρ2211

及式子

⎪⎪⎪

⎪⎩

⎪⎪⎪⎪⎨⎧

==

==2413221

11111a a b c r r r r ρ

ρρρ

可求得半部系统焦距规化为1时各面的曲率半径分别为：

4143

.03721.32917.01745

.04321-=-=-=-=r r r r 4、求校正ⅢS 的孔径光阑位置

根据校正ⅢS 的要求，有

∑=++=0c ⅢⅢⅢⅢ

S S S S

b a

令A l h z z =-=11，则

()⎪⎪⎪⎩

⎪

⎪⎪

⎨⎧+=--=++=+=n d A h h n u i di nh A i i A i z z c z 2

22

222

2

21111111

ρ 由以上各式可得 0869.0=-=z l A

从上述计算可知，由于透镜c b a 、、合成后球差系数∑=0ⅠS ，所得方程的二次项系数一定为零，也就是说A 只有一个根。