雙高斯照相物鏡屬于中等視場及中等相對孔徑的典型照相物鏡，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。
圖1.雙高斯照相物鏡結(jié)構(gòu)形式
該類型鏡頭結(jié)構(gòu)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(shè)計專利可供選用。由于具體設(shè)計需要滿足不同設(shè)計指標(biāo)，引來的專利數(shù)據(jù)不可能直接拿來就用，大部分都還需要光學(xué)設(shè)計者進(jìn)行二次修改設(shè)計，利用光學(xué)軟件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，以滿足具體設(shè)計要求。然而，也不是任何一個設(shè)計者拿來專利都可以優(yōu)化出來一個優(yōu)質(zhì)照相鏡頭的，還必須了解該形式鏡頭的設(shè)計思想，各結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)像質(zhì)的貢獻(xiàn)，熟練地掌握系統(tǒng)內(nèi)涵才便于得心應(yīng)手的處理鏡頭優(yōu)化工作。OCAD給出雙高斯照相物鏡初始設(shè)計的思路及方法就是為使設(shè)計者了解該鏡頭的設(shè)計思路及各結(jié)構(gòu)單元的功能，掌握設(shè)計及優(yōu)化技巧。
由于雙高斯照相物鏡結(jié)構(gòu)的對稱性，原則上所有橫向像差都能自動補(bǔ)償，因此在設(shè)計思路上只著眼于縱向像差的平衡設(shè)計。為此在設(shè)計過程中首先從設(shè)計其半部系統(tǒng)入手，然后再經(jīng)過鏡像處理形成雙高斯照相物鏡的全系統(tǒng)。雙高斯照相物鏡的半部系統(tǒng)在其系統(tǒng)光欄后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(tǒng)
初始結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)際上只是系統(tǒng)高斯光學(xué)設(shè)計階段。在這一階段里只考慮系統(tǒng)在滿足初級像差的要求下求解系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)，獲取系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)，為系統(tǒng)相差平衡，優(yōu)化設(shè)計建立基礎(chǔ)。
在初始設(shè)計階段，把雙膠合物鏡當(dāng)成一個厚透鏡，單透鏡當(dāng)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。由于雙高斯物鏡在初始設(shè)計階段只考慮縱向像差的影響，具體地說，只考慮系統(tǒng)初級像差的SⅠ、SⅢ、SⅣ及CⅠ的影響。為此，其中單透鏡主要負(fù)擔(dān)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(tǒng)色差CⅠ，透鏡厚度及光字段置影響著系統(tǒng)場曲及象散的大小。由此設(shè)計思路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟如下。
在設(shè)計之前，先打開設(shè)計窗口如圖3。填寫設(shè)計要求，其中包括：系統(tǒng)焦距、系統(tǒng)孔徑、視場角度以及應(yīng)滿足的初級像差系數(shù)值SⅠ、SⅢ、SⅣ及CⅠ等。然后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(shè)計窗體
圖4.優(yōu)選玻璃材料清單
選擇單透鏡玻璃材料可以在“單透鏡玻璃”下拉式菜單內(nèi)直接選取，也可以通過“優(yōu)選玻璃”方式從玻璃清單里挑選，玻璃清單內(nèi)列出了相應(yīng)玻璃牌號的折射率等供參考，如圖4。
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，然后可以在“前組玻璃”和“后組玻璃”菜單內(nèi)分別選擇，還可以利用“玻璃搭配”菜單選擇玻璃牌號、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，選定后接口顯示等折射率玻璃搭配列表如圖6�？梢詮闹羞x擇適當(dāng)搭配。
圖6.等折射率玻璃搭配列表
玻璃選擇完成接口會立即轉(zhuǎn)入外形尺寸計算狀態(tài)。
外形尺寸計算
圖7.等折射率玻璃搭配列表
在進(jìn)行半部系統(tǒng)外形尺寸計算前，必須把半部系統(tǒng)規(guī)劃成總焦距為1的系統(tǒng)。半部系統(tǒng)的外形尺寸計算主要是求解半部系統(tǒng)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，由于厚透鏡對消場曲及象散的作用，使得光線在厚透鏡的前后表面高度產(chǎn)生差異，因此盡管厚透鏡是個無光焦膠合透鏡，但由于透鏡厚度的影響，他會改變單透鏡的光焦度的分配值�？紤]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(tǒng)色差，膠合面的位置其實(shí)無關(guān)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(fù)值的薄透鏡，后面是一塊與單透鏡靠近的正薄透鏡。如圖7所示。在圖7的接口上利用“入瞳距離”及“透鏡厚度”兩個工具條可以隨意調(diào)整半部系統(tǒng)入瞳距離及透鏡厚度值。通過以上選擇，程序自動計算出半部系統(tǒng)的外形尺寸數(shù)據(jù)如圖8。
圖8.等折射率玻璃搭配列表
結(jié)構(gòu)優(yōu)化
目前計算出的半部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)還只是初步數(shù)據(jù)，未必是滿足設(shè)計要求的最佳數(shù)據(jù)，還必須對其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計可以使用手工調(diào)整，也可以利用程序自動優(yōu)化。使用手工調(diào)整可以體會各參量對系統(tǒng)初級像差的影響。手工調(diào)整可以直接拉動接口上的工具條分別對厚透鏡、單透鏡進(jìn)行彎曲，可以進(jìn)行色差調(diào)整，還可以調(diào)整光字段置及后透鏡厚度等。在每一調(diào)整過程接口都同步顯示調(diào)整量及初級像差系數(shù)的變化動態(tài)。體會初始參數(shù)對系統(tǒng)成像質(zhì)量影響的內(nèi)涵。如果需要自動優(yōu)化，可以先選擇優(yōu)化變量。在接口生需要變化的前后組彎曲、色差調(diào)整、入瞳距離以及透鏡厚度等參數(shù)，只要在其相應(yīng)工具條前選擇即可作為優(yōu)化變量。選擇好優(yōu)化變量后，只要點(diǎn)擊上部工具菜單的“結(jié)構(gòu)優(yōu)化”，程序會自動進(jìn)行優(yōu)化幷把優(yōu)化后的初級像差系數(shù)值顯示在相應(yīng)表格內(nèi)。在進(jìn)行優(yōu)化前還可以調(diào)整各像差系數(shù)的權(quán)重控制優(yōu)化結(jié)果。
|
