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 ，利用薄透镜的弯曲可以S校正球差 ，改变两块厚透镜之间的距离可以校正像散 ，在厚透镜中引S 入一个胶合面可以校正色差 。双高斯物镜的半部系统可以看作是由厚透C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
2、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、半部系统的规划天津理工大学专业设计报告半部系统如图 2 所示，计算时把焦距规化为 1，同时取规化条件。， 101huz2、以厚透镜校正 S考虑到对高级像散的平衡，取。按相对孔径需要选7.S。玻璃可取 BaF7 和 ZK8150d的组合。由式子 bdnSacc1221可得 549.729.57602318401cca， ，3、加无光焦度双薄透镜校正 S取 （实
3、践表明取值在 1.2 到 1.5 之间为好） 。3.ba（1） 求 。cu、252.173179. 22321 undunSrc（2） 求个面曲率半径 由式子，121nbbcaa21及式子天津理工大学专业设计报告241321abcrr可求得半部系统焦距规化为 1 时各面的曲率半径分别为： 43.07295.32r4、求校正 的孔径光阑位置S根据校正 的要求，有0c SSba令 ，则Alhzz1ndAhuiiizzc2221由以上各式可得 0869.zl从上述计算可知，由于透镜 合成后球差系数 ，所得方cba、 0S程的二次项系数一定为零，也就是说 只有一个根。5、厚透镜中加入消位置色差系数 的
4、胶合面C为了使得引入胶合面后 ，所以取胶合面初级位置色差系数051021.41 ndlui由此可得天津理工大学专业设计报告026.nd而第一近轴光线在胶合面上的入射高度1.212uhl胶合面入射角 9586.4241ndulCi为求胶合面的曲率半径，用近轴光光路计算公式urli的胶合面曲率半径 381.0r6、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 知，当2121d时， 。实际上系统间 不可能等于零，计算表明，212， 则dd当半部系统的焦距等于 1，取合成以后的焦距大约等于 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 5.78.02f7、半部系统实际结构参
5、数的决定及全系统的合成首先将规化半部系统结构参数 乘以半部系统的实际焦距，然后将薄透镜dr、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ba、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mDf2940581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 ，则视场半角的正切L3729.0tanfy式中 为底片对角线的一半。入射光瞳半径为 ，已知相对孔径 ，则y h21fD有 5.142fDh按 进行光路计算，求得象方孔径角1,5.4,hL507.ku总焦距 839.f拉赫不变量面号 /mmr/mmdn玻璃1 30.03542 244
6、.4743 4.85 1.6140 ZK83 21.1517 0.34 -27.6785 8.845 1.6140 ZK85 12.6552 2.03 1.6140 BaF76 -12.6552 12.5997 27.6785 2.03 1.6140 BaF78 -21.1517 8.845 1.6140 ZK89 -244.4743 0.310 -30.0354 4.85 1.6140 ZK8天津理工大学专业设计报告4075.tan1hJ初级象差系数 9.S36 0245. 1 7.S3C0.初级象差 092.25483.121jSCunLkKkk0154.683.1542.029.5847
7、.023121111kkFCkkFCkzkkskkTkunYLunSyKunS 天津理工大学专业设计报告三、用 ZEMAX 优化1、建立新镜头，录入初始结构参数。镜头数据为：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：天津理工大学专业设计报告图 6 优化前 Spt优化前 Mtf 如图 7：图 7 优化前 Mtf 优化前 Lay 如图 8：天津理工大学专业设计报告图 8 优化前 Lay优化前场曲和畸变如图 9：图 9 场曲和畸变经分析，像质
8、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：天津理工大学专业设计报告图 10 优化后镜头数据 优化后 Ray Fan 如图 11：天津理工大学专业设计报告图 11 优化后 Ray 优化后 Opd Fan 如图 12：图 12 优化后 Opd优化后 Spt 如图 13：图 13 优化后 Spt优化后 Mtf 如图 14： 天津理工大学专业设计报告图 14 优化后优化后 Lay 如图 15：图 15 优化后 Lay优化后场曲和畸变如图 16：天津理工大学专业设计报告图 16 场曲和畸变3、结论双高斯物镜是一种对称型结构，故
9、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 ，用加无光焦度双薄透镜校正球差系数 ，用选取孔径光阑S S位置校正像散系数 ，再在厚透镜中加消色散胶合面的办法，校正位置色差系数 。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C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”这句千古名言的真正含义。就说论文的编天津理工大学专业设计报告写吧，各种公式的录入
10、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。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20062、 光学仪器设计手册国防科技出版社北京19713、光学设计软件 ZEMAX4、张以谟应用光学机械工业出版社北京19825、王之江实用光学技术手册机械工业出版城20066、光学仪器设计手册国坊工业出版社北京1971
