OCAD应用：双高斯照相物镜系统结构优化设计

遨瀚 · 发表于 2023-4-1 07:23:54

双高斯照相物镜属于中等视场及中等相对孔径的典型照相物镜，其结构形式如图1所示。

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图1.双高斯照相物镜结构形式

该类型镜头结构简单，成本低，容易满足使用要求。目前市场上也有大量镜头设计专利可供选用。由于具体设计需要满足不同设计指标，引来的专利数据不可能直接拿来就用，大部分都还需要光学设计者进行二次修改设计，利用光学软件进行进一步优化设计，以满足具体设计要求。然而，也不是任何一个设计者拿来专利都可以优化出来一个优质照相镜头的，还必须了解该形式镜头的设计思想，各结构参数对系统像质的贡献，熟练地掌握系统内涵才便于得心应手的处理镜头优化工作。OCAD给出双高斯照相物镜初始设计的思路及方法就是为使设计者了解该镜头的设计思路及各结构单元的功能，掌握设计及优化技巧。
由于双高斯照相物镜结构的对称性，原则上所有横向像差都能自动补偿，因此在设计思路上只着眼于纵向像差的平衡设计。为此在设计过程中首先从设计其半部系统入手，然后再经过镜像处理形成双高斯照相物镜的全系统。双高斯照相物镜的半部系统在其系统光栏后只包括一个双胶合透镜和一片单透镜组成，如图2。

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图2.双高斯照相物镜半部系统

初始结构设计实际上只是系统高斯光学设计阶段。在这一阶段里只考虑系统在满足初级像差的要求下求解系统初始结构，获取系统基础结构参数，为系统相差平衡，优化设计建立基础。

在初始设计阶段，把双胶合物镜当成一个厚透镜，单透镜当做一个薄透镜处理。双胶合的厚透镜通常还宣称一个等折射率无光焦透镜。由于双高斯物镜在初始设计阶段只考虑纵向像差的影响，具体地说，只考虑系统初级像差的SⅠ、SⅢ、SⅣ及CⅠ的影响。为此，其中单透镜主要负担平衡轴向球差SⅠ的作用，厚透镜两块玻璃的选择及光焦度分配影响系统色差CⅠ，透镜厚度及光字段置影响着系统场曲及象散的大小。由此设计思路，系统结构设计步骤如下。

在设计之前，先打开设计窗口如图3。填写设计要求，其中包括：系统焦距、系统孔径、视场角度以及应满足的初级像差系数值SⅠ、SⅢ、SⅣ及CⅠ等。然后按顺序选择单透镜的玻璃材料以及双胶合厚透镜的玻璃组合。选择厚透镜的玻璃组合时一般是按照等折射率的匹配原则选取。

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图3.双高斯照相物镜设计窗体

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图4.优选玻璃材料清单

选择单透镜玻璃材料可以在“单透镜玻璃”下拉式菜单内直接选取，也可以通过“优选玻璃”方式从玻璃清单里挑选，玻璃清单内列出了相应玻璃牌号的折射率等供参考，如图4。

选择胶合透镜玻璃组合，首先可以有“王冕在前” 和“火石在前”的选择，然后可以在“前组玻璃”和“后组玻璃”菜单内分别选择，还可以利用“玻璃搭配”菜单选择玻璃牌号、玻璃折射率、玻璃色散以及按等折射率搭配方式成组选择。

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图5.玻璃搭配选择

双高斯照相物镜的厚透镜一般多选择等折射率搭配，选定后接口显示等折射率玻璃搭配列表如图6。可以从中选择适当搭配。

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图6.等折射率玻璃搭配列表

玻璃选择完成接口会立即转入外形尺寸计算状态。
外形尺寸计算

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图7.等折射率玻璃搭配列表

在进行半部系统外形尺寸计算前，必须把半部系统规划成总焦距为1的系统。半部系统的外形尺寸计算主要是求解半部系统三片透镜的光焦度分配和轴向光线以及轴外光线在各个面上的投射高度等资料。

在外形尺寸计算过程中，由于厚透镜对消场曲及象散的作用，使得光线在厚透镜的前后表面高度产生差异，因此尽管厚透镜是个无光焦胶合透镜，但由于透镜厚度的影响，他会改变单透镜的光焦度的分配值。考虑到厚透镜选用的是两块等折射率玻璃材料，胶合面的曲率直接影响系统色差，胶合面的位置其实无关重要。为计算方便还可以把厚透镜分解为两个薄透镜，前面是一块光焦度为负值的薄透镜，后面是一块与单透镜靠近的正薄透镜。如图7所示。在图7的接口上利用“入瞳距离”及“透镜厚度”两个工具条可以随意调整半部系统入瞳距离及透镜厚度值。通过以上选择，程序自动计算出半部系统的外形尺寸数据如图8。

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图8.等折射率玻璃搭配列表

结构优化

目前计算出的半部系统结构参数还只是初步数据，未必是满足设计要求的最佳数据，还必须对其进行进一步优化设计，优化设计可以使用手工调整，也可以利用程序自动优化。使用手工调整可以体会各参量对系统初级像差的影响。手工调整可以直接拉动接口上的工具条分别对厚透镜、单透镜进行弯曲，可以进行色差调整，还可以调整光字段置及后透镜厚度等。在每一调整过程接口都同步显示调整量及初级像差系数的变化动态。体会初始参数对系统成像质量影响的内涵。如果需要自动优化，可以先选择优化变量。在接口生需要变化的前后组弯曲、色差调整、入瞳距离以及透镜厚度等参数，只要在其相应工具条前选择即可作为优化变量。选择好优化变量后，只要点击上部工具菜单的“结构优化”，程序会自动进行优化幷把优化后的初级像差系数值显示在相应表格内。在进行优化前还可以调整各像差系数的权重控制优化结果。

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