雙高斯物鏡的ZENAX優(yōu)化課程設計

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1、雙高斯物鏡的ZENAX優(yōu)化課程設計雙高斯物鏡的ZENAX優(yōu)化設計《光學課程設計》目錄一、介紹-3-二、用初級像差理論確定初始結構-4-三、用ZE優(yōu)化-9-四、結論-16-五、心得體會-16-參考文獻-18-一、介紹雙高斯物鏡是一種中等視場大孔徑的攝影物鏡。雙高斯物鏡是以厚透鏡矯正匹茲萬場曲的光學結構,半部系統(tǒng)是由一個彎月形的透鏡和一個薄透鏡組成,如圖1所示。圖1雙高斯物鏡由于雙高斯物鏡是一個對稱的系統(tǒng),因此垂軸像差很容易校正。設計這種類型的系統(tǒng)時,只需要考慮球差、色差、場曲、像散的校正。在雙高斯

2、物鏡中依靠厚透鏡的結構變化可以校正場曲,利用薄透鏡的彎曲可以校正球差,改變兩塊厚透鏡之間的距離可以校正像散,在厚透鏡中引入一個膠合面可以校正色差。雙高斯物鏡的半部系統(tǒng)可以看作是由厚透鏡演變而來,一塊校正了匹茲萬場曲的厚透鏡是彎月形的,兩個球面的半徑相等。在厚透鏡的背后加上一塊正、負透鏡組成的無光焦度薄透鏡組,對整個光焦度的分配和像差分布沒有明顯的影響,然后把靠近厚透鏡的負透鏡分離出來,且與厚透鏡合為一體,這樣就組成了一個兩球面半徑不等的厚透鏡和一個正光焦度的薄透鏡的雙高斯物鏡半部系統(tǒng)。這個半部系

3、統(tǒng)回來了承受無限遠物體的光線時,可用薄透鏡的彎曲校正其球差。由于從厚透鏡射出的軸上光線近似平行與光軸,因此薄透鏡越向后彎曲,越接近與平凸透鏡,其上產(chǎn)生的球差及高級量越小。但是,該透鏡上的軸外光線的入射狀態(tài)變壞,隨著透鏡向后彎曲,軸外光線的入射角增大,于是產(chǎn)生了較大的像散。為了平衡,需要把光闌盡量地靠近厚透鏡,使光闌進一步偏離厚透鏡前表面的球心,用該面上產(chǎn)生的正像散平衡。于此同時,軸外光線在前表面上的入射角急劇增大,產(chǎn)生的軸外球差及其高級量也在增大,從而引出了球差校正和高級量減小時,像散的高級量和

4、軸外球差增大的后果。相反,若將光闌離開厚透鏡,使之趨向厚透鏡的前表面球心,則軸外光線的入射狀態(tài)就能大大的好轉,軸外球差很快下降,此時厚透鏡前表面產(chǎn)生的正像散減小。為了平衡,薄透鏡應該向前彎曲,以使球面與光闌同心。這樣一來,球差及其高級量就要增加。以上分析表明:進一步提高雙高斯物鏡的光學性能指標,將受到一對矛盾的限制,即球差高級量和軸外球差高級量的矛盾。解決這對矛盾的方法有三種:第一,選用高折射率低色散的玻璃做正透鏡,使它的球面半徑加大。第二,把薄透鏡分成兩個,使每一個透鏡的負擔減小,同時使薄透鏡

5、的半徑加大。第三,在兩個半部系統(tǒng)之間引入無焦度的校正板,使它只產(chǎn)生和,實現(xiàn)拉大中間間隔的目的,這樣,軸外光束有更好的入射狀態(tài)。用初級像差理論確定初始結構半部系統(tǒng)的規(guī)劃半部系統(tǒng)如圖2所示,計算時把焦距規(guī)化為1,同時取規(guī)化條件以厚透鏡校正考慮到對高級像散的平衡,取。按相對孔徑需要選。玻璃可取BaF7和ZK8的組合。由式子可得加無光焦度雙薄透鏡校正取(實踐表明取值在1.2到1.5之間為好)。求。求個面曲率半徑由式子,及式子可求得半部系統(tǒng)焦距規(guī)化為1時各面的曲率半徑分別為:求校正的孔徑光闌位置根據(jù)校正的

6、要求,有令,則由以上各式可得從上述計算可知,由于透鏡合成后球差系數(shù),所得方程的二次項系數(shù)一定為零,也就是說只有一個根。厚透鏡中加入消位置色差系數(shù)的膠合面為了使得引入膠合面后,所以取膠合面初級位置色差系數(shù)由此可得而第一近軸光線在膠合面上的入射高度膠合面入射角為求膠合面的曲率半徑,用近軸光光路計算公式的膠合面曲率半徑半部系統(tǒng)焦距確定半部系統(tǒng)合成完全對稱系統(tǒng),由光焦度公式知,當時,。實際上系統(tǒng)間不可能等于零,計算表明,當半部系統(tǒng)的焦距等于1,取合成以后的焦距大約等于0.8。現(xiàn)設計要求的合成焦距為58毫

7、米。所以半部系統(tǒng)的焦距半部系統(tǒng)實際結構參數(shù)的決定及全系統(tǒng)的合成首先將規(guī)化半部系統(tǒng)結構參數(shù)乘以半部系統(tǒng)的實際焦距,然后將薄透鏡加上必要厚度。半部系統(tǒng)實際結構參數(shù)確定以后,按對稱關系即可構成一個完全對稱系統(tǒng)。其全部結構參數(shù)如下:表1雙高斯物鏡的結構參數(shù)主要技術指標結構面號/mm/mm玻璃130.03542244.47434.851.6140ZK8321.15170.34-27.67858.8451.6140ZK8512.65522.031.6140BaF76-12.655212.599727.678

8、52.031.6140BaF78-21.15178.8451.6140ZK89-244.47430.310-30.03544.851.6140ZK8象差計算已知物體在無限遠,則視場半角的正切式中為底片對角線的一半。入射光瞳半徑為,已知相對孔徑,則有按進行光路計算,求得象方孔徑角總焦距拉赫不變量初級象差系數(shù)初級象差用ZE優(yōu)化建立新鏡頭,錄入初始結構參數(shù)。光源參數(shù)1)首先點擊,出現(xiàn)以下窗口。如圖可知入瞳直徑設置為29mm。點擊,出現(xiàn)以下窗口,按圖設置各項參數(shù)3)點擊,出現(xiàn)以下窗口,選擇F,D,C可見