近代光學設計和zemax技術培訓-source第6講

第6講遠攝物鏡設計6.1光學系統(tǒng)的主面和焦面光線AB與光軸平行，與光軸的距離（入射高）為h。該光線通過系統(tǒng)后出射的光線為CF，與光軸相交于F’，與光軸的交角為u。ABCFhu左圖為一個柯克物鏡，

表示它的第一個表面，

表示最后一個表面。后焦面由于物體位于無限遠，F(xiàn)就是后焦點，過F與光軸正交的平面就是后焦面。圖6.1主面和焦面（1）3ABCFhuHf由焦距公式可以合理地定義“主面”H。主面和焦面稱系統(tǒng)的基面，是概念上的平面，在系統(tǒng)中并沒有真實的物理平面和它對應，既可能在系統(tǒng)內(nèi)部，也可能在系統(tǒng)之外。像空間的后焦距、像距均從后主面起算，物空間的前焦距、物距均從前主面起算。后截距BFL從物鏡最后一面算起。BFLT(systemtrack)系統(tǒng)總長T（Systemtrack）：從透鏡前表面到像面的長度。圖6.2主面和焦面（2）4物面像面系統(tǒng)總長TSYSTEMTRACK共軛距CONJUGATE圖6.3焦距和系統(tǒng)總長焦距6.2系統(tǒng)總長和焦距光學成像系統(tǒng)的總長T顯然和焦距f并不一定相等，它們的比稱為“遠攝比”，通常>1.5T(systemtrack)FHf遠攝型物鏡由正負分離的透鏡構成，正透鏡在前，使得主面H向前推出系統(tǒng)，T<，<1，從而系統(tǒng)總長比焦距短。圖6.4遠攝物鏡【TP-1】T=162，f=250,=0.65正透鏡組負透鏡組d6.3遠攝型物鏡遠攝型長焦距望遠物鏡的結構比較緊湊。6圖6.5復消色差遠攝物鏡SMITHP181第一片為CaF2,為復消色差遠攝物鏡。設計編碼TF

h￠fSPT0SPT0.7SPT1【TP-1】1623.162500.65141517S-P18192.84.56.06112.830.823.53.34.6表6.1復消色差遠攝物鏡設計參數(shù)7設計編碼TF

h￠fSPT0SPT0.7SPT1【TP-2】77.84.2228.81000.78112234圖6.6【TP-2】大視場遠攝物鏡表6.2大視場遠攝物鏡設計參數(shù)86.4遠攝物鏡的理想光學模型TFHf正透鏡組負透鏡組dhu設”遠攝比”：再設正負透鏡組的焦距以及間距分別為（1）（2）圖6.7遠攝物鏡的理想光學模型9可以推導出兩組物鏡的焦距為（參見[1]）：[1]:電影鏡頭設計組,電影攝影物鏡光學設計，中國工業(yè)出版社，1971，北京

進一步在第二式中

對d取一階和二階偏導數(shù)由于<1,二階偏導數(shù)<0,表明后組焦距的絕對值有極大值，在極大值近旁像差較小。（3）（4）圖6.8前組和后組焦距曲線10令一階偏導數(shù)為0，得到從而得到前后組焦距的初始值：由入射高h（或光圈數(shù)F）和前組焦距可算出前組的相對孔徑：（5）（7）（6）hf1圖6.9前組相對孔徑11由系統(tǒng)參數(shù),F,T和（=T/f），前后組的主要參數(shù)都確定了：正透鏡組負透鏡組du1=u2h2h由關系式得到后組相對孔徑（8）（9）（10）Tu圖6.10后組相對孔徑126.5遠攝型復消色差航拍物鏡設計流程（1）參數(shù)計算：前后組的參數(shù)如右.設計編碼TFD0=2h

h￠SPT0SPT0.7SPT1【TP-10】70010100410000.7

【AP-1】-f1000101310100410001.0334f1f2F1F2d538-4065.3611.6350（2）參考設計：選擇復消色差CaF2-QF6組合【AP-1】-f1000，技術指標如上，另存為【TP-10】-1.（3）設定焦距、孔徑和視場：Makefocal=538,EntrancePupilDia.（入射光束孔徑）=100,（視場角）=0,0.23,0.3。（6）另存文件為【TP-10】-2。（5）優(yōu)化，SPTs=10,10,10。（4）設定變量：所有R（V），T3（M），釋放外徑。6.5.1前組設計表6.3設計參數(shù)15（7）后組設為對稱負雙膠合，初始結構如圖。ZF31.7173H-LAK71.7130R4=-579R6=579設R4=-R6=-R，R5=INF.R計算如下：選擇ZF3和H-LAK7，其折射率近似相等。（8）在T3后插入三行，填寫負透鏡參數(shù)：R4=-579，R5=INF，R6=579，T3=d=340（考慮透鏡厚度），T6=M;檢查焦距f、相對孔徑F、光束孔徑D0和系統(tǒng)長度T，應全部近似達到要求。6.5.2后組設計圖6.11后組參數(shù)16Editors

AnalysisToolsWavGenFieLay

Spt

Gls

D0=100=0，0.16,0.23=F,d，C【TP-10】-2LensData（9）R1-R6,T1-T6V，另存為【TP-10】-3當前的狀態(tài)為：所有的半徑、透鏡厚度和前后組的間隔設為變量（V）；所有的外徑（Semi-Dia.）均釋放。17（10）在m.f.中調(diào)用TETEPHOTO，其要點如下：

色差

Targ.Wt.Val.2AXCL

系統(tǒng)焦距及組件焦距

4EFFL

10000.0110175EFLY13

5386EFLY46

-403.67系統(tǒng)總長

8TTHI16

716

10DIVI84

0.700220.704

GAPCONTROL(間隔控制)

12CTGT3

3200.02

13CTLT3

3600.02

表6.4TETEPHOTO18

Targ.Wt.Val.15MNCG1350.0216MNEG1350.0217MXCG13180.0218MXEG13180.02

20MNCG4620.0221MNEG4620.0222MXCG4660.0223MXEG4660.02（11）對前后組的透鏡厚度分別控制（12）反復檢查無誤后優(yōu)化，SPTs=13,13,13表6.4（續(xù)）19（13）ZF3，H-LAK7(S)，檢查Gen\GlassCatalogs僅保留INFRARED和CDGM，（15）檢查各項指標，厚度圓整，對樣板，逐次優(yōu)化。SPT=1,4,3m，與【AP-1】-f1000接近，MTF趨近于衍射極限，而系統(tǒng)長度縮減到70%，體現(xiàn)出遠攝型物鏡的特點。（14）MTF趨近衍射極限（c=80/mm）.（16）另存文件【TP-10】。當前的狀態(tài)為：1.所有的半徑、透鏡厚度和前后組的間隔設為變量（V）；所有的外徑（Semi-Dia.）均釋放。2.除CAF2外，三種玻璃均為可替代（S），參與優(yōu)化。HAMMER優(yōu)化，SPTs=0,4,3.20設計編碼TFD0=2h

h￠fSPT0SPT0.7SPT1【TP-10】70010100410000.7043【AP-1】-f1000101310100410001.0334第（7）步設兩個玻璃分別為ZF3和H-LAK7其實并不必要，例如可以均設為ZF3，經(jīng)過HAMMER優(yōu)化自動選玻璃。但每次選出的玻璃未必相同。表6.5設計參數(shù)21北京大學著名的理論物理學家胡寧院士曾論述了模型在近代物理和其他學科發(fā)展中的重要作用。什么是模型？北京大學王竹溪院士有過非常直白的解讀：“模型是真實情況的某種近似，突出了實際情況中的主要方面，而忽略了次要方面?！惫鈱W設計是實用化的光學工程學科分支，與物理學完全不在一個層面上，但建立模型的思想觀念卻是共通的。模型總體設計時首先建立理想光學模型，作為初級近似，依此選定初始結構，通過優(yōu)化取得初級像差和高級像差的恰當平衡。正確的理想光學模型，使評價函數(shù)很快收斂，獲得符合要求的設計結果。在這里，模型起到了關鍵的作用。2222附錄A6-1：【TP-1】LENSDATA附錄A6-2：【TP-2】LENSDATA24附錄A6-3：SMITHP181LENSDATA25附錄A6-4：【TP-10】LENSDATA26附錄A6-5：m.f.TELEPHOTO(L)27附錄A6-5：m.f.TELEPHOTO(R)28講座

結語參考設計的關鍵參數(shù)與所要求的設計指標必須相近。關鍵參數(shù)為：準直鏡：F數(shù)；中大視場成像物鏡：和F；當參考設計的和F與指標要求有差別時，

/F必須與所要求的設計指標相近。激光耦合鏡：NA和NA。m.f.必須逐項檢查，不能出現(xiàn)“不可實現(xiàn)”的要求和相互矛盾的要求。在優(yōu)化時，m.f.應當持續(xù)減小。如該趨勢很快終結，就有必要檢查m.f.，看看有否contrib.很大的項，考究該項是否合理。設計要點29參考設計一般有兩個以上，以確保收斂。換句話說，未必每個初始設計都會收斂。不僅熟悉設計的流程，更需學會對設計結果的評價。主要是SPTs和MTF。光學設計的任務，是根據(jù)用戶關于外形尺寸、重量、波段、視場、孔徑、倍率、共軛距和加工工藝的要求設計光學系統(tǒng)，像質(zhì)好是一個基本要求。幾乎所有的光學設計師都追求完美，但完美只能趨近，永遠達不到。在多數(shù)情況下，能滿足幾何光學、信息量、像質(zhì)和成本要求的光學設計就是成功的。要不斷存文件，以便“溯源”，要寫筆記，記錄設計過程。建立理想光學模型是較復雜系統(tǒng)設計的重要的步驟。30非常高興同學們在如此短的時間內(nèi)就走完了從“2+1”準直鏡到變形雙高斯，再到復消色差遠攝型系統(tǒng)的設計之路。同學們的學習熱情、理解力和進步速度超乎我的預計。