近代光学设计和zemax技术培训-source第6讲

第6讲远攝物镜设计6.1光学系统的主面和焦面光线AB与光轴平行，与光轴的距离（入射高）为h。该光线通过系统后出射的光线为CF，与光轴相交于F’，与光轴的交角为u。ABCFhu左图为一个柯克物镜，

表示它的第一个表面，

表示最后一个表面。后焦面由于物体位于无限远，F就是后焦点，过F与光轴正交的平面就是后焦面。图6.1主面和焦面（1）3ABCFhuHf由焦距公式可以合理地定义“主面”H。主面和焦面称系统的基面，是概念上的平面，在系统中并没有真实的物理平面和它对应，既可能在系统内部，也可能在系统之外。像空间的后焦距、像距均从后主面起算，物空间的前焦距、物距均从前主面起算。后截距BFL从物镜最后一面算起。BFLT(systemtrack)系统总长T（Systemtrack）：从透镜前表面到像面的长度。图6.2主面和焦面（2）4物面像面系统总长TSYSTEMTRACK共轭距CONJUGATE图6.3焦距和系统总长焦距6.2系统总长和焦距光学成像系统的总长T显然和焦距f并不一定相等，它们的比称为“远摄比”，通常>1.5T(systemtrack)FHf远攝型物镜由正负分离的透镜构成，正透镜在前，使得主面H向前推出系统，T<，<1，从而系统总长比焦距短。图6.4远攝物镜【TP-1】T=162，f=250,=0.65正透镜组负透镜组d6.3远攝型物镜远攝型长焦距望远物镜的结构比较紧凑。6图6.5复消色差远攝物镜SMITHP181第一片为CaF2,为复消色差远攝物镜。设计编码TF

h¢fSPT0SPT0.7SPT1【TP-1】1623.162500.65141517S-P18192.84.56.06112.830.823.53.34.6表6.1复消色差远攝物镜设计参数7设计编码TF

h¢fSPT0SPT0.7SPT1【TP-2】77.84.2228.81000.78112234图6.6【TP-2】大视场远攝物镜表6.2大视场远攝物镜设计参数86.4远摄物镜的理想光学模型TFHf正透镜组负透镜组dhu设”远攝比”：再设正负透镜组的焦距以及间距分别为（1）（2）图6.7远摄物镜的理想光学模型9可以推导出两组物镜的焦距为（参见[1]）：[1]:电影镜头设计组,电影摄影物镜光学设计，中国工业出版社，1971，北京

进一步在第二式中

对d取一阶和二阶偏导数由于<1,二阶偏导数<0,表明后组焦距的绝对值有极大值，在极大值近旁像差较小。（3）（4）图6.8前组和后组焦距曲线10令一阶偏导数为0，得到从而得到前后组焦距的初始值：由入射高h（或光圈数F）和前组焦距可算出前组的相对孔径：（5）（7）（6）hf1图6.9前组相对孔径11由系统参数,F,T和（=T/f），前后组的主要参数都确定了：正透镜组负透镜组du1=u2h2h由关系式得到后组相对孔径（8）（9）（10）Tu图6.10后组相对孔径126.5远攝型复消色差航拍物镜设计流程（1）参数计算：前后组的参数如右.设计编码TFD0=2h

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

【AP-1】-f1000101310100410001.0334f1f2F1F2d538-4065.3611.6350（2）参考设计：选择复消色差CaF2-QF6组合【AP-1】-f1000，技术指标如上，另存为【TP-10】-1.（3）设定焦距、孔径和视场：Makefocal=538,EntrancePupilDia.（入射光束孔径）=100,（视场角）=0,0.23,0.3。（6）另存文件为【TP-10】-2。（5）优化，SPTs=10,10,10。（4）设定变量：所有R（V），T3（M），释放外径。6.5.1前组设计表6.3设计参数15（7）后组设为对称负双胶合，初始结构如图。ZF31.7173H-LAK71.7130R4=-579R6=579设R4=-R6=-R，R5=INF.R计算如下：选择ZF3和H-LAK7，其折射率近似相等。（8）在T3后插入三行，填写负透镜参数：R4=-579，R5=INF，R6=579，T3=d=340（考虑透镜厚度），T6=M;检查焦距f、相对孔径F、光束孔径D0和系统长度T，应全部近似达到要求。6.5.2后组设计图6.11后组参数16Editors

AnalysisToolsWavGenFieLay

Spt

Gls

D0=100=0，0.16,0.23=F,d，C【TP-10】-2LensData（9）R1-R6,T1-T6V，另存为【TP-10】-3当前的状态为：所有的半径、透镜厚度和前后组的间隔设为变量（V）；所有的外径（Semi-Dia.）均释放。17（10）在m.f.中调用TETEPHOTO，其要点如下：

色差

Targ.Wt.Val.2AXCL

系统焦距及组件焦距

4EFFL

10000.0110175EFLY13

5386EFLY46

-403.67系统总长

8TTHI16

716

10DIVI84

0.700220.704

GAPCONTROL(间隔控制)

12CTGT3

3200.02

13CTLT3

3600.02

表6.4TETEPHOTO18

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

20MNCG4620.0221MNEG4620.0222MXCG4660.0223MXEG4660.02（11）对前后组的透镜厚度分别控制（12）反复检查无误后优化，SPTs=13,13,13表6.4（续）19（13）ZF3，H-LAK7(S)，检查Gen\GlassCatalogs仅保留INFRARED和CDGM，（15）检查各项指标，厚度圆整，对样板，逐次优化。SPT=1,4,3m，与【AP-1】-f1000接近，MTF趋近于衍射极限，而系统长度缩减到70%，体现出远攝型物镜的特点。（14）MTF趋近衍射极限（c=80/mm）.（16）另存文件【TP-10】。当前的状态为：1.所有的半径、透镜厚度和前后组的间隔设为变量（V）；所有的外径（Semi-Dia.）均释放。2.除CAF2外，三种玻璃均为可替代（S），参与优化。HAMMER优化，SPTs=0,4,3.20设计编码TFD0=2h

h¢fSPT0SPT0.7SPT1【TP-10】70010100410000.7043【AP-1】-f1000101310100410001.0334第（7）步设两个玻璃分别为ZF3和H-LAK7其实并不必要，例如可以均设为ZF3，经过HAMMER优化自动选玻璃。但每次选出的玻璃未必相同。表6.5设计参数21北京大学著名的理论物理学家胡宁院士曾论述了模型在近代物理和其他学科发展中的重要作用。什么是模型？北京大学王竹溪院士有过非常直白的解读：“模型是真实情况的某种近似，突出了实际情况中的主要方面，而忽略了次要方面。”光学设计是实用化的光学工程学科分支，与物理学完全不在一个层面上，但建立模型的思想观念却是共通的。模型总体设计时首先建立理想光学模型，作为初级近似，依此选定初始结构，通过优化取得初级像差和高级像差的恰当平衡。正确的理想光学模型，使评价函数很快收敛，获得符合要求的设计结果。在这里，模型起到了关键的作用。2222附录A6-1：【TP-1】LENSDATA附录A6-2：【TP-2】LENSDATA24附录A6-3：SMITHP181LENSDATA25附录A6-4：【TP-10】LENSDATA26附录A6-5：m.f.TELEPHOTO(L)27附录A6-5：m.f.TELEPHOTO(R)28讲座

结语参考设计的关键参数与所要求的设计指标必须相近。关键参数为：准直镜：F数；中大视场成像物镜：和F；当参考设计的和F与指标要求有差别时，

/F必须与所要求的设计指标相近。激光耦合镜：NA和NA。m.f.必须逐项检查，不能出现“不可实现”的要求和相互矛盾的要求。在优化时，m.f.应当持续减小。如该趋势很快终结，就有必要检查m.f.，看看有否contrib.很大的项，考究该项是否合理。设计要点29参考设计一般有两个以上，以确保收敛。换句话说，未必每个初始设计都会收敛。不仅熟悉设计的流程，更需学会对设计结果的评价。主要是SPTs和MTF。光学设计的任务，是根据用户关于外形尺寸、重量、波段、视场、孔径、倍率、共轭距和加工工艺的要求设计光学系统，像质好是一个基本要求。几乎所有的光学设计师都追求完美，但完美只能趋近，永远达不到。在多数情况下，能满足几何光学、信息量、像质和成本要求的光学设计就是成功的。要不断存文件，以便“溯源”，要写笔记，记录设计过程。建立理想光学模型是较复杂系统设计的重要的步骤。30非常高兴同学们在如此短的时间内就走完了从“2+1”准直镜到变形双高斯，再到复消色差远攝型系统的设计之路。同学们的学习热情、理解力和进步速度超乎我的预计。