PW初始结构设计和像差优化

1实际光学系统的设计：非常复杂，一般分为六步：a)光学系统的外形尺寸、b)初始结构参数、c)像差校正、d)像质评价、e)确定各光学元件的公差，f)和绘制光学系统图等。2初级像差理论求解满足成像质量的初始结构PW法1-1.简单物镜结构计算：单组元镜头，胶合，间隙很小的双分离：孔径视场小A.双胶合物镜（小视场，校正色差，球差，近轴慧差）--胶合面：有足够大的正球差抵消1,3面的负球差，伴随大孔径要求，导致大的正高级球差（大于1,3面的负高级量和），系统因此有正高级球差。焦距f‘mm501001502003005001000相对孔径D/f’1:31:3.51:41:51:61:81:10如果后面有厚度的平行平板，还需保留相当的负色差和球差补偿平板产生的正的像差FDCnnnn球差2、代数法初级像差理论求解满足成像质量的初始结构PW法1、缩放法光学技术手册，专利文献，找到与目标光学特性相近的结构，在此基础作整体缩放))(())((uiiiWuiiiniP22(1/)1/1/(1/)1/1/uuuuuuPnnnnnnuuuuuuWnnnnnn4光学系统的7种初级像差，分别被7个塞得和数决定0I21II1IIIIII212IVIV21VVIIIIV11,()()21,21,21,21,()2kIkpsoIIIkpspIIkpkppLSSluniiiiunuiKSSSnuiixSSSnuinnxSSJnunnriySSSSnui球差：弧矢慧差：像散：像曲：畸：单色像差色差I21II11,1,kchIkpchIIIdndnlCCluninunniyCCCnui位置色差：倍率色差：5一、薄透镜的初级位置色差：1.单薄透镜：22II21C,Cchhllnuchfl物无穷远：2.薄透镜系统：I21Cchlnu3.双胶合或小间隙双分离系统消色差条件公式：1212120111222126二、薄透镜的初级球差：1.单薄透镜：40I221122LShAhlununu222222222322221443111321nnnnAnnnnnnnn11rl2.双胶合透镜初级球差：20222221,,,,,,2IIIIIIIIIIIILAnAnnuabc73.微小间隙双分离：正负四个面022221123112331,,,,,,2IIIIIIIIIIIILAnAnnuaabbc三、薄透镜的正弦差：1.单薄透镜：0IIII12()()ppIOSCSJiSluniiiiiSi22011112121nnnOSChnnn22022112121nnnOSChnnn或82.双胶合透镜：以胶合面为参考变量20I2II21(,,(,,2IIIIIIIIIOSChBnn，）＋B，）3.微小间隙双分离镜组：以胶合面为参考变量201123OSCDDE示例1：消三种像差的双胶合望远物镜的设计过程，要求：焦距f’=100mm,相对孔径D/f’=1:4,查玻璃对表：K9＋ZF2玻璃满足初级像差要求99:1.51637,64.1,1.52196,1.513892:1.67268,32.2,1.68747,1.66662DFCDFCKnnnZFnnn111222120.02013,0.01013III2022(19090871.339.943)0L方程无球差为零的解，用负的极小值的条件来判断：此时的值对应消球差的解220.02282,43.82r再看正弦差是否满足？－－满足2(1.34590.03022)0.000490.0025OSC10再由光焦度公式11330.01617,61.84,0.007761,128.85rr中心厚度，边缘厚度要求：负透镜中心和直经相关，在（0.06D～1D）选2221212888(1)mmmDDDdxtxttrrfn＋＝＋124,2ddK9ZF2161.84r243.83r3128.85r14d22d11已知参数，d光边缘光线（h＝12.5），近轴光线，和F,C光的带光线（h＝8.8375）光路计算边光球差和带光色差,98.02397.8630.16097.96797.9060.061mmchZFCLLlLLL看出，初级像差已经过矫正，所以必须对高级像差进行校正，顺序为先色差，再球差。正弦差通过选择玻璃来满足。色差的矫正量不大时，一般修改最后一面半径～相当于在最后一块透镜上加一块相同材料的薄透镜（r1为原r3，r2为修改后半径1211()FCFCFCFCFCLLLLnnLLLLrr,,11()()chchFCFCLLrrnnLLr要求的原值要求的原值原值－＝＋12消色差，得到3123.98r对这一新的面元重新光路计算,'0.001'0.0120.03550.00049chzmLLfOSC如果球差需要矫正，采用对透镜组整体弯曲的方法，基本上保持色差不变示例2：消三种像差的双分离望远物镜的设计过程，中间的空气间隔，是带球差和正弦差矫正的因素要求：焦距f’=100mm,相对孔径D/f’=1:4,0.02013,0.01013III23230.022455,0.0224570.0141900.053187或，1234123460.48,44.533,44.533,135.1918.804,70.472,18.802,15.689rrrrrrrr或0.2540.0005770.000mmchLOSCL对带光消色差的要求：带光的像差：球差和正弦差都需要校正光学系统的7种初级像差，分别被7个和数决定I11II11122III11112IV113223V222211111PP1P2311P3kkkkkzkkkkzzkkkkkkkzzzShShJWhhuSJWJhhhnnnSJnnrhhhunnSJWJJhhhhnnnrhn11nunuhrnnn初级像差—二条近轴光线在折射面上的高度和P，W的函数22(1/)1/1/(1/)1/1/uuuuuuPnnnnnnuuuuuuWnnnnnn若干薄透镜组成的薄透镜系统Ii11IIi11122IIIi11112IV11322Vi221111PPP2P33kkikkkziikkkkziziiiikkiikkkkziziziiiiiiShShJWhhSJWJhhSJhhhSJWJhhhiiiihn第个透镜组总光焦度组成第个透镜组的各个透镜的光焦度两种特殊情况：1）相接触的单组薄透镜（双胶合）——光线的高度h相同III22III2IV322V22PPP2P33zzzzzzShShJWhhSJWJhhSJhhhSJWJhhh总总两种特殊情况：2）与光阑重合的接触薄透镜——第二近轴在镜组上的高度hz=0相同III2III22IVVP/0ShSJWSJSJJnS总（）当光阑与薄透镜组重合，参量P仅表示初级球差，W仅表征初级慧差，像散为常数，畸变为0.色差中初级倍率色差也自动为0.所以单个双胶合镜组在校正好位置色差的基础，同时P=W=0可行。22(1/)1/1/(1/)1/1/uuuuuuPnnnnnnuuuuuuWnnnnnnPW==镜组的的内部结构参数，物体的位置有关。分离方法求两类（1）任意位置是的PW；（2）物无穷远处的WPP注意：无穷远轴上点发出的光线与轴的夹角用表示，应在=0时所求。无穷远和有限远物距镜组的相对孔径应不变，即使PW的光线与的光线具有相同的高度。uPWuWPh1u10u'ku'ku1222112432WWuhPPuWhuh实际应用：归一化条件下的的值作为基本参量，对于无穷远物距，归一化条件：PWu1,'1,'1khfu对于有限远物距，归一化条件：11,'1,'1khfuuh11nunuhrnnn归一化条件下对应的像差参量：,,,PWPW121124132WWuPPuWu实际条件下对应的像差参量PW归一化条件下的像差参量的关系：,PW32()()PhPWhW433322232223322223(3)IIIzIIIzzIVzVzzShPShhPJhWShhPJhhWJSJhShhPJhWJh1221122211111nnnPnnnnnWnn3.单薄透镜和双胶合透镜组的基本像差参量：基本像差参量镜组的结构参数：原则：像差参量能够以单片透镜满足，就应取单片不能满足，才考虑用双胶合或分离透镜组1)单薄透镜归一化：121,0,'1huu如图：n=1.5单薄透镜，参量函数110(21)2(2)(1)nnnnn110(21)2(2)(1)nnnnn02(41)4(2)(1)nnPnnP取极小值00W202(2)1(1)2(2)nnPPWnn当n=1.5~1.7，200.85(0.14)PPW01.362.14P23(1)当=-0.14,有极值，11IIchIIlCWP(2)当关系如图WP(3)同时满足有局限性WP(4)还要考虑色差参量双胶合：定义f‘=1时，色差参量11II＋此参数完全决定镜组的色差2421123IPAQBQCBAWQ归一化条件：WP2)双胶合薄透镜归一化：112233131223111,'1:0,,,1,'1,,IIIhflfnnnnnnnn421IShQnl32211IIpShhQJhQnlnlQ是胶合面的阿贝不变量,有称形状因子12121Qr25223232211212331221111(1)(1)1IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIAnnnBnnnnnCnnn其中玻璃组合和色差参量，选取合适的玻