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光学设计与CAD 第十一讲 光学镜头设计 结构参数与像差之间复杂的非线性关系 镜头设计是一个复杂的过程 即先根据镜头的性能参数和像差要求选定适当的结构型式,再基于初级像差理论求解或从文献中查取最佳的初始结构参数,然后对像差进行逐步平衡,直到满足像质要求. 光学设计CAD使设计质量和效率大为提高 初始结构的设计方法 从方法上看,除了一些较简单的镜头已有一套行之有效的设计方法外,对于较复杂的镜头,无论是初始结构参数的获得,还是像差的具体校正方法.并无一定的章程可循,且离不开大量的具体数据。 大体上可归纳为借助前人已有成果的查资料法、基于自己丰富经验从无到有的经验法、基于初级像差理论的计算法 双胶合透镜 两种典型实例 薄透镜和薄透镜系统的初级位置色差 14.2 P、W形式的初级像差和基本像差参量 求薄透镜系统的初始解的过程为: 首先对整体光学系统作外形尺寸计算,求出各个光组上的光线入射高度,光焦度和拉氏不变量等; 再根据对各个薄透镜组的像差要求按薄透镜系统像差式求出各薄透镜组的像差参量; 最后由确定各个薄透镜组的结构参数。 任何光学系统或光组的像差参量表达式均可分为两部分:一部分称为内部参数,是指光组各个折射面的曲率半径、折射面间的间隔和折射面间介质折射率;另一部分参数称为外部参数,是指物距、焦距、半视场角和相对孔径等。 上述不仅和内部参数有关,而且也和外部参数有关,即值还随外部参数的变化而变化。为使值只决定于内部参数以便由其决定光学系统的结构,故对光学系统的值的计算给以特定条件,称之为规化条件, 即令: 把任何焦距的光学系统缩放到 后,按规化条件作光线光路计算,所求得的像差参量以表示,称为光学系统的基本像差参量。这样,任何光学系统的基本像差参量值只和系统的内部参数有关,而不再受外部参数的影响。 14.3 单个薄透镜和双胶合透镜组的基本像差参量 双胶合薄透镜组的 与结构参数的关系 薄透镜组中用得较多的是双胶合透镜组,它是能满足一定的 要求的最简单的形式。当设计一个要求给定的 和 的双胶合透镜组时,首先利用上节的规化公式求出相应的 ,再求解透镜组的结构参数。 二、 和结构参数的关系 除了和玻璃折射率 有关,还与第一近轴光线和光轴的夹角 有关,为此可将 表示为结构参数的函数。经展开化简和整理可得: 式中, 如果将 对Q配方,则有: 为了讨论 与玻璃材料的关系,从上式中消去与形状有关的因子 ,得到: 三、计算结构参数步骤(仅包含单透镜和双胶合透镜) 归化条件:基本像差参量 当焦距规化后其放大率不变,即物像的相对位置不变。 P W 与镜组的内部结构参数,物体的位置有关。 分离方法求两类 (1) 任意位置是的P W;(2) 物无穷远处的 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 P W 的光线与 的光线具有相同的高度。 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: 对于有限远物距, 归一化条件: 归一化条件下对应的像差参量: 实际条件下对应的像差参量P W 归一化条件下的像差参量 的关系: 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: 如图:n=1.5单薄透镜,参量函数 取极小值 当n=1.5~1.7, (1) 当 =-0.14, 有极值, (2) 当 关系如图 (3) 同时满足有局限性 (4)双胶合透镜还要考虑色差参量 双胶合:定义 f ‘ =1时,色差参量 此参数完全决定镜组的色差 归一化条件: 2) 双胶合薄透镜归一化: Q 是胶合面的阿贝不变量, 又称形状因子 其中 玻璃组合和色差参量,选取合适的玻璃对,光焦度 一、双胶合薄透镜组的独立结构参数及球面曲率半径的公式 式中, 令 第一块透镜玻璃选取不同,极值不同,但 变化很小 冕牌玻璃在前 火石玻璃在前 为了便于根据不同的值和值找到满足设计要求的玻璃组合, 《光学仪器
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