簡述復(fù)消色差的光學(xué)結(jié)構(gòu)

1、簡述復(fù)消色差的光學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)布時間：2009-12-7 8:53:34來源：玲也 點擊數(shù)：32復(fù)消色差光學(xué)結(jié)構(gòu)超長焦光學(xué)結(jié)構(gòu)中，apo鏡頭幾乎是高檔鏡頭的代名詞。apo,是英文apochromatic的縮寫，意為復(fù)消色差的”。所謂 螢石鏡片、ad玻璃、ud玻璃、ed玻璃，說到底，都是為了實現(xiàn) apo技術(shù)所用的特殊光學(xué)材料。復(fù)消色差鏡頭，是指能對多種色光 (超過兩種)消除色差的鏡頭。消色差鏡頭(chromatic)只能對 兩種色光消色差。色散：光學(xué)材料的折射率不但與材料本身的物理性質(zhì)有關(guān)， 還與光線的波長有關(guān)。同一種光學(xué)材料，波長越短、折射率越高。 具體講，同一種光學(xué)玻璃，綠光比紅光折射率高，而藍(lán)光

2、比綠光折 射率高。不同光學(xué)材料往往有不同的色散。如果一種材料隨著波長 變化引起折射率變化很大，我們就說這種材料是“高色散”的。反之, 則稱為“低色散”。一般用ne (材料對綠色的e光的折射率)表示材 料的折射率，用阿貝數(shù)ve二(ne-1) / (nf-nc)表示材料的相對色散。 阿貝數(shù)越高，色散越小。式中，第二個字母是下標(biāo)，表示夫朗和費(fèi) 對應(yīng)譜線的波長。f是紅光，e是綠光，c是藍(lán)光。每一條夫朗和費(fèi) 譜線都有固定不變的波長,因而成了光學(xué)設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)波長。色差：從幾何光學(xué)原理講，鏡頭等效于一個單片凸透鏡。凸透 鏡的焦距，與鏡面兩邊曲率和玻璃的折射率有關(guān)。如果鏡片形狀固 定，那就只與制造鏡片材料的折

3、射率有關(guān)了！由于光學(xué)材料都有色 散，因此，同一個鏡片，對于紅光來說，焦距略微長一點；對于藍(lán) 光來說，焦距略為短一點。這就叫做“色差”。有了色差的鏡頭，具體講有這么幾個缺點：1. 由于不同色光焦距不同，物點不能很好的聚焦成一個完美的 像點，所以成像模糊；2. 同樣，由于不同色光焦距不同，所以放大率不同，畫面邊緣 部分明暗交界處會有彩虹的邊緣。消色差：利用不同折射率、不同色差的玻璃組合，可以消除色 差。例如，利用低折射率、低色散玻璃做凸透鏡，利用高折射率、 高色散玻璃做凹透鏡，然后將兩者膠合在一起。為了使兩者膠合后 仍然等效于一個凸透鏡，前者（凸透鏡）屈光度要大一些，后者（凹 透鏡）屈光度耍小一些

4、。我們分析這樣的雙膠合鏡對不同波長光線 的作用：對于較長波長的光線，由于凹透鏡材料色散大、也就是折 射率隨著波長變化大，所以折射率比中間波長較小，凸透鏡起的作 用人，雙膠合鏡長波端焦距偏長。對于較長波短的光線，由于凹透 鏡色散大、也就是折射率隨著波長變化大，所以折射率較大，凹透 鏡起的發(fā)散作用大，雙膠合鏡短波端焦距也偏長。最后的結(jié)論是： 這樣的雙膠合鏡中間波長焦距較短、長波和短波光線焦距較長。很 明顯，中間波長是-個谷，它的周圍焦距變化小多了！設(shè)計時合理 的選擇鏡片球面曲率、雙膠合鏡的材料，可以使藍(lán)光、紅光焦距恰 好相等，這就基木消除了色差。剩余色差對于廣角到中焦鏡頭來說, 已經(jīng)很小了，因此，

5、也就滿足了鏡頭消色差的要求。二級光譜:未消色差的鏡頭隨著光線波長增加，焦距單調(diào)上升, 色差很大。而消色差鏡頭焦距隨波長先減小后增加，色差很小。消 色差鏡頭的剩余色差就叫做“二級光譜”！二級光譜引起的不同色光 焦距變化不可能小于焦距的千分之二，也就是說，鏡頭焦距越長， 消色差越不能滿足要求。對鏡頭質(zhì)量要求較高時，超長焦消色差鏡 頭的二級光譜已經(jīng)不可忽視！為了進(jìn)一步消除二級光譜對鏡頭質(zhì)量 的影響，引進(jìn)了復(fù)消色差技術(shù)。復(fù)消色差：可以想象，如果某種材料隨波長變化折射率的數(shù)值 可以任意控制，那么我們一定能夠設(shè)計出色差處處完全補(bǔ)償、因而 完全沒有色差的鏡頭!可惜，材料的色散是不能任意控制的,而且 可用的光

6、學(xué)材料也就那么有限的若干種！我們退一步設(shè)想，如果能 夠?qū)⒖梢姽獠ǘ畏譃樗{(lán)綠、綠紅兩個區(qū)間，而這兩個區(qū)間能夠分 別施用消色差技術(shù)，二級光譜就能夠基本消除！但是，不幸的是， 經(jīng)過計算證明：如果對綠光與紅光消色差，那么藍(lán)光色差就會變得 很人；如果對藍(lán)光與綠光消色差，那么紅光色差就會變得很人！看 起來似乎走進(jìn)了一個死胡同，頑固的二級光譜好像沒有辦法消除！幸好理論計算為復(fù)消色差找到了途徑。人們發(fā)現(xiàn)，如果制造凸 透鏡的低折射率材料藍(lán)光對綠光的部分相對色差恰好與制造凹透鏡 的高折射率材料的部分和對色差和同，那么實現(xiàn)藍(lán)光與紅光的消色 差之后，綠光的色差恰好消除！這個理論指出了實現(xiàn)復(fù)消色差的正 確途徑，就是尋找

7、-種特殊的光學(xué)材料，它的藍(lán)光対紅光的相對色 散應(yīng)當(dāng)很低、而藍(lán)光對綠光的部分相對色散應(yīng)當(dāng)很高且與某種高色 散材料和同！螢石就是這樣一種特殊材料，它的色散非常低邙可貝 數(shù)高達(dá)95.3),而部分相對色散與許多光學(xué)玻璃接近！熒石(即氟 化鈣，分了式caf2)折射率比較低(nd=1.4339)，微溶于水(0.0016g/100g水)，可加工性與化學(xué)穩(wěn)定性較差，但是由于它優(yōu) 異的消色差性能，使它成為一種珍貴的光學(xué)材料！自然界能用于光 學(xué)材料的純凈大塊螢石非常少，因而螢石最早僅用于顯微鏡中。顯 微鏡物鏡雖然焦距很短，但由丁像距很大、分辨率要求很高，二級 光譜仍是個頭痛問題。口從螢石人工結(jié)晶工藝實現(xiàn)以后，高級

8、超長 焦鏡頭中螢石幾乎是不可或缺的材料，螢石鏡片幾乎成為高檔鏡頭 的代名詞！由于螢石價格昂貴、加工困難，各光學(xué)公司一直不遺余 力的尋找螢石的代用品。氟冕玻璃就是其中種。各公司所謂ad 玻璃、ed玻璃、ud玻璃，往往就是這一類代用品。很明顯，由于復(fù)消色差材料價格昂貴、加工困難，成木非常高, 所以只能用在高檔鏡頭上。相應(yīng)的，這些鏡頭其它方面的設(shè)計也 定與其價格匹配，都是精益求精的。但是，如果有價格相對低廉的 復(fù)消色差材料，即使性能差一些，也使它們能夠用在中檔鏡頭上， 改善這些鏡頭的性能。但是，至少就么目前而言，中檔鏡頭是不可 能使用螢石做消色差材料的！低色散玻璃：低色散玻璃產(chǎn)生的色差很小、因而消色差之后剩 余色差也比較小，對鏡頭質(zhì)量改善非常有益。同時，近些年來，一 系列高折射率低色散玻