近代光學(xué)設(shè)計(jì)和zemax技術(shù)培訓(xùn)-source第6講

第6講遠(yuǎn)攝物鏡設(shè)計(jì)6.1光學(xué)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(gè)柯克物鏡，

表示它的第一個(gè)表面，

表示最后一個(gè)表面。后焦面由于物體位于無限遠(yuǎn)，F(xiàn)就是后焦點(diǎn)，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(shí)的物理平面和它對應(yīng)，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(xué)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(yuǎn)攝比”，通常>1.5T(systemtrack)FHf遠(yuǎn)攝型物鏡由正負(fù)分離的透鏡構(gòu)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(yuǎn)攝物鏡【TP-1】T=162，f=250,=0.65正透鏡組負(fù)透鏡組d6.3遠(yuǎn)攝型物鏡遠(yuǎn)攝型長焦距望遠(yuǎn)物鏡的結(jié)構(gòu)比較緊湊。6圖6.5復(fù)消色差遠(yuǎn)攝物鏡SMITHP181第一片為CaF2,為復(fù)消色差遠(yuǎn)攝物鏡。設(shè)計(jì)編碼TF

h￠fSPT0SPT0.7SPT1【TP-1】1623.162500.65141517S-P18192.84.56.06112.830.823.53.34.6表6.1復(fù)消色差遠(yuǎn)攝物鏡設(shè)計(jì)參數(shù)7設(shè)計(jì)編碼TF

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

進(jìn)一步在第二式中

對d取一階和二階偏導(dǎo)數(shù)由于<1,二階偏導(dǎo)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(dǎo)數(shù)為0，得到從而得到前后組焦距的初始值：由入射高h(yuǎn)（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(fù)透鏡組du1=u2h2h由關(guān)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(yuǎn)攝型復(fù)消色差航拍物鏡設(shè)計(jì)流程（1）參數(shù)計(jì)算：前后組的參數(shù)如右.設(shè)計(jì)編碼TFD0=2h

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

【AP-1】-f1000101310100410001.0334f1f2F1F2d538-4065.3611.6350（2）參考設(shè)計(jì)：選擇復(fù)消色差CaF2-QF6組合【AP-1】-f1000，技術(shù)指標(biāo)如上，另存為【TP-10】-1.（3）設(shè)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(shè)定變量：所有R（V），T3（M），釋放外徑。6.5.1前組設(shè)計(jì)表6.3設(shè)計(jì)參數(shù)15（7）后組設(shè)為對稱負(fù)雙膠合，初始結(jié)構(gòu)如圖。ZF31.7173H-LAK71.7130R4=-579R6=579設(shè)R4=-R6=-R，R5=INF.R計(jì)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(fù)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(yīng)全部近似達(dá)到要求。6.5.2后組設(shè)計(jì)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(dāng)前的狀態(tài)為：所有的半徑、透鏡厚度和前后組的間隔設(shè)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(diǎn)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(fù)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(xiàng)指標(biāo)，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(yuǎn)攝型物鏡的特點(diǎn)。（14）MTF趨近衍射極限（c=80/mm）.（16）另存文件【TP-10】。當(dāng)前的狀態(tài)為：1.所有的半徑、透鏡厚度和前后組的間隔設(shè)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(shè)計(jì)編碼TFD0=2h

h￠fSPT0SPT0.7SPT1【TP-10】70010100410000.7043【AP-1】-f1000101310100410001.0334第（7）步設(shè)兩個(gè)玻璃分別為ZF3和H-LAK7其實(shí)并不必要，例如可以均設(shè)為ZF3，經(jīng)過HAMMER優(yōu)化自動(dòng)選玻璃。但每次選出的玻璃未必相同。表6.5設(shè)計(jì)參數(shù)21北京大學(xué)著名的理論物理學(xué)家胡寧院士曾論述了模型在近代物理和其他學(xué)科發(fā)展中的重要作用。什么是模型？北京大學(xué)王竹溪院士有過非常直白的解讀：“模型是真實(shí)情況的某種近似，突出了實(shí)際情況中的主要方面，而忽略了次要方面?！惫鈱W(xué)設(shè)計(jì)是實(shí)用化的光學(xué)工程學(xué)科分支，與物理學(xué)完全不在一個(gè)層面上，但建立模型的思想觀念卻是共通的。模型總體設(shè)計(jì)時(shí)首先建立理想光學(xué)模型，作為初級(jí)近似，依此選定初始結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化取得初級(jí)像差和高級(jí)像差的恰當(dāng)平衡。正確的理想光學(xué)模型，使評(píng)價(jià)函數(shù)很快收斂，獲得符合要求的設(shè)計(jì)結(jié)果。在這里，模型起到了關(guān)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(jié)語參考設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)與所要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)必須相近。關(guān)鍵參數(shù)為：準(zhǔn)直鏡：F數(shù)；中大視場成像物鏡：和F；當(dāng)參考設(shè)計(jì)的和F與指標(biāo)要求有差別時(shí)，

/F必須與所要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)相近。激光耦合鏡：NA和NA。m.f.必須逐項(xiàng)檢查，不能出現(xiàn)“不可實(shí)現(xiàn)”的要求和相互矛盾的要求。在優(yōu)化時(shí)，m.f.應(yīng)當(dāng)持續(xù)減小。如該趨勢很快終結(jié)，就有必要檢查m.f.，看看有否contrib.很大的項(xiàng)，考究該項(xiàng)是否合理。設(shè)計(jì)要點(diǎn)29參考設(shè)計(jì)一般有兩個(gè)以上，以確保收斂。換句話說，未必每個(gè)初始設(shè)計(jì)都會(huì)收斂。不僅熟悉設(shè)計(jì)的流程，更需學(xué)會(huì)對設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)價(jià)。主要是SPTs和MTF。光學(xué)設(shè)計(jì)的任務(wù)，是根據(jù)用戶關(guān)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(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，像質(zhì)好是一個(gè)基本要求。幾乎所有的光學(xué)設(shè)計(jì)師都追求完美，但完美只能趨近，永遠(yuǎn)達(dá)不到。在多數(shù)情況下，能滿足幾何光學(xué)、信息量、像質(zhì)和成本要求的光學(xué)設(shè)計(jì)就是成功的。要不斷存文件，以便“溯源”，要寫筆記，記錄設(shè)計(jì)過程。建立理想光學(xué)模型是較復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要的步驟。30非常高興同學(xué)們在如此短的時(shí)間內(nèi)就走完了從“2+1”準(zhǔn)直鏡到變形雙高斯，再到復(fù)消色差遠(yuǎn)攝型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之路。同學(xué)們的學(xué)習(xí)熱情、理解力和進(jìn)步速度超乎我的預(yù)計(jì)。