光学系统双胶合透镜的替代设计法

    引言

    目前，国外先进的光学设计^[l]软件如ZEMAX^[2，3]、c0DEv、osLo等正在国内逐渐普及，zEMAX因其较高的性价比更是被广泛使用，这些软件在对光学系统优化时的确表现出超强的能力，优势明显。光学设计软件的共同之处是:在设计者给出初始结构的基础上，运用阻尼最小二乘法对其进行优化，在满足边界条件的情况下寻找一个最接近要求的解，即所谓的极值点。但它毕竟受初始结构的合理性影响较大，并不是任意结构的系统经过这些软件的优化就能达到设计者的要求，如果设计者给出了一个很恰当的结构，程序将很快得到一个满意的解。但如果初始结构选择不当，材料搭配不好，初级像差特性严重背离了系统的性能要求，优化进行到一定程度时就无能为力了，若不经设计者有效干预，程序很难跳出这个局部极值点，这是因为对于一定结构型式的光学系统，在一定范围内，程序的优化一般不能对初级和高级像差特性作根本的改变，只能在该结构基础上达到有限的像差平衡。为了使程序能跳出这个局部极值点，设计者可以采用多种办法，比如:重新分配光焦度、更换材料、减少边界限制等。但很多情况下效果不大，再者，这些软件主要是根据各种几何像差对整个像面的综合作用来修正系统的结构参数，常常发生的情况是，各个组元以大的像差互补，虽然从设计结果来看似乎已达到了要求，但这样的系统往往有系统稳定性差、加工公差小等缺陷。而国内开发的光学设计软件如ODP841、ABR、SOD88等虽然在人机界面、优化能力方面略显不足，但在各种几何像差分析方面有一定的优势，并符合长期使用这些软件者的设计习惯。自然就想到，如果将两者的优势融合到一起，势必会提高设计效率。这其中，更换材料是光学设计中最主要、最常用、最有效的设计方法之一，但如何在繁多的玻璃中选出恰当的组合来并不是件容易的事情。但我们知道，一个光学系统一般是从求解、分析初级像差开始的，一个系统的初级像差小，一般其高级像差就小，只要初级像差小，那么很多时候他的加工宽容度就好，稳定性更好。反之，如果各组元以较大的像差来互相补偿，一是结构很容易陷入到一个停滞不前的境地，二是对加工也提出严格的要求。对于那些小孔径，小视场的光学系统，初级像差更能有效的反映系统的像差特性。另外，有一些系统比如变焦系统为了满足在各个焦点处性能保持稳定，要求系统各组元之间以小的像差互补，即要求各组元均要有小的像差。根据初级像差理论，一个光学系统的初级像差，可以用其像差特性参数P、W来表征。由此可联想到，运用PW法来更换系统中的玻璃组合来重新分布初级像差是可行的。将PW法引入到现代先进设计程序中，使程序能根据设计者的要求自动寻找满足要求的玻璃组合，从而达到整个系统初级像差合理分配，进而达到稳定、满意的成像质量。本程序就是将ODP841、ABR、SOD88所采用的几何像差分析方法和ZEMAX，CODEV等具有强大优化能力的软件予以有机结合所编写的。