照相物镜移植应用的研究

　　一、引言

　　现代科技的发展对小孔径、小视场光学系统提出了一个扩大孔径与视场的要求,于是引发了借鉴大孔径、大视场照相物镜光学结构的思考。

　　光学设计从数学角度看,就是建立和求解像差方程组,它的解就是我们要求的结构参数。光学设计最常用的方法之一是逐步修改法,即从已有技术资料和专利文献中选出其光学特性与所要求相接近的光学结构作为初始结构,通过像差计算逐步修改,达到满足光学特性要求的成像质量。用电子计算机做像差自动校正与平衡,实际上是从初始结构出发,建立近似代替像差方程组的像差线性方程组:AΔX=ΔF(A、ΔX、ΔF分别为系统的结构参数差商矩阵、每个结构参数相应的改变量矩阵、像差值矩阵)。求出初始解ΔX后,按ΔXp对系统进行修改(ΔXp=ΔX·p,p为小于1的常数,且足够小),总可获得一个比原系统有所改善的新系统,并不断反复迭代,直到各种像差符合要求为止。这样做只能在初始结构附近找出一个较好的解,无法求得光学系统的总极值,得到的只是局部极值。因此,初始结构的选择是十分重要的。

　　为了设计出大孔径、大视场的显微系统和望远系统,按传统的办法可在各自典型结构中寻找初始结构。作者在“相似创新”思维的启迪下,把照相物镜作为原型结构,按拟新设计系统的光学特性要求,通过适当转化,使其成为该类型物镜的优化初始结构,从而设计出与照相物镜结构相似的像质优良的镜头,实现了结构替代创新。作者把这称为照相物镜的移植应用。实践证明:照相物镜的移植应用对大视场显微物镜、大孔径望远物镜和高要求的投影物镜以及放影物镜的设计有积极的创新意义。下面就移植应用的机理、方法谈一些看法,并介绍自己的应用实践。

　　二、照相物镜概述

　　1·照相物镜的光学特性

　　照相物镜是同时具有大相对孔径和大视场的光学系统,其功能是把外界景物成像在感光底片上。它的主要光学特性有:焦距f′,相对孔径D/f′和视场角2ω。

　　2·照相物镜的结构形式及其被移植应用的范围

　　常用的结构形式有:(1)匹兹万型物镜[图1(a)]:D/f′=1/2,2ω=16°左右,适用于大孔径小视场的场合。其复杂化形式可移植到电影放影镜头上。(2)柯克型(Tripiet)及其复杂化形式:柯克型物镜[图1(b)]:D/f′=1/4·5~1/3·5,2ω≈50°。很多形式的照相物镜都是从三片物镜复杂化得来的,例如著名的天塞型(Tessar)物镜[图1(c)]:D/f′=1/3·5~1/2·8,2ω=50°~55°;松纳(Sonnar)物镜[图1(d)],它是一系列视场较小(2ω<30°)、相对视场较大(D/f′=1/1·4)的物镜的基础。柯克型可移植成为低倍平场显微物镜、大相对孔径的望远物镜,它的复杂化形式则可用在低倍率高清晰度显微电视投影物镜上。(3)双高斯(Pladr)物镜[图1(e)]:d/f′=1/2~1/1·7,2ω=40°~50°,是大相对孔径物镜的主要结构形式,它的典型结构及其失对称变形可移植应用在接近等倍率高清晰度显微电视投影物镜上。(4)摄远型物镜[图1(f)]:设计思路可作为长工作距离平场显微物镜参考。其它形式因移植应用尚未涉及,在此从略。