光学塑料折射非球面在双高斯照相物镜设计中的应用

　　0 引言

　　在一般的折射光学系统设计中，透镜元件大都为球面镜。球面镜制作工艺成熟，易于加工，制作成本低。但是球面镜的一个最大特点是引入球差，球差是对整个系统的像差都有影响的一种像差，对成像质量影响很大[1]。鉴于此，人们将非球面应用于光学系统的设计中，非球面的应用可以减少光学系统的复杂度，从而减轻系统的质量以便提高系统的轻便性。但是应用非球面的一个突出难点是制作的困难。近年来，随着塑料加工工艺的发展，注塑成型、压塑成型、金刚石切削等技术日益成熟[2,3]，使得制作塑料非球面的成本大大降低，从而使的塑料非球面在光学设计中的应用成为现实[4]。虽然目前塑料非球面的表面加工精度还很难达到衍射极限，低成本的塑料非球面在高精度的成像系统中应用还有挑战，但是在一般的照明系统和一般的民用照相系统中应用则完全可以[5~8]。

　　照相物镜是一种要求具有大视场和大相对孔径的光学成像系统，所以不像望远物镜和显微物镜那样，不仅7类像差都需要校正，还要求校正一定程度上的高级像差。这就决定照相系统结构一般比较复杂，使得整体系统的体积和质量相应较大。将非球面应用于照相物镜中则首先可以减轻系统重量，其次可以增加系统校正像差的自由度，从而更好的校正像差，达到较高的成像质量。

　　1 光学塑料的种类和非球面的特点

　　塑料是一种广泛应用的以树脂作为基本材质的材料。而具光学塑料为有优良光学性能的塑料，可以在光学系统中代替光学玻璃的使用。光学塑料和光学玻璃相比，具有较轻的质量和较强的抗冲击力、以及可以制作更多面形的可能性。由于可以制作复杂表面，很多带有整体固定架和隔圈等外型支架的光学元件可以被制作，可以制作便于安装的光学元件也是其特点之一。

　　常用的光学塑料有聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate,简称PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene, 简称PS)、聚碳酸酯(Polycarbonate, 简称PC)和环烯烃共聚物(Cyclic Olefin Copolymer,简称COC)。

　　PMMA是最常用和最重要的光学塑料，具有高硬度、高化学耐性和低成本的优点，在可见光区的良好投射比，折射率为1.49，阿贝数为55.3。PS也是一种常用的光学塑料，并且比PMMA还便宜，具有高折射率和低成本的优势，其折射率为1.59，阿贝数为30.87.PMMA和PS可以组成消色差物镜的材料对。

　　PC具有很高的抗撞击强度，温度适应性范围广，但价格比PMMA要贵。其折射率为1.586，阿贝数为29.9。

　　COC是一种较新的光学材料，主要优点是吸水性低，并具有较高的热变形温度。其折射率为1.533，阿贝数为56.2。