宽谱段大口径透射式摄影镜头设计

    引言

    一般的宽谱段大口径光学系统大多采用反射系统。反射系统对光路有折叠作用,总长较短,没有色差,不用考虑二级光谱。反射系统多采用非球面,面型精度要求高,加工和装调难度大,成本较高。并且反射系统视场一般都比较小,最大也只能达到10°左右,对于更大的视场要求,反射系统则无能为力,只能采用折射系统。

    在宽谱段的透射式光学系统中,由于透镜对各波长光的折射率不同而产生色差,但是透射系统可以满足大视场的要求。Petzval型物镜、Sonnar型物镜被用作大口径的摄影物镜时,视场都比较小,一般在10°左右。双高斯型物镜则是一种经常被用作大口径、大视场的摄像物镜[1],典型的大口径双高斯物镜,相对孔径D/f′=1/2,视场角2X=40°。焦距一定时,相对口径越大,光学系统的设计就越难,当相对孔径大于1/2时,双高斯物镜的结构形式必须复杂化。

    1　设计原理

    1.1　双高斯物镜的复杂化

    双高斯物镜是个对称的系统,因此垂轴像差很容易校正。设计这种系统只需要考虑校正球差、色差、场曲、像散。在双高斯物镜中依靠厚透镜的结构变化可以校正场曲,利用薄透镜的弯曲可以校正球差,选取孔径光阑位置可以校正像散,把厚透镜分离成正负透镜组合可以校正色差[2]。

    进一步提高双高斯物镜的光学性能指标,将受到一对矛盾的限制,即球差与高级像散的矛盾。解决这对矛盾的方法有3种:第一,选用高折射率低色散的玻璃做正透镜,使它的球面半径加大;第二,把厚透镜分成2个,使每一个透镜的负担减小,同时使透镜的半径加大;第三,在2个半部系统中间引进无光焦度的校正板,使它只产生畸变和像散,实现拉大中间间隔的目的,这样轴外光线可以有更好的入射状态[3]。

    1.2　渐晕

    对于超大孔径和较大视场的光学系统,虽然采取了结构复杂化的措施,但轴外点宽光束的像差仍的满意的像质,还须通过合理截取透镜通光口径来对轴外点光束进行拦光,引入渐晕[4]。

    以图1所示的简化系统为例,轴上光线通过口径为D的孔径进入镜头,并会聚于视场中心,而边缘最大视场的光线以一定角度进入镜头。为了让视场边缘的光束以同样的通光口径D充满孔径光阑,光瞳边缘的光线一定通过A和B。在这2点处,光线严重弯曲,意味着产生严重的系统像差,同时大口径透镜的成本比较高,透镜也会因此变重变厚。所以将图1中边缘视场的成像孔径由口径D缩小为0.7D,这样,与视场中心相比,边缘视场的光能量损失约30%。一般情况下,人眼可以容忍照相机、望远镜或其他目视光学系统存在30%～40%的渐晕,即像亮度在这个幅度内的缓慢变化通常不被人眼所注意[5]。