一种新型复合摄像物镜的设计

    1 引 言

    摄像物镜在其长期的设计实践中,出现了很多典型的光学系统结构形式[1-3],如Petzval型、三片型、双高斯型、Orthometar型、Topogon型、Russar型,以及远摄型、反远摄型等等。其中有些结构形式及其复杂化可以增大相对孔径,有些结构形式及其复杂化可以扩大视场角,也可以用上述典型结构的复合型及其复杂化,兼顾增大相对孔径和扩大视场角[4]。

    但是,无论是典型结构及其复杂化,还是上述典型结构复合型及其复杂化,在成像质量方面均存在局限性。为了提高相对孔径,各种高级球差成为像差校正的主要障碍,而为了扩大视场角,像散和场曲(有时还有彗差和轴外球差)则成为像差校正的主要障碍。因此本文提出了一种新型的光学设计方案。该方案不仅可以降低各种高级球差,而且可以校正像散和场曲,同时兼顾增大相对孔径和扩大视场角。

    2 主要技术指标

    主要技术指标如表1所示:

    3 初始设计[5,6]

    从主要技术指标的要求可以看出,光学系统的相对孔径比较大,视场角虽然不是很大,但中心视场与边缘视场的像质和能量集中度趋近一致,才能满足技术指标要求,所以应当按照较大视场角的要求对待。为此,选择双高斯型与Topogon型的复合结构,前半部为双高斯型,是出于增大相对孔径的考虑,可是又不能对双高斯型复杂化,以免因光焦度前移缩短后工作距离而放不下分光棱镜;后半部为Topogon型,是出于扩大视场角的考虑,而对Topogon型复杂化,在后面增加一片近于不晕的透镜,则是为了在比较大的相对孔径下,不产生很大的高级像差。

    初始设计结果的结构型式如图1所示。

    该初始设计中,光阑前后两个半径很小,负光焦度较大,产生较大的高级负球差。又因为光学系统中具有与光阑不同心的半径,所以随着视场角的增大而产生较大的高级正像散,这是初始设计的主要缺陷。

    初始设计结果的各种像差初级量,高级量和实际值如表2所示。

    表3所列为各视场传递函数值。其中S代表弧矢方向,T代表子午方向。Nyquist截止频率为40 pl/mm。

    从表3可知,随着视场角的增大,MTF下降很快,全视场子午光线的MTF更低,仅为0.112。0.707视场80%能量集中度为0.04 mm,全视场80%能量集中度为0.05 mm,超出了<0.028 mm的容限,可见该设计不能满足指标要求。

    图2为各视场像差曲线;图3为各视场波像差曲线;图4为各波长球差,像散和畸变曲线;图5为各视场MTF曲线;图6为各视场MTF离焦曲线;图7为各视场能量集中度曲线。

    4 新型设计