非球面广角镜头的设计

    随着光电子技术、光学技术的发展,CCD成像设备已经基本取代了真空摄像管的成像系统[1],成为现代光电子学和光电探测技术中最为关注的研究热点之一.光学镜头作为CCD成像设备的光学接收天线,将外界的目标及景物成像在CCD光敏面上,以数字化信息形式记录下来,实现大视场或远距离观察、探测.光学镜头的成像质量是决定CCD成像设备性能的主要因素之一.随着光学镜头的视场的增大,各种像差的校正也更加困难,如果光学镜头全部采用球面镜,在满足成像质量情况下,必须采用更多的镜片和更加复杂的结构型式,这将导致光学系统体积增大、重量增加和透过率下降.因此,在广角光学镜头设计中,采用了非球面镜头.

    1 广角镜头设计分析

    1.1 初始结构的选择

    目前,常用的成像物镜主要有三种结构型式:三片式物镜(天塞式),双高斯式物镜及其复杂化型、反远距型物镜./三片式物镜0由正负正分离的三片单透镜组成,如图1所示.共有8个变数,是能够同时校正7种像差的最简单结构.设计时玻璃的选择对结果有一定的影响,一般正透镜宜采用高折射率低色散玻璃.这种物镜的相对孔径为1/4.5~1/3.5,视场约为50b左右.

    /双高斯式物镜0如图2所示,以厚透镜为基础加上薄透镜而成,可以将球差校正的很好.对称型结构使垂轴像差可以自动校正,并引入一个胶合面来校正色差.所以,这种物镜的视场角约为45b~50b,相对孔径可以达到1/2.进一步提高其性能指标,将受到轴外球差和高级像散的限制.如果把最后一块透镜分离成两块,或者把中间两个胶合厚透镜中的一个或两个变成分离透镜,可以适当提高物镜的视场或相对孔径.

    /反远距型0光路结构,如图3所示.由前、后分开的两组透镜构成,而且负光焦度透镜在前,正光焦度透镜在后,组成不对称的光路结构.至于前组和后组的具体结构,种类繁多.这类物镜近年来得到很大发展,它能同时实现大的视场角和相对孔径[2]./反远距型0照相物镜,除了具有后工作距长的特点外,同/双高斯型0光路结构相比,由于其物方视场角X大于像方视场角Xc,像差相对容易校正,像面照度比较均匀.

    1.2 非球面的引入

    如果需要提高镜头的集光能力,而保持成像质量不变,必须对光学系统进行复杂化设计,即增加镜头的片数,如果系统的片数增加过多,会影响镜头的透过率,与增加镜头通光口径的想法相抵触.这时,如果适当的引入非球面,尤其是高次非球面,可以在保持镜头的总片数和玻璃总厚度不变、成像质量不变的情况下,提高镜头的集光能力.

    轴对称非球面可以是二次曲面,也可以是高次非球面.二次曲面方程一般表示为: