超大孔径摄像镜头设计

    1 镜头结构

    大相对孔径,大视场是表现摄像镜头信息和能量传递能力的重要指标。Petzval型物镜,Sonnar型物镜都能用作大孔径的摄像物镜。但是,它们的视场都比较小。Planar双高斯型物镜则是一种经常被用作大孔径,大视场的摄像物镜。典型的双高斯物镜,相对孔径为1/2~1/117,视场角为40b~50b,当相对孔径大于1B1时,双高斯物镜的结构形式必须复杂化。下面介绍一相对孔径达到1B017的特大孔径双高斯物镜的结构特点。该镜头的结构型式如图1所示。

    结构复杂化的基本目的是要减小轴上高级球差和轴外球差。为减小高级球差,首先采取了分离光焦度的方法。在双高斯物镜的后半部增加两块单透镜,这两个新增加的单透镜承担一定的正光焦度,并使它们的弯曲形式为凸面向前的月凸透镜,基本满足球差极小值位置,对降低轴上的高级球差有利。双高斯物镜前组的单透镜也分裂成两片单正透镜,透镜形状基本弯向光阑,而且接近满足球差极小,这对降低轴上高级球差和轴外球差均有利。

    对于胶合透镜,前胶合面采用不等折射率的正常胶合,后胶合面则采用不等折射率的反常胶合,以进一步改善球差和像散以及轴外球差。

    为降低高级像差,必须减小轴上光束和轴外光束的入射角,为此,双高斯物镜中各透镜特别是双胶合透镜组的材料采用了高折射率的光学玻璃,以使曲率半径尽可能大,达到提高相对孔径和增大视场的目的。

    复杂化后的结构仍然基本保持对称性,因而使垂轴像差能较好得到校正。

    2 设计结果

    按图1所示的结构形式进行了结构参数的优化设计,得到摄像镜头的主要光学参数为:

fc=60mm, D/fc=1/0.7

2y =384mm,2yc=29.63mm

L =-650mm, Lc=41.3mm

    其D,F,C三色光球差曲线如图2所示;主色光D的场曲、像散和畸变曲线如图3所示。各视场的垂轴像差曲线如图4所示。

    3 像质评价

    由像差曲线看出,该超大孔径摄像镜头轴上点像差与各视场的轴外像差有着合理的匹配。当像面轴向离焦时,轴上轴外像质同时有所改善。如果离焦量为-0.08mm,轴上点最大弥散斑直径小于0105mm,轴外弥散斑直径可控制在0.1mm以内。整个视场的像质比较均匀。

    图5为该镜头在0.7视场时的MTF计算曲线。

    摄像系统属大像差系统。在评价像质时,通常以有效弥散斑直径倒数为系统能分辨的线对数或者以图5 MTF计算曲线MTF=015所对应的空间频率作为质量指标[1]。计算结果表明,在满足F=017超大孔径条件下,镜头视场中心分辨率可高于20lp/mm,这样的像质能满足摄影和光电摄像的要求[2]。