光學(xué)系統(tǒng)大口徑攝影鏡頭設(shè)計(jì)原理

摘要：設(shè)計(jì)了一種寬譜段大口徑透射式攝影鏡頭，主要光學(xué)參數(shù)：焦距f'=200mm，口徑D=160mm，視場(chǎng)角2ω=18°，光譜范圍400μm～950μm。通過增加透鏡個(gè)數(shù)，分裂厚透鏡，選擇具有相似色散特性的玻璃等方法將雙高斯物鏡復(fù)雜化，并且通過減小透鏡通光口徑消除部分邊緣光線來改善像質(zhì)。最終設(shè)計(jì)出的光學(xué)系統(tǒng)在空間頻率30lp/mm時(shí)MTF大于0.55，且各種像差都得到了很好地校正，像質(zhì)均勻，滿足寬譜段大口徑攝影鏡頭的要求。

關(guān)鍵詞：寬譜段大口徑透射式攝影鏡頭；雙高斯物鏡；光學(xué)設(shè)計(jì)；像質(zhì)

引言

一般的寬譜段大口徑光學(xué)系統(tǒng)大多采用反射系統(tǒng)。反射系統(tǒng)對(duì)光路有折看作用，總長較短，沒有色差，不用考慮二級(jí)光譜。反射系統(tǒng)多采用非球面面型精度要求高，加工和裝調(diào)難度大，成本較高。并且反射系統(tǒng)視場(chǎng)一般都比較小，最大也只能達(dá)到10°左右，對(duì)于更大的視場(chǎng)要求，反射系統(tǒng)則無能為力，只能采用折射系統(tǒng)。

在寬譜段的透射式光學(xué)系統(tǒng)中，由于透鏡對(duì)各波長廣的折射率不同而產(chǎn)生色差，但是透射系統(tǒng)可以滿足大視場(chǎng)的要求。Petzval型物鏡、Sonnar型物鏡被用作大口徑的攝影物鏡時(shí)，視場(chǎng)都比較小，一般在10°左右。雙高斯型物鏡則是一種經(jīng)常被用于作大口徑、大視場(chǎng)的攝影物鏡，典型的大口徑雙高斯物鏡，相對(duì)孔徑D/f'=1/2，視場(chǎng)角2ω=40°。焦距一定時(shí)，相對(duì)口徑越大，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就越難，當(dāng)相對(duì)孔徑大于1/2時(shí)，雙高斯物鏡的結(jié)構(gòu)形式就必須復(fù)雜化。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1雙高斯物鏡的復(fù)雜化

雙高斯物鏡是個(gè)對(duì)稱的系統(tǒng)，因此垂軸像差很容易校正。設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)只需要考慮校正球差、色差、場(chǎng)曲、像散。在雙高斯物鏡中依靠厚透鏡的結(jié)構(gòu)變化可以校正場(chǎng)曲，利用薄透鏡的彎曲可以校正球差，選取孔徑光闌位置可以校正像散，把厚透鏡分離成正負(fù)透鏡組合可以校正色差。 進(jìn)一步提高雙高斯物鏡的光學(xué)性能指標(biāo)，將受到一對(duì)矛盾的限制，即球差與高級(jí)像散的矛盾。解決這對(duì)矛盾的方法有3種：第一，選用高折射率低色散的玻璃做正透鏡，使它的球面半徑加大；第二：把厚透鏡分成2個(gè)，使每一個(gè)透鏡的負(fù)擔(dān)減小，同時(shí)使透鏡的半徑加大；第三，在2個(gè)半部系統(tǒng)中間引進(jìn)無光焦度的校正板，使它只產(chǎn)生畸變和像散實(shí)現(xiàn)拉大中間間隔的目的，這樣軸外光線可以有更好的入射狀態(tài)。

1.2 漸暈 對(duì)于超大孔徑和較大視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)，雖然采取了結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的措施，但軸外點(diǎn)寬光束的像差仍較大，致使垂軸像差特性曲線上下不對(duì)稱。為了得到的滿意的像質(zhì)，還須通過合理截取透鏡通光口徑來對(duì)軸外點(diǎn)光束進(jìn)行攔光，引入漸暈。

圖1 漸暈 以圖1所示的簡化系統(tǒng)為例，軸上光線通過口徑為D的孔徑進(jìn)入鏡頭，并會(huì)聚于視場(chǎng)中心，而邊緣最大視場(chǎng)的光線以一定角度進(jìn)入鏡頭。為了讓視場(chǎng)邊緣的光束以同樣的通光口徑D充滿孔徑光闌：光瞳邊緣的光線一定通過A和B。在這2點(diǎn)處，光線嚴(yán)重彎曲，意味著產(chǎn)生嚴(yán)重的系統(tǒng)像差，同時(shí)大口徑透鏡的成本比較高，透鏡也會(huì)因此變重變厚。所以將圖1中邊緣視場(chǎng)的成像孔徑由口徑D縮小為0.7D，這樣，與視場(chǎng)中心相比，邊緣視場(chǎng)的光能量損失約30%。一般情況下，人眼可以容忍照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡或其他目視光學(xué)系統(tǒng)存在30%~40%的漸暈：即像亮度在這個(gè)幅度內(nèi)的緩慢變化通常不被人眼所注意。 因此，邊緣視場(chǎng)允許一定的漸暈，可以有選擇地減小透鏡的通光口徑，消除引起較大像差的部分邊緣光線，使透鏡組的成像性能變好，體積更小，節(jié)約成本。

3 結(jié)論 本文對(duì)寬譜段大口徑攝影鏡頭做了一定的研究，在小視場(chǎng)情況下一般采用反射系統(tǒng)，針對(duì)大視場(chǎng)系統(tǒng)，采用透射式結(jié)構(gòu)。雙高斯物鏡常被用作大口徑大視場(chǎng)攝影系統(tǒng)，當(dāng)相對(duì)口徑大于1:2時(shí)，雙高斯的結(jié)構(gòu)形式需要復(fù)雜化。在超大口徑的光學(xué)系統(tǒng)中，可以適當(dāng)減小第1片和最后一片透鏡的通光口徑，允許邊緣視場(chǎng)有30%~40%的漸暈，從而提高像質(zhì)。 此外，由圖5可以看出，口徑D=160mm在截止頻率為30lp/mm處所對(duì)應(yīng)的MTF最小值為0.55，其他像差曲線及點(diǎn)列圖也都達(dá)到了一個(gè)很高的像質(zhì)水平。在實(shí)際工程中，MTF在0.3以上，其他各像差在允許的最大范圍內(nèi)即可，因此，使用本文設(shè)計(jì)的復(fù)雜化的雙高斯型攝影鏡頭，口徑可以做得更大，理論設(shè)計(jì)值可以達(dá)到D=180mm左右。

審核編輯：黃飛