雙高斯照相物鏡屬于中等視場(chǎng)及中等相對(duì)孔徑的典型照相物鏡，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。
圖1.雙高斯照相物鏡結(jié)構(gòu)形式
該類型鏡頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易滿足使用要求。目前市場(chǎng)上也有大量鏡頭設(shè)計(jì)專利可供選用。由于具體設(shè)計(jì)需要滿足不同設(shè)計(jì)指標(biāo)，引來(lái)的專利數(shù)據(jù)不可能直接拿來(lái)就用，大部分都還需要光學(xué)設(shè)計(jì)者進(jìn)行二次修改設(shè)計(jì)，利用光學(xué)軟件進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足具體設(shè)計(jì)要求。然而，也不是任何一個(gè)設(shè)計(jì)者拿來(lái)專利都可以優(yōu)化出來(lái)一個(gè)優(yōu)質(zhì)照相鏡頭的，還必須了解該形式鏡頭的設(shè)計(jì)思想，各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)像質(zhì)的貢獻(xiàn)，熟練地掌握系統(tǒng)內(nèi)涵才便于得心應(yīng)手的處理鏡頭優(yōu)化工作。OCAD給出雙高斯照相物鏡初始設(shè)計(jì)的思路及方法就是為使設(shè)計(jì)者了解該鏡頭的設(shè)計(jì)思路及各結(jié)構(gòu)單元的功能，掌握設(shè)計(jì)及優(yōu)化技巧。
由于雙高斯照相物鏡結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，原則上所有橫向像差都能自動(dòng)補(bǔ)償，因此在設(shè)計(jì)思路上只著眼于縱向像差的平衡設(shè)計(jì)。為此在設(shè)計(jì)過(guò)程中首先從設(shè)計(jì)其半部系統(tǒng)入手，然后再經(jīng)過(guò)鏡像處理形成雙高斯照相物鏡的全系統(tǒng)。雙高斯照相物鏡的半部系統(tǒng)在其系統(tǒng)光欄后只包括一個(gè)雙膠合透鏡和一片單透鏡組成，如圖2。
圖2.雙高斯照相物鏡半部系統(tǒng)
初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際上只是系統(tǒng)高斯光學(xué)設(shè)計(jì)階段。在這一階段里只考慮系統(tǒng)在滿足初級(jí)像差的要求下求解系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)，獲取系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)，為系統(tǒng)相差平衡，優(yōu)化設(shè)計(jì)建立基礎(chǔ)。
在初始設(shè)計(jì)階段，把雙膠合物鏡當(dāng)成一個(gè)厚透鏡，單透鏡當(dāng)做一個(gè)薄透鏡處理。雙膠合的厚透鏡通常還宣稱一個(gè)等折射率無(wú)光焦透鏡。由于雙高斯物鏡在初始設(shè)計(jì)階段只考慮縱向像差的影響，具體地說(shuō)，只考慮系統(tǒng)初級(jí)像差的SⅠ、SⅢ、SⅣ及CⅠ的影響。為此，其中單透鏡主要負(fù)擔(dān)平衡軸向球差SⅠ的作用，厚透鏡兩塊玻璃的選擇及光焦度分配影響系統(tǒng)色差CⅠ，透鏡厚度及光字段置影響著系統(tǒng)場(chǎng)曲及象散的大小。由此設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟如下。
在設(shè)計(jì)之前，先打開(kāi)設(shè)計(jì)窗口如圖3。填寫(xiě)設(shè)計(jì)要求，其中包括：系統(tǒng)焦距、系統(tǒng)孔徑、視場(chǎng)角度以及應(yīng)滿足的初級(jí)像差系數(shù)值SⅠ、SⅢ、SⅣ及CⅠ等。然后按順序選擇單透鏡的玻璃材料以及雙膠合厚透鏡的玻璃組合。選擇厚透鏡的玻璃組合時(shí)一般是按照等折射率的匹配原則選取。
圖3.雙高斯照相物鏡設(shè)計(jì)窗體
圖4.優(yōu)選玻璃材料清單
選擇單透鏡玻璃材料可以在“單透鏡玻璃”下拉式菜單內(nèi)直接選取，也可以通過(guò)“優(yōu)選玻璃”方式從玻璃清單里挑選，玻璃清單內(nèi)列出了相應(yīng)玻璃牌號(hào)的折射率等供參考，如圖4。
選擇膠合透鏡玻璃組合，首先可以有“王冕在前” 和“火石在前”的選擇，然后可以在“前組玻璃”和“后組玻璃”菜單內(nèi)分別選擇，還可以利用“玻璃搭配”菜單選擇玻璃牌號(hào)、玻璃折射率、玻璃色散以及按等折射率搭配方式成組選擇。
圖5.玻璃搭配選擇
雙高斯照相物鏡的厚透鏡一般多選擇等折射率搭配，選定后接口顯示等折射率玻璃搭配列表如圖6�？梢詮闹羞x擇適當(dāng)搭配。
圖6.等折射率玻璃搭配列表
玻璃選擇完成接口會(huì)立即轉(zhuǎn)入外形尺寸計(jì)算狀態(tài)。
外形尺寸計(jì)算
圖7.等折射率玻璃搭配列表
在進(jìn)行半部系統(tǒng)外形尺寸計(jì)算前，必須把半部系統(tǒng)規(guī)劃成總焦距為1的系統(tǒng)。半部系統(tǒng)的外形尺寸計(jì)算主要是求解半部系統(tǒng)三片透鏡的光焦度分配和軸向光線以及軸外光線在各個(gè)面上的投射高度等資料。
在外形尺寸計(jì)算過(guò)程中，由于厚透鏡對(duì)消場(chǎng)曲及象散的作用，使得光線在厚透鏡的前后表面高度產(chǎn)生差異，因此盡管厚透鏡是個(gè)無(wú)光焦膠合透鏡，但由于透鏡厚度的影響，他會(huì)改變單透鏡的光焦度的分配值�？紤]到厚透鏡選用的是兩塊等折射率玻璃材料，膠合面的曲率直接影響系統(tǒng)色差，膠合面的位置其實(shí)無(wú)關(guān)重要。為計(jì)算方便還可以把厚透鏡分解為兩個(gè)薄透鏡，前面是一塊光焦度為負(fù)值的薄透鏡，后面是一塊與單透鏡靠近的正薄透鏡。如圖7所示。在圖7的接口上利用“入瞳距離”及“透鏡厚度”兩個(gè)工具條可以隨意調(diào)整半部系統(tǒng)入瞳距離及透鏡厚度值。通過(guò)以上選擇，程序自動(dòng)計(jì)算出半部系統(tǒng)的外形尺寸數(shù)據(jù)如圖8。
圖8.等折射率玻璃搭配列表
結(jié)構(gòu)優(yōu)化
目前計(jì)算出的半部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)還只是初步數(shù)據(jù)，未必是滿足設(shè)計(jì)要求的最佳數(shù)據(jù)，還必須對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)可以使用手工調(diào)整，也可以利用程序自動(dòng)優(yōu)化。使用手工調(diào)整可以體會(huì)各參量對(duì)系統(tǒng)初級(jí)像差的影響。手工調(diào)整可以直接拉動(dòng)接口上的工具條分別對(duì)厚透鏡、單透鏡進(jìn)行彎曲，可以進(jìn)行色差調(diào)整，還可以調(diào)整光字段置及后透鏡厚度等。在每一調(diào)整過(guò)程接口都同步顯示調(diào)整量及初級(jí)像差系數(shù)的變化動(dòng)態(tài)。體會(huì)初始參數(shù)對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量影響的內(nèi)涵。如果需要自動(dòng)優(yōu)化，可以先選擇優(yōu)化變量。在接口生需要變化的前后組彎曲、色差調(diào)整、入瞳距離以及透鏡厚度等參數(shù)，只要在其相應(yīng)工具條前選擇即可作為優(yōu)化變量。選擇好優(yōu)化變量后，只要點(diǎn)擊上部工具菜單的“結(jié)構(gòu)優(yōu)化”，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化幷把優(yōu)化后的初級(jí)像差系數(shù)值顯示在相應(yīng)表格內(nèi)。在進(jìn)行優(yōu)化前還可以調(diào)整各像差系數(shù)的權(quán)重控制優(yōu)化結(jié)果。
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