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依据近轴光学理论求解双焦系统初始结构

梁枭 姜会林 孙昊 王春艳 刘欢

梁枭, 姜会林, 孙昊, 王春艳, 刘欢. 依据近轴光学理论求解双焦系统初始结构[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(6): 20200523. doi: 10.3788/IRLA20200523
引用本文: 梁枭, 姜会林, 孙昊, 王春艳, 刘欢. 依据近轴光学理论求解双焦系统初始结构[J]. 红外与激光工程, 2021, 50(6): 20200523. doi: 10.3788/IRLA20200523
Liang Xiao, Jiang Huilin, Sun Hao, Wang Chunyan, Liu Huan. Solving initial structure of bifocal system according to theory of paraxial optics[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(6): 20200523. doi: 10.3788/IRLA20200523
Citation: Liang Xiao, Jiang Huilin, Sun Hao, Wang Chunyan, Liu Huan. Solving initial structure of bifocal system according to theory of paraxial optics[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(6): 20200523. doi: 10.3788/IRLA20200523

依据近轴光学理论求解双焦系统初始结构

doi: 10.3788/IRLA20200523
基金项目: 吉林省科技发展计划重点研发项目(20200401048GX);长春理工大学青年科学基金(XQNJJ-2018-08)
详细信息
    作者简介:

    梁枭,男,硕士生,主要从事光学设计等方面的研究

  • 中图分类号: O439

Solving initial structure of bifocal system according to theory of paraxial optics

  • 摘要: 为了快速得到双焦光学系统初始结构,依据近轴光学理论设计一款双焦、双视场光学系统。通过高斯光学理论及物像交换原则求解光学系统近轴光学元件的初始位置,分组将标准透镜插入到求解位置上,通过逐步增大近轴元件的焦距优化镜组及镜片间隔,使插入的透镜组焦距趋向该近轴元件焦距的理论计算值。以此类推完成每个镜组的优化设计。通过该方法设计了焦距为40/120 mm、视场为8.6°/2.9°的光学系统,所有镜片均为球面。在奈奎斯特频率100 lp/mm处,120 mm焦距时调制传递函数为0.58,接近衍射极限;40 mm焦距时调制传递函数为0.52。设计结果表明该方法适用于双视场光学系统,可快速得到光学系统初始结构,简化了设计难度。
  • 图  1  轴向双焦光学系统结构图

    Figure  1.  Structure diagram of axial bifocal optical system

    图  2  近轴光学系统光路图

    Figure  2.  Light path of paraxial optical system

    图  3  第一步优化后光路图

    Figure  3.  Light path after the first step optimization

    图  4  第二步优化后光路图

    Figure  4.  Light path after the second step optimization

    图  5  第三步优化后光路图

    Figure  5.  Light path diagram after the third step optimization

    6  光路图及像差图。 (a)光路图;(b)点列图;(c)调制传递函数;(d)场曲和畸变;(e)垂轴色差

    6.  Light path and aberration diagram. (a) Light path; (b) Spot diagram; (c) MTF; (d) Field curvature and distortion; (e) Lateral color

    表  1  光学系统设计指标

    Table  1.   Design index of optical system

    ParameterValue
    Wavelength486-656 nm
    Field of view8.6°/2.9°
    Focal length40 (WFOV) mm 120 (NFOV) mm
    Spot diagram<0.5 pixel@0-0.707 fields
    <0.7 pixel@0.707-1 fields
    MTF100 lp/mm>0.3
    Temperature−20-45 ℃
    CCD pixel5 μm
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    表  2  第一步优化后镜片参数

    Table  2.   Lens parameters after the first step optimization

    Radius/mmThickness/mmGlass
    75.1834.46Zk13
    −23.1741.063
    −20.4561.977Sf6
    −43.44311.686
    914.6722.267Sk11
    −39.32150.766
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    表  3  第二步优化后透镜参数

    Table  3.   Lens parameters after the second step optimization

    Radius/mmThickness/mmGlass
    −53.012 1.999 P-sf68
    −33.681 0.998
    −35.382 1.999 N-lak33b
    69.948 56.318/1.357
    128.881 3.276 Zk13
    −34.662 1.524
    −26.716 1.999 Sf6
    −60.543 0.999
    117.307 8.127 Sk11
    −44.078 64.357
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    表  4  第三步优化后透镜参数

    Table  4.   Lens parameters after the third step optimization

    SurfaceRadius/mmThickness/mmGlass
    1 57.870 10 Zk12
    2 −77.106 2 Kzfs8
    3 193.419 13.083/59.282
    4 −42.419 4.997 P-sf68
    5 −28.545 1
    6 −27.789 2 N-lak33b
    7 77.385 47.197/0.997
    8 78.631 6.895 Zk13
    9 −26.74 1.612
    10 −24.316 2 Sf6
    11 −62.578 1
    12 60.429 2.496 Sk11
    13 −80.595 55.744
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    表  5  优化过程中像差大小

    Table  5.   The size of aberration during optimization

    FieldAberrationFirst stepSecond stepThird step
    WFOV S1 0.039841 0.028905 0.009558
    S2 −0.001334 −0.002104 0.000991
    S3 0.003687 0.001254 −0.001397
    S4 0.004753 0.000664 0.001780
    S5 0.000835 0.006641 0.008469
    CL −0.002214 −0.001471 −0.001162
    CT −0.001464 −0.001599 −0.000406
    Maximum RMS radius/μm 25.203 11.011 5.852
    Minimum RMS radius/μm 21.081 10.054 3.684
    NFOV S1 0.039844 −0.026449 0.000056
    S2 −0.001333 0.001632 −0.000895
    S3 0.003687 −0.000991 0.000350
    S4 0.004753 0.000664 0.001780
    S5 0.000835 0.000643 0.000416
    CL −0.002215 0.003065 −0.001473
    CT −0.001464 −0.000774 0.000831
    Maximum RMS radius/μm 25.368 11.711 8.691
    Minimum RMS radius/μm 20.564 8.984 4.626
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  • [1] Xu Zhengkui, Yu Zhenlong, Wang Chunxing, et al. Four piece medium wave dual field of view 10× optical system [J]. Infrared Technology, 2019, 41(9): 824-830. (in Chinese)
    [2] Xu Liang, Zhao Jianke, Zhou Yan, et al. Design of 8× dual field of view zoom and large relative aperture infrared hybrid refractive/diffractive system [J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(8): 2173-2177. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-2276.2012.08.039
    [3] Mao Yankai, Zhao Zhenyu, Zhang Guohua, et al. Optical design of infrared dual-band/dual-field seeker [J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(7): 20190490. (in Chinese)
    [4] Yi Song, Li Shuxiao, Zhu Chengfei, et al. Object tracking with dual field-of-view switching in aerial videos [J]. International Journal of Automation and Computing, 2016, 13(6): 565-573. doi:  10.1007/s11633-016-0949-7
    [5] Akram M N, Asghar M H. Step-zoom dual-field-of-view infrared te-lescope [J]. Applied Optics, 2003, 42(13): 2312-2316. doi:  10.1364/AO.42.002312
    [6] Jiang Kai, Zhou Sizhong, Li Gang, et al. Athermalization design of catadioptric middle infrared dual field zoom system [J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(2): 403-407. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-2276.2013.02.002
    [7] Ding Xuezhuan, Zhou Panwei, Wang Shiyong, et al. Optical design of two-stage zoom scanning infrared system with array detector [J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(8): 20200007. (in Chinese)
    [8] Zhang Hongwei, Ding Yalin, Ma Yingjun, et al. Design of infrared dual-band and dual-field imaging early warning system [J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(6): 1283-1294. (in Chinese) doi:  10.3788/OPE.20202806.1283
    [9] Shi Guanghui. Find preliminary solution of zoom objective lens using Gaussian optics and third order aberration theory [J]. Chinese Optics, 2012, 11(6): 1047-1060. (in Chinese)
    [10] Zhang Bao, Cui Enkun, Hong Yongfeng. Infrared MWIR/LWIR dual-FOV common path optical system [J]. Optical and Precision Engineering, 2015, 23(2): 395-401. (in Chinese) doi:  10.3788/OPE.20152302.0395
    [11] Yan Lei, Jia Ping, Hong Yongfeng. Design of initial structure solution of infrared dual-FOV optical system [J]. Infrared, 2011, 32(1): 23-26. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1672-8785.2011.01.004
    [12] Yin Xiao, Li Yingchao, Shi Haodong, et al. Wide-angle zoom polarization imaging optical system design for physical evidence search [J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(4): 0418006. (in Chinese)
    [13] Bai Yuzhuo, Mu Rui, Ma Lin, et al. Design of infrared optical system with super-long focal length and dual field-of-view [J]. Chinese Optics, 2014, 7(4): 631-637. (in Chinese)
    [14] Zheng Yawei, Gao Jiaobo, Wang Jun, et al. Design of an infrared analog optical system for dual field of view [J]. Infrared and Laser Engineering, 2007, 36(1): 77-81. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-2276.2007.01.019
  • [1] 焦飞宇, 文尚胜, 马丙戌, 张博, 姜昕宇, 卢允乐, 黄玮钊, 吴启保.  高空间照明均匀度植物光源系统的设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(1): 20200119-1-20200119-12. doi: 10.3788/IRLA20200119
    [2] 孙全, 李程, 何宇龙, 刘贺, 王静, 许晓军.  基于光场相机结构的自适应光学系统仿真研究 . 红外与激光工程, 2020, 49(10): 20201043-1-20201043-8. doi: 10.3788/IRLA20201043
    [3] 王兆利, 梁惊涛, 赵密广, 陈厚磊, 王娟, 卫铃佼.  机械制冷机冷却的透射式光学系统支撑结构 . 红外与激光工程, 2019, 48(2): 218006-0218006(11). doi: 10.3788/IRLA201948.0218006
    [4] 高明, 许黄蓉, 刘钧, 吕宏, 陈阳.  折/衍射双波段共光路齐焦光学系统设计 . 红外与激光工程, 2017, 46(5): 518003-0518003(10). doi: 10.3788/IRLA201746.0518003
    [5] 江伦, 胡源, 董科研, 安岩, 王超, 佟首峰.  红外双波段光学系统被动式消热差设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3353-3357.
    [6] 刘家国, 邓蓉, 王景峰, 曾克思.  2.4m太阳模拟器设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3348-3352.
    [7] 白瑜, 邢廷文, 李华, 蒋亚东, 冯成.  国外高变焦比中波红外镜头的研究进展 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 795-802.
    [8] 白瑜, 廖志远, 李华, 程习敏, 邢廷文, 蒋亚东.  折反射中波红外探测无热化成像系统设计分析 . 红外与激光工程, 2015, 44(2): 407-412.
    [9] 付跃刚, 黄蕴涵, 刘智颖.  双波段消热差红外鱼眼光学系统设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(10): 3329-3333.
    [10] 徐明明, 江庆五, 刘文清, 张寅超, 陈结祥, 曾议.  一种新型双光栅光谱仪光学系统设计与优化 . 红外与激光工程, 2014, 43(1): 184-189.
    [11] 李刚, 樊学武, 邹刚毅, 王红娟.  基于像方摆扫的空间红外双波段光学系统设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(3): 861-866.
    [12] 虞林瑶, 魏群, 张天翼, 姜湖海, 贾宏光.  无热化旋转双光楔共形光学系统设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(2): 528-534.
    [13] 赵延, 邓键, 于德志, 马燕.  光学被动消热差的长波红外双视场光学系统设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(5): 1545-1548.
    [14] 杨飞, 刘国军, 安其昌.  结构函数在大口径光学系统评价中的应用 . 红外与激光工程, 2014, 43(11): 3832-3836.
    [15] 刘家国, 邓蓉, 魏阿满, 于振红.  便携式太阳模拟器设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(10): 3352-3355.
    [16] 王孟军, 赵翠玲, 韩邦杰, 耿亚光, 马萄.  基于谐衍射的共轴双波段红外光学系统设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(10): 2732-2736.
    [17] 李培茂, 王霞, 金伟其, 李家琨, 顿雄.  双波段红外光学系统设计与像质评价 . 红外与激光工程, 2013, 42(11): 2882-2888.
    [18] 张建忠, 杨乐, 郭帮辉, 谭向全, 王健, 孙强.  基于谐衍射的红外中波/长波双波段视景仿真光学系统设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(7): 1758-1764.
    [19] 赵坤, 李升辉.  双孔径红外变焦光学系统设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(11): 2889-2893.
    [20] 闫兴涛, 杨建峰, 薛彬, 周珂, 赵意意, 卜凡.  利用光纤传像束的内窥镜物镜设计 . 红外与激光工程, 2013, 42(2): 423-427.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-21
  • 修回日期:  2021-06-16
  • 刊出日期:  2021-06-30

依据近轴光学理论求解双焦系统初始结构

doi: 10.3788/IRLA20200523
    作者简介:

    梁枭,男,硕士生,主要从事光学设计等方面的研究

基金项目:  吉林省科技发展计划重点研发项目(20200401048GX);长春理工大学青年科学基金(XQNJJ-2018-08)
  • 中图分类号: O439

摘要: 为了快速得到双焦光学系统初始结构,依据近轴光学理论设计一款双焦、双视场光学系统。通过高斯光学理论及物像交换原则求解光学系统近轴光学元件的初始位置,分组将标准透镜插入到求解位置上,通过逐步增大近轴元件的焦距优化镜组及镜片间隔,使插入的透镜组焦距趋向该近轴元件焦距的理论计算值。以此类推完成每个镜组的优化设计。通过该方法设计了焦距为40/120 mm、视场为8.6°/2.9°的光学系统,所有镜片均为球面。在奈奎斯特频率100 lp/mm处,120 mm焦距时调制传递函数为0.58,接近衍射极限;40 mm焦距时调制传递函数为0.52。设计结果表明该方法适用于双视场光学系统,可快速得到光学系统初始结构,简化了设计难度。

English Abstract

    • 变焦光学系统分为连续变焦和非连续变焦,连续变焦系统设计难度大,对机械结构要求高,其像面稳定性保证困难[1];非连续变焦主要以双焦、双视场光学系统为主,机械结构简单,容易装调且像面稳定[2]。双视场既可以搭配使用,又可以单独使用,可满足不同的应用场合。利用短焦视场大的优点进行搜索、探测、观察;利用长焦测试精度高的优点来获取目标的详细信息,进行识别、确认和测量[3-5]。在很多场合,双焦、双视场变焦系统可以替代连续变焦系统,应用于航空、航天、成像告警、搜索与跟踪等军事领域[6-8]

      双焦、双视场光学系统比定焦光学系统设计难度大,其初始结构的选取也相对复杂,若通过光学设计软件直接设计出令人满意的双焦光学系统,其初始结构的确定十分重要[9]。张葆等和晏蕾等通过三级像差理论求解双视场光学系统的初始结构,求解方法复杂、计算量大 [10-11]。尹骁等通过寻找专利进行缩放来求解初始结构,采用了七片透镜和两片非球面,该方法不具有通用性 [12]

      针对上述现状,需寻找一种通用、简便的方法来求解双焦、双视场光学系统初始结构。

    • 双焦光学系统要求在变焦前后像面保持不变。其实现方法有两种:一是增加一个补偿组补偿焦面移动,该方法会增加机械结构的复杂性;二是在透镜移动前后遵循物像交换原则[13-14],保证物像共轭距不变,该方法机械结构简单。文中拟采用第二种设计方式实现。

      采用物像交换原则设计双焦光学系统,按前固定组、变倍组和后固定组进行光学划分。其中:前固定组用于会聚无穷远物体的光线;变倍组用于改变焦距,达到变倍的目的;后固定组用于校正像差。

    • 依据高斯提出的理想光学系统几何光学理论,研究近轴区成像规律建立理想光学系统成像模型,计算双焦光学系统光学结构的初始解。

      图1给出了轴向双焦光学系统结构,当光学系统位于长焦时,${l_{2l}}$${l'}\!\!_{2l}$为变倍组的物距和像距,d23为后固定组和变倍组的间隔。当光学系统位于短焦时,${l_{2s}}$${l'}\!\!_{2s}$为变倍组的物距和像距,d12为变倍组和前固定组间隔。AA′为变倍组的共轭距。

      图  1  轴向双焦光学系统结构图

      Figure 1.  Structure diagram of axial bifocal optical system

      (1)变倍组相关参数计算

      令变倍组焦距为$f_2'$,系统的放大倍率为$\beta $,则短焦和长焦时变倍组的垂轴放大倍率分别为:

      $${\beta _{2s}} = - {\beta ^{ - 1/2}}$$ (1)
      $${\beta _{2l}} = - {\beta ^{1/2}}$$ (2)

      $$\frac{1}{{l_{2s}'}} - \frac{1}{{{l_{2s}}}} = \frac{1}{{f_2'}}$$ (3)

      可得短焦时变倍组的物距以及像距:

      $${l_{2s}} = \left(\frac{1}{{{\beta _{2s}}}} - 1\right)f_2'$$ (4)
      $${l}_{2s}' = (1 - {\beta _{2s}})f_2'$$ (5)

      由物像交换原则可得长焦时变倍组的物距和像距:

      $${l_{2l}} = - {l'}_{2s} = - (1 - {\beta _{2s}})f_2'$$ (6)
      $${l}_{2l}' = - {l_{2s}} = - \left(\frac{1}{{{\beta _{2s}}}} - 1\right)f_2'$$ (7)

      当光学系统从短焦到长焦时,变倍组移动的距离为:

      $$\Delta = \left(\frac{1}{{{\beta _{2s}}}} - {\beta _{2s}}\right)f_2' = \left(\frac{1}{{{\beta _{2s}}}} - \frac{1}{{{\beta _{2l}}}}\right)f_2'$$ (8)

      (2)前固定组焦距的计算

      在对目标进行搜索和识别时,成像光学系统的物距可以认为是无穷远,则进入前固定组的光线是平行光入射且其光线的出射交点会聚于前固定组的焦平面上,该焦平面即为变倍组的物面。由此可以求出前固定组的焦距:

      $$f_1' = {d_{12}} + {l_{2s}} = {d_{12}} + \left(\frac{1}{{{\beta _{2s}}}} - 1\right)f_2'$$ (9)

      (3)后固定组焦距的计算

      当光学系统位于短焦时,令系统的总光焦度为$\phi $,后固定组的光焦度为${\phi _3}$,前固定组和变倍组的等效组总光焦度为${\phi _{12}}$,等效组像方主平面与后固定组间隔为${d_{123}}$,则可以求出后固定组的焦距$f_3'$

      $$\phi {\rm{ = }}{\phi _{12}}{\rm{ + }}{\phi _3}{\rm{ - }}{d_{123}}{\phi _{12}}{\phi _3}$$ (10)
      $$f_3'{\rm{ = }}\frac{1}{{{\phi _3}}}$$ (11)
    • 由于进入前固定组的光线为平行光,可得:

      $${y_2} = \frac{{f_l'{l_{2l}}}}{{2Ff_1'}}$$ (12)
      $${y_3} = \frac{{{y_2}({\rm{ - }}l_{2l}' + {d_{23}})}}{{{\rm{ - }}l_{2l}'}}$$ (13)

      式中:$f_l'$为光学系统位于长焦时的焦距。

      为了研究的方便性,针对一个具体问题进行设计分析,根据表1给出的具体设计指标要求,展开论述。

      表 1  光学系统设计指标

      Table 1.  Design index of optical system

      ParameterValue
      Wavelength486-656 nm
      Field of view8.6°/2.9°
      Focal length40 (WFOV) mm 120 (NFOV) mm
      Spot diagram<0.5 pixel@0-0.707 fields
      <0.7 pixel@0.707-1 fields
      MTF100 lp/mm>0.3
      Temperature−20-45 ℃
      CCD pixel5 μm

      在双焦光学系统设计时,首先要确定变倍组焦距。由公式(8)可以看出变倍组的焦距决定了其移动范围,若焦距过大,则移动范围过大;若焦距过小,则其承担的光焦度过大,会引入较大像差导致公差敏感。其次要确定前固定组焦距,由公式(9)可以看出,前固定组焦距和${d_{12}}$有关,${d_{12}}$的选取主要考虑以下两个因素:一是系统的总长,二是主光线进入变倍组的入射高度和入射角度。由公式(9)、(12)可得,${d_{12}}$越大,${y_2}$越小,引入像差越少。最后确定后固定组的焦距,要考虑筒长以及与变倍组之间的距离${d_{23}}$,在不与变倍组相碰撞的前提下,由公式(13)可以看出,${d_{23}}$越小,${y_3}$越小,引入像差越小。此次设计共采用七片透镜,前固定组和变倍组各两片透镜,后固定组三片透镜。

      根据上述选择分析,结合物像交换原则和高斯光学求解方法,得出各组焦距和间隔如下:$f_1' = 115 \;{\rm{mm}}$$f_2' = {\rm{ - 35}}{\rm{mm}}$$f_3' = 40\;{\rm{mm}}$${d_{12}}$=20 mm,${d_{23}}$=10 mm。

    • 首先将上述得到的焦距等数据输入ZEMAX中,将各组的间隔以及焦距大小设为变量,在评价函数中加入操作数EFFL控制焦距;再加入操作数ZTHI让长焦和短焦时总长相等,且前固定组和后固定组间隔相等,来保证焦距改变时变化的透镜组只有变倍组。另外,为保证像面稳定,需要在多重结构中将短焦时光学系统的后截距设为变量,长焦时光学系统的后截距设为拾取。进行优化即可得到图2所示的近轴光学系统光路图。优化后系统评价函数由0.000000038变为0,各组焦距和间隔分别为 $f_1' = 115.925\;{\rm{mm}}$,$f_2' = $$ {\rm{ - 35}}{\rm{.111}}{\rm{mm}}$, $f_3'{\rm{ = }}39.688\;{\rm{mm}}$${d_{12}}{\rm{ = }}20\;{\rm{mm}}$${d_{23}}{\rm{ = }}10.008\;{\rm{mm}}$

      图  2  近轴光学系统光路图

      Figure 2.  Light path of paraxial optical system

    • 近轴替代的核心思想是通过使用标准透镜来替代无像差的近轴面,进而再将标准透镜带入的像差优化到设计要求范围。

      替换原则:第一步替换后固定组。采用透镜逐个插入法进行替代,在透镜插入系统时,要求其对系统的光焦度贡献为0,这一步的目的是使插入前后不改变任何光线轨迹。为了在不改变光学系统的情况下完成替代,需要逐步增加近轴面的焦距值,使近轴面的焦距接近无穷大,而插入的标准透镜组的焦距值接近近轴面最初的焦距值,然后删掉近轴面。在改变焦距的同时需要添加基本操作数控制球差、彗差等初级像差,并且需要控制透镜的厚度以及折射率,最后再将模型玻璃替换成真实玻璃。第一步的优化至关重要,若替换完后其像差过大,需要进一步优化,将RMS半径优化到6个像元以内,以便于后续替换过程能更好地平衡像差。第一步优化后光路图如图3所示,透镜参数如表2所示。

      图  3  第一步优化后光路图

      Figure 3.  Light path after the first step optimization

      表 2  第一步优化后镜片参数

      Table 2.  Lens parameters after the first step optimization

      Radius/mmThickness/mmGlass
      75.1834.46Zk13
      −23.1741.063
      −20.4561.977Sf6
      −43.44311.686
      914.6722.267Sk11
      −39.32150.766

      第二步替换掉变倍组。方法与第一步类似,逐步插入透镜,将近轴面的焦距逐步优化到无穷大,使加入的透镜焦距接近最开始近轴面的焦距,然后删掉近轴面,再次进行优化。第二步优化后光路图如图4所示,透镜参数如表3所示。

      图  4  第二步优化后光路图

      Figure 4.  Light path after the second step optimization

      表 3  第二步优化后透镜参数

      Table 3.  Lens parameters after the second step optimization

      Radius/mmThickness/mmGlass
      −53.012 1.999 P-sf68
      −33.681 0.998
      −35.382 1.999 N-lak33b
      69.948 56.318/1.357
      128.881 3.276 Zk13
      −34.662 1.524
      −26.716 1.999 Sf6
      −60.543 0.999
      117.307 8.127 Sk11
      −44.078 64.357

      第三步替换掉前固定组。与第一步的步骤一样,应用相同的过程来替换近轴面,即得到的初始结构如图5所示。表4是第三步优化后透镜参数,表5是每一步优化后的像差大小。

      图  5  第三步优化后光路图

      Figure 5.  Light path diagram after the third step optimization

      表 4  第三步优化后透镜参数

      Table 4.  Lens parameters after the third step optimization

      SurfaceRadius/mmThickness/mmGlass
      1 57.870 10 Zk12
      2 −77.106 2 Kzfs8
      3 193.419 13.083/59.282
      4 −42.419 4.997 P-sf68
      5 −28.545 1
      6 −27.789 2 N-lak33b
      7 77.385 47.197/0.997
      8 78.631 6.895 Zk13
      9 −26.74 1.612
      10 −24.316 2 Sf6
      11 −62.578 1
      12 60.429 2.496 Sk11
      13 −80.595 55.744

      表 5  优化过程中像差大小

      Table 5.  The size of aberration during optimization

      FieldAberrationFirst stepSecond stepThird step
      WFOV S1 0.039841 0.028905 0.009558
      S2 −0.001334 −0.002104 0.000991
      S3 0.003687 0.001254 −0.001397
      S4 0.004753 0.000664 0.001780
      S5 0.000835 0.006641 0.008469
      CL −0.002214 −0.001471 −0.001162
      CT −0.001464 −0.001599 −0.000406
      Maximum RMS radius/μm 25.203 11.011 5.852
      Minimum RMS radius/μm 21.081 10.054 3.684
      NFOV S1 0.039844 −0.026449 0.000056
      S2 −0.001333 0.001632 −0.000895
      S3 0.003687 −0.000991 0.000350
      S4 0.004753 0.000664 0.001780
      S5 0.000835 0.000643 0.000416
      CL −0.002215 0.003065 −0.001473
      CT −0.001464 −0.000774 0.000831
      Maximum RMS radius/μm 25.368 11.711 8.691
      Minimum RMS radius/μm 20.564 8.984 4.626
    • 通过确定的初始结构按照像质要求对其进行进一步优化,并将初始结构中不常用的玻璃进行替换,优化后的系统光路和像差如图6所示。在0-0.707带视场处点列图皆小于0.5个像元大小,全视场处点列图小于0.7个像元大小;在宽视场时MTF大于0.52,接近衍射极限,场曲最大为0.0268 mm,畸变最大为0.7242%,垂轴色差最大为0.3 μm;在窄视场时MTF大于0.58,接近衍射极限,场曲最大为0.0289 mm,畸变最大为0.0527%,垂轴色差最大为2.7 μm。故该设计满足设计要求。

      图  6  光路图及像差图。 (a)光路图;(b)点列图;(c)调制传递函数;(d)场曲和畸变;(e)垂轴色差

      Figure 6.  Light path and aberration diagram. (a) Light path; (b) Spot diagram; (c) MTF; (d) Field curvature and distortion; (e) Lateral color

    • 通过分析目前确定双焦光学系统初始结构方法的缺点,文中采用实际透镜分步替代各组分的近轴元件来获取初始结构,该方法的优点是将透镜的初始位置确定即可利用光学设计软件快速设计出双焦光学系统。在近轴区,光学系统成理想像,通过将实际透镜引入光学系统并将带入的像差进行平衡,得到一个新的初始结构,再进行优化得出符合要求的设计结果。

      采用该方法在未使用特殊面型的情况下,用七片透镜设计出满足要求的结果,证明了该方法的有效性。从像质分析可以看出,该系统满足使用要求,可降低加工难度,节约成本,对装调和系统可靠性提供了保障。为光学设计中确定双焦、双视场初始结构提供了一个新方法。由于任何实际光学系统都可以看做是一个理想光学系统转换成有像差的光学系统,故该方法具有普适性。

参考文献 (14)

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