專利名稱：象方遠(yuǎn)心雙高斯光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)雙高斯光學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn)，屬于光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
雙高斯光學(xué)系統(tǒng)是一種具有較大視場(chǎng)的物鏡結(jié)構(gòu)，其容易實(shí)現(xiàn)較大的相對(duì)孔徑和較長(zhǎng)焦距，多用于照像、攝像、制版等精密儀器中作為鏡頭物鏡；其結(jié)構(gòu)上有二個(gè)膠合面用于消除色差。美國(guó)專利USP4443070又對(duì)如何增大雙高斯光學(xué)系統(tǒng)的后工作距提出了解決方案，從而使較大視場(chǎng)、較大孔徑、較長(zhǎng)焦距、較大后工作距等性能都可以在雙高斯結(jié)構(gòu)上得到實(shí)現(xiàn)。但雙高斯光學(xué)系統(tǒng)仍存在有缺陷，在提高視場(chǎng)中心成像質(zhì)量時(shí)，由于孔徑高級(jí)球差與視場(chǎng)高級(jí)球差的矛盾會(huì)使軸外的成像質(zhì)量相應(yīng)降低，而嚴(yán)重過矯正的軸外球差的存在，使雙高斯光學(xué)系統(tǒng)的軸外球差與軸上球差的矛盾變得相當(dāng)突出。為了消除影響只能消極地用前后二個(gè)透鏡框把軸外光束中象差大部分的光線截去，因此其存在有嚴(yán)重的斜光束漸暈。由此可見雙高斯光學(xué)系統(tǒng)像面照度的均勻性很難實(shí)現(xiàn)，因此雙高斯光學(xué)系統(tǒng)的象方遠(yuǎn)心成為長(zhǎng)期未能解決的難題。
本發(fā)明的目的就是設(shè)計(jì)出象方遠(yuǎn)心雙高斯光學(xué)系統(tǒng)，使其在保證高像質(zhì)的前題下具有較長(zhǎng)焦距、較大視場(chǎng)、較大孔徑、較大后工作距和象方遠(yuǎn)心的特性，并在各個(gè)視場(chǎng)都有很好的成像質(zhì)量。
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的象方遠(yuǎn)心雙高斯光學(xué)系統(tǒng)是在現(xiàn)有雙高斯光學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成，即在雙高斯結(jié)構(gòu)的兩端各加一片透鏡，由八片透鏡構(gòu)成了本發(fā)明；為敘述的準(zhǔn)確和方便，這里需借助附圖加以說明，附

圖1為本發(fā)明所設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖，圖中透鏡從左(物方)向右(像方)為序排列并編號(hào)，該編號(hào)為本發(fā)明敘述中各透鏡的特定編號(hào)，9為光闌。
本發(fā)明所設(shè)計(jì)的象方遠(yuǎn)心雙高斯光學(xué)系統(tǒng)有八片透鏡，其中有兩組上雙膠合透鏡，系統(tǒng)透鏡共有十四個(gè)面，其中十二個(gè)空氣面和二個(gè)膠合面；其透鏡1和透鏡2為正彎月形透鏡，凸面彎向物方，正透鏡3和負(fù)透鏡4構(gòu)成一組彎月形負(fù)膠合透鏡，凸面彎向物方，由透鏡1～4組成系統(tǒng)的前組透鏡；負(fù)透鏡5和正透鏡6構(gòu)成一組彎月形負(fù)膠合透鏡，凸面彎向像方，透鏡7為正彎月形透鏡，凸面彎向像方，透鏡8為雙凸透鏡，由透鏡5～8組成系統(tǒng)的后組透鏡；光闌設(shè)在后組透鏡的焦點(diǎn)處，位于前組與后組透鏡之間。本發(fā)明的特證還在于，所述光學(xué)系統(tǒng)的透鏡應(yīng)滿足以下條件①0.9f＜f12＜1.2f，②0.6f＜f78＜0.7f，③
r13＞0，r14＜0，④1.7f＜f7＜2.1f，⑤0.4f＜r6＜0.7f；其中f為光學(xué)系統(tǒng)焦距，f7為透鏡7的焦距，f12為透鏡1和透鏡2的組合焦距，f78為透鏡7和透鏡8的組合焦距，r6為系統(tǒng)透鏡第6個(gè)面的曲率半徑，r13為第13個(gè)面的曲率半徑，r14為第14個(gè)面的曲率半徑。
為敘述的方便和明確，以下用附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例和使用效果。
例 設(shè)計(jì)一象方遠(yuǎn)心雙高斯光學(xué)系統(tǒng)，焦距150mm、視場(chǎng)角30°、相對(duì)孔徑1∶3，并有較長(zhǎng)后工作距和象方遠(yuǎn)心，其系統(tǒng)透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)見附圖2；附圖2為本發(fā)明實(shí)例中系統(tǒng)透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)的列表，表中r為系統(tǒng)透鏡十四個(gè)面的曲率半徑，d為系統(tǒng)透鏡十四個(gè)面的軸上間隔，n為編號(hào)透鏡的折射率，V為編號(hào)透鏡的阿貝常數(shù)；附圖3為按圖2實(shí)例得到的光學(xué)系統(tǒng)的色差球差曲線圖，附圖4為按圖2實(shí)例得到的光學(xué)系統(tǒng)的象散場(chǎng)曲線圖，附圖5為按圖2實(shí)例得到的光學(xué)系統(tǒng)的畸變曲線圖。
以下結(jié)合實(shí)施要求說明本發(fā)明的實(shí)例效果。
本發(fā)明技術(shù)方案中限制條件①和②用于保證光學(xué)系統(tǒng)有比較大的后工作距，并用于控制系統(tǒng)的色球差。為使光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)平象場(chǎng)，系統(tǒng)場(chǎng)曲須得到完善校正。若超出條件①的下限，或是條件②的上限，雖有利于減小光學(xué)透鏡的口徑，但不利于系統(tǒng)后工作距的增加；同樣，若超出條件①的上限、或是條件②的下限，光學(xué)系統(tǒng)后工作距增加，但系統(tǒng)的成像質(zhì)量很難得到校正。條件①和②使得系統(tǒng)的正光焦度由前往后轉(zhuǎn)移。在材料一定的情況下，正光焦度由前往后移動(dòng)，滿足系統(tǒng)校正色差條件后，系統(tǒng)前部負(fù)光焦度也減小，對(duì)色球差的校正有利。在保證其他限制條件時(shí)，實(shí)例中的光學(xué)系統(tǒng)的后工作距比較大，能安放80mm厚的棱鏡。色球差是光學(xué)系統(tǒng)最難校正的象差之一，由附圖3可以看出，圖中長(zhǎng)波和短波的球差曲線幾乎與橫坐標(biāo)垂直，說明實(shí)例的色球差校正得非常好。
本發(fā)明技術(shù)方案中限制條件③和④是為了保證在透鏡7和8總光焦度一定的情況下，這二個(gè)透鏡光焦度的分配關(guān)系，并規(guī)定了透鏡8的彎曲方向。當(dāng)滿足條件③和④時(shí)，系統(tǒng)的正球差處于最小狀態(tài)，有利于減小系統(tǒng)的孔徑高級(jí)球差；透鏡8除本身的球差較小，且能產(chǎn)生一定的負(fù)象散，這就減小了中間二個(gè)彎面上所必須產(chǎn)生的負(fù)象散，從而使中間兩凹面對(duì)光闌中心趨于同心，降低軸外球差。從附圖3可以看出，各條曲線都較直，說明實(shí)例光學(xué)系統(tǒng)的孔徑高級(jí)球差很小，有利于提高系統(tǒng)的像質(zhì)。
本發(fā)明技術(shù)方案中限制條件⑤是為了校正色球差和軸外球差。在r6彎向物面時(shí)，有利于軸外球差的校正，但對(duì)色球差的校正不利；相反，在r6彎向像面時(shí)，有利于色球差的校正，但對(duì)軸外球差的校正不利。由于本發(fā)明實(shí)例的軸外象差得到很好校正，場(chǎng)曲也得到很好的匹配，參見附圖4。其各視場(chǎng)綜合調(diào)制傳遞函數(shù)在50lp/mm空間頻率下大于0.6。參見附圖5，普通雙高斯光學(xué)系統(tǒng)在30°視場(chǎng)時(shí)畸變?cè)?％左右，而本發(fā)明實(shí)例的最大畸變?yōu)?.03％。
另外，本發(fā)明所設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)若采用普通玻璃材料，此系統(tǒng)的二級(jí)光譜值為0.08mm，但按實(shí)例要求選材，則使光學(xué)系統(tǒng)的二級(jí)光譜值降為0.04mm。再由于本發(fā)明的高級(jí)象差很小，經(jīng)過離焦后，光學(xué)系統(tǒng)在遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)波長(zhǎng)的其他譜段仍有很好的成像質(zhì)量。實(shí)例中系統(tǒng)的出瞳距為6200mm，達(dá)到了象方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的要求。
權(quán)利要求
1.一種象方遠(yuǎn)心雙高斯光學(xué)系統(tǒng)，是以雙高斯結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其特征在于，所述的光學(xué)系統(tǒng)有八片透鏡，其中有二組雙膠合透鏡，系統(tǒng)透鏡共有十二個(gè)空氣面和二個(gè)膠合面；其透鏡1和透鏡2為正彎月形透鏡，凸面彎向物方，正透鏡3和負(fù)透鏡4構(gòu)成一組彎月形負(fù)膠合透鏡，凸面彎向物方，由透鏡1～4組成系統(tǒng)的前組透鏡；負(fù)透鏡5和正透鏡6構(gòu)成一組彎月形負(fù)膠合透鏡，凸面彎向像方，透鏡7為正彎月形透鏡，凸面彎向像方，透鏡8為雙凸透鏡，由透鏡5～8組成系統(tǒng)的后組透鏡；光闌設(shè)在后組透鏡的焦點(diǎn)處，位于前組與后組透鏡之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)的透鏡應(yīng)滿足以下條件①0.9f＜f12＜1.2f，②0.6f＜f78＜0.7f，③
④1.7f＜f7＜2.1f，⑤0.4f＜r6＜0.7f；其中f為光學(xué)系統(tǒng)焦距，f7為透鏡7的焦距，f12為透鏡1和透鏡2的組合焦距，f78為透鏡7和透鏡8的組合焦距，r6為系統(tǒng)透鏡第6個(gè)面的曲率半徑，r13為第13個(gè)面的曲率半徑，r14為第14個(gè)面的曲率半徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)的焦距150mm、視場(chǎng)角30°、相對(duì)孔徑1∶3時(shí)，其系統(tǒng)透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)為r1＝171.5 d1＝8.3 n1＝1.4868 v1＝84.5r2＝796 d2＝0.1r3＝66.3 d3＝9.6 n2＝1.4868 v2＝84.5r4＝160.1 d4＝0.1r5＝76.5 d5＝21.1n3＝1.6920 v3＝54.5r6＝81.2 d6＝16.2n4＝1.7172 v4＝29.5r7＝39.5 d7＝50r8＝-31.1 d8＝9.7 n5＝1.7172 v5＝29.5r9＝-197.1d9＝20 n6＝1.6920 v6＝54.5r10＝-49.3d10＝0.1r11＝-283.2 d11＝10.7n7＝1.6920 v7＝54.5r12＝-116.8 d12＝0.1r13＝124 d13＝16.6n8＝1.6920 v8＝54.5r14＝-416.2其中r為系統(tǒng)透鏡十四個(gè)面的曲率半徑，d為系統(tǒng)透鏡十四個(gè)面的軸上間隔，n為編號(hào)透鏡的折射率，r為編號(hào)透鏡的阿貝常數(shù)。
全文摘要
一種象方遠(yuǎn)心雙高斯光學(xué)系統(tǒng),采用有8片透鏡,其中有二組雙膠合透鏡,共有12個(gè)空氣面和2個(gè)膠合面,在二組膠合透鏡之間設(shè)置光闌,其具有較大視場(chǎng)、較大孔徑、較長(zhǎng)焦距、較大后工作距和象方遠(yuǎn)心的特點(diǎn),由于很好地校正了包括色球差在內(nèi)的各種象差,使該光學(xué)系統(tǒng)在各個(gè)視場(chǎng)都有很好的成像質(zhì)量;其適用于各種精密光學(xué)儀器的成像物鏡。
文檔編號(hào)G02B11/26GK1256429SQ9811303
公開日2000年6月14日 申請(qǐng)日期1998年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月9日
發(fā)明者楊建峰, 趙葆常, 余建軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所