双高斯镜头的优化设计_
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双高斯镜头的优化设计
作者：徐延亮 雷娟
来源：《中国基础教育研究》2013年第07期
【摘要】随着毕业生就业竞争激烈化，学生不在满足于仅仅学习课本上的理论知识，迫切的需要参与实践，在这种情况下，将光学设计软件ZEMAX引入工程光学教学是大有益处的。本文以典型的双高斯物镜优化设计为例，经过初始数据录入、优化及分析像差等光学设计的相关步骤，最后使物镜性能得到了提升，使学生获得处理实际光学设计问题的初步的能力。
【关键词】双高斯物镜 工程光学 ZEMAX 光学设计
引言。
对于工程光学，如何使学生产生学习兴趣？这是教学所面临的难题。而将ZEMAX软件引入教学解决了这一难题。大量科研论文是以ZEMAX为平台进行光学设计的[1-4]，本文以双高斯物镜优化设计为例，这种物镜的设计，对教学来说是很典型和实用的。1888年，Alvan Clark发现使用两对高斯结构，背对背反方向组合后，也可以成为一种有用的镜头，这就是最初的双高斯结构概念。后来经过Paul Rudolph进一步改进，从而使物镜由原来的4群4片变成4群6片。二十世纪二十年代，Taylor Hobson在此基础上 研发的f/2的高速电影机镜头（Speed Panchro），成为了好莱坞电影厂的标准配备。到了21世纪的今天，各家光学厂商关于双高斯镜头设计登记在案的专利已超过300件。本文对双高斯物镜的光学要求为：35mm胶片，使用可见光（F，d，C），焦距f′=100mm，相对孔径D/f′=1/2，场曲小于0.7mm，畸变小于1%，渐晕不小于80%， RMS弥散斑小于30微米。
1.输入初始物镜数据。
设计物镜的第一步是获得物镜的初始数据，通常使用的方法是：（1）查询相关专利进行放缩；（2）使用初级像差理论解出的结果。本文使用前一种方法，引用美国专利U.S.Patent 2532752（1949）为初始结构，此镜头焦距和相对孔径与本文要求相同，可以给优化带来方便。在软件LensVIEW找出此专利，并在File下拉菜单中选Create ZEMZX File选项保存。直接用ZEMAX打开此文件，其数据如表1所示。
首先为系统输入波长。点击主窗口上方的快捷键“Wav”，在对话框中按下“Select”键选择“F，d，C（Visible）”。接着设定视场角。35mm电影胶片的对角线长度为43.27mm，则最大像高为其一半21.635mm，点击快捷键“Fie”，选择“实际像高（Real Image Height）”，并将视场角的个数设置为3，分别取0、0.707、1三个视场，即在“y-Field”输入0、15.296、21.635，权重选1。为了将像平面设置在近轴焦点上，在第11面的厚度上双击，将弹出对话框中
SOLVE类型改变为“边缘光高（Marginal Ray Height）”。用这样的求解办法将会调整厚度使像面上的近轴边缘光线高度为0，可以得到近轴焦点。