CN1115578C - 象方远心双高斯光学系统 - Google Patents

Abstract

一种象方远心双高斯光学系统，采用有8片透镜，其中有二组双胶合透镜，共有12个空气面和2个胶合面，在二组胶合透镜之间设置光阑；其具有较大视场、较大孔径、较长焦距、较大后工作距和象方远心的特点，由于很好地校正了包括色球差在内的各种象差，使该光学系统在各个视场都有很好的成像质量；其适用于各种精密光学仪器的成像物镜。

Description

象方远心双高斯光学系统

本发明涉及对双高斯光学系统的改进，属于光学设计技术领域。

双高斯光学系统是一种具有较大视场的物镜结构，其容易实现较大的相对孔径和较长焦距，多用于照像、摄像、制版等精密仪器中作为镜头物镜；其结构上有二个胶合面用于消除色差。美国专利US 4443070又对如何增大双高斯光学系统的后工作距提出了解决方案，从而使较大视场、较大孔径、较长焦距、较大后工作距等性能都可以在双高斯结构上得到实现。但双高斯光学系统仍存在有缺陷，在提高视场中心成像质量时，由于孔径高级球差与视场高级球差的矛盾会使轴外的成像质量相应降低，而严重过矫正的轴外球差的存在，使双高斯光学系统的轴外球差与轴上球差的矛盾变得相当突出。为了消除影响只能消极地用前后二个透镜框把轴外光束中象差大部分的光线截去，因此其存在有严重的斜光束渐晕。由此可见双高斯光学系统像面照度的均匀性很难实现，因此双高斯光学系统的象方远心成为长期未能解决的难题。

本发明的目的就是设计出象方远心双高斯光学系统，使其在保证高像质的前题下具有较长焦距、较大视场、较大孔径、较大后工作距和象方远心的特性，并在各个视场都有很好的成像质量。

本发明所设计的象方远心双高斯光学系统是在现有双高斯光学系统的基础上完成，即在双高斯结构的两端各加一片透镜，由八片透镜构成了本发明；为叙述的准确和方便，这里需借助附图加以说明，附图1为本发明所设计光学系统的结构原理图，图中透镜从左(物方)向右(像方)为序排列并编号，该编号为本发明叙述中各透镜的特定编号，9为光阑。

本发明所设计的象方远心双高斯光学系统有八片透镜，其中有两组上双胶合透镜，系统透镜共有十四个面，其中十二个空气面和二个胶合面；其透镜1和透镜2为正弯月形透镜，凸面弯向物方，正透镜3和负透镜4构成一组弯月形负胶合透镜，凸面弯向物方，由透镜1～4组成系统的前组透镜；负透镜5和正透镜6构成一组弯月形负胶合透镜，凸面弯向像方，透镜7为正弯月形透镜，凸面弯向像方，透镜8为双凸透镜，由透镜5～8组成系统的后组透镜；光阑设在后组透镜的焦点处，位于前组与后组透镜之间。本发明的特征还在于，所述光学系统的透镜应满足以下条件：①0.9f＜f₁₂＜1.2f，②0.6f＜f₇₈＜0.7f，③ $3<\left|\frac{r_{14}}{r_{13}}\right|<5,$ r₁₃＞0，r₁₄＜0，④1.7f＜f₇＜2.1f，⑤0.4f＜r₆＜0.7f；其中f为光学系统焦距，f₇为透镜7的焦距、f₁₂为透镜1和透镜2的组合焦距，f₇₈为透镜7和透镜8的组合焦距，r₆为系统透镜第6个面的曲率半径，r₁₃为第13个面的曲率半径，r₁₄为第14个面的曲率半径。

为叙述的方便和明确，以下用附图详细说明本发明的实施例和使用效果。

例  设计一象方远心双高斯光学系统，焦距150mm、视场角30°、相对孔径1∶3，并有较长后工作距和象方远心，其系统透镜的结构参数和材料参数见附图2；附图2为本发明实例中系统透镜结构参数和材料参数的列表，表中r为系统透镜十四个面的曲率半径，d为系统透镜十四个面的轴上间隔，n为编号透镜的折射率，ν为编号透镜的阿贝常数；附图3为按图2实例得到的光学系统的色差球差曲线图，附图4为按图2实例得到的光学系统的象散场曲线图，附图5为按图2实例得到的光学系统的畸变曲线图。

以下结合实施要求说明本发明的实例效果。

本发明技术方案中限制条件①和②用于保证光学系统有比较大的后工作距，并用于控制系统的色球差。为使光学系统实现平象场，系统场曲须得到完善校正。若超出条件①的下限、或是条件②的上限，虽有利于减小光学透镜的口径，但不利于系统后工作距的增加；同样，若超出条件①的上限、或是条件②的下限，光学系统后工作距增加，但系统的成像质量很难得到校正。条件①和②使得系统的正光焦度由前往后转移。在材料一定的情况下，正光焦度由前往后移动，满足系统校正色差条件后，系统前部负光焦度也减小，对色球差的校正有利。在保证其他限制条件时，实例中的光学系统的后工作距比较大，能安放80mm厚的棱镜。色球差是光学系统最难校正的象差之一，由附图3可以看出，图中长波和短波的球差曲线几乎与横坐标垂直，说明实例的色球差校正得非常好。

本发明技术方案中限制条件③和④是为了保证在透镜7和8总光焦度一定的情况下，这二个透镜光焦度的分配关系，并规定了透镜8的弯曲方向。当满足条件③和④时，系统的正球差处于最小状态，有利于减小系统的孔径高级球差；透镜8除本身的球差较小，且能产生一定的负象散，这就减小了中间二个弯面上所必须产生的负象散，从而使中间两凹面对光阑中心趋于同心，降低轴外球差。从附图3可以看出，各条曲线都较直，说明实例光学系统的孔径高级球差很小，有利于提高系统的像质。

本发明技术方案中限制条件⑤是为了校正色球差和轴外球差。在r₆弯向物面时，有利于轴外球差的校正，但对色球差的校正不利；相反，在r₆弯向像面时，有利于色球差的校正，但对轴外球差的校正不利。由于本发明实例的轴外象差得到很好校正，场曲也得到很好的匹配，参见附图4。其各视场综合调制传递函数在50lp/mm空间频率下大于0.6。参见附图5，普通双高斯光学系统在30°视场时畸变在2％左右，而本发明实例的最大畸变为0.03％。

另外，本发明所设计光学系统若采用普通玻璃材料，此系统的二级光谱值为0.08mm，但按实例要求选材，则使光学系统的二级光谱值降为0.04mm。再由于本发明的高级象差很小，经过离焦后，光学系统在远离设计波长的其他谱段仍有很好的成像质量。实例中系统的出瞳距为6200mm，达到了象方远心光学系统的要求。

Claims (2)

1.一种象方远心双高斯光学系统，是以双高斯结构为基础，其特征在于，所述的光学系统同轴排列有八片透镜，其中有二组双胶合透镜，系统透镜共有十二个空气面和二个胶合面；其从物方向像方的排列顺序及结构为，透镜1和透镜2为正弯月形透镜，凸面弯向物方，正透镜3和负透镜4构成一组弯月形负胶合透镜，凸面弯向物方，由透镜1至透镜4组成系统的前组透镜；负透镜5和正透镜6构成一组弯月形负胶合透镜，由透镜5至透镜8组成系统的后组透镜；光阑设在后组透镜的焦点处，位于前组与后组透镜之间。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统的透镜应满足以下条件：①0.9f＜f₁₂＜1.2f，②0.6f＜f₇₈＜0.7f，③ $3<\left|\frac{r_{14}}{r_{13}}\right|<5$ ，r₁₃＞0，r₁₄＜0，④1.7f＜f₇＜2.1f，⑤0.4f＜r₆＜0.7f；其中f为光学系统焦距，f₇为透镜7的焦距，f₁₂为透镜1和透镜2的组合焦距，f₇₈为透镜7和透镜8的组合焦距，r₆为系统透镜第6个面的曲率半径，r₁₃为第13个面的曲率半径，r₁₄为第14个面的曲率半径。

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