折/衍混合Petzval光电摄像物镜设计

　　1　引　言

　　从80年代中期开始,随着二元光学理论和制作技术的发展,衍射光学元件开始应用于光学系统。折/衍混杂的光学系统能突破传统光学系统的许多局限,在改善系统成像质量、减小系统体积和质量等诸多方面表现出传统光学不可比拟的优势。因此,各国科研人员开始了衍射光学元件在光学成像领域的应用研究[125]。但对于折/衍混合的Petzval型物镜,除Wood,Andrew P.在红外领域做了一些研究工作外[627],可见光波段的设计研究工作还未见报道。Petzval型物镜是常用的大孔径摄像物镜。近些年来,随着CCD及VLSI技术的进步,计算机尤其是单片机软硬件技术的发展,体积小、质量轻、成像质量高的照相机、摄像机越来越受到人们的青睐。在成像质量方面,现代摄影和光电摄像要求大相对孔径的光学系统视场中心达到MTF=0.5的成像质量所对应的空间频率大于20 lp/mm。一个传统的5片可见光波段Petzval物镜的主要光学参数为f′=101.5 mm,F/#=1.60,HFOV=6.79°,由3种材料组成,第1,3片为BSM4,第2,4片为SFN1,第5片为F4[8]。在空间频率20 lp/mm处,视场中心MTF=0.2,已不能满足现代摄影和光电摄像的要求。况且这样的物镜重达近400 g,也不符合现代光学仪器向轻小型发展的趋势。

　　本文在传统的5片可见光波段Petzval物镜的基础上,以折/衍混合单透镜代替系统中的双分离透镜,设计了一个折/衍混合的可见光波段Petzval物镜。该物镜的质量只是传统物镜的30%,而且像差特性也有很大改善,系统视场中心达到MTF=0.5的成像质量所对应的空间频率大于20 lp/mm,满足现代摄影和光电摄像的要求。

　　2　折/衍混合可见光波段Petz2val物镜的设计

　　选择图1所示的传统5片可见光波段Petzval物镜系统为设计的初始结构[8]。它由一个双分离透镜,一个双胶合和一个负透镜组成。负透镜位于像面附近,用于校正Petzval场曲,同时还可以用它的弯曲来平衡整个物镜的畸变。初始结构确定后,用Focus Software公司的ZEMAX2EE光学设计软件进行对折/衍混合可见光波段Petzval物镜的优化设计,具体设计方法为:

　　第1步:用一个双凸透镜代替靠近像面的双胶合透镜,在优化函数中加入有效焦距函数,以双凸透镜的两个半径作为变量优化,保持系统的焦距和后工作距不变。

　　第2步:用一个平凸透镜代替远离像面的双分离透镜,以平凸透镜的两个半径作为变量优化,保持系统的焦距和后工作距不变。

　　第3步:将新系统的第2面设为二元面(即ZEMAX2EE光学设计软件的Binary2面形),在优化函数中加入垂轴色差函数,以二元面的第1项作为变量优化。ZEM2AX2EE光学设计软件的旋转对称二元面的相位分布函数为: