光学系统大口径摄影镜头设计原理

摘要：设计了一种宽谱段大口径透射式摄影镜头，主要光学参数：焦距f'=200mm，口径D=160mm，视场角2ω=18°，光谱范围400μm～950μm。通过增加透镜个数，分裂厚透镜，选择具有相似色散特性的玻璃等方法将双高斯物镜复杂化，并且通过减小透镜通光口径消除部分边缘光线来改善像质。最终设计出的光学系统在空间频率30lp/mm时MTF大于0.55，且各种像差都得到了很好地校正，像质均匀，满足宽谱段大口径摄影镜头的要求。

关键词：宽谱段大口径透射式摄影镜头；双高斯物镜；光学设计；像质

引言

一般的宽谱段大口径光学系统大多采用反射系统。反射系统对光路有折看作用，总长较短，没有色差，不用考虑二级光谱。反射系统多采用非球面面型精度要求高，加工和装调难度大，成本较高。并且反射系统视场一般都比较小，最大也只能达到10°左右，对于更大的视场要求，反射系统则无能为力，只能采用折射系统。

在宽谱段的透射式光学系统中，由于透镜对各波长广的折射率不同而产生色差，但是透射系统可以满足大视场的要求。Petzval型物镜、Sonnar型物镜被用作大口径的摄影物镜时，视场都比较小，一般在10°左右。双高斯型物镜则是一种经常被用于作大口径、大视场的摄影物镜，典型的大口径双高斯物镜，相对孔径D/f'=1/2，视场角2ω=40°。焦距一定时，相对口径越大，光学系统的设计就越难，当相对孔径大于1/2时，双高斯物镜的结构形式就必须复杂化。

1 设计原理

1.1双高斯物镜的复杂化

双高斯物镜是个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。设计这种系统只需要考虑校正球差、色差、场曲、像散。在双高斯物镜中依靠厚透镜的结构变化可以校正场曲，利用薄透镜的弯曲可以校正球差，选取孔径光阑位置可以校正像散，把厚透镜分离成正负透镜组合可以校正色差。 进一步提高双高斯物镜的光学性能指标，将受到一对矛盾的限制，即球差与高级像散的矛盾。解决这对矛盾的方法有3种：第一，选用高折射率低色散的玻璃做正透镜，使它的球面半径加大；第二：把厚透镜分成2个，使每一个透镜的负担减小，同时使透镜的半径加大；第三，在2个半部系统中间引进无光焦度的校正板，使它只产生畸变和像散实现拉大中间间隔的目的，这样轴外光线可以有更好的入射状态。

1.2 渐晕 对于超大孔径和较大视场的光学系统，虽然采取了结构复杂化的措施，但轴外点宽光束的像差仍较大，致使垂轴像差特性曲线上下不对称。为了得到的满意的像质，还须通过合理截取透镜通光口径来对轴外点光束进行拦光，引入渐晕。

图1 渐晕 以图1所示的简化系统为例，轴上光线通过口径为D的孔径进入镜头，并会聚于视场中心，而边缘最大视场的光线以一定角度进入镜头。为了让视场边缘的光束以同样的通光口径D充满孔径光阑：光瞳边缘的光线一定通过A和B。在这2点处，光线严重弯曲，意味着产生严重的系统像差，同时大口径透镜的成本比较高，透镜也会因此变重变厚。所以将图1中边缘视场的成像孔径由口径D缩小为0.7D，这样，与视场中心相比，边缘视场的光能量损失约30%。一般情况下，人眼可以容忍照相机、望远镜或其他目视光学系统存在30%~40%的渐晕：即像亮度在这个幅度内的缓慢变化通常不被人眼所注意。 因此，边缘视场允许一定的渐晕，可以有选择地减小透镜的通光口径，消除引起较大像差的部分边缘光线，使透镜组的成像性能变好，体积更小，节约成本。

3 结论 本文对宽谱段大口径摄影镜头做了一定的研究，在小视场情况下一般采用反射系统，针对大视场系统，采用透射式结构。双高斯物镜常被用作大口径大视场摄影系统，当相对口径大于1:2时，双高斯的结构形式需要复杂化。在超大口径的光学系统中，可以适当减小第1片和最后一片透镜的通光口径，允许边缘视场有30%~40%的渐晕，从而提高像质。 此外，由图5可以看出，口径D=160mm在截止频率为30lp/mm处所对应的MTF最小值为0.55，其他像差曲线及点列图也都达到了一个很高的像质水平。在实际工程中，MTF在0.3以上，其他各像差在允许的最大范围内即可，因此，使用本文设计的复杂化的双高斯型摄影镜头，口径可以做得更大，理论设计值可以达到D=180mm左右。

审核编辑：黄飞