三个镜头设计实例详解

本章列举的几个优化设计镜头实例都是由三片玻璃构成的。其中，一个是摄影物镜中常见的三片物镜，又称柯克（Cooke）物镜；另外一个是三片数码相机物镜；还有一个是大孔径望远物镜，它是由一个双胶透镜加一个单片透镜构成的。

通常，三片摄影物镜的设计步骤可以分成两步：第一步依据初级像差理论，通过解七个像差方程和一个光焦度方程求解出一个初始结构；第二步将求解出的初始结构送入计算机利用光学设计程序作进一步的优化。与Richard Ditteon的方法不同，这里只解初级位置色差、初级倍率色差及初级场曲这三个像差方程和一个光焦度方程，确定出三片物镜的光焦度分配。如所知，解这三个像差方程是比较容易的。其余四个像差方程不再求解，而简单地将三块透镜取常见的弯曲形状，即第一块取凸平、第二块取双凹（两个半径等值反号）、第三块取双凸（两个半径等值反号），以此构成初始结构。在进一步的优化设计过程中，主要通过调整六个初级像差和一个实际像差目标值的办法逐步引导评价函数向好的方向走，使得三片物镜的初级像差与高级像差达到合理的平衡，从而优化出好的结果。设计实例表明，这个做法既简单又可行。

三片数码相机物镜的初始结构不再通过求解初级像差方程得出，而是通过缩放三片摄影物镜得到一个初始结构。由于数码相机物镜的焦距很短，这样得出的初始结构有一个很大的缺陷，就是镜片的厚度太薄了。有两种办法将镜片的厚度加上去：一种是分若干次逐步增加镜片的厚度、逐步优化的办法得出一个初始结构作为进一步优化的基础；另一种是一步将镜片的厚度加上去，然后再进一步优化。结果证明，前一种逐步增加厚度的方法较为稳妥可行。优化过程中利用ZEMAX程序提供的默认评价函数。(www.xing528.com)

大孔径望远物镜给出两个设计过程：一个设计过程是从初始求解开始，直至优化出最后结果；另一个设计过程是从现有的类似镜头出发，经修改优化出最后结果。

不言而喻，三片镜头比两片镜头结构复杂了一些，结构的复杂化是由于镜头光学特性（即焦距、视场和孔径）的提高而带来的像差的复杂化和校正像差的难度。