凯涅尔目镜设计——突破新领域

设计要求:设计一6倍望远镜目镜。望远镜的入瞳与物镜重合,目镜的焦距f′=20mm;出瞳直径D′=4mm;出瞳距离=10mm;像方视场角2ω′=45°;设计目镜时,不考虑与物镜的像差补偿。

与前相同,按反向光路设计,光学特性参数要求转化为:

焦距f′=20mm

视场角2ω=45°

入瞳直径D=4mm

入瞳距离lz=-10mm

像方焦截距=3.5mm

出瞳距离=6×20+3.5=123.5mm

该例中,入瞳距离lz=-10mm,要求为定值,不同于上一个例子。采取在物方引入虚拟面,定义孔径光阑。初始结构如表9-26所示。

表9-26　r、d参数与玻璃牌号

设计中,可以用作自变量的有:5个曲率半径,1个透镜间隔。

在像差控制上,根据设计要求,可以校正多个像差,像质要求方面的像差控制,选择:

=0(相当于)

=0

=0

在工作条件要求方面,选择控制:

f′=20m

=3.5mm

=123.5mm

在系统的边界条件方面,使用“MNCA,MXCA”,控制双胶合透镜与单透镜之间的间隔范围。

经优化后,被控制的像差很快达到要求,结构参数如表9-27所示。

表9-27　r、d参数与玻璃牌号(www.xing528.com)

设计结果的系统像差数据如表9-28所示。

表9-28　系统优化后的像差结果

根据像差容限公式,计算公差如下:

对彗差和垂轴色差,按角像差:Δy′=。

对于最大半视场ω=22.5°,≤0.054mm,当前系统值为-0.041 6mm(由Ray Aberration曲线中查看,最大出现在1.0孔径处);ω=15.75°≤0.031mm(Δ=5′),当前系统值为-0.087mm。

从具体数据看,不论是边缘视场还是0.707 1视场,垂轴色差都不算大。在0.7071视场,角像差超标,是由彗差引起的,KT1h0.7071w=-0.037,彗差值较大,说明有高级像差存在(视场高级彗差)。

对于视场高级彗差,需要进一步校正,但实际情况是无变量可以增加。

在没有新变量可用于校正高级像差的前提下,可以通过改变边缘像差的校正状态来适当改善系统的成像质量,称为“像差平衡”。

上述KT1h0.7071w=-0.037,说明0.707 1w处成像质量不好,希望视场中央部分成像质量好,允许边缘差一些。

高级彗差(视场),如将KT1h,1y=0,代入有=-0.037。现假定不变,我们改变彗差的校正状态,使=0.03,代入则=-0.037+0.707 1×0.03=-0.016。

将上面结构参数作为新的原始结构,将的目标值由0改为0.03,重新优化,得结构参数如表9-29所示。

表9-29　r、d参数与玻璃牌号

相应的光学特性参数为:

f′=20,2ω=45°,D=4mm,=3.5,=123.52,lz=-10

像差平衡后,系统的像差数据如表9-30所示。

表9-30　像差平衡后系统像差结果

由表9-30可以看出,KT1h0.7071w由0.037减到-0.019 9,与预估的略有出入。对彗差来说,整个像面成像质量已得到提高。

以上光瞳外置光学系统的设计举例,特殊之处是通过这些例子,阐述了一些设计中的像差控制思想与实用方法,如:用虚拟面定义入瞳的方法;用“TTHI”控制顶焦距的方法;像差校正中的“像差平衡”的概念;等等。