初始结构确定方法

根据表12-4的宽光谱大数值孔径物镜设计要求,该物镜预计包含13片左右玻璃,较难通过PW法求解得各组分结构。我们先查询相关专利选择初始结构,初步选择的初始结构如图12-23所示,含8片镜片,NA为0.75,倍率(M)约为30倍,全视场为0.7mm,设计谱段为可见光(F、d、C),点列图半径约为艾里斑半径的1.5～2.5倍,球差小于2倍焦深。场曲校正良好,已校正位置色差,残留二级光谱,如图12-24所示。对比初始结构满足的指标与表12-4给出的设计指标,该结构的视场大于设计指标,可相应减小;但在光谱范围、放大倍率、数值孔径几个方面,都没有达到表12-4要求的设计指标。需要修改初始结构,将初始结构根据前述光焦度分配方案的三组分式结构,做相应的修改划分,如以1、2片作为前组,3、4片作为中间组,5片作为后组。在ZEMAX软件中,通过缓慢增加数值孔径、放大倍率,修改初始结构。修改过程中各片透镜相对位置将会变化,组分的划分也可相应变化。

图12-23　物镜初始结构示意图

图12-24　物镜初始球差曲线

在修改设计过程中,为避免因各组透镜镜座夹持而遮挡边缘光线,透镜留0.5mm的边缘余量,具体设置如图12-25所示。另外,考虑到装调及加工难度,设置最小空气间隔为0.1mm,最小玻璃中心厚和边缘厚为1mm。对以上结构设置边界条件限制后,可以逐步确定三组分的具体结构。

12.4.3.1　前、后组结构确定

根据设计指标,先对所选初始结构的光谱范围、放大倍率、数值孔径依次逐渐扩展或增大,从而确定前组、后组结构。

首先进行光谱拓展。目标光谱范围为450～800nm,对比F、d、C光,短波段增加30nm左右,像质下降不大,长波段需拓宽到近红外光范围,像质下降明显,光谱的扩展还会带来了更严重的色差问题。考虑先平衡长波段与短波段性能,色差问题待最后解决。可以通过适当增大长波段权重优化,平衡在全谱段整体性能。光谱拓宽后,结合光源光谱分布及探测器光谱相应特点,设置450nm、520nm、625nm、710nm、800nm 5个波长为主要波长,对中间波长625nm消单色像差,对其余波长消色差。此过程中整体结构形式大体不变,如图12-26所示,色差曲线如图12-27所示,基本平衡了各波长的像差。

图12-25　透镜边缘余量设置

图12-26　拓宽光谱(450～800nm)后物镜结构图

开始增大倍率。通过在评价函数中改变焦距目标值实现物镜倍率的增大,目标焦距为5mm。当系统焦距逐渐满足目标值时,观察到点列图光斑增大,球差增加,尤其边缘孔径球差增大明显。查看系统中各面的赛德像差系数,前组中弯月形透镜第二面产生较大像差,观察结构发现该表面上光线偏折较大,考虑在该位置中增加弯月形正透镜来分担光焦度,将前组片数增至三片。优化后,结构如图12-28所示,色差曲线如图12-29所示,与图12-27相比,色差约增大50%。

图12-27　拓宽光谱(450～800nm)后物镜色差曲线

图12-28　增大倍率(40×)后物镜结构图

接下来增大数值孔径。数值孔径的增加,会使元件口径增大,导致正透镜边缘厚度过小,甚至出现飞边问题。因此,在逐渐增大NA过程中,可以适当减小玻璃最小边厚的目标值,让ZEMAX着重优化像质,待像质较好后再对玻璃边厚进行控制。NA=0.95这样的大数值孔径势必会引入高级像差,更改玻璃至高折射率玻璃(如第一片材料由LAL14改为YGH52),在前组中增加等光程面(将前组第一片透镜第二面曲率半径设置为Aplanatic即等光程类型),均能一定程度上减小甚至避免高级像差情况。如果还不能解决高级像差问题,可再次分裂透镜或者单片改为双胶合来平衡像差。优化过程中,第五片透镜逐渐远离第四片,与第六片距离缩小,于是重新划分组分,将第五、第六片划分为后组,并根据上节各组偏角分配计算得到的各组光焦度,控制前组、中间组、后组光焦度。最终得到数值孔径为0.95时物镜的初始结构图,如图12-30所示,色差曲线如图12-31所示,各孔径色差均大于1.5倍焦深,残留色差明显。

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图12-29　增大倍率(40×)后物镜色差曲线

图12-30　增大数值孔径(NA=0.95)后物镜结构图

图12-31　增大数值孔径(NA=0.95)后物镜色差曲线

通过以上步骤,确定了系统前、后各组分的结构,初始结构的残留色差及其他复杂像差,后面将通过调整中间组结构进行校正。

12.4.3.2　中间组材料组合方案及光焦度再分配

根据前述的光焦度分配方案,低光焦度中间组的作用是校正残留色差及其他复杂像差,现在中间组仅有一片胶合件,需要增加材料种类,复杂化结构。下面讨论中间组材料的组合方案和光焦度的分配。

如将前组、中间组、后组均看成密接型透镜组,则密接型透镜组等效阿贝数、等效相对部分色散系数可根据式(12-22)计算。

式中,k为密接型透镜组所使用的玻璃种类数;φj为第j种玻璃组成透镜的光焦度之和;Φ为密接型光组总光焦度。依次记前组、中间组、后组等效阿贝数和等效相对部分色散系数为。

根据物镜复消色差要求和图12-22的结构,得

将刚刚通过软件调整确定的前组和后组结果,代入式(12-23),求得分别为(58.249,0.337)、(32.85,0.698),将代入式(12-23),求得为(-2.572,-0.326)。

根据第2章和第7章对消色差(校正轴向色差、色球差)、复消色差(校正二级光谱)的论述,存在多种玻璃组合方式实现复消色差。优选原则是:在P-ν图上所围成的多边形面积越大,复消色差效果越好。由于前组、后组带来严重二级光谱,中间组需要引入反号的二级光谱来补偿。这里,中间组仅有一双胶合件,材料为S-TIH18—H-ZPK5,根据玻璃优选原则,在中间组中加入CaF2材料,如图12-32所示。这三种玻璃不在一条直线上,且所围成的三角形面积较大;再将及所选3种玻璃的阿贝数和相对部分色散代入式(12-22),求解得到三种玻璃材料分别应承担的光焦度为φCaF2=0.046,φS-TIH18=-0.115,φH-ZPK5=0.084。

由于中间组还需校正宽光谱、大数值孔径带来的其他复杂像差,可适当复杂化中间组结构。选择直接添加一片三胶合件,位置选择在中间组光线近平行处,通过先添加一块厚的玻璃平板,再在厚玻璃平板中添加两个胶合面实现。

对于CaF2透镜,CaF2材料熔点低,硬度小,热膨胀系数高,其特殊的物理性质导致抛光困难,且加工过程中需要不断地热处理来避免碎裂,因此CaF2材料的表面粗糙度要求不能太高。鉴于以上制造工艺问题,以CaF2材料制成的透镜一般为双凸透镜,且光焦度较低。于是,将添加的三胶合件设置为“+-+”形式,前、后正片材料都设置为CaF2,分担CaF2材料需承担的光焦度,负片材料设置为S-TIH18。按照上述计算结果,分配中间组各材料光焦度,就能实现物镜复消色差。

图12-32　光谱范围450～800nm P-ν图

在校正二级光谱后,若系统残留明显高级像差,可用本书第4章中的各项高级像差公式,在评价函数定义并加以限制,这里给出精准控制高级像差的评价函数截图如图12-33所示。在该优化过程中最后的胶合件后片越来越薄,于是将后片胶合件变成单片。