《双非球面透镜的设计与研制》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双非球面透镜的设计与研制（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、双非球面透镜的设计与研制都沛明衷立银李可新肖光辉同济大学物理系非球面光学实验室,上海,关键词应用光学非球面物镜三级像差理论一、引言非球面因其具有无像差几何焦点的优越特性而被广泛应用于大口径大相对孔 径光学 系统中。非球面物镜可用作幕本的定标具平行光管和高质量激光扩束器、哈特曼波前检测仪及投影仪 等光学 系统的物镜。近年来,光学技术的迅速发展 对光学设计中的径和相对孔径提出了更苛刻的要求。本文提出的 双凸双非球面物镜是含有两个非球面的单片式物镜,比起两片一鱿或多片式 球面物镜,具 有结构简单,节省材料,且可以设计成大口径大相对孔 径的优点。因此,本文对双非球面的设计及研制思路进行了论述。二、设计
2、方法一初始结构求解双非球面单透镜的球差 系数乌 和彗差 系数冬的三级像差表示式为月,一,。式 中一泛八是非球面的顶点曲率半径。、”是光线人射前后的折射率矿是非球面系数、,是轴上光线和 主光线在透镜面上的高度为拉格朗日一霍姆赫兹不变量,是像差参量。根据式,两非球面的表示为一了”一起甲月任了、几像差参量与规化的像差参量的关系式为甲一切假定光栏位于透镜卜,即,一。,物体位于无限远,即二。以透镜进行规化,规化条件是厂一一,一,一。规化的像差参量表示式为一”尸,二、尸 一二一一一一二二 二一二二,二丁一十十 ”一吸十艺、九一、一,丁、十,一将式和卜述规化条件代人式,得,一,令一,由式得 到一价十一一一些
3、一一一”一 一将代人式像差参量的表示式中,则一透镜两 面的曲率与透镜弯曲的关系式为,一二一,一一将代人式,则曲率和半径分别为一一 一奋二万,一下刃巧尸,令,由式得到,即一甲一二二 ,刀甲一一一一对一嵘 十一万一一将曲率半径,、代人式,得凡的情况下非球面系数与时的关系为,一,一一,断一 一一个一一一一飞尸一一一灼 一当 式一,便是双凸单非球面透镜。令。签一矿,则一昨一 一一一一兀不一一一一若笋。,即弯曲透镜,则,。令嘴矿,则由式得非球面系数片与透镜弯曲的关 系为专令取”一,联立式中的一一。,一表达式作曲线图如图所示,一一时为双凸透镜。二最大修磨童分析在规化情况下,分析比较双凸单非球面透镜和双凸双
4、非球面透镜的最大非球面相互关系。参见文献,双 凸单非球面透镜的最大修磨量为凡咤一双凸双非球面透镜的最大修磨量为矛,几雌一的情况,联立式,得 抖、一粼普一霭确”一可见,氏一占十姚。秘的情况,联立式和式,得口一占一双 凸单非球面 只有一个非球面,在 大口径大相对孔径 的物镜的设计中,即便像质满足要求,但单面的最 大修磨量 很大,不利于加。而双凸双非球面透镜,通过弯 曲透镜,可控制最 大修磨量在两面上的合理分配,降低加工非球面梯度,使非 球面加容易实现。又二二一一一 肠 白 自 白透,曲图非球面系数对与透镜 弯曲三非球面系数圣的选择和加工可行性 分析椭球面和双曲面实现折射式无像差检验要求非球面 系数
5、矛与放大率夕满足下式拭。一静若一”一户若光源在有限距离,光束折射此面后变为平行光束出射,即妙,代人式,得矛一。双 凸 双非球面透镜的折射率为,则端矿。非球面的加精度与加过程中行之有效 的非球面检测方案密切相关,双砂双非球面单透镜的加工过程中,必须确保第二面的非球面面形与理论设计的面形 尽量一致。双双 非球面的加工流程如 图所示。重 益互团一匡盔 戛翌一圈一匡盔 噩翌一圈图双凸双非球面加流程 图第二面的非球面检验是借助于加件 本 身的第一面标准平面反射来自刀口仪或干涉仪的光束实现无像差 自准检验。当非球面系数。一”“时,双凸双非球面透镜第二面的实 际的加工检验是相当方便快捷的。若。井”,要根据式
6、计算出满足无像差 自准检验的前后截距和辅助球面的半径。且第一面上的辅助球面给以后第一面的非球面加带来了很大困难。第一面的非球面检验借助于一高精度的相同口径或更大口径的检测 用 平 面镜和第二 面的非球面,通过刀口仪或干涉仪实现无像差 自准检验。三、设计结果现设计一组口径沪的物镜。视场角一,光学材 质 为一,材 质厚度均 为,设计波长义一。拌设计结果见表。为提高设计精度,以下 三种物镜 的第一面在原二 次非球面的基础上都设计成高次非球面,这在干涉仪跟踪检测 的加过程中,不仅没加大加难度,反而可以极大提高加工成品的面形精度。衰设计结 果平 凸 非球 面物镜双凸单非球面物镜双 凸双非球面物镜轴上值轴
7、外值轴外值相对孔 径人孟几人几又人入又由表可知,在相对孔 径大至时,平尸非球面的轴外像质迅速变差,已远离衍射极限。双 凸双非球面物镜的像质良好,达到甚至优于双 凸单非球面物镜的像质。四、结论提出的双凸双非球面物镜的思想,在增人日径和相对孔径、缩短筒长方面,具有平凸非球面不 可比拟的优越性修磨量分配于两个非球面上对比双片或 多片式球面物镜,能竹省光学材料,降低枯体重量,消除加工、检验和装调过程巾的透镜对心难度,有效缩短加周期。本文的设计思 想和推导出的诸多公式对以后开展这方面的作,髻如超大相对孔径的两片相分离的非球面匹兹伐和物镜的设计等,有重要 的参考价值和借鉴意义。参考文献都 沛明,王鹅,王 占山高倍率及大孔径 扩束器的 光学系统设计中国激光,都 沛明衰立银甲激光扩束器的光学系统设计光 子学报,潘君葬光学非球面的设计、加工与检验苏州苏州大学出版社,衷立银都沛明,周森林 非球面齐明透镜的设计量 子电子学报,一,作者简 介郝沛明,博导。从事非球面的光学设计、加、测验作,曾获得一项国家发明二等奖和多项国防科委和中国科学院的重大成果一等奖。电话一
