光学设计

场曲校正理论及方法:调整透镜折射率、+-+的架构、弯月透镜

时间:2025-09-03 19:48:06   作者:Leslie   来源:正势利   阅读:335   评论:0
内容摘要:场曲校正的核心就是正负场曲相互抵消。由于正负透镜产生的场曲方向是相反的,所以可以借助正负透镜的搭配,降低系统的场曲。场曲是个广义的概念,像面弯曲就叫场曲,这种现象受光学系统设计中的像差综合作用,尤其是像散(Astigmatism)的存在会导致子午像面和弧矢像面分离,形成像散性场曲。没有像散的时候,像面仍然弯曲,此时成像...

    场曲校正的核心就是正负场曲相互抵消。由于正负透镜产生的场曲方向是相反的,所以可以借助正负透镜的搭配,降低系统的场曲。

    场曲是个广义的概念,像面弯曲就叫场曲,这种现象受光学系统设计中的像差综合作用,尤其是像散(Astigmatism)的存在会导致子午像面和弧矢像面分离,形成像散性场曲。

没有像散的时候,像面仍然弯曲,此时成像表面叫匹兹凡(petzval)表面,此时弧矢像和子午像彼此重合,与匹兹凡表面重合。

存在像散时,弧天像面和子午像面都比匹兹凡表面距离透镜近,子午像到匹兹凡表面的距离是弧矢像到匹兹凡表面的距离的3倍。

    可以用曲率半径Rptz来衡量匹兹凡场曲大小。公式如下,单透镜的匹兹凡曲率反比于折射率与焦距的乘积,光学系统总的匹兹凡曲率1/Rptz是各个透镜的匹兹凡曲率贡献之和,正比于系统φi/ni代数和。

所以减小场曲的所有方法其实都围绕着减小系统φi/ni代数和。

方法1:调整透镜折射率

    默认系统的总光焦度为正,所以减小场曲的办法之一就是增大正透镜折射率,减小负透镜的折射率。举例,天塞镜头(Tessar),绿色代表高折射率,蓝色代表低折射p。

p法2:+-+的架构

     由于透镜的折射率变化不会太大,一般1.5-1.9,不考虑折射率的话,系统场曲可以近似看作正比于系统光焦度代数和。所以,要想场曲小,光焦度代数和就要小,但这不意p着就要减小系统的光焦度。

光学系统的总光焦度φ公式如下,其不仅与单个透镜光焦度φi有关,还与边缘光线在透镜上的高度hi有关,可以看做高度权重因子,光线高度越高的镜片对系统的影响越大。

在保证系统的 光焦度的基础上减小场曲,另一个方法是增大正透镜的光线高度,减小负透镜的光线高度。

库克三片式(Cooke Triplet)就是一个典型的例子:

方法3:弯月透镜

   同理,弯月透镜校正场曲也可以理解了,弯月透镜的u面一正一负,光焦度代数和抵消,场曲很小,但正的那面光线高度高,整体光焦度为正,其汇聚作用。

  上述两个例子联系起来,其实是一样的:弯月透镜可以分解为一负一正+平板,去掉平板,翻转负透镜,不就是三片式的后半部分了吗



光刻镜"对场曲的要求极为严格,上述三种方法均能得到体现。

【1】耶拿大学 Herbert Gross 光学设计教案

【2】《投影镜头设计》--黄国豹、冯水萍

【3】《光学系统设计》--中国航天科工集团第三研究院第八三五八研究所

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