像差校正的一些常用方法
应用初级像差理论求解初始结构参数的方法,最多只能满足初级像差的要求,并且随着系统中各组元光焦度的分配、玻璃的选取和对某些参数的选择的不同,满足初级像差的解会是很多的。而其中往往只有少数的解有实用意义。这就需要进行全面、系统的计算、分析、归纳,以求得较好的初始解。一个好的初始解,应该是像差分布合理、透镜弯曲恰当,特别是高级像差不能很大。
校正了初级像差的解并不是直接能够应用的解。特别是当系统比较复杂、相对孔径和视场都较大时,初始解和最后的结果之间,差别就会很大。这表明,从一个初始解到成为一个可实用的解,尚需进行大量的像差校正和平衡工作,尽管已有许多颇为实用的光学自动设计程序问世,在操作中仍然需要很多的人工干预,设计工作不可能完全由计算机完成。同时,好的计算机软件也必须由人来设计。因此我们仍需了解如下校正光学系统像差的原则和常用方法。
首先,各光组以至各面的像差分布要合理。在考虑初始结构时,可将要校正的像差列成用P、W表示的方程组,这种方程组可能有多组精确解,也可能是病态的,或无解。若是前者,应选一合理的解;若是后者,应取最小二乘解。总之,有多种解方程组的算法可资利用,在计算机上实现并不困难。然后,应尽量做到各个面上以较小的像差值相抵消,这样就不至于会有很大的高级像差。在此,各透镜组的光焦度分配、各个面的偏角负担要尽量合理,要力求避免由各个面的大像差来抵消很多面的异号像差。
其次,相对孔径h/r或入射角很大的面一定要使其弯向光阑,以使主光线的偏角或 ip角尽量小,以减少轴外像差。反之,背向光阑的面只能有较小的相对孔径。
第三,像差不可能校正到完美无缺的理想程度,最后的像差应有合理的匹配。这主要是指:轴上点像差与各个视场的轴外像差要尽可能一致,以便能在轴向离焦时使像质同时有所改善;轴上点或近轴点的像差与轴外点的像差不要有太大的差别,使整个视场内的像质比较均匀,至少应使0.7视场范围内的像质比较均匀。为确保0.7视场内有较好的质量,必要时宁愿放弃全视场的像质(让他有更大像差)。因为在0.7视场以外已非成像的主要区域,当画幅为矩形时(如照相底片),此区域仅是像面一角,其像质的相对重要性可以较低些。
第四,挑选对像差变化灵敏、像差贡献较大的表面改变其半径。当系统中有多个这样的面时,应挑选其中既能改良所要改的那种像差,又能兼顾其他像差的面来进行修改。在像差校正的最后阶段尚需对某一、二种像差做微量修改时,作单面修改也是能奏效的。
第五,若要求单色像差有较大变化而保持色差不变,可对某个透镜或透镜组作整体弯曲。这种做法对消除色差和匹兹凡和以外的所有像差均属有效。
第六,利用折射球面的反常区。在一个光学系统中,负的发散面或负透镜常是为校正正透镜的像差而设置,它们只能是少数。因此,让正的会聚面处于反常区,使其在对光起会聚作用的同时,产生与发散面同号的像差就显的特别有利。设计者应善于利用这一性质。
第七,利用透镜或透镜组处于特殊位置时的像差性质。例如,处于光阑或与光阑位置接近的透镜或透镜组,主要用于改变球差和慧差(用整体弯曲的方法);远离光阑位置的透镜或透镜组,主要用来改变像散、畸变和倍率色差。在像面或像面附近的场镜可以用来校正像面弯曲。
第八,对于对称型结构的光学系统,可以选择成对的对称参数进行修改。作对称性变化以改变轴向像差,作非对称变化以改变垂轴像差。
第九,利用胶合面改变色差或其他像差,并在必要时调换玻璃。可以在原胶合透镜中更换等折射率不等色散的玻璃,也可在适当的单块透镜中加入一个等折射率不等色散的胶合面。胶合面还可用来校正其他像差,尤其是高级像差。此时,胶合面二边应有适当的折射率差,可根据像差的校正需要,使它起会聚或发散作用,半径也可正可负,从而在像差校正方面得到很大的灵活性。同时,在需要改变胶合面二边的折射率差以改变像差的性态、或微量控制某种高级像差,以及需要改变某透镜所承担的偏角等场合,都能通过调换玻璃而奏效。
第十,合理的拦截光束和选定光阑位置。孔径和视场都比较大的光学系统,轴外的宽光束常表现出很大的球差和慧差,使y’~tgU’特性曲线上下很不对称。原则上,应首先立足于把像差尽可能校正好,在确定无法把宽光束部分的像差校正好的情况下,可以把光束中y’值变化大的外围部分光线拦去,以消除其对像质的有害影响,并在设计的最后阶段,根据像差校正需要最终确定光阑位置。
最后值得指出,在像差校正过程中,重要的问题是能够判断各结构参数,包括半径、间隔、折射率等对像差变化影响的倾向。知道这种倾向,像差校正就不致盲目从事。一般讲,像差随结构参数而变化的定性判断是能够作出,至少是能够部分作出的。但要把握每一结构参数对所有像差的影响,特别是对最终像差的综合影响是不可能的。因此,逐个改变结构参数,求出各参数对各种像差影响的变化量表是十分必要的。这也是光学自动设计过程的必经之路。另外,如果像差难以校正到预期的要求,或希望所设计系统在光学性能,即孔径或视场上要有扩大时,也常采用复杂化的方法,如把某一透镜或透镜组分为二块或二组,或者在系统的适当位置加入透镜(例如在会聚度较大的光束中,加入齐明透镜)等。
几种像差校正方法
一、透镜球差的校正方案:
对于单透镜而言,减小球差的方法有两种,一是选择材料,二是透镜弯曲;
采用正负透镜的组合,最简单的形式有双胶合透镜和双分离透镜。
二、彗差的校正:
1、当光阑位于球心时,不产生彗差;
2、改变光阑位置时彗差发生改变;
3、对称结构彗差自动消除。
三、像散的校正:
1、光阑位于球心时不产生像散;
2、改变光阑位置像散将发生改变;
3、球面弯曲向光阑,比球心背向光阑引起的像散要小。
四、场曲校正:
1、正负透镜组合;
2、厚透镜。
五、畸变校正:
1、将孔径光阑设在球心处,不产生畸变;
2、单个薄透镜或薄透镜组,当孔径光阑与之重合不产生;
3、结构对称消畸变。
六、倍率色差:
1、孔径光阑放球心;
2、接触薄透镜系统与光阑重合;
3、具有一定间隔的双分离;
4、完全对称结构。
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