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像差校正的常用方法

发布时间:2022-08-05 11:58:27 浏览量:2075 作者:Joe

摘要

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。由于光学系统的种类很多,要求不一,其结构型式又千差万别而具各自的像差特征,因此我们必须了解校正光学系统像差的原则和常用方法。

正文


像差校正的常用方法


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。要获得这样的解,并非易事。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、相对孔径视场都较大时,初始解与最后的结果之间,差别就会更大。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。由于光学系统的种类很多,要求不一,其结构型式又千差万别而具各自的像差特征,因此我们必须了解校正光学系统像差的原则和常用方法。


一、

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;若是后者,应取最小二乘解。总之,有多种解方程组的算法可以利用,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,这样就不致于会有很大的高级像差。这此,各透镜组的光焦度分配、各个面的偏角负担要合理,要力求避免由个别面的大像差来抵消很多面的异号像差。


二、

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,以減少轴外像差。反之,背向光阑的面只能有较小的相对孔径。


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视场范圃内的像质比较均匀。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,让它有更大的像差。因为在 0.7视场以外以非成像的主要区域,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。


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,应挑选其中既能改好所要改的那种像差,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、二种像差作微量修改时,作单面修改也是能奏效的。


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。这种做法对除色差和匹兹凡和以外的所有像差均有效。


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的,它们只能是少数。因此,让正的会聚面处于反常区,使其在对光束起会聚作用的同时,产生与发散面同号的像差就显得特别有利。设计者应善于利用这一性质。


七、

利用透镜或透镜组处于特殊位置时的像差性质。例如处于光阑位置或与光阑位置接近的透镜或透镜组,主要用于改变球差和彗差(用整体弯曲方法);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。


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,作非对称性变化以改变垂轴像差。


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人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,在所有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。


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彗差,使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时,可以把光束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

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的影响倾向。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所扩大,也常采用复杂化的方法,如把某一透镜或者透镜组分为两块或者两组,或者在系统的适当位置加入透镜。

 

相关文献:

《几何光学 像差 光学设计》(第三版)——李晓彤 岑兆丰


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