第37卷第4期吉林大学学报（工学版）2007年7月Vol.37 No.4Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition)复消色物镜的波差法光学设计周庆才1，王春艳，王鹏2，王志坚1(1.长春理工大学光电工程学院，长春130022：2.中国科学院上海枚术物理研究所，上海200083)摘要：采用波差法进行复消色物镜的光学设计。以球差与波差、色差与波色差的关系为基础，推导出了波差与结构参数之间的关系方程式。运用得到的方程式来计算初始结构，可以充分发挥用计算机编程处理复杂问题的优势，使复杂的计算问题能够快速解决。针对光学设计中的两大难点之一一复消色大口径长焦距平行光管物镜的设计，利用自行编写的光学设计程序，采用低价的国产玻璃成功地设计出高质量的复消色大口径长焦鹿平行光管物镜。同理，选取不同的玻璃组合，也能设计出高质量的复消色摄影物镜。最后给出多个设计实例对采用的设计方法进行了验证，结果表明，采用波差法进行复消色物镜的光学设计筒单易行，且设计的物镜质量高，成本低。关键词：光电子学与激光技术；光学设计：波差法：复消色物镜：平行光管，摄影物镜中图分类号：TN202文献标识码：A文章编号：1671-5497(2007)04-0944-05Optical design of apochromatic objective with wave disparity methodZhou Qing-cai',Wang Chun-yan',Wang Peng?,Wang Zhi-jian!(1.School of the Photo-electronic Engineering.Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China:2.Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083,China)Abstract:Optical design of apochromatic objective used wave disparity method in this paper.Based onthe relationships between spherical aberration and wave disparity,color aberration and wave frontchromatic aberration,the equations of structure parameter and wave disparity are deduced.By use ofthe equations to get the original structure,which take advantage of the computer dealing with thecomplex questions,and make the questions easily to be solved.Apochromatic objective design of longfocus collimator is one of the two key problems of optical design.According to the program of opticaldesign,we use the glasses that made in china to design some high quality apochromatic objectives oflong focus collimator.In the same way,we can design the apochromatic photograph objective bydifferent glasses.In this paper,we give some examples in order to validate the method of opticaldesign.The result indicates that the method is simple,and the optical-design of apochromaticobjective is high quality,and the cost is cheap.Key words:optoelectronics and laser;optical design;wave disparity method;apochromatic objective;collimator;photograph objective收稿日期：2006-12-26.基金项目：中国人民解放军总装备部某基地项目(KB0619).作者简介：周庆才(1973-)，男，副研究员，博士.研究方向：现代光学技术及其工程应用.E-mail:zqc@cust.edu.cm第4期周庆才，等：复消色物镜的波差法光学设计传统的光学设计在求初始解时通常采用的是合物镜4个球面上的矢量高度。P.W方法，它是根据球差S、慧差S、色差C与将矢量高度进行级数展开得结构参数(r,d)和玻璃(n,w)的关系，利用编制好的表格来求解双胶合物镜的初始解。P.W法适用于望远物镜和倍率显微双胶合物镜的设(4)计，至于大像差光学系统如摄影物镜等，设计者一则般是根据资料中查得的有关数据进行缩放，利用光学设计软件进行设计2-幻。复消色大口径长焦距平行光管物镜和高倍率平像场复消色显微物镜的设计是光学设计中的两大难点，针对前者，作者(5)研究了一种不同的设计方法—一波差法)，这种式中：方法依据球差与波差、色差与波色差之间的关系，(6)推导出波差与结构参数之间的关系方程式。作者将式(5)代入式(3)中，可得延续文献[5]的基本方法，根据推导得出的关系方程式，系统编写了实用的计算机辅助光学设计程序，利用该光学设计程序进行基于波差法的复消色物镜设计。最后通过4个实例分别进行了复消色大口径长焦距平行光管物镜的设计，同时通过选取不同的玻璃组合，还进行了复消色摄影物镜(7)设计，该方法也适用于双胶合物镜的设计。1光学设计方法G2、G后，等于确定了每块透镜的光焦度，这样波1.1波差法设计原理差就只与Q、Q、Q有关。故称Q为透镜的结构三胶合物镜满足复消色差的条件为常数，反映其形状（平凸、平凹、双凸、双凹、弯曲等)。令(1)式中：1、2、：分别为对应玻璃的D光折射率；(8)将式(8)代人式(7)，且令w=0,则得到关于的光和D光折射率之差；中表示三胶合物镜的光焦一元二次方程度。此外，式(1)中G1、G2、G3分别为(9)解之得(2)(10)2A某一口径光线的波差为式中：h为光线在三胶合物镜（设其为薄透镜）上的光线高度；u表示物方光线孔径角：w表示像方(11)言林大学学报（工学版）第37卷解出？后，便可求得各面半径为框图中使用的三个玻璃库中，一个为冕牌玻璃库，一个为火石玻璃库，还有一个是特殊色散玻璃库。(12)2设计实例o=ps-Ga;r=1/pu得出此初始解后，加上透镜的厚度，进行实际光路2.1复消色大口径长焦距平行光管物镜的设计计算，得出相应的波色差，并带入下式：平行光管是基准检测仪器，用以模拟无限远目标。由于视场比较小，主要校正球差、慧差和位置色差。用双胶合或双分离物镜可以进行这三种h?像差的校正，但是二级光谱较大，一般为焦距的万分之五。如焦距为2m的平行光管，其双胶合或双分离物镜的二级光谱约为1mm,这将直接影(13)响到成像质量。因此，在设计时必须采用三片以式中：WC和Wm分别为由实际光路计算得出的F上透镜，且至少有一片透镜的材料为特殊色散玻光，C光及D光的波色差。璃才能校正二级光谱，从而达到复消色差。由式(13)解出G、G、G后，再将其代人式例1f=659.9mm,D/f=1:6.225,2w(10)和(12)，重新解出r1、2、r、r4,重复以上过=3.1°的大相对口径平行光管物镜的设计。其结程，直到D光球差校正到边缘为零，F光，C光和构参数见表1。像差曲线如图2所示。D光三种光在0.707口径相交，就实现了对二级表1例1的结构参数光谐的完全校正。Table 1 Structure parameters of examplel1,2光学设计程序r/mmd/mmGLASS根据上述光学设计基本原理和公式推导的思642.3211.5148.86路，可以进行光学设计程序的编写，以便实现上述K2143.84过程，其程序框图如图1所示。22FK2-232.571.5BAF3-204.8911.5-397.17N-0从玻璃库中读取0.486um0.656山m0.689m根据式(10)解出P2根据式(12)解出根据式(1)重新解出-0.200.000.20根据光学设计手册确定N<3光路计算图2例1像差曲线图Fig.2 Curves of aberration in example 1例2f=1001.44mm,D/f=1:8,2aw=图1光学设计程序框图Fig.1 Flowchart of optical design program2°的大相对口径平行光管物镜的设计。其结构参