双胶合透镜初始设计

双胶合透镜是光学系统中不可或缺的基本光学零件之一。对于一个新设计的光学系统，首先根据性能要求对其进行外形尺寸计算，然后就得开始对各光学零部件进行初级像差设计，求解每个零部件的、C的分配值，最后根据对各个零部件的 、C要求值进行设计计算该零部件的光学参数（表面半径R、表面间隔D以及其玻璃材料）。这一整套过程就是光学系统的“初始结构设计”。有了系统的初始结构参数才能开始根据对系统的成像质量要求进行系统结构优化计算，最后获得一个满足使用要求的系统结果。

 

 

                                             图1.单透镜初始数据

 

在对系统零部件根据  、C求解初始结构参数时，首先还要根据其  、C的负担选取零部件结构形式，比如是单透镜，还是胶合透镜，还是多片复合透镜。总之，最后都落实到单透镜或双胶合透镜上，对于消色差系统，特别多的还是双胶合透镜上。因此，双胶合透镜的设计计算在光学系统初始结构设计过程中十分重要。

双胶合透镜是由两片不同光学材料的胶合在一起的光学透镜结构形式。两片玻璃通常一片是王冕玻璃，另一片是火石玻璃。往往要根据不同光学要求决定使用王冕在前还是火石在前，然后根据这一原则选择具体玻璃牌号的配对。最后根据配对的两片玻璃的光学参数计算该玻璃组合的 、C，反复选择适合的玻璃组合，求取其  、C，看是否满足系统对其 、C值的要求。这就是经典的、 求解法。该方法至今适用。

 

在本OCAD光学系统自动设计软件中在选择“单透镜及胶合透镜结构设计”菜单时，出现设计窗口如图2。

 

 

                            图2.双胶合透镜初始设计窗体

 

在图1中要求填写透镜的焦距、孔径、系统对该透镜的  、C要求值，再选择使用玻璃材料的玻璃库名以及根据系统结构具体情况决定玻璃组合形式是王冕在前还是火石在前。然后是选择具体玻璃配对。在选择玻璃配对时有三种方式。

a. 直接选择前后组玻璃材料

 

如直接选择前组或后组或前组和后组都直接选择，只要分别在“前组玻璃”和“后组玻璃”下拉式菜单内选择“按玻璃牌号”即可直接选择玻璃材料如图2。玻璃材料选定后窗体上会出现有该对玻璃组合的满足设计要求的初始结构参数及对应PW实际计算结果列于表内，同时还显示透镜弯曲的PW值变化曲线图如图4所示。

 

                                     图3.双胶合透镜玻璃选择窗体

 

 

                               图4.双胶合透镜初始结构设计图

 

对于这一结果如不满意还可以通过滚动条移动调整透镜色差和初级像差值。

 

b. 直接选择前组或后组玻璃材料，另一块材料根据玻璃库内的玻璃材料参数优化选取

 

在选取玻璃材料配对时还可以只选择前（后）组的一片材料，另一片由程序在该玻璃库内所有材料依次配对幷给出相应PW值变化曲线图供选择，如图5。

 

 

                                       图5.双胶合透镜玻璃配对曲线图

 

使用曲线图上方滚动条选择合适的P值即可获得和所选值接近的数组玻璃配对供选择，如图6。选择后窗体上会出现有该对玻璃组合的满足设计要求的初始结构参数及对应PW实际计算结果列于表内。

 

                                  图6.双胶合透镜玻璃配对组选择

 

c. 前后组玻璃材料均根据玻璃库内的玻璃材料参数优化选取

 

如对前后组玻璃材料均选择“按玻璃参数”，程序会自动按指定的“王冕在前”或“火石在前”把所有玻璃自动配对计算出各玻璃配对P值曲线图。在图中移动曲线图上方滚动条根据需要的P值点击选择即可显示一组相应的玻璃配对如图5，此时再在表内选择一组具体配对，即可完成玻璃配对选择。

玻璃配对完成后，就可根据系统对透镜的要求自动计算出透镜的  、C值以及透镜结构参数，幷列于表中，同时还显示出透镜的结构示意图，如图3。

 

双胶合透镜初始结构参数计算后，还可以根据透镜的  、C实际值和目标值对比，还可以利用图面上的调节杆对透镜进行“弯曲”调整。如果还不能满足设计要求，还可以使用“上一步”健返回到如图2接口重新选择玻璃配对，以求得到满意结果。