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摘要:變形光學(xué)體系具有雙平面對(duì)稱性,其在兩個(gè)對(duì)稱面內(nèi)的焦距不同。使用變形光學(xué)體系可以在運(yùn)用慣例尺寸傳感器的情況下取得更寬的視場(chǎng)。本文根據(jù)變形光學(xué)體系的一階像差特性,提出了一種規(guī)劃折反式變形光學(xué)體系的辦法。運(yùn)用雙錐面(Biconic Surface)面型規(guī)劃了一個(gè)折反式變形光學(xué)體系。體系在XOZ面內(nèi)的焦距為500mm,在YOZ對(duì)稱面內(nèi)的焦距為1000 mm。體系F-number為10,全視場(chǎng)角為1°×1°。體系在80 lp/mm處的全視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)均值高于0.3。體系全體結(jié)構(gòu)緊湊,成像質(zhì)量良好。
1.引言
變形光學(xué)體系具有雙平面對(duì)稱性,體系關(guān)于XOZ、YOZ平面對(duì)稱,其在兩個(gè)對(duì)稱面內(nèi)垂軸放大率不同。變形光學(xué)體系所成的像為變形圖像,圖像變形比為體系的兩個(gè)對(duì)稱平面內(nèi)垂軸放大率的比值。變形光學(xué)體系被廣泛用于電影攝影中。
1927年,Henri Chrétien規(guī)劃了經(jīng)典的Hypergonar變形鏡頭,該鏡頭能將2.35∶1的寬幅畫面壓縮到1.33∶1的電影膠片上,放映時(shí)再使用變形投影鏡頭將圖像還原為正常份額。該技術(shù)在充沛使用現(xiàn)有尺寸傳感器的情況下有用擴(kuò)寬了電影畫面的視場(chǎng)。
鄙人一代的EUVL(Extreme ultraviolet lithography)投影物鏡組中,物鏡體系數(shù)值孔徑預(yù)計(jì)將大于0.5,光線在掩膜板處的入射角將增大,這會(huì)導(dǎo)致全體圖像對(duì)比度下降。為了避免該問(wèn)題,下一代EUVL投影物鏡組將選用變形鏡頭的規(guī)劃構(gòu)型,其不同方向的放大率將不再相同,然后避免光線入射角過(guò)大。此外,變形光學(xué)體系在激光光束整形、光學(xué)掃描體系、大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡中均有應(yīng)用。
C.G Wynne研討了選用柱透鏡附件變形光學(xué)體系的一階像差理論,推導(dǎo)得出了該類體系的十六個(gè)一階像差系數(shù)及其表達(dá)式。
S.Yuan構(gòu)建了一般同軸透射式變形光學(xué)體系的一階像差理論,推導(dǎo)了選用一般雙曲面構(gòu)型的變形光學(xué)體系一階像差系數(shù)。
目前,變形體系的規(guī)劃構(gòu)型多為在慣例光學(xué)體系的基礎(chǔ)上添加本身沒(méi)有光焦度的變形附件。變形附件由兩片無(wú)焦柱透鏡對(duì)組成,一般置于光學(xué)體系的前方(定焦變形體系常用構(gòu)型)、后方(變焦光學(xué)體系常用構(gòu)型)、中間(與上述兩種構(gòu)型沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別)。
現(xiàn)有變形光學(xué)體系并未充沛開釋光學(xué)元件的規(guī)劃自由度,體系結(jié)構(gòu)雜亂,體積大。在規(guī)劃大變形比(變形比1.5∶1以上)的光學(xué)體系時(shí),運(yùn)用變形附件的光學(xué)體系現(xiàn)已無(wú)法取得較好的像質(zhì)[7]。規(guī)劃變形光學(xué)體系需要考慮校對(duì)更多的像差,其優(yōu)化辦法,像質(zhì)點(diǎn)評(píng)指標(biāo)與傳統(tǒng)光學(xué)體系有所不同。
本文根據(jù)變形光學(xué)設(shè)計(jì)的像差特性,研討了一種同軸折反式變形光學(xué)體系的規(guī)劃辦法,規(guī)劃了一個(gè)光學(xué)體系。體系運(yùn)用具有雙曲率半徑的Biconic Surface作為光學(xué)外表,在不運(yùn)用高階項(xiàng)的情況下取得了較好的成像質(zhì)量。比較于現(xiàn)有的變形光學(xué)體系,體系在保持結(jié)構(gòu)緊湊的一起,取得了較好的成像質(zhì)量。
2.變形光學(xué)體系結(jié)構(gòu)及像差特性
變形光學(xué)體系是包含雙曲率外表的成像體系,雙曲率外表是指在兩個(gè)筆直橫截面上具有不同曲率半徑的外表,如圖一所示。該曲面具有兩個(gè)彼此筆直的對(duì)稱平面。變形光學(xué)體系因而具有雙平面對(duì)稱性,兩個(gè)對(duì)稱面也是變形光學(xué)體系的主平面。
圖1.雙曲率外表示意圖
由于光焦度與體系外表曲率有關(guān),因而變形光學(xué)體系在不同的主平面內(nèi)有不同的光焦度,成像時(shí)形成變形的圖像。
比較于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱體系,變形光學(xué)體系的根本光線數(shù)量及一階像差數(shù)量均有所增加。旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)體系中有主光線,邊際光線共兩條根本光線,五項(xiàng)一階像差。變形光學(xué)體系作為雙平面對(duì)稱體系,有兩對(duì)稱面上的主光線及邊際光線共四條根本光線,十六項(xiàng)一階像差。
變形光學(xué)體系的十六個(gè)一階像差可分為三部分:四個(gè)像差系數(shù)與X對(duì)稱面有關(guān),獨(dú)立于Y對(duì)稱面;四個(gè)像差系數(shù)與Y對(duì)稱面有關(guān),獨(dú)立于X對(duì)稱面;剩余像差系數(shù)描繪偏斜光線導(dǎo)致的像差。
表1.變形光學(xué)體系一階像差
根據(jù)變形體系的一階像差特性,有如下規(guī)劃思路:預(yù)先規(guī)劃兩個(gè)元件距離相同、光闌位置相同、后截距相同但有用焦距不同的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)體系(RSOS:Rotational symmetric optical system),別離校對(duì)兩體系的一階像差。將兩體系兼并后的集成體系作為變形光學(xué)體系的初始結(jié)構(gòu),再對(duì)該集成體系進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。
5.總結(jié)與展望
提出了一種折反式變形光學(xué)體系的規(guī)劃辦法。根據(jù)變形光學(xué)體系的參數(shù),使用多重結(jié)構(gòu)規(guī)劃分體系,然后找到一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的初始結(jié)構(gòu),再進(jìn)行體系集成與優(yōu)化。分階段對(duì)光學(xué)體系的像差進(jìn)行按捺與平衡,有用按捺了折反式變形光學(xué)體系的像差,提高了體系成像質(zhì)量。規(guī)劃了一個(gè)變形比為2∶1的折反式變形光學(xué)體系,該體系可以記錄大視場(chǎng)的變形圖像,體系總長(zhǎng)156 mm,結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)點(diǎn)列圖、MTF曲線以及體系成像模仿可知該體系成像質(zhì)量良好。
對(duì)于該類變形光學(xué)體系,尚未討論其初級(jí)像差與分體系的初級(jí)像差之間的聯(lián)系,未來(lái)工作將著重于探究?jī)深愺w系間初級(jí)像差的數(shù)學(xué)聯(lián)系,深化了解變形光學(xué)體系的像差特性。對(duì)所提出的規(guī)劃辦法進(jìn)行進(jìn)一步的改善與優(yōu)化。