一款双高斯成像镜头设计

沉香屑

一款双高斯成像镜头设计
郑建锋 （中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州 450047） 当今，光学成像技术已经成为应用最广泛的技术 之一，在日常生活中单反相机、手机镜头、视频监控、 视频会议和人脸识别等应用场景随处可见；在军事上 电视制导、微光夜视、红外成像及卫星成像侦察等技
术成为现代战争不可或缺的技术手段。光学镜头是决
定成像效果好坏的重要因素之一，镜头的各种像差会 降低成像质量，影响成像清晰度。光学设计是对光学
镜头的各种像差进行优化，消除像差对成像质量的影 响。从最初利用对数表进行手工计算到机械计算器的
使用，再到计算机的普及与光学设计软件的应用，光 学设计已经经历了上百年的发展。双高斯镜头是一种 经典的光学成像镜头，从其发明之日起，就经历了不 断的改进，如今这种结构形式已经非常成熟，在很多 场合还在使用。本文设计了一种双高斯镜头，该镜头
在满足设计要求的情况下，成像清晰、结构紧凑且适
用温度范围宽。 1 双高斯镜头发展史及结构
1817 年，才华横溢的德国数学家、测量地理学
家、天文学家 Carl Friedrich Gauβ 为了解决哥廷根 天文台观测望远镜的像差问题，构思出使用 2 片新 月形镜片的组合，1 片正透镜 1 片负透镜，这种组合 就是高斯结构的起源。1888 年，Alvan G.Clark 发现 用 2 对高斯结构“背对背”反方向组合后，也可以成 为一种成像效果很好的镜头，这就是双高斯结构概 念的开始。
1890 年，Baush&Lomb 公司开始投资研发 Alvan
G.Clark 发现的这种结构的广角镜头，此类镜头一直被 销售至 1898 年，但销量不好，随后停产。但后来更多欧 洲的光学设计人员开始注意到双高斯结构并继续研
发，有公司的同类产品一直销售到 1930 年。此后相继 有不同的光学设计人员对双高斯镜头持续改进。双高 斯镜头结构如图 1 所示。
摘 要：介绍双高斯成像镜头的原理，分析双高斯镜头的优化设计方法；依据具体的设计要求，采用光学设计软件 Ze－
max 设计一种像质优异、结构紧凑且温度性能良好的双高斯成像镜头，同时对镜头进行消热差设计，确保镜头在要求的工作 温度范围内清晰成像；对镜头设计结果进行公差分析。分析结果显示，镜头加工公差要求宽松；最终的实物样机成像清晰，与
设计结果非常一致。
关键词：光学成像技术；双高斯镜头；光学设计；像差；Zemax