154利用ZEMAX像质优化与设计举例.doc

15. 4利用ZEMAX像质优化与设计举例 ZEMAX提供了十分强大的像质优化功能，可以对合理的初始光学系统结构进行优化设计。设计中光学结构参变量可以是曲率、厚度、玻璃材料参数、圆锥系数、参数数据、特殊数据和多重结构数值数据。本节首先，通过消色差双胶合望远镜物镜设计和参数分析，介绍利用ZEMAX默认评价函数的优化设计过程。然后，通过光路中有棱镜的望远物镜、显微物镜和目镜设计举例能，介绍像差补偿、几何像差控制等在ZEMAX中的实现以及锤形( Hammer)优化的简单应用。最后通过变焦物镜设计介绍ZEMAX中多重结构设计实现。 15.4.1消色差双胶合望远镜物镜设计 消色差双胶合物镜设计要求见表15.13 1)初始结构参数确定 初始结构参数确定通常有两种方法，本设计采用初级像差理论求解初始结构方法。望远系统一般由物镜、目镜和棱镜式或透镜式转像系统构成。望远物镜是望远系统的一个组成部分，其光学特性的特点是:相对孔径和视场都不大。因此，望远物镜设计中，校正的像差较少，一般不校正与像高的二次方以上的各种单色像差(像散、场曲、畸变)和垂轴色差，只校正球差、彗差和轴向色差。在这三种像差中通常首先校正色差，因为初级色差和透镜形状 无关，校正了色差以后，保持透镜的光焦度不变，再用弯曲透镜的方法校正球差和彗差，对已校正的色差影响很小。由初级像差理论可知，双胶合透镜成为消色差双胶合透镜的条件是，双胶合透镜的正负光焦度分配应满足下式: ，， （15.22） 式中:、，和分别双胶合物镜、正透镜和负透镜的光焦度(焦距值的倒数)，和为正负透镜所选玻璃的阿贝数V。本示例中，正、负透镜的玻璃材料分别选用K9和ZF1，对应的n1d=1.. 51637 , V1=64. 07 , n2d== 1. 64767 ,v2=33. 87。由式(15. 22)得1=0. 00849，=-0. 00449，对应的f1=117. 84mm,=-222. 91 mm。由于初级色差和透镜形状无关，为方便起见，选双凸(r2=-r1)透镜为正透镜，利用薄透镜的光焦度公式计算，最后确定光学系统初始结构参数见表15: 14。 表15.13消色差双胶合物镜设计要求 表15.14初始结构参数 注:因为薄透镜的厚度对像差校正影响很小，可直接根据加工要求给出间隔大小。初始结构焦距尹二250. 055 mm 2)透镜初始结构与光学特性参数输入 a.在ZEMAX主菜单中选择Editors\Lens Data，打开透镜数据编辑器(Lens Data Editor ,LDE)，输入初始结构数据，如图15.11所示。 图15.11 LDE中输入初始结构数据 b.光学特性参数输入 用General对话框定义孔径。在ZEMAX主菜单中选择System \ General…或选工具栏中Gen，打开General对话框，选择Aperture Type为Entrance Pupil Diameter，在Aperture Value中输人50，如图15. 12所示。用Field Data对话框定义视场。在ZEMAX主菜单中选择System \ Fields…或选工具栏中Fie，打开Field Data对话框，选择Field Typey为Angle ( Deg )，在相应文本框Y一Field中输人3个校像差半视场角值:0,1.4和2，其余为默认值，如图15. 13所示。 图15.12用General对话框定义孔径 用Wavelength Data对话框定义工作波长。在ZEMAX主菜单中选择System \ Wavelengths…或选工具栏中Wav，打开Wavelength Data对话框，选择Select一中F , d , C ( Visible )，其余为默认值，如图15. 14所示。 3)变量的设定 供优化的结构参数变量的选择原则是，在可能的条件下尽量设定较多的结构参数作为 变量。在所设计的胶合透镜中选择R1,R2和R3三个曲率半径作为变量。具体方法是: LDE中.将高亮条移动到要改变的参数上，按Ctrl一Z设定变量。当该参数作为变量时，在其数据之后中将出字母“V，如图15. 15所示。注意Ctrl一Z是一个切换器，当高亮条在所设定的参量处时.再按Ctrl一Z撤消变量设定。 最后，在LDE中设定优化参考像面设定。本设计中选用近轴理想像面作为优化参考像面。即将图15.15中第3间隔设定Marginal Ray Height。具体方法是将LDE中高亮条移至第3间隔处，按鼠标右键弹出Thickness solve on suface对话框，如图15. 16所示。设定:Solve Type为Marginal Ray Height,Heigh为0。，Pupi