154利用ZEMAX像质优化与设计举例Word文件下载.docx

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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,

=-222.91mm。

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。

初始结构焦距尹二250.055mm

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\LensData，打开透镜数据编辑器（LensDataEditor,LDE），输入初始结构数据，如图15.11所示。

图15.11LDE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ApertureType为EntrancePupilDiameter，在ApertureValue中输人50，如图15.12所示。

用FieldData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FieldData对话框，选择FieldTypey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WavelengthData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WavelengthData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MarginalRayHeight。

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Thicknesssolveonsuface对话框，如图15.16所示。

设定:

SolveType为MarginalRayHeight,Heigh为0。

，PupillZon为0。

。

也可将SolveType。

为Variable，表示以移焦后最佳像面为参考像面。

按以上结构参数和光学特性计算的像差结果如图15.17所示。

从像差结果可看到，球差、色差都已比较小（物镜的焦深为0.059mm），说明按初级像差理论求解的结果在物镜相对孔径较小的情况下，与实际像差比较接近。

但是，彗差SC′=-0.032/8.7=0.00371>

0.0025，波像差RMS轴外视场>

1λ。

按初级像差理论求解的结构还需进行微量校正。

4）评价函数的设定

a）默认评价函数设置

根据15.2节介绍，打开MFE和DefaultMeritFunction。

由于波像差相对较大，选择RMS/SpotRadius/Centroid默认评价函数，具体设置如图15.18所示。

b）光学特性参数约束输入。

本设计优化过程要控制主要光学特性参数为焦距。

在MFE中，将高亮条移至默认评价函数起始操作符DMFS处，按Insert键增加一行操作符数据输入行，输入相应的操作符和数据，Type/EFFL,Wave/2,Target/250,Weight/-1。

权重值选-1，表示优化过程中，必须优先控制焦距值为250mm。

最终构建的评价函数如图15.19所示。

图15.19（a）表示未含焦距偏差对评价函数贡献时的评价函数值为3.354523E-002，其物理意义是:

表示当前系统相对于质心的弥散斑半径方均值为0.0335mm图15.19（b）表示含焦距偏差对评价函数贡献时，评价函数值为3.975107E一002,EFFL偏差对评价函数贡献为45.98%。

5）像差自动校正（优化）

当初始结构参数、光学特性以及评价函数都输入和设定后，打开优化（Optimization）对话框进行像差校正与优化。

在ZEMAX主菜单中选择Tools\Optimization…或选工具栏中Opt，打开Optimization对话框，如图15.20所示。

Optimization对话框中的命令按钮和选择框的功能与含义列于表15.15中。

显示的信息有:

带权重的目标数（WeightedTargets）、拉格朗日目标数（LagrangeTargets）、初始系统评价函数值（InitialMF）、当前系统评价函数值（CurrentMF）、优化状态（执行次数，Status）、优化执行时间（ExecutionTime）。

按Automatic执行优化操作，执行1500次优化循环后，自动停止，Optimization框显示如图15.20（b）所示。

因为，在MF下降过程停止，继续按Automatic执行优化操作，直到MF不再下降为止，如图15.20（c）和（d）所示。

按Exit退出Optimization框，获得局部最佳优化结束。

优化后的消色差双胶合望远镜物镜结构参数和像差结果如图15.21至图15.23所示。

比较图15.17和图15.23，可以看出设计结果明显优于初始结果，RSMSpotRadius由0.0335mm下降到0.0138mm。

上述优化结果为采用由一些预先确定的操作符组合而成的默认评价函数优化的结果，明显优于初始结果。

该方法可以很好地适合于多数光学设计，但有时还需要加一些特殊的约束以及设计要求到评价函数中。

根据设计要求，在默认评价函数的基础上，利用ZEMAX操作符，增加默认评价函数模块之外的约束控制，进一步地优化系统。

从图15.23（c）可以看出，优化结果轴上点还存在边缘球差，0.707孔径处存在色差，如希望校正边缘球差和0.707孔径色差，则可以在评价函数中，增加边缘球差和色差控制约束

操作符，如图15.24所示。

图中反显部分为增加的边缘球差和色差约束控制操作符。

执行优化操作后的轴向球差如图15.25（a）所示，轴上边缘球差和0.707孔径色差得到明显校正，轴上点像得到改善。

但轴外视场像质有所下降，如图15.25（b）所示。

上述两个方案哪一个好，由设计需求和加工工艺确定。

15.4.:

光路中有棱蔚撞远物镜设计

由于望远物镜要和目镜、棱镜式或透镜式转像系统配合使用，所以在设计物镜时应考虑它和其它部分像差补偿。

在物镜光路中有棱镜的情况下，所设计的物镜像差应和棱镜互相补偿。

现介绍利用ZEMAX自构评价函数控制物镜剩余像差与棱镜像差互相补偿的方法。

物镜光学特性与上一节要求相同了f′=193.96mm,D/f′=1/4.8，l'

z=0，棱镜等效玻璃厚度为150mm，玻璃材料为K9。

物镜光路中的棱镜产生的轴向像差可以利用平板玻璃像差计算公式计算获得，其结果

如图15.26和表15.16所示。

对应的物镜剩余像差的要求为8L'

m=-0.2783mm,8L'

0.707H=-0.1367mm,SL'

FC0.707H=-0.5245mm,8L′FC=-0.5241mm与棱镜像差互相补偿。

由于ZEMAX具有比较灵活的像差校正功能，胶合物镜优化的结果。

根据剩余球差和色差要求控制操作符进行构建评价函数，如图15.27所示。

物镜初始结构直接利用在上节消色差双，为实现像差补偿，在评价函数中利用像差图中第3行至第11行增加如表15.17中所示控制符。

此时，电子表格中显示物镜的像差为8L'

m=0.00234mm,8L′FC=-0.0017mm，SC'

m=-0.00253。

执行优化操作后，望远物镜结构参数如表15.18所示，像差结果图15.28和表15.19所示。

对比表15.16、表15.19和表15.20，可以看出第三个表中的数据为前2个表中对应项

数据之和。

说明光学设计中分部分设计，组合系统的像差是各分部分像差之和，采用分部设

计有利于简化设计，提高设计效率。

根据第14章介绍的望远物镜的像差公差要求，所设计的物镜像差公差要求如下:

焦深:

球差:

当系统只存在初级球差时，边缘球差:

8L'

m≈0.24mm

当边缘球差校正为零时，0.707H的剩余球差:

0.707H≤6△≈0.36mm

轴向色差:

初级色差:

8L′FC≤△=0.059mm;

色球差:

△L′FCm=-△l′FC△≤2△=0.12mm;

;

正弦差:

SC′m≤0.0025。

对比表15.20可以看到，除色球差△L′FCm=0.1729mm>

0.12mm超差外，其余像差都在公差范围，像质基本满足要求。

在上述设计基础上ZEMAX自动替换玻璃功能实现玻璃替换，来进一步改善像质。

具体过程如下:

在ZEMAX的LDE窗口将高亮条移至玻璃ZFl处，按鼠标右键或双击出GlassSolve对话框，如图15.30所示。

设置SolveType为“Substitute"

，玻璃库Catalog“中国GB903-87"

对应的ZF1后出现“S"

，表示ZEMAX在寻找更好的设计方案过程将在中国GB903-87玻璃库中自动改变玻璃类型。

最后，在ZEMAX主菜单中，选择ToolHammerOptimization…调用锤形（Hammer）优化弹出如图15.31所示的对话框，并执行锤优化。

执行锤形优化操作后，ZF1被F6代替，结构参数如表15.21所示，像差结果图15.32和

表15.22所示。

图15.21K9-F6望玩物镜结构参数

物镜光路中，加人150mm厚K9平板玻璃后的像差结果，如图15.33和表15.23所示。

最后将双胶合物镜与平板玻璃组合，在ZEMAX中再进行优化，得到表15.24所示的结构参数，像差结果图15.34和表15.25所示。

比较表15.20和表15.25像差数据，可以看出经Hammer优化后，球差、轴向色差和正弦差都有所改善。