15. 4利用ZEMAX像质优化与设计举例

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:

???1??2，?1?

?V1V1?V2，?2??V2V1?V2 （15.22）

式中:?、?1，和?2分别双胶合物镜、正透镜和负透镜的光焦度(焦距值的倒数)，V1和V2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，?2=-0. 00449，对应的f1=117. 84mm,

f/2=-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???n?1?(1/r1?1/r2)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。，Pupill Zon为0。。也可将Solve Type。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Default Merit Function。由于波像差相对较大，选择RMS/ Spot Radius/ 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. 354523 E- 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. 0335 mm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(Weighted Targets )、拉格朗日目标数(Lagrange Targets )、初始系统评价函数值(Initial MF )、当前系统评价函数值(Current MF )、优化状态(执行次数，Status )、优化执行时间(Execution Time )。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/72uh.html