设计双胶合望远物镜

设计双胶合望远物镜设计性实验一、实验目的掌握zemax光学设计软件的使用，能进行光学器件的设计和仿真，理解各种光学设计的基本分析原理，了解像差的基本概念、意义。二、实验内容1.设计要求：焦距： f'=250mm通光孔径：D=35mm视场角： 2co=6°,工作中心波长为在可见光波段，入瞳与物镜重合，物镜后棱镜系统的总厚度为 150mm,要求：8L'=0.15mm,SCm、=—0.003,ALFc=0.05mm2.给出设计结果，并对设计结果进行分析和评价。三.实验.总体思路和基本方法与其他光学自动设计软件相似，Zemax软件进行光学系统设计时的基本流程如图1-1所示其中，光学系统模型的建立是光学系统设计的第一步。其中各个参数的取值可以采用标准的PW算法，同时也可以通过查阅光学设计的镜头手册来选择一组合理的初始化数据。在Zemax中，光学系统建模分为两个方面：系统特性参数的输入和初始结构的输入。Zemax软件同时还具有非常强大的像质分析功能。可以在主窗口中的Analysis下拉菜单中选择相应的像质评价工具。一些常用的分析功能也能通过工具栏中的图标按钮来快速选择。使用者可以通过对这些图形和文本窗口提供的菜单命令进行操作，设置需显示或计算的内容。 Zemax中的分析窗口都具有“Update刷新）”菜单命令，当系统特性参数或结构参数改变时，可以通过刷新命令使Zemax重新计算并重新显示当前窗口中的数据。Zemax的优化功能可以根据设定的一系列目标值去自动改变光学系统的曲

率、厚度、玻璃、二次曲面系数及其他附加参数和多重结构数据等， 以满足光学系统的光学特性和像差的要求。在优化过程中，使用者可以根据需要，对系统设定约束条件和目标。Zemax通过构造评价函数（Meritfunction）,并采用一定的算法计算评价函数的取值，由取值的大小判断实际系统是否满足约束条件及目标的要求。.初始结构的选择经查阅资料得到初始结构参数如下表所示。Surf:TypeRadiusThicknessGlassSemi-DiameterOBJStandardInfinityInfinityInfinitySTOStandard153.100006.0000000K920.0692362Standard-112.930004.0000000ZF120.0391343Standard-361.680050.00000020.0633294StandardInfinity150.00000K918.6284755StandardInfinityInfinityM15.818629IMAStandardInfinity13.220411.优化函数的确立及Zemax实现（一）建立光学系统的模型（1）初始结构的输入；其中因为没有告诉后工作距，将厚度设为MarginalRayHeight（边缘光线高度）犍1 口与己EditorEditSolviHOptionsHelpSurf:Type匚ussmanpSAdlLLHZfilclcnjaasSflBZ.-Cj.unDOBJEt-andazdInfxo-it-y0.000000STO.百皿gQ口N口露3$cr2*£*canda.rd-113.3100004.000000ZFL£0.035134u3*写工5仃d启Hd-351*酊口口口mo.g口口。口■■4*£rcariila.rdInflalxy1岛口.口口鹿口K9ia.<S2B47fiuS*■StandardInfinit-yInfinityMifi.siseasurm.Infi-HlEy-13.2504.11u（2）系统特性参数的输入；（主要是对孔径、视场、波长进行设定）FieldData(♦Angle(Deg) CParaxialImageHeightCObjectHeight CRealImageHeightUseX-Field Y-Field Weight VDX VDY VCX '[71|o |o 11.0000 |o.ooooo|o.ooooo[o.oooooI72|0 (2.121 p.OOOO|0.00000 |0.00000 |0,00000"3|0 3 p.oooo(0.00000 0.00000 0.00000Ir4[b [o p.0000 |0.00000 0.00000 0.00000Ir5|0 0 1,0000 |0.00000 0.00000 0.00000Ir6[o |o p.oooo|6.00000[o.ooooo[0,00000Ir7|o 0 [1.0000 0.00000[o.ooooo[o.ooooor8|o [o p.oooo[0.00000[0,00000[0,00000r9|o o p.oooo[o.ooooo|b.ooooo[o.oooooIr10|o [o p.oooo|b.ooooo[o.ooooo[o.ooooor110 0 1.0000 0.00000 0.00000 0.00000|r12[o |b p.oooo|b.ooooo[0,00000[o.ooooo OK Cancel SortSetVig ClrVig SaveWaveengthDataUseV/avelenglhWeightUseWavelength(pm)Weight1711466132701r130.550000001R2|O.5075G18O1r141*3OL65627250卜ris0.550000001r4Q.5500000Q1ni60.550000001r50.550000001r17口.5500000。1reOL550000001r181550000001ri(15SOOOOOO|1r190.550000001rs0.550000001rso015500000。丁ra1550000001r2i0.550000001rioa55000000I1r220.55C3000D1r110.550000001r231r12OL550000001r240.550000001 Select^_]|F,d.C(Visible]二I|2zJOKCancel$□(！HelpLoad (二)像质评价(1)焦距:(1)焦距:EFFL:251.07&(2)球差：Analysis-Miscellaneous—Longitudinalaberration—textA82;LongitudinalAberration20.S3001.577E-OO1-3.241E-0O2o.saoo0.S3001.577E-OO1-3.241E-0O2o.saooL,277Z-0ai-3.435Z-aO20,62001,2781-001-3.€323-0020,€4001,2891-001-3.8233-0020.€6001.5821-001-4.028Z-9020.6800i.；a5i-aai-4.2；7E-Q02口.70001.239E-001-4.42€E-aO20.72001.2932-001-4.62SE-aO2fl.7400-4.622E-0020.76001.304E-0C1-S.017Z-0020.7SOO1.312Z-0D1-S.210i'0020.80001.320Z-001-5.400S-0020.32001.329Z-001-5.53GE-0020.34001.340£-001^S.7GSE-aO20.36001.3S2Z-001-S.944E-0O2o.seoo1.3£5Z-0ai-*€.1151-0020.90001,379Z-001-€.279E-aO20,92001-396E-001Y.43钮-MW口.94口。1.4131-Oai-6.585Z-0020.96001.433i-oai-«,725E-002。.90001.4S4Z-0Q1-6-8SSE-0021.00001.477Z-001-€.974E-002UpdateSettingsPrintWindowS.S2SE-00：S,S55H-0a；S,2BLi-0025.0D3E-DOZ4.7201-0024.435^-0024.147E-0a23.8S7E-0023.StSi-00z3.2*72E-0022.979E-0022.€8EE-0a22.394E-OO22.104Z-0021.B1GZ-0021.530E-0021.24SZ-O0：5,7102-003€,9971-0034.3245-0031.72BE-003-7.915E-004所以可得6L'm=-0.06974mm；(3)正弦差：根据初级彗差和初级正弦差的关系SC'm=K's/y'=-6.276404m/13.154mm=-0.000477

K's:FanDiagramSettingsPlotSeals0.000003Wavelength：All -]NumbarofRays:20Field:AllTangential:YAberfation▼Sagiltal:YAberrationPU«eDashesSurface：1|17VignettedPupil「CheckApeitue$|OK|匚anuel|SaveLoadJResetHelp_|觥12:RayFan2口।回UpdateSettingsPrintWindowSagitta!ran,fieldnunfcer3・3.0000dsgPupil 0.4ML33 0.SB75€2 0.€5S273-1.000 -2€,591035 Y.E7ES4 2.323874yOBJ；3.a0B0DEGIHA：13J5Hm⑷轴向色差AL'FC一股指0.707h的轴向色差，可以由ChormaticFocalShift获得,即AL'FC=L'F-L'C设置Setting中的孔径：观察text：ffavelengtli0.4B€L33ffavelengtli0.4B€L332hi5t0.1739S3330.0.CIS5414410.所以可得AL'FC=L'F-L'C=0.17395333-0.08541441=0.08853892mm（三）优化（1）像差控制：显然我们所得的像差与要求的像差数据有差距，所以必须要进行进一步的像差优化。首先要在评价函数中自己来定义像差的专门控制操作：1）焦距：EFFLf'=2502）球差控制：LONA波长号为2,孔径为13）正弦差控制：Ks'由TRAY（Hy=1.0,Px=1.0）,V,由PIMH得到SC'm=K's/y'由DIVI得到4）轴向色差控制：AXCL,输入波长号（1,3）和孔径（0.707）此时求得的轴向色差和实际符号相反，一般可以乘上一个‘-1'。（2）设置变量现在除了三种像差，还有个焦距需要控制，而自适应法优化控制像差数必须小于自变量数的基本要求，我们现在仅有三个变量（棱镜的参数显然不变） ，因此先不控制球差。然LensDataEditorEditSolvesCptiorsHelpSurfTli'peConnnentRadiusThicknessOBJStandardInfinityInfinitySTO^Standard153.100000Vc.oaooao2*StandArd-112-930000Vi.aoooao3*Standard-36i,€aooooV50,0000004*StandardInfinity150,000000S*St.tanda.rdInfinitiyS7.44S9&7MIMAInfinity所以先给定焦距、正弦差和轴向色差的目标值，并加入权因子进行优化。经过第一次优化后，除了球差值外其余都达到目标值。研MhiiCFLTKtcnEdNcr:电”MUE-DIEIEdcladiiHrip工ZP«1,■N Tuzqut Y.LRit I T'aIuh>匚CUFHfb33F7L- EHl» 22母MW l.m4Ml3“MQQM涉3H。髀shime Bum»USk LM4| | | 0.1&M44] &..-»H«50|4SUEZ L1KTSTRJLT railZ a.QaDQDD l.aODDDD 1.DDDDDO 口.的比8 口.比K>M口 D-OOMOa FLgMM。一口口口口口口gPM POffi-2 Q,口moa 0.K-MQQ§qq3gthe nmS-c -s.DDOciDi^c^j /1.口口依皿・。（0.29-1394BHUH HUffifiAXCL 1XZL13 O.^aTanD 0. b.Cf044dd -4-Od；>3>3flaCi.aadaaoIDCOE31 CCH3-i.Dwwa D.owflan -i-Maaan$_aaaaon0优

因此要通过换玻璃的方法来控制球差。我们将双透镜中的K9设为变量，并且限制玻璃的变化范围，加入球差的权因子，然后再对四个变量进行优化(图示为优化后变量)。觥，LemsDataEditorEditSalwsOption?HelpSurf'Tyt«eThleknessGiaasS4&l-DiicnsterOBJSiandardTHfS.nlc-yInfinityInflnltv5TQ*Standard114.03045ilV百,OOOOOD1,5耳上54.口V血口的』3百u2*ScandAE'd-107.048055u4.OOOOODZF120,033134u3*5『3R均才±3X，44553^E+gg-fV5Q,QQQQgMQM33NBu4*ScarLdardInfinl-cyi$o.gooogDKtIB.628479口£*AndardInfaniryIS.BLBg：S口IHAInfinity-ia.sidanti制|MentFunctionLdHw:LU0200£-0110EdiiTWs：Helpttp*工“”*串Qmzl^1HE二因HSCEH-1Il.TtOMQi.oMaaai.”q口门口口一时也口口»»AABl«A£1*i.WHMW-MflCiflifi九—加4MU5KCU1sfi£.bDM4di.cn&Maacg-Maaaao.addaoEi3ZFF1.OTL工ZBD.DWO：*]i.owaaaa&o-caaaaoM.17Q&3Z$-BLHTEQJ*FT：L«XIjOKA.工l.fli3CiaQDD.ltC«E4i.oocaaa4-iiaaaoo.iaaiJGgxunc£LBV.»TOTraxM%QMMQ\QQQQQ01.ggg*WW口.m4MT悯髀Q*4.449000ID。二工PDOf:o.E»»0aaCkOOGg口i，-1101mo.aaaaao11JT/ISE'/Ig107.如岫nrvj。».17S?7fl13SLKZSLKC13AXCLJLXCLi3G„7n7DDG0.DCO044口-oms-o-oiaaano.aaaaDD141x«acctra-l.D&Mfli]s.-w^Hoa-i-MaoaflItR20D：EGDD1314d.ctooaa1.oocaaaS：2*EM£4.设计结果经优化后，将玻璃变量取消，发现它自动变成N-KZFS2r涧，LensDataEditorEditSolvesOpB白 HelpSurf::TypeCanineMadiasThi.a:lEM33：&laj9S-emi-Di-ane^erOBJStandardInfxiiiiE-y工：n£工七肾Ia.fihlty5TO*5r*g<aB117394”V—□MQQ0N-FZF3J百y£*Srandard-ICT?--♦白MTVI.QDOCiaOznao-oastai口34£taEidard1.44&郎EMM72O.OCU23Iu44St-ftEidafdIftflhlXJfISQ.aDOOOO□1B.42S47S口5*目E.g亳工n£1inJrj¥S3.3-45472H15.SISC29q工"Standard.Zn£±Ei±zyll.xldtiln.设计结果的像质评价(1)焦距(1)焦距EFFL:250(2)球差：Analysis—Miscellaneous—Longitudinalaberration—textUpdateSettingsPrintWindow0.S8002.041E-0013.€39Z^0021.81EE-0010.60002.iaoE-aoi3.94fE-0021asez-oai0.62002.1€3E-0014.270E-0021.BE8E-0010.64002.2：BE-aOLUpdateSettingsPrintWindow0.S8002.041E-0013.€39Z^0021.81EE-0010.60002.iaoE-aoi3.94fE-0021asez-oai0.62002.1€3E-0014.270E-0021.BE8E-0010.64002.2：BE-aOL4.613E-0021.8BOE-0010.6€002.29€E-00L4,97€i-00；1.304E-0010.68002.367E-001B,SSfiE-DOZ1,930=1-0010.70002.441S-001S761i-0021.95»Z-DO10.72002.519E-001S.ia6H-0'021.9e7E-001□,74002.S99E-001G.S34E-0022.QiaE-OOl0.7€002_fiS4i-00t7.105E-0022.OSli-OOl0.7A002-77SE-00I.7.C01S-0022.DSfiS-0010.00002.S€3E-001S.123Z-0022.124E'0010.02002.9saz-ooiS.fi71E-0022.1€3E-0010.B4003.05QE-0015.247Z-0022.205E-001o.efoo3.1€lE-a019.S52E-O022.249E-0010.38003.2GSE-0D11.0-492-0012.2S6E-a010.30003.3BOE-OOL1.1153-0012.346E-0010.92003.49€E-00L1.19SZ-O012.399Z-0010.9