Zemax光学设计实例（74）---一个航空摄影物镜的设计

导论：

航空摄影有广泛的用途，包括军事侦察，空中测量，森林普查，环境保护以及海洋学领域的各种应用。

为记录下物体细节，并克服胶片本身颗粒（像素）大小造成的问题，通常采用长焦距物镜，配以大幅面胶片。航空摄影胶片的标准宽度分别是700mm，5.0in和9.5in。为了保证胶片不变形，更愿意使用脂类胶片。

为了减少大气薄雾的影响，一般需要使用滤光片，目的是消除所有的短波辐射，因为大部分胶片对短波非常敏感。大气中水蒸气和灰尘颗粒产生的紫外和蓝光辐射要比绿光和红光的散射更强，使用的典型滤光片是：

Wratten#2A小于0.41um波长的光不能透过。

Wratten#3A小于0.44um波长的光不能透过。

Wratten#4A小于0.46um波长的光不能透过。

也使用固体的玻璃滤光片，厚度3mm，有下面形式：

GG420小于0.41um波长的光不能透过。

GG455小于0.44um波长的光不能透过。

GG495小于0.46um波长的光不能透过。

为了应用于航空摄影，物镜畸变要小于0.1%。

设计一个焦距5in，f/4广角航空摄影物镜，视角92度。

ZEMAX仿真：

（1）系统建模：

由设计要求，在“Units”的“Lens Units”选择“inches（英寸）”。如下图：

在孔径类型中选择“Image Space f/#”，ApertureValue输入“4”。

如下图：

在Field Data里，选择“Angle”，输入0，15，30，45，如下图：

在波长设定对话框中，输入0.546um，0.640um，0.480um，0.590um和0.515um五个波长，0.546um为主波长，权重为1，其他4个波长的权重如下图：

然后将初始结构数据都输入到LDE中，如下图：

然后查看下初始2DLayout，如下图：

（2）系统优化：

打开MFE，选择“Tools-Default Merit Function”，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Wavefront+Centroid”。“Rings”选项为“4”， “Arms”选项为“8”。

增加以下操作数：

EFFL操作数，控制系统的有效焦距，目标值是5，权重100；

MNEG操作数，控制第3面至第17面的最小玻璃边缘厚度，目标值是0.15，权重10；

MNEA操作数，控制第2面至第16面的最小空气边缘厚度，目标值是0.015，权重10；

MNCG操作数，控制第1面至第17面的最小玻璃中心厚度，目标值是0.245，权重10；

MXCG操作数，控制第1面至第17面的最大玻璃中心厚度，目标值是1.8，权重10；

CTGT操作数，控制第4面的中心厚度大于，目标值0.5，权重10；

CTLT操作数，控制第4面的中心厚度小于，目标值0.7，权重10；

ETGT操作数，控制第9面的边缘厚度大于，目标值0.06，权重10；

ETGT操作数，控制第10面的边缘厚度大于，目标值0.06，权重10；

CTLT操作数，控制第12免得中心厚度小于，目标值1，权重10；

CTGT操作数，控制第15面的中心厚度大于，目标值0.5，权重10；

CTLT操作数，控制第15面的中心厚度小于，目标值0.8，权重10；

REAY操作数，

REAY操作数，控制实际光线在第19面Hy为0.33上的y坐标，目标值1.339，权重1；

REAY操作数，控制实际光线在第19面Hy为0.66上的y坐标，目标值2.886，权重1;

REAY操作数，控制实际光线在第19面Hy为1上的y坐标，目标值5，权重1;

PARY操作数，控制近轴光纤在第19面Hy为1的有坐标，目标值5，权重1；

DIMX操作数，控制第2视场的畸变大小，目标值是0.1，权重10；

DIMX操作数，控制第3视场的畸变大小，目标值是0.1，权重0.1；

DIST操作数，控制全视场的畸变大小，目标值是0，权重0.1；

MNIN操作数，控制第1面至第17面的最小d光折射率，目标值是1.5，权重1；

MXIN操作数，控制第1面至第17面的最大d光折射率，目标值是1.76，权重1；

MNAB操作数，控制第1面至第17面的最小阿贝色散系数，目标值是27，权重0.1；

MXAB操作数，控制第1面至第17面的最大阿贝色散系数，目标值是65，权重0.1；

如下图所示：

打开LDE，将所有面的半径，各个面的厚度设置为变量，如下图所示：

点击OPT开始优化。

查看优化后的2D Layout：

点列图：

Ray Fan图：

RMS Vs Fields：

MTF：

Field Curv/Dist：

0.7视场的最大畸变值是-0.13%，全视场几乎是零。