Zemax光学设计实例（22）---I型广角目镜的设计

导论：

为了满足提高目视光学仪器的倍率和视场的要求，同事仪器的体积又尽量小，要求设计具有更大视场，同时又有较大出瞳距离的目镜，这就是广角目镜。

增加目镜的视角，首先遇到的障碍是场曲x_p`，随着视场的增加，x<sub>p</sub>`按平方关系增加，严重影响大视场的成像质量，必须在广角目镜中设法减小；其次在出瞳距离一定的条件下，随着视场增加，轴外光束的投射高增加，各种高级像差增大，当目镜对视场边缘校正了像差，中间视场仍将有很大的剩余像差。

根据前面对目镜校正场曲的分析，为了减小场曲，必须在系统中加入负透镜组，并且要求正、负透镜组远离，合理的位置是负透镜位在靠近物方焦面的一边。这样一方面能减小场曲，同时也能增加出瞳距离。但是根据前面的分析，这将进一步增大正透镜上轴外光束的投射高，使轴外像差的校正变得更加困难。为了解决这些矛盾，必须使目镜的结构复杂化。

I型广角目镜，其中起成像作用的接眼正透镜组由两个单正透镜构成，前面的一个三胶合组中负光焦度是由中间的一个高折射率的负透镜产生的，它一方面能减小场曲，又能增加出瞳距离。同时三胶合组也起到帮助校正接眼透镜组像差的作用。

I型广角目镜的接眼透镜通常由一个平凸透镜和一个等半径的双凸透镜构成，两透镜的光焦度大致相等，为了减小色差，这两个透镜应采用低色散的冕玻璃构成，视场角越大要求玻璃的折射率越高，对70度视场的目镜一般采用折射率较高的ZK类玻璃，对60度视场的目镜可以采用折射率较低的K类玻璃。

目镜的垂轴色差和像散主要靠后面的三胶合组进行校正，因此中间的负透镜应采用高折射率(n>1,7)和高色散的ZF类玻璃。两边的两个正透镜则用折射率和色散较低的K类玻璃。

设计一个10X望远镜的I型广角目镜，其光学特性要求为

目镜焦距f`=25mm，目镜的像方视场角2ω`=60度，出瞳直径D`=4mm，出瞳距离l<sub>z</sub>`>20mm，设计目镜时不考虑和物镜的像差补偿。

I型广角目镜同样按反向光路进行设计，对于反向光路来说，上述目镜的焦距f`=25mm，物平面位于无限远，l=∞，物方视场角2ω=60度，入瞳直径D=4mm，入瞳距离l<sub>z</sub>>20mm，出瞳距离l<sub>zm</sub>`=250+10=260mm。

（来自《光学设计教程》第7章案例）

设计流程：

（1）原始系统的确定：

我们直接查找一个现有结构作为原始系统：

（2）Zemax设计与优化：

1）系统建模

首先输入系统特性参数，如下：

在General系统通用对话框中设置孔径和玻璃库。

对于目镜，物平面在无穷远处，在孔径类型中选择“Entrance Pupil Diameter”，并根据设计要求输入“4”；

在玻璃库标签中输入中国玻璃库“CHINA-LF”名称。

在视场设定对话框中设置6个视场（0，0.3，0.5，0.7，0.85，1视场），要选择“Angle（Deg）”如下图：

在波长设定对话框中，选择F，d，C（visible）自动加入三个波长，如下图：

然后在LDE中输入查找出来的初始结构，如下图：

观察系统的二维结构图，如下图：

查看初始系统的点列图，如下图：

2）系统优化

首先建立评价函数。

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“PTV+Wavefront+Chief Ray”。设置如下图：

点击OK后，系统已经根据上述设置自动生成了一系列控制像差的操作数。

增加EFFL操作数，控制系统焦距为25mm，权重为1；

如下图所示：

返回LDE，为系统设置变量。将8个球面的曲率设置为变量，如下图所示：

点击opt按钮执行优化。

优化后系统的二维结构图，如下图：

查看优化后的点列图，如下图：

由结构图可以看出，此时的透镜结构不合格，我们使用E解控制各个透镜的边缘厚度，如下图：

点击opt按钮执行优化。

优化后系统的二维结构图，如下图：

查看优化后的点列图，如下图：