Zemax光学设计实例（20）---对称式目镜的设计

导论：

对称式目镜是目前应用很广的一种中等视场的目镜。它由两个双胶合透镜组构成。虽然它的透镜总厚度相对焦距来说比较大，但我们仍可把它作为一个密接薄透镜组来近似地分析它的像差性质。由薄透镜组消色差条件知道，如果消除了垂轴色差，则同时消除了轴向色差，因此对称式目镜中两种色差可以同时校正得比较好。一个薄透镜租可以校正两种单色像差，所以对称式目镜也能较好地校正像散和慧差。

大多数对称式目镜采取两个透镜组完全相同，这样加工比较方便。对称式目镜的视场大约40度，出瞳距离较大可以达到3/4 f`。

对称式目镜场曲比较小，也是它的一个优点。

设计一个4X望远镜的对称式目镜，其光学特性要求为

望远镜的入瞳与物镜重合，目镜焦距f`=25mm，像方视场角2ω`=40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。

对称式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=40度，入瞳直径D=4mm，入瞳距离l<sub>z</sub>>20mm，出瞳距离l<sub>zm</sub>`=100+20=120mm（f_物`+l<sub>F目</sub>`）。

（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：

由于使用的是两个完全的双胶合透镜组，使用到了“pick up”解，将相关的曲率半径，厚度和玻璃材料关联上。

由于出瞳距离要求是120mm，因此插入第7个面，并将它设置为孔径光阑。

观察系统的二维结构图，如下图：

从结构图看出，两个双胶合透镜组的口径不合理，出现前后表面相交（即边缘厚度为负值）的情况。我们可以适当加大透镜的厚度，如下图：

此时系统的二维结构图，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。将前3个球面的曲率和第4面的厚度（即两透镜之间的间隔）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：