Zemax光学设计实例（19）---凯涅尔目镜的设计

导论：

将冉斯登目镜中的接眼目镜换成胶合组，就能够校正色差，也能安装分划镜，这就是凯涅尔目镜。由于目镜同时校正像散、慧差和垂轴色差，因此视场可以达到40~50度，出瞳距离lz`可以达到1/2焦距。

设计一个6X望远镜的凯涅尔目镜，其光学特性要求为

望远镜的入瞳与物镜重合，目镜焦距f`=20mm，像方视场角2ω`=45度，出瞳直径D`=4mm，出瞳距离l=-10mm，设计目镜时不考虑和物镜的像差补偿。

凯涅尔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`=20mm，物平面位于无限远，l=∞，物方视场角2ω`=45度，入瞳直径D=4mm，入瞳距离l_z=-10mm，像方焦截距l_F`=3.5mm，出瞳距离l<sub>zm</sub>`=123.5mm（f_物`+l<sub>F</sub>`）。后截距l_F`=3.5mm，入瞳距l<sub>z</sub>=-7mm，出瞳距l<sub>z</sub>`=203.5mm。

（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：

上述系统的焦距为f‘=20mm，

（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20mm，权重为1；

由于系统对后截距的要求为3.5，增加CTVA操作数，将第6面距像面距离控制在3.5，权重为1。

由于出瞳距离要求123.5，ZEMAX中对出瞳出瞳位置的定义是由系统像面计算到出瞳，因此出瞳位置（EXPP）应控制为-123.5+3.5=-120，权重为1。

如下图所示：

返回LDE，为系统设置变量。将4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：

查看像散场曲和畸变曲线，如下图：

左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线。