Zemax光学设计实例（17）---冉斯登目镜的设计

导论：

冉斯登目镜由一个平凸透镜和一个场镜构成。

一个平凸形的单透镜，入瞳在透镜前方0.3f`处，这时能同时使慧差和像散等于零。这也能满足入瞳位于透镜前方的一定距离上。因此平凸形单透镜就是可能的最简单的目镜结构。

但从整个望远系统来看，单个平凸透镜还不能作为目镜使用，因为由物镜进入系统的光束，如果直接进入平凸透镜成像，这时对应的出瞳距离大于焦距f`，不符合单个平凸透镜像散、慧差为零时（反向光路的入瞳距）等于0.3f`的条件。因此，为了符合这个条件，必须在目镜焦面上加入一个场镜。

和像面重合的场镜，除了场曲之外不产生其他像差，为了加工简单，也做成平凸形。通常把场镜和成像透镜（接眼透镜）装在一起，把场镜看做是目镜的一部分，这样一个场镜加一个接眼透镜，并且都做成平凸形，就构成了一个能校正像散和慧差的最简单的目镜，称为冉斯登目镜。

冉斯登目镜的主要缺点是垂轴色差无法校正，根据垂轴色差和数，对冉斯登目镜有

S_IIC=∑hh_zC=h₁h_z1φ₁/v₁+ h₂h_z2φ₂/v₂

h₁和h₂同号，h_z1，h_z2，φ₁，φ₂均大于零，因此S_IIC不可能等于零。

不过由于h₁，h₂，h_z2都不大，所以S_IIC不大，垂轴色差不十分严重。

为了尽可能减小垂轴色差，玻璃的色散应尽量小（v值尽量大），一般采用色散娇小而又常用的K9玻璃。

另外，由于系统中全是正透镜，它的球差和轴向色差比其他目镜大，这种目镜通常用于出瞳直径和出瞳距离都不大的实验室仪器中。

设计一个10X自准望远镜的冉斯登目镜，其光学特性要求为

焦距f=20mm，视场角2ω`=30度，出瞳直径D`=2.5mm，出瞳距离l_z`=7mm。

另外，为了在目镜焦面上安装分划镜和进行+/-5个视角的调节要求，目镜的物方焦截距l_F>3.5mm。望远镜的入瞳与物镜重合，则目镜的入瞳位在目镜前方的距离为

lz=f<sub>物`</sub>+l<sub>F目</sub>`=10*20+3.5=203.5mm

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=30度，入瞳直径D=2.5mm，后截距l<sub>F</sub>`=3.5mm，入瞳距l_z=-7mm，出瞳距l_z`=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‘=15mm，

（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“2.5”；

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；

由于系统对后截距的要求为3.5，增加CTVA操作数，将第5面距像面距离控制在3.5，权重为1。

由于出瞳距离要求203.5，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-203.5+3.5=-200，权重为1。

如下图所示：

返回LDE，为系统设置变量。将两个凸面的曲率和第3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。