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Zemax光学设计实例(89)---一个远摄型复消色差航拍物镜的设计

2021-12-14 14:37| 发布者：optkt| 查看：566| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了一款使用Zemax进行光学设计的远摄型复消色差航拍物镜，包括设计要求、参数计算、初始结构、优化以及仿真结果，MTF、畸变和二级光谱等方面表现出良好的性能。

引言：

为了看清远处目标的细节，需要足够的放大倍率，就需要长焦距的物镜。

当物距很大时，放大率近似与焦距成正比。

设飞行高度（物距）=10000米，实际放大率公式（只考虑绝对值，长度单位为米）近似为

在航空、航天器上，空间非常有限，远摄物镜可以有效减少物镜长度。

设计指标：

设计一个远摄比Υ为0.65，焦距为1米的复消色差航拍物镜，波长为可见光范围。

设计要求	波段	F=f`/D	视场y`	焦距f`	远摄比Υ
远摄型航拍物镜	VIS	10.0	4.0mm	1000mm	0.65

参数计算：

按照设计要求，已知了焦距f`、远摄比Υ，相对孔径F，可以计算出前后组的焦距、相对孔径和前后组的间隔d，如下：

前组光圈数F₁作为远摄比Υ的函数曲线如下图：

F₁随Υ的增大而增大，关系接近线性。

设计与仿真：

（1）系统参数设置

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。

在孔径类型中选择“Paraxial Working F/#”，并根据设计要求输入“10.0”；

在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Paraxial Image Height”，如下图：

在波长设定对话框中，选择F,d,C，如下图：

（2）初始结构

前组选用三片式复消色差准直镜，第一片正透镜材料为CAF2。

后组为了提高像质，选用负的双胶合透镜，材料选择ZF3和H-LAK7，其折射率近似相等。

考虑到透镜的厚度，前后组的间隔d设置为315mm，光阑在前后组之间。

LDE的初始结构参数，如下图：

（3）优化

按F6打开MFE，分别添加以下操作数：

EFFECTIVE LENGTH模块，用于控制焦距：

EFFL，控制EFL为1000并给权重0.02；

EFLY，第1面至第5面，用于显示前组的焦距；

EFLY，第7面至第9面，用于显示后组的焦距；

SYSTEM TRACK模块，系统总长：

TTHI，第1面至第9面，显示系统总长；

GAMA模块，用于控制远摄比Υ：

DIVI，第7面比第3面，目标值0.65并给权重22；

GAP CONTROL模块，用于控制前后组的间隔：

TTHI，第5面至第6面，用于显示前后组的间隔；

OPLT，第11面，间隔不大于350并给权重0.02；

OPGT，第11面，间隔不小于270并给权重0.02；

THICK CONTR模块，用于控制各个透镜组的中心、边缘与间隔厚度。

将前后组lens的曲率与厚度都设置为变量。

优化后的结构参数，如下图：

此时，系统焦距f`=1000mm，系统总长为650mm，远摄比Υ=0.65，与理想光学计算的参数很接近。

查看2D Layout，如下图：

查看点列图，如下图：

所有视场的弥散斑均小于艾里斑。

查看MTF，如下图：

查看场曲/畸变，如下图：

查看球差-色差曲线，如下图：

在球差-色差曲线中，在0.8孔径附近，C光和F光相交，但它们的交点和d光还有距离δ，这个称为二级光谱（Secondary Color）。从上图看出，二级光谱δ_0.8=-0.02，消色差的情况已经非常好了。而且，在复消色差的情况下，F、d、C三色光的球差曲线和纵轴都很接近，三色光的弥散很小。

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