ZEMAX光学设计实例（2）

导论：

设计一个F/4的双透镜，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，使用BK7玻璃和SF1玻璃的组合。（此实例来自ZEMAX Manual）

学习产生图层和视场曲率图，定义边缘厚度解，定义视场角。

设计流程：

一个双透镜包括两片玻璃，通常（但不一定）是胶合的，因此它们有一个共同的曲率。通过使用两片具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被矫正。也就是说，我们需要得到抛物线形的多色光焦点漂移图，而不是直线的。

（1）为我们的系统输入波长。选择快捷按键“Wav”。

因为选择的光谱范围是可见光，直接点击选择F，d，C（Visible）。

（2）现在为镜片定义一个孔径。由于我们需要一个焦距100mm的F/4镜头，我们需要一个25mm的孔径（100mm焦距除以4）。

设置这个孔径值，选择“系统（System）”中的“通常（General）”菜单项，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aperture Value）”一格，输入一个值：25。孔径类型为“入瞳直径（EntrancePupil  Diameter）”。

（3）现在定义视场。选择快捷按键“Fie”。因为在轴上，只选择第一行的X-Field和Y-Field都为0。

（4）输入各个表面数据。如下图所示，输入各个面的曲率半径，厚度和玻璃材料。

因为在BK7和SF1这两种介质中没有空隙，这是一个胶合透镜。ZEMAX自己不会模拟胶合镜片，它只能简单地模拟使两片玻璃相接触。

（5）优化：

在这个设计中，有四个变量可以供我们利用，它们是：镜片的前面、胶合面、后面曲率，和第三面的厚度，这些变量可以用离焦来补偿球差。按Ctrl-Z（如果你喜欢用菜单界面，将这四个变量加“V”。

按F6，打开MFE，选择“工具（Tools）”菜单下的“缺省评价函数（DefaultMerit Function）”。接受缺省值，并点击OK。

ZEMAX已经为你构建了一个缺省的评价函数，它由一系列的可以使得RMS波前差最小的追迹光线组成。但这并不够，因为除了使弥散斑尺寸最小外，我们还需要使镜头的焦距为100mm。

在第一行中的任何一处单击鼠标，使光标移动到评价函数编辑的第一行，按下INSERT键插入新的一行。现在，在“TYPE”列下，输入“EFFL”然后按回车。此操作数控制有效焦距。移动光标到“Target”列，输入“100”然后按回车。其“权重（Weight）”输入一个值：1。这样我们就完成了评价函数的定义，你可以在窗口的左上角双击，将评价函数编辑器从屏幕中移走，评价函数不会丢失，ZEMAX会自动将它保存。

现在，选择快捷按键“opt”。单击自动，评价函数会开始减小，等它停止后单击“退出”。

最大的横向光学像差已经被减小到约20微米。这对于单透镜的200微米来说是一个质的提高。注意光学特性曲线图原点处的斜率对于每一个波长是大致相同的，这表示每一个波长相对离焦也是很小的，但是斜率不为0。这隐含了离焦被用来平衡球差的意思。

有S形弯曲的光学特性曲线是典型的用离焦平衡球面镜片的例子。

显示多色光焦点漂移图。现在已经减小了色差的线性项，，二阶色差占了优势，因此如抛物线形状所示。请注意多色光焦点漂移量减少为85微米（单透镜为1540微米）。

（6）优化镜片形状。

打开“3D Layout”，图形如下图所示。图中显示了从第一面到像平面（缺省值，也可设成其他值）的镜片，同时还有七条（缺省情况下是三条）主波长光线从每个视场到像平面。

很明显，第1个镜片有较尖的边缘。根据图形很难说出边缘厚度是正的或负的。而且，如果镜片的边缘尺寸稍微大一点会更好，这样会给抛光和装配等提供边缘空间。

为了决定实际的边缘厚度，可将光标移动到第一面的任意一列。现在选择“Reports”，“Surface Data”，将会出现一个窗口，告诉你该面的边缘厚度。所给出的值是0.19，稍偏小。

在我们修整偏小的边缘厚度之前，我们将先将镜片放大。移动光标到第一面的半口径 “Semi-Diameter”列，键入“14”替代所显示的12.5，ZEMAX会消去12.5并显示“14.000000U”。“U”标志着这个孔径是用户自定义的。如果“U”没有显示，表示ZEMAX允许此孔径可随要求定义。作了这些改变后，选择“System”，“Update”更新孔径值。14这个值为半口径，表示全口径为28mm。同样，在第二面和第三面中也输入14。

更新图层。现在孔径已经被放大了，但第一个边缘厚度是负的！更新表面数据窗口查看新的边缘厚度，它会变成一个负数。为了得到一个更为合理的边缘厚度，我们可以增加中心厚度。

但是还有一个更有用的保持边缘厚度为一个特定值的方法。

我们需要保持边缘厚度在3mm，在第一面的厚度列中双击，会出现“Solve Control”屏幕，从所显示的求解列表中选择“Edgethickness”，两个值会被显示，一个是“厚度（Thickness）”，一个是“半径高（Radial Height）”。设厚度为3，半径高为0（如果半径高是0，ZEMAX使用所定义的半口径），然后单击“OK”。在LDE中，第一面的厚度已被调整过，字母“E”显示在框中，表示此参量为一个活动的边缘厚度解。

再次更新表面数据窗口，边缘厚度3会被列出。

通过调整厚度，我们已对镜片的焦距作了一点改变。如果你喜欢，现在可以看一下光学特性曲线图。然后，再进行最佳化。最佳化后，单击“Exit”，然后选择“System”，“Update All”，再一次刷新图形。

（7）测试双透镜的离轴特性。

选择快捷按键“Fie”，打开“Field Data”对话框，单击第2和第3行的“Use”选择3个视场。在下面的y视场列的第2行，输入7（即7度），在第3行输入10。使对于轴上的第1行保持为0，使x视场的值也为0。因为一个旋转对称系统，其x视场的值很小。单击OK关闭对话框。

现在各个视场图形如下。

就如你从这些图中所看到的，镜头的轴外特性是很差的，原因是我们只对轴上特性进行了优化。我们可以来分析光学特性曲线图看出，场曲是主要像差。

场曲像差可以通过场曲曲线图来估计。选择“Analysis”，“Miscellaneous”，“Field Curv/Dist”，场曲曲线如下图所示。注意左图表示出了近轴焦点的漂移为一个关于视场角的函数，而右图则表示了有以近轴光线为基准的实际光线的畸变。场曲曲线图上的所有信息都可从光学特性曲线图中得到，场曲曲线与光学特性曲线图中的斜率成比例。