Zemax光学设计实例（66）---一个利用平板窗口的水下照相机的设计

导论：

散射效应限制着水的能见度。

利用Schott公式（也称为Laurent级数公式）可以计算出折射率N。

纯净水和海水在不同波长下的折射率，如下表：

海水折射率增大是由于盐的浓度高。盐浓度每提高1%，折射率大约提高0.00185.

而且，海水的温度每提高1度，折射率减小0.001。

一般地，对于水下光学系统，并且成像在空气中，若F`是第二主面到远距离物体所成像的距离，F是第一主面到像的距离，则F`=F/N，其中，N是水的折射率。

像高（没有畸变时）等于NFtanθ。

实际使用的水下光学系统的窗口类型通常为平板或同心整流罩。

平板窗口是最简单的窗口类型，在水族馆中观赏鱼类或在游泳池中使用的普通面罩都是平板窗口。

水中的角度与通过平板玻璃窗口后的出射角的关系，对于小角度光线，这种关系几乎是线性的，没有畸变，只有视场的变化，看似物镜的焦距增大了，要乘上一个倍数N（即水的折射率），对于大角度，水中的观察效果被压扁，所以畸变明显。由于海洋环境中大部分目标不是直线物体，因此，这不应当成问题。

若是一个平板窗口，则水中的最大观察角θ是

θ=arcsin（1.0/1.334）=48.5度

由于所有这些都与波长有关，所以，会有较严重的横向色差，在水族馆（大入射角）观赏鱼类就非常明显。

设计一个水下照相应用的光学系统，利用平板窗口的照相机和70mm胶片，焦距2.371in，f#为f/3.9，水中视场55度。

ZEMAX仿真：

（1）系统建模：

由设计要求，在“Units”的“Lens Units”选择“inches（英寸）”。如下图：

在孔径类型中选择“Image Space F/#”，ApodizationType选择“Uniform”。

如下图：

在Field Data里，选择“Angle（Deg）”，输入0，13，27.5，如下图：

在波长设定对话框中，输入0.546um，0.640um，0.480um，0.590um和0.515um五个波长，0.546um为主波长，权重为1，其他4个波长的权重如下图：

然后将初始结构数据都输入到LDE中，如下图：

然后查看下初始2DLayout，如下图：

（2）系统优化：

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“RMS+Wavefront+Centroid”。“Rings”选项为“4”， “Arms”选项为“8”。

增加以下操作数：

EFFL操作数，控制系统焦距，目标值2.373，权重100；

MNEG操作数，控制第3面至第12面的最小玻璃边缘厚度，目标值是0.05，权重10；

MNCG操作数，控制第3面至第12面的最小玻璃中心厚度，目标值是0.12，权重10；

MXCG操作数，控制第3面至第12面的最大玻璃中心厚度，目标值是0.7，权重10；

MNEA操作数，控制第4面至第11面的最小空气边缘厚度，目标值是1，权重50；

MNCA操作数，控制第4面至第11面的最小空气中心厚度，目标值是1，权重10；

DIST操作数，监控畸变大小，目标值是0，权重1；

CTGT操作数，控制第13面的中心厚度大于，目标值3.5，权重1；

TTHI操作数，控制第1面到第13面的总长度；

OPLT操作数，控制第8面的目标值为11.5，权重1；

MNIN操作数，控制第1面至第8面的最小d光折射率，目标值是1.5，权重10；

MXIN操作数，控制第1面至第8面的最大d光折射率，目标值是1.72，权重10；

MNAB操作数，控制第1面至第8面的最小阿贝色散系数，目标值是27，权重0.1；

MXAB操作数，控制第1面至第8面的最大阿贝色散系数，目标值是58，权重0.1；

如下图所示：

打开LDE，将所有面的半径，各个面的厚度设置为变量，如下图所示：

点击OPT开始优化。

查看优化后的2D Layout：

点列图：

Ray Fan图：

RMS Vs Fields：

MTF：

Field Curv/Dist：