Zemax学习笔记（7）- 双透镜设计实例

凡八哥 · 发表于 2023-2-27 18:47:04

1.简介
2.设计要求
3.设计步骤
- 3.1 先设计一个单透镜观察一下
  - 3.1.1 设置
  - 3.1.2 分析
  - 3.1.3 优化
- 3.2 在之前的基础上设置双透镜
  - 3.2.1 设置
  - 3.2.2 优化
  - 3.2.3 分析

1.简介

一个双透镜包含两个镜片，通常而言是胶合的，因此他们有一个共同的曲率。但是Zemax无法模拟胶合，只能简单的表示两个透镜接触。

通过使用两个具有不同色散特性的玻璃，一阶色差可以被校正。

2.设计要求

F/4
焦距：100mm
光谱范围：可见光谱范围内
材料：BK7 SF1

3.设计步骤

3.1 先设计一个单透镜观察一下

3.1.1 设置

①新建一个Zemax文件，在系统选项-波长下启用两个新的波长，这样我们就有三个波长了。输入三个波长486,587,656nm，Zemax一般选用微米作为波长的单位。并将第二个波长选为主波长，如下图所示。
②设置系统孔径
孔径为f=100mm除以F=4得到孔径值为25mm。
在系统选型-系统孔径中设置入瞳直径为25.0mm
③在镜头数据窗口上插入新行并输入数据。
因为孔径值为25mm，合理的厚度为4mm。
假设透镜的前后曲率分别是100和-100。
同时要在焦点处设置像面的位置，因此输入第2面的厚度为100mm。如下图：

Zemax学习笔记（7）- 双透镜设计实例-1.jpg

3.1.2 分析

观察像差

Zemax学习笔记（7）- 双透镜设计实例-3.jpg

左边的ey，是Y方向的像差，也叫YZ面的，子午面的；右边的ex，是X方向的像差，也叫XZ面的，弧矢面的。

这个图中光线特性曲线通过原点的倾斜表明了有离焦的现象，从3.1.1图中也可以很明显的看出来。这是一个很明显的错误。主要是从靠近原点处的斜率太大看出来的。

可以通过第2面厚度Solve来解决。如下图，将固定类型改为边缘光线高度，并设置为0。这样可以使像面上的边缘光线高度变为0，达到消除离焦的目的。之后，2面的厚度也会自动发生改变。

Zemax学习笔记（7）- 双透镜设计实例-4.jpg

可以看到，离焦问题得到了明显的改善。现在的主要像差的问题是球差。球差就是这样的：

Zemax学习笔记（7）- 双透镜设计实例-6.jpg

3.1.3 优化

①设置自由变量
把如图所示的三个参数后标改为V即可。可以用离焦来补偿球差

Zemax学习笔记（7）- 双透镜设计实例-7.jpg

② 定义评价函数

优化-评价函数编辑器
优化-优化向导

Zemax学习笔记（7）- 双透镜设计实例-8.jpg

RMS 是计算（像面上）各光线与参考点（主光线或弥散斑几何中心）的均方根。
PTV 是计算（像面上）各光线与参考点（主光线或弥散斑几何中心）的峰谷差值（即最大最小值），在极少数情况下，均方根误差不如像差的最大程度重要。例如，如果所有光线都必须到达探测器或是光纤上的一个圆形区域内，此时PTV 可能是更好的标识成像质量。这一评价函数的类型致力于使峰谷值误差最小。但是，评价函数值并不是实际的峰谷值误差。

但这样可能是不够的，因为没有限制焦距。那么Zemax在计算的时候可能就会发现当像面在无穷远处得到的像是最小的，各种误差也是最小的。所以需要在评价函数里边加入EFFL（有效焦距） 的限定。焦距目标设为100，权重设为1。

Zemax学习笔记（7）- 双透镜设计实例-9.jpg

之后执行优化，选中自动更新，开始。

最终的优化结果。

Zemax学习笔记（7）- 双透镜设计实例-10.jpg

3.2 在之前的基础上设置双透镜

3.2.1 设置

Zemax学习笔记（7）- 双透镜设计实例-12.jpg

3.2.2 优化

①优化函数基本上跟之前一样，加上玻璃的最小最大厚度即可。

Zemax学习笔记（7）- 双透镜设计实例-13.jpg

②设置自由变量

③ 执行优化

3.2.3 分析

我们已经减小了色差的线性项，二阶色差开始占优势，因此看到光线光扇图像抛物线形状。

CSDN原文链接
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执着等待等wc · 发表于 2023-2-27 18:47:59

请教老师两个问题：
1.在之前的课程中出现离焦的情况使用的是快速聚焦，本节课中采用的是边缘光线高度为0的求解方式，那么二者有什么区别或者说二者的使用场景有哪些不同？
2.之前的课程中使用了F#的求解方式，本节课中采用了有效焦距的方式，那么这两种方式在使用时如何进行选择？

纵横捭阖804 · 发表于 2023-2-27 18:48:33

理论上，焦点处边缘光线高度为零0，在近轴情况下两者是等价的，但如果非近轴情况，或者成的像RMS半径太大，采用边缘光线高度不一定能得到有效解，这时候用快速聚焦能将像面快去调整到成像最小的平面上。[思考]F/#是F数，等于系统孔径除以焦距。一般用来限制系统孔径的，可以直接设置。有效焦距EFFL是操作数，用来约束评价函数的，除了有效焦距还有几百个操作数，在优化的时候选择合适的操作数用来当做目标，把系统朝想要的方向优化。具体还得自己多动手练练，看看Zemax操作手册，应用光学，工程光学，光学设计结合Zemax教程等，多看看

和你相伴1 · 发表于 2023-2-27 18:49:29

您好，我想问一下，就是在一开始设置孔径值的时候。为什么因为孔径值为25mm，合理的厚度就是4mm呢

确实是个孩子谥 · 发表于 2023-2-27 18:50:16

有一些经验公式

寻梦敦煌 · 发表于 2023-2-27 18:51:04

老师您好，请问这个前半部分的光线像差图是怎么看出有离焦的？谢谢老师！

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