zemax双胶合消色差透镜设计
1 双胶合透镜设计规格参数
EPD: 50mm
F/8
10 FFOV
波长:F,d,C
边界限制:最小中心和边厚4mm, 最大18mm
材料自选
优化最小 RMS Spot Radius, 最小色差
2 系统参数的输入
2.1 入瞳直径
2.2 输入视场
输入波长
3 双胶合透镜初始结构
单透镜是由两个表面加中间材料构成的,双胶合透镜在设计时增加了一种材料,相当于两种材料的两个单透镜贴合在一起,但由于胶合连接部分是一个表面,所以双胶合由3个面组成。
对于材料的选取,需要了解阿贝常数的概念:即表示玻璃色散强弱的一个系数。通常色散系数计算时多用中间波长d光作参数,用Vd表示玻璃色散强弱,公式如下:
Vd = (Nd-1)/(Nf - Nc)
表示不同波长的光,通过材料后最短波长和最长波长的分离情况。色散能力越强的材料Nf-Nc值越大,而这个值作为Vd的分母使Vd越小。所以我们有这样一个结论:Vd越小色散越强,Vd越大色散越弱。通常Vd值以50为界限,Vd大于50表示低色散材料,常值冕玻璃类型,名称中有K表示。Vd小于50表示强色散材料,常指火石玻璃,名称中有F表示。
在双胶合消色差的原理中,就是通过强色散玻璃与弱色散玻璃组合,使色散相互补偿,达到消色差目的。本例中使用BK7和F2。
3.1 镜头数据编辑
3.2 第3面Radius设置
4 设置变量和评价函数
4.1 设置变量
4.2 设置评价函数
5优化双胶合透镜
5.1查看双胶合透镜结构光路图与像差畸变图
从光斑图上看,可明显看出视场像散及场曲作为目前系统的主导像差,从虚拟面的厚度设置为变量。
5.2重新优化双胶合透镜
在透镜数据编辑器“STO”单击左键,按“Insert”键插入1个面。将此面设置为光阑面,即选择Make Suface Stop。
并将光阑面厚度设置为变量
重新优化后的光斑图和光扇图结果
从图上分析系统的主导像差:可以从光斑图的第3个视场上明显看出3种波长光斑分离,在光扇图上第3个视场也可以明显看出3个波长的像差曲率分离程度。这都说明了当前系统的主导像差从之前的像散转化为现在的像差。为进一步提供像质,我们需要重点校正系统的色差。
6 玻璃优化-矫正色差
系统主导像差为什么由之前的像散占主导变为了色差占主导?我们把光阑从透镜上移出后,轴外视场像差(像散、场曲、慧差)都会得到较大的改善,而色差和畸变会相应变差,但总体光斑却是变小的,这就是像差的平衡方法。
想进一步提高系统光斑,就要减小主导像差:色差。色差大小受视场光阑和材料影响。只能提供改变材料来尝试提高。
开始使用的BK7和F2两种材料组合,但并不一定是最佳材料组合,我们可以让软件替换这两种材料,找到其他最佳组合形式,这就是玻璃的优化。
在玻璃材料栏上单击右键,打开玻璃求解类型,其中有个Substitute,称为玻璃替代,在优化时,软件会自动从当前玻璃库中提取材料,对当前材料进行替换,然后优化得到一个结果,然后再替换其他玻璃再优化。
将两种材料都设置为Substitute求解类型,此时注意:玻璃的替代是一种离散取值,不能用Optimization方法来优化,因为它是局部连续优化。需要用锤形优化(Hammer Optimization)来优化。 下面来优化玻璃
在透镜数据编辑器栏“BK7”处点击鼠标右键,如下设置
在透镜数据编辑器栏“F2”处点击鼠标右键,如下设置
如下选择Hammer Optimization
点击Start开始优化,优化后可以手动点击Stop停止优化
查看优化结果
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