Zemax操作30--目镜基础知识和凯涅尔目镜仿真

本篇内容先简单介绍目镜的基础知识，然后做了一个凯涅尔目镜实例

目镜特点

1. 焦距短

放大率=250 / 焦距

一般目镜通过缩小焦距来增加放大率，一般为几十或者几个毫米

2. 视场角大

tan w' = 放大率 * tan w （目镜的像方视角为w'，物镜的视场角为w）

目镜焦距越短，对应的视场角就越大，同时可获得较大放大率，目镜视场角一般都大于40°甚至大于90度

3. 镜目距

镜目距指的是出瞳到目镜最后一面顶点的距离，也是观察时眼睛瞳孔的位置，镜目距一般大于6mm

4. 相对孔径小

出瞳直径一般与眼瞳相当2~4mm，而目镜焦距较大，为15~30mm。所以相对孔径较小

5. 工作距离

指目镜第一面顶点到物方焦平面的距离，一般物镜的像在目镜的像方焦平面附近

像差特点

1. 其焦距短、视场大、相对孔径小决定了其轴上像差不大，但轴外像差（慧差、像散、场曲、畸变、倍率色差）很大

2. 目镜与物镜像差相互补偿

目镜的类型

1. 简单目镜：平凸单透镜、冉斯登目镜、惠更斯目镜（后两个都是由两个平凸单透镜组合而成）

2. 凯涅尔目镜：把冉斯登目镜中的接眼镜换成双胶合透镜组，可以校正倍率色差

3. 对称式目镜：两个双胶合透镜组成，结构紧凑

4. 无畸变目镜：具有较大出瞳距的目镜，由一个平凸接眼镜和一组三胶合透镜组成

5. 广角目镜：以上的目镜视场在40度左右，广角目镜在60度以上

凯涅尔目镜的仿真

要求：放大倍率为6的望远目镜，目镜焦距 f=20mm，出瞳距 lz1=10mm，视场角2w’=45.5°，出瞳直径D=5mm，不考虑和物镜的像差补偿

目镜一般由场镜和接眼镜两部分构成。其中场镜一般为放置在中间像面（视场光阑）附近的一块平凸透镜，作用是调整系统出瞳距，使系统满足光瞳衔接的要求，转折光路，以减小目镜横向尺寸

我们采取光线反追的方法，符号正负要反过来

经验公式：f眼=1.2*目镜焦距=1.2*20=24mm

图中的由 1/lz1’-1/lz1=1/f眼得lz1’=-17.2mm

接眼镜和场镜之间的距离要略小于20mm，我们取18mm

lz2=lz1' - d =-17.2-18= -35.2mm，考虑两个透镜组的主平面位置，去lz2=-42mm

像距：lz2’=放大倍率*目镜焦距+后截距Lf’=6*20+5=125mm

1/lz2’ - 1/lz2 = 1/f场' ，得f场'=31.4mm

我们采用PW法计算得到r1=68.966mm，r2=14.502mm，r3=-14.797mm，p1=0.348，p2=1.655，p3=-1.622（PW法我们以后介绍）

场镜为平凸，材料K9，根据φ=（n-1）*(p1-p5) = (1.5163-1)(1/r4-1/无穷)=1/31.4 ，得r4=16.2,r5=无穷，我们取场镜厚度为4.5mm

Zemax操作

由所给条件和计算得到的参数：

物距：无穷

半场视角：22.75°

入瞳直径：5mm

波长：F,D,C

折射面：曲率半径r1=68.966mm，r2=14.502mm，r3=-14.797mm、r4=16.2mm、r5=无穷。另外d1=1.5mm、d2=4.5mm，d=18mm，d3=4.5mm，同时有n1=1.712（ZF3）、n2=1.5891（ZK3）、n3=1.5163（K9）

入瞳距：lz=-10mm，光阑单独设置

优化调整焦距19.5mm~20.5mm

光瞳要衔接，目镜出瞳距在110~130mm均可

设置波长、入瞳直径，视场设置如下图，分别对应0、0.5、0.7、1倍的视场

可以发现系统的有效焦距EFFL已基本满足，答案是后截距（6面的边缘光线高度）为2.143不满足5，打开分析--报告--系统数据，可以发现出瞳位置为84.8，不按组110~130

如图把两个空气厚度设为变量

打开优化向导，确定后插入三个操作数

插入操作数EFFL控制焦距，CTVA控制后截距，EXPP控制出瞳位置，优化

可以发现基本达到设计要求