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