光学设计CAD：基于ZEMAX的望远物镜优化设计

一、实验目的和要求

1、实验目的：
通过设计实验，加深对已学几何光学、像差理论及光学设计基本知识、一般手段的理解，并能初步运用；学会使用ZEMAX软件对开普勒望远镜物镜进行优化设计。
2、实验要求：
（1）、具备独立查阅光学设计理论和像差分析的相关文献和资料；
（2）、能提出并较好地的实施方案；具有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。
（3）、具备独立设计优化望远物镜组，能用ZEMAX软件对初级像差进行分析和校正，从而对镜头进行优化设计的能力。
（4）、学习点列图和3D图形分析像质的简单方法。
（5）、具备采用计算机软件进行数值计算、仿真、绘图等能力。

二、主要仪器设备

PC机一台（装有ZEMAX光学设计软件、Office办公软件、画图软件等）。

三、实验内容

1、实验内容：
利用ZEMAX软件来设计一个4倍开普勒望远镜的物镜，技术指标要求：焦距100mm、相对孔径D/f’=1/5、视场角3；在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；成像质量：MTF 轴上>40%@30lp/mm，轴外0.707 >35%@30lp/mm；最大畸变<1%。
2、实验基本步骤：
（1）、回顾学习开普勒望远镜的设计原理和类型；
（2）、确定开普勒望远镜的基本性能要求，并确定恰当的初始结构打开ZEMAX软件，
（3）、生成标准点列图，并与艾利斑对比来进行像质的简单分析。点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新建一个新的空白透镜。
（4）、在LDE（透镜数据编辑器）中输入相关透镜的曲率半径、厚度和玻璃类型值。
（5）、在主菜单-系统中设置孔径值，并沿用默认的波长和物高、数值孔径值。
（6）、生成光线像差特性曲线、2D、3D图层曲线和实体模型、渲染模型等分析图来观察此时的成像质量。
（7）输入镜头组数据，设置评价函数操作数，进行优化设计和像差结果分析；进行优化设计。
（8）、更新后重新观察此时的3D类分析图，观察此时的成像质量和效果。
（9）、给出像质评价报告，撰写课程设计论文，更名存盘后生成报告。

四、实验结果及数据分析

1、初始数据：

焦距：f′=100mm
相对孔径：D/f′=1/5(即入瞳直径D=20mm)
视场：视场角2ω=3°(ω=1.5°)
波长：(F,d，C)=(0.48613270μm,0.58756180μm,0.65627250μm)
材料：选择为BK7玻璃。

(1)、光学数据表——LENS DATA：

（图5-1-1）望远物镜系统优化前Lens Data数据表
初始的单透镜，前后两个表面的曲率分别为82.688mm与-82.688mm，设置系统优化函数，增加EFFL焦距优化参数目标焦距target为100mm，权重weiget为100%，并且设定两个曲率半径为变量，进行优化。单透镜优化后数据记录如下表（整个系统优化前结果）：

（表5-1）望远物镜系统优化前成像质量记录
(2)、光学系统图——LAY：

（图5-1-2）望远物镜系统优化前光学系统图Layout
此时望远镜只有一个透镜。材料为BK7，其系统总长为102.20345mm。
(3)、光线像差特性曲线——RAY：

（图5-1-3）望远物镜系统优化前光线像差特性曲线
子午对应EY、PY弧矢对应EX、PX，“S”行形状的Ray fan表示这个系统有球差。多个“S”形状的Ray fan表示这个系统有高级球差。而分析上图知道此系统存在球差。而双胶合物镜可以同时矫正球差、色差和彗差。
(4)、场曲畸变图——FCD：

（图5-1-4）望远物镜系统优化前场曲畸变图
上图中左侧为场曲，右侧为畸变T为子午、S为弧矢，横坐标为百分比值。可以看到此时的畸变最大值为-0.001%左右，已经满足系统设计最大畸变小于1%的要求。
(5)、点列图——SPT：

（图5-1-5）望远物镜系统优化前点列图
点列图中，RMS Radius与GEO Radius，前者表示点列图中大多数点的分布范围，即集中的弥散半径，后者表示点列图弥散的实际几何半径。其弥散半径比较大，系统的成像质量也较差。
(6)、光学传递函数图——MTF（30lp/mm）：

（图5-1-6）望远物镜系统优化前MTF
MTF调制传递函数，其低频部分反映物体轮廓传递情形；中频部分反映光学物体层次传递情况；高频部分反映物体细节传递情况。系统要求成像质量：MTF 轴上>40%@30lp/mm，轴外0.707 >35%@30lp/mm，但是观察上图可以发现轴上0°与轴外0.707ω（1.06°）均不到15%，达不到要求，需要后序继续优化。
2、优化后数据：
材料选择为BK7+SF1组合。
增加新透镜优化后的数据记录如下表（整个系统的优化后结果）：

（表5-2）望远物镜系统优化后成像质量记录
（1）、光学数据表——LENS DATA：
在系统像平面之前增加一个透镜，并将其曲率半径设置为变量，其优化后Lens Data数据表如下所示：

（图5-2-1）望远物镜系统优化后Lens Data数据表
（2）、光学系统图——LAY：

（图5-2-2）望远物镜系统优化后光学系统图Layout
优化后的系统总长为104.84784mm。
（3）、光线像差特性曲线——RAY：

（图5-2-3）望远物镜系统优化后光线像差特性曲线
系统的Ray Fan曲线S形状不再明显，并且MAXIMUN SCALE从±500μm变成了±50μm，说明球差被改善，虽然并没有完全消除球差，但是已经进入一个比较合理的范围中。
（4）、场曲畸变图——FCD：

（图5-2-4）望远物镜系统优化后场曲畸变图
可以看到满足最大畸变小于1%的要求，除此之外，场曲最大值、畸变的最大值，都相对于只有一个BK7透镜时的系统有了极大的改善。
（5）、点列图——SPT：

（图5-2-5）望远物镜系统优化后点列图
观察优化后的点列图，其RMS半径基本从将近100μm减小到10μm左右甚至6μm，相对于系统优化前改善了十倍之多。
（6）、光学传递函数图——MTF（30lp/mm）：

（图5-2-6）望远物镜系统优化后MTF
修改MAX Frequency值为30，同样，可以看到MTF轴上0DEG蓝色的光线，与最大值（30lp/mm）的交点在0.7以上满足大于40%的要求，0.707ω(1.06DEG)的绿色光线与最大值的交点也在0.6以上，满足大于35%的要求（T和S都满足）。综合前面的最大畸变小于1%，整个系统优化基本完毕。

五、实验心得体会

本次实验，需要用之前设计的单透镜的前后两个表面的曲率半径(也可以不采用)：82.866mm、-82.866mm。点击新建，以抹去打开时默认显示的上一个设计结果，同时新建一个新的空白透镜。在LDE（透镜数据编辑器）中输入相关透镜的曲率半径r1=82.866mm、r2=-82.866mm，厚度d=4mm和玻璃类型BK7，系统入瞳直径D=20mm，设定三个视场角0、0.707ω（1.06°）、ω（1.5°），设定波长（F，d，C）并设定主波长为d光。
在设定完毕基本的数据参数以后，设置默认优化函数并增加EFFL优化参数，设置变量之后进行优化，记录第一次优化的数据。之后在像平面之前增加一个新的表面，形成双胶合物镜，设置玻璃类型为SF1（BK7-SF1相对应，也可以采用BK7-F2）。修改第二个表面的厚度、设置新增加的折射面曲率半径为变量，然后进行第二次优化，对比两次结果。基本上完成了对最初时单透镜望远物镜的优化工作（优化过程中可以打开MTF图并设置Opt的AutoUpdata为自动更新，可观察优化的整个过程）。
通过本次实验，我学习了望远物镜的不同类型与双胶合物镜的设计方法，对于物镜系统的优化与ZEMAX的默认优化函数的应用有了进一步的了解。对于双胶合物镜的优点从像差校正方面有了更深一步的了解。