ZEMAX培训教程---双胶镜头设计练习吴新民Support@.tw9/14/20241版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 例子：双胶镜头设计双胶镜头是个比较好的练习：•几乎所有光学设计都有双胶合透镜，其中一块正透镜常用冕玻璃，负透镜用火石玻璃，•通过正确选择玻璃，可以校正 球差、彗差和轴向色差，•有些设计，可以通过将单透镜分裂为双胶合透镜得到改进双胶合透镜包含的结构参数有：•3个曲率半径，•3个厚度值，•2种玻璃的折射率和V-number，•光栏的位置9/14/20242版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 设计要求•用F，d, C光•EPD=50mm•F/8•FOV=10度•最小的边缘/中心厚度为4mm，最大中心厚度为18mm•使用合适的标准•选择合适的玻璃9/14/20243版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 设计过程•定义系统的孔径•定义视场和波长(各3个)•定义正确的面数•增加F/# solve•假定初始玻璃为常用的冕玻璃和火石玻璃：BK7和F2•建立优化函数，用RMS spot radius优化•增加边界约束条件•优化玻璃9/14/20244版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 第一步：系统General data设置•选择“Gen”按钮，在aperture type中选择Entrance pupil diameter，Aperture value为50。
9/14/20245版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 第二步：视场和波长的设置•点“Fie” 和“Wav”按钮，•视场角为0，7，10三个，•波长直接选择可见光9/14/20246版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 第三步：建立surface data•建立6个面，包括Obj, Stop,3 lens和image surface•输入玻璃牌号，前面为BK7,后面为火石F29/14/20247版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 第四步：为F/#添加Solve 在光学面4的curvature上，增加solve：•将surface 4的radius栏上点右键，•选择F/#的solve type，输入其值为8 ，•ZEMAX会自动调整这个面的曲率半径的值9/14/20248版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 第五步：建立优化函数•打开Editor>>Merit Function，•打开Default merit function对话框，选择RMS spot radius作为优化数据，加入边界约束条件9/14/20249版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 第六步：设置变量并优化•将2个曲率半径和4个厚度都设置为变量，•优化计算。
•结果的2D layout和ray fan如下：9/14/202410版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 第七步：分析•哪些像差已经校正了？哪些没有校正？哪个是主要的像差？光栏的位置如何？•本设计中：•(1)不需要专门指定色差的目标值•(2)缺省优化函数对轴上色差有比较好的校正•(3)将光栏向离开透镜的方向移动，会引入横向色差•(4)边界条件基本满足•(5)可以将stop向透镜的方向移动，以减小横向色差9/14/202411版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 第八步：修改设计•将光栏向透镜移动，可以将横向色差降低，但引入了象散、彗差、离焦和spot radius的扩大9/14/202412版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 改进设计•分析：•(1)一个半径是控制EFL的，另外二个是控制色差的，•(2)光栏的位置对控制象散和彗差的效果不是太理想，•(3)改变厚度的影响不是太大，特别是有边界条件约束的情况下，•(4)主要要校正像差是：球差、横向色差和轴向色差•校正球差的可能办法：(1)增加conic constant；(2)增加透镜•校正色差的可能办法： (1)移动光栏，但在这里帮助不大；(2)用新的玻璃。
9/14/202413版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 进行玻璃优化•尝试下列玻璃组合：•BK7 & SF1•BK7 & SF2•BK7 & SF5•或者直接对玻璃进行优化有几种办法：•(1)直接输入几种组合，进行优化，•(2)对拟合玻璃的方程的参数进行优化---“model”glass，一般不推荐使用，•(3)采用“substitute”的方法优化容易、速度快，推荐使用9/14/202414版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 Model Glass方法•根据折射率、阿贝数和部分相对色散项，估计二个玻璃之间距离•用RGLA优化操作数，使ZEMAX在目录中选择一个在实际玻璃附近的model glass它限定目录中与实际玻璃的折射率、阿贝数和部分相对色散的偏差•步聚：•(1)将玻璃设置为变量(Ctrl-Z)，•(2)在MF中加入RGLA操作数，target=0.05,weight=1，Wn,Wa,Wp为0，•(3)优化，•(4)再用Ctrl-Z,将玻璃转换到最近的相当的玻璃，•(5)再优化有时候更好，有时候不好9/14/202415版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 优化结果•玻璃分别为：PSK54和KZFSN5。
9/14/202416版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 Glass substitution方法•这种方法更容易、更可靠它可以用global optimization算法，也可以用hammer算法，找到更好的玻璃•步聚：•(1)将所有玻璃设置“substitute”solve，在Schott公司的玻璃，然后运行hammer，•(2)以BK7/SF5开始可能会得到BAK1/SF1 或其它组合，•(3)看看所找到玻璃的成本：将光标放在玻璃上，点GLA，BAK1的为1.67,SF1的为2.25，还可以9/14/202417版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 Glass substitution的限制•如果没有限制，会从所有目录中选择玻璃可以用下面的方法，只让ZEMAX从指定的目录中选择玻璃：•(1)在solve中指定玻璃库的名称，不同的面可以指定不同的库，•(2)用GCOS操作数，控制玻璃的相对成本，•(3)通过在玻璃目录中选择exclude复选框，排除不想要的玻璃，•(4)增加其它的操作数控制重量、折射率或阿贝数，•(5)用Tools>>glass substitute template。
可以限定材料的相对成本和其它物理化学特性，它适用于整个光学系统，只能用于global optimization中•以上方法可以同时使用9/14/202418版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 总结•一般需要限定玻璃最小中心/边缘厚度，•对EFFL操作数，可以用solve代替，•选择不同的玻璃会影响色差，它可以使曲率半径用来校正球差9/14/202419版权所有 2003 讯技光电(上海)股份有限公司 。