光路中有棱镜的望远物镜设计

时间：2022-02-12 理论教育版权反馈

【摘要】：由于望远物镜要和目镜、棱镜式或透镜式转像系统配合使用，所以在设计物镜时应考虑它和其它部分像差补偿。在物镜光路中有棱镜的情况下，所设计的物镜像差应和棱镜互相补偿。由于ZEMAX具有比较灵活的像差校正功能，物镜初始结构直接利用在上节消色差双胶合物镜优化的结果。在上述设计基础上，可利用ZEMAX自动替换玻璃功能实现玻璃替换，来进一步改善像质。

15.4.2　光路中有棱镜的望远物镜设计

由于望远物镜要和目镜、棱镜式或透镜式转像系统配合使用，所以在设计物镜时应考虑它和其它部分像差补偿。在物镜光路中有棱镜的情况下，所设计的物镜像差应和棱镜互相补偿。现介绍利用ZEMAX自构评价函数控制物镜剩余像差与棱镜像差互相补偿的方法。

物镜光学特性与上一节要求相同：f＇=250mm，D/f＇=1/5，l＇_Z=0，棱镜等效玻璃厚度为150mm，玻璃材料为K9。

物镜光路中的棱镜产生的轴向像差可以利用平板玻璃像差计算公式计算获得，其结果如图15.26和表15.16所示。对应的物镜剩余像差的要求为：δL＇_m=－0.2783mm，δL＇_0.707H=－0.1367mm，δL＇_FC0.707H=－0.5245mm，δl＇_FC=－0.5241mm与棱镜像差互相补偿。

由于ZEMAX具有比较灵活的像差校正功能，物镜初始结构直接利用在上节消色差双胶合物镜优化的结果。根据剩余球差和色差要求，为实现像差补偿，在评价函数中利用像差控制操作符进行构建评价函数，如图15.27所示。图中第3行至第11行增加如表15.17中所示控制符。此时，电子表格中显示物镜的像差为δL＇_m=0.00234mm，δL＇_FC=－0.0017 mm，SC＇_m=－0.00253。

图15.26　150mm厚K9平板玻璃球差曲线

表15.16　150mm厚K9平板玻璃球差数据

正弦差SC＇_m=－0.0011

图15.27　自建望远物镜评价函数

表15.17　剩余像差操作符

注：表中第6行Weight值设为10，其原因是在望远物镜要求校正的三种像差中，通常首先校正色差。

执行优化操作后，望远物镜结构参数如表15.18所示，像差结果图15.28和表15.19所示。

表15.18　K9－ZF1望远物镜结构参数

图15.28　K9－ZF1望远物镜球差曲线

表15.19　K9－ZF1望远物镜球差数据

正弦差SC＇_m=0.00029

物镜光路中，加入150mm厚K9平板玻璃后的像差结果如图15.29和表15.20所示。

15.29　K9－ZF1望远物镜+棱镜球差曲线

表15.20　K9－ZF1望远物镜+棱镜球差数据

正弦差SC＇_m=－0.00082

对比表15.16、表15.19和表15.20，可以看出第三个表中的数据为前2个表中对应项数据之和。说明光学设计中分部分设计，组合系统的像差是各分部分像差之和，采用分部设计有利于简化设计，提高设计效率。

根据第14章介绍的望远物镜的像差公差要求，所设计的物镜像差公差要求如下：

焦深：Δ===－0.059mm；

球差：当系统只存在初级球差时，边缘球差：δL＇_m≤4Δ≈0.24mm；

　　　当边缘球差校正为零时，0.707H的剩余球差：δL＇_0.707H≤6Δ≈0.36mm；

轴向色差：初级色差：δL＇_FC≤Δ=0.059mm；

色球差：ΔL＇_FCm=－Δl＇_FC≤2Δ=0.12mm；

正弦差：SC＇_m≤0.0025。

对比表15.20可以看到，除色球差ΔL＇_FCm=0.1729mm＞0.12mm超差外，其余像差都在公差范围，像质基本满足要求。

在上述设计基础上，可利用ZEMAX自动替换玻璃功能实现玻璃替换，来进一步改善像质。具体过程如下：在ZEMAX的LDE窗口将高亮条移至玻璃ZF1处，按鼠标右键或双击弹出Glass Solve对话框，如图15.30所示。设置Solve Type为“Substitute”，玻璃库Catalog为“中国GB903－87”。对应的ZF1后出现“S”，表示ZEMAX在寻找更好的设计方案过程中将在中国GB903－87玻璃库中自动改变玻璃类型。最后，在ZEMAX主菜单中，选择Tools/ Hammer Optimization…调用锤形（Hammer）优化弹出如图15.31所示的对话框，并执行锤形优化。