光学系统像质评价

消色差双胶合透镜设计

设计性实验

一、实验目的

掌握zemax光学设计软件的使用，能进行光学器件的设计和仿真，理解各种光学设计的基本分析原理，了解像差的基本概念、意义。

二、实验内容

设计一个校正球差的消色差双胶合镜，作为望远镜物镜。孔径D=10 cm，c1=0.002957 cm-1，c2=-0.020184 cm-1，c3=-0.00771 cm-1。厚度t1=1.9 cm，t2=1.3 cm。玻璃选择：第一透镜选BaK1 （1.5725、57.55），第一透镜选BaSF2 （1.66446、35.83）。如图所示。

三、实验仪器

计算机、光学系统设计软件Zemax。

四、实验原理

几何光学设计主要采用光线追迹法（Ray tracing）来分析光线在光学系统中的传输路径。通过光线追迹法可以确定系统的一些基本参数，如焦距、光阑，入射光瞳、出射光瞳、入射窗、出射窗等。通过光线追迹法还可以分析系统像差。

五、实验步骤

步骤一：创建设计

建立新文件，并保存。

步骤二：系统参数设置

1 将单位设置为毫米，将入射光瞳直径设置为100毫米。方法：System-General。如下图。

2 对计算视场进行设计，设置了两个视场（0度和3度），本系统中视场的影响不大，因为物处于无穷远。方法：System-Fields。如下图。

步骤三：面输入

输入三个面，如图所示。插入光学面的方法为：Edit-Insert Surface或Edit-Insert After。

编辑好透镜数据之后可以查看透镜的光学结构，方法为：Analysis-Layout-2D Layout。

步骤四：系统参数计算

计算系统数据的方法：Report-System Data。结果一般如下图所示。我们记录几个数据：EFL、BFL、入瞳直径、出瞳位置与直径。

计算光线追迹数据的方法：Analysis-Calculations-Ray trace。我们只查看近轴光线数据，一般如下图所示。

步骤五：成像质量分析

进行如下的仿真，并对结果做恰当的分析。 1 像场弯曲/畸变的计算

像场弯曲通常用细光束子午弯曲T

x '和细光束子弧矢弯曲S x '来表示。两种之差为TS

T S x x x '''=-称为像散。0TS x '=表示没有像散。 计算像场弯曲/畸变的步骤为：Analysis-Miscellaneous-Field Curv/Dist 。 该图中横坐标为像散值，纵坐标为像方视场。 场畸变定义为

100

chief ref

ref

y y Distortion y -=

⨯

其中为实际主光线与像平面的交点高度，为近轴主光线与像平面的交点高度，可认为是理想像高。

2 纵向球差的计算

纵向球差通常称为球差，指轴上物点发出的不同角度的光的像点不同所产生的像差，是相对孔径高（pupil height ）的函数。

计算球差的步骤为：Analysis-Miscellaneous-Longitudinal Aberration 。不同色光的球差之差成为色球差。纵坐标为孔径高。 3 横向色差的计算

横向色差定义为不同颜色光的主光线在同一基准像面上的高度之差，属于轴外细光束像差，是视场的函数。纵坐标为像方视场。教材中通常记为FC y δ。 计算横向色差的步骤为：Analysis-Miscellaneous-Lateral Color 。

4 垂轴像差的计算

表示不同孔径的子午、弧矢光线在理想像面的交点和主光线在理想像面的交点的距离，分为X、Y方向的距离。

计算横向色差的步骤为：Analysis-Fans-Ray Aberration。该图中横坐标为孔径高，纵坐标为垂轴像差，可以计算不同视场的垂轴像差。我们只选取最小视场，单色光。方法Settings-。设置如下图所示。

5 点列图

由一点发出的各个角度的光在像面上的像点图。我们观察近轴光线的点列图。方法：Analysis-Spot diagram-Standard。

我们只选取最小视场，单色光。方法Settings-。设置如下图所示。

6 几何调制传递函数

Analysis-MTF-Geomatric-MTF。当空间频率增大到某一值时，MTF=0，这一频率成为空间截止频率。MTF=0.136是的空间频率称为系统的极限分辨率。

根据几何调制传递函数求系统的空间截止频率、极限分辨率。

六、讨论

将曲率进行修改，分别修改为c1=0.011488 cm-1，c2= -0.011503 cm-1，c3= -0.000804 cm-1。其它参数不变。计算纵向球差，并与前面的结果比较。

计算正弦差，轴向色差