变焦物镜设计

时间：2023-02-12 理论教育版权反馈

【摘要】：本节通过介绍某显微镜视频图像显示转换CCD变焦物镜的设计，说明ZEMAX多种结构功能的应用。在所设计的变焦物镜中，将所有曲率半径以及间隔1和间隔7设为自变量，当调用优化程序时，优化程序将自动调用这些变量参与优化。在所建立的默认评价函数中可根据设计要求增加相应的操作符控制，如边界条件、光学特性参数等设定，具体方法与前面介绍的相同。说明变焦物镜像差校正已到达比较理想的状态。

15.4.5　变焦物镜设计

ZEMAX提供了多重结构（广义变焦）同时优化的功能。多重结构指光学系统在设计过程中有一个或多个结构参数变化（注：该结构参数的变化不是指参与优化过程中的结构变量的变化，而是指在实际工作状态时结构参数的变化），这些参数可以是透镜之间的距离、透镜的半径、材料，也可以是设计波长、光瞳大小、视场范围等。不同的结构对应于有不同的结构参数值。当变化的参数仅为透镜之间的空气间隔时就是传统的变焦镜头（狭义变焦）。比较常见的多重结构有插入拔出元件系统（比如光路分光系统和在平行光路中起变倍作用的伽利略望远系统）、分色系统（波长作为变化）、扫描系统（元件的空间角度位置作为变化）、头盔显示系统（观察眼的位置作为变化）。ZEMAX在设计这些多重结构的光学系统时，可以设置不同的结构参数，并且可以同时分析和优化所有的结构成像质量，避免了系统在某种参数时成像质量很好，但在参数变化时成像质量很差的情形，如变焦镜头，在整个变焦过程中则可以保持成像质量一致。

本节通过介绍某显微镜视频图像显示转换CCD变焦物镜的设计，说明ZEMAX多种结构功能的应用。设计要求为：焦距：f＇=60～120mm，l＇_F≥80mm，接收器：1/3″CCD（3.6×4.8mm²），入瞳为显微镜转接口处的出瞳，直径D=6mm。

图15.43　CCD变焦物镜光学系统示意图

根据光学特性：相对孔径和视场都比较小、而后截距大的特点，CCD变焦物镜的形式选为负双胶合透镜和正胶合透镜组合，变焦光学系统如图15.43所示。利用组合透镜光焦度公式：φ=φ₁+φ₂=dφ₁φ₂，改变透镜组之间的间隔来改变整个物镜的焦距。通过计算，负双胶合透镜和正胶合透镜的焦距分配为f＇₁=－105mm和f＇₂=60mm，透镜组之间的间隔变化范围为3～57mm。由于变焦过程中透镜的通光口径和视场均不大，初始结构参数经计算列于表15.47中。

表15.47　负双胶合透镜和正胶合透镜初始结构参数

初始结构确定后，按照通常的方法，打开LDE首先输入一组透镜初始结构参数作为基本结构，如图15.44所示。同时设定工作波长、视场以及入瞳直径和位置。工作波长及权重大小选择应根据CCD器件光谱响应特性而确定，示例中选择g、D、C谱线为工作波长仅作为参考。视场由CCD靶面确定，设定为实际像高（Real Image Height）：0、2.1mm和3.0mm。基本结构定义好后，不需要立即优化，可以在与后面定义结构一起来优化。变焦物镜实现变焦与变焦过程中像面位置基本不变，是通常改变透镜组之间的间隔实现的。要实现焦距60mm～120mm之间变化，透镜组之间的间隔（间隔序号4）变化约为3mm～57mm。为保证变焦过程中成像质量基本一致，该间隔现选择5个位置值3mm、17.5mm、30mm、42.5mm和57mm，来同时校正像差。与此同时要保证像面位置不变，相应的入瞳距（间隔序号1）和后截距（间隔序号7）也应调整。这样序号为1、4、7的一组间隔取值的不同，构成了不同结构形式。多重结构的参数可用多重结构编辑器（MCE）输入。具体操作如下。

图15.44　变焦物镜初始结构参数

从ZEMAX主菜单条中选择Editors/Multi－Configuration，打开如图15.45所示MCE界面。使用MCE菜单条中Edit下命令Insert Config（插入结构－列）和Insert Operand（插入操作数－行）建立多重结构编辑电子表格。输入相应的控制操作符，定义多重结构，如图15.45（b）所示。图15.45（b）中，每列表示一个结构，每一行表示不同结构中，同一操作符的不同取值。列标题Config#表示第#结构，数字后有*号的结构为当前结构。

图15.45　多重结构编辑器（MCE）界面

多重结构建立后，可以和通常情况一样对不同结构进行分析。不同的是对于所有的计算分析和图表显示信息，仅针对当前结构。若改变当前结构，可双击MCE中对应结构顶部的列标题，或按快捷键是Ctrl+A，shift+Ctrl+A轮流改变。初始多重结构中部分结构的点列图和几何传递函数参见图15.46。

图15.46　初始结构1、3、5的点列图和几何传递函数

ZEMAX中多重结构数据的优化与单结构优化基本一样。在所设计的变焦物镜中，将所有曲率半径以及间隔1和间隔7设为自变量，当调用优化程序时，优化程序将自动调用这些变量参与优化。具体设置与常规相同，在LDE和MCE中将光标放在半径和间隔参数上，然后按下Ctrl+Z。

为了同时优化全部的结构，可以从MFE界面的Tools菜单中选择“默认评价函数”，ZEMAX将会自动建立一个的评价函数。本设计中选用的默认评价函数为：RMS spot radius centroid GQ 5 rings 6 arms。多重结构评价函数与单一结构的评价函数略有不同。多重结构评价函数中，使用操作符CONF与结构序号来控制对应结构的优化。在评价函数的求值过程中这个特殊的操作符CONF将改变对应的结构。评价函数中，在当前CONF后面到下一个CONF之前所定义的所有操作符序列仅与当前结构有关。在操作数序列中可以多次使用CONF来对不同结构进行求值。采用这种体制的优点是，在每个结构中输入操作符以及它们各自的目标值和权重可以不同，实现对不同结构的不同控制。

在所建立的默认评价函数中可根据设计要求增加相应的操作符控制，如边界条件、光学特性参数等设定，具体方法与前面介绍的相同。变焦物镜设计中，要求不同的组元在像质优化时焦距分配保持不变，如负双胶合透镜焦距要求为－105mm，正双胶合透镜焦距要求为60mm，在评价函数中通过增加EFLY操作符实现控制。另外，为保持像面位置不变，在评价函数中用TOTR操作符控制入瞳到像面的距离在不同结构中为相同值，具体实现见图15.47。