复消色差镜头设计

Epyon

镜头设计的指标源于每周一题第四周的帖子，时间有点久远，故重新开贴，希望可以讨论交流，具体如下：
设计指标要求：
1、有效焦距：250mm                                                                                                          √
2、F数：5                                                                                                                            √
3、视场：18度                                                                                                                     √
4、波段：0.4-0.7um（改为了连续光谱）                                                                             √
5、最大畸变：3%                                                                                                                 √
6、后焦距（BFL）大于50mm                                                                                               √
7、系统总长： 小于340mm                                                                                                   √
8、设计MTF：所有谱段成像尽量近衍射极限，可略微降低点。                                            √
9、允许所有谱段同时工作，且均成像在同一固定像面处，无任何调整机构和参数。             √
10、使用成都光明玻璃材料，因为系统要无热化设计，镜片数量不得超过8片，使用材料不得超过3种，且不得使用dn\dt非常大的材料。（选做）                   采用了肖特的玻璃，要求3种材料无法满足


设计过程如下：
1：首先确定镜头镜片的分布，参考《Method of glass selection for color correction in optical system design》一文的镜头，第一组和第二组采用三片式复消色差透镜组，第三组则由两片弯月型透镜构成；
2：光焦度分配，设计指标要求焦距为250mm，其对应光焦度为0.004，将光焦度平均分配到三组透镜组上，则各自光焦度为0.001333，对应焦距为750mm；
3：设计单组三透镜式复消色差透镜组，焦距为750mm，参考一书《Introduction to Lens Design With Practical ZEMAX examples》复消色差透镜的设计方法，材料同样参考书中的例子，计算出薄透镜参数，然后优化薄透镜组，目标优化spot size，色差和控制焦距，完成后将透镜厚度化，进行相同的优化，然后将透镜间距也设置为变量，做相同优化，最后将材料也设置为变量做相同的优化到较优结果，初步完成单透镜组的优化，优化过程只考虑轴上视场；
4：将第3步得到的单组三透镜式复消色差透镜组对称化，得到两组透镜组构成的镜头，两组之间应加入光阑，光阑到两边宽度先设置一个数，然后加入轴外视场，先最大加入5°左右，此时透镜组的焦距为375mm左右，优化时也应该控制在该值左右，优化目标为spot size、色差、畸变和焦距，此时畸变应该不错，基本上做监控即可，不要超出3%，边优化边监控，首先将透镜曲率、厚度、间距设置为变量，优化的差不多，再将材料设置为变量，材料需要前后组对称，将该步优化到较优的结果；
5：加入第三组透镜组，第三组第一片和镜头第一片透镜同材料，第三组第二片和镜头第二片同材料，优化目标为spot size，色差，畸变和焦距，焦距目标为250mm，优化透镜曲率、厚度、间距，边优化边逐步扩大视场到9°，优化到较优的结果，然后将透镜材料设置为变量，继续优化，优化到较优结果后，将最后一片透镜材料也设置为变量，继续优化，优化到较好的结果后初步完成设计。

江氏哥

Method of glass selection for color correction in optical system design这本书能否分享下

fishboy

江氏哥 发表于 2018-5-15 11:35
Method of glass selection for color correction in optical system design这本书能否分享下

请看这里。

小渣渣

楼主有没有zemax文件共享下，这里面优化函数的设置不是很清楚

Epyon

小渣渣 发表于 2018-5-15 13:47
楼主有没有zemax文件共享下，这里面优化函数的设置不是很清楚

已发在附件里面了

我是子风子

看了楼主的原文件，说几点自己的想法。
1.透镜1和2；5和6相邻面的曲率半径太接近，后期公差分析有可能导致公差过紧。
2.透镜7和8与同心圆的趋势，如果考虑到加工，制作难度很大，增加成本。
3.对于你的优化函数设置，很好奇，为何设置那么多的ETVA来控制边后。一个MNEG不就全搞定了吗？同理CTVA。另外，二级光谱的矫正用PARR这个操作数，想请教一下，为何这么设置？

Epyon

我是子风子 发表于 2018-5-16 08:53
看了楼主的原文件，说几点自己的想法。
1.透镜1和2；5和6相邻面的曲率半径太接近，后期公差分析有可能导致 ...

非常感谢你好建议，学到不少！
1：重新看了一下设计，1和2,5和6透镜相邻面的曲率半径非常接近，后面尝试将它们做成胶合和透镜试试：
2：当时设计没有考虑到这个问题，是个失误，后面尝试改善：
3：之所有设置这么多个CTVA和ETVA操作数，是想单独查看和控制每片透镜的中厚和边厚；PARR操作数的用法是参考《Introduction to Lens Design With Practical ZEMAX examples》一书，大致思想是这样，控制三波长一定孔径下的近轴光线在像面上交于同于一点（即保证像面上径向交点相同），以此在来保证复消色差优化，如果理解有误，麻烦指出，谢谢！

惠更斯

楼主的设计结果很棒。基本实现了FNo4，400-1100um全波段的衍射极限像差。
请教楼主一个问题：我按照步骤复制了一遍，发现单组三透镜式复消色差模组，经过对称化之后，由于物体在无穷远处，其复消色差的效果损失殆尽，那么先设计三透镜的意义何在呢？

changy_13

非常棒的分享。请问这个镜头一般用在哪方面？

Epyon

惠更斯 发表于 2018-6-7 09:16
楼主的设计结果很棒。基本实现了FNo4，400-1100um全波段的衍射极限像差。
请教楼主一个问题：我按照步骤复 ...

对称化后复消色差的效果还好吧。首先设计单组的意义是这样考虑的，是希望先初步优化好单组透镜的像差，这样两组透镜组组合之后，各个像差不至于过大，方便后面做进一步的优化，如果一开始就把透镜全部加进去跑优化，可能效果会不佳，这个做法是大致参考了《Introduction to Lens Design With Practical ZEMAX examples》一书中celor透镜的设计思想的，不知道这么解释是否合理，有不足的地方也希望大家可以指正。