一二次成像系统：中间像面、一二次成像位置(IMSF、M解、REAY)、入出瞳位置(ENPP、EXPP)、冷光阑

一次成像与二次成像有什么区别？一次成像与二次成像的优缺点分析

   在光学设计领域，选择合适的成像结构对于满足特定的光学性能要求至关重要。本文将探讨一次成像与二次成像的区别，并分析它们在实际应用中的优缺点。

一、两种结构的区别

   一次成像是指光线经过光学系统一次折射后直接成像的结构。这种结构简单，但存在一定的局限性。在一次成像系统中，由于整个镜组等效成一个理想透镜，入瞳位置相对固定，导致口径较大，难以控制。

   二次成像则涉及光线在光学系统中经过两次折射，形成中间像面。这种结构可以更灵活地调节入瞳位置，从而使得系统总长和口径更易于控制。二次成像系统通常用于需要严格包络限制的应用中。

二、一次成像的可能性

   尽管一次成像在某些情况下难以满足设计要求，但通过使用非球面透镜，可以实现边缘视场的通光孔径控制。非球面透镜的使用可以显著减小透镜的口径，从而满足特定的光学性能要求。

三、二次成像的难点

   二次成像系统在长度控制上较为困难。后镜组起到中继放大的作用，本身就占用空间，而光学系统本身的F数要求为1.65，两部分组合起来长度不大于180mm的话，两部分镜组分看来看，F数均会比较小。如果纯用球面透镜，也很难实现。

四、总结

   在光学设计中，中间像面和光阑位置的选择对于实现特定的光学性能要求至关重要。一次成像和二次成像各有优缺点，选择哪种结构取决于具体的应用需求和设计限制。

   在实际应用中，一次成像结构虽然简单，但在某些情况下可能难以满足严格的光学性能要求。而二次成像结构虽然在设计上更具挑战性，但提供了更大的灵活性和控制能力。

五、实际案例分析

   以制冷型红外光学系统为例，一次成像结构由于入瞳距较大，口径较难控制，而二次成像结构则可以通过中间像面调节入瞳位置，从而实现更紧凑的系统设计。然而，二次成像结构在长度控制上存在挑战，需要精心设计前后镜组的焦距和放大倍率。

   光学设计是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素。一次成像和二次成像的选择应基于具体的应用需求、设计限制和性能要求。通过深入理解光学设计的基本概念和原理，工程师可以更好地选择合适的成像结构，实现最佳的光学性能。

六、如何控制中间像面的位置

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1、二次成像系统的设计

在红外光学系统中，探测器常常需要制冷，因此我们要求制冷型红外镜头的冷光阑效率是100%，为了调整系统出瞳位置，常常采用具有中间像面的结构。

上图是优化好的结果，但是有一个小问题，就是第四片透镜距离中间像面太近了，这对于公差分配和装调来说是不利的，同时我们又希望维持这种具有中间像面的结构，那么该如何在ZEMAX中设置呢？

下面给大家介绍两种方法。

2、利用求解：M解

对于红外制冷型二次成像系统，出瞳与冷光阑完全重合，那么入瞳有什么要求呢？实际上，入瞳距越小，系统的口径就越小，往往系统口径最小的情形就是入瞳位于第一片透镜上的情形，这个特点在各类大型反射式和折反式红外系统中非常常用。

我们也可以先把系统孔径光阑设置在第一片透镜上，然后在中间像面位置设置求解，这样就把一次像面位置找到了，可以进一步优化前后的距离，此时我们可以用EXPP操作数控制出瞳位置。

3、利用REAY：

上面的这种方法虽然看起来很方便，但是往往有比较大的局限性。

如果说我们不希望把入瞳固定在第一片透镜上，就只希望把光阑设置在冷光阑位置；或者我们需要对光学系统做高低温分析，则无法设置求解状态。

这里我给大家推荐另一种方法，我们可以利用REAY操作数找一下中间像面位置，设置如下，此时第9面即为虚拟面，也就是我们要找的中间像面位置。关于HX,HY,PX,PY的含义，如果大家不清楚，我之后也可以给大家讲一讲，这里的设置为0，0，0，1；目标设置为0，权重设置为1。

这个方法可以把光阑放置在任意位置，也可以在多重组态中使用。

4、综上所述，我们在本次分享中探讨了在 ZEMAX 中控制红外二次成像系统中间像面位置的两种方法。第一种方法通过巧妙运用求解功能，并合理设置孔径光阑与相关操作数，能便捷地找到一次像面位置并优化系统距离；第二种方法则借助 ZPL 宏以及 REAY 操作数，突破了入瞳位置固定的局限，为在多重组态以及高低温分析等复杂场景下的光学系统设计提供了灵活的解决方案。这两种方法各有优势，相信能为大家在红外二次成像系统设计中遇到中间像面位置控制难题时，提供有效的应对策略，助力红外光学系统设计迈向新的台阶，实现更优的系统性能与工程可实现性。

5、IMSF：像面

《IMSF——像面》

优化中间像面利用到一个优化操作数IMSF，其实很好理解这个方案，就是每个像面建立一个评价函数，每个像面的评价函数用IMSF间隔开，指定哪个评价函数对应哪个像面。

第一步，建立结构，入瞳直径设置了个50mm，其余设置默认；

第二步，设置评价函数，这里就需要注意IMSF操作数的使用了；

首先，添加默认的评价函数，在评价函数第一行加入一个IMSF操作数，设置表面为3；

其次，在第8行后面插入一行，插入IMSF，并设置为表面6，再在其后插入一行，即第10行

最后，打开评价函数导向，设置默认的评价函数，开始行设置为第10行即可，得到评价函数

第三步，设置曲率半径为变量，进行优化

第四步，正透镜有负球差无法校正，这里引入二次曲面系数，得到较好的演示效果

这种方案，可以对于开普勒望远镜的优化也是有帮助的

七、相关文献：

1、EXPP

详述说明:

出瞳位置。以像面为参考，单位是镜头的单位。它是近轴光瞳位置，只对有共轴系统有效。

2、ENPP

详述说明:

入瞳位置。以镜头单位为单位，相对第一面的位置。它是近轴光瞳位置，对共轴系统有效。

3、IMSF

详述说明:

像面。该操作数动态地将某一面设为像面，后续优化操作数将此面看作像面进行优化。新的像面由面(Surface)定义。该操作符主要用于中间面优化成像质量。选择面0可将像表面重新恢复至原始表面。

4、REAY

详述说明:

实际光线Y向坐标。在波长(wave)定义的波长下，面(surf)定义的表面上指定出射光线的Y向坐标。

5、《zemax 中Hx Hy Px Py 的具体是指？》

HY/HX 归一化Y/X视场

PY/PX 归一化孔径

6、《入瞳与出瞳共轭》

入射光瞳通过整个光学系统所成的像就是出射，二者对整个光学系统是共轭的。

如果光阑在整个系统的像空间，那么它本身也是出射光瞳。反之，在物空间，它就是入射光瞳。

7、《M解（M-solve）》

8、《带有透镜转像系统的望远系统》

八、二次成像的应用：

1、相衬观察术：

常规相衬板都是置于物镜后焦位置，这样的缺点就是物镜当明场观察术使用时，成像质量会下降。

解决方案，在管镜系统中，设计出与物镜出瞳共轭的点放相衬板位置，即可实现一个明场物镜，同时即可明场效果最佳，也可以实现相衬效果最佳的方案。（可设置成分光镜式，也可设置成相衬板移出式）

2、3D超景深观察术：

因为应用的不同，有的客户喜欢景深大、分辨率低；而有的客户喜欢景深小、分辨率高。

则需要系统可以进行孔径光阑可随需要进行时时变化。故常规的物镜出瞳处无光阑可变装置，则需要有管镜处找到其共轭点，进行实现应用。

同时可实现视场光阑大小的控制，来抑制杂散光。

3、多人共览观察术：

例如五人共览、十人共览，需要系统拉长后分给其余观察人员

4、倒置观察术：

由于观察方式与正置的不同，系统需要拉长，实现成像

《研究级倒置显微镜ECLIPSE Ti2光路图》

5、照明系统：

根据需求，需要设计视场光阑与孔径阑的系统，则为此应用

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