ZEMAX课程设计——照相机物镜设计

Z E M A X课程设计——照相机物镜设计一、(课题的背景知识，如照相机镜头的发展概况，类型及其主要技术参数的简要说明)
二、课程设计题目
设计一个照相物镜，
1)光学特性要求：f’=100mm；2ω=30︒;；D/f’=1:3.5.
2)成像质量要求：弥散斑直径小于0.05mm；倍率色差最好不超过0.01mm；畸变小于3%。

三、设计课题过程
1、参考Ernostar和Tessar联合型物镜设计相关数据，对其进行相关改进。

Ernostar和Tessar联合型物镜设计相关数据如下表1（其中焦距f’=75.68mm；相对孔径D／f’=1：2.4；视场
表1
2、根据焦距曲率镜片厚度之间的比例关系，即f1／f2=r1／r2=d1／d2,得到焦距100mm，相对孔径D／f’=1：
3.5的透镜数据如下表2。

3、启动ZEMAX，将表1数据输入到LDE，相关步骤由以下图给出
（1）打开ZEMAX。

（2）输入数据。

在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入所要的波长，同时可选用不同波长，本实验中在第一列键入0.486，单位为microns，第二第三列分别键入0.587、0.656。

在primary中点击选1，即用第一个波长为近轴波长。

（3）输入孔径大小。

由相对孔径为1：3.5，焦距为100mm得到，孔径D=100／3.5=28.57143mm。

在主选单system菜单中选择general
data,在aper value上键入28.57143。

（4）输入视场角。

（5）输入曲率，面之间厚度，玻璃材质。

本实验中共有5组透镜，其中最后两组为双胶合透镜，故共有9个面，回到LDE，可以看到三个surface，STO （孔径光阑）、OBJ（物点或光源）、IMA（像屏），在STO前后插入几组surface，除IMA外共计9组surface,输入数据。

最后根据参考实验图确定STO在第6面上。

①点击layout,画出2D图形
②点击spot diagram ,画出点阵图
由图看出光波在波长1、2、3下的弥散斑直径大小分别为33.625、54.419、64.768（单位：微米），其中第2、3波长弥散斑大小大于50微米，不符合要求，故需要改进。

③在analysis里面的miscellaneous中点击field curv/dist，得到图形如下，其中distortion即为畸变
由图知畸变约为0.125%，小于3%，已到要求。

④同③点击lateral color，即为倍率色差。

由图知倍率色差约为10微米，基本要求。

综上所述，我们所要做的就是对原始数据进行优化，是它的弥散斑直径符合要求。

优化一
（6）优化。

（说明：优化并无严格规则，可根据具体情况灵活处理）
在本实验中，选择曲率半径为优化对象，双击surface1，出现
在solve type下拉框中选择variable,如图
剩下的8个面如法炮制，另外为了使弥散斑尽量聚焦于一点，但不改变透镜厚度和镜组之间距离，将surface9名下的thickness也改为variable。

得到
接着设置优化功能，在system的editors中选取merit function，进入tools，再点击default merit function,即我们选用default merit function，这还不够，我们还要规定给merit function一个focal length为100的限制，所以在merit function editor第1列中往后插入一列，即显示第2列，代表suface2，在此列中的type上键入EFFL，同列中的target项中键入100，weight中键入1。

跳出merit function editor，在tools 中选optimization项，按automatic，完毕后跳出来，此时已完成最佳化设计，如前，重新检验畸变倍率色差即弥散斑大小是否符合要求。

可以看到弥散斑大小均符合要求
畸变小于3%，符合要求
倍率色差小于10um符合要求。

透镜的2D图如下：
可以看出，虽然透镜组附符合物理设计但是第一个镜片为凹镜，不符合给出的组合镜要求，故仍需要进行优化。

优化二
（7）再优化。

基本步骤如前，为了不使第一组镜片变形，曲率半径1不设为变量。

其余照旧。

得到如下结果
弥散斑最大直径不超过34.118，符合要求
畸变0.2061%，符合要求，比优化1好多了
倍率色差小于5um，符合要求
图形也符合设计要求。

可以看到结果明显好于第一次优化。

优化三
（8）补充：在优化中设置优化功能，在system的editors中选取merit function，进入tools，
再点击
Wavefront将他设置为spot radius如下图
其余一切照旧得到如下图表
优化后得到下列图
可以看到弥散斑直径得到更好的优化效果，另外倍率色差也比优化2好，透镜组也符合要求。

（9）综上所述，优化一、优化二均符合要求，可自行选择。