设计实例zemax设计照相物镜详细过程

照相物镜设计实例
照相物镜的技术指标要求：
焦距：f’=9.6mm； 焦距：f’=9.6mm； 相对孔径D/f’不小于1/2.8； 图像传感器为1/2.5英寸的CCD， 成像面大小为4.32mm×5.76mm； 后工作距>5mm 在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波 长)； 1m成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm 轴外0.707 >35%@100 lp/mm ������ 最大畸变<1%

在镜片厚度（Thickness）列顺序输入表1-2中的 镜片厚度；在第七个面厚度处单击右键，选择面 型为Marginal Ray Height。在镜片类型（Glass） 列输入镜片参数，方法是:在表中点右键对话框 Solve Type选中Model，Index nd中输入n值， Abbe Vd中输入v值。结果如下图2-1在systemgeneral-aperture中输入相对孔径值2.8，在 system-wavelength中输入所选波段，根据要求选 d光为主波长。然后在tools-make focus中改焦距 为12mm进行缩放。
照相物镜镜头设计与像差
分析
设计实例
光学设计流程
光学设计初始结构方法
1、计算法
2、计算结合经验法
3、经验法
4、查资料法(孔径、视场、波长、 焦距，整体缩放)
查资料法:确定初始结构
查资料法
E.F.L----Effective Focus Length （有效焦距） B.F.L----Back Focus Length （后工作距） FNo.----F Number （相对孔径） F.A.----Field Angle (视场角)

该镜头不仅体积小, 结构紧凑, 而且像质较 好。在此次设计中，发现光阑面使用非球 面能够很好的平衡像差，只进行了对玻璃 厚度和曲率的简单优化，查阅相关资料后 设想如果将第一面的透镜换为鼓形透镜， 第二面换为弯月透镜或换成折射率更高的 玻璃，还可以进一步做出深度优化，使之 获得更好的性能 。
Step 8:像质评价
选择快捷选项Opt，然后进行
优化，优化后取消变量，将 剩余面的曲率半径设为变量 ，再次优化，完毕后取消变 量。再将透镜间隔和玻璃厚 度先后进行优化
到这一步后发现已经基本符合
设计要求，再根据2D图适当调 整曲率半径和厚度，每次调整 后再次优化实时关注MTF图的 曲线变化，最后使各个参数都 在可接受范围之内。

然后在Analysis-Aberration CoefficientsSeidel Coefficients中查看，找出对赛得 和数影响大的面，将这些面的曲率半径 设为变量，优化。

发现第一面和光阑面影响较大，优先优化 。先将STO面的类型改为Even Asphere， 并将此行的4th term、6th term、8th term 设为变量。将1、6面曲率半径设为变量，

0.04，在Weight中输入1。同理输入MTFA 和MTFS（如图所示）。再选择ToolsDefault Merit Function，设置玻璃厚度以及 空气间隔，start设为2，再选择OK，建立缺 省评价函数。 注：EFFL：Effective focal length的缩写， 指定波长号的有效焦距。 SPHA：指球差，如果Surf=0，则指整个 系统的球差总和。 MTFT：指子午调制传递函数

4.32mm
Step 2:确定初始结构
E.F.L----Effective Focus Length （有效焦距） B.F.L----Back Focus Length （后工作距） FNo.----F Number （相对孔径） F.A.----Field Angle (视场角)
Step 3:输入初始结构(上 一思考

配套一款1/2.5英寸的CCD传感器进行照相物镜中 的远距物镜的设计。采用1片非球面塑料, 3片球 面玻璃透镜, 在ZEMAX 中使用合适的优化函数和 权重对像差进行校正, 逐步消除了基本像差、高级 像差, 并进行了像差平衡, 获得了实际焦距 11.953mm照相镜头, 各个视场畸变控制在1%以 内,MTF 曲线也比较理想, 镜头总长为14.3602 mm。

任务：1、简述照相物镜的设计原
理和类型； 2．确定照相物镜的基本性能技术 指标要求，并要通过查资料确定恰 当的初始结构； 3．输入镜头组数据，设置评价函 数操作数，进行优化设计和像差结 果分析； 4．给出像质评价报告，撰写课程 设计论文
Step 1:确定照相物镜的基本性能要求
焦距：f’=9.6mm； FNo.>1/2.8； 像高：y’=sqrt（5.76^2+4.32^2)/2=3.6mm 5.76mm 视场角：atan（y’/f’）=20.55度 后工作距>5mm 反远距比：>5/9.6=0.5208 在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波 长)； 5m成像质量，MTF 轴上>40%@100 lp/mm 轴外0.707 >35%@100 lp/mm 最大畸变<1%


可以设计如下其它结构(后置光阑三片物镜 原始结构 )

将参数输入zemax：其中第六面设为光阑面 ，厚度设为marginal ray height，移动光标 到STO光阑面（中间一个面）的“无穷（ Infinity）”之上，按INSERT键。这将会在 那一行插入一个新的面，并将STO光阑面 往下移。新的面被标为第2面。再按 INSERT键两次。移动光标到IMA像平面， 按INSERT键两次。在LDE曲率半径（ Radius）列，顺序输入表1-2中的镜片每个 面 的 曲率半径（注意OBJ面不做任何操作 ）；
Step 9:给出报告
电子文件（zemax初始数据文件,整个原理优化计算设计过程ppt形式),(班 级姓名)题目.ZMX, ,(班级姓名)题目. ppt 打包，（交纸质报告之前完成）
纸质报告（A4纸撰写，4000字以上）：各班班长或学习委员收齐每位同学 报告后，下午3点到5点30之间，交到南五楼-510。
边界约束条件：
两种方法： CTGT(中心厚度大于)、CTLT(中心厚度小于)、ETGT、ETLT、 CVGT、 CVLT等 缺省优化函数
（3）优化
利用ZEMAX得到初始结构的M TF 曲线（如图）可看出成像质量很差, 因此需要校正像差。
该结构可以用作优化变量的的数据有：6个 曲率半径，2个空气间隔，3个玻璃厚度。 首先使用Default Merit Function建立缺省评 价函数进行优化，选择Editors-Merit Function，在第一行中先输入EFFL，目标 值设为12，权重设为1。再输入SPHA，在 Target中输入0.4，在Weight中输入1。第二 个BLNK改为MTFT并Enter，在Freq中输入 100，在Target中输入


经过简单计算： y’=sqrt(4.29^2+5.76^2)/2≈3.6mm, w=atan(y′/f′)≈16.66° 视场角2w=33.32°。在光学技术手册查询后选定 初始结构为后置光阑的三片物镜（如图1），初始 参数为：焦距f’=42.12mm;相对孔径1：2.8；视场 角2w=54°，其余参数见表1-2。


表1-2(查光学设计手册 得到的照相物镜初始结构） 半径（r）厚度（d） 折射率（n）阿贝数 r1=13.44 d1=4.41 n=1.67779 v=55.2 r2=30.996 d2=4.41 r3=-40.614 d3=1.01 n=1.59341 v=35.5 r4=13.44 d4=2.39 r5=32.508 d5=3.36 n=1.69669 v=55.4 r6=-27.006
初始结构及其参数已经完成
初始结构及其参数已经完成
Step 6:视场设置
Step 7:优化
评价函数操作数 1、像差 SPHA(球差)、COMA(彗差)、ASTI(像散)、FCUR(场曲)、 DIST(畸变)等 2、调制传递函数 MTFT(子午面传递函数)、MTFS(弧矢面MTF)、MTFA等 3、基本光学特性 EFFL(焦距)、PMAG(近轴放大率)、AMAG(角放大率)、 EXPP(出瞳距)、ISFN(像方F数)等 4、边界约束条件 CTGT(中心厚度大于)、CTLT(中心厚度小于)、ETGT、 ETLT（边缘厚度小于）、CVGT（曲率大于）、CVLT 5、基本计算 Abso(绝对值)、ASIN、COSI等
照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入 底片或图像传感器的空间范围, 镜头所成的 半像高y′ 可用公式y′= - f′tanw计算, 其中f′为 有效焦距, 2w 为视场角。半像高 y ′应稍大于图像传感器CCD 或CMO S 的 有效成像面对角线半径, 防止CMO S 装调 偏离光轴而形成暗角。
评价函数操作数 1、像差SPHA( 球差)、COMA( 彗差)、ASTI( 像散)、 FCUR( 场曲)、 DIST( 畸 变)等 2、调制传递函数MTFT( 子午面传递函数)、MTFS( 弧矢面MTF) 、MTFA 等 3、基本 光学特性EFFL( 焦距)、PMAG( 近轴放大率)、AMAG( 角放大率)、EXPP( 出瞳距)、 ISFN( 像方F数)等 4、边界约束条件CTGT( 中心厚度大于)、CTLT( 中心厚度小于)、ETGT 、ETLT CVGT 、CVLT 5、基本计算AbSO( 绝对值)、ASIN 、COSI 等 边界约束条件： 两种方法：CTGT( 中心厚度大于)、CTLT( 中心厚度小于)、ETGT 、 ETLT CVGT 、CVLT 等 缺省优化函数
初始结构的选择 照相物镜属于大视场大孔径系统, 因 此需要校正的像差也大大增加, 结构 也比较复杂, 所以照相物镜设计的初 始结构一般都不采用初级像差求解 的方法来确定,

而是根据要求从手册、资料或专利文献中 找出一个和设计要求比较接近的系统作为 原始系统。在选择初始结构时, 不必一定找 到和要求相近的焦距, 一般在相对孔径和视 场角达到要求时, 我们就可以将此初始结构 进行整体缩放得到要求的焦距值
Step 4:输入孔径类型/波长
Step 5:同比缩放
输入焦距12mm进行缩放：
或
现在开始定义视场，我们根据
之前所得像高y’=3.6mm,依次乘
以0，0.3，0.5，0.7071得到所 选孔径光束的Y-field，即0， 1.08，1.8，2.5452输入到 system-field中，类型选择真值 高度。