ZEMAX课程设计照相机物镜设计.docx

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ZEMAX课程设计照相机物镜设计

ZEMAX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；视场角2ω=56︒）

Radius/r

Thickness/d

折射率/n

玻璃阿贝数/ν

38.339

3.57

1.71289

53.9

50.988

0.32

35.192

5.49

1.71289

53.9

197.94

4.83

-96.144

1.87

1.6362

35.3

26.53

8

-1074.1

1.38

1.53246

45.9

37.053

7.6

-49.135

1.72904

54.8

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。

Radius/r

Thickness/d

折射率/n

玻璃阿贝数/ν

50.659

4.717

1.71289

53.9

67.373

0.423

46.501

7.254

1.71289

53.9

261.548

6.382

-127.040

2.471

1.6362

35.3

35.055

10.571

-1419.262

1.824

1.53246

45.9

48.960

10.042

-64.925

1.72904

54.8

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generaldata,在apervalue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spotdiagram,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fieldcurv/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lateralcolor，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solvetype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meritfunction，进入tools，再点击defaultmeritfunction,即我们选用defaultmeritfunction，这还不够，我们还要规定给meritfunction一个focallength为100的限制，所以在meritfunctioneditor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meritfunctioneditor，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meritfunction，进入tools，

再点击

Wavefront将他设置为spotradius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。