照相物镜设计：焦距100mm 视场角40

1、照相物镜设计一、设计要求1、焦距：100mm；2、视场角： 2w=40；3、相对孔径： D/f=1/4；4、弥散斑直径小于0.06mm；倍率色差不超过0.02mm；畸变小于5%。二、给出初始结构1、根据设计要求，我们可以参考Ernostar和Tessar联合型物镜设计的相关数据，并对其进行相关改进。Ernostar和Tessar联合型物镜设计相关数据如下表所示，其中该系统的焦距f=75.68mm；相对孔径Df=1：2.4；视场角2=56°。半径/r厚度/d折射率/n玻璃阿贝数/38.3393.571.7128953.950.9880.3235.1925.491.7128953.919

2、7.944.83-96.1441.871.636235.326.538-1074.11.381.5324645.937.0537.6-49.1351.7290454.82、根据焦距曲率镜片厚度之间的比例关系，即f1f2=r1r2=d1d2,得到焦距100mm，相对孔径Df=1：4的透镜数据，如下表所示：半径/r厚度/d折射率/n玻璃阿贝数/50.6594.7171.7128953.967.3730.42346.5017.2541.7128953.9261.5486.382-127.0402.4711.636235.335.05510.571-1419.2621.8241.5324645.948

3、.96010.042-64.9251.7290454.83、启动ZEMAX，将修改后表中的数据进行输入，步骤如下：（1）打开ZEMAX，在主选单system下，选择wavelengths，输入所要的波长，第一列输入0.486，单位为microns，第二、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。（2）输入孔径大小，因为设计要求相对孔径为1：4，焦距为100mm得到孔径D=100/4=25mm。在主选单system菜单中选择general data,在aper value上输入25。（3）输入视场角，根据设计要求，设置的视场分别为0，6，10，14

4、，20。（4）输入曲率，面之间厚度，玻璃材质。本次设计中共有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、OBJ、IMA，在STO前后插入几组数据，除IMA外共计9组surface，按照修改后的表中数据进行输入，如下图所示，最后根据参考实验图可以确定STO在第6面上。（5）画出图形。点击layout画出2D图形如下：点击spot diagram 画出的点阵图如下：由图得其弥散斑半径大小分别为26.012um、32.990um、44.238um、55.642um、58.511um，其中大部分弥散斑半径大小大于60微米，不符合要求，故需要改进。在a

5、nalysis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小于5%，符合要求。点击lateral color，即为倍率色差：由图知倍率色差小于0.02mm，符合要求。综上所述，该设计不符合要求，所以我们下面要对以上数据进行优化，以使它的弥散斑直径符合要求。三、优化1、在本实验中，选择曲率半径为优化对象，双击surface1，在solve type下拉框中选择variable。剩下的8个面也是这样进行设置，为了使弥散斑尽量聚焦于一点且不改变透镜厚度和镜组之间距离，将surface9名下的thickness也改为va

6、riable。接着设置优化功能，在system的editors中选取merit function，点击tools，再点击default merit function，default merit function，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，如下图所示：在tools 中选optimization项，按automatic，完成最佳化设计后的参数如下图所示：

7、下面我们重新检验畸变倍率色差即弥散斑大小是否符合要求：点击spot diagram 画出的点阵图：可以看到弥散斑大小均符合要求；点击analysis里面miscellaneous中的field curv/dist：得到畸变小于5%，符合要求；点击lateral color：倍率色差小于0.02mm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。2、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。在优化中设置优化功能，在system的editors中选取merit function，进入tools

8、，在默认评价函数中点击Wavefront设置为spot radius，如下图所示：其余设置相同，过程及得到优化结果如下图所示：下面我们重新检验畸变倍率色差即弥散斑大小是否符合要求：点击spot diagram 画出的点阵图：弥散斑最大直径小于0.06mm，符合设计要求；点击analysis里面miscellaneous中的field curv/dist：畸变小于5%，符合设计要求；点击lateral color：倍率色差不超过0.02mm，符合设计要求；透镜的2D图如下：可以看出，这次优化后透镜组附符设计要求。3、其他像质分析评价功能调制传递函数（FFT MTF）：点扩散函数（FFT PSF）光线像差曲线光路曲线入瞳像差曲线：四、最终得到设计的相关数据 经验证可以看出经过再优化后的物镜成像效果符合设计要求，其相关数据如下表所示：半径/r厚度/d折射率/n玻璃阿贝数/50.6590004.7171.7128953.953.3247430.42341.5713597.