ZEMAX课程设计——照相机物镜设计

1、ZEMA课程设计一一照相机物镜设计一、（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 ； 2 .=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 2 3 =56 ）Radius/rThick

2、 ness/d折射率/n玻璃阿贝数/v38.3393.571.7128953.950.9880.3235.1925.491.7128953.9197.944.83-96.1441.871.636235.326.531 8-1074.11.381.5324645.937.0537.6-49.1351.7290454.8表12、根据焦距曲率镜片厚度之间的比例关系，即f1 /f2=r 1/ 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/rThick ness/d折射率/n玻璃阿贝数/v50.6594.7171.7128953.967.373

3、0.42346.5017.2541.7128953.9261.5486.382-127.0402.4711.636235.335.05510.571-1419.2621.8241.5324645.948.96010.042-64.9251.7290454.8表23、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。-lolxl*亡W4F!品Th-AEkHS-PVfla-v*InfiniLyrniiEya.ci-3onoia.oo-30oo|-:fnfinit?a.ONQidaO.MQiOOO加M如nodInflEiiE.y-D.DODOOo.ooaDool珂J

4、(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 micro ns，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

5、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。ni. UkILm Eda 1 nr*-ini k|Edittu-pf :7jnp*UeSB4F!吕Kadis*Xa-vvCm-%?OBJInflniLylJLilEyInfinityo.oaaDooif c-vrd-iixd4亍1兀的LhXili.Tuma7-1730000.429000L7.BOfla.onoooo工S-krLardM .SJ

6、X.W7.3004UKBL7.143Q3L4SAgidJisid2G1.B4BQ00G.SBOlDOL5.43lEi0o.ooaono&Sw4Dtl*rd137.MgQdl2.471009F6L1.9a4E4tD.oaooaSICStndikxdA5.a5EDOfl!10.&7CiaDa1.0.9-7142o.ooaoa7SsndArd-L419.2G2MQiL.eZJ&DGLLIZM.iiesca：a.oooonaaSjinhxd4B.AfiOdaO!D.O412fiOH-LAX1415.3149?e.adacoaScndAX-d-fl-SZ&DOO77.EM7B9HL.1991Bij.on

7、aoaocnkxdIninxt：FaT.anoaic0,4040130 点击layout,画出2D图形 点击spot diagram ,画出点阵图53JPFRCE. IHflQBr： 0 ZI3 DBGOBJ： LB.50 DEG 0 4361 0.507$0 .白S63%垃IHfl LB.7H mmI HR. 2?畑 HNFRI JUL 1 2011UNITS ARE pgFIELD:I2aRMS RADIUS :33.625SH.HH6H.76SGED RADIUS :69.560IK.770122.231SCZLE BAR ；M00REFERENCE；C-IEF RRYLENS.ZMX匚

8、口NFZGURRTION L OF 1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。 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。 同点击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

9、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surfacel，出现Cmrv&tnre solve an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 f

10、unction 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。iil Iod.s 创:LpWU tr7PTz*#.匕1 3EFEa2 EHLiirL11啊ODOMmo 口 043 BlECBLKK兰Lllr IUELCrunculQD： KH3vAfEan.-c MGEDld G3 3 zliiQi :.e tbicaiaa bounds cy ccaiAt EiiinE E BlETBLKKNo

11、 di fiLiLlc gl*n chicliL9baandJiEy &Qnjru.iriT- KLNKALKKCpfandp fax*UM I.7 OKKQPEXX1o.ouooaaD.IMOIK1D0.33E7L1jf.ODCHOOOo.aoooott0.033t31 tiH3曲I冲咖g20曲-gMM0.】鳖弘14立9 DE ZKc-pnx1o.oo-aonaa.iinoaaoa.S4il9fio.onooooD-Qaoooo0.0969E3IQ EiHKgD-xaoglO, 311(71.10. wu11 DEZKc-pnx2o.oo-aonaa.iinoacio0-707107O.OD

12、OODOD-QaOQOtO.1B5143椁 OMHi8少54X200dA41I4IO.diMMO讥旳加Mis oratC-VDX3O.OO-OODflla.iinoociD0.33E7L1D.ODCMCID-DOQOQ0.0569E3旅 OHIt3Q W0Oi.OlHMO4rQ4M04】*讪4丄跳出 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10畸变小于3%，符合要求極和：Lateral CoIvf

13、Z = 3. 364# Field = S.644倍率色差小于10um符合要求。透镜的2D图如下：11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W Lvni- Hals EJa I ar翳4耳屮：Typ*亡 cudbeie.THSikna-Hiai3鼻 am 4 g is* 匕 x*CffTll CO：BJSc-iridJii-dInfiDl-cDiJEifilcvInflDlLVs.onaooo1仙上MW43白UEOM2.SckndJ

14、ird&0-117347-0.-42 3000L7.414E20.0000003n.umaV7.214000uura4SEARidJiXd-2B29.7GBB&-CLjaoaiMKiL5.B5B14Ca.OOiOQO花 tioaVa.4X00rt11 “SICSEAEldJiXdS：l_0-23V1U.!&7IB0CiLD.BaCaBOa.DOOODOConii rd-ItO.HfOlfVL.tasuici11. ttM070.004040a41-690272V1D.O422S0.4dlfi390.0000009fMin44irdvVsmallO.QHQiOOZHXInfialty-a.oaD

15、oo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,Default. Icrit FunctionOptimization Function and ReferenceThickne B oundary Values:RMSAir:Min：Gid Min:M 3M： |imoE dge: |说 Assume Axial SymmetryIgnore L

16、ateral ColorStart At:|1 0000ReldtiveXWgt;Overall Weight： |1 0000S ive Load H c-: ef 旦白口再点击Wavefront将他设置为spot radius如下图其余一切照旧得到如下图表 | wavdroni| Centroid,*：】； rr&t厂耳- |1 i 1 m列迎-SI nsEdit I&cls 勘lpdlOpE tfyp*Tz*#.匕HB-ih-t1 DKFEDBZS2 EPTLirri.1lad-aoPOOO1.040043 BlETBLKK班世IillIt* iueLg runculsn: KHS ip

17、ci: ZACilui otocfold QQ 3 Erig E km4 KLNKLKKtin 日已ul已 A1.E tbi-zaiaa baunda ejr ccait ekihe eE BlETBLKKNo da CillLlC glAll ChiClJL9baandnEy CQnji-EAiriiM.” KUJKALKKCparafiElp fax*I .7 ruu:T3AC1o.onaoa*3D.aDoaaG0.33E7L1D.QIMQH1C!D.QCiOQOQiO.g3Sf33 W亡MutI冲 MpgCLXQgOd伸00. Qi 04)MIOIii4ab rurT3AC1o.oo-Doaa0.11000000.9413(5jj.ooonaD-QdOQOD0.Q969C3E10 fg亡Wut0 4ZQQ04 gaga讥