ZEMAX照相机物镜的设计原理

ZEMAX课程设计——摄影机物镜设计

一、（课题口勺背景知识，如摄影机镜头口勺发展概况，类型及其重要技

术参数的简要阐明）

二、课程设计题目

设计•种摄影物镜，

I）光学特性规定：f'=100mm；2（o=300;；D/f=1:3.5.

2）成像质量规定：弥散斑直径不不小于0.05mm；倍率色差最佳不超过0.01mm；畸变不不

小于3%。

三、设计课题过程

1、参照Ernostar和Tessar联合型物镜设计有关数据，对其进行有关改善。

Ernostar和Tessar联合型物镜设计有关数据如下表1（其中焦距「=75.68mm；相对孔径D

/f=1：2.4；视场角23=56。）

Kadius/rIT.ickness/d折射率/n玻璃阿贝数/v

38.3393.571.7128953.9

50.9880.32

35.1925.491.7128953.9

197.944.83

-96.1441.871.636235.3

26.538

-1074.11.381.5324645.9

37.0537.6

-49.1351.7290454.8

表1

2、根据焦距曲率镜片厚度之间的比例关系，即fl/f2=rl/r2=dl/d2,得到焦距100mm,相

对孔径D/&=1：3.5的透镜数据如下表2。

Radius/rThickncss/d折射率/n玻璃阿贝数八

50.65947171.7128953.9

67.3730.423

46.5017.2541.7128953.9

261.5486.382

-127.0402.4711.636235.3

35.05510.571

-1419.2621.8241.5324645.9

48.96010.042

-64.9251.7290454.8

表2

3、启动ZEMAX,将表1数据输入到LDE,有关环节由如下图给出

<1)打开ZEMAX。

DataEdit”

(daIQptioca|(«lp

Surf:Typ«SUdiusThlckneftConic

InfinityInfinity0.000000O.OOOOCO

一.Infinity0.0000000.000000o.ooo^co

Infinity-0.000000O.OOMCO

（2）输入数据。

在主选单system卜，圈Hlwavelengths,依喜好键入所要的波长，同步可选用不•样波长，

本试验中在第•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I,即用第一种波长为近轴波长。

(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apcrvalue上键入28.57143。

(4)输入视场角。

[FieldData

。丽g回©虱CParaxialImageHeight

CObjectHeightCRealImageHeight

UseX-Field丫FieldWeightVDXVDYvexVCYMN

R1001.00000.000000.000000.000000.000000.00000

02010.51.00000.000000.000000.0X000.000000.00000

b30151.00000.000000.000000.000000.000000.00000

r4001.00000.000000.000000.000000.000000.00000

r51.00000.000000.000000.000000.000000.00000

r6001.00000.000000.000000.000000.000000.00000

r70-01.0000"0.000000.000000.000000.000000.00000

r8001.00000.000000.000000.000000.000000.00000

o"0.00000-

厂901.00000.000000.000000.000000.00000-

rw|o0-1.00000.000000.000000.000000.00000"0.00000"

-

r11|oo1.00000.000000.000000.000000.000000.00000

-

r120o1.00000.00000-0.000000.000000.00000-0.00000'

OKCancelSortJ一HelpJ

SetVigCkVigSaveLoad

（5）输入曲率，面之间厚度，玻璃材质。

本试验中共有5组透镜，其中最终两组为双胶合透镜，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外合计9组surface,输入数据。最终根据参照试验图确定STO在第6面

上。

①点击layout,画出2D图形

②点击spotdiagram,画出点阵图

.S”Q

物4.Q・(rtnt工.xtJooa

OBJ：0.raOKOBJ：10.50OEG♦0.H861

-0.5876

■0.6563

工阳；18.71HNM

UB「IS.0aOEG

IMA：27,033MM

SURFFCE；INR

SPOTDIAGRAM

FRIJUL12011UNITSARE皿

FIELD123

RMSRAGIUS：33.625S4,HI96M,76B

GEORADIUS:69.560105.770122.231LENS.ZMX

SCALEBfiR:H00REFERENCE：CHIEFRAYCONFIGURATIONIOF1

由图看出光波在波长I、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波长弥散斑大小不小于50微米，不符合规定，故需要改善。

③在analysis里面的Jmiscellaneous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%,不不小于3%,已到规定。

④同③点击lateralcolor,即为倍率色差。

由图知倍率色差约为10微米，基本规定。

综上所述，我们所要做的就是对原始数据进行优化，是它日勺弥散斑直径符合规定。

优化一

（6）优化。（阐明；优化并无严格规则，可根据详细状况灵活处理）

在本试验中，选择曲率半径为优化对象，双击surfaccl,出现

OKICancel

Curvaturesolreonsurface

SolveType:Variable▼

Fixed

Variable

MarginalRayAngle

ChiefRayAngle

PickUp

MarginalRayNormal

OKChiefRayNormal

在solvetype下拉框中选择variable,如图Wanatic

剩余的8个面如法炮制，比外为了使弥散斑尽量聚焦于一点，但不变化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sysremH勺editors中选用meritfunction,Atools,再点击defaultmerit

funclion,即我们选用defaullmerilfunction,这还不够，我。,还要规定给merilfunction一种focal

length为10()口勺限制，因此在meritfunctioneditor第I列中往后插入•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

Fractio*207710714000

gdiIJoolt期lp

工9razQtcWelqht

__________1PKTS-----J

2ITTL£，，二一100.0000001.vOCO^O

3BLKKBT—1D«fAultBAsitfunction:2XSWAV*frontc«RtsoldGQ3zings€AS&A

4BLKKBLKKKodefaultairthicknessboundaryconstraints.

$BLKKBLWKWoS'ultgist*chickn«fBboundaryconstramtv.

6BLKKBLNKOperandsfoefi»Id1.

7OPDX0P3X1O.GOOGOO0.0000000.33B71L0.0000000.0000000.09063

8OPDXOPOX10.0000000.0000000.7071070.0000000.0000000.15S140

>OPDX0网10.80800.。8。80.941X10.0000000.000^000.09”“

10OPDXOPDX20.0000000.0000000.3357110.0000000.0000000.09063

11OPOX0P3X20.0000000.0000000.7071070.0000000.0000000.156140

12OPDXOPDX20.0000000.0000000.94196&0.0000000.0000000.094963

13OPDXOPDX30.000M00.0000000.33S7110.0000000.0000000.0500

14OPDX0P32X30O..0G0O0O0G0O0O0..0000000..7071070..0000000..0000000..15E140,z▼J[

跳出meritfunclionedilor,在tools中选optimization项，按automatic,完毕后跳出来，此时

已完毕最佳化设计，如前，重新检查畸变倍率色差即弥散斑大小与否符合规定。

可以看到弥散斑大小均符合规定

畸变不不小于3%,符合规定

倍率色差不不小于lOum符合规定。

透镜的2D图如下:

可以看出，虽然透镜组附符合物理设计不过第一种镜片为凹镜，不符合给出口勺组合镜规定,

故仍需要进行优化。

优化二

（7）再优化。

基本环节如前，为了不使第一组镜片变形，曲率半径1不设为变量。其他照旧。

得到如下成果

弥散斑最大直径不超过34.118,符合规定

笛&1：FieldCurv/DistData=0.2061,Field=5.2B7,1□!x|

UpdateSettingsPrintWindowTextZoom

-0,SD0.000.S0

MILLIMETERS

FIB_DCURVATURE/DISTORTION

3UNTUL32011

MAXIMUMFIELDIS15.000DECREES

WAVELENGTHS：0.HB60.5880.656

LCNSOl.ZMX

CONFIGURATION1DP1

畸变0.2061%,符合规定，比优化1好多了

倍率色差不不小于5um,符合规定

图形也符合设计规定。

可以看到成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欧Jeditors中选用meritfunctiont进入tools,

DefaultleritFxmctio*

OptimizationFunctionandReference

RMS||Wavefront_^J|Centroid_^J

PupilIntegrationMethod

(•GaussianQuadratureCRectangularArray

Grid:|4x43

rDeleteVignetted

QK|Cancel|SaveLoadResetHelp

再点击

Wavefront将他设.置.为spotradius如下图

其他一切照旧得到如下图表

曲目■♦了itF«BCtK4i<«r：?8853421-002qj凶

(diIJoolt|Ulp

Qp«rfTyp*razQtcWeight±J

1DMTSncrs

J

2ITTLxrn.1100.0000001.8C8。

3BLKKBLNK□•faults>sltfunction:2XSspotx&dluac«ntzoldGQ3sln^a6

4BLKKBLKKNo<S«faultairthicknessboundaryconstraints.

&BLKKB3KKogist*chickn«9Bboundaryco4t>tramps.

€BLHKBLNKOperandsfeexi0ld1.

7iaxcTRXC1O.OOOGOO0.0000000.3367110.0000000.0000000.09€5635

8TRACTRAC1O.GOOQOO0.0000000.7071070.0000000.0000000.16S140

>TWICTRAC