zemax设计---三片式照相物镜设计资料

摘要摘要：设计三片库克照相物镜，给出三片镜子的结构参数按照设计要求合理设计。

近轴光路追迹求出设计系统的焦距和后焦距。

然后利用zemax光学设计软件仿真验证设计结果。

关键词：照相物镜；光学设计设计要求：设计要求：采用三片库克（cookie）结构，D/f=1/5，半像面尺寸：18mm半视场角：20°设计波长：0.486um、0.587um、0.656um，口径D：10mm 计算：系统焦距f，，后焦距（BFL）第一章绪论我们设计光学系统采用光线模型方法，即利用几何光学和光学工程中涉及到的基本方法、基本公式设计三片库克照相物镜。

利用光线模型设计光学系统是非常重要的方法。

曾经有位美国学者在回答有关光线和波动理论应用问题时，睿智的说;“你用光线理论设计照相机镜头，尽管是近视理论，但你用一个星期可以完成；然而你若用衍射理论设计照相机镜头，虽然你用的理论很严格，也去你一辈子才能设计出一个镜头。

”可见用几何光学和工程光学中的光线模型设计光学系统是多么的重要。

而近轴光线的追迹公式又是利用光线理论设计光学系统的基础。

根据近轴光学公式的性质，它只能适用于近轴区域，但是实际使用的光学仪器，无论是成像物体的大小，或者由一物点发出的成像光束都要超出近轴区域。

这样看来，研究近轴光学似乎没有很大的实际意义。

但是事实上近轴光学的应用并不仅限于近轴区域内，对于超出近轴区域的物体，仍然可以使用近轴光学公式来计算平面的位置和像的大小。

也就是说把近轴光学公式扩大应用到任意空间。

对于近轴区域以外的物体，应用近轴光学公式计算出来的像也是很有意义的：第一，作为衡量实际光学系统成像质量的标准。

根据共轴理想光学系统的成像性质：一个物点对应一个像点；垂直于光轴的共轭面上放大率相同。

如果实际共轴球面系统的成像符合理想则该理想像的位置和大小必然和用近轴光学公式计算所得结果相同。

因为它们代表了实际近轴光线的像面位置和放大率。

如果光学系统成像不符合理想，当然就不会和近轴光学公式计算出的结果一致。

第17章三片式照相物镜设计17.1 设计任务本实例参照黄一帆和李林编的《光学设计教程》图书中的案例，并进行了部分内容的修改完善。

设计任务为：系统焦距为9 mm，F#为4，全视场2ω为40o。

要求所有视场在67.5 lp/mm 处MTF>0.3。

17.2 设计过程（1）系统建模为简化设计过程，作者从《光学设计手册》（李世贤，等.北京理工大学出版社.1990）中选取了一个三片式照相物镜作为初始结构，见表17-1所示。

表17-1 初始系统结构参数表面序号半径/mm 厚度/mm 玻璃1 28.25 3.7 ZK52 -781.44 6.623 -42.885 1.48 F64 28.5 4.05 光阑 4.176 160.972 4.38 ZK117 -32.795f /=74.98，F# =3.5，2ω=56o根据ZEMAX建模的步骤，首先是系统特性参数输入过程。

点击“Gen”按钮，在“General”系统通用数据对话框中设置孔径和玻璃库。

在孔径类型（Aperture Type：）中选择“Image Space F#”，并根据设计要求在“Aperture Value：”输入“4”；在玻璃库（Glass Catalogs）里输入“CHINA”，以便导入中国玻璃库（光明）。

点击“Fie”按钮，打开“Field Data”对话框设置5个视场（0ω,0.3ω，0.5ω，0.7ω和ω视场）。

点击“Wav”按钮，打开“Wavelength Data”对话框设置“Select→F，d，C[Visible]”，自动输入三个特征波长。

接着在透镜数据编辑器（Lens Data Editor）中输入初始结构，如图17-1所示。

在表17-1中，第7面厚度为透镜组最后一面与像面之间的间距，但是表中并没有列出。

为了将要评价的像面设为系统的焦平面，可以利用ZEMAX的求解（Solve）功能。

该功能用于设定光学系统结构的参数，如Curvature、Thickness、Glass、Semi-Diameter、Conic和Parameter等操作数。

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；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 Radius/r Thickness/d 折射率/n 玻璃阿贝数/ν38.339 3.57 1.71289 53.950.988 0.3235.192 5.49 1.71289 53.9197.94 4.83-96.144 1.87 1.6362 35.326.53 8-1074.1 1.38 1.53246 45.937.053 7.6-49.135 1.72904 54.8表12、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Radius/r Thickness/d 折射率/n 玻璃阿贝数/ν50.659 4.717 1.71289 53.967.373 0.42346.501 7.254 1.71289 53.9261.548 6.382-127.040 2.471 1.6362 35.335.055 10.571-1419.262 1.824 1.53246 45.948.960 10.042-64.925 1.72904 54.8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。

（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。

zemax实验（1）镜头参数输入：在zema某中，对镜头参数输入有如下约定：1）透镜表面个数（面数）2）符号规则：曲率半径r：如曲率中心位于镜片表面右侧，则曲率半径为正；反之为负厚度d：如下一表面位于当前表面的右侧，则两表面之间的厚度为正；否则为负(2)Gen(GeneralLenData通用)这个按钮用于调用系统数据对话框，它用来定义作为整个系统的公共数据，而不是仅仅与单个面有关的数据。

常用的选项有以下几个：1)Aperture(孔径)系统孔径表示在光轴上通过系统的光束大小。

要设置系统孔径，需要定义系统孔径类型和系统孔径值。

ApertureType：EntrancePupilDiameter(入瞳直径)ImageSpaceF/#(像空间F/#)ObjectSpaceNumericalAperture(物空间数值孔径)FloatByStopSize(随光阑浮动)Para某ialWorkingF/#(近轴工作F/#)ObjectConeAngle(物方锥角)2)RayAiming(光线校准)如果光线校准关闭，ZEMA某将会以光线充满入瞳为来确定进入系统的光线方向以及能量大小。

当RayAiming分别为Para某ial和Real时，光线分别按照近轴和实际光线追迹方式。

光线充满光阑Stop面。

某Rayaiming使用前应通过Analyi——Fan——PupilAberration先查看一下入瞳象差某当系统的F/#较小时，使用Para某ialRayAiming会引起较大的误差，应使用RealRayAiming。

（3）Fie(FieldData视场)视场对话框可以确定视场点。

视场可以用Angle(角度)、ObjectHeight(物高)、Para某ialHeight(近轴像高)、RealImageHeight(实际像高)这几种方式描述，具体情况根据系统特点选择。

设计视场的选择一般小视场光学系统（2ω<80°）0、0.707、1.0中等视场光学系统（80°<2ω<140°）0、0.5、0.707、0.866、1.0大视场光学系统（2ω>140°）0、0.3、0.5、0.7、0.85、1.0视场权重：默认为1，最后根据需要不断修改。

深圳大学课程论文题目成绩专业课程名称、代码年级姓名学号时间任课教师三片摄影物镜的设计一、设计任务的具体指标及其要求系统的焦距f=100mm，D/f=1/5，视场角2W=40O。

该物镜对d光校正单色像差，对F、C光校正色差。

二、实验原理光学设计必须校正光学系统的像差，但既不可能也不必要把像差校正到完全理想的程度，因此需要选择像差的最佳校正，也需要确定校正到怎样的程度才能满足使用要求，即确定像差容限。

对光学系统成像性能的要求主要有两个方面：第一方面是光学特性，包括焦距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距离等；第二方面是成像质量，光学系统所成的像应该足够清晰，并且物像相似，变形要小。

像差指在光学系统中由透镜材料的特性或折射（或反射）表面的几何形状引起实际像与理想像的偏差。

理想像就是由理想光学系统所成的像。

实际的光学系统，只有在近轴区域以很小的孔径角的光束所生成的像才是完善的。

但在实际应用中，须有一定大小的成像空间和光束孔径，同时还由于成像光束多是有不同颜色的光组成的，同一介质的折射率随颜色而异。

因此实际光学系统的成像具有一系列缺陷，这就是像差。

像差的大小反映了光学系统质量的优劣。

几何像差主要有七种：其中单色光像差有五种，即球差、彗差、像散、场曲和畸变；复色光像差有轴向色差和垂轴色差两种。

在实际的光学系统中，各种像差是同时存在的。

它影响了光学系统成像的清晰度、相似性和色彩逼真等，降低了成像质量。

1、球差轴上物点发出的光束，经光学系统以后，与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置，因此，在像面上形成一个圆形弥散斑，这就是球差。

在孔径角很小的近轴区域可以得到物点成像的理想位置l′，任意孔径角U的成像光线偏离理想像点与光轴相交的位置为L′。

我们把轴上物点以某一孔径角U 成像时，其像方截距L′与理想像点的位置l′之差称为轴上点球差，又称为轴向球差，用如图2-1表示。

球差也可在垂轴方向度量，称为垂轴球差。

图2-1 光学系统的球差不同孔径角U（或孔径高度h）入射的光线有不同的球差值，如果轴上物点以最大孔径角Um成像，其球差称之为边光球差，如果以孔径角0.707U成像，则相应的球差称之为0.707带球差。

三片式照相物镜设计
透镜参数：
1.焦距为9mm。

2.相对孔径为1/4。

3.全视场2ω为40度。

4.所有视场在67.5lp/mm处时，MTF>0.3。

5.三个透镜选用的玻璃依次为ZK5，F6，ZK11。

CAD图：
1.系统二维图：
2.系统三维图：
3.点列图：
1）当ω=20度时，系统的慧差较大。

2）从图中可以看到黑色圆圈所包含的点较多，说明能量较为集中。

3）系统的弥散斑半径较小，该系统符合设计要求。

4.MTF曲线
1）当所有视场在67.5lp/mm处时，MTF曲线>0.3。

符合系统设计要求。

2）图中黑色的线为衍射极限，图中其他曲线的走势和衍射极限的走势基本相同，系统较为优秀。

3）S曲线（弧矢曲线）与T曲线（子午曲线）基本重合，说明镜头的像散比较小。

4）图中曲线较为平直，说明边缘与中间一致性较好。

5.光线扇面（Ray Fan）
6.光程差扇形图（OPD Fan）
7.Field Curv/Dist（场曲）
8.点扩散函数PSF
9.包围圆能量曲线
在上图中，曲线较为陡直，且拐弯点较高，说明该系统较好。

Z E M A X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；视场表12、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。

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spot diagram ,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。

三片分离式照相物镜优化设计The latest revision on November 22, 2020三片分离式照相物镜的优化设计(1)光学特性：f ’=12mm,D/f ’=1/3.5,2w=40°（2）像质主要以调制传递函数MTF 衡量，具体要求是：全视场在50lp/mm 处，MTF>0.4。

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要求，并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，撰写课程设计论文照相物镜的简介照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征。

即焦距f ’、相对孔径D/f ’和视场角2w 。

照相物镜的焦距决定所成像的大小Ⅰ）当物体处于有限远时，像高为y ’=(1-ωβtan ')f式中，β为垂轴放大率，l l y y ''==β。

对一般的照相机来说，物距l 都比较大，一般l >1米，f ’为几十毫米，因此像平面靠近焦面，''f l ≈，所以Ⅱ）当物体处于无限远时，β→∞像高为y ’=ωtan 'f因此半视场角 ω=actan ''f y 下表中列出了照相物镜的焦距标准：相对孔径决定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度，在此的分辨率亦即通常所说的截止频N照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其本身的分辨率不高，相对孔径的作用是为了提高像面光照度E’=1/4πLτ(D/f’)2照相物镜的视场角决定其在接受器上成清晰像的空间范围。

按视场角的大小，照相物镜又分为a）小视场物镜：视场角在30°以下；b）中视场物镜：视场角在30°~60°之间；c）广角物镜：视场角在60°~90°之间；d）超广角物镜：视场角在90°以上。

照相物镜按其相对孔径的大小，大致分为a）弱光物镜：相对孔径小于1：9；b）普通物镜：相对孔径为1：9~1：3.5；c）强光物镜：相对孔径为1：3.5~1：1.4；d）超强光物镜：相对孔径大于1：1.4；照相物镜没有专门的视场光阑，视场大小被接受器本身的有效接受面积所限制，即以接收器本身的边框作为视场光阑。

成绩设计报告题目三片式照相物镜设计姓名学号专业年级指导教师2015年 11月 20日目录1设计任务的具体指标及其要求........................................... 错误!未定义书签。

2 入瞳直径的设定.................................................................. 错误!未定义书签。

3 视场角的设定...................................................................... 错误!未定义书签。

4工作波长的设定................................................................... 错误!未定义书签。

5 评价函数的选择 (2)6系统的透镜参数设定........................................................... 错误!未定义书签。

7优化工具窗口图 (4)8系统结构的轮廓图 (5)9系统的FFT MTF图 (5)10系统的FFT PSF (6)11系统的Spot Diagram图 (6)12系统的Ray Fan图 (7)13系统的OPD Fan图 (7)14系统的Field Curv/dist图 (8)15系统的Grid Distortion图 (8)16 系统的Lateral Color图 (8)17 系统的Wavefront Map图 (9)18 系统的Diffraction Encircled Energy图 (9)19系统数据 (10)心得体会…………………………………………………………………………………......错误!未定义书签。

1．设计任务的具体指标及其要求系统焦距为10mm，F/#为5，全视场2ω为38°，工作在可见光波段，玻璃材料只能有两种，要求所有视场满足在50lp/mm出MTF>0.3。