三片式物镜设计+Zemax文件截图北交大工程光学设计作业

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。

三片型望远镜物镜系统设计报告物镜是望远镜中最重要的组件之一，它决定着望远镜的分辨率和光学性能。

设计一款高质量的物镜系统对于实现高清晰度和高放大倍数的观测是至关重要的。

在本报告中，将介绍一种三片型望远镜物镜系统的设计。

首先，我们选择了三片型物镜系统，因为它具有良好的光学性能和较小的色差。

它由三个镜片组成，分别称为目镜、中镜和物镜。

这种设计可以有效减少畸变和散光，提高图像的清晰度和准确性。

在设计物镜系统时，我们首先确定了光学焦距和口径。

光学焦距决定了望远镜的放大倍数，而口径则决定了光的收集能力。

为了实现高分辨率的观测，我们选择了较长的光学焦距和较大的口径。

然后，我们根据设计要求选择了合适的光学玻璃材料。

光学玻璃的折射率和色散性质会影响物镜系统的成像质量。

我们选择了具有较低色散率的特殊光学玻璃材料，以减少色差和散光现象。

接下来，我们进行了最佳的透镜曲率半径和厚度的选择。

透镜的曲率半径和厚度会影响光线的弯曲和聚焦，因此在设计过程中需要进行精确调整。

我们使用了光学设计软件进行模拟和优化，以确定最佳的透镜参数。

最后，我们进行了物镜系统的光学测试和校准。

通过使用干涉仪、散斑法和星光观测等方法，我们对物镜系统的成像质量进行了评估。

通过调整透镜的位置和角度，我们进一步优化了系统的光学性能。

通过上述设计和优化步骤，我们成功设计了一款高质量的三片型望远镜物镜系统。

该系统具有较高的分辨率、准确的成像和较小的色差。

我们将继续改进该系统的设计，并进行实际观测和测试，以验证其性能和可靠性。

总结起来，物镜是望远镜中最关键的组件之一，其设计需要考虑光学焦距、口径、材料和曲率半径等因素。

通过使用光学设计软件进行模拟和优化，并进行光学测试和校准，我们可以设计出高质量的物镜系统。

这种三片型望远镜的物镜系统具有较高的分辨率和准确的成像，适用于各种天文观测和科研应用。

三片式物镜的设计小组成员:执笔人：1.设计任务的具体指标及其要求35mn相目机胶片50mm焦距F/3.5可见光波段光阑位于中间透镜2.入瞳直径的设定点击Gen打开Ge neral窗口，在求在Aperture Value 中输入3.5.玻璃最小中心厚度与边缘厚度4mm最大中心厚18mm空气间隔最小各透镜所用材料SK4---F2----SK4General系统通用数据对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择Image Space F/#2mm，并根据设计要3. 视场的设定21.7mm，由于使用35mmd机胶片，其规格尺寸为36mm*24mnZemax中一般使用圆形像面，因此该矩形像面的外接圆半径经计算为0.707 像高的视场高度为15.3mm。

点击Fie 打开Field Data 窗口，设置三个视场分别为0mm、15.3mm、21.7mm。

选择可见光波段，点击Wav 按钮，设置Select-F , d , C (Visible ),自动输入三个特征波长。

Field Data C Angle (Deg)■+ Paraxial Image HeighlReal Image HeightUseWeightVDX VOS VCY VAN11r 120 15.3|0|0 ~ |0 0 0 0 0 0 一 0 0 0 |00 |0 一0 0 0 |0OK —1Object HeightX-FieldYField8gSet Vig10 1.0000 1.0000 1.00001.0000 1.00001.0000 1.00001.000011 0000[1.0000 1.0000|1 ooooCancel Cli Vig0.00000 0.00000 Q00000oooooo oooooo0.00000 0.00000 OOOOO Q[oooooo|00000uoooooo [oooooo VDY oooooo oooooo oooooo oooooo0.00000 |000000[oooooo~ oooooo oooooo |ooooooSave0.00000 0.00000 0.00000oooooo oooooo0.00000 oooooo0.00000oooooo|0.000000.00000oooooo0.00000oooooo oooooo0.00000oooooo10.00000~ [ooooooHelp 0.00000Load4.工作波长的设定Wavelength Data5.评价函数的选择执行命令Editors----Mreit Function 打开Mreit Function Editor 编辑窗口，在Mreit Function Editor 编辑窗口中执行命令Tools---Default MeritFunction，打开默认评价函数对话窗口，选择RMS---Spot Radius--Centroid 评价方法，并将厚度边界条件设置为玻璃最小中心厚度与边缘厚度4mm最大中心厚18mm空气间隔最小2mm6.系统的透镜参数设定在Lens Data Editor 中输入部分初始结构，设置中间透镜为光阑，设置各透镜所用玻璃材料类型。

三⽚摄影物镜的设计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。

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。

Zemax课程设计报告
设计任务一：
设计一个照相物镜：f ’=9mm,F#为4 , 2w=40°, 要求所有视场在67.5lp/mm处MTF>0.3；
初始结构参数：选三片式照相物镜作为初始结构
◆初始结构:f ’=74.98mm,F#为3.5, 2w=56°
◆结构参数：
◆任务修改：f ’=12mm,F#为4 , 2w=45°, 要求所有视场在75.5lp/mm处MTF>0.4；
设计任务二：
设计一f-θ透镜，要求使用雷射光源632.8nm；
◆系统参数：f’=800,D=50,2w=±30°，
◆初始结构参数：第一面为STOP，第七面曲率半径solve,F/#=16
思考题必答：畸变为视场角的函数，在0视场角的畸变为何并不为0？
报告提纲
（加封皮，写明设计任务、姓名、学号）
56980476@12月21日前发至邮箱
1.设计任务
2.初始参数的计算；
3.初始结构的建立；
4.系统参数的输入；
5.校正前的像差曲线；
6.像差校正过程；
7.设计结果。

8.心得与体会：
9.思考题
作业题
•光学系统有哪些特性参数和结构参数？
•轴上像点有哪几种几何像差？
•列举几种主要的轴外子午像差？
•什么是波像差？什么是点列图？分别适用于评价何种光学系统
的成像质量？
•叙述采用光学自动设计软件进行光学系统设计的基本流程。

•Zemax采用了什么优化算法？
•序列和非序列光线追迹各有什么特点？。

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。

I一种三片型照相物镜的设计摘要照相物镜的作用是把外界景物成像在感光底片上，使底片曝光产生景物象。

三片型照相物镜是目前很多照相物镜的基础，很多物镜都是基于三片型照相物镜发展而来的。

三片型照相物镜最初是将两个完全一样凸透镜分别置于一个凹透镜两边，使其总光焦度为零，这样构成对称结构，可以完全消除场曲。

而目前的三片型照相物镜可以由设计者根据基本结构设计自己所需要的物镜。

在照相物镜的设计上，基本都要求的是大视场，所以设计时需要对像差的校正也多一些。

设计所要求的三片型照相物镜的相对孔径D/ f´= 1/4.5，根据光学特性的要求，物镜的视场角2ω=40°，物镜的焦距为f´=100mm。

该次设计的三片型照相物镜是在一般的结构上进行优化设计的。

关键词：照相机，三片型照相物镜，像差，ZemaxII One kind of 3-piece type camera photographic lens designABSTRACTThe role of photographic lens is that take the outside world in the light-sensitive film on the imaging features to create scenes like the film exposure. 3-piece type camera photographic lens is the foundation of a lot of camera photographic lens at present. Many photographic lens development is based on the 3-piece type camera photographic lens. At the first, 3-piece type camera photographic lens is put the two same convex lens on a concave lens side. Make the Total light focal degrees is zero, Constitute a symmetric structures. To completely eliminate the field bending. But the present 3-piece type camera photographic lens by designer according to basic structure design which is needed. In the design of the camera photographic lens, all requests is basically the big field of view. So the design need more correction to the aberration.The design requests objective lens' relative aperture D/ f´ = 1/4.5, according to the optical character request, objective lens' angle of view 2ω=40°, and the focus of the photographic f´=100mm. In this design, the 3-piece type camera photographic lens is carries on the optimized design in the general structure.KEY WORDS：camera, 3-piece type camera photographic lens, Aberration, ZemaxIII目录摘要 (Ⅰ)ABSTRACT (Ⅱ)1 照相机物镜简介 (1)1.1 照相机物镜的历史背景 (1)1.2 照相物镜的特点及发展现状 (4)2 光学系统像质评价 (5)2.1概述 (5)2.2几何像差及其相应校正方法 (5)2.2.1 球差 (5)2.2.2 彗差 (7)2.2.3 像散 (9)2.2.4 场曲 (10)2.2.5 畸变 (11)2.2.6 色差 (122)2.2.7 高级像差 (14)2.3 像差校正的方法 (14)2.3.1像差校正方法 (14)2.3.2怎样使用阻尼最小二乘法程序进行光学设计 (16)3 三片型照相物镜的设计 (17)3.1 三片型照相物镜的结构形式 (17)3.2 应用ZEMAX软件进行设计 (18)3.2.1确定原始系统 (18)3.2.2像差的校正及优化 (23)3.2.3设计最终优化结果 (25)4设计总结 (29)致谢 (30)参考文献 (31)11 照相机物镜简介照相机的光学成像系统是按照几何光学原理设计的，并通过镜头，把景物影像通过光线的直线传播、折射或反射准确地聚焦在像平面上。