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。
根据建模的步骤，首先是系统特性参数输入过程。
点击按钮，在“General”系统通用数据对话框中设置孔径和玻璃库。
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
。
点击按钮，打开“Fiel d Data”对话框设置5个视场（0ω,0.3ω，0.5ω，0.7ω和ω。
Wavelength Data”对话框设置“Select→F，d，C[Visibl e]
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。
求解（Solve）功能使用方法：
用鼠标左键双击（或单击鼠标右键）需要设置“Solve”功能的单元格（即第“7”面所在的行和“Thickness”所在的列交叉的单元格），将弹出标题为“Thickness Solve on Surface 7”的对话框，如图17-2所示。
图17-1 三片式照相物镜初始结构参数
图17-2 Thickness Solve on Surface 7对话框
根据本系统的设计要求，在图17-2中，对话框“Solve Type”中选择“Marginal Ray Height”，并将“Height：”值输入为“0”，表示将像面设置在了边缘光线聚焦的像方焦平面上。对话框中的“Pupil Zone”定义了光线的瞳面坐标，用归一化坐标表示。“Pupil Zone”的值如果为0，则表示采用近轴光线；如果为-1和+1
M”字母，表示这一厚度采用了求解“Solve”方法。
初始结构参数输入后，由于系统焦距与设计要求并不相符，因此需要通过缩放功能进行调整。
初始结构参数的缩放功能使用方法：
执行命令“Tools→Scale Lens”，即可打开名称为“Scal e Lens”的对话框，如图17-3所示。
图17-3 焦距缩放
图17-4 焦距缩放后的二维结构图
由于系统现有的焦距为74.98 mm，且设计任务要求将其变为9 mm，因此缩放因子为。所以在“Scale By Factor（缩放因子）”后面输入
“0.120032”Lens Data Editor中的结构数据将发生变化，此时系统焦距EFFL9 mm。
17-4所示。从“Layout
前后两表面相交的情况，即第一光学表面边缘厚度为负值。很显然，这是不合理的。为了解决此问题，可以再次利用“Solve（求解）”功能，在“Thickness solve on surface 1”对话框中将第一面厚度的“Solve Type（求解类型）”中选择“Edge Thickness（边缘厚度）”，并在“Thickness（厚度）”中输入“0.1”，这表示第一面边缘厚度被控制为0.1 mm。该值在优化过程中不会被改变。点击“Layout”结构图中的“Update（更新）”即可得到图17-5。
图17-5 设置Solve后的二维轮廓图
（2）初始性能评价
、
列图和MTF图线。在MTF67.5 lp/mm处的MTF 值，因此通过“Settings”对话框将采样频率（即空间频率）定为68 lp/mm。
从FFT MTF曲线图，如图17-6所示，可以看出系统成像质量较差，需要进一步优化。
图17-6 FFT MTF曲线图
（3）优化
进行优化之前需要设置评价函数。从主窗口“Editors”中选择“Merit Function”，在新打开的评价函数编辑器（Merit Function Editor）中选择“Tools →Default Merit Function...”，在评价函数设置对话框中，选择默认评价函数中的“PTV + Wavefront + Centroid”评价方法。并将厚度边界条件设置为：玻璃（Glass）
厚度的最小值（Min）为0.5 mm，最大值（Max）为10 mm；空气（Air）厚度最小值（Min）为0.1 mm，最大值（Max）为100 mm。边缘厚度（Edge）都设置为0.1 mm，如图17-7所示。
图17-7 默认评价函数设置
图17-8 参考设计结果的Lens Data Editor窗口
Merit Function Editor”窗口。系统已经根据上述设
EFFL以控制系统焦距目标值（Target）为9 mm，权重（Weight）为1。
再次返回“Lens Data Editor”编辑窗口，为系统结构设置变量。变量设置可以有不同选择。这里采用的做法是将系统各表面半径（光阑面除外）和第一、第
优化。
如果曲率半径（Radius）和厚度间隔（Thickness）经反复优化都不能满足设计要求，此时可以考虑设置玻璃（Glass）为变量，以便更换玻璃。
注意：当设置玻璃为变量时，单元格会出现两个数字并与逗号隔开，前面是折射率值，后面是阿贝数值。
设计练习
请您总结一下三片式照相物镜设计的设计过程和技巧，并自行完成如下设计任务。
系统焦距为10mm，F#为5，全视场2ω为38º，工作在可见光波段，玻璃材料只能有两种（注意设计实例中有三种），要求所有视场满足：在50lp/mm处MTF>0.3。
提示：
典型的三片式照相镜头也称为库克（COOKE）镜头，它只有三个镜片，因结构简单、造价低廉被广泛地应用在价格较低的照相机上。它的结构它的是：正透镜+负透镜+正透镜。三者之间相互分离。这种镜头的复杂化形式分为两类：一类是把前后两个正透镜中的一个分成两个分离的镜片（即有三个变成四个），目的是增大镜头的相对孔径；另一类是把前后两个正透镜中的一个或两个用双胶合透镜组代替，目的是在增加相对孔径的同时，增加全视场，并改善边缘视场的成像质量。
它的优化变量有如下几类：
1）曲率半径（Radius）：有6个。
2）厚度间隔（Thickness）：如果不把物距和像距算在内的话，有5个。
3）玻璃材料（Glass）：和镜片的个数相同，有3个。
4）二次曲面系数（Conic）：有6个，一般对于纯球面系统而言须将它们设为零。
虽然整个系统只有三个镜片，但是正是因为参与优化的变量近15个所以可以校正大部分初级像差。
在优化过程中，光阑（STOP）位置也是可以参与优化的。尤其是物方远心和像方远心光学系统中，光阑的位置对成像质量的影响很大。
在优化过程中，半口经（Semi-Diameter）不能参与优化，一般情况下，我们将其求解类型（Solve Type）设置为自动的（“Automatic”），而非固定的（“Fixed”）。而“Pick Up”类型是用来设置当面光学表面与前面某一个光学表面的半口经（Semi-Diameter）大小一致，即可以用来设置对称型的光学系统结构。而“Maximum”类型是用来设置最大值的。
