1、照相物镜设计一、设计要求1、焦距：100mm；2、视场角： 2w=40；3、相对孔径： D/f=1/4；4、弥散斑直径小于 0.06mm；倍率色差不超过 0.02mm；畸变小于 5%。二、给出初始结构1、根据设计要求，我们可以参考 Ernostar和 Tessar联合型物镜设计的相关数据，并对其进行相关改进。Ernostar 和 Tessar联合型物镜设计相关数据如下表所示，其中该系统的焦距 f=75.68mm；相对孔径 Df=1：2.4；视场角 2=56 。半径/r 厚度/d 折射率/n 玻璃阿贝数/38.339 3.5750.988 0.321.71289 53.935.192 5.491
2、97.94 4.831.71289 53.9-96.144 1.8726.53 81.6362 35.3-1074.1 1.3837.053 7.61.53246 45.9-49.135 1.72904 54.82、根据焦距曲率镜片厚度之间的比例关系，即 f1f2=r1r2=d1d2,得到焦距 100mm，相对孔径 Df=1：4 的透镜数据，如下表所示：半径/r 厚度/d 折射率/n 玻璃阿贝数/50.659 4.71767.373 0.4231.71289 53.946.501 7.254261.548 6.3821.71289 53.9-127.040 2.47135.055 10.571
3、1.6362 35.3-1419.262 1.82448.960 10.0421.53246 45.9-64.925 1.72904 54.83、启动 ZEMAX，将修改后表中的数据进行输入，步骤如下：（1）打开 ZEMAX，在主选单 system下，选择 wavelengths，输入所要的波长，第一列输入 0.486，单位为 microns，第二、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。（2）输入孔径大小，因为设计要求相对孔径为 1：4，焦距为 100mm得到孔径 D=100/4=25mm。在主选单 system菜单中选择 general
4、 data,在 aper value上输入 25。（3）输入视场角，根据设计要求，设置的视场分别为0，6，10，14，20。（4）输入曲率，面之间厚度，玻璃材质。本次设计中共有 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、OBJ、IMA，在 STO前后插入几组数据，除 IMA外共计 9组surface，按照修改后的表中数据进行输入，如下图所示，最后根据参考实验图可以确定 STO在第 6面上。（5）画出图形。点击 layout画出 2D图形如下：点击 spot diagram 画出的点阵图如下：由图得其弥散斑半径大小分别为26.012um、
5、32.990um、44.238um、55.642um、58.511um，其中大部分弥散斑半径大小大于 60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小于 5%，符合要求。点击 lateral color，即为倍率色差：由图知倍率色差小于 0.02mm，符合要求。综上所述，该设计不符合要求，所以我们下面要对以上数据进行优化，以使它的弥散斑直径符合要求。三、优化1、在本实验中，选择曲率半径为优化对象，双击 surface1，在 solve type下拉框中选择
6、 variable。剩下的 8个面也是这样进行设置，为了使弥散斑尽量聚焦于一点且不改变透镜厚度和镜组之间距离，将 surface9名下的 thickness也改为 variable。接着设置优化功能，在 system的 editors中选取 merit function，点击tools，再点击 default merit function，default merit function，要规定给 merit function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 ty
7、pe上键入 EFFL，同列中的 target项中键入 100，weight 中键入 1，如下图所示：在 tools 中选 optimization项，按 automatic，完成最佳化设计后的参数如下图所示：下面我们重新检验畸变倍率色差即弥散斑大小是否符合要求：点击 spot diagram 画出的点阵图：可以看到弥散斑大小均符合要求；点击 analysis里面 miscellaneous中的 field curv/dist：得到畸变小于 5%，符合要求；点击 lateral color：倍率色差小于 0.02mm符合要求。透镜的 2D图如下：可以看出，虽然透镜组附符合物理设计，但是第一个镜片
8、为凹镜，不符合给出的组合镜要求，故仍需要进行优化。2、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。在优化中设置优化功能，在 system的 editors中选取 merit function，进入 tools，在默认评价函数中点击 Wavefront设置为 spot radius，如下图所示：其余设置相同，过程及得到优化结果如下图所示：下面我们重新检验畸变倍率色差即弥散斑大小是否符合要求：点击 spot diagram 画出的点阵图：弥散斑最大直径小于 0.06mm，符合设计要求；点击 analysis里面 miscellaneous中的 field curv/dis
9、t：畸变小于 5%，符合设计要求；点击 lateral color：倍率色差不超过 0.02mm，符合设计要求；透镜的 2D图如下：可以看出，这次优化后透镜组附符设计要求。3、其他像质分析评价功能调制传递函数（FFT MTF）：点扩散函数（FFT PSF）光线像差曲线光路曲线入瞳像差曲线：四、最终得到设计的相关数据经验证可以看出经过再优化后的物镜成像效果符合设计要求，其相关数据如下表所示：半径/r 厚度/d 折射率/n 玻璃阿贝数/50.659000 4.71753.324743 0.4231.71289 53.941.571359 7.2542090.035754 6.3821.71289 53.9-83.272363 2.47134.236138 10.5711.6362 35.3-605.787537 1.82449.038435 10.0421.53246 45.9-56.215839 1.72904 54.8
