ZEMAX光学设计实例（127）---一个有限共轭距的柯克物镜的设计

引言：

一个有限共轭距柯克物由三片透镜构成，通常在像面前还有一块盖板玻璃（如探测器的保护玻璃或滤光片），共有12个面，如下图所示：

在应用光学中，像距通常指物镜最后表面到像面的距离，上图中，由于像面前有一块保护玻璃，有意义的像距则为物镜最后表面到保护玻璃前表面的距离，这个间隔表示物镜和探测器组件之间真正可用的距离。

共轭距指的是物面到像面的距离

物镜总长（VL）指的是物镜第一表面到物镜最后表面之间的距离。

后焦距（BFL）指的是物镜最后表面到后焦面的距离，在无限共轭距时后焦距与像距相等，在有限共轭距时则不相等。

技术指标：

设计一个有限共轭距的柯克三片式物镜，技术指标如下：

图像传感器为CCD，边长为17.8mm×13.4mm，对角线长度22.48mm，显示模式为XGA，像素数为1024×768，像素大小p=17.8um。

设计流程：

（1） 物镜选择与缩放

在光学手册或光学书中选择一个柯克三片式物镜作为初始结构，LDE如下图：

此初始结构为无限共轭距的柯克物镜，而我们的设计是有限共轭距，首先要计算相关参数。

由成像公式算出物距、像距和视场角如下：

首先修改系统参数。

在系统通用对话框中设置孔径，在孔径类型中选择“ParaxialWorking F/#”，并根据设计要求输入“4.5”；

在视场设定对话框中设置3个视场（0、0.7、1），要选择“Angle”，如下图：

在波长设定对话框中，选择F,d,C，如下图：

再将物镜焦距缩放到21.98mm，LDE如下图：

缩放后的LDE如下图：

然后设物距，将T0设为124mm。

查看此时的2D Layout，如下图：

查看点列图：

（2） 优化

打开MFE，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“RMS+Spot Radius+Chief Ray”。“Rings”选项为“3”， “Arms”选项为“6”。

设置操作数如下：

需要说明的是：

PMAG操作数，放大率此时是-0.211556，需要给定目标值-0.214，并给权重为1；

EFFL操作数，给定目标值21.98，目标值为0.02；

TTHI操作数，surface 1-6，物镜长度，并用OPLT操作数给出上限为7.0mm，权重0.02；

CTGT操作数，surface 7，像距大于15mm，权重0.02；

DIMX操作数，畸变，目标值为2（%），权重为0.02；

将所有面的半径、厚度都设置为变量，进行优化；并进一步将三个玻璃设置为S（可替代），再进行Hammer优化。

优化后的LDE，如下图：

查看优化后的2D Layout：

点列图：

Ray Fan：

查看场曲/畸变：

查看MTF：

MTF的截止频率为

MTF中，低频、中频的MTF都达到了0.8，高频MTF也大于0.4，表明该物镜对于信息的传递性能比较好。