Zemax光学设计实例（6）---一个照相物镜的设计

一个照相物镜的设计。

设计一个照相物镜，焦距f`=9mm，F#为4，视场2ω=40度。

要求如下：

所有视场在67.5lp/mm处MTF>0.3。

（来自《光学设计教程》第3章实例）

设计流程：

（1）选择初始结构

从已知的镜头数据库中选择光学特性参数与拟设计系统相接近的镜头数据作为初始结构。

根据设计要求，选择一个三片式照相物镜作为初始结构，镜头数据如下：

（2）系统建模

首先输入系统特性参数，如下：

在General系统通用对话框中设置孔径和玻璃库。

在孔径类型中选择“Image Space F#”，并根据设计要求输入“4”；

在玻璃库标签中输入中国玻璃库“CHINA-LF”名称。

在视场设定对话框中设置5个视场（0，0.3，0.5，0.7，1视场），如下图：

在波长设定对话框中，选择F，d，C（visible）自动加入三个波长，如下图：

然后在LDE中输入初始结构，如下图：

为了将要评价的像面设为系统的焦平面，对第7面的厚度使用M解（M解，即Marginal byheight，height设置为0，表示将像面设置在了边缘光线聚焦的像方焦平面上；Pupil Zone定义了光线的瞳面坐标，用归一化坐标表示。Pupil zone值如为0，表示采用了近轴光线，如为-1~+1的任意非零值，则表示采用所定义坐标上的实际边缘光线进行计算。）。

（3）系统缩放

初始结构输入后，由于系统焦距与设计要求不符，需要通过缩放功能进行调整。

选择Tools-Scale lens，由于系统现有焦距为74.98mm，要变为9mm，缩放因子为9/74.98=0.120032，因此在Scale by Factor缩放因子后填入0.120032，点击OK。

此时LDE中的结构数据发生了变化，如下图，此时系统焦距已调整为9mm。

查看系统二维结构图，如下图：

从结构图看出，第一透镜口径不合理，出现前后表面相交（即第一面边缘厚度为负值）的情况。

此时点击第一面厚度框，选择“Edge Thickness”，并在厚度“Thickness”中输入0.1，这表示第一面的边缘厚度被控制为0.1mm，系统根据这一控制自动调整第一面的中心厚度。

调整后的系统二维结构图，如下图：

（4）初始性能评价

查看系统的点列图，如下图：

查看系统的MTF曲线，将最大频率设置为68lp/mm，如下图：

从MTF曲线可以看出，系统的初始结构还未能满足所有视场MTF>0.3的设计要求。

（5）优化

首先设置评价函数。

打开MFE，选择“Tools-Default Merit Function”，在评价函数设置对话框中，选择默认的评价函数构成为“PTV+Wavefront+Centroid”。设置厚度边界条件如下图：

点击OK后，系统已经根据上述设置自动生成了一系列控制像差和边界条件的操作数。

增加EFFL操作数，控制系统焦距为9mm，权重为1，如下图所示：

返回LDE，为系统设置变量。将系统各表面半径（除光阑面以外）和第一、第二面的厚度设置为变量，如下图所示：

点击opt按钮执行优化，如下图：

优化后的系统二维结构图，如下图：

优化后的点列图和MTF曲线，如下图：

从MTF曲线可以看出，在68lp/mm处，所有视场的MTF都大于0.4，优于系统设定的技术要求。