1、确定照相物镜的基本性能要求
焦距：f’=9.6 mm;
相对孔径:D/f’不小于1/2.8;
视场：CCD为1/2.5英寸，成像面大小为4.32mm × 5.76mm
可见光波长；
MTF：轴上＞ 40% @100 lp/mm，轴外0.707 ＞35% @ 100lp/mm；
最大畸变＜1% 。
选用CDGM玻璃库
2、确定初始结构
照相物镜属于大视场大孔径系统,因此需要校正的像差也 大大增加,结构也比较复杂,所以照相物镜设计的初始结构 一般都不采用初级像差求解的方法来确定,而是根据要求从 手册、资料或专利文献中找出一个和设计要求比较接近的 系统作为原始系统。在选择初始结构时,不必一定找到和 要求相近的焦距,一般在相对孔径和视场角达到要求时,我们就可以将此初始结构进行整体缩放得到要求的焦距值。
照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器的空间范围,镜头所成的半像高y′可用公式y′= - f′tanw计算，其中f′为有效焦距，2w为视场角。半像高y′应稍大于图像传感器CCD或 CMOS 的有效成像面对角线半径,防止CMOS 装调偏离光轴而形 成暗角。经过简单计算：y’=sqrt(4.32^2+5.76^2)/2≈3.6mm, w=arctan(y′/f′)≈20.56° ， 视场角2w=41.12° 。
在光学镜头手册查找初始结构
3、输入初始结构
4、输入系统参数
- 用“General”对话框定义孔径。在Zemax主 菜单中选择“System”的“General”，或选 择工具栏中的“Gen”，打开“General”对 话框，选择“Aperture Type”为“Image space F/#”，在Aperture value中输入2.8。
Entrance Pupil Diameter（入瞳直径）：可用来直接确定 进入系统的光束直径的大小，适用于大多数无限共轭系 统。如果将孔径类型设置为：Entrance Pupil Diameter， System-General-Aperture 那么无论如何改变光阑的位置，都不影响进入系统的光 束，并且透镜的半径（Semi-Diameter）应设置为“自 动”，由设置的入瞳直径自动调整。
Image Space F#（像空间F数）：用于直接确定像空间的 F数值，当系统焦距已知的情况下，可同入瞳直径相互转 换。
Object Space NA(物空间数值孔径)：常用于有限共轭系 统，如：显微系统、投影系统等，通过直接定义物点发
光角度约束进入系统的光束大小。
Float By Stop Size(随光阑尺寸漂移)：用于系统中孔径光 阑固定的情况，如有的系统光阑大小为定值，可使用这 种类型来计算入瞳的大小
- “Wavelength Data”对话框定义工作波长。在 Zemax主菜单中选择“System”下的 “Wavelength”，或者选择工具栏中的“Wav”， 打开波长设置对话框。选择“Select->”中的 “F,d,C(Visible)”，其余为默认值，如图所示。 F光（ 486.13nm）和C光 （ 656.27nm）计算和校正色差，对 D光（ 587.56nm ）校正单色像差
- 用“General”对话框定义孔径。在Zemax主菜 单中选择“System”的“General”，或选择工 具栏中的“Gen”，打开“General”对话框， 选择“Glass Catalogs”选项卡，删除原来的肖特玻璃库（SCHOTT），在选择框中选择 CDGM。
4、用“General”对话框定义孔径。在Zemax主菜单中选 输入光学特性参数-Ray Aiming 择“System”的“General”，或选择工具栏中的 “Gen”，打开“General”对话框，选择“Ray Aiming” 选项卡，在选择框中选择Paraxial选项。
Off:表示不进行光线瞄准，此时认为光瞳无像差。对 于中等视场的光学系统，可以选用该选项。
Real:对于大视场光学系统，通常选用该选项，用于消 除光阑像差。以实际镜头系统主光线作为参照。
Paraxial:与real区别在于该选项假设镜头系统没有像 差，使用理想情况下的近轴光线追迹来瞄准光阑中心，
优点是计算时间短。
5、缩放镜头
6、设置视场角
用“Field Data”对话框定义视场。在Zemax主菜单中选择“System”下的“Fileds”或选择工具栏中的 “Filed Data”对话框，选择“Field Type”为“Real Image Hight”，在相应的文本框Y-Field中输入四个 数，分别为：0、0.5、0.7、1视场值，其余为默认值，按OK保存退出
注意：应该在焦距缩放后再 设置，像高会随焦距缩放发 生变化，视场角不会。 因此，在焦距缩放后确认下
是否发生变化
7、调整
快速聚焦，最佳像面作为优化参考像面。 在Zemax主菜单中选择“Tools”下的“Design”，选
择“Quick Focus”
高斯像面，作为优化参考像面。 将LDE中高亮条移至第8间隔处，按鼠标右 键弹出“Thickness solve on surface”对话框， 设定“Solve Type”为为“Marginal Ray Height”，“Height”为0，“Pupil Zone ”为0，设置完后面显示M。
8、查看结构图、MTF、点列图和畸变
在FFT MTF窗口中点击Settings，设置最大显示频 率。如图，在“Sampling”中选择“64*64”，在
“Maximum Fre”中输入“100”，其他默认设置， 点击“Save”保存。
Spot Diagram：快捷键“Spt” ，对于照相 物镜，最大光斑一般控制在10 μm以内
Distortiond：快捷键“Fcd” 。目标要求 最大畸变<1%
5、优化
1、首先，将所设计的透镜的曲率半径作为变量。具体方法是:在LDE中,将高亮条移动到 要改变的参数上,按Ctrl+Z设定变量。当该参数作为变量时,在其数据之后将出现宁母 “V”,如图所示,注意Ctrl+Z是一个切换器,当高亮条在所设定的参数处时,再按Ctrl+Z 撤销变量设定。
注意：孔径光阑作为单独面， 一般不做变量
2、设置默认评价函数。打开“Editors”下拉菜 单中的”Merit Function”,弹出一个窗口单击 “ Tool” 下 拉 菜 单 中 的 “ Default Merit Function，创建优化函数。 选 择 “ RMS+Spot Radius+Centroid” 或 者 “RMS+Wavefront+Centroid”为默认评价 函数。 本例题波像差在 2 个波长内 ， 选 择“RMS+Wavefront+Centroid”为默认评价 函数
设计优化过程要控制的主要外形光学特性参数为焦距、总长、后截距等，并优化球差、彗差、畸变、位置色 差等像差。在MFE中,将高亮条移至默认评价函数起始操作符DMFS处,按多次Insert键增加多行操作符数据输 人行,输人相应的操作符号和数据。“Type”分别输人： EFFL: 有效焦距控制 ；DIMX:系统最大畸变；OPLT：某操作符结果小于相应数值。如图所示。
注意：插入空白输入行必须放在DMFS（粉红色亮条）之前，防止切换优化模式时操作数被覆盖
在Zemax主菜单中选择“Tool”下的“Optimization”,或选工 具栏中的“Opt”,打开“Optimization”对话框，如图 所示。 显示的信息有: 目标数(Targets), 变量(Variables), 初始系统评价函数值(Initial MF), 当前系统评价函数值(CurrentMF), 优化状态(执行次数,Status), 优化执行时间(Execution Time)。 单击“Optimization”,系统将自动进行优化。
首次自动优化后的消物镜结构参数和像差结果如图所示,可以看出设计结果明显优于初始结果。分析：MTF、畸变、 光斑基本符合要求， 但是透镜结构（厚度） 没有达到要求，需要 进一步优化
透镜的中心和边缘最小厚度
将所设计的透镜的厚度参数 作为变量。具体方法是:在LDE 中,将高亮条移动到要改变的参 数上,按Ctrl+Z设定变量。当该 参数作为变量时,在其数据之后 将出现字母“V”,
进一步添加玻璃厚度参数的约束输人。在MFE中,将高亮条移至空白输入行,输人相应的操作符号和数据。
“Type”分别输人： MNCA：最小空气中心厚度
MXCA：最大空气中心厚度
MNEA：最小空气边缘厚度
MXCG：最大玻璃中心厚度
MNCG：最小玻璃中心厚度
MNEG：最小玻璃边缘厚度
透镜厚度已经满 足要求。传函MTF和畸变满足题目要 求。光斑略大。
6、二次优化
用组合操作数TRAY\PROB\SUMM进行优化彗差
优化结果
2、把玻璃设为变量进行优化
双击玻璃材料栏，在出现的“Glass solve on surface”对话框中，“Solve Type”选择Model，并在Vary中将Index Nd和Abbe Vd勾选，dPgF设为0，不 勾选。确定完，玻璃材质后面带上V，为变量
添加玻璃操作数，对玻璃折射率和阿贝数进行限制。玻璃材料边界条件操作数：
MNIN（最小的折射率）；MXIN（最大的折射率）
MNAB（最小的阿贝常数）；MXAB（最的阿贝常数）
RGLA（与实际玻璃差值）
优化完后需要将虚拟玻璃按Ctrl+Z替换成实际玻璃，再次进行优化
1、双击玻璃材料栏，在出现的“Glass solve on surface”对话框中，“Solve Type”选择Substitute， 确定，玻璃材质后面带上S。
2、锤形优化。点击快捷栏中Ham，打开锤形优 化窗口“Hammer Optimization”。设置操作 CPU核数，点击”Start”开始优化。注意锤形优 化需要长时间进行，往往需要几个小时，或者 几天才有明显效果，同时优化是应注意操作数 的限制。
3、进一步优化畸变
提高畸变权重，优化畸变<1%，优化色差，等最终结果如下
7、公差分析
取消镜头数据编辑器中的所有变量，打开公差数据 编辑器，在Tools中选择“Default Tolerances”设置以下公
差值。
测试波长 : 0.5876
视场: XY 对称 毫米中实际像高
# X-视场 Y-视场 权重 VDX VDY VCX VCY
1 0.000E+00 0.000E+00 4.000E+00 0.000 0.000 0.000 0.000
2 0.000E+00 2.520E+00 1.000E+00 0.000 0.000 0.000 0.000
3 0.000E+00 -2.520E+00 1.000E+00 0.000 0.000 0.000 0.000
4 0.000E+00 3.600E+00 1.000E+00 0.000 0.000 0.000 0.000
5 0.000E+00 -3.600E+00 1.000E+00 0.000 0.000 0.000 0.000
6 2.520E+00 0.000E+00 1.000E+00 0.000 0.000 0.000 0.000
7 -2.520E+00 0.000E+00 1.000E+00 0.000 0.000 0.000 0.000
8 3.600E+00 0.000E+00 1.000E+00 0.000 0.000 0.000 0.000
9 -3.600E+00 0.000E+00 1.000E+00 0.000 0.000 0.000 0.000
蒙特卡罗分析:
测试数: 20
初统计: 正态分布
测试 标准 改变
1 0.00493799 0.00000000
2 0.00493799 0.00000000
3 0.00493799 0.00000000
4 0.00493799 0.00000000
5 0.00493799 0.00000000
6 0.00493799 0.00000000
7 0.00493799 0.00000000
8 0.00493799 0.00000000
9 0.00493799 0.00000000
10 0.00493799 0.00000000
11 0.00493799 0.00000000
12 0.00493799 0.00000000
13 0.00493799 0.00000000
14 0.00493799 0.00000000
15 0.00493799 0.00000000
16 0.00493799 0.00000000
17 0.00493799 0.00000000
18 0.00493799 0.00000000
19 0.00493799 0.00000000
20 0.00493799 0.00000000
8、补充
常用CCD像面尺寸表
常见的公差参数范围 |
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