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1、双高斯镜头的优化设计 【摘要】随着毕业生就业竞争激烈化，学生不在满足于仅仅学习课本上的理论知识，迫切的需要参与实践，在这种情况下，将光学设计软件ZEMAX引入工程光学教学是大有益处的。本文以典型的双高斯物镜优化设计为例，经过初始数据录入、优化及分析像差等光学设计的相关步骤，最后使物镜性能得到了提升，使学生获得处理实际光学设计问题的初步的能力。 【关键词】双高斯物镜 工程光学 ZEMAX 光学设计 引言。 对于工程光学，如何使学生产生学习兴趣？这是教学所面临的难题。而将ZEMAX软件引入教学解决了这一难题。大量科研论文是以ZEMAX为平台进行光学设计的1-4，本文以双高斯物镜优化设计为例，这种物
2、镜的设计，对教学来说是很典型和实用的。1888年，Alvan Clark发现使用两对高斯结构，背对背反方向组合后，也可以成为一种有用的镜头，这就是最初的双高斯结构概念。后来经过Paul Rudolph进一步改进，从而使物镜由原来的4群4片变成4群6片。二十世纪二十年代，Taylor Hobson在此基础上 研发的f/2的高速电影机镜头（Speed Panchro），成为了好莱坞电影厂的标准配备。到了21世纪的今天，各家光学厂商关于双高斯镜头设计登记在案的专利已超过300件。本文对双高斯物镜的光学要求为：35mm胶片，使用可见光（F，d，C），焦距f=100mm，相对孔径D/f=1/2，场曲小于
3、0.7mm，畸变小于1%，渐晕不小于80%， RMS弥散斑小于30微米。 1.输入初始物镜数据。 设计物镜的第一步是获得物镜的初始数据，通常使用的方法是：（1）查询相关专利进行放缩；（2）使用初级像差理论解出的结果。本文使用前一种方法，引用美国专利U.S.Patent 2532752（1949）为初始结构，此镜头焦距和相对孔径与本文要求相同，可以给优化带来方便。在软件LensVIEW找出此专利，并在File下拉菜单中选Create ZEMZX File选项保存。直接用ZEMAX打开此文件，其数据如表1所示。 首先为系统输入波长。点击主窗口上方的快捷键“Wav”，在对话框中按下“Select”键
4、选择“F，d，C（Visible）”。接着设定视场角。35mm电影胶片的对角线长度为43.27mm，则最大像高为其一半21.635mm，点击快捷键“Fie”，选择“实际像高（Real Image Height）”，并将视场角的个数设置为3，分别取0、0.707、1三个视场，即在“y-Field”输入0、15.296、21.635，权重选1。为了将像平面设置在近轴焦点上，在第11面的厚度上双击，将弹出对话框中SOLVE类型改变为“边缘光高（Marginal Ray Height）”。用这样的求解办法将会调整厚度使像面上的近轴边缘光线高度为0，可以得到近轴焦点。 2.优化物镜系统。 下面对物镜经行
5、优化。将镜片的曲率、像面位置和光阑两侧的空气厚度设为变量。将光标移到LDE对应栏，然后按Ctrl-Z，出现“V”，表示变为可变的参量。此时注意到玻璃只是以折射率显示的，将光标移到LDE玻璃栏， 同样按Ctrl-Z，使ZEMAX自动找出相应玻璃。接着需要为镜片定义一个“评价函数（Merit Function）”。为了定 义评价函数，从主菜单中选择“编辑（Editors）”菜单下的“评价函数（Merit Function）”。从这个新窗口的菜单上，选择“工具（Tools）”菜单下的“缺省评 表1 物镜初始结构参数 价函数（Default Merit Function）”。选“RMSSpot Rad
6、iusCentroid”。 此外，还需要使镜头的焦距保持100mm不变。在第一行中的任何一处单击鼠标，使光标移动到评价函数编辑的第一行，按下INSERT键插入新的一行。现在，在“TYPE”列下，输入“EFFL”。此操作数控制有效焦距。移动光标到“Target”列，输入100。其“权重（Weight）”输入1。这样就完成了评价函数的定义。点击快捷键“Opt”，会显示优化工具对话框。在该复选框中选择“自动更新（Auto Update）”，然后单击“自动（Automatic）”，开始优化。评价函数值越低越好，我们可以看到评价函数值在逐渐减少。优化完成后，单击“退出（Exit）”。由LDE可以看到，优
7、化使镜片的曲率半径发生了改变。 3.优化后像差分析 镜片优化后，点击快捷键“Ray”得到光线差图。如图1中“TRANSVERSE RAY FAN PLOT”所示。最大的像差已经被减小到约50微米。接下来点击快捷键“Opd”，得到光程差图，如图1中“OPTICAL PATH DIFFERENCE”所示，最大光程差约为波长的9倍。接着选择“Analysis”菜单“Miscellaneous（杂项）”中的“Relative Illumination（归一化照度）”， 如图1中“RELATIVE ILLUMINATION”所示。发现边缘处渐晕最小，接近80%。最后点击快捷键“Fcd”，来观察场曲和畸变
8、。图1中“FIELD CURVATURE / DISTORTION”显示了场曲和畸变，最大场曲不到0.7mm，畸变小于0.8%。各项指标皆已达到优化要求。 图1 物镜优化后结构及像差 参考文献 1 李广， 汪建业， 张燕，等.800万像素手机镜头的设计J.应用光学，2011，32（3）：420-425. 2 宋东，张萍，王诚，等.基于ZEMAX的手机摄像镜头设计J.应用光学，2010，31（1）：34-38. 3 运高谦， 杨红军， 邢丽峰等.三片式摄影物镜的优化设计及光学性能评价J.郑州轻工业学院学报（自然科学版），2010，25（4）：121-124. 4 张韧剑，江曼，任兆玉等.结构简洁的光学变焦距手机镜头设计J.应用光学，2011，32（1）：27-30.第 4 页 共 4 页
双高斯镜头的优化设计
