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【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。本文以典型的三片相机物镜优化设计为例，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显著提升，使学生获得处理实际光学设计问题的初步的能力。
【关键词】三片相机物镜 工程光学 ZEMAX 光学设计
1.引言
ZEMAX可以直观的进行光学设计，借助其强大的像质评价和分析功能，将设计者从大量枯燥的计算中解脱了出来。而且它已经成为当今使用最普遍的光学设计软件之一，大量科研论文也是以ZEMAX为平台进行光学设计的[1]，所以学习ZEMAX的使用，为学生将来不论参加工作还是读研写论文都提供了良好的开端。本文三片相机物镜的设计，对教学来说是很典型和实用的。光学要求为：焦距f′=30mm，相对孔径D/f′=1/4，视场2w=50°。
2.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。本文使用后一种方法，引用袁旭沧先生以初级像差理论解出结果为初始结构[2]，直接输入数据编辑表（LDE）。如表1所示，按INSERT键插入需要的面，然后输入透镜半径和使用的玻璃，注意缺省的单位是毫米。所用玻璃是中国玻璃库里的ZK11（nd=1.638542，vd=55.449612）和F5（nd=1.624351，vd=35.908726）。
首先为物镜定义相对孔径。在“F数（Image Space F/#）” 对话框中输入值：4。接着在 “波长数据（Wavelength Data）”对话框选择“F，d，C（Visible）”。最后设定视场角。将视场角的个数设置为3，在“y-Field”输入0度、17.675度、25度，权重选1。为了将像平面设置在近轴焦点上，在第7面的厚度上双击，弹出“SOLVE”对话框，将类型改变为“边缘光高（Marginal Ray Height）”。
2.优化物镜系统
将镜片的曲率和像面位置设为变量。并选择“工具（Tools）”菜单下的“缺省评价函数（Default Merit Function）”。选“RMS→Spot Radius→Centroid”。此外，还需要使镜头的焦距为30mm。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。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30。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”，然后单击“自动（Automatic）”，开始优化。优化完成后，由二维剖面图可以看出镜片有部分重叠在一起，镜片间空气间距过小，将第二面、第四面、第五面的空气厚度反复修改并优化，最后分别确定为1.5、1、0.5。
通常镜片需要大一些，这样才能给诸如抛光和装配等提供边缘空间，如采用压圈法固定，根据光学零件外径余量表[2]，第一片镜片半径约为5.7mm需在此基础上增加0.75mm，即定义半径为6.45mm，移动光标到1面的半口径 “Semi-Diameter”列，键入“6.15”，同样第二片和第三片镜片的半径分别定义为5.1 mm和4.5 mm。
接下来需要决定透镜的实际厚度，根据透镜中心及边缘最小厚度表[2]，第一片透镜是正透镜，半径为6.45 mm，需要的最小边缘厚度为1mm。在第一面的厚度列中双击，会出现“Solve Control”窗口，选择“Edge thickness”，将“厚度（Thickness）”，设置为1。同理，第二片透镜是负透镜，半径为5.1mm，需要的最小中心厚度为1.1mm，第三片透镜半径为4.5mm，需要的最小边缘厚度为0.6mm，然后，再次点击快捷键“Opt”进行优化。优化后二维剖面图中透镜边缘厚度已趋于合理。
3.优化后像差分析
点击快捷键“Spt”，所得的点列图，如图1中“SPOT DIAGRAM”所示。图中最大视场RMS弥散斑的尺寸是17微米，可见像差消除的不错。设计中，常用的判断工具还有光线差图，可以通过点击快捷键“Ray”得到。如图1中“TRANSVERSE RAY FAN PLOT”所示。左图EY是子午像差，右图EX是弧矢像差。最大的像差已经被减小到约60微米。点击快捷键“Fcd”，来观察场曲和畸变。图1中“FIELD CURVATURE / DISTORTION”显示了场曲和畸变，最大场曲不到0.35mm，畸变小于2%。
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] 郁道银，谈恒英. 工程光学（第二版） [M].北京机械工业出版社， 2009： 219-254.
【关键词】三片相机物镜 工程光学 ZEMAX 光学设计
1.引言
ZEMAX可以直观的进行光学设计，借助其强大的像质评价和分析功能，将设计者从大量枯燥的计算中解脱了出来。而且它已经成为当今使用最普遍的光学设计软件之一，大量科研论文也是以ZEMAX为平台进行光学设计的[1]，所以学习ZEMAX的使用，为学生将来不论参加工作还是读研写论文都提供了良好的开端。本文三片相机物镜的设计，对教学来说是很典型和实用的。光学要求为：焦距f′=30mm，相对孔径D/f′=1/4，视场2w=50°。
2.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。本文使用后一种方法，引用袁旭沧先生以初级像差理论解出结果为初始结构[2]，直接输入数据编辑表（LDE）。如表1所示，按INSERT键插入需要的面，然后输入透镜半径和使用的玻璃，注意缺省的单位是毫米。所用玻璃是中国玻璃库里的ZK11（nd=1.638542，vd=55.449612）和F5（nd=1.624351，vd=35.908726）。
首先为物镜定义相对孔径。在“F数（Image Space F/#）” 对话框中输入值：4。接着在 “波长数据（Wavelength Data）”对话框选择“F，d，C（Visible）”。最后设定视场角。将视场角的个数设置为3，在“y-Field”输入0度、17.675度、25度，权重选1。为了将像平面设置在近轴焦点上，在第7面的厚度上双击，弹出“SOLVE”对话框，将类型改变为“边缘光高（Marginal Ray Height）”。
2.优化物镜系统
将镜片的曲率和像面位置设为变量。并选择“工具（Tools）”菜单下的“缺省评价函数（Default Merit Function）”。选“RMS→Spot Radius→Centroid”。此外，还需要使镜头的焦距为30mm。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。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30。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”，然后单击“自动（Automatic）”，开始优化。优化完成后，由二维剖面图可以看出镜片有部分重叠在一起，镜片间空气间距过小，将第二面、第四面、第五面的空气厚度反复修改并优化，最后分别确定为1.5、1、0.5。
通常镜片需要大一些，这样才能给诸如抛光和装配等提供边缘空间，如采用压圈法固定，根据光学零件外径余量表[2]，第一片镜片半径约为5.7mm需在此基础上增加0.75mm，即定义半径为6.45mm，移动光标到1面的半口径 “Semi-Diameter”列，键入“6.15”，同样第二片和第三片镜片的半径分别定义为5.1 mm和4.5 mm。
接下来需要决定透镜的实际厚度，根据透镜中心及边缘最小厚度表[2]，第一片透镜是正透镜，半径为6.45 mm，需要的最小边缘厚度为1mm。在第一面的厚度列中双击，会出现“Solve Control”窗口，选择“Edge thickness”，将“厚度（Thickness）”，设置为1。同理，第二片透镜是负透镜，半径为5.1mm，需要的最小中心厚度为1.1mm，第三片透镜半径为4.5mm，需要的最小边缘厚度为0.6mm，然后，再次点击快捷键“Opt”进行优化。优化后二维剖面图中透镜边缘厚度已趋于合理。
3.优化后像差分析
点击快捷键“Spt”，所得的点列图，如图1中“SPOT DIAGRAM”所示。图中最大视场RMS弥散斑的尺寸是17微米，可见像差消除的不错。设计中，常用的判断工具还有光线差图，可以通过点击快捷键“Ray”得到。如图1中“TRANSVERSE RAY FAN PLOT”所示。左图EY是子午像差，右图EX是弧矢像差。最大的像差已经被减小到约60微米。点击快捷键“Fcd”，来观察场曲和畸变。图1中“FIELD CURVATURE / DISTORTION”显示了场曲和畸变，最大场曲不到0.35mm，畸变小于2%。
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] 郁道银，谈恒英. 工程光学（第二版） [M].北京机械工业出版社， 2009： 219-254.