前言
本文采用Zemax软件和Solidworks对库克物镜进行设计。文中从光学设计到机械结构设计均是浅显阐述，更加偏向操作，并未考虑温度、杂光、成本、应力变形等因素，因此文中有些许不严谨之处，还望各位前辈指点一二。
一、光学设计
设计规格：设计一有限共轭距柯克物镜，在可见光波段下，CCD探测器有效接收对角线长度为22.28mm，像元尺寸为p=17.3um，F#=4.5，垂轴放大倍率β=-0.214，共轭距151mm，要求镜头总长小于8mm，后截距大于15mm。
像质要求：根据探测器规格，半像高为11.14mm，设计镜头MTF截止频率为1/2p=28.9lp/mm，成像弥散斑小于一个像素，各视场的MTF值在截至频率处大于0.5。
1、设计思路
参数计算：这里选择初始结构的方式进行优化，因此需要计算焦距以便在设计过程中进行焦距缩放。计算结果如下。
注：像方焦距 、共轭距 、垂轴放大率 关系式推导：
2、选取初始结构
初始结构选取按照F#相近的原则选取，且兼顾系统总长。
3、在ZEMAX中设置系统参数
焦距缩放为21.98mm，依次设置系统孔径、视场、波长，打开光线瞄准。系统孔径选择像方空间F#为4.5，视场选择近轴像高，设置3个视场：0、11.14×0.707、11.14；接收器为普通照相机，波长选择F（青光）,d（黄光）,C（红光）=486.13nm，587.56nm（中心波长），656.27nm。更该初始结构后系统像质有所改观，但MTF与设计要求相差甚远。
4、系统优化设计
设置物面厚度为124且设为变量，将曲率半径和厚度CTRL+z设为变量，材料固定。因像方焦距、共轭距、垂轴放大率存在一定的关系，在优化时仅需选取其中两个参数进行优化即可，这里选择优化共轭距和焦距。
打开评价函数编辑器，优化向导设置如下：其中厚度边界可适当放宽，优化完成后发现不合理之处，如光阑与镜片距离太近，可利用ETVA操作数单独修正某个面的厚度。此处设置了厚度边界，需要在操作数界面删除第0面和第7面的厚度限制。
5、像质评价
光学系统的像质评价方式一般包含瑞利判断、斯特列尔比、分辨率、点列图和光学传递函数。点列图适用于大像差的光学系统，光学传递函数适用于大小像差的光学系统，二者均可评价低频中频和截至频率处系统成像的质量，而后者往往更加综合全面。优化完成后可以看到全视场MTF在29lp/mm下均大于0.5。根据光线光扇图，轴外视场存在明显的子午慧差，色差明显；由赛德尔图，主要像差为畸变值。相对畸变在2%~3%之间，满足一般照相物镜的要求。可使用DISG操作数继续优化畸变值，但相应的MTF曲线下降。
替换玻璃，锤形优化，厚度圆整。在厚度圆整之前，MTF尽量优化到略高于系统要求，避免圆整后像质下降。厚度圆整与优化需要交替进行，逐步改变接近于有效位数较少的参量。结果如下，但所使用的材料均为高折射率材料，高折射率材料意味着更高的成本，这显然是不可取的。
给定外径余量。为满足光学系统安装到镜筒中时，光线不被镜筒内壁、隔圈等机械零部件遮挡，需要给定一定的边缘宽度。这个边缘宽度，在优化时需要考虑在内，即两镜片边缘厚度设置要满足一定的要求。
6、公差分析
光学系统的公差分析是光学设计中的一个重要环节，它主要评估加工精度和生产可行性。公差分析的目的是确定光学系统中所有可能存在的误差种类及其大小，然后通过模拟这些误差对系统性能的影响，以确保最终产品能够在规定的公差范围内达到预期的性能指标。
（1）确定公差评价指标
光学元件的半径、厚度、曲率半径、倾斜、偏心、空气间隙、折射率均会影响系统性能，根据光学成像系统公差表，选择Q5等级对柯克三片式物镜进行公差分析。
（2）设置公差 系统结构不存在过小的曲率半径，使用一般的加工精度即可满足要求，因此这里不设置曲率半径误差。
（3）公差分析 顺应系统设计要求选择几何MTF平均，进行100次蒙特卡洛分析，模拟100次生产装配过程中的实际情况，得到100个几何平均MTF数值。
得到最坏偏离于蒙特卡洛分析结果如下：最后一片透镜XY偏心较大，可适当收紧为0.025；有90%的样本MTF大于0.566，满足加工要求。一般情况下，进行公差分析之后的几何平均MTF值可以小于系统设置要求。对某一项公差收缩或者放宽，形成不同公差等级的结果。放宽意味着将公差范围变大，改变公差等级从而利于加工，如从Q5变为Q6。收缩反之。
光学材料简述
可以看到，初始结构所使用的光学材料主要采用的是光学玻璃，分别是H-LAK53、F13、H-LAK54。三片材料分别代表什么意思呢？无色的光学玻璃牌号一般由三部分组成：
①"P-","N-",缺失，代表玻璃是否环保。我国光学玻璃以H-表示，肖特公司以N-表示。
②玻璃类型。F火石，K冕，LA镧，S重，L轻，SS超重，LL超轻，玻璃的”轻重“是指折射率的高低，如SK为重冕玻璃，LAF为含稀土镧的火石玻璃。
③数字。原则上来讲数字的高低与玻璃的折射率高低有一定的关系。折射率的高低不能简单的根据数值上的大小得出结论。
如H-LAK53表示的是玻璃材料为镧冕环保型玻璃，其折射率高于H-LAK54，如下图所示。F13为非环保的火石玻璃。
此外，在优化过程中，可编写相应的ZPL宏程序实时监控透镜加工的难易程度。透镜加工的难易程度由机械法定心系数决定。机械法定心是将透镜放在一对同轴精度高、端面精确垂直于轴线的接头之间，利用弹簧的压力夹紧透镜，根据力的平衡实现定心。光学定心系数公式为：
机械法定心适用于中等尺寸与精度的透镜实现大批量生产。
二、结构设计
1.zemax CAD导出到solidworks
公差分析完成后，CAD导出为STEP格式，其中，勾选虚拟面并设置厚度可显示光阑或者像面。SW打开设置如下图。
2.三维建模
2.0总体结构
结构参考海燕的放大机物镜进行设计，机械总体结构分为前组、光圈和后组组成。光圈及其调节环设置在前组后组之间，镜片1与镜片2安装在前组内，分别由两个隔圈固定；镜片3安装在后组，由一个隔圈固定。
2.1 前组
2.2 光圈
2.3后组
上传图片为啥那么糊呢？
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发表于 2024-6-28 15:56
