光学设计详解：从照相物镜实例看全流程与技巧

光学设计流程是光学系统设计的关键步骤，涉及多个阶段，从确定设计指标到最终完成设计报告。在这个过程中，软件工具如Zemax起到了至关重要的作用。本文将详细介绍光学设计的每个步骤，并以照相物镜设计为例进行说明。 首先，设计流程开始于确定设计指标，这包括但不限于焦距(f' = 9.6mm)，相对孔径(D/f')至少为1/2.8，以及特定的图像传感器尺寸(1/2.5英寸CCD)和成像面大小(4.32mm x 5.76mm)。后工作距需大于5mm，并限定在可见光波段内，如d、F、C三种色光，其中d为主波长。 接着，根据技术指标进行初步设计，比如计算像高(y' = sqrt(5.76^2 + 4.32^2)/2 = 3.6mm)，确定视场角(20.55度)以及反远距比。为了确保1m处的成像质量，MTF轴上要求达到40%@100lp/mm，轴外0.707处需大于35%@100lp/mm，最大畸变限制在1%以内。 设计过程中，会经历以下关键步骤： 1. **确定照相物镜的基本性能要求**：列出所有必要的参数，如焦距、相对孔径、像高、视场角等。 2. **确定初始结构**：基于初步性能要求构思光学系统的初始布局。 3. **输入设计数据**：在软件中输入孔径类型、波长等参数，可能还需要进行同比缩放或视场设置。 4. **结构优化**：使用Zemax或其他光学设计软件进行迭代优化，通过调整参数以减少像差（球差、彗差、像散、场曲和畸变）和提高调制传递函数（MTF），如子午面传递函数(MTFT)和弧矢面MTF(MTFS)。 5. **基本光学特性评估**：检查焦距(EFFL)、近轴放大率(PMAG)和角放大率(AMAG)等基本性能是否满足设计目标。 在整个流程中，Zemax作为一款专业级的光学设计软件，提供了强大的工具来模拟、分析和优化光学系统，帮助设计师实现高质量的光学设计。通过计算法、计算结合经验法、经验法和查资料法等不同策略，设计师可以灵活运用这些方法来优化光学设计，确保最终产品符合预期的性能指标。完成设计后，还要撰写详细的设计报告，记录整个设计过程和结果。