工程光學課程設計-工程光學照相物鏡鏡頭設計與像差分析.doc

課程設計說明書 工程光學課程設計 題目：照相物鏡鏡頭設計與像差分析照相物鏡鏡頭設計與像差分析 院（系）名稱 信 息 工 程 學 院 專 業(yè) 班 級 光電信息科學與工程 學 號 14010210XX 學 生 姓 名 T X Y 指 導 教 師 2016 年 1 月 10 日 課程設計說明書 I 目錄目錄 1 照相物鏡發(fā)展歷程照相物鏡發(fā)展歷程.1 1.1 風情攝影物鏡.1 1.2 匹茲堡人物物鏡.1 1.3 對稱型物鏡.1 1.4 三片式物鏡.1 1.5 雙高斯物鏡.2 1.6 攝遠物鏡.2 1.7 反攝遠物鏡.2 1.8 廣角物鏡.2 1.9 變焦距物鏡.2 2 照相物鏡光學性能照相物鏡光學性能.3 2.1 相對孔徑.3 2.2 視場角 2W.3 2.3 焦距F.3 3 設計過程設計過程.5 3.1 初始結構的選擇.5 3.2 輸入?yún)?shù)和縮放.6 3.3 在 ZEMAX 中進行優(yōu)化.8 總結總結.14 致致 謝謝.15 參考文獻參考文獻.16 課程設計說明書 II 照相物鏡鏡頭設計與像差分析照相物鏡鏡頭設計與像差分析 摘摘 要要 隨著信息化時代的到來，人們對照相的要求也越來越高，而照相物鏡是照 相機的眼睛，它的精度和分辨率直接影響到照相機的精度與成像質量。要保證 所設計的照相物鏡達到較高的技術要求，在設計時就必須達到更高的精度和分 辨率。 完成本課題需要以下幾個部分 第一： 知曉物鏡發(fā)展歷程和物鏡基本光學性能； 第二： 選擇所需器件參數(shù)，符合本次課題設計要求； 第三： 應用 ZEMAX 光學設計軟件進行課題設計； 第四： 對各結構元件進行反復的優(yōu)化設計，使之達到要求的技術指標并顯示 快 速傅里葉顯示圖，賽德爾系數(shù)，視場、場曲失真圖 第五： 總結了設計過程的心得體會。 關鍵詞關鍵詞：ZEMAX；物鏡；賽德爾系數(shù)；快速傅里葉 課程設計說明書 1 1 1 照相物鏡發(fā)展歷程照相物鏡發(fā)展歷程 物鏡的發(fā)展經歷了許多年，經過不斷地更新與發(fā)展，實際用途越來越廣， 質量越累越好，物鏡經歷了以下發(fā)展： 1.11.1 風情攝影物鏡風情攝影物鏡 最早出現(xiàn)的照相物鏡在 1812 年是單片的正月牙透鏡，相對孔徑小于 1:14， 視場 50 度以內，可用于室外照明良好的條件下拍照。 1821 年出現(xiàn)了膠合的透鏡，代替了彎月牙型的單透鏡，雙膠合透鏡因色差 得到校正成像質量有所提高，但制作成本比較高，正、負透鏡分離的形式可以 得到更好的成像質量，因為雙分離情形下可以更好地校正色散。 1.21.2 匹茲堡人物物鏡匹茲堡人物物鏡 1840 年匹茲堡設計出了一個相對孔徑為 1:3.4，視場為 25 度左右的物鏡， 即匹茲堡人像物鏡，該物鏡可用于室內攝影，是第一個依靠設計而制造出來的 照相物鏡。 匹茲堡物鏡是 1910 年以前的所有物鏡中相對孔徑最大的，它在近軸部分的 成像優(yōu)良，至今仍在用作電影放映物鏡等須要大孔徑小視場的場合， 匹茲堡物鏡的改進形式很多，是現(xiàn)在五大類物鏡中的一類。 1.31.3 對稱型物鏡對稱型物鏡 最早出現(xiàn)的對稱型物鏡，相對孔徑很小，如斯坦赫爾的潛望鏡頭，相對孔 徑為 1:30，視場為 70 度，只能用做風景攝影。海普崗是這種類型的極限結構， 是馮虛格在 1900 年設計出的，兩個透鏡的外表幾乎是半球面，具有 140 度左右 的視場，相對孔徑很小 1:30，但它具有大的無畸變視場，至今仍用在航測儀器 中。數(shù)器、輸入/輸出接口和其他多種功能期間集成在一塊芯片上的微型計算機。 1.41.4 三片式物鏡三片式物鏡 1893 年，塔克洛爾用分離薄透鏡作為對稱型的一半，設計出了柯克三片式 課程設計說明書 2 物鏡，這是能校正所有像差的一種最簡單的結構，在非對稱情況下，其獨立變 數(shù)恰能校正七種像差。這種類型現(xiàn)在已具有相對孔徑 1:4，視場 50 度的光學性 能。 如果視場減小時，相對孔徑可達 1:2.8，現(xiàn)在它依舊是一種比較流行的物鏡。 1902 年出現(xiàn)的天塞物鏡可看做三式的后面一塊正透鏡改為二塊玻璃膠合 的結果，它在高級像差方面要比三片式要好。 1.51.5 雙高斯物鏡雙高斯物鏡 雙高斯與達崗等對稱物鏡不同，它是用薄透鏡加厚透鏡的結構。由于具有 小半徑的厚透鏡處在薄透鏡后的會聚光中，近于不暈位置，因此它的像差和帶 像差都有所縮小，相對孔徑比較大，它是現(xiàn)在 1:2 物鏡的主要結構。 1.61.6 攝遠物鏡攝遠物鏡 用正負二透鏡組所構成能使攝影物長度減短的都稱為攝遠物鏡。 1.71.7 反攝遠物鏡反攝遠物鏡 由正負透鏡組分離組成，負透鏡位于正透鏡之前，從而使主平面后移至物 鏡后方，達到像方頂焦距大于焦距的目的。 1.81.8 廣角物鏡廣角物鏡 廣角物鏡是以海里的全天照相物鏡出發(fā)的，其視場很大。 1.91.9 變焦距物鏡變焦距物鏡 物鏡能在一定范圍內迅速的改變焦距，從而在投影儀固定不動的情況下獲 得不同比例的影像，可以代替多個定焦距攝影物鏡使用。 （ 本次涉及所使用的三片物鏡是具有中等光學特性的照相物鏡中結構最單， 像片質量最好的一種，被廣泛使用在比較廉價的 135#和 120#相機中，例如國產 的海鷗4、海鷗9、天鵝相機等。這種照相物鏡進一步復雜化的目的，大多 是為了增大相對孔徑，或提高視場邊緣成像質量 ） 課程設計說明書 3 2 2 照相物鏡光學性能照相物鏡光學性能 照相物鏡的基本光學性能主要由三個參數(shù)表征， 即相對孔徑 D/f，視場角 2w，焦距 f。 2.12.1 相對孔徑相對孔徑 相對孔徑是個比值，鏡頭的有效的孔徑與焦距比值，表示鏡頭的納光束多 少。 照相物鏡中只有很少幾種如微縮物鏡和制版物鏡追求高分辨率，多數(shù)照相物鏡 因其本身的分辨率不高，相對孔徑的作用是為了提高像面光照度 E=1/4L(D/f)2 照相物鏡按其相對孔徑的大小，大致可分為如下表 1 所示： 表 1 照相物鏡的相對孔徑 弱光物鏡相對孔徑小于 1：9； 普通物鏡相對孔徑為 1：91：3.5 強光物鏡相對孔徑為 1：3.51：1.4 超強光物鏡相對孔徑大于 1：1.4 2.22.2 視場角視場角 2w2w 在光學儀器中，以光學鏡頭為頂點，以被測目標的物像，可通過鏡頭的最 大范圍的兩條邊緣構成的夾角叫做視場角。 照相物鏡的視場角決定其在接受器上成清晰像的空間范圍。視場角越大， 視野就越大，光學倍率就越小。照相物鏡沒有專門的視場光闌，視場大小被接 受器本身的有效接受面積所限制，即以接收器本身的邊框作為視場光闌。 按視場角的大小，照相物鏡又可分為如下表 2 所示： 表 2 照相物鏡視場角 小視場物鏡視場角在 30以下 中視場物鏡視場角在 3060之間 廣角物鏡視場角在 6090之間 超廣角物鏡視場角在 90以上 課程設計說明書 4 2.32.3 焦距焦距 ff 焦距是光學系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指平行光入射時從透 鏡光心到光聚集之焦點的距離。 照相物鏡的焦距決定所成像的大小 當物體處于有限遠時，像高為 y=(1- tan) f ：垂軸放大率，。 l l y y 對一般的照相機來說，物距 l 都比較大，一般 1 米，f為幾十毫米，因此像平l 面靠近焦面，所以fl l f 當物體處于無限遠時，像高為 y=tan f 照相物鏡的焦距標準如下表 3 所示： 表 3 照相物鏡焦距標準 物鏡類型物鏡焦距 f/mm 魚眼 超廣角 廣角 7.515 1720 242825 標準 段望遠 望遠 超望遠 50 85100 135200300 400500600800 照相物鏡上述三個光學性能參數(shù)是相互關聯(lián)，相互制約的。這三個參數(shù)決 定了物鏡的光學性能。企圖同時提高這三個參數(shù)的指標則是困難的，甚至是不 可能的。只能根據(jù)不同的使用要求，在側重提高一個參數(shù)的同時，相應地降低 其余兩個參數(shù)的指標。 課程設計說明書 5 3 3 設計過程設計過程 3.13.1 初始結構的選擇初始結構的選擇 照相物鏡屬于大視場大孔徑系統(tǒng), 因此需要校正的像差也大大增加, 結構也 比較復雜, 所以照相物鏡設計的初始結構一般都不采用初級像差求解的方法來 確定, 而是根據(jù)要求從手冊、資料或專利文獻中找出一個和設計要求比較接近 的系統(tǒng)作為原始系統(tǒng)。在選擇初始結構時, 不必一定找到和要求相近的焦距, 一 般在相對孔徑和視場角達到要求時, 我們就可以將此初始結構進行整體縮放得 到要求的焦距值。 設計要求： 1、焦距：f=12mm； 2、相對孔徑 D/f不小于 1/2.8； 3、圖像傳感器為 1/2.5 英寸的 CCD，成像面大小為 4.29mm5.76mm； 4、后工作距6mm； 5、在可見光波段設計(取 d、F、C 三種色光，d 為主波長)； 6、成像質量，MTF 軸上40% 100 lp/mm，軸外 0.707 35%100 lp/mm； 7、最大畸變1%。 照相物鏡的視場角和有效焦距決定了攝入底片或圖像傳感器的空間范圍， 鏡頭所成的半像高 y 可用公式 y=-f*tanw 計算。 f 為有效焦距，2w 為視場角。半像高 y 應稍大于圖像傳感器 CCD 或 CMOS 的有效成像面對角線半徑,防止 CMOS 裝調偏離光軸而形成暗角。 經過簡單計算： y=sqrt(4.292+5.762)/23.6mm， w=atan(y/f)16.66， 視場角 2w=33.32。 在光學技術手冊查詢后選定初始結構為后置光闌的三片物鏡（如圖 1 所示） ， 課程設計說明書 6 后置光闌三片物鏡原始結構 圖 1 初始參數(shù)為： 焦距分 f=42.12mm； 相對孔徑 2.8； 視場角 2w=54。 其余參數(shù)如下表 4 所示： 表 4 其余參數(shù) r1=13.44d1=4.41n=1.67779v=55.2 r2=30.996d2=4.41 r3=-40.614d3=1.01n=1.59341v=35.5 r4=13.44d4=2.39 r5=32.508d5=3.36n=1.69669v=55.4 r6=-27.006 3.23.2 輸入?yún)?shù)和縮放輸入?yún)?shù)和縮放 將參數(shù)輸入 ZEMAX 中： 其中第六面設為光闌面，厚度設為 marginal ray height，移動光標到 STO 光 闌面（中間一個面）的“無窮（Infinity）之上”； 按 INSERT 鍵，這將會在那一行插入一個新的面，并將 STO 光闌面往下移。新 的面被標為第 2 面。再按按 INSERT 鍵兩次，移動光標到 IMA 像平面，按 INSERT 鍵兩次。在 LDE 曲率半徑（Radius）列，順序輸入表 4 中的鏡片焦距 （注意 OBJ 面不做任何操作） ；在鏡片厚度（Thickness）列順序輸入表 4 中的 課程設計說明書 7 鏡片厚度；在第七個面厚度處單擊右鍵，選擇面型為 Marginal Ray Height。在 鏡片類型（Class）列輸入鏡片參數(shù)，方法是：在表中點右鍵對話框 Solve Type 選中 Model， Index nd 中輸入 n 值 Abbe Vd 中輸入 v 值，如下圖 2 所示。 在 system-general-aperture 中輸入相對孔徑值 2.8 如下圖 3 所示， 在 tools-make focus 中該改焦距為 12mm 進行縮放如下圖 4 所示。 在 system-wavelength 中輸入所選波段，選 d 光為主波長如下圖 5 所示。 輸入初始參數(shù)如下圖 2 所示： 圖 2 輸入相對孔徑值 設置相對孔徑值和波段如下圖 3 所示： 圖 3：輸入相對孔徑值 改焦距為 12mm 進行縮放如下圖 4 所示： 圖 4：縮放后圖 課程設計說明書 8 輸入所選波段如下圖 5 所示： 圖 5 輸入所選波長 縮放后得到我們所設計的焦距 f=12mm 的初始參數(shù)（如下圖 6 所示） 。 圖 6：初始參數(shù) 現(xiàn)在開始定義視場，我們根據(jù)之前所得像高 y=3.6mm,依次乘以 0，0.3，0.5，0.7071 得到所選孔徑光束的 Y-field，即 0，1.08，1.8，2.5452 輸 入到 system-field 中，類型選擇真值高度。 到這里，初始結構及其參數(shù)已經完成。 3.33.3 在在 ZEMAXZEMAX 中進行優(yōu)化中進行優(yōu)化 利用 ZEMAX 得到初始結構的 MTF 曲線（如下圖 7 所示）可看出成像質量 很差, 因此需要校正像差。 課程設計說明書 9 MTF 曲線圖如下圖 7 所示： 圖 7：MTF 曲線圖 該結構可以用作優(yōu)化變量的的數(shù)據(jù)有： 6 個曲率半徑，2 個空氣間隔，3 個玻璃厚度。 首先使用 Default Merit Function 建立缺省評價函數(shù)進行優(yōu)化，選擇 Editors- Merit Function，在第一行中先輸入 EFFL，目標值設為 12，權重設為 1。在輸入 SPHA，在 Target 中輸入 0.4，在 Weight 中輸入 1。第二個 BLNK 改為 MTFT 并 Enter，在 Freq 中輸入 100，在 Target 中輸入 0.04，在 Weight 中輸入 1。同 理輸入 MTFA 和 MTFS（如下圖 8 所示） 。再選擇 Tools-Default Merit Function，設置玻璃厚度以及空氣間隔、start 設為 2（如下圖 9 所示） ，再選擇 OK，建立缺省評價函數(shù)。 （EFFL：Effective focal length 的縮寫，指定波長號的 有效焦距。 SPHA：指球差，如果 Surf=0，則指整個系統(tǒng)的球差總和。MTF：指子午調制 傳遞函數(shù)。 ） 課程設計說明書 10 缺省評價函數(shù)如下圖 8 所示： 圖 8：缺省評價函數(shù) 設置玻璃厚度以及空氣間隔如下圖 9 所示： 圖 9：玻璃及空氣厚度 課程設計說明書 11 然后在 Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients 中查看，找出對 賽得和數(shù)影響大的面，將這些面的曲率半徑設為變量優(yōu)先優(yōu)化如圖 10 所示。 圖 10 發(fā)現(xiàn)第一面和光闌面影響較大，優(yōu)先優(yōu)化。先將 STO 面的類型改為 Even Asphere，并將此行的 4th term、6th term、8th term 設為變量。將 1、6 面曲率半 徑設為變量，選擇快捷選項 Opt，然后進行優(yōu)化，優(yōu)化后取消變量，將剩余面 的曲率半徑設為變量，再次優(yōu)化，完畢后取消變量。再將透鏡間隔和玻璃厚度 先后進行優(yōu)化。如下圖 11 所示。 優(yōu)化后圖 圖 11 到這一步后發(fā)現(xiàn)已經基本符合設計要求，再根據(jù) 2D 圖適當調整曲率半徑 和厚度，每次調整后再次優(yōu)化實時關注 MTF 圖的曲線變化，最后使各個參數(shù)都 課程設計說明書 12 在可接受范圍之內。 賽德爾系數(shù)如下圖 14 所示： 圖 14 3D 草圖顯示如下圖 15 所示： 圖 15：3D 草圖 課程設計說明書 13 在分析（Analysis）的雜項中得出視場場區(qū)圖，然后再在分析中找到點列圖 得到如下圖所示的點列圖如下圖 16 所示： 圖 16：點列圖 優(yōu)化后視場、場曲失真圖如下圖 17 所示 圖 17：視場、場曲失真圖 課程設計說明書 14 總結總結 在這次工程光學課程設計中，我選擇的題目是照相物鏡鏡頭設計與像差分析， 剛看到這個題目時我以為很簡單，感覺有些熟悉，但是等到做的時候才發(fā)現(xiàn)并 不是這么回事的，真的到自己做的時候才發(fā)現(xiàn)還是很有難度的。在這次課程設 計中，之所以能夠從當初的茫然無措中走出來最重要的就是平時的光學知識的 學習和積累， 。在接到這個題目之后，我查閱了很多關于照相物鏡的資料，去了 圖書館，又在網(wǎng)上搜到很多的相關資料，通過對這些資料的研究和分析。不但 對我的課程設計有很大的幫住，而且對自己的照相物鏡的學習也提高了不少， 學到了許多平時課本上比較模糊的知識點，知識變得更加清晰，也更加明了。 本文采用 1 片非球面塑料, 3 片球面玻璃透鏡, 在 ZEMAX 中使用合適的優(yōu)化函 數(shù)和權重對像差進行校正, 逐步消除了基本像差、高級像差, 并進行了像差平衡, 獲得了實際焦距 11.953mm 照相鏡頭, 各個市場畸變控制在 1%以內,M