應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)計照相物鏡鏡頭設(shè)計與像差分析

1、應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)計課題名稱： 照相物鏡鏡頭設(shè)計與像差分析 專業(yè)班級： 2009級光通信技術(shù) 學(xué)生學(xué)號： 學(xué)生姓名： 學(xué)生成績： 指導(dǎo)教師： 課題工作時間： 2011.6.20 至 2011.7.1 武漢工程大學(xué)教務(wù)處 一、課程設(shè)計的任務(wù)和要求要求：1、具備獨(dú)立查閱光學(xué)設(shè)計理論和像差分析的相關(guān)文獻(xiàn)和資料；能提出并較好地的實(shí)施方案；具有收集、加工各種信息及獲得新知識的能力。2、具備獨(dú)立設(shè)計簡單透鏡組，能用zemax軟件對初級像差進(jìn)行分析和校正，從而對鏡頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的能力。3、具備采用計算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)值計算、仿真、繪圖等能力。4、工作努力，遵守紀(jì)律，工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)，按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)。5、綜述

2、簡練完整，立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理；文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號統(tǒng)一，編號齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整潔、正確。6、工作中有創(chuàng)新意識，對前人工作有一定改進(jìn)或獨(dú)特見解。7、內(nèi)容不少于3000字，圖和計算結(jié)果可以打印。設(shè)計一個成像物鏡透鏡組，照相物鏡的技術(shù)指標(biāo)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6mm5、 在可見光波段設(shè)計(取d、f、c三種色光，d為主波長)；6、 成像質(zhì)量，mtf 軸上40% 100 lp/mm，軸外0.707 35%100 lp/mm。7、

3、 最大畸變1米，f為幾十毫米，因此像平面靠近焦面，所以）當(dāng)物體處于無限遠(yuǎn)時，像高為 y= （1-2）因此半視場角 =atan （1-3）表1-1中列出了照相物鏡的焦距標(biāo)準(zhǔn)：表1-1物鏡類型魚眼超廣角廣角標(biāo)準(zhǔn)短望遠(yuǎn)望遠(yuǎn)超望遠(yuǎn)物鏡焦距f/mm7.515172024 28 355085 100135 200 300400 500600 800相對孔徑?jīng)Q定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度，在此的分辨率亦即通常所說的截止頻n （1-4）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 (1-5)照相物

4、鏡的視場角決定其在接受器上成清晰像的空間范圍。按視場角的大小，照相物鏡又分為 a）小視場物鏡：視場角在30以下；b）中視場物鏡：視場角在3060之間；c）廣角物鏡：視場角在6090之間；d）超廣角物鏡：視場角在90以上。照相物鏡按其相對孔徑的大小，大致分為a）弱光物鏡：相對孔徑小于1：9；b）普通物鏡：相對孔徑為1：91：3.5；c）強(qiáng)光物鏡：相對孔徑為1：3.51：1.4；d）超強(qiáng)光物鏡：相對孔徑大于1：1.4；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。照相物鏡上述三個光學(xué)性能參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)，相互制約的。這三個參數(shù)決定了物鏡的光學(xué)

5、性能。企圖同時提高這三個參數(shù)的指標(biāo)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(cè)重提高一個參數(shù)的同時，相應(yīng)地降低其余兩個參數(shù)的指標(biāo)。早期的照相物鏡是單片的正彎月形透鏡，其前置一孔徑光闌，之后演變?yōu)殡p膠合彎月透鏡以及正負(fù)分離透鏡，這些簡單的物鏡相對孔徑很小只能在室外照明條件良好時拍攝，又稱為風(fēng)景物鏡。 最早出現(xiàn)的對稱型物鏡，屬于簡單的風(fēng)景物鏡對稱于光闌的組合，相對孔徑仍然很小，如hypogon物鏡。之后又出現(xiàn)protar物鏡，dagor物鏡等一系列逐漸演變出來的物鏡，之后出現(xiàn)的三片物鏡是很多復(fù)雜透鏡的基礎(chǔ)，它由三片分離的薄透鏡組成，在視場角為55時，相對孔徑可以達(dá)到1：3.51;2.8

6、,在視場角適當(dāng)降低時，相對孔徑可提高到1：2.4以上。其他還有雙高斯物鏡、遠(yuǎn)距物鏡、反遠(yuǎn)距物鏡等等復(fù)雜物鏡。本次涉及所使用的三片物鏡是具有中等光學(xué)特性的照相物鏡中結(jié)構(gòu)最簡單，像質(zhì)最好的一種，被廣泛使用在比較廉價的135#和120#相機(jī)中，例如國產(chǎn)的海鷗4、海鷗9、天鵝相機(jī)等。這種照相物鏡進(jìn)一步復(fù)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(zhì)量。設(shè)計過程2.1初始結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜, 所以照相物鏡設(shè)計的初始結(jié)構(gòu)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?qū)＠墨I(xiàn)中找出一個和設(shè)計要求比較接近的系統(tǒng)

7、作為原始系統(tǒng)。在選擇初始結(jié)構(gòu)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(dá)到要求時, 我們就可以將此初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體縮放得到要求的焦距值。原設(shè)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6mm5、在可見光波段設(shè)計(取d、f、c三種色光，d為主波長)；6、成像質(zhì)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(tǒng) = - f

8、 tanw計算, 其中f 為有效焦距, 2w 為視場角。半像高y 應(yīng)稍大于圖像傳感器ccd 或cmo s 的有效成像面對角線半徑, 防止cmo s 裝調(diào)偏離光軸而形成暗角。經(jīng)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(xué)技術(shù)手冊查詢后選定初始結(jié)構(gòu)為后置光闌的三片物鏡（如圖1），初始參數(shù)為：焦距分f=42.12mm;相對孔徑1：2.8；視場角2w=54，其余參數(shù)見表1-2。 表1-2r1=13.44d1=4.41n=1.67779v=55.2r2=30.996d2=4.41r3=-40.614d3=1.01n=1.

9、59341v=35.5r4=13.44d4=2.39r5=32.508d5=3.36n=1.69669v=55.4r6=-27.0062.2輸入?yún)?shù)和縮放將參數(shù)輸入zemax：其中第六面設(shè)為光闌面，厚度設(shè)為marginal ray height，移動光標(biāo)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(biāo)為第2面。再按按insert鍵兩次。移動光標(biāo)到ima像平面，按insert鍵兩次。在lde曲率半徑（radius）列，順序輸入表1-2中的鏡片焦距（注意obj面不做任何操作）；在鏡片厚度（thickn

10、ess）列順序輸入表1-2中的鏡片厚度；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(diǎn)右鍵對話框solve type選中model，index nd中輸入n值abbe vd中輸入v值。結(jié)果如下圖2-1在system-general-aperture中輸入相對孔徑值2.8，在system-wavelength中輸入所選波段，根據(jù)要求選d光為主波長。然后在tools-make focus中該改焦距為12mm進(jìn)行縮放。圖1：后置光闌三片物鏡原始結(jié)構(gòu)輸入初始參數(shù)：設(shè)置相對孔徑值和波段：輸入焦距12mm進(jìn)行縮放：縮放后

11、得到我們所設(shè)計的焦距f=12mm的初始參數(shù)（如圖2所示），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。圖2到這里，初始結(jié)構(gòu)及其參數(shù)已經(jīng)完成。2.3在zemax中進(jìn)行優(yōu)化利用zemax得到初始結(jié)構(gòu)的m tf 曲線（如圖8 所示）可看出成像質(zhì)量很差, 因此需要校正像差。圖8該結(jié)構(gòu)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(jìn)行優(yōu)化，選擇

12、editors-merit function，在第一行中先輸入effl，目標(biāo)值設(shè)為12，權(quán)重設(shè)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（如圖9所示）。再選擇tools-default merit function，設(shè)置玻璃厚度以及空氣間隔，start設(shè)為2，再選擇ok，建立缺省評價函數(shù)。注：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

13、系統(tǒng)的球差總和。 mtf：指子午調(diào)制傳遞函數(shù)。圖9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(shè)為變量，優(yōu)先優(yōu)化。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(shè)為變量。將1、6面曲率半徑設(shè)為變量，選擇快捷選項opt，然后進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后取消變量，將剩余面的曲率半徑設(shè)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(jìn)行優(yōu)化。到這一步后發(fā)現(xiàn)已經(jīng)基本符合設(shè)計要求，再根據(jù)

14、2d圖適當(dāng)調(diào)整曲率半徑和厚度，每次調(diào)整后再次優(yōu)化實(shí)時關(guān)注mtf圖的曲線變化，最后使各個參數(shù)都在可接受范圍之內(nèi)。2.4優(yōu)化結(jié)果 結(jié)論與思考本文配套一款1/2.5英寸的ccd傳感器進(jìn)行照相物鏡中的遠(yuǎn)距物鏡的設(shè)計。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(quán)重對像差進(jìn)行校正, 逐步消除了基本像差、高級像差, 并進(jìn)行了像差平衡, 獲得了實(shí)際焦距11.953mm照相鏡頭, 各個市場畸變控制在1%以內(nèi),m tf 曲線也比較理想, 鏡頭總長為14.3602 mm。該鏡頭不僅體積小, 結(jié)構(gòu)緊湊, 而且像質(zhì)較好。在此次設(shè)計中，我們發(fā)現(xiàn)光闌面使用非球面能夠很好的平衡像差，同時我

15、們只進(jìn)行了對玻璃厚度和曲率的簡單優(yōu)化，查閱相關(guān)資料后設(shè)想如果將第一面的透鏡換為鼓形透鏡，第二面換為彎月透鏡或換成折射率更高的玻璃，還可以進(jìn)一步做出深度優(yōu)化，使之獲得更好的表現(xiàn)。六、指導(dǎo)教師評分評價內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重得分調(diào)查論證能獨(dú)立查閱文獻(xiàn)和從事其他調(diào)研；能提出并較好地論述課題的實(shí)施方案；有收集、加工各種信息及獲得新知識的能力。10實(shí)踐能力獨(dú)立設(shè)計、計算、繪圖的能力（課程設(shè)計）；能正確選擇研究（實(shí)驗(yàn)）方法，獨(dú)立進(jìn)行研究的能力（學(xué)年論文） 15分析解決問題能力能運(yùn)用所學(xué)知識和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實(shí)際問題（課程設(shè)計）；或能對課題進(jìn)行理論分析，得出有價值的結(jié)論（學(xué)年論文）。15工作量、工作態(tài)度按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)，工作量飽滿，難度較大，工作努力，遵守紀(jì)律；工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)。10質(zhì)量綜述簡練完整，有見解；立論正確，論