一款照相物鏡設(shè)計

1、華僑大學(xué)廈門工學(xué)院 光學(xué)軟件設(shè)計 課程設(shè)計報告題 目： 一款照相物鏡設(shè)計 專業(yè)、班級： 13級光電2班 學(xué)生姓名： 周觀后 學(xué) 號： 130250202 指導(dǎo)教師： 蘇倩倩 分 數(shù) : 課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱：光學(xué)軟件課程設(shè)計 指導(dǎo)教師：蘇倩倩學(xué)號1302502032學(xué)生姓名周育章（專業(yè)）班級光電2班設(shè)計題目一款照相物鏡設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù) 焦距：f=12mm 相對孔徑：D/f=1/2.8 成像質(zhì)量：MTF 軸上>40% 100 lp/mm，軸外0.707>35%100lp/mm 彌散斑<0.05mm 最大畸變<1% 在可見光波段(取d、F、C三種色光，d為主波長

2、) 設(shè)計要求計算照相物鏡的各個參數(shù)；上機用軟件進行優(yōu)化，確定最后的設(shè)計結(jié)構(gòu)，滿足像差要求。參考資料1、 劉鈞，高明編著，光學(xué)設(shè)計，2006，西安電子科技大學(xué)出版社，西安2、 光學(xué)儀器設(shè)計手冊，1971，國防科技出版社，北京3、 光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX周次第一周第二周應(yīng)完成 內(nèi)容計算設(shè)計的照相物鏡的各個參數(shù)上機進行優(yōu)化設(shè)計，確定最后的設(shè)計結(jié)構(gòu)目錄一、照相物鏡簡介- 4 -二、確定初始結(jié)構(gòu)- 6 -三、用ZEMAX優(yōu)化- 9 -四、 結(jié)論- 15 -五、心得體會- 16 -六、參考文獻- 16 -1、 照相物鏡簡介 照相物鏡的基本光學(xué)性能主要由三個參數(shù)表征。即焦距f、相對孔徑D/f和視場角2w。照

3、相物鏡的焦距決定所成像的大?。┊?dāng)物體處于有限遠(yuǎn)時，像高為y=(1- (1-1)式中，為垂軸放大率，。對一般的照相機來說，物距l(xiāng)都比較大，一般>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 （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

4、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30°60°之間；c）廣角物鏡：視場角在60°90°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）強光物鏡：相對孔徑為1：3.51：1.4；d）超強光物鏡：相

5、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)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Hyp

6、ogon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，相對孔徑可以達到1：3.51;2.8,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#相機中，例如國產(chǎn)的海鷗4、海鷗9、天鵝相機等。這種照相物鏡進一步復(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。2、 確定初始結(jié)構(gòu)照相物鏡屬

7、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中找出一個和設(shè)計要求比較接近的系統(tǒng)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到要求時, 我們就可以將此初始結(jié)構(gòu)進行整體縮放得到要求的焦距值。原設(shè)計要求：焦距：f=12mm 相對孔徑：D/f=1/2.8 成像質(zhì)量：MTF 軸上>40% 100 lp/mm，軸外0.707>35%100lp/mm 彌散斑<0.05mm 最大畸變<1% 在可見光波段(

8、取d、F、C三種色光，d為主波長) lp/mm。 最大畸變<1%初始參數(shù)見下圖圖1、初始數(shù)據(jù)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（Thickness）列順序輸入表1-2中的鏡片厚度；在第七個面厚度處

9、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A(chǔ)bbe 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進行縮放。輸入圖1初始參數(shù)，設(shè)置相對孔徑值和波段以及視場圖2、設(shè)置相對孔徑值圖3、設(shè)置波長圖4、設(shè)置視場角輸入焦距為12mm圖5、焦距到這里，初始結(jié)構(gòu)及其參數(shù)已經(jīng)完

10、成。初始Layout三、用ZEMAX優(yōu)化像質(zhì)評價報告圖： 優(yōu)化前Ray Fan如圖6圖6、優(yōu)化前Ray Fan優(yōu)化前Opd Fan 如圖、7圖7、優(yōu)化前Opd Fan優(yōu)化前Spt 如圖8圖8、優(yōu)化前Spt 優(yōu)化前Mtf 如圖9圖9、優(yōu)化前Mtf 優(yōu)化前場曲和畸變?nèi)鐖D10圖10、優(yōu)化前場曲和畸變經(jīng)分析，像質(zhì)不夠好，有待進一步優(yōu)化。將透鏡的曲率半徑和厚度作為優(yōu)化變量，通過優(yōu)化曲率半徑和厚度來提高像質(zhì)。觀察賽德爾系數(shù)，發(fā)現(xiàn)鏡面1，3，4，6，7是賽德爾數(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。圖11、賽德爾系數(shù)將1、3，4，6，7面曲率半徑設(shè)為變量，選擇快捷選項Opt，然后進行優(yōu)化，優(yōu)化后

11、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行優(yōu)化。圖12、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)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)。優(yōu)化后鏡頭數(shù)據(jù)如圖13圖13、優(yōu)化后鏡頭數(shù)據(jù)優(yōu)化后Ray Fan 如圖圖14、優(yōu)化后Ray Fan 優(yōu)化后Opd Fan 如圖15圖15、優(yōu)化后Opd Fan 優(yōu)化后Spt如圖16圖16、優(yōu)化后Spt優(yōu)化后Mtf如圖17圖17、優(yōu)化后Mtf優(yōu)化后Lay 如圖18圖18、優(yōu)化后Lay 優(yōu)化后場曲和畸變?nèi)鐖D19圖19、優(yōu)化后場曲和畸變四、

12、結(jié)論照相物鏡可以先從它的半部系統(tǒng)著手，這時只需要考慮校正半部系統(tǒng)的球差、像散、場曲、位置色差這四類軸向象差，全對稱合成后，其垂軸色差自動相消。對于半部系統(tǒng)，采用厚透鏡校正象差彎曲系數(shù)，用加無光焦度雙薄透鏡校正球差系數(shù)，用選取孔徑光闌位置校正像散系數(shù)，再在厚透鏡中加消色散膠合面的辦法，校正位置色差系數(shù)。計算出初始結(jié)構(gòu)參數(shù)后，通過軟件進行調(diào)試優(yōu)化。選取透鏡的曲率半徑和厚度作為優(yōu)化變量。調(diào)試優(yōu)化直至各參數(shù)滿足設(shè)計要求。五、心得體會光學(xué)設(shè)計課程設(shè)計結(jié)束了，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到“紙上得來終覺淺，覺知此事要躬行”這句千古名言的真正含義。就說論文的編寫吧，各種公式的錄入和各種圖形的繪畫，都是在這次

13、的課程設(shè)計中學(xué)習(xí)的。通過這次的課程設(shè)計，我認(rèn)識到了學(xué)習(xí)是始終伴隨自己的，從開始的對ZEMAX的一竅不通，到現(xiàn)在能基本用它完成簡單光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化。從開始不知道怎么使用VISIO作圖，到現(xiàn)在能使用其作出相關(guān)的圖形。當(dāng)然，各種軟件功能都及其龐大，但是，認(rèn)識到邊學(xué)邊用后，自己便能在以后的工作和學(xué)習(xí)生活中更加從容一些。在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)。 課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程。我努力做了，雖然不是很完美，但自己也收獲了些東西，相信自己會從中受益。學(xué)無止境，今后會更加努力。六、參考文獻 1、劉鈞、高明·光學(xué)設(shè)計·西安電子科技大學(xué)出版社·西安·2006 2、光學(xué)儀器設(shè)計手冊·國防科技出版社·北京·1971 3、光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX 4、張以謨·應(yīng)用光學(xué)·機械工業(yè)出版社·北京·1982 5、王之江·實用光學(xué)技術(shù)手冊·機械工業(yè)出版城·2006 6、光學(xué)儀器設(shè)計