燕山大學(xué)光學(xué)的設(shè)計(jì)

1、燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書燕山大學(xué)光學(xué)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書設(shè)計(jì)題目 ：照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析 學(xué)院：電氣工程學(xué)院年級(jí)專業(yè) ： 自動(dòng)化儀表系 2 班 學(xué)號(hào)： 100103020074學(xué)生姓名 ： 王斌指導(dǎo)教師 ： 王志斌教師職稱 ： 副教授燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書基層教學(xué)單位： 自動(dòng)化儀表系 指導(dǎo)教師：王志斌學(xué)號(hào)100103020074 學(xué)生姓名王斌（專業(yè)）班級(jí) 儀表 2 班設(shè)計(jì)題目照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù)焦距： f '2=0mm；視場(chǎng)角 2w=35° 相對(duì)孔徑 D/f '不小于 1/2.8； 后工作距 >6mm 在可見光波段設(shè)計(jì) （取d、F、

2、C三種色光， d為主波長(zhǎng)）； 最大畸變 <1%設(shè) 計(jì) 要 求設(shè)計(jì)各個(gè)參數(shù)；上機(jī)用軟件進(jìn)行優(yōu)化，確定最后的設(shè)計(jì)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(jì)，2006，西安電子科技大學(xué)出版 社，西安2、光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè) ，1971，國(guó)防科技出版社，北京 3、光學(xué)設(shè)計(jì)軟件 ZEMAX周次第一周 1-3第一周 4-5應(yīng) 完 成 內(nèi) 容計(jì)算設(shè)計(jì)處望遠(yuǎn)物鏡的各個(gè)參數(shù)上機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定最后的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)指導(dǎo)教 師簽字王志斌基層教學(xué)單位主任簽字謝平說(shuō)明： 1、此表一式三份，系、學(xué)生各一份，報(bào)送院教務(wù)科一份2013年 7月 10日目錄引言4第一章 照相物鏡的簡(jiǎn)介51.1 焦距 f'

3、; 51.2 相對(duì)孔徑 6第二章 設(shè)計(jì)過(guò)程 82.1 初始結(jié)構(gòu)的選擇 82.2 輸入?yún)?shù)和縮放 102.3 未優(yōu)化系統(tǒng)的像差 122.4 優(yōu)化之后的到的結(jié)果 14 第三章 結(jié)論分析 17 心得體會(huì) 20 參考文獻(xiàn) 21- 26 -引言照相物鏡的特點(diǎn)是以感光底片（或 CCD）作為接收器，即把外界景 物成像在感光底片（或 CCD）上，使底片曝光（或通過(guò) CCD 的輸出） 產(chǎn)生影像。照相物鏡的基本光學(xué)性能主要由三個(gè)參數(shù)表征。即焦距f '、相對(duì)孔徑 D/f '和視場(chǎng)角 2w。通過(guò)這幾個(gè)參數(shù)完成對(duì)照相物鏡的設(shè)計(jì)。照相物鏡以上的 3 個(gè)參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)、相互制約的，這 3 個(gè)參數(shù)決 定了物鏡

4、的光學(xué)性能。企圖同時(shí)提高 3 個(gè)指標(biāo)是相當(dāng)困難的，甚至是不 可能的。只是根據(jù)不同的使用要求，在側(cè)重提高一個(gè)參數(shù)的同時(shí)，相應(yīng) 的降低其余的參數(shù)指標(biāo)。與目視光學(xué)系統(tǒng)相比，照相機(jī)物鏡同時(shí)具有大相對(duì)孔徑和大視場(chǎng)。 因此，為了使整個(gè)像面都能得到清晰并且與物平面相似的像，差不多需 要校正所有 7 種像差。但并不要求這些像差都校正的像目視光學(xué)系統(tǒng)一 樣完善。這是因?yàn)檎障辔镧R的接收器的分辨率不高，決定了照相物鏡是 大像差系統(tǒng)。照相物鏡的分辨率是 相對(duì)孔徑 和像差殘余 量的綜合反應(yīng)，在確定相 對(duì)孔徑后，制定一個(gè)既能滿足要求，又易于實(shí)現(xiàn)的像差校正方案是非常 必要的。在像差校正過(guò)程中，為了方便起見，往往采用“彌散圓

5、半徑” 來(lái)衡量像差的大小，最終則以光學(xué)傳遞函數(shù)對(duì)成像質(zhì)量做出綜合評(píng)價(jià)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們把參數(shù)輸入到 ZEMAX 中，進(jìn)行像差的分析， 并用 ZEMAX 軟件完成優(yōu)化。第一章 照相物鏡的簡(jiǎn)介照相物鏡的基本光學(xué)性能主要由三個(gè)參數(shù)表征。即焦距f '、相對(duì)孔徑 D/f '和視場(chǎng)角 2w。照相物鏡的焦距決定所成像的大小(1)焦距 f')當(dāng)物體處于有限遠(yuǎn)時(shí)，像高為y'=(1- ) f 'tan(1-1)式中， 為垂軸放大率， y' l' 。對(duì)一般的照相機(jī)來(lái)說(shuō)，物距yll 都比較大，一般l >1米，f '為幾十毫米，因此像平面靠近焦面，

6、 l' f '，所以f'l)當(dāng)物體處于無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)， 像高為y'= f 'tan(1-2)因此半視場(chǎng)角=atan y'( 1-3)表 1-1 中列出了照相物鏡的焦距標(biāo)準(zhǔn)：表 1-1 照相物鏡的焦距標(biāo)準(zhǔn)物鏡類型物鏡焦距 f '/mm魚眼物鏡7.5 15超廣角物鏡17 20廣角物鏡24 28 35標(biāo)準(zhǔn)物鏡50短望遠(yuǎn)物鏡85 100望遠(yuǎn)物鏡135 200 300超望遠(yuǎn)物鏡400 500 600 800 1200(2) 相對(duì)孔徑 照相物鏡的相對(duì)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(shuō)的截止頻 NN D f u( 1-4

7、)式中： D/f '相對(duì)孔徑； U'孔徑角； 波長(zhǎng)；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(duì)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(chǎng)角決定其在接受器上成清晰像的空間范圍。按視場(chǎng) 角的大小，照相物鏡又分為 a)小視場(chǎng)物鏡：視場(chǎng)角在 30°以下；b) 中視場(chǎng)物鏡：視場(chǎng)角在 30°60°之間；c) 廣角物鏡：視場(chǎng)角在 60° 90°之間；d）超廣角物鏡：視場(chǎng)角在 90°以上。照相物鏡按其相對(duì)孔徑的大小，大致

8、分為a）弱光物鏡：相對(duì)孔徑小于 1：9；b）普通物鏡：相對(duì)孔徑為 1： 91：3.5；c）強(qiáng)光物鏡：相對(duì)孔徑為 1：3.51：1.4；d）超強(qiáng)光物鏡：相對(duì)孔徑大于 1：1.4；照相物鏡沒有專門的視場(chǎng)光闌，視場(chǎng)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(chǎng)光闌。照相物鏡上述三個(gè)光學(xué)性能參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)，相互制約的。這三個(gè) 參數(shù)決定了物鏡的光學(xué)性能。 企圖同時(shí)提高這三個(gè)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(gè)參數(shù) 的同時(shí)，相應(yīng)地降低其余兩個(gè)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

9、離透鏡， 這些簡(jiǎn)單的物鏡相對(duì)孔徑很 小只能在室外照明條件良好時(shí)拍攝，又稱為風(fēng)景物鏡。 最早出現(xiàn)的對(duì) 稱型物鏡，屬于簡(jiǎn)單的風(fēng)景物鏡對(duì)稱于光闌的組合， 相對(duì)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(lái)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(chǎng)角為 55°時(shí)，相對(duì)孔徑可以達(dá)到 1：3.51;2.8, 在視場(chǎng)角適當(dāng)降低時(shí)， 相對(duì)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(jiǎn)單，像

10、質(zhì)最好的一種，被廣泛使用在比較廉價(jià)的 135#和 120#相機(jī) 中。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(duì)孔徑，或 提高視場(chǎng)邊緣成像質(zhì)量。第二章 設(shè)計(jì)過(guò)程2.1 初始結(jié)構(gòu)的選擇照相物鏡屬于大視場(chǎng)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(jì)的初始結(jié)構(gòu)一般都不采用初級(jí)像差 求解的方法來(lái)確定 , 而是根據(jù)要求從手冊(cè)、資料或?qū)＠墨I(xiàn)中找出一個(gè) 和設(shè)計(jì)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(shí) , 不必一 定找到和要求相近的焦距 , 一般在相對(duì)孔徑和視場(chǎng)角達(dá)到要求時(shí) , 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(jì)要求： 1、焦距：

11、 f' =20mm；2、相對(duì)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 4.29mm× 5.76mm；4、后工作距 >6mm5、在可見光波段設(shè)計(jì) （取d、F、C三種色光， d為主波長(zhǎng)）；6、成 像 質(zhì) 量 ， MTF 軸 上 >40% 100 lp/mm ， 軸 外0.707 >35%100 lp/mm。 照相物鏡的視場(chǎng)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(jì) 算 , 其中 f 為有效焦距 , 2w 為視場(chǎng)角。半像高 y

12、應(yīng)稍大于圖像傳感器 CCD 或CMO S 的有效成像面對(duì)角線半徑 , 防止 CMO S 裝調(diào)偏離光軸 而形成暗角。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算： y'=sqrt(4.292+5.762)/2 3.6mm,w=atan(y'/f) 16.66°視場(chǎng)角 2w=35°。在光學(xué)技術(shù)手冊(cè)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(duì)孔徑 1： 2.8；視場(chǎng)角 2w=54°，其余參數(shù)見表 1-2。表 1-2 后置光闌的三片物鏡初始參數(shù)r1=13.44d1=4.41n=1.67779v=55.2r2=30.996d

13、2=4.41r3=-40.614d3=1.01n=1.59341v=35.5r4=13.44d4=2.39r5=32.508d5=3.36n=1.69669v=55.4r6=-27.0062.2 數(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(dòng)光標(biāo)到 STO 光闌面（中間一個(gè)面）的“無(wú)窮（ Infinity ）” 之上，按 INSERT鍵。這將會(huì)在那一行插入一個(gè)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(dòng)光標(biāo)到IMA 像平面，按 INSERT鍵兩次。在 LDE 曲率半徑（ Radius

14、）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(gè)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(duì)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(duì)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(zhǎng)。然后在 too

15、ls-make focus 中 該改焦距為 20mm 進(jìn)行縮放。結(jié)果如圖（ 2） 數(shù)據(jù)輸入過(guò)程如下：1）鏡頭的基本參數(shù)2）設(shè)置孔徑角，包含邊光、 0.707 帶光、光軸3）設(shè)置波長(zhǎng)，包含 F光、C 光、D光4）縮放之后鏡頭結(jié)構(gòu)如下2.3 統(tǒng)的像差如下：1)F、 C、D 光的弧矢像差和子午像差如下2)光學(xué)傳遞函數(shù)圖（3）光程差光程差定義為兩束光到達(dá)某點(diǎn)的光程之差值。表明干涉條紋性質(zhì)的量。指由不同點(diǎn)發(fā)出的相干光在到達(dá)疊合點(diǎn) （承光板 ）時(shí),兩光線行程距離的4）場(chǎng)曲5)點(diǎn)列圖2.4 優(yōu)化后得到的結(jié)果1)F、 C、D 光的弧矢像差和子午像差如下2）光學(xué)傳遞函數(shù)圖3）光程差4）場(chǎng)曲5）點(diǎn)列圖第四章 結(jié)論

16、分析（1）rayfan 表示是光學(xué)系統(tǒng)的綜合誤差。它的橫坐標(biāo)是光學(xué)系統(tǒng)的 入瞳標(biāo)量，因此總是從 1到1 之間。顯然 0的位置對(duì)應(yīng)就是光軸在 入瞳中心的焦點(diǎn)?？v坐標(biāo)則是針對(duì)主光線（發(fā)光點(diǎn)直穿光闌中心點(diǎn)的那 條光線）在像面上的位置的相對(duì)數(shù)值。由于我們?cè)谟?jì)算光路的時(shí)候，通 常僅僅考慮兩類光線，子午面和弧矢面。這樣對(duì)于不同的面，就有兩種 不同 rayfan 顯示。由于有子午和弧矢兩個(gè)面， 因此對(duì)于每個(gè)視場(chǎng)的 ray fan 都有兩個(gè)。一個(gè)子午 T（對(duì)應(yīng)于 PY 和 EY ），和一個(gè)弧矢 S（對(duì)應(yīng)于 PX 和 EX ）（2）MTF, 通過(guò)對(duì)它的分析， 可以了解鏡頭的主要光學(xué)特性， 對(duì)鏡頭 成像質(zhì)量有全面

17、綜合了解。一般的 MTF 圖提供兩組不同空間頻率的場(chǎng) 幅曲線，分別代表反差和分辨率：低頻選在 MTF 頻幅曲線水平部分， 反映鏡頭的反差特性；高頻選在 MTF 頻幅曲線下降比較陡峭的部分， 反映鏡頭的分辨率特性 MTF 曲線越高越好，越高說(shuō)明鏡頭光學(xué)質(zhì)量越 好。綜合反差和分辨率來(lái)看， MTF 曲線以下包含面積越大越好。 MTF 曲線越平直越好，越平直越說(shuō)明邊緣與中間一致性好。邊緣嚴(yán)重下降說(shuō) 明邊角反差與分辨率較低。（3）OPD 即 optical path difference（光程差 ），也就是波像差圖。橫軸 PY、PX 是光學(xué)系統(tǒng)的入瞳標(biāo)量， 因此總是從 -1 到+1 之間?？v坐標(biāo) EY、

18、 EX 即表示波像差。 在光學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算中很有意義，因?yàn)楣獬滩畋硎境上?的波前位相誤差。 對(duì)零光程的任意偏離都會(huì)在光學(xué)系統(tǒng)中形成衍射圖像 時(shí)產(chǎn)生誤差。因?yàn)槌鐾枪鈾谠谙窨臻g的像，出瞳表示像空間光束有清 晰邊界的位置。出瞳處的照度，其振幅和位相通常是平滑變化的，零振 幅和非零振幅區(qū)域有明顯的界限。在出瞳處觀察，可以合理地假定波前 沒有明顯的衍射影響。 如果光學(xué)系統(tǒng)中的所有面的通光孔徑比受光欄限 制入射到每一面上的光束尺寸大，這一假定基本上是事實(shí)。甚至如果出 瞳是虛擬的(這是常有的) ，出瞳仍然定義了像空間光束無(wú)衍射影響的 唯一位置。當(dāng)波前從出瞳傳播到像平面時(shí)，光束外形在振幅和位相上變 得很復(fù)雜，由

19、于衍射的影響，波前擴(kuò)展到整個(gè)空間。對(duì)一條給定的光線進(jìn)行 OPD 計(jì)算時(shí)，光線通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)追跡，自 始至終到達(dá)像平面，然后反向追跡到位于出瞳處的參考球面。這個(gè)面后 得到的 OPD 是有物理意義的位相誤差。由光線向后追跡到出瞳而得的 附加路程，從參考球面的半徑中減去， 得到 OPD 的微小調(diào)整，稱之為” 校正項(xiàng)”。這種計(jì)算對(duì)于所有實(shí)際應(yīng)用是正確和需要的。但是， ZEMAX 也允許選擇兩種其他參考方法，即無(wú)限遠(yuǎn)處面和絕對(duì)參考面。(4) 場(chǎng)曲又稱“像場(chǎng)彎曲” 。當(dāng)透鏡存在場(chǎng)曲時(shí)，整個(gè)光束的交點(diǎn)不 與理想像點(diǎn)重合，雖然在每個(gè)特定點(diǎn)都能得到清晰的像點(diǎn)，但整個(gè)像平 面則是一個(gè)曲面。這樣在鏡檢時(shí)不能同時(shí)看清整

20、個(gè)像面，給觀察和照相 造成困難。因此研究用顯微鏡的物鏡一般都是平場(chǎng)物鏡，這種物鏡已經(jīng) 矯正了場(chǎng)曲。(5) 點(diǎn)列圖， 由一點(diǎn)發(fā)出的許多光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后， 因像差使其與像 面的交點(diǎn)不再集中于同一點(diǎn)，而形成了一個(gè)散布在一定范圍的彌散圖 形，稱為點(diǎn)列圖。點(diǎn)圖的原理是顯示光學(xué)系統(tǒng)在 IMA 面上的成像。換句話說(shuō)，它就是通過(guò)計(jì)算，把一系列物方的點(diǎn)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)以后，成像在 IMA 面上 的情況給實(shí)際繪制出來(lái)。如何通過(guò) spot diagram 看光學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，簡(jiǎn)單說(shuō)，這個(gè)彌散斑越 小越好。彌散斑足夠小，滿足你對(duì)光學(xué)系統(tǒng)最小彌散斑的要求 （ spot diagram 的單位是微米）那么，光學(xué)系統(tǒng)就完全可以進(jìn)

21、行實(shí)際的 加工了。由仿真圖像可以看出優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)象差較大，成像質(zhì)量不夠理想， 所以需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，一般系統(tǒng)的每一個(gè)結(jié) 構(gòu)參數(shù)都可以作為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化時(shí)采用自動(dòng)優(yōu)化，這種優(yōu)化方式會(huì)改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，由優(yōu)化后 的圖像可以看出，其象差比優(yōu)化前的較小。由優(yōu)化前后的傳遞函數(shù)曲線 以及點(diǎn)例圖可以看出，其成像質(zhì)量總體不夠理想，故本次雙高斯物鏡的 設(shè)計(jì)需進(jìn)一步提高。心得體會(huì)一周的光學(xué)課程設(shè)計(jì)結(jié)束了， 不但是使我對(duì)教材上的知識(shí)有了進(jìn)一 步的理解， 而且還學(xué)會(huì)了使用 ZEMAX常 用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件， 同時(shí)，也鍛 煉了自己接受新知識(shí)和動(dòng)手操作的能力， 因此我對(duì)此次光學(xué)課程設(shè)計(jì)感 觸和收獲頗深！在課程設(shè)計(jì)剛開始的階段，我有點(diǎn)無(wú)從下手，然后自己認(rèn)真翻閱了 教材和以前上課時(shí)的相關(guān)資料，又到圖書館借閱一些相關(guān)書籍，自己在 宿舍的時(shí)候也瀏覽一些相關(guān)網(wǎng)站查閱有關(guān)信息， 漸漸