工程光學照相物鏡鏡頭設(shè)計及像差分析

1、 . - -可修編.工程光學課程設(shè)計題目：照相物鏡鏡頭設(shè)計與像差分析照相物鏡鏡頭設(shè)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(dǎo) 教 師2021 年 1 月 10 日. v目錄目錄1 1 照相物鏡開展歷程照相物鏡開展歷程 1 11.1 風情攝影物鏡 11.2 匹茲堡人物物鏡 11.3 對稱型物鏡 11.4 三片式物鏡 11.5 雙高斯物鏡 21.6 攝遠物鏡 21.7 反攝遠物鏡 21.8 廣角物鏡 21.9 變焦距物鏡 22 2 照相物鏡光學性能照相物鏡光學性能 32.1 相對孔徑 32.2 視場角

2、 2W32.3 焦距F33 3 設(shè)計過程設(shè)計過程 53.1 初始構(gòu)造的選擇 53.2 輸入?yún)?shù)和縮放 63.3 在 ZEMAX 中進展優(yōu)化 8總結(jié)總結(jié) 1414致致 1515. v參考文獻參考文獻 1616照相物鏡鏡頭設(shè)計與像差分析照相物鏡鏡頭設(shè)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(zhì)量。要保證所設(shè)計的照相物鏡到達較高的技術(shù)要求，在設(shè)計時就必須到達更高的精度和分辨率。完本錢課題需要以下幾個局部第一： 知曉物鏡開展歷程和物鏡根本光學性能；第二： 選擇所需器件參數(shù)，符合本次課題設(shè)計要求；第三：應(yīng)

3、用 ZEMAX 光學設(shè)計軟件進展課題設(shè)計；第四： 對各構(gòu)造元件進展反復(fù)的優(yōu)化設(shè)計，使之到達要求的技術(shù)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(jié)了設(shè)計過程的心得體會。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：ZEMAX；物鏡；賽德爾系數(shù)；快速傅里葉. v1 1 照相物鏡開展歷程照相物鏡開展歷程物鏡的開展經(jīng)歷了許多年，經(jīng)過不斷地更新與開展，實際用途越來越廣，質(zhì)量越累越好，物鏡經(jīng)歷了以下開展：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(nèi)，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

4、單透鏡，雙膠合透鏡因色差得到校正成像質(zhì)量有所提高，但制作本錢比擬高，正、負透鏡別離的形式可以得到更好的成像質(zhì)量，因為雙別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(shè)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(nèi)攝影，是第一個依靠設(shè)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，它在近軸局部的成像優(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，匹茲堡物鏡的改良形式很多，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

5、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構(gòu)造，是馮虛格在 1900 年設(shè)計出的，兩個透鏡的外表幾乎是半球面，具有 140 度左右. v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，塔克洛爾用別離薄透鏡作為對稱型的一半，設(shè)計出了柯克三片式物鏡，這是能校正所有像差的一種最簡單的構(gòu)造，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。

6、如果視場減小時，相對孔徑可達 1:2.8，現(xiàn)在它依舊是一種比擬流行的物鏡。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(jié)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構(gòu)造。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，相對孔徑比擬大，它是現(xiàn)在 1:2 物鏡的主要構(gòu)造。1.61.6 攝遠物鏡攝遠物鏡用正負二透鏡組所構(gòu)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別離組成，負透鏡位于正透鏡之前，從而使主平面后移至物鏡

7、前方，到達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。. v1.91.9 變焦距物鏡變焦距物鏡物鏡能在一定 X 圍內(nèi)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構(gòu)造最單，像片質(zhì)量最好的一種，被廣泛使用在比擬廉價的 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 2 照相物鏡光學性能照相物鏡光學性能照相物鏡的根本光學性能主要由三

8、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. v2.22.2 視場角視場角 2w2w在光學儀器中，以光學鏡頭為頂點，

9、以被測目標的物像，可通過鏡頭的最大 X 圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角叫做視場角。照相物鏡的視場角決定其在承受器上成清晰像的空間 X 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，視場大小被承受器本身的有效承受面積所限制，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2.32.3 焦距焦距 f f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

10、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，。llyy對一般的照相機來說，物距 l 都比擬大，一般 1 米，f為幾十毫米，因此像l平面靠近焦面，所以fl 當物體處于無限遠時，像高為. vy=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7.5151720242825標準段望遠望遠超望遠5085100135200300400500600800照相物鏡上述三個光學性能參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)，相互制約的。這三個參數(shù)決定了物鏡的光學性能。企圖同時提高這三個參數(shù)的指標那么是困難的，甚至是不可能的。只能根據(jù)不同的使

11、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。3 3 設(shè)計過程設(shè)計過程3.13.1 初始構(gòu)造的選擇初始構(gòu)造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, 構(gòu)造也比擬復(fù)雜, 所以照相物鏡設(shè)計的初始構(gòu)造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)計要求比擬接近的系統(tǒng)作為原始系統(tǒng)。在選擇初始構(gòu)造時, 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到達要求時, 我們就可以將此初始構(gòu)造進展整體縮放得. v到要求的焦距值。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

12、/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(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 X 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(yīng)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(diào)偏離光軸而形成暗角。經(jīng)過簡單計算：y=sqrt(4.292+5.762)/23.

13、6mm，w=atan(y/f)16.66，視場角 2w=33.32。在光學技術(shù)手冊查詢后選定初始構(gòu)造為后置光闌的三片物鏡如圖 1 所示 ，后置光闌三片物鏡原始構(gòu)造圖 1初始參數(shù)為：. v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=55.2r2=30.996d2=4.41r3=-40.614d3=1.01n=1.59341v=35.5r4=13.44d4=2.39r5=32.508d5=3.36n=1.69669v=55.4r6=-27.0063.23.2 輸入?yún)?shù)和縮放輸入?yún)?shù)和

14、縮放將參數(shù)輸入 ZEMAX 中：其中第六面設(shè)為光闌面，厚度設(shè)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

15、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，如下列圖 2 所示。. v在 system-general-aperture 中輸入相對孔徑值 2.8 如下列圖 3 所示，在 tools-make focus 中該改焦距為 12mm 進展縮放如下列圖 4 所示。在 system-wavelength 中輸入所選波段，選 d 光為主波長如下列圖 5 所示。輸入初始參數(shù)如下列圖 2 所示：圖 2 輸入相對孔徑值設(shè)置相對孔徑值和波段如下列圖 3 所示：圖 3：輸入相對孔徑值改焦距為 12mm

16、 進展縮放如下列圖 4 所示：圖 4：縮放后圖輸入所選波段如下列圖 5 所示：圖 5 輸入所選波長縮放后得到我們所設(shè)計的焦距 f=12mm 的初始參數(shù)如下列圖 6 所示 。圖 6：初始參數(shù)現(xiàn)在開場定義視場，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，初始構(gòu)造及其參數(shù)已經(jīng)完成。3.33.3 在在 ZEMAXZEMAX 中進展優(yōu)化中進展優(yōu)化利用 ZEMAX 得到初始構(gòu)造的 MTF 曲線如下列圖 7 所示可看出成像質(zhì)量很差,

17、因此需要校正像差。MTF 曲線圖如下列圖 7 所示：圖 7：MTF 曲線圖該構(gòu)造可以用作優(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。. v首先使用 Default Merit Function 建立缺省評價函數(shù)進展優(yōu)化，選擇 Editors-Merit Function，在第一行中先輸入 EFFL，目標值設(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

18、和 MTFS如下列圖 8 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如下列圖 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，那么指整個系統(tǒng)的球差總和。MTF：指子午調(diào)制傳遞函數(shù)。 缺省評價函數(shù)如下列圖 8 所示：圖 8：缺省評價函數(shù)設(shè)置玻璃厚度以及空氣間隔如下列圖 9 所示：圖 9：玻璃及空氣厚度然后在 Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coeffi

19、cients 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)化如圖 10 所示。. v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(shè)為變量。將 1、6 面曲率半徑設(shè)為變量，選擇快捷選項 Opt，然后進展優(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展優(yōu)化。如下列圖 11 所示。優(yōu)化后圖圖 11到這一步后發(fā)現(xiàn)已經(jīng)根本符合設(shè)計要求，再根據(jù) 2D 圖適當調(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 M

20、TF 圖的曲線變化，最后使各個參數(shù)都在可承受 X 圍之內(nèi)。賽德爾系數(shù)如下列圖 14 所示：圖 143D 草圖顯示如下列圖 15 所示：圖 15：3D 草圖在分析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列圖所示的點列圖如下列圖 16 所示：圖 16：點列圖優(yōu)化后視場、場曲失真圖如下列圖 17 所示圖 17：視場、場曲失真圖總結(jié)總結(jié)在這次工程光學課程設(shè)計中，我選擇的題目是照相物鏡鏡頭設(shè)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. v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(shè)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(guān)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(guān)資料，通過對這些資料的研究和分析。不但對我的課程設(shè)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擬模糊的知識點，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 中使用適宜的優(yōu)化函數(shù)和權(quán)重對像差進展校正, 逐步消除了根本像差、高級像差, 并進展了像差平衡, 獲得了實際焦距 11.9