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：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)生姓名周育早（專業(yè)）班級光電2班設(shè)計題目一款照相物鏡設(shè)計焦距f' =12mm設(shè)相對孔徑：D/f=1/2.8計成像質(zhì)量：MTF 軸上40% 100lp/mm ，軸外技0.707>35%100lp/mm術(shù)彌散斑0.05mm參曰1 .最人畸變1%數(shù)在可見光波段（取d、F、C三種色光，d為主波長）設(shè)計算照相物鏡的各個參數(shù)；計上機用軟件進行優(yōu)化，確定最后的設(shè)計結(jié)構(gòu)，滿

2、足像差要求。要求參1、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，西考安資C/、/.亠4 右'/耳Q J廠丄二P rm.a r-TA，國防科技出版社，北京2、光學(xué)儀器設(shè)計手冊，1971料3、光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX周次第一周第二周計算設(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)應(yīng)計結(jié)構(gòu)宀 完成內(nèi)容目錄、照相物鏡簡介錯誤!未定義書簽、確定初始結(jié)構(gòu) 8、用 ZEMAX 優(yōu)化 12四、 結(jié)論 錯誤!未定義書簽五、心得體會 錯誤!未定義書簽六、參考文獻 錯誤!未定義書簽一、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 '

3、;和視場角2w。照相物鏡的焦距決定所成像的大小I)當(dāng)物體處于有限遠時，像高為y' =(1- )f'ta n(1-1)式中，為垂軸放大率，* 1。對一般的照相機來說，物距I都比較y I大，一般丨1米，f'為幾十毫米，因此像平面靠近焦面，I' f'，所以I因此半視場角=ata ny'(1-3 )表1-1中列出了照相物鏡的焦距標準:表1-1物鏡類型魚眼超廣角廣角標準短望遠望遠超望遠物鏡7.51724585135400焦距f'152028 350 100200 300500600 800/mm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

4、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' =1/4 冗LTD/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i: 9 ；b）普通物鏡：相對孔徑為1 : 91 : 3.

5、5 ;c）強光物鏡：相對孔徑為1 : 3.51 : 1.4 ；d ）超強光物鏡：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)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(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。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分離透鏡， 這些簡單的物鏡相對孔徑很小只能在室外照

6、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、遠距物鏡、反遠距物鏡等等復(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

7、 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。二、確定初始結(jié)構(gòu)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

8、 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）lp/mm 。 最大畸變 <1%初始參數(shù)見下圖Su=:lypeLDZESEltIiilejzi£ = s£1ES =Seml-PtameterEx”山/皿IsEisity1*Swndarci3710 TS94U21.N4449U3*Ezindard98_«S4fO9T.rra&cau.assssLU3*-iDz

9、.uMJiaez.uarr?E=H12L«.UBa«D34.7C309£Z .1=2 =1£-2213703尹177.0302t.Z3BrT7m15.WS37w6*37.&OT94EU.24OSB3,T .池：37卜呂ABbdLa;詛0.0000DL4.ai<35J5* = retard7ft.aiiEas214.0-3 09J3SrdaidIzifiiiitv-L3.SES3EQJ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 , 移動光標到STO光闌面（中間一個面）的“無窮（I

10、nfinity ）”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

11、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r團像近軸高度w貞實im息悽權(quán)flw?iVDlTCKY-視場C. D0CO31 QOOOC. DOCOiC. D0CO3onrmocoocI ocooo.00000.OMOIJ.OULIUJ jO.ODOCOQ0C03QKOJO.OQQCOD.OJOCCi0.030COOCOUQ

12、1 0000OftcoiG.OOOCOi oajoL. DKOO1.1 IJJIJLIJIi uajo1 0030C. DIKO311 QOOO(- DKOD! |o. orocoOCOOCIOCOOO.QQOCOWE«)站杞）謖査（SmV理（VJ解CLl叫D圖4、設(shè)置視場角Mj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)完成了|斜 1 Layout更新(Jpd 吉二皂加1 設(shè) £ (Sett ing£)(£) JT =p(Print*i(JP*i ®O(l/VmdD 胡辿) 文車(Te d T)ffi(Zngm(Z)吉】LR1TO

13、JTMDtl kOV 'DB 口a IL 4.TD'RL LENGTHL乳労百力孑2土主.MXC gisir xiguran t cot J k i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、7gf 1: OPDFan一 X -里新（Update） 設(shè)量（血tting叮 打印卩何廿電）S3仙in血詞皺）"交率仃啟補垢械憶DDnn）（aFTICRL FHTM OIFFEfiENCEHDN MRT SB 2Q1MAXIMUM 各匚匚L匚！ 4 20 UflUES i3 'i

14、 Bfc El ” EE3 3 .右專白SUfcbHLE： irRCEN-七七.ZMX MFIGURHTIDIN J DF 1圖7、優(yōu)化前Opd Fan優(yōu)化前Spt如圖8働| 1 印 ot 口 iagam更斬（Up曲經(jīng) HU） iiSiS&ttingsKS）打 EDCPriniRP）尚口® indM）（W） 文血仃*）cn縮放憶口葉）辺SUIFFCEl Dfinh i-iin in即CIT 口工冃氐艮HHNDNI NAT M 2BILt FIHLD I RHS RflUIUS ；GE SCuhus nE 產(chǎn)'3.7125B.EB 59.13T咄剛 bREFERBJCE

15、 : Ollff RffT2-也土 . ZIMX尸工GU 尺尸IT HOU 】!=1圖8、優(yōu)化前Spt優(yōu)化前Mtf如圖9 §1 1: FFTMTF Freq = 351.3. MTF = 0.9976- Xr BSi(Update)QJ) 設(shè)置(Settings)tS) JJEl(Pririt)(P) mn(Window(W)7文Zfe(T&xt)CD編放區(qū)ME)岸UUH1UL口 srrmEis血刖也rm34 B7：S尸m工円L FREQUEMCY IN CTCIUE3 PER HTLLIFIETER73F0LrEFRQhiHTIC MJC MTF0Q3 2- I QNDN

16、MRY 2D LBDRTR FDRTO 9.M43 P細3URFRDE - IMAGE2-±. NIMX匚口 NFTGURFITTOhl l OF 1圖9、優(yōu)化前Mtf優(yōu)化前場曲和畸變?nèi)鐖D 10l;FieldCurvTDistData =-0.002155. FieldX1 != 1更 WTCUpdate)(L!) igSCSettingsXS)打印丹巾廿® SO (Window)辿) 文曲仇Xt) 垢枚創(chuàng)I3E)尸工巨LEJ匚U別冃EJRE F 口工5T口氏TROhJB b5&TMU JU'hl 空渙 ZMRXTMUH FIH,口 HS； 0 占叩 Wfl

17、WELENGTMSi 0. ISdiFIELD CURVRiTUIREBTHIlLLinETERSDISTORTIONAAfl. 568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SurfSPHA SICOMA S2ASTI S3FOUR S4DIST SSCIA 1GL)CTR (CT)10.459333-0.0001940.0000000,000259000100-0,000000-0,07393

18、10,00003120.013261«0.0017150,000230-0-000017-,011300.0014073一口.37340a0.014392-0,000555-.00093,00025.Q7G261-0.0029394-0.714325-D-00B962-0,000112-000273-OOflOGOSfl. 1063.410.001332SD. 040SS0-002761O-ODOLIS.000042D.000007-0.01S130-0-0007B10.292200.0032740.0000370.000040.000001-0.033003-0.00042570.

19、352479-o.oiosia0-0002820.000154-0-000012-0.0SS7420.001494STOQ. 000000口. 00-00000.000000.ooaoooQ.ODODOO0.0000000.000000IMA0口0D000口.oooaoo0.000000a.ooaoo口O.OOOOODa -QOOOQO0.000000TOT0.134014-0.000B930.0000000.000054-0.000001-0x0147100.000198圖11、賽德爾系數(shù)Opt，然后進行優(yōu)將1、3，4，6，7面曲率半徑設(shè)為變量，選擇快捷選項化，優(yōu)化后取消變量，將剩余面的曲率

20、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:爛優(yōu)化-X -自動1 次J :S次'10 次 _50次匚二妣吐二!力0權(quán)指標：63.拉格翩曰（La尹旳聲扌旨0-|變星14-初抬 MF 0. 004433002肖前 MF: 0. 0044330021気仙運行時祠-0- 435 sec處理器個數(shù)：廠三廠自動更暫圖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)。r- ffu町于TJU.ckZK.ajwlXaJacni-Q.TtatciAt az

21、wluilLtTLfillj上址1立二匕片AMAl'a4.UV41C；丄VUJU島aull.lfiltUd.»4i341<V-1'fikrindaxd-Ll.lllltOCi.4743.J4Vrucio1.11)441ISVCkMIEVL.ISCtH-和1H.1H3SI3Ea 4IU41Vrn.:ciI l3T»OOiiraKaodsird¥ VH43?ii mwVumI I31tllir孰WiM訂己-7 134ISVi wm：r5TBSzajKSarfETnrinL-jiI £B4£E1n&SzaneSaci*1

22、"匸1第丄壬¥I £7 5=ff3IT圖13、優(yōu)化后鏡頭數(shù)據(jù)優(yōu)化后Ray Fan如圖Fi zRay Fan一 X更新(Update) 設(shè)冒訝亡 ttin/KS) JJEflC Print)© gjnfWirdwd 辿) *(Text)ffi 編族 bnm)T民FIN刖申：SE 即FFjM F5TMDN證內(nèi)MRXHMUH SDFLE" t 5Q < 666|&.4&£>0 5td 0,656SURfTiCE : IMAGE2-士士HZX匚口NFIGUEHTION OF 1圖14、優(yōu)化后Ray Fan優(yōu)化后Op

23、d Fan 如圖15斜 2; OPD Fan- X更新(Updat&XUJ 設(shè) SCSettmgsKS打印卩耐)2) OCWindnwXW) 文朮仃色xt)E覽放(ZaamKZ)亍祁*.bw HnFTICRiL PHTH QIFFEENCeMUM MR¥ 盟右MFIXIHUM SCALE) i N”召呵® WAUES.IS. HBfe0.5B3 Q.q5白SLJRFRCE ： IfflGEN-生更TZNXGPNFZ(3UFHTI口K I OF I圖15、優(yōu)化后Opd Fan優(yōu)化后Spt如圖16 ? Spot Diagram- XSSi(Update)(UJ(Sett

24、ings )(5)打 EfKPrintMP) iSZKWin 如理J文 Zfc(T電)rt)(T)編放(2oOmXZ) n. 4» r *彌為B aALIM. BL回 F«Ml；機乂甲一SJIFKEl Ihfl9Ai B BIB IM才口T QXF1G尺冊non mr 閣器 u£ unm： r韭 亠、 flQUDiI23RHS RFlDiUS -1.51?4.7B7古3L髓瞇iIED，37L，L，7BS EEF® : CHIff PfilfN由山CDNFTGURFITIDWe ZMX :OF 1圖16、優(yōu)化后SptIS 衛(wèi)F OfcGTS I7.H0 口

25、E二TS 16.ez EIEG吾IlHInucu1 (ASPmr . r 廠足匚QUIZNZ Y in cyclcs per mtllimetezrP：).IFT ：KI-IIMP k? 1(： HI- U3_C CiJSCHU AP 1£ 2004n r "n r ._c a . uCt.3 nttc:rtinj?.r ：ZDnx(3W'L£l'JXU£3Ltl CRUSS 'I7-7HX DONFTGIJRRTI.IIN 1 QF 1圖17、優(yōu)化后Mtf優(yōu)化后Lay如圖18綁 1 LayDutZ = 8375 = -2.138

26、(JpdateXL)迫團 Jt：ing胡習(xí) flEp(Print)(Pj HZKyJindwXJTXI Text F：茄茁(ZotjmkZlM3N ro ob sa L<T3TRL LENISTH LH.?3HE; rMdLn mi3 Li ZUrZ-iDMOrZMX e rwF tuupfit rrw t b u圖18、優(yōu)化后LayFIEL口 CURURTUREST幷TSTLIST 口尺TT匚-HJ0 rg舊 QCQI rrLLLLIIETERSFHEL：冃TLFE h 口工曽丁口耐丁*。UJED J UH 1 213 L 6MAXIMUM FIELD IS D 倉耳血 DECREES.MADE LENGTHS! fl . HQbP EGG0 LBNS：IN . ZHKUOZ 呂工匚LJB 日 THQIM I gs 1圖19、優(yōu)化后場曲和畸變四、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)，