基于ZEMAX的照相物鏡的設(shè)計(jì)說明

1、燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書題目：基于ZEMAX的照相物鏡設(shè)計(jì) 學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 年級專業(yè)： 10級儀表三班 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 副教授 燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位：自動(dòng)化儀表系 學(xué) 號(hào)學(xué)生專業(yè)（班級）10級儀表三班設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) 1、焦距：f=15mm； 2、相對孔徑：1/2.8； 3、在可見光波段設(shè)計(jì)(取d、F、C三種色光） 4、視場角2w=74°設(shè)計(jì)要求1、簡述照相物鏡的設(shè)計(jì)原理和類型； 2、確定照相物鏡的基本性能要求，并確定恰當(dāng)?shù)某跏冀Y(jié)構(gòu)； 3、輸入鏡頭組數(shù)據(jù)，設(shè)置評價(jià)函數(shù)操作數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

2、和像差結(jié)果分析； 4、給出像質(zhì)評價(jià)報(bào)告，撰寫課程設(shè)計(jì)論文工作量 查閱光學(xué)設(shè)計(jì)理論和像差分析的相關(guān)文獻(xiàn)和資料，提出并較好地的實(shí)施方案設(shè)計(jì)簡單透鏡組，并用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(jì)工作計(jì)劃 第一天、第二天：熟悉ZEMAX軟件的應(yīng)用，查閱資料，確定設(shè)計(jì)題目進(jìn)行初級理論設(shè)計(jì)第三天、第四天：完善理論設(shè)計(jì)，運(yùn)用ZEMAX軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，撰寫報(bào)告 第五天：完善過程，進(jìn)行答辯參考資料光學(xué)設(shè)計(jì)，電子科技大學(xué)，鈞，高明，2006，10幾何光學(xué)像差光學(xué)設(shè)計(jì)，大學(xué)，曉彤，岑兆豐，2003.11實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊，機(jī)械工業(yè)，王之江，2007.1指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字目錄摘要

3、1第1章 簡述照相物鏡的設(shè)計(jì)原理和類型 2 第二章 設(shè)計(jì)過程42.1 根據(jù)參數(shù)要求確定恰當(dāng)?shù)某跏冀Y(jié)構(gòu) 42.2優(yōu)化設(shè)計(jì)過程 5 2.3 優(yōu)化結(jié)果像差結(jié)果分析 8第4章 課設(shè)總結(jié) 13參考文獻(xiàn)15 / 19摘要 人們早就有長期保存各種影像的愿望。在攝影技術(shù)尚未發(fā)明前的公元四世紀(jì)時(shí)，人們按投影來描畫人物輪廓像的方法達(dá)到了全盛時(shí)代，至今這種方法仍然作為剪紙藝術(shù)流傳著。后來，人們讓光線通過小孔形成倒立像，進(jìn)而將小孔改為鏡片，并加裝一只暗箱。只要在暗箱底板上放一紙，不僅可以畫出輪廓，還可以畫出像上的各個(gè)部分。這就形成了照相機(jī)的機(jī)構(gòu)雛形。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，照相機(jī)的發(fā)展日益迅速，有著顯著的飛躍

4、。照相物鏡是照相機(jī)的眼睛，它的精度和分辨率直接影響到照相機(jī)的精度與成像質(zhì)量。要保證所設(shè)計(jì)的照相物鏡達(dá)到較高的技術(shù)要求，在設(shè)計(jì)時(shí)就必須達(dá)到更高的精度與分辨率。本文所討論的照相物鏡，它主要采用后置光闌三片物鏡結(jié)構(gòu)，其中第六面采用非球面塑料，其余面采用標(biāo)準(zhǔn)球面玻璃，應(yīng)用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)了一組焦距f '= 15mm的照相物鏡,相對孔徑D/ f=2. 8,鏡頭總長為15.1366mm，整個(gè)系統(tǒng)球差0.000192，慧差0.000432，像散0.002716。完全滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字：   照相物鏡    ZEMAX 

5、;   設(shè)計(jì) 第一章 簡述照相物鏡的設(shè)計(jì)原理和類型 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、相對孔徑D/f和視場角2w。照相物鏡的焦距決定所成像的大小）當(dāng)物體處于有限遠(yuǎn)時(shí)，像高為y=(1- (1-1)式中，為垂軸放大率，。對一般的照相機(jī)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(shí)，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 1001

6、35 200 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)照相物鏡的視場角決定其在接受器上成清晰像的空間圍。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。

7、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(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

8、以與正負(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(shí)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(shí)，相對孔徑可以達(dá)到1：3.51;2.8,在視場角適當(dāng)降低時(shí)，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。本次涉與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

9、價(jià)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。第二章 設(shè)計(jì)過程2.1 根據(jù)參數(shù)要求確定恰當(dāng)?shù)某跏冀Y(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(jì)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(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, 一般在相對孔徑和視場角達(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。設(shè)計(jì)要求： 1、焦距：f=1

10、5mm； 2、相對孔徑：1/2.8； 3、在可見光波段設(shè)計(jì)(取d、F、C三種色光） 4、視場角2w=74°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=1.59341v=35.5r4=13.44d4=2.39r5=32.508d5=3.36n=1.69669v=55.4r6=-27.0062.2優(yōu)化設(shè)計(jì)過程將參數(shù)輸入zem

11、ax：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）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

12、點(diǎn)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，然后在tools-make focus中該改焦距為15mm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15mm進(jìn)行縮放：定義視場：此時(shí)得到初始結(jié)構(gòu)與參數(shù)如下圖：2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)過程利用ZEMAX得到初始結(jié)構(gòu)的M TF 曲線可看出成像質(zhì)量很差, 因此需要校正像差。該結(jié)構(gòu)可以用作優(yōu)化變量的的數(shù)據(jù)有：6個(gè)曲率半徑，2個(gè)空氣間隔

13、，3個(gè)玻璃厚度。首先使用Default Merit Function建立缺省評價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選擇Editors-Merit Function，在第一行中先輸入EFFL，目標(biāo)值設(shè)為15，權(quán)重設(shè)為1。再輸入SPHA和MTFA，在Target中輸入0.4，在Weight中輸入1。再選擇Tools-Default Merit Function，選擇OK，建立缺省評價(jià)函數(shù)。注：EFFL：Effective focal length的縮寫，指定波長號(hào)的有效焦距。SPHA：指球差，如果Surf=0，則指整個(gè)系統(tǒng)的球差總和。MTFA：弧矢和子午的調(diào)制傳遞函數(shù)的平均值然后在Analysis-Aberratio

14、n 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，將1、6面曲率半徑設(shè)為變量，選擇快捷選項(xiàng)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。根據(jù)其中像差的變化不斷的對數(shù)據(jù)進(jìn)行常識(shí)性優(yōu)化，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(shí)時(shí)關(guān)注MTF圖的曲線變化，最后使各個(gè)參數(shù)都在可接受圍之，完成設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果與分析像差特性曲線：點(diǎn)列圖：F

15、FT調(diào)制傳遞函數(shù)：場曲與匹茲伐曲線：塞德和系數(shù)照相物鏡同時(shí)具有大相對孔徑與和大視場，因此，為了使整個(gè)像面都得到清晰的并于物平面相似的像，差不多需要校正所有其中像差。但是，并不要求這些像差都校正得與目視光學(xué)系統(tǒng)一樣完善。這是由于照相物鏡的接收器無論是感光底片還是攝像管，他們的分辨率都不高。由于接收器的這種特性，決定了照相物鏡是大像差系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)果中，由2D LAYOUT圖可知，主要光線聚焦完美，但視場為1的遠(yuǎn)場光線聚焦不是完善，這并不影響照相物鏡的照相要求，相片的外圍的稍微模糊不影響相片的質(zhì)量。由RAY LAN圖可知，子午球差已經(jīng)很小，也只有遠(yuǎn)視場稍微大些。由Field CurvDist

16、圖可知，三種波的子午場曲和弧矢場曲間的距離小，高級求差得到良好優(yōu)化。由Spot Diagram點(diǎn)列圖可知，前五個(gè)視場的能力集中在中心區(qū)域。由FFT MFT圖可知，大部分光線與坐標(biāo)軸所圍的面積已經(jīng)得到很好的優(yōu)化。由塞德和系數(shù)圖表分析后，影響像差的系數(shù)變小，最后整個(gè)系統(tǒng)球差0.000192，慧差0.000432，像散0.002716，基本滿足設(shè)計(jì)要求。第三章 課設(shè)總結(jié)一周的課設(shè)，基本完成了課設(shè)任務(wù)，設(shè)計(jì)優(yōu)化了后置光闌三片物鏡結(jié)構(gòu)的照相物鏡，對光學(xué)設(shè)計(jì)的知識(shí)有了進(jìn)一步的學(xué)習(xí)與了解，學(xué)會(huì)了ZEMAX軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本操作與像差分析。首先，查閱資料確定設(shè)計(jì)題目，分析題目，獨(dú)立學(xué)習(xí)ZEMAX軟件的應(yīng)用步驟，然后，進(jìn)行照相物鏡的設(shè)計(jì)，進(jìn)行各種像差的優(yōu)化，通過向老師請教、與同學(xué)的討論之間的討論解決了遇到的難題。使對知識(shí)的了解