照相物鏡設(shè)計(jì)

1、漢口學(xué)院應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告報(bào)告題目： 照相物鏡設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 專業(yè)班級(jí)： 授課老師： 二O一四年十二月目錄一、選題背景3二、設(shè)計(jì)要求4三、外形尺寸計(jì)算4四、結(jié)構(gòu)選型及參數(shù)計(jì)算51.結(jié)構(gòu)選型52.參數(shù)數(shù)據(jù)6五、ZEMAX初始數(shù)據(jù)61.初始結(jié)構(gòu)參數(shù)62.縮放焦距83.更換玻璃8六、ZEMAX校正數(shù)據(jù)101.設(shè)置約束對(duì)象102.設(shè)置變量113.優(yōu)化114.最終結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)11七、像質(zhì)評(píng)價(jià)121.2D草圖122.場(chǎng)曲和畸變123.快速傅立葉變換調(diào)制傳遞函數(shù)134.標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖135.光線像差特性曲線146.光路特性曲線14八、零件圖15九、學(xué)習(xí)體會(huì)16十、參考文獻(xiàn)18一、 選題背景照相機(jī)廣泛應(yīng)

2、用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)城，已成為科研、國(guó)防、生產(chǎn)、教育以及文化生活各領(lǐng)域中的重要手段。它給人類的文明生活帶來(lái)了許多方便，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們物質(zhì)文化生活水平的提高，社會(huì)上的照相機(jī)也發(fā)展的越來(lái)越快，越來(lái)越普及了。照相機(jī)是由鏡頭，光圈，快門，取景器，測(cè)距器，卷片，機(jī)身（暗箱）等主要部件構(gòu)成的。其中鏡頭的作用是通過(guò)光線把景物集結(jié)成影像并投射到感光片上，使感光片接受清晰的影像，它的好壞直接決定了照相機(jī)的性能。照相物鏡的光學(xué)特性一般用焦距、相對(duì)孔徑、視場(chǎng)角表示。此外還提出分辨率的要求，作為保證產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)條件。照相物鏡的結(jié)構(gòu)型式很多，而且不斷有新的型式出現(xiàn)。選用照相物鏡的原則應(yīng)該是:既能滿足光學(xué)性能

3、和成像質(zhì)量的要求，而結(jié)構(gòu)又最簡(jiǎn)單。雙高斯物鏡是具有較大視場(chǎng)(大約=40左右)的物鏡中相對(duì)孔徑最先達(dá)到1/2的物鏡黃一帆，李林.光學(xué)設(shè)計(jì)教程M.北京:北京理工大學(xué)出版社，2009.225。雙高斯物鏡是以厚透鏡矯正匹茲萬(wàn)場(chǎng)曲的光學(xué)結(jié)構(gòu)，半部系統(tǒng)是由一個(gè)彎月形的透鏡和一個(gè)薄透鏡組成，如圖1-1.1所示。 圖1-1.1 圖1-1.2 圖1-1.3雙高斯照相物鏡是目前多數(shù)大孔徑物鏡的基礎(chǔ)，它的演變型式很多，它的復(fù)雜化目的是為了改善成像質(zhì)量，如圖1-1.2所示，或者是為了增大相對(duì)孔徑，如圖1-1.3所示，相對(duì)孔徑可達(dá)1/0.95。由于雙高斯物鏡是一個(gè)對(duì)稱的系統(tǒng)，因此垂軸像差很容易校正。設(shè)計(jì)這種類型的系統(tǒng)時(shí)

4、，只需要考慮球差、色差、場(chǎng)曲、像散的校正劉鈞，高明.光學(xué)設(shè)計(jì)M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.167。二、 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一照相物鏡,其相關(guān)技術(shù)要求為1238:焦距;相對(duì)孔徑;視場(chǎng)角。系統(tǒng)畸變2% ;空間頻率為40lp/mm時(shí),傳遞函數(shù)MTF 0.4。三、 外形尺寸計(jì)算由于照相物鏡結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且它們的結(jié)構(gòu)主要是由高級(jí)相差決定的，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)，通過(guò)相差計(jì)算逐步進(jìn)行修改，達(dá)到滿足要求的光學(xué)特性和成像質(zhì)量2176。在選擇初始結(jié)構(gòu)時(shí), 不必一定找到和要求相近

5、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。 四、 結(jié)構(gòu)選型及參數(shù)計(jì)算 1. 結(jié)構(gòu)選型；。根據(jù)所要求的技術(shù)條件，選用雙高斯物鏡結(jié)構(gòu)較為合適耿瑞辰,黃軍霞.光學(xué)塑料折射非球面在雙高斯照相物鏡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J.制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32（11）：145-148.。利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODE V尋找到一個(gè)合適的初始結(jié)構(gòu)張以謨.應(yīng)用光學(xué)（第3版）M.北京:電子工業(yè)出版社，2008.695-698.，來(lái)自美國(guó)專利2117252的初始結(jié)構(gòu)CODE V軟件鏡頭庫(kù)，US PATENT 2,117,252 EX 1 H. W. LEE.6ZEMAX中文使用手冊(cè)

6、2010年2月版. 光研科學(xué)有限公司.。其相對(duì)孔徑和視場(chǎng)角都滿足要求，如圖4-1.1所示。 圖4-1.12. 參數(shù)數(shù)據(jù)其默認(rèn)結(jié)構(gòu)參數(shù)為時(shí)的數(shù)據(jù)，見表4-2.1。表4-2.1 默認(rèn)結(jié)構(gòu)參數(shù)五、 ZEMAX初始數(shù)據(jù) 1. 初始結(jié)構(gòu)參數(shù)打開ZEMAX, 設(shè)置相對(duì)孔徑值，如圖5-1.1所示。圖5-1.1按照鏡頭專利數(shù)據(jù)如圖5-1.2所示，設(shè)置視場(chǎng)角及漸暈系數(shù)如圖5-1.3所示。 圖5-1.2 圖5-1.3將表4-2.1中初始參數(shù)輸入ZEMAX，如圖5-1.4所示。 圖5-1.4 2. 縮放焦距默認(rèn)結(jié)構(gòu)參數(shù)為時(shí)的數(shù)據(jù)，輸入焦距30mm進(jìn)行縮放，如圖5-2.1所示。 圖5-2.1縮放后得到我們所設(shè)計(jì)的焦距

7、的初始參數(shù)，如圖5-2.2所示。 圖5-2.23. 更換玻璃ZEMAX 允許玻璃擁有相應(yīng)的一種“替代”狀態(tài)，在尋找更好的設(shè)計(jì)方案的過(guò)程中自動(dòng)改變玻璃類型。設(shè)置當(dāng)前激活的玻璃庫(kù)，改為國(guó)產(chǎn)玻璃，如圖5-3.1所示。 圖5-3.1使用玻璃替代功能，如圖5-3.2所示。圖5-3.2在玻璃解對(duì)話框中自由設(shè)置每塊玻璃的狀態(tài)使之變成“替代（substitute）”，如圖5-3.3所示。 圖5-3.3到此，初始結(jié)構(gòu)及其參數(shù)已經(jīng)完成。六、 ZEMAX校正數(shù)據(jù)1. 設(shè)置約束對(duì)象選擇默認(rèn)優(yōu)化類型為波前差，約束玻璃及空氣的相關(guān)厚度,如圖6-1.1所示。圖6-1.1 在MTE里添加MTFT及MTFS約束各個(gè)視場(chǎng)40lp

8、/mm時(shí)大于0.4，并添加DIMX小于0.02,EFFL為30，如圖6-1.2所示。 圖6-1.22. 設(shè)置變量設(shè)置所有面曲率半徑及厚度為變量，如圖6-2.1所示。 圖6-2.13. 優(yōu)化使用Hammer優(yōu)化，如圖6-3.1所示。 圖6-3.14. 最終結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)得到合適的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，見表6-4.1。 表6-4.1 最終結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)七、 像質(zhì)評(píng)價(jià)1. 2D草圖 圖7-1.1 圖7-1.2 如圖7-1.1所示，為優(yōu)化前；如圖7-1.2所示，為優(yōu)化后。2. 場(chǎng)曲和畸變圖7-2.1 圖7-2.2如圖7-2.1所示，為優(yōu)化前；如圖7-2.2所示，為優(yōu)化后。圖中distortion即為畸變，由圖知優(yōu)化前后系統(tǒng)畸

9、變2% ，符合要求。 3. 快速傅立葉變換調(diào)制傳遞函數(shù)圖7-3.1 圖7-3.2如圖7-3.1所示，為優(yōu)化前；如圖7-3.2所示，為優(yōu)化后。MTF值優(yōu)化后，空間頻率為40lp/mm時(shí),傳遞函數(shù)MTF 0.4，符合要求。4. 標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖圖7-4.1 圖7-4.2如圖7-4.1所示，為優(yōu)化前；如圖7-4.2所示，為優(yōu)化后。優(yōu)化后點(diǎn)列圖更加聚集。5. 光線像差特性曲線 圖7-5.1 圖7-5.2如圖7-5.1所示，為優(yōu)化前；如圖7-5.2所示，為優(yōu)化后。6. 光路特性曲線如圖7-6.1所示，為優(yōu)化前；如圖7-6.2所示，為優(yōu)化后。由以上圖像分析可知，像質(zhì)在優(yōu)化后都有了明顯地提升，而且滿足設(shè)計(jì)要求。八

10、、 零件圖第一面透鏡零件圖如圖8-1.1所示。(透鏡零件尺寸上下各留1mm)圖8-1.1九、 學(xué)習(xí)體會(huì)花了大概將近一個(gè)星期的時(shí)間終于完成了這份設(shè)計(jì)報(bào)告，所投入的精力與時(shí)間遠(yuǎn)超預(yù)期。從頭止尾，跌跌撞撞，十分不容易。從最開始的選題開始，最開始選的是投影物鏡，但這類的范例實(shí)在太少了，作為新手考慮到之后的操作進(jìn)程，還是選了較為廣泛的照相物鏡，就當(dāng)是投影物鏡的反向設(shè)計(jì)。然后具體的設(shè)計(jì)要求，也刻意避開了用的較多的例子，找的相關(guān)書籍中的習(xí)題。鏡頭選型時(shí)，在光學(xué)儀器設(shè)計(jì)手冊(cè)中有一個(gè)十分合適的結(jié)構(gòu)，但在ZEMAX上設(shè)置運(yùn)行之后卻發(fā)現(xiàn)光線在透鏡中反復(fù)折回，完全沒法用，檢查設(shè)置后只好放棄。然后上網(wǎng)查資料，找鏡頭，開

11、始接觸CODE V軟件，使用CODE V的鏡頭專利庫(kù)找到了合適的結(jié)構(gòu)，而在將CODE V中數(shù)據(jù)輸入ZEMAX中后發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)完全不對(duì)，和之前一樣，但在C0DE V中運(yùn)行卻十分正常，我意識(shí)到必須弄清楚這個(gè)問(wèn)題，要不然我換多少結(jié)構(gòu)都沒意義，對(duì)比兩個(gè)軟件的設(shè)置以及查閱資料之后，發(fā)現(xiàn)需要設(shè)置漸暈，限制光束，按原始專利數(shù)據(jù)設(shè)置漸暈之后光路果然恢復(fù)正常，但是設(shè)計(jì)手冊(cè)中的初始數(shù)據(jù)好像沒提到漸暈數(shù)據(jù)，那個(gè)結(jié)構(gòu)也只好作罷。替換玻璃原本是應(yīng)該按初始玻璃來(lái)找參數(shù)相近的玻璃，但在CODE V專利中初始玻璃只有一串?dāng)?shù)據(jù)，如“610000.533000”，搞得我莫名其妙，以為是外國(guó)玻璃編號(hào)之類的東西查了半天，后來(lái)才突然

12、醒悟就是玻璃折射率與色散值，不過(guò)取的是小數(shù)點(diǎn)之后的值，略感無(wú)語(yǔ)。在初始結(jié)構(gòu)完成后開始優(yōu)化，當(dāng)真是無(wú)頭的蒼蠅，按原來(lái)上課教的方法進(jìn)行優(yōu)化卻是聊勝于無(wú)，試遍已知手段，卻發(fā)現(xiàn)甚至還不如初始結(jié)構(gòu)來(lái)的漂亮，畢竟初始結(jié)構(gòu)已經(jīng)是十分完美了，只不過(guò)縮放了焦距，略改了數(shù)據(jù)。毫無(wú)頭緒，只好求助于相關(guān)光學(xué)論壇，等了很久，運(yùn)氣不錯(cuò)有人指點(diǎn)了一下，然后才知道應(yīng)該有目的性的優(yōu)化，限制了MTF與畸變值，試了多次后終于有了點(diǎn)樣子，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。斷斷續(xù)續(xù)接近一個(gè)星期，其實(shí)大部分時(shí)間都是在解決問(wèn)題或者避開問(wèn)題，真正操作寫報(bào)告的時(shí)間并不多。在這個(gè)過(guò)程中，出現(xiàn)了很多問(wèn)題，大大小小的，深刻感受到了實(shí)際上“困難真比方法多”，有的問(wèn)題是可以避開的，投機(jī)取巧，比如換玻璃我直接用的ZEMAX的更換功能，我不確定在那種情況下是否合適，有點(diǎn)不踏實(shí)但是得到了結(jié)果；而有的是避不開的，比如優(yōu)化，方法沒用對(duì)圖像顯示的就是不合格，你沒法碰巧弄出來(lái)，