照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)

1、照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析設(shè)計(jì)實(shí)例照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)流程照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)光學(xué)設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)方法1、計(jì)算法2、計(jì)算結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法3、經(jīng)驗(yàn)法4、查資料法(孔徑、視場、波長、焦距，整體縮放)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)查資料法:確定初始結(jié)構(gòu)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)查資料法 Focus Length （有效焦距）B.F.L-Back Focus Length （后工作距）FNo.-F Number （相對孔徑）F.A.-Field Angle (視場角)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡設(shè)計(jì)實(shí)例照相物鏡的技術(shù)指標(biāo)要求：焦距

2、：；焦距：；相對孔徑D/f不小于；圖像傳感器為英寸的CCD，成像面大小為；后工作距5mm在可見光波段設(shè)計(jì)(取d、F、C三種色光，d為主波長)；1m成像質(zhì)量，MTF 軸上40% 100 lp/mm 軸外0.707 35%100 lp/mm最大畸變5mm反遠(yuǎn)距比：在可見光波段設(shè)計(jì)(取d、F、C三種色光，d為主波長)；5m成像質(zhì)量，MTF 軸上40%100 lp/mm 軸外0.707 35%100 lp/mm最大畸變1%5.76mm4.32mm照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì) Focus Length （有效焦距）B.F.L-Back Focus Length （后工作距）FNo.-F Num

3、ber （相對孔徑）F.A.-Field Angle (視場角)Step 2:確定初始結(jié)構(gòu)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)Step 3:輸入初始結(jié)構(gòu)(上一頁的上面一組數(shù)據(jù)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)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, 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,照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)而是根據(jù)要求從手冊、資料或?qū)＠墨I(xiàn)中找出一個和設(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, 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, 我們就可以將此初始

4、結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體縮放得到要求的焦距值照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)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范圍, 鏡頭所成的半像高y 可用公式y(tǒng)= - ftanw計(jì)算, 其中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CMO S 的有效成像面對角線半徑, 防止CMO S 裝調(diào)偏離光軸而形成暗角。照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)經(jīng)過簡單計(jì)算：y=sqrt(4.292+5.762)/23.6mm,w=atan(y/f)16.66視場角2w=33.32。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

5、圖1），初始參數(shù)為：焦距f=42.12mm;相對孔徑1：；視場角2w=54，其余參數(shù)見表1-2。 照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì) 表1-2(查光學(xué)設(shè)計(jì)手冊 得到的照相物鏡初始結(jié)構(gòu)）半徑（r）厚度（d） 折射率（n）阿貝數(shù)r1=13.44 d1=4.41 n=1.67779 v=55.2 r2=30.996 d2=4.41 r4=13.44 d4=2.39 照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)可以設(shè)計(jì)如下其它結(jié)構(gòu)(后置光闌三片物鏡原始結(jié)構(gòu) )照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)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(biāo)到STO

6、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(biāo)為第2面。再按INSERT鍵兩次。移動光標(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中的鏡片每個面 的 曲率半徑（注意OBJ面不做任何操作）；照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)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（Glass）列輸入鏡片參數(shù)，方法是:在表中點(diǎn)右鍵對話框Solve Type選中Mo

7、del，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中輸入相對孔徑值，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中改焦距為12mm進(jìn)行縮放。照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)Step 4:輸入孔徑類型/波長照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)Step 5:同比縮放照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)輸入焦距12mm進(jìn)行縮放：照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)或照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)現(xiàn)在

8、開始定義視場，我們根據(jù)之前所得像高y=3.6mm,依次乘以0，得到所選孔徑光束的Y-field，即0，輸入到system-field中，類型選擇真值高度。照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)及其參數(shù)已經(jīng)完成 照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)及其參數(shù)已經(jīng)完成 照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)Step 6:視場設(shè)置照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)Step 7:優(yōu)化照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)評價(jià)函數(shù)操作數(shù)1、像差 SPHA(球差)、COMA(彗差)、ASTI(像散)、FCUR(

9、場曲)、 DIST(畸變)等2、調(diào)制傳遞函數(shù) MTFT(子午面?zhèn)鬟f函數(shù))、MTFS(弧矢面MTF)、MTFA等3、基本光學(xué)特性 EFFL(焦距)、PMAG(近軸放大率)、AMAG(角放大率)、 EXPP(出瞳距)、ISFN(像方F數(shù))等4、邊界約束條件 CTGT(中心厚度大于)、CTLT(中心厚度小于)、ETGT、 ETLT（邊緣厚度小于）、CVGT（曲率大于）、CVLT5、基本計(jì)算 Abso(絕對值)、ASIN、COSI等照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)邊界約束條件： 兩種方法： CTGT(中心厚度大于)、CTLT(中心厚度小于)、ETGT、ETL

10、T、CVGT、 CVLT等 缺省優(yōu)化函數(shù)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)（3）優(yōu)化照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)利用ZEMAX得到初始結(jié)構(gòu)的M TF 曲線（如圖）可看出成像質(zhì)量很差, 因此需要校正像差。照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)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。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12，權(quán)重設(shè)為1。再輸入SPHA，在Target中輸入，在Weight中輸入1。第二個BLNK改為MTFT

11、并Enter，在Freq中輸入100，在Target中輸入照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)，在Weight中輸入1。同理輸入MTFA和MTFS（如圖所示）。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，再選擇OK，建立缺省評價(jià)函數(shù)。注：EFFL：Effective focal length的縮寫，指定波長號的有效焦距。 SPHA：指球差，如果Surf=0，則指整個系統(tǒng)的球差總和。 MTFT：指子午調(diào)制傳遞函數(shù) 照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)然后

12、在Analysis-Aberration 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)化。照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)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，照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)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 照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分

13、析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)到這一步后發(fā)現(xiàn)已經(jīng)基本符合設(shè)計(jì)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(shí)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)。 照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果 照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)結(jié)論與思考配套一款英寸的CCD傳感器進(jìn)行照相物鏡中的遠(yuǎn)距物鏡的設(shè)計(jì)。采用1片非球面塑料, 3片球面玻璃透鏡, 在ZEM

14、AX 中使用合適的優(yōu)化函數(shù)和權(quán)重對像差進(jìn)行校正, 逐步消除了基本像差、高級像差, 并進(jìn)行了像差平衡, 獲得了實(shí)際焦距照相鏡頭, 各個視場畸變控制在1%以內(nèi),MTF 曲線也比較理想, 鏡頭總長為14.3602 mm。照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)該鏡頭不僅體積小, 結(jié)構(gòu)緊湊, 而且像質(zhì)較好。在此次設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)光闌面使用非球面能夠很好的平衡像差，只進(jìn)行了對玻璃厚度和曲率的簡單優(yōu)化，查閱相關(guān)資料后設(shè)想如果將第一面的透鏡換為鼓形透鏡，第二面換為彎月透鏡或換成折射率更高的玻璃，還可以進(jìn)一步做出深度優(yōu)化，使之獲得更好的性能 。 照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)Step 8:像質(zhì)評價(jià)照相物鏡鏡

15、頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)Step 9:給出報(bào)告電子文件（zemax初始數(shù)據(jù)文件,整個原理優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)過程ppt形式),(班級姓名)題目.ZMX, ,(班級姓名)題目. ppt 打包，（交紙質(zhì)報(bào)告之前完成）紙質(zhì)報(bào)告（A4紙撰寫，4000字以上）：各班班長或?qū)W習(xí)委員收齊每位同學(xué)報(bào)告后，下午3點(diǎn)到5點(diǎn)30之間，交到南五樓-510。照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像素分析設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)評價(jià)函數(shù)操作數(shù)1、像差SPHA( 球差)、COMA( 彗差)、ASTI( 像散)、 FCUR( 場曲)、 DIST( 畸變)等2、調(diào)制傳遞函數(shù)MTFT( 子午面?zhèn)鬟f函數(shù))、MTFS( 弧矢面MTF) 、MTFA 等 3、基本光