王星國 激光一班 1409090418 工程光學課程設計任務書

武漢工程大學本科課程設計課程設計說明書課程設計名稱：工程光學課程設計課程設計題目：三片式數(shù)碼物鏡的優(yōu)化設計學院名稱：理學院專業(yè)班級：激光一班學生學號：1409090418學生姓名：王星國學生成績：指導教師：課程設計時間：2016/06/27至2016/07/03武漢工程大學本科課程設計1課程設計任務書一、課程設計的任務和基本要求查閱相關資料，光學設計的基本概念、光學玻璃的相關知識和軟件的使用。學習各種像差的基本概念、描述及評價方法，掌握近軸光線追跡公式。本課題要求設計出一個三片式數(shù)碼照相物鏡，要求的光學特性為：，,；像質主要以調制傳遞函數(shù)MTF衡量，具體要求是對于低頻（17lp/mm），視場中心的MTF≥0.9，視場邊緣的MTF≥0.80；對于高頻（51lp/mm），視場中心的MTF≥0.3，視場邊緣的MTF≥0.20，另外，最大相對畸變dist≤4%。該物鏡對d光校正單色像差，對F、C光為校正色差。學習使用ZEMAX進行數(shù)據(jù)錄入和報表輸出，分析各種初級像差并設置優(yōu)化函數(shù)；設計三片式數(shù)碼照相物鏡并優(yōu)化，對像差做簡單的分析之后，撰寫課程設計論文。課題設計（論文）難度適中，工作努力，遵守紀律，工作作風嚴謹務實，按期圓滿完成規(guī)定的任務。綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結論嚴謹合理；文字通順，技術用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整潔、正確；論文（設計）結果有一定的參考價值。二、進度安排6月27日：了解光學設計的基本概念、光學玻璃的相關知識和軟件的使用。以單透鏡的設計為例學習數(shù)據(jù)的錄入，基本概念和設計思想在軟件中的實現(xiàn)，初步掌握ZEMAX的分析工具和數(shù)據(jù)含義及輸出。6月28日至6月29日：學習各種像差的基本概念、描述及評價方法，掌握近軸光線追跡公式。6月30日：學習查找文獻資料，選擇合適的數(shù)碼物鏡初始結構，用縮放法進行縮放，緩慢調整有關參數(shù)并優(yōu)化，并最終得到比較好的設計參數(shù)。學習光學玻璃材料知識，通過選擇合適的玻璃，校正像差。7月1日：整理思路，撰寫課程設計論文，論文中要體現(xiàn)像差概念和評價、體現(xiàn)zemax評價函數(shù)的構造及優(yōu)化過程像差的變化；檢查格式，符合課程設計論文格式要求。7月2日至7月3日：課程設計答辯并上交論文；本科生課程設計成績評定表姓名王星國專業(yè)班級激光一班學號1409090418課程設計題目：三片式數(shù)碼物鏡的優(yōu)化設計課程設計答辯記錄：（手寫）成績評定依據(jù)：項目得分比例考勤記錄設計結果報告撰寫答辯成績備注：成績評定依據(jù)的項目內容和項目分值比例可以由老師按指導的專業(yè)進行調整，但成績評定依據(jù)的項目數(shù)不得少于3項。最終評定成績：指導教師簽名：年月日Ⅰ目錄Ⅰ透鏡數(shù)據(jù)編輯器以及定義系統(tǒng)參數(shù) 21.2在工具選項中選擇雜項中的生成焦距選項，并輸入6 21.3輸入視角參數(shù) 21.4在ZEMAX中插入面并輸入數(shù)據(jù) 2Ⅱ優(yōu)化方案 4Ⅲ優(yōu)化步驟 43.1優(yōu)化radius 43.1.2數(shù)據(jù) 53.2第一步優(yōu)化 63.3第二步優(yōu)化 73.4優(yōu)化第三步 93.5第四步優(yōu)化: 103.5.1修改glass。 10Ⅳ總結和結論 14Ⅴ、參考資料或參考文獻 15

一透鏡數(shù)據(jù)編輯器以及定義系統(tǒng)參數(shù)1.1類型和數(shù)值大小。在ZEMAX的工具欄中選擇‘Gen’按鈕。在里面輸入系統(tǒng)孔徑類型和數(shù)值大小。并且設定單位為毫米。1.2在工具選項中選擇雜項中的生成焦距選項，并輸入6.3該三片式數(shù)碼物鏡的視場角是50°，所以設置三組視場角，（0.0），（0.17.56），（0.25）如圖一所示圖一1.4在ZEMAX中插入面并輸入數(shù)據(jù)（1）在完成系統(tǒng)參數(shù)設置后，即可在LDE中設定各面的參數(shù)。LED中的每一行，對應一個單獨的面。也正是如此，兩個有玻璃隔開的面就組成一個單透鏡。添加結束后就可以輸入透鏡數(shù)據(jù)。在表格中我們要輸入玻璃的類型，玻璃的厚度(這個厚度指沿著光軸方向上從當前面道下一面的距離)。再優(yōu)化時我們要將厚度作為變量。按照缺省設置，LDE只有3個面。如果要加入新的面，可以用鍵盤上的insert鍵，或者從LDE的菜單欄選擇EDIT>INSERTSURFACE。這兩種操作方式的結果，都是在當前光標的前一行加一個新的面。（2）再添加結束以后，在表格里面輸入玻璃材料的數(shù)值輸入數(shù)據(jù)如下SurfTypeCommentRadiusThicknessGlassDiameterConicOBJSTANDARD無限遠無限遠001STANDARD無限遠1.4999413.94214902STANDARD2.6076780.2693895SK42.2951303STANDARD-30.561960.70857232.3127910STOSTANDARD無限遠01.18111205STANDARD-2.4330250.1685934F71.21155506STANDARD2.5007020.52917931.28349707STANDARD9.8860530.2693895SK42.387708STANDARD-2.0817995.1833552.2695410IMASTANDARD無限遠5.7192530二優(yōu)化方案在光學設計時，要滿足給定的約束條件，有兩種方法：(1).將對約束條件有影響的參數(shù)設為變量，并且在評價函數(shù)編輯器中，添加邊界約束條件(2).采用特殊的solve，以強化約束條件，同時消除不必要的變量。在這兩種方法，后一種效果會跟好，雖然兩種方法都可以通過調整透鏡參數(shù)來維持特定的邊界條件的目的，但是額外添加條件，會減慢評價函數(shù)的運行速度。（3）在優(yōu)化結束后，我們要對優(yōu)化方案進行評估，使用最基本的四種分析功能：Layout,SpotDiagram,opdfan,rayfan;三優(yōu)化步驟3.1優(yōu)化radius3.1.1優(yōu)化前：如圖二，圖二3.1.2數(shù)據(jù)SurfTypeCommentRadiusThicknessGlassDiameterConicOBJSTANDARD無限遠無限遠001STANDARD無限遠1.4999413.40618702STANDARD2.6076780.2693895SK42.14614903STANDARD-30.561960.70857232.1304480STOSTANDARD無限遠01.18111205STANDARD-2.4330250.1685934F71.21155506STANDARD2.5007020.52917931.26293507STANDARD9.8860530.2693895SK41.99446408STANDARD-2.0817995.1833551.9741970IMASTANDARD無限遠4.4117010在圖二中可以看出該光學系統(tǒng)還是有很大的缺陷.子午面光線扇可以觀察出來y反向上有不足。其中不僅有球差，彗差，畸變，和象散，還有其他像差。在最大視場處，幾何和RMS半徑大約分別是5.501和1606993.2第一步優(yōu)化：3.2.1打開編輯里的優(yōu)化函數(shù)選擇。選擇其中的EFFL函數(shù)。再優(yōu)化過程中，要使該參數(shù)可以自由變化，用右鍵選定單元格，然后再鍵盤上擊Ctrl+z，即設置該參量為自由變量。最后點擊opt選項，對該參量進行優(yōu)化3.2.2優(yōu)化后:，圖三圖四由圖可以看出優(yōu)化后的各種像差已經(jīng)得到優(yōu)化.。3.3第二步優(yōu)化：3.3.1將鏡面厚度進行調整，從而使RMS像差最小。分別調整為0.37，0.27，0.37.調整后對改組數(shù)據(jù)進行優(yōu)化3.3.2優(yōu)化后，圖五圖六從圖五，圖六中我們可以看出優(yōu)化后的后的已自動發(fā)生變化。優(yōu)化后各性能曲線已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化3.4優(yōu)化第三步3.4.1完成變量設置以后，可以構造DefaultMeritFunction。評價函數(shù)是在同一個LDE完全不同的單獨的編輯器內構造。在ZEMAXZ中打開MFE，可以從主菜單上選擇EDITORS>MERITFUNCTION.圖七圖八3.5第四步優(yōu)化:3.5.1將glass選項中的可變參量更改為substitute.并進行優(yōu)化。注意每更改一次都要進行一次優(yōu)化，并且要按照2號到7號到四號的順序數(shù)據(jù)Surfaces:9Stop:4系統(tǒng)光圈:圖像空間F/#=4GlassCatalogs:SCHOTTRayAiming:Off變跡:均衡,統(tǒng)一的,因子=0.00000E+000有效的焦點長度:6.000916(系統(tǒng)溫度和壓力在空氣中)有效的焦點長度:6.000916(在像空間)BackFocalLength:5.057117統(tǒng)計軌跡:8.80481圖像空間F/#:4離軸工作面F/#:4工作面F/#:4.018374ImageSpaceNA:0.1240347物空間NA:7.501145e-011光闌半徑:0.5977756離軸像高:2.798273近軸放大率:0入瞳直徑:1.500229入瞳區(qū)域:2.648582入瞳直徑:1.565312入瞳直徑區(qū)域:-6.26125FieldType:Angleindegrees最大視場:25主光波長:0.5875618鏡頭單位:毫米角度放大率:0.9584214SurfTypeCommentRadiusThicknessGlassDiameterConicOBJSTANDARD無限遠無限遠001STANDARD無限遠1.4999413.97033702STANDARD3.4812060.37N-LASF442.37648703STANDARD68.05560.70857232.2339610STOSTANDARD無限遠01.20619305STANDARD-3.1732090.27TIF61.22631506STANDARD3.2301560.52917931.36247107STANDARD23.518710.37N-LASF442.19559508STANDARD