照相物鏡設計

漢口學院《應用光學》課程設計報告報告題目：照相物鏡設計學生姓名：學號：專業(yè)班級：授課老師：十二月目錄一、 選題背景 3二、 設計要求 4三、 外形尺寸計算 4四、 結(jié)構(gòu)選型及參數(shù)計算 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. 設置約束對象 102. 設置變量 113. 優(yōu)化 114. 最終結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 11七、 像質(zhì)評價 121. 2D草圖 122. 場曲和畸變 123. 快速傅立葉變換調(diào)制傳遞函數(shù) 134. 標準點列圖 135. 光線像差特性曲線 146. 光路特性曲線 14八、 零件圖 15九、 學習體會 16十、 參考文獻 18選題背景照相機廣泛應用于社會生活的各個領城，已成為科研、國防、生產(chǎn)、教育以及文化生活各領域中的重要手段。它給人類的文明生活帶來了許多方便，隨著科學技術的發(fā)展，人們物質(zhì)文化生活水平的提高，社會上的照相機也發(fā)展的越來越快，越來越普及了。照相機是由鏡頭，光圈，快門，取景器，測距器，卷片，機身（暗箱）等重要部件構(gòu)成的。其中鏡頭的作用是通過光線把景物集結(jié)成影像并投射到感光片上，使感光片接受清楚的影像，它的好壞直接決定了照相機的性能。照相物鏡的光學特性一般用焦距、相對孔徑、視場角表達。此外還提出分辨率的規(guī)定，作為保證產(chǎn)品質(zhì)量的技術條件。照相物鏡的結(jié)構(gòu)型式很多，并且不斷有新的型式出現(xiàn)。選用照相物鏡的原則應當是:既能滿足光學性能和成像質(zhì)量的規(guī)定，而結(jié)構(gòu)又最簡樸。雙高斯物鏡是具有較大視場(大約=40o左右)的物鏡中相對孔徑最先達成1/2的物鏡[[]黃一帆，李林.光學設計教程[M].北京:北京理工大學出版社，2023.]225。雙高斯物鏡是以厚透鏡矯正匹茲萬場曲的光學結(jié)構(gòu)，半部系統(tǒng)是由一個彎月形的透鏡和一個薄透鏡組成，如圖1-1.[]黃一帆，李林.光學設計教程[M].北京:北京理工大學出版社，2023.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，它的演變型式很多，它的復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孔徑，如圖1-1.3所示，相對孔徑可達1/0.95。由于雙高斯物鏡是一個對稱的系統(tǒng)，因此垂軸像差很容易校正。設計這種類型的系統(tǒng)時，只需要考慮球差、色差、場曲、像散的校正[[]劉鈞，高明.光學設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2023.]167。[]劉鈞，高明.光學設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2023.設計規(guī)定設計一照相物鏡,其相關技術規(guī)定為[1]238:焦距;相對孔徑;視場角。系統(tǒng)畸變<2%;空間頻率為40lp/mm時,傳遞函數(shù)MTF≥0.4。外形尺寸計算由于照相物鏡結(jié)構(gòu)比較復雜，并且它們的結(jié)構(gòu)重要是由高級相差決定的，所以照相物鏡設計的初始結(jié)構(gòu)一般都不采用初級像差求解的方法來擬定,而是根據(jù)規(guī)定從手冊、資料或?qū)＠墨I中找出一個和設計規(guī)定比較接近的系統(tǒng)作為原始系統(tǒng)，通過相差計算逐步進行修改，達成滿足規(guī)定的光學特性和成像質(zhì)量[2]176。在選擇初始結(jié)構(gòu)時,不必一定找到和規(guī)定相近的焦距,一般在相對孔徑和視場角達成規(guī)定期,我們就可以將此初始結(jié)構(gòu)進行整體縮放得到規(guī)定的焦距值。結(jié)構(gòu)選型及參數(shù)計算結(jié)構(gòu)選型；；。根據(jù)所規(guī)定的技術條件，選用雙高斯物鏡結(jié)構(gòu)較為合適[[]耿瑞辰,黃軍霞.光學塑料折射非球面在雙高斯照相物鏡設計中的應用[J].制造業(yè)自動化，2023，32（11）：145-148.[]耿瑞辰,黃軍霞.光學塑料折射非球面在雙高斯照相物鏡設計中的應用[J].制造業(yè)自動化，2023，32（11）：145-148.運用光學設計軟件CODEV尋找到一個合適的初始結(jié)構(gòu)[[]張以謨.應用光學（第3版）[M].北京:電子工業(yè)出版社，2023.695-698.]，來自美國專利2117252的初始結(jié)構(gòu)[[[]張以謨.應用光學（第3版）[M].北京:電子工業(yè)出版社，2023.695-698.[]CODEV軟件鏡頭庫，USPATENT2,117,252EX1H.W.LEE.[6]ZEMAX中文使用手冊2023年2月版.光研科學有限公司.圖4-1.1參數(shù)數(shù)據(jù)其默認結(jié)構(gòu)參數(shù)為時的數(shù)據(jù)，見表4-2.1。表4-2.1默認結(jié)構(gòu)參數(shù)ZEMAX初始數(shù)據(jù)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)打開ZEMAX,設立相對孔徑值，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，設立視場角及漸暈系數(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縮放焦距默認結(jié)構(gòu)參數(shù)為時的數(shù)據(jù)，輸入焦距30mm進行縮放，如圖5-2.1所示。圖5-2.1縮放后得到我們所設計的焦距的初始參數(shù)，如圖5-2.2所示。圖5-2.2更換玻璃ZEMAX允許玻璃擁有相應的一種“替代”狀態(tài)，在尋找更好的設計方案的過程中自動改變玻璃類型。設立當前激活的玻璃庫，改為國產(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在玻璃解對話框中自由設立每塊玻璃的狀態(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)完畢。ZEMAX校正數(shù)據(jù)設立約束對象選擇默認優(yōu)化類型為波前差，約束玻璃及空氣的相關厚度,如圖6-1.1所示。圖6-1.1在MTE里添加MTFT及MTFS約束各個視場40lp/mm時大于0.4，并添加DIMX小于0.02,EFFL為30，如圖6-1.2所示。圖6-1.2設立變量設立所有面曲率半徑及厚度為變量，如圖6-2.1所示。圖6-2.1優(yōu)化使用Hammer優(yōu)化，如圖6-3.1所示。圖6-3.1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)像質(zhì)評價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。場曲和畸變 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)畸變<2%，符合規(guī)定?？焖俑盗⑷~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,傳遞函數(shù)MTF≥0.4，符合規(guī)定。標準點列圖圖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)化后點列圖更加聚集。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。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高，并且滿足設計規(guī)定。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學習體會花了大約將近一個星期的時間終于完畢了這份設計報告，所投入的精力與時間遠超預期。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，但這類的范例實在太少了，作為新手考慮到之后的操作進程，還是選了較為廣泛的照相物鏡，就當是投影物鏡的反向設計。然后具體的設計規(guī)定，也刻意避開了用的較多的例子，找的相關書籍中的習題。鏡頭選型時，在《光學儀器設計手冊》中有一個十分合適的結(jié)構(gòu)，但在ZEMAX上設立運營之后卻發(fā)現(xiàn)光線在透鏡中反復折回，完全沒法用，檢查設立后只好放棄。然后上網(wǎng)查資料，找鏡頭，開始接觸CODEV軟件，使用CODEV的鏡頭專利庫找到了合適的結(jié)構(gòu)，而在將CODEV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，和之前同樣，但在C0DEV中運營卻十分正常，我意識到必須弄清楚這個問題，要不然我換多少結(jié)構(gòu)都沒意義，對比兩個軟件的設立以及查閱資料之后，發(fā)現(xiàn)需要設立漸暈，限制光束，按原始專利數(shù)據(jù)設立漸暈之后光路果然恢復正常，但是設計手冊中的初始數(shù)據(jù)仿佛沒提到漸暈數(shù)據(jù)，那個結(jié)構(gòu)也只好作罷。替換玻璃原本是應當按初始玻璃來找參數(shù)相近的玻璃，但在CODEV專利中初始玻璃只有一串數(shù)據(jù)，如“610000.533000”，搞得我莫名其妙，認為是外國玻璃編號之類的東西查了半天，后來才忽然醒悟就是玻璃折射率與色散值，但是取的是小數(shù)點之后的值，略感無語。在初始結(jié)構(gòu)完畢后開始優(yōu)化，當真是無頭的蒼蠅，按本來上課教的方法進行優(yōu)化卻是聊勝于無，試遍已知手段，卻發(fā)現(xiàn)甚至還不如初始結(jié)構(gòu)來的美麗，畢竟初始結(jié)構(gòu)已經(jīng)是十分完美了，只但是縮放了焦距，略改了數(shù)據(jù)。毫無頭緒，只好求助于相關光學論壇，等了很久，運氣不錯有人指點了一下，然后才知道應當有目的性的優(yōu)化，限制了MTF與畸變值，試了多次后終于有了點樣子，達成設計規(guī)定。斷斷續(xù)續(xù)接近一個星期，其實大部分時間都是在解決問題或者避開問題，真正操作寫報告的時間并不多。在這個過程中，出現(xiàn)了很多問題，大大小小的，深刻感受到了事實上“困難真比方法多”，有的問題是可以避開的，投機取巧，比如換玻璃我直接用的ZEMAX的更換功能，我不擬定在那種情況下是