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1、燕山大学光学设计课程设计说明书设计题目：照相物镜镜头设计与像差分析 学 院： 电气工程学院 年级专业： 自动化仪表系2班 学 号： 100103020074 学生姓名： 王斌 指导教师： 王志斌 教师职称： 副教授 燕山大学课程设计任务书基层教学单位： 自动化仪表系 指导教师：王志斌学号100103020074学生姓名王斌（专业）班级仪表2班设计题目照相物镜镜头设计与像差分析设计技术参数焦距：f=20mm；视场角2w=35相对孔径D/f不小于1/2.8；后工作距6mm在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；最大畸变1米，f为几十毫米，因此像平面靠近焦面，所以）当物体处于无限远时，
2、像高为 y= （1-2）因此半视场角 =atan （1-3）表1-1中列出了照相物镜的焦距标准： 表1-1 照相物镜的焦距标准 物镜类型物镜焦距f/mm鱼眼物镜7.5 15超广角物镜17 20广角物镜24 28 35标准物镜50短望远物镜85 100望远物镜135 200 300超望远物镜400 500 600 800 1200 (2) 相对孔径照相物镜的相对孔径决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说的截止频N （1-4）式中：D/f相对孔径； U孔径角； 波长；照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其本身的分辨率不高，相对孔径的作用
3、是为了提高像面光照度E=1/4L(D/f)2 (1-5)照相物镜的视场角决定其在接受器上成清晰像的空间范围。按视场角的大小，照相物镜又分为 a）小视场物镜：视场角在30以下；b）中视场物镜：视场角在3060之间；c）广角物镜：视场角在6090之间；d）超广角物镜：视场角在90以上。照相物镜按其相对孔径的大小，大致分为a）弱光物镜：相对孔径小于1：9；b）普通物镜：相对孔径为1：91：3.5；c）强光物镜：相对孔径为1：3.51：1.4；d）超强光物镜：相对孔径大于1：1.4；照相物镜没有专门的视场光阑，视场大小被接受器本身的有效接受面积所限制，即以接收器本身的边框作为视场光阑。照相物镜上述三个
4、光学性能参数是相互关联，相互制约的。这三个参数决定了物镜的光学性能。企图同时提高这三个参数的指标则是困难的，甚至是不可能的。只能根据不同的使用要求，在侧重提高一个参数的同时，相应地降低其余两个参数的指标。早期的照相物镜是单片的正弯月形透镜，其前置一孔径光阑，之后演变为双胶合弯月透镜以及正负分离透镜，这些简单的物镜相对孔径很小只能在室外照明条件良好时拍摄，又称为风景物镜。 最早出现的对称型物镜，属于简单的风景物镜对称于光阑的组合，相对孔径仍然很小，如Hypogon物镜。之后又出现Protar物镜，Dagor物镜等一系列逐渐演变出来的物镜，之后出现的三片物镜是很多复杂透镜的基础，它由三片分离的薄透
5、镜组成，在视场角为55时，相对孔径可以达到1：3.51;2.8,在视场角适当降低时，相对孔径可提高到1：2.4以上。其他还有双高斯物镜、远距物镜、反远距物镜等等复杂物镜。本次涉及所使用的三片物镜是具有中等光学特性的照相物镜中结构最简单，像质最好的一种，被广泛使用在比较廉价的135#和120#相机中。这种照相物镜进一步复杂化的目的，大多是为了增大相对孔径，或提高视场边缘成像质量。第二章 设计过程2.1初始结构的选择照相物镜属于大视场大孔径系统, 因此需要校正的像差也大大增加, 结构也比较复杂, 所以照相物镜设计的初始结构一般都不采用初级像差求解的方法来确定, 而是根据要求从手册、资料或专利文献中
6、找出一个和设计要求比较接近的系统作为原始系统。在选择初始结构时, 不必一定找到和要求相近的焦距, 一般在相对孔径和视场角达到要求时, 我们就可以将此初始结构进行整体缩放得到要求的焦距值。原设计要求：1、焦距：f=20mm；2、相对孔径D/f不小于1/2.8；3、图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm5.76mm；4、后工作距6mm5、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；6、成像质量，MTF 轴上40% 100 lp/mm，轴外0.707 35%100 lp/mm。照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器的空间范围, 镜头所成的半像高y 可用公
7、式y = - f tanw计算, 其中f 为有效焦距, 2w 为视场角。半像高y 应稍大于图像传感器CCD 或CMO S 的有效成像面对角线半径, 防止CMO S 装调偏离光轴而形成暗角。经过简单计算：y=sqrt(4.292+5.762)/23.6mm,w=atan(y/f)16.66视场角2w=35。在光学技术手册查询后选定初始结构为后置光阑的三片物镜（如图1），初始参数为：焦距分f=42.12mm;相对孔径1：2.8；视场角2w=54，其余参数见表1-2。图1：后置光阑三片物镜原始结构 表1-2 后置光阑的三片物镜初始参数 r1=13.44d1=4.41n=1.67779v=55.2r2
8、=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数和缩放将参数输入zemax：其中第六面设为光阑面，厚度设为marginal ray height，移动光标到STO光阑面（中间一个面）的“无穷（Infinity）”之上，按INSERT键。这将会在那一行插入一个新的面，并将STO光阑面往下移。新的面被标为第2面。再按按INSERT键两次。移动光标到IMA像平面，按INSERT键两次。在LDE曲率半径（Radius）列，顺序输入表1-2中
9、的镜片焦距（注意OBJ面不做任何操作）；在镜片厚度（Thickness）列顺序输入表1-2中的镜片厚度；在第七个面厚度处单击右键，选择面型为Marginal Ray Height。在镜片类型（Class）列输入镜片参数，方法是:在表中点右键对话框Solve Type选中Model，Index nd中输入n值Abbe Vd中输入v值。结果如下图2-1在system-general-aperture中输入相对孔径值2.8，在system-wavelength中输入所选波段，根据要求选d光为主波长。然后在tools-make focus中该改焦距为20mm进行缩放。结果如图（2）数据输入过程如下：（
10、1）镜头的基本参数（2）设置孔径角，包含边光、0.707带光、光轴（3）设置波长，包含F光、C光、D光（4）缩放之后镜头结构如下图2：缩放焦距的结果平面图 2.3统的像差如下：（1）F、C、D光的弧矢像差和子午像差如下（2）光学传递函数图（3）光程差光程差定义为两束光到达某点的光程之差值。表明干涉条纹性质的量。指由不同点发出的相干光在到达叠合点(承光板)时,两光线行程距离的差数。 （4）场曲（5） 点列图 2.4优化后得到的结果（1）F、C、D光的弧矢像差和子午像差如下（2）光学传递函数图（3）光程差（4）场曲（5） 点列图 第四章 结论分析(1) rayfan表示是光学系统的综合误差。它的横
11、坐标是光学系统的入瞳标量，因此总是从1到1之间。显然0的位置对应就是光轴在入瞳中心的焦点。纵坐标则是针对主光线（发光点直穿光阑中心点的那条光线）在像面上的位置的相对数值。由于我们在计算光路的时候，通常仅仅考虑两类光线，子午面和弧矢面。这样对于不同的面，就有两种不同rayfan显示。由于有子午和弧矢两个面，因此对于每个视场的ray fan都有两个。一个子午T（对应于PY和EY），和一个弧矢S（对应于PX和EX）(2) MTF, 通过对它的分析，可以了解镜头的主要光学特性，对镜头成像质量有全面综合了解。一般的MTF图提供两组不同空间频率的场幅曲线，分别代表反差和分辨率：低频选在MTF频幅曲线水平部
12、分，反映镜头的反差特性；高频选在MTF频幅曲线下降比较陡峭的部分，反映镜头的分辨率特性 MTF曲线越高越好，越高说明镜头光学质量越好。综合反差和分辨率来看，MTF曲线以下包含面积越大越好。 MTF曲线越平直越好，越平直越说明边缘与中间一致性好。边缘严重下降说明边角反差与分辨率较低。 (3) OPD即optical path difference(光程差)，也就是波像差图。横轴PY、PX是光学系统的入瞳标量，因此总是从-1到+1之间。纵坐标EY、EX即表示波像差。 在光学设计计算中很有意义，因为光程差表示成像的波前位相误差。对零光程的任意偏离都会在光学系统中形成衍射图像时产生误差。因为出瞳是光栏
13、在像空间的像，出瞳表示像空间光束有清晰边界的位置。出瞳处的照度，其振幅和位相通常是平滑变化的，零振幅和非零振幅区域有明显的界限。在出瞳处观察，可以合理地假定波前没有明显的衍射影响。如果光学系统中的所有面的通光孔径比受光栏限制入射到每一面上的光束尺寸大，这一假定基本上是事实。甚至如果出瞳是虚拟的（这是常有的），出瞳仍然定义了像空间光束无衍射影响的唯一位置。当波前从出瞳传播到像平面时，光束外形在振幅和位相上变得很复杂，由于衍射的影响，波前扩展到整个空间。 对一条给定的光线进行OPD 计算时，光线通过光学系统追迹，自始至终到达像平面，然后反向追迹到位于出瞳处的参考球面。这个面后得到的OPD 是有物理
14、意义的位相误差。由光线向后追迹到出瞳而得的附加路程，从参考球面的半径中减去，得到OPD 的微小调整，称之为”校正项”。这种计算对于所有实际应用是正确和需要的。但是，ZEMAX 也允许选择两种其他参考方法，即无限远处面和绝对参考面。 (4)场曲又称“像场弯曲”。当透镜存在场曲时，整个光束的交点不与理想像点重合，虽然在每个特定点都能得到清晰的像点，但整个像平面则是一个曲面。这样在镜检时不能同时看清整个像面，给观察和照相造成困难。因此研究用显微镜的物镜一般都是平场物镜，这种物镜已经矫正了场曲。 (5)点列图，由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在
15、一定范围的弥散图形，称为点列图。点图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。换句话说，它就是通过计算，把一系列物方的点通过光学系统以后，成像在IMA面上的情况给实际绘制出来。如何通过spotdiagram看光学设计的质量，简单说，这个弥散斑越小越好。弥散斑足够小，满足你对光学系统最小弥散斑的要求（spotdiagram的单位是微米）那么，光学系统就完全可以进行实际的加工了。 由仿真图像可以看出优化前的结构象差较大，成像质量不够理想，所以需要对系统进行优化。在进行优化的过程中，一般系统的每一个结构参数都可以作为优化变量进行优化。优化时采用自动优化，这种优化方式会改变系统的结构，由优化后的图像可以
16、看出，其象差比优化前的较小。由优化前后的传递函数曲线以及点例图可以看出，其成像质量总体不够理想，故本次双高斯物镜的设计需进一步提高。心得体会一周的光学课程设计结束了，不但是使我对教材上的知识有了进一步的理解，而且还学会了使用ZEMAX 常用的光学设计软件，同时，也锻炼了自己接受新知识和动手操作的能力，因此我对此次光学课程设计感触和收获颇深！在课程设计刚开始的阶段，我有点无从下手，然后自己认真翻阅了教材和以前上课时的相关资料，又到图书馆借阅一些相关书籍，自己在宿舍的时候也浏览一些相关网站查阅有关信息，渐渐的我对光学这门课程有了更新的了解，对本次课程设计的总体思路有了大致的认识，也有了一些自己的设
17、计思路。也对要使用的软件有大致的了解，由于安装的ZEMAX 是全英文的，一些子菜单的意思都不是很明白，只有对着电脑慢慢的探索和练习，然后再对自己想要设计的题目慢慢的细细研究。经过分析设计的要求，按给定的参数计算初始结构参数。然后再ZXMAX软件上进行仿真和优化，直到得到理想的结果。由于人为设计的可能不是最佳的，ZEMAX系统软件提供了一个自动优化功能，我们可在人为设计完成后进行自动优化，在把优化后的和未优化之前的进行比较，我们可以看到，经过优化后的图像更加优美和科学性。 在本次设计中，我不只是对光学上的一些知识有了更深刻的了解，还学会了一种设计思路和接受新事物的思想，更加锻炼了我的动手操作的能
18、力以及和别人团结协作的能力，这样的探索精神和能力无疑是我们学习和发展的重点和优点，者也将对我以后的生活，学习和工作有很大的帮助，所以，这次课程设计给我留下了宝贵的经历和精神财富。 最后，感谢燕山大学王志斌副教授的耐心指导。参考文献4、 刘钧，高明编著，光学设计，2006，西安电子科技大学出版社，西安5、 光学仪器设计手册，1971，国防科技出版社，北京6、 光学设计软件ZEMAX电气工程学院课程设计评审意见表指导教师评语： 认真 正确完善 完善 较为合理 合理工作态度 较认真 理论分析 一般 软件设计 一般 一般 不认真 较差 较差平时成绩： 指导教师签字： 年 月 日图面及其它成绩：答辩小组评语： 清晰 正确 基本掌握 优化设计 基本正确原理 了解 不正确 不清楚答辩成绩： 组长签字： 年 月 日课程设计综合成绩：答辩小组成员签字： 年 月 日
