基于ZEMA的照相物镜的设计.docx

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1、光学课程设计燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：基于 ZEMAX 的照相物镜设计学院系： 电气工程学院年级专业： 10 级仪表三班学 号：学生姓名： 指导教师：教师职称： 副教授燕山大学课程设计论文任务书院系：电气工程学院基层教学单位：自动化仪表系学 号设计题目设计技术参数设计要求工作量工作打算参考资料学生姓名专业班级 10 级仪表三班1、焦距：f1=5mm；2、相对孔径：1/2.8；3、在可见光波段设计(取 d、F、C 三种色光4、视场角 2w=741、简述照相物镜的设计原理和类型；2、确定照相物镜的根本性能要求，并确定恰当的初始构造；3、输入镜头组数据，设置评价函数操作数，进展优化设计

2、和像差结果分析；4、给出像质评价报告，撰写课程设计论文查阅光学设计理论和像差分析的相关文献和资料，提出并较好地的实施方案设计简洁透镜组，并用 zemax 软件对初级像差进展分析和校正，从而对镜头进展优化设计第一天、其次天：生疏ZEMAX 软件的应用，查阅资料，确定设计题目进展初级理论设计第三天、第四天：完善理论设计，运用 ZEMAX 软件进展设计优化，撰写报告第五天：完善过程，进展辩论光学设计，西安电子科技大学出版社，刘钧，超群，2023，10几何光学像差光学设计，浙江大学出版社，李晓彤，岑兆丰，2023.11有用光学技术手册，机械工业出版社，王之江，2023.1指导教师签字基层教学单位主任签

3、字名目摘要1第一章 简述照相物镜的设计原理和类型2其次章 设计过程42.1 依据参数要求确定恰当的初始构造42.2 优化设计过程52.3第四章优化结果像差结果分析8课设总结13参考文献摘要人们早就有长期保存各种影像的愿望。在摄影技术尚未制造前的公元四世纪时，人们按投影来描画人物轮廓像的方法到达了全盛时代，至今这种方法照旧作为剪纸艺术流传着。后来，人们让光线通过小孔形成倒立像，进而将小孔改为镜片，并加装一只暗箱。只要在暗箱底板上放一张纸，不仅可以画出轮廓，还可以画出像上的各个局部。这就形成了照相机的机构雏形。 随着科学技术的进展， 照相机的进展日益快速，有着显著的飞跃。照相物镜是照相机的眼睛，它

4、的精度和区分率直接影响到照相机的精度与成像质量。要保证所设计的照相物镜到达较高的技术要求，在设计时就必需到达更高的精度与区分率。本文所争论的照相物镜，它主要承受后置光阑三片物镜构造，其中第六面承受非球面塑料，其余面承受标准球面玻璃，应用 ZEMAX 软件设计了一组焦距 f ”= 15mm 的照相物镜,相对孔径 D/ f=2. 8,镜头总长为 15.1366mm，整个系统球差0.000192，慧差 0.000432，像散 0.002716。完全满足设计要求。关键字：照相物镜ZEMAX设计1第一章 简述照相物镜的设计原理和类型照相物镜的根本光学性能主要由三个参数表征。即焦距 f、相对孔径 D/f和

5、视场角 2w。照相物镜的焦距打算所成像的大小当物体处于有限远时，像高为y=(1- b) f ” tanw(1-1)式中， b 为垂轴放大率， b = y” = l” 。对一般的照相机来说，物距l 都比较yl大，一般l 1 米，f为几十毫米，因此像平面靠近焦面， l” f ” ，所以b = f ”l当物体处于无限远时， b 像高为y= f ” tanw1-2因此半视场角w =atan y”1-3f ”表 1-1 中列出了照相物镜的焦距标准：表 1-1物镜7.517245085135400焦距 f152028 35 100200 300500600/mm800相对孔径打算其受衍射限制的最高区分率和

6、像面光照度，在此的区分率亦即通常所说的截止频 NN = D f =u1-4物镜鱼超广标短望远超望远类型眼广角角准望远ll2照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高区分率，多数照相物镜因其本身的区分率不高，相对孔径的作用是为了提高像面光照度E=1/4L(D/f)2(1-5)照相物镜的视场角打算其在承受器上成清楚像的空间范围。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一般物镜：相对

7、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；照相物镜没有特地的视场光阑，视场大小被承受器本身的有效承受面积所限制，即以接收器本身的边框作为视场光阑。照相物镜上述三个光学性能参数是相互关联，相互制约的。这三个参数打算了物镜的光学性能。企图同时提高这三个参数的指标则是困难的，甚至是不行能的。只能依据不同的使用要求，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，之后演化为双胶合弯月透镜以及正负分别透镜，这些简洁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

8、景物镜。 最早消灭的对称型物镜，属于简洁的风景物镜对称于光阑的组合，相对孔径照旧很小，如 Hypogon 物镜。之后又消灭 Protar 物镜，Dagor 物镜等一系列渐渐演化出来的物镜，之后消灭的三片物镜是很多简洁透镜的根底，它由三片分别的薄透镜组成，在视场角为 55时，相对孔径可以到达 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、反远距物镜等等简洁物镜。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构造最简洁， 像质最好的一种，被广泛使用在比较廉价的 135#和 120#相机中，例如国产的海3鸥4、海鸥9、天鹅相机等。

9、这种照相物镜进一步简洁化的目的，大多是为了增大相对孔径，或提高视场边缘成像质量。其次章设计过程2.1 依据参数要求确定恰当的初始构造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 , 构造也比较简洁, 所以照相物镜设计的初始构造一般都不承受初级像差求解的方法来确定, 而是依据要求从手册、资料或专利文献中找出一个和设计要求比较接近的系统作为原始系统。在选择初始构造时, 不必确定找到和要求相近的焦距, 一般在相对孔径和视场角到达要求时 , 我们就可以将此初始构造进展整体缩放得到要求的焦距值。设计要求：1、焦距：f=15mm；2、相对孔径：1/2.8；3、在可见光波段设计(取 d、F

10、、C 三种色光4、视场角 2w=74在光学技术手册查询后选定初始构造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。r1=13.44d1=4.41n=1.67779v=55.2r2=30.996d2=4.41r3=-40.614d3=1.01n=1.59341v=35.5r4=13.44d4=2.39r5=32.508d5=3.36n=1.69669v=55.4r6=-27.006表 1-24光学课程设计2.2 优化设计过程将参数输入 zemax：其中第六面设为光阑面，厚度设为 marginal ray he

11、ight，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的面，并将 STO 光阑面往下移。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，挨次输入表1-2 中的镜片焦距留意OBJ 面不做任何操作；在镜片厚度Thickness列挨次输入表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，I

12、ndex nd 中输入 n 值 Abbe Vd 中输入 v 值。结果如以以以下图 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，然后在tools-make focus 中该改焦距为 15mm 进展缩放。图 1：后置光阑三片物镜原始构造输入初始参数：5光学课程设计设置相对孔径值和波段：输入焦距 15mm 进展缩放：6光学课程设计定义视场：此时得到初始构造及参数如以以以下图：7光学课程设计2.3 优化设计过程利用 ZEMAX 得到初始构造的 M TF 曲线可看出成像质量很差, 因此需要校正像差。该构造可

13、以用作优化变量的的数据有：6 个曲率半径，2 个空气间隔，3 个玻璃厚度。首先使用 Default Merit Function 建立缺省评价函数进展优化，选择 Editors-Merit Function，在第一行中先输入 EFFL，目标值设为 15，权重设为 1。再输入SPHA 和 MTFA，在Target 中输入 0.4，在Weight 中输入 1。再选择Tools-Default Merit Function，选择 OK，建立缺省评价函数。注：EFFL：Effective focal length 的缩写，指定波长号的有效焦距。SPHA：指球差，假设 Surf=0，则指整个系统的球差总

14、和。MTFA：弧矢和子午的调制传递函数的平均值8光学课程设计然后在 Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients 中查看， 找出对赛得和数影响大的面，将这些面的曲率半径设为变量，优先优化。觉察第一面和光阑面影响较大，优先优化。先将 STO 面的类型改为 Even Asphere，将 1、6 面曲率半径设为变量，选择快捷选项Opt，然后进展优化，优化后取消变量，将剩余面的曲率半径设为变量，再次优化，完毕后取消变量。再将透镜间隔和玻璃厚度先后进展优化。依据其中像差的变化不断的对数据进展常识性优化，再依据 2D 图适当调整曲率半径和厚度，每

15、次调整后再次优化实时关注 MTF 图的曲线变化，最终使各个参数都在可承受范围之内，完成设计。9光学课程设计优化结果与分析10光学课程设计像差特性曲线：点列图：FFT 调制传递函数：1光学课程设计场曲与匹兹伐曲线：塞德和系数照相物镜同时具有大相对孔径与和大视场，因此，为了使整个像面都得到清楚的并于物平面相像的像，差不多需要校正全部其中像差。但是，并不要求这些像差都校正得与目视光学系统一样完善。这是由于照相物镜的接收器无论是感光底片还是摄像管，他们的区分率都不高。由于接收器的这种特性，打算了照相物镜是大像差系统。本设计的优化结果中，由 2D LAYOUT 图可知，主要光线聚焦完善，但视场为1 的远

16、场光线聚焦不是完善，这并不影响照相物镜的照相要求，相片的外围的略微模糊不影响相片的质量。由 RAY LAN 图可知，子午球差已经很小，也只有远视场略微大些。由Field CurvDist 图可知，三种波的子午场曲和弧矢场曲间的距离小，高级求差得到良好优化。由 Spot Diagram 点列图可知，前五个视场的力气集中在中心区域。由FFT MFT 图可知，大局部光线与坐标轴所围的面积已经12光学课程设计得到很好的优化。由塞德和系数图表分析后，影响像差的系数变小，最终整个系统球差 0.000192，慧差 0.000432，像散 0.002716，根本满足设计要求。第三章 课设总结一周的课设，根本完

17、成了课设任务，设计优化了后置光阑三片物镜构造的照相物镜，对光学设计的学问有了进一步的学习与了解，学会了 ZEMAX 软件优化设计的根本操作与像差分析。首先，查阅资料确定设计题目，分析题目，独立学习 ZEMAX 软件的应用步骤， 然后，进展照相物镜的设计，进展各种像差的优化，通过向教师请教、与同学的争论之间的争论解决了遇到的难题。使对学问的了解更加深刻。总之，经过这一周的课设，学会了更好的查阅、分析、争论资料的力气，意识到和同学争论问题的重要性，相互促进能学会更多的学问。13参考资料1、光学设计，西安电子科技大学出版社，刘钧，超群，2023，102、几何光学像差光学设计，浙江大学出版社，李晓彤，岑兆丰，2023.113、有用光学技术手册，机械工业出版社，王之江，2023.114燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：成绩：指导教师：2023 年 7 月 11 日辩论小组评语：成绩：评阅人：2023 年 7月 11 日课程设计总成绩：辩论小组成员签字：2023 年 7 月 11 日15