三片摄影物镜地设计

1、深圳大学课程论文题目 成绩专业课程名称、代码年级姓名学号时间任课教师三片摄影物镜的设计一、设计任务的具体指标及其要求系统的焦距f=100mm D/f=1/5，视场角2W=4b该物镜对d光校正单色像 差，对F、C光校正色差。二、实验原理光学设计必须校正光学系统的像差，但既不可能也不必要把像差校正到完全 理想的程度，因此需要选择像差的最佳校正，也需要确定校正到怎样的程度才能 满足使用要求，即确定像差容限。对光学系统成像性能的要求主要有两个方面： 第一方面是光学特性，包括焦距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距离等；第二 方面是成像质量，光学系统所成的像应该足够清晰，并且物像相似，变形要小。像差指在光学

2、系统中由透镜材料的特性或折射（或反射）表面的几何形状引 起实际像与理想像的偏差。理想像就是由理想光学系统所成的像。 实际的光学系 统，只有在近轴区域以很小的孔径角的光束所生成的像才是完善的。但在实际应用中，须有一定大小的成像空间和光束孔径， 同时还由于成像光束多是有不同颜 色的光组成的，同一介质的折射率随颜色而异。因此实际光学系统的成像具有一 系列缺陷，这就是像差。像差的大小反映了光学系统质量的优劣。 几何像差主要 有七种：其中单色光像差有五种，即球差、彗差、像散、场曲和畸变；复色光像 差有轴向色差和垂轴色差两种。在实际的光学系统中，各种像差是同时存在的。 它影响了光学系统成像的清晰度、相似性

3、和色彩逼真等，降低了成像质量。1、球差轴上物点发出的光束，经光学系统以后，与光轴夹不同角度的光线交光轴于 不同位置，因此，在像面上形成一个圆形弥散斑，这就是球差。在孔径角很小的近轴区域可以得到物点成像的理想位置I任意孔径角U的成像光线偏离理想像点与光轴相交的位置为 L。我们把轴上物点以某一孔径 角U成像时，其像方截距L与理想像点的位置I 之差称为轴上点球差，又称以最大孔径角Um成像，其球差称之为边光球差，如果以孔径角0.707U成像，则 相应的球差称之为0.707带球差。大部分光学系统只能对某一孔径高度校正球差， 一般是对边光校正球差，这样的系统称之为消球差系统。2、彗差由位于主轴外的某一轴外

4、物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束， 经该光 学系统折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点， 而是结成拖着明亮尾巴的慧 星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。 彗差是轴外像差的一种，它破坏 了轴外视场成像的清晰度。彗差值随视场的增大而增大，故对于大视场的光学系 统必须予以校正。由于慧差是垂轴像差，且彗差大小与光束宽度、物体大小、光阑位置、光组 内部结构（透镜的折射率、曲率、孔径等）有关。改变透镜的形状或组合，可较 好地消除彗差。如能对该透镜消除球差，则彗差亦得到改善。另外当系统结构完 全对称，孔径光阑置于系统的中央，且物像放大率为-1时，整个光束结构关于 系统的中心点对称，如图2-2所示

5、，系统前半部产生的慧差与后半部产生的慧差 绝对值相同、符号相反，慧差完全自动消除。3、像散由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束， 经 该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学 系统的成像误差称为像散。像散是一种轴外像差，使得轴外成像的像质大大地下降。 与彗差不同，像散 的大小只与视场角有关，与孔径是没有关系的。即使光圈开得很小，在子午和弧 矢方向仍然无法同时获得非常清晰的像。 在广角镜头中，由于视场角比较大，像 散现象就比较明显。我们在拍摄的时候应该尽量使被摄体处于画面的中心。对于像散的校正，有以下方法：可以控制视场，小为宜；改变球面曲率

6、；适当透镜材 料；合理设置光阑的位置。4、场曲垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像， 若不在一垂直于主轴 的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上， 即最佳像面为一曲面，则此光 学系统的成像误差称为场曲。对于场曲的校正，可以采用弯月型厚透镜，或者采 用正负透镜分离的方法。5、畸变被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的 成像误差称为畸变。畸变是指物所成的像在形状上的变形。 畸变并不会影响像的 清晰度，而只影响像与物的相似性。这是畸变与球差、慧差、像散、场曲之间的 根本区别。由于畸变的存在，物方的一条直线在像方就变成了一条曲线， 造成像 的失真。造成畸变的根

7、本原因是镜头像场中央区的横向放大率与边缘区的横向放 大率不一致。畸变与镜头的光圈F数大小无关，只与镜头的视场有关。畸变与其 他像差不同，它仅由主光线的光路决定，弓I起像的变形，并不影响成像清晰度。 6色差多数情况下，物体都以复色光成像，白光包含了各种不同波长的单色光， 光 学材料对不同波长的谱线有不同的折射率。当白光经过光学系统时，系统对不同 波长有不同的焦距，各谱线将形成各自的像点，导致一个物点对应有许许多多不 同波长的像点位置和放大率，这种成像的色差异我们统称为色差。色差是描述两 种波长成像点的差异，它仅出现于有透射元件的光学系统中。 按照理想像平面上 像差的线大小与物高的关系，可分为两种

8、：描述两种波长像点位置差异的称为纵 向色差（又称轴向色差或位置色差），通常对轴上点计算；描述两种波长像点高 度或放大率差异的称横向色差（又称垂轴色差或倍率色差），通常对轴外点计算。（a）位置色差（又称纵向色差）：与物高无关的像差，即不同波长的光线经由光 学系统后会聚在不同的焦点。位置色差的形成：同一透镜对不同波长的色光成像 的焦距不同，物距一定，焦距不同像距就不同，因此一个物点形成很多像点。位 置色差就是轴上的物点以复色光束成像时产生的像差。位置色差的校正：为了消色差，应使两透镜的光焦度符合相反，即正负透镜胶合； 两透镜的材料不能相同。（b）横向色差（又称倍率色差）：与物高一次方成正比的像差。

9、它使不同波长光 线的像高不同，在理想像平面上物点的像成为一条小光谱。 倍率色差的原因：对 轴外点来说，两种色光的横向放大不一定相同， 不同色光的距不同时，其横向放 大率也不相等，因而像也不相等。三、三片摄影物镜的初始结构参数的设定1、入瞳直径的设定点击“ Gen按钮打开“ General ”窗口，在“ General ”系统通用数据对话 框中设置孔径和玻璃库。在孔径类型（Aperture Type：）中选择“Entrance Pupil Diameter ”，并根据设计要求在“Aperture Value :”输入“20”；如图3.1所示。图3.1入瞳直径的设定2、视场角的设定点击“ Fie

10、”按钮打开“ Field Data ”窗口，设置视场分别为0、1420，如图3.2所示。图3.2视场角的设定3、工作波长的设定点击“ Wav按钮，或同时按下快捷键“ Ctrl+W”打开“ Wavelength Data ” 窗口，设置“ Select -F,d,CVisible ”，自动输入三个特征波长。如图 3.3所 示。WAy 亡匕1或1 (rrii: iot -tiers):4B；1377nWAy 亡匕1或1 (rii: ior -tiers)L p厂厂厂厂厂厂厂厂厂pfiinDincsiDorni rmiirnr 预 nrm5&)00(0015托19/1WaicJeingtJiimic

11、orTijWaeri mtcmrrWTi幼卜|用|?旦anrridpr12图3.3工作波长的设定4、系统初始结构参数的设定打开Zemax软件，在数据编辑器(Lens Data Editor )中输入三片摄影物镜 的初始结构参数，如图3.4所示。三片摄影物镜的系统初始结构图如3.5所示Cllenjb。妣EditorSurf : TypeCo wen tRadiusTh. 1 clcnessGL&ssSen i-Dia Ba-terOBJInt mit yInfinityInfinity1前550V3.3337冷11艸2StanLdard977 14075 oeaV11 335T0St4ndrdI

12、nf inxty1 300S 4044St-indard詢细V1 243F78 2S75Stanidlaxd22.750V14.030VB.63BC5? 9337ana1? C427SUndrd-fe3 7D9780.320XIB 87INAStandardInf imt y3& UE图3.4三片摄影物镜的系统初始结构(911: Layout二| 口凶3.5三片摄影物镜的系统初始结构图四、三片摄影物镜的优化1、确定自变量把除了虚设的光阑平面（第三个面）以外的所有6个面的曲率半径都作为自变量加入校，薄透镜的厚度不作为自变量，把两个空气间隔作为自变量，如第二 个面以及第五个面所对应的厚度。2、评价

13、函数的设定评价函数有六个初级像差和一个实际的像差构成，即选择SHPACOMAASTI、 FCURAXCL LACL DIST，同时将焦距的要求加入到评价函数中。 在这里“SPHA 代表初级波球差，“COM”代表初级波慧差，“ASTI”代表初级波的像散，“FCUR 代表初级波场曲，“DIST”代表实际波的最大视场相对的畸变，“AXCL相当于初 级位置色差，“LACL相当于初级倍率色差。图4.1是三片摄影物镜未优化的初 值的设定。图4.2是最终优化后的评价函数的值。如V宇*1巧&l伽L OUti CWAE OtlO网L CW1札町1n owk 4KE EI-TT1 0Q(& MCID DOTiL

14、0Q&? LUI1g. EFH.1Lt)U ODD1 ou:* gf 1 Kilin IW图4.1评价函数的初始设定图4.2最终优化后的评价函数3、最终优化后的结构参数和结构图图4.3是最终优化后的三片摄影物镜的结构参数图，图4.4是最终优化后的结构图。E|lErfitorgdvw view QrtpSiiTf : TypeCoiu cutRadimsSs臨Iel ini LjtIn f: ini ty1Stand33 0983.?332Standard-967y9 140VStandardEnt mil?1 HDD4Stondard-45 31371小F7SStoiidard39 332V1

15、0 132辛&StAndfiird229 545V-lieS41Standard-M.977u.mMStaLnd.ardIEif mil ty-图4.3最终优化后的三片摄影物镜的结构参数图4.4最终优化后的三片摄影物镜的结构图4、三片摄影物镜的球差和位置色差曲线箱?: I. dTHj|l4jiltowil Aliei-Mitlan f OlMI 氐氏甲1 hl-Urt=,TE 近:LliTT-Cljl 1 用而币n叶rue r*ii匕闔席i EMsaaa 匚 a . a a- KIiFXCLRR-rXEr- L DF L图 4.5(a)图 4.5 (b)图4.5(a)三片摄影物镜的初始的球差和

16、位置色差曲线图4.5(b)三片摄影物镜的最终优化出的球差和位置色差曲线5、三片摄影物镜的像散、场曲和畸变曲线IjUirPEkJ L-UTT/Lteil Uria 3朋齐I陀Idl II丄山加缈 fIhnriEjr*H rie_j xz cp urL lebeiLH dSJCf )3 = EE* LC-C 11L j- fl i J- 1图 4.6( a)图 4.6( b)图4.6( a)三片摄影物镜的初始的像散、场曲和畸变曲线图4.6 (b)三片摄影物镜的最终优化出的像散、场曲和畸变曲线6、倍率色差曲线1:1 -i Kfnll DliM-Z - 11 JOJpdctE Seft-ngf Efl

17、 er 苗 醴加 圧立 cnnUH I L LQLiLfcFJE FW Hl*3- wTH 3 -左L 4 F： LhApi er-t 取HL KPT5 IJSE&-呵KQUH* riELUP 卫卵创 ASRTETAliaviue j-rii j- -ujV8HORF UFN-*ElEnCTH： C. 14-1 sLX WJlLlhCTH Iij -1 icid% uriiiFr：-： a. -re图 4.7( b)图 4.7( a)图4.7(a)三片摄影物镜的初始的倍率色差曲线图4.7 (b)三片摄影物镜的最终优化出的倍率色差曲线图4.8 (a)三片摄影物镜的初始的横向像差曲线图4.7 (b)三片摄影物镜的最终优化出的横向像差曲线8、三片摄影物镜系统的公差见附件二五