工程光学照相物镜镜头设计与像差分析

1、 工程光学课程设计题目：照相物镜镜头设计与像差分析照相物镜镜头设计与像差分析院（系）名称 信 息 工 程 学 院 专 业 班 级 光电信息科学与工程学 号 14010210xx 学 生 姓 名 t x y 指 导 教 师 2016 年 1 月 10 日目录目录1 照相物镜发展历程照相物镜发展历程.11.1 风情摄影物镜.11.2 匹兹堡人物物镜.11.3 对称型物镜.11.4 三片式物镜.11.5 双高斯物镜.21.6 摄远物镜.21.7 反摄远物镜.21.8 广角物镜.21.9 变焦距物镜.22 照相物镜光学性能照相物镜光学性能.32.1 相对孔径.32.2 视场角 2w.32.3 焦距f.

2、33 设计过程设计过程.53.1 初始结构的选择.53.2 输入参数和缩放.63.3 在 zemax 中进行优化.8总结总结.14致致 谢谢.15参考文献参考文献.16照相物镜镜头设计与像差分析照相物镜镜头设计与像差分析摘摘 要要随着信息化时代的到来，人们对照相的要求也越来越高，而照相物镜是照相机的眼睛，它的精度和分辨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达到较高的技术要求，在设计时就必须达到更高的精度和分辨率。完成本课题需要以下几个部分第一： 知晓物镜发展历程和物镜基本光学性能；第二： 选择所需器件参数，符合本次课题设计要求；第三： 应用 zemax 光学设计软件进行课题

3、设计；第四： 对各结构元件进行反复的优化设计，使之达到要求的技术指标并显示快速傅里叶显示图，赛德尔系数，视场、场曲失真图第五： 总结了设计过程的心得体会。关键词关键词：zemax；物镜；赛德尔系数；快速傅里叶1 1 照相物镜发展历程照相物镜发展历程物镜的发展经历了许多年，经过不断地更新与发展，实际用途越来越广，质量越累越好，物镜经历了以下发展：1.11.1 风情摄影物镜风情摄影物镜最早出现的照相物镜在 1812 年是单片的正月牙透镜，相对孔径小于 1:14，视场 50 度以内，可用于室外照明良好的条件下拍照。1821 年出现了胶合的透镜，代替了弯月牙型的单透镜，双胶合透镜因色差得到校正成像质量

4、有所提高，但制作成本比较高，正、负透镜分离的形式可以得到更好的成像质量，因为双分离情形下可以更好地校正色散。1.21.2 匹兹堡人物物镜匹兹堡人物物镜1840 年匹兹堡设计出了一个相对孔径为 1:3.4，视场为 25 度左右的物镜，即匹兹堡人像物镜，该物镜可用于室内摄影，是第一个依靠设计而制造出来的照相物镜。匹兹堡物镜是 1910 年以前的所有物镜中相对孔径最大的，它在近轴部分的成像优良，至今仍在用作电影放映物镜等须要大孔径小视场的场合，匹兹堡物镜的改进形式很多，是现在五大类物镜中的一类。1.31.3 对称型物镜对称型物镜最早出现的对称型物镜，相对孔径很小，如斯坦赫尔的潜望镜头，相对孔径为 1

5、:30，视场为 70 度，只能用做风景摄影。海普岗是这种类型的极限结构，是冯虚格在 1900 年设计出的，两个透镜的外表几乎是半球面，具有 140 度左右的视场，相对孔径很小 1:30，但它具有大的无畸变视场，至今仍用在航测仪器中。数器、输入/输出接口和其他多种功能期间集成在一块芯片上的微型计算机。1.41.4 三片式物镜三片式物镜1893 年，塔克洛尔用分离薄透镜作为对称型的一半，设计出了柯克三片式物镜，这是能校正所有像差的一种最简单的结构，在非对称情况下，其独立变数恰能校正七种像差。这种类型现在已具有相对孔径 1:4，视场 50 度的光学性能。如果视场减小时，相对孔径可达 1:2.8，现在

6、它依旧是一种比较流行的物镜。1902 年出现的天塞物镜可看做三式的后面一块正透镜改为二块玻璃胶合的结果，它在高级像差方面要比三片式要好。1.51.5 双高斯物镜双高斯物镜双高斯与达岗等对称物镜不同，它是用薄透镜加厚透镜的结构。由于具有小半径的厚透镜处在薄透镜后的会聚光中，近于不晕位置，因此它的像差和带像差都有所缩小，相对孔径比较大，它是现在 1:2 物镜的主要结构。1.61.6 摄远物镜摄远物镜用正负二透镜组所构成能使摄影物长度减短的都称为摄远物镜。1.71.7 反摄远物镜反摄远物镜由正负透镜组分离组成，负透镜位于正透镜之前，从而使主平面后移至物镜后方，达到像方顶焦距大于焦距的目的。1.81.

7、8 广角物镜广角物镜广角物镜是以海里的全天照相物镜出发的，其视场很大。1.91.9 变焦距物镜变焦距物镜物镜能在一定范围内迅速的改变焦距，从而在投影仪固定不动的情况下获得不同比例的影像，可以代替多个定焦距摄影物镜使用。（ 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单，像片质量最好的一种，被广泛使用在比较廉价的 135#和 120#相机中，例如国产的海鸥4、海鸥9、天鹅相机等。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 ）2 2 照相物镜光学性能照相物镜光学性能照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征，即相对孔径 d/f，视场角 2w，焦距

8、f。2.12.1 相对孔径相对孔径 相对孔径是个比值，镜头的有效的孔径与焦距比值，表示镜头的纳光束多少。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，相对孔径的作用是为了提高像面光照度e=1/4l(d/f)2照相物镜按其相对孔径的大小，大致可分为如下表 1 所示：表 1照相物镜的相对孔径弱光物镜相对孔径小于 1：9；普通物镜相对孔径为 1：91：3.5强光物镜相对孔径为 1：3.51：1.4超强光物镜相对孔径大于 1：1.42.22.2 视场角视场角 2w2w在光学仪器中，以光学镜头为顶点，以被测目标的物像，可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角叫

9、做视场角。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。视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。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。按视场角的大小，照相物镜又可分为如下表 2 所示：表 2 照相物镜视场角小视场物镜视场角在 30以下中视场物镜视场角在 3060之间广角物镜视场角在 6090之间超广角物镜视场角在 90以上2.32.3 焦距焦距 ff焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离。照相物镜的焦距决定所成像的大小当物体处于有限远时，像高为 y=(1- tan) f：

10、垂轴放大率，。llyy对一般的照相机来说，物距 l 都比较大，一般 1 米，f为几十毫米，因此像平l面靠近焦面，所以fl lf 当物体处于无限远时，像高为y=tan f照相物镜的焦距标准如下表 3 所示：表 3 照相物镜焦距标准物镜类型物镜焦距 f/mm鱼眼超广角广角7.5151720242825标准段望远望远超望远5085100135200300400500600800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。3 3

11、 设计过程设计过程3.13.1 初始结构的选择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。设计要求：1、焦距：f=12mm；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

12、距6mm；5、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；7、最大畸变1%。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 可用公式 y=-f*tanw 计算。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cmos 的有效成像面对角线半径,防止 cmos 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=33.32。在光学技术手

13、册查询后选定初始结构为后置光阑的三片物镜（如图 1 所示） ，后置光阑三片物镜原始结构图 1初始参数为：焦距分 f=42.12mm；相对孔径 2.8；视场角 2w=54。其余参数如下表 4 所示：表 4 其余参数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=-27.0063.23.2 输入参数和缩放输入参数和缩放将参数输入 zemax 中：其中第六面设为光阑面，厚度设为 marginal

14、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 4 中的镜片焦距（注意 obj 面不做任何操作） ；在镜片厚度（thickness）列顺序输入表 4 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 s

15、olve type选中 model，index nd 中输入 n 值 abbe vd 中输入 v 值，如下图 2 所示。在 system-general-aperture 中输入相对孔径值 2.8 如下图 3 所示，在 tools-make focus 中该改焦距为 12mm 进行缩放如下图 4 所示。在 system-wavelength 中输入所选波段，选 d 光为主波长如下图 5 所示。输入初始参数如下图 2 所示：图 2 输入相对孔径值设置相对孔径值和波段如下图 3 所示：图 3：输入相对孔径值改焦距为 12mm 进行缩放如下图 4 所示：图 4：缩放后图输入所选波段如下图 5 所示：

16、图 5 输入所选波长 缩放后得到我们所设计的焦距 f=12mm 的初始参数（如下图 6 所示） 。图 6：初始参数现在开始定义视场，我们根据之前所得像高 y=3.6mm,依次乘以0，0.3，0.5，0.7071 得到所选孔径光束的 y-field，即 0，1.08，1.8，2.5452 输入到 system-field 中，类型选择真值高度。到这里，初始结构及其参数已经完成。3.33.3 在在 zemaxzemax 中进行优化中进行优化利用 zemax 得到初始结构的 mtf 曲线（如下图 7 所示）可看出成像质量很差, 因此需要校正像差。mtf 曲线图如下图 7 所示：图 7：mtf 曲线图

17、该结构可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行优化，选择 editors-merit function，在第一行中先输入 effl，目标值设为 12，权重设为 1。在输入spha，在 target 中输入 0.4，在 weight 中输入 1。第二个 blnk 改为 mtft并 enter，在 freq 中输入 100，在 target 中输入 0.04，在 weight 中输入 1。同理输入 mtfa 和 mtfs（如下图 8 所示） 。再选择 tools-default meri

18、t function，设置玻璃厚度以及空气间隔、start 设为 2（如下图 9 所示） ，再选择ok，建立缺省评价函数。 （effl：effective focal length 的缩写，指定波长号的有效焦距。spha：指球差，如果 surf=0，则指整个系统的球差总和。mtf：指子午调制传递函数。 ）缺省评价函数如下图 8 所示： 图 8：缺省评价函数设置玻璃厚度以及空气间隔如下图 9 所示： 图 9：玻璃及空气厚度然后在 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

19、先优化如图 10 所示。 图 10发现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，并将此行的 4th term、6th term、8th term 设为变量。将 1、6 面曲率半径设为变量，选择快捷选项 opt，然后进行优化，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行优化。如下图 11 所示。优化后图 图 11到这一步后发现已经基本符合设计要求，再根据 2d 图适当调整曲率半径和厚度，每次调整后再次优化实时关注 mtf 图的曲线变化，最后使各个参数都在可接受范围之内。赛德尔系数如下图 14 所

20、示：图 143d 草图显示如下图 15 所示：图 15：3d 草图在分析（analysis）的杂项中得出视场场区图，然后再在分析中找到点列图得到如下图所示的点列图如下图 16 所示：图 16：点列图优化后视场、场曲失真图如下图 17 所示图 17：视场、场曲失真图总结总结在这次工程光学课程设计中，我选择的题目是照相物镜镜头设计与像差分析，刚看到这个题目时我以为很简单，感觉有些熟悉，但是等到做的时候才发现并不是这么回事的，真的到自己做的时候才发现还是很有难度的。在这次课程设计中，之所以能够从当初的茫然无措中走出来最重要的就是平时的光学知识的学习和积累， 。在接到这个题目之后，我查阅了很多关于照相物镜的资料，去了图书馆，又在网上搜到很多的相关资料，通过对这些资料的研究和分析。不但对我的课程设计有很大的帮住，而且对自己的照相物镜的学习也提高了不少，学到了许多平时课本上比较模糊的知识点，知识变得更加清晰，也更加明了。本文采用 1 片非球面塑料, 3 片球面玻璃透镜, 在 zemax 中使用合适的优化函数和权重对像差进行校正, 逐步消除了基本像差、高级像差, 并进行了像差平衡, 获得了实际焦距 11.953mm 照相镜头, 各个市场畸变控制在 1%以内,m