工程光学照相物镜镜头设计与像差分析

1、HUANGHE S&T COLLEGE1程光学课程设计题目照相物镜镜头设计与像差分析名称 信息工程学院级光电信息科学与工程号 14010210XX2016年1月10日11目录81照相物镜发展历程1.1风情摄影物镜1.2匹兹堡人物物镜1.3对称型物镜1.4二片式物镜1.5双高斯物镜1.6摄远物镜1.7反摄远物镜1.8广角物镜1.9变焦距物镜 2照相物镜光学性能2.1相对孔径2.2视场角2w2.3焦距F' 3设计过程3.1初始结构的选择3.2输入参数和缩放10.173.3在ZEMAX中进行优化总结18参考文献19照相物镜镜头设计与像差分析随着信息化时代的到来，人们对照相的要求也越来

2、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：ZEMAX ;物镜；赛德尔系数；快速傅里叶1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，

3、质 量越累越好，物镜经历了以下发展:1.1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。1.2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

4、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。1.3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1:30，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。1.4二片式物镜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

5、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。1.5双咼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。1.6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

6、.7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。1.8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。1.9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，例如国产的海鸥一4、海鸥一9、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照相物镜光学性能照相物镜的基本

7、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f '2.1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' =1/4 冗LTD/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普通物镜相对孔径小于1 : 9 ； 相对孔径为1 : 91 : 3.5强光物镜超强光物镜相对孔径为1 : 3.51 : 1.42.2视场角2w在光学仪器中，以光学镜头

8、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30 60 °之间广角物镜视场角在60 90 °之间超广角物镜视场角在90。以上2.3焦距f'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。

9、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-) f'tan:垂轴放大率,相对孔径大于1: 1.4对一般的照相机来说，物距I都比较大，一般|>1米，f为几十毫米，因此像平面靠近焦面,I'f'，所以当物体处于无限远时，像高为y' = f'tan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7.5-15超广角17-20广角24-28-25标准50段望远85-100望远135-200-300超望远400-500-600-800照相物镜上述三个光学性能参数是相互关联， 相互制约的

10、。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设计过程3.1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 =12m

11、m ；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4.29mm X5.76mm ;4、后工作距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 Ip/mm ，轴外 0.707 >35%100Ip/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

12、角。经过简单计算:y' =sqrt(4.292+5.762)/2"3.6mm ,w=atan(y ' /f) 16.66 ° ,视场角 2w=33.32 °。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所示）,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=55.2d2=4.41r2=30.996r3=-40.614d3=1.01n=1.59341v=35.5d4=2.39r4=13.44r5=32.

13、508d5=3.36n=1.69669v=55.4r6=-27.0063.2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 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

14、键，选择面型为Margi nal 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 SolveType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:A)IS 李(ftM*喷 atifiioptioMi陸 *p；fc口Bmec ?n-jw-ntLsrd

15、L"召丄9EU.ujhhrl>uCotii肛匚ngEEXftCiUL-331* rZI.QE的：音 j»agaiinil±:l11込1忙忙吠1L EG 阴；1:讥花如11:- DCjDCZ=-=a.r«L»r±JJ. 5MCW12 .nDoa-B.匚 g<二=noo noo1i diidur11. b». . »y口-加甘壮fl11i.uvDvi仇占n斡理1-T "MFZ 耳阿叫电上供flfl叱叮片5="弓A rd3uc*=i33丄HOM-iT.OZt-DM1J. 3<z-nf

16、l；1L g. am i1c.Qcoonc色-脏心皿2- nCODOC:-flCCflOi0i-en4ficdTaflilr-j' -1：1.邙:£<fl*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:矽'neral7l14eSdirSAAflL ±1 Ih二廿 1±吐1 伍 I Il&f Jda Ln£ | #1e±.TilL./lk：" Vai 11 I Culul I Ei/vLrvjuvjitutjfarn誦迁 1 團:肖I _应屯® I _副動图3 :输入相对孔径值改焦距为12m

17、m进行缩放如下图4所示:建立塞氏焦点的长度；12图4:缩放后图输入所选波段如下图5所示:Wavelength Data使用波长（乩m）权重n=i技抵（口m）权重R/ S,0. S50000001厂131|0. 55000000|11 2q. 55O0OD001厂140. ssoooaoo1117 3|0. 550000X1厂150 55000000厂4|o 550000001厂1S0.55000000h厂5|0 550000®1厂1T0.55000000h厂6|0 S50000001厂130. 55000000hr 7|a S50000001r 190. 55000000h厂S|D

18、550000X1厂£0 550000100h厂勺|0 550000001厂210. 55000000h厂10|Ci 550000001厂220. 55O0OQO0111厂11|o ssooaooo1厂£30 55000000|i厂1?|o S50000001fl厂24|0. 55000000|i选摄->1 If,匕 c (ViHibie)弓1主舉：二J1确定1敝弃©排序幫助00保存加载图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）。用魯H穽4越：尸严出 r1 -C： - ,I J Vl 0Ih fl.-rM4 P

19、 I 4 I FI r IiJEf TfiHflau.Ttjchidj-i1G：«wn.r " i j-UHdihrhe Z>L>nd3u.BJiaEX2±lLJCU-UUTL = 43JLS4琼祕阳* *«*y H4LU1a- o/6t Ha 3 丁!妁WJ19i<m<zz1d-.l«»aa M Ni C1 ry.Mf 网d-1- - 1-4L.UW41L fc* ft *Ir.dJICBMdJ-LinoBJ-jH工显4 Udnr'-r:丁r-.oiLrM11nL.=!E.M.irt.MMn1“ Hw

20、u-ri5- '-"ILI:m1n&ljrL>ruuE-fr . 卜E-.-331E-H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 丫-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。3.3在ZEMAX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: 1; FFT M丁F Freq = 610,

21、1. MTF =0出；口 smnco-j3 2? s 7 e E更 Sfr(Update)aiJ iS章£ 亡tting 刃 打印(PrimilB 窗口 fWind 口删也0 文本"和魁広旳同©222.2QSB3P|TriflL 尸尺EQUENb IN CYCLES rEP HILLIMETERLENS.ZMX HFIGURFiriDW OF 1P-DLYC：hR口MRTI匚 HUE HTFTHU DEC St 30 Lbcnrn for b.esq to q.Ecao p出， 3URFRce； irflce图7 : MTF曲线图该结构可以用作优化变量的的数据有:

22、6个曲率半径，2个空气间隔，3个玻璃厚度。首先使用 Default Merit Fu nction 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 MeritFunction，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0

23、K，建立缺省评价函数。（EFFL： Effective focal length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:出亡 砂 HiT 十1E 亡 P1,眄J1Xb: 11*ia-Zuvi 1 r;吕 1=feUMT*41 rr.卯1r !1»"1 Xi11( 1(t時tr* .:ZU= ffZf ；. ?t!'.LZl? . E.r F! mrTPra11 111 11 11 111L U sum上U.Lt + F ： *£.!.i AUmcji1

24、-1111 11 11 q:J1D : n- SMKUdapvioj1二-聞：顶亍呵1bflK，M1 1 1 1-i!iT-r - 1-p lilFTT11 mma maaiB3«±bc-Le pLiidTT nmiiM hri¥iB-y rrr rftLrvza.确昨CH；詡4!11r"烦卫，氐药刁卜h；订乩壬（厂证31 nn:PAS5jIp r U HU1J13-；fllL=M3aL；,S¥C#7tp. uhlm打 L!Mr3ua.M JJI fHfLi.H Llb imtTnnXQ .iwarDi4.DM 佃.imzilQL-ym&

25、;<ranj2-u.HLMmt-rllE"：3b vaHH14 Q»M#C1B*1沪 IHtahllfe测 QfcamFtt-llili qp诞釧=iL iJOiHUA0 mOQlDIJ DDMTCjC h-lL»EOCDJDD.-UES-La-=JL询1J4 <HM-W1E7袖 40.血PJ*门1'：":恒尸 nt.t.l F祠七IK 7R10 tMOVB1-1 PeUEE1:仲时' iri-Inr皿M T -"Pcn-EiZ11 ±m1C.IU1Ja wPMue10 DPM iM1=-"LKI

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29、sn!Ja zui-Lrc. Lm-Kh1Z .XH-JR>aD4ac-ai-u-i L-P. IMUzj44«a.J-fcr-4耳羽輕T电*4Td-R&H4It llS1应rtJUUS丿弭缺省评价函数设置玻璃厚度以及空气间隔如下图 9所示:裁认优化厨数RNS忧化函歟和参老 I I Wavefront|Centroi ia高斷求穆 环带Clings);冃脣站心：a边线： 边线：丽龍孑L整含方逵r矩形的排列3两裕 H K 43F r拡任意面芒住的先些不画!迦斎厚度 顾坡堆：最小：帀最大:FP空r ：最小：in最大:而F S取轴的时称 厂忽略横向互补颜g刑白在：相对K权重；

30、T全飘重OQOOI. DooaI确走©)1放弃d)|保存I加载心I复位I帮助Ql)|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先优化如图10所示。即 it giBria*细工.Ziin丄壬 3-” ri- 4-f 11 -tCIZrilA : C：:3&srilfl*nTOLl»Daci =Io*jL TfiirElI*3 HH HZ*：>. vn. HDfl i EXtCUS-.LEf t.ZKTAh-LHI

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34、-cnaD.»3e-0e JB-DD-DJDDPLflaflQOJdfl aj.-4 口巴-±14口 fro-10发现第一面和光阑面影响较大,优先优化。先将ST0面的类型改为 EvenAsphere，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1次5坎11竝格朗BU昭皿唱旨0变里：010次1初怡 MF. 0. 3370&631250次I

35、I当前 MF 0, 337U563U无限次1状态：IJleJL辽1运行时闾一 0 DIB =i"爭"”二i|处®器个数：4 二J厂自动更新加权指标一58图11自动®”戲1优化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所示:临期 3: ScTdcll Cc?t+fic!cnts 2打印(Pnn创回&口 (WindowJtV匸山叩 u f AE££aVAUEL Cu电 XC丘Da b a.W a v

36、e ! ep.5acClief話三” Slops- Ofa j cio-t Spico二O-£«4GCZlzia £D.豆 y S占”三巨0二o_aiMM 二 wg 九 An丄Zin 曾 £l_OpaOb J Q e-t Spa亡Q 二o.aooioMKqanial ZLa y SLopo HlU 扌Q Cp Aaa 3pt BDE1 r 耳"d i “pt -i 02lI. TTi-u-a.T-3_3.n tT dsrJLkh o匸t N上丄acU口0士 f 土 biunCa :SurfSPHA SICOMA S?ASTI S3FCUBDI

37、SI1O 04 Fil9&0 OQ017SQ OOQOOl0,023亍RS ,0C2O 002S6&-0 0044O . 023306-O - 0X064- - £3-O_03SlZCi70 _044eX-_0S12Q吕-Q_OQ32St4-o _ oiflZBa-jt 3S-5Q_ UOaSftZ-0_O244 Bl-o_ojn n1 IATAri n 1 T fl a Tn m 1 1 Hn n T 1 n fi pn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

38、点列图如下图16所示:宦新Updat时OJJ设直匡巳tting可打印（Pri珂旧 CWindow）（lflO 文本ext）CD妣（Zgm）El:ISW： 17.88 (EGB.H9t.serczimi A.aa rtillfli 5,裤 tvsn I孔 u asSPOT aiflGRRMUfD DEC 301 Lt UMITG lEE 團- PIBJ) 即3 mniusCFD RFID1U5SCFLE 眯LdlB严2B.«re3SJaT ®FE緞:CHiF entLENS.ZMX NFZOJRHT IVJt-l 1 OF 1图16 :点列图优化后视场、场曲失真图如下图17所示1轴 2； BcM CjtWD渔=弋4：担 FiJ 二 17&4