照相物镜设计

汉口学院《应用光学》

课程设计报告报告题目:照相物镜设计学生:学号： 专业班级： 授课老师： 二O一四年十二月目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 选题背景 3\o"CurrentDocument"二、 设计要求 4\o"CurrentDocument"三、 外形尺寸计算 4\o"CurrentDocument"四、 结构选型及参数计算 5\o"CurrentDocument"结构选型 5\o"CurrentDocument"参数数据 6\o"CurrentDocument"五、 ZEMAX初始数据 6\o"CurrentDocument"初始结构参数 6\o"CurrentDocument"缩放焦距 8\o"CurrentDocument"更换玻璃 8\o"CurrentDocument"六、 ZEMAX校正数据 10\o"CurrentDocument"设置约束对象 10\o"CurrentDocument"设置变量 11\o"CurrentDocument"优化 11\o"CurrentDocument"最终结构数据 11\o"CurrentDocument"七、 像质评价 12\o"CurrentDocument"2D草图 12\o"CurrentDocument"场曲和畸变 12\o"CurrentDocument"快速傅立叶变换调制传递函数 13\o"CurrentDocument"标准点列图 13\o"CurrentDocument"光线像差特性曲线 14\o"CurrentDocument"光路特性曲线 14\o"CurrentDocument"八、 零件图 15\o"CurrentDocument"九、 学习体会 16\o"CurrentDocument"十、 参考文献 17一、选题背景照相机广泛应用于社会生活的各个领城，已成为科研、国防、生产、教育以及文化生活各领域中的重要手段。它给人类的文明生活带来了许多方便，随着科学技术的发展，人们物质文化生活水平的提高，社会上的照相机也发展的越来越快，越来越普及了。照相机是由镜头，光圈，快门，取景器，测距器，卷片，机身〔暗箱〕等主要部件构成的。其中镜头的作用是通过光线把景物集结成影像并投射到感光片上，使感光片接受清晰的影像，它的好坏直接决定了照相机的性能。照相物镜的光学特性一般用焦距f，、相对孔径D/f，、视场角2①表示。此外还提出分辨率的要求，作为保证产品质量的技术条件。照相物镜的结构型式很多，而且不断有新的型式出现。选用照相物镜的原则应该是:既能满足光学性能和成像质量的要求，而结构又最简单。双高斯物镜是具有较大视场（大约如=40°左右）的物镜中相对孔径最先到达1/2的物镜[1]225双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1-1.1所示。图1-1.1双高斯照相物镜是目前多数大孔径物镜的基础，它的演变型式很多，它的复杂化目的是为了改善成像质量，如图1-1.2所示，或者是为了增大相对孔径，如图1-1.3所示，相对孔径可达1/0.95。由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正[2]167。二、设计要求设计一照相物镜，其相关技术要求为[1":焦距f，=30mm;相对孔径D/f'=1/2;视场角驰=40。。系统畸变＜2%;空间频率为40lp/mm时，传递函数MTFN0.4。三'外形尺寸计算由于照相物镜结构比较复杂，而且它们的结构主要是由高级相差决定的，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，通过相差计算逐步进行修改，到达满足要求的光学特性和成像质量⑵典在选择初始结构时，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到达要求时，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。k结构选型及参数计算结构选型f'=30mm；D/f'=1/2习d=15mm；根据所要求的技术条件，选用双高斯物镜结构较为合适⑶。利用光学设计软件CODEV寻找到一个合适的初始结构⑷，来自美国专利2117252的初始结构⑸。其相对孔径和视场角都满足要求，如图4-1.1所示。图4-1.1

参数数据其默认结构参数为f，=i时的数据，见表。表4-2.1默认结构参数表面编号表国面型表类Y半役厚度玻璃折射模式半二径物面球面无限无限.I•词-CT■0I汩:?0)795610000533000切射03090°2球面O.2O7D0.3015°3球面0.-10160.1向623400562000椅0.2578°•1球面2.25370.33J3608300.396000宿J0.2182°bO：M-b0；9.1401644°J澜球面九限n里1，七射01595°了理面-0.28730.23=136D5400.38D000椅0.1549°8政面0.46130.1292620900.5720000.1977°0球面-0.3718O.3O5D.1词0.2068°■('.仗直一/-:b（）拓:匕62340056?000切射02^13°'1球面--.03390.B539s<0.2^80°像百球面无限O.ZOjufllj0.3612°五、ZEMAX初始数据初始结构参数打开ZEMAX,设置相对孔径值，如图5-1.1所示。图5-1.1

按照镜头专利数据如图所示，设置视场角及渐晕系数如图所Zj\oX.度况至+-Y■Y+x■...UJLL.LU.U1.LU.UUU.UJUU.UJ J.JLU. J.2O.OODO'_mrH.QOOO?rrn-n1.00001rn-n0.200Dnrni0.150D D.DQOO D.nvm iirn- i二二二二二将表4-2.1中初始参数输入ZEMAX，如图所示。SurfsTypeCdamenr：RailingTfticteiesaGlass5earA-Di.arf.eM!)!1OBJStandardIn.fini.tyInfxEiitYInfinity1Srajidard.□uC€D22dQ.D793JIl.GlrS3.30-Z&€D3-S2Sra3idE.rd2.634450■3.S710GDE-aO30.2BEBT33Srandard(J,q0163-31.62r56-Z0.2475154Stande.rd2-2537000.D3976&IM如39M0-205357B加id口心北53。Q.。的《LMSTO3ra^diE.rdIziflDlryO.09^11130.16DS31辛Srandard-a.2B7saa0,0397651.61r3BrD0,154641EStajidiizd.<L4心如0.1292^71.跖57.H0-20S3229Srasidard-a.371E10■!.9710ODE-aO30-211796IOi-77Bsaad.DBaSJE-1_S2rE6-10-2&!2fi5411Standard-1.03390-30.653902M0,25^452I幽5tande.rd.In±WLty0/3631^5

缩放焦距默认结构参数为f，=1时的数据，输入焦距30mm进行缩放，如图所示。图缩放后得到我们所设计的焦距f，二30mm的初始参数，如图所Zj\oCamnenT；RadiuiaTbicKneasGlaaa3eEl-Dlanetej?OBJIxfxnj.tyId!InfinityLSrar-dard.19.J.39EE5S1.61,53.3E-6207692Standard^5,031126口.1倾的B..5761263Standard12.D465S4.35415^1.62P5fla27„425233q5*工ggE7.la1529Z4laeia非-6€.L-GaB265arasidaril7.366279?.saasDO-933269STOStaiLdardIrifitriity2-9B2300■3-8137997工-H.CILdT^LIaJ.923IL4lu01^KZ■SSraiLSartl13.E3735^3.3769941.62457-26-D33^BT9>Srandard-11.153965D.149L2：€6.S5.3661IQ53.3533972.41567T1.€2,5«.27.54380711StanSard.-31.D1COEBK7-T2331SIMATrillnlc-y更换玻璃ZEMAX允许玻璃拥有相应的一种“替代”状态，在寻找更好的设计方案的过程中自动改变玻璃类型。

使用玻璃替代功能，如图所示。在玻璃解对话框中自由设置每块玻璃的状态使之变成“替代〔substitute)RadiusTk.ickz.-53GL&sj□BJStandardInfmiryIr.firiltyInCiziXcy1SGanda^d19,2060232.335556ZK20SB.607619251Enda~d7Sa031126。.宜9125H囱询4stE-ndardT-35^1&9ZKias7_iaas744Scandal研.碰9的1.1*92914：BAF7sG-ISSSJO51皿 =dl7-3eC2792u3-323QD.913SS55T&2ca.nddxc9Inllnlry2.9323^04.Eigmg7Standard-a.e-ie^i1.!1!9颂4Fl5■a.623anBStE-ndardH3.B379ae3.BTfiS91ZKiasE-aai3579Scandard-11.1539-650-1^91266-353749110§tanda二d53.35999-72u415677ZK13S7.S3645D11Standard-31.01ED>G3im.55>EE>9mH7.T1H73ScandardInriDiiy1O.B24SD2到此，初始结构及其参数已经完成。六、ZEMAX校正数据1.设置约束对象选择默认优化类型为波前差，约束玻璃及空气的相关厚度，如图6-1.1所示。,EFFL为30。阪土三*W4VSTarg*c、EFELHFFL2•戏3E0i.oueaociJMTETmin:1Qi4书.ODCDODO.4C1EX18i.oooaoci8HIETHIFI10Zmdse™0.^10WKliOQOOOOUHIE3HIf310iid.a»o$amiiecoli@D«0MI5JH7E3HJFS104心伽m以口CUIMKDIMKQ200.02KIWi.ooaoooHCF3?ELKKBL^KBatauilnriax-Jii:fL-ncLlan!CHSkri'ueffaniL《口QQ3 £4.xru»ELHK3U3KT^FbuIcBJ.rcbickn-a-sbaindazyoaMGrBJ.nT-3.UWCA1110.10Q0Wl.ODVDM]iHHX2AIeCICA.1li50.00DODO以站M坦UJffEAHMZA.111以阪w15BXIffi3U3KrbuIcgilB;thickness can.scrHxnT5B11田&2HEW111l.C^C-3C-J1,加加EMHXW戚W1lii.anedHiISMMEGHM3E111l.QUQDW

2.设置变量设置所有面曲率半径及厚度为变量。SiarCzIypeCiamjent.RadiiisTh^clniesa□LassEtnci-DLdLnr.'StarCBJSrardardIntlniT：yrnfinlcyInrtniT：i,.1Staxdord.L9u2O6D23V2B3359&e72X2D33u007^15■279.-33312£V73St-ai^dard12»046&33v■3B3-54159VZK10S7.4&0fl74qStasidBrcL6T-EOE9€3V1.1^2924VBAFTs€.13Si£-305Srardard7.5662792-932300曹L91的膈310Stiazjjcrd.LnfjjiityV《・前。细1SraKdord.-B.ElET^lV1.1^2924VFls623911aSrerdard.13.937934V3.Q7«994VZK1Q日■6,10195?eSxixdard.V&b1-€B.L26VEu3&37-39Srardard网.日5船卯2.41567?VZX1G37.5364^01.1Stiazjjcrd.V19.5569S&7"LOgZHJlStandard.lEitir-Lry10-824902图6-2.13.优化使用Hammer优化，如图。锤用也DLS(J锤用也DLS(Jtuto：|光闹(T)|退出(E)ffVar:ZLHTsr:'RUhU:I阿自动更新 系统：0初始MF: 1.2-S5245S7当前MF: 1.2^6524E67噩形(H)|DLS(Au槌|光阖(T)||退出(以IflVar:21#Tar:82 #CPU:[4W自动更新 系统：83842初始MF: 1.236524567当前MF: 0.219582000Runtime:4.733min图6-3.1最终结构数据得到合适的结构数据，见表6-4.1。最终结构数据壬*8=RadiusTkickx—ssS-suL-lJi-axstez□日JStandardlEiflnlryiKfiEiltyInfinity1Scanda^dia«2BT3figV2.海gVLAK5S5-053202StsdaK^7-157313¥0.737^62Ve.£ti74563StE.ndaTdl12.3246Q5VVZKiaE7.571B9D4Scandard-40,^852?V0.9^5175VFlS6-63213102tHD0K3uQ13D73VJb1J.3K?TVT罚TllCiET&•EUdM*日InflDlryE-.D2H1EBV4-T43E2D72tandazd-7.7€BT23v0.9-50^17Vs4„610606StE.ndaTdl°ES.633951V2.^03176VLAKEs6-3^10B25Scandard-11,079131V0.229231V6,609000110Stunda-d163-&21306¥2K32^164VLAK257.95972511Sta-ndard-20.E12D55V1£.STS175VB.D93751gacanda^dInllDfcy10E63-3q00

七、像质评价1.2D七、像质评价1.2D草图图7-1.2如图7-1.1所示，为优化前；如所示，为优化后。2.场曲和畸变FIB.OCLWs'rirUREJ口I3Tmril>JTHUCEC!B2BIHnnianurifieldm云『zedecreesU.«EAl PIEL口EUEURTUPKJ"□ISTaBTimTHUDEDLG2BLHNBiarPJMFIELDISZd,QDEIDEGREESLnLH_Gncn-E!ausat ei.ees tnlel EZHXraNFI'aJRHTIQHiQF1E-.2NXCaNFIGURFlllOH1OF1图7-2.1如图7-2.1所示，为优化前；图7-2.2如图7-2.2所示，为优化后。图中distortion即为畸变，由图知优化前后系统畸变＜2%，符合要求。快速傅立叶变换调制传递函数图7-3.1图7-如图7-3.1所示，为优化前；如图图7-3.1图7-如图7-3.1所示，为优化前；如图7-3.2所示，为优化后。MTF值优化后，，符合要求。MTF值优化后，，符合要求。4.标准点列图图7-4.1图7-4.2图7-4.1图7-4.2如图7-4.1所示，为优化前；如图7-4.2所示，为优化后。优化后点列图更加聚集。光线像差特性曲线图7-5.1图图7-5.1图7-5.2如图7-5.1所示，为优化前；如图7-5.2所示，为优化后。光路特性曲线如图7-6.1所示，为优化前；如图7-6.2所示，为优化后。由以上图像分析可知，像质在优化后都有了明显地提升，而且满足设计要求。

八、零件图第一面透镜零件图如图8-1.1所示。（透镜零件尺寸上下各留1mm）ZJEWON1&.对树料的婆求ZJEWON1&.对树料的婆求4m3C△Vri3C北半划句性4光配收系数4故力双折射3*数度&1C对零件的要求N30.5占RA'*31B3k0.2542.65L--43.^0L：40.70Dt]H.KID.-FIH..^4技术要求GE1316/1.lrV587,5M旃记处敬分区丑成丈件号年月日观计标准化<4卑■同行阶段标记比例2:1审雄工艺批准甘料 LAK5图8-1.1九、学习体会花了大概将近一个星期的时间终于完成了这份设计报告，所投入的精力与时间远超预期。从头止尾，跌跌撞撞，十分不容易。从最开始的选题开始，最开始选的是投影物镜，但这类的范例实在太少了，作为新手考虑到之后的操作进程，还是选了较为广泛的照相物镜，就当是投影物镜的反向设计。然后具体的设计要求，也刻意避开了用的较多的例子，找的相关书籍中的习题。镜头选型时，在《光学仪器设计手册》中有一个十分合适的结构，但在ZEMAX上设置运行之后却发现光线在透镜中反复折回，完全没法用，检查设置后只好放弃。然后上网查资料，找镜头，开始接触CODEV软件，使用CODEV的镜头专利库找到了合适的结构，而在将CODEV中数据输入ZEMAX中后发现出现的结构完全不对，和之前一样，但在CODEV中运行却十分正常，我意识到必须弄清楚这个问题，要不然我换多少结构都没意义，比照两个软件的设置以及查阅资料之后，发现需要设置渐晕，限制光束，按原始专利数据设置渐晕之后光路果然恢复正常，但是设计手册中的初始数据好似没提到渐晕数据，那个结构也只好作罢。替