照相物镜设计

汉口学院《应用光学》课程设计报告报告题目：照相物镜设计学生姓名：学号：专业班级：授课老师：十二月目录一、 选题背景 3二、 设计要求 4三、 外形尺寸计算 4四、 结构选型及参数计算 51. 结构选型 52. 参数数据 6五、 ZEMAX初始数据 61. 初始结构参数 62. 缩放焦距 83. 更换玻璃 8六、 ZEMAX校正数据 101. 设置约束对象 102. 设置变量 113. 优化 114. 最终结构数据 11七、 像质评价 121. 2D草图 122. 场曲和畸变 123. 快速傅立叶变换调制传递函数 134. 标准点列图 135. 光线像差特性曲线 146. 光路特性曲线 14八、 零件图 15九、 学习体会 16十、 参考文献 18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）等重要部件构成的。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，使感光片接受清楚的影像，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、相对孔径、视场角表达。此外还提出分辨率的规定，作为保证产品质量的技术条件。照相物镜的结构型式很多，并且不断有新的型式出现。选用照相物镜的原则应当是:既能满足光学性能和成像质量的规定，而结构又最简朴。双高斯物镜是具有较大视场(大约=40º左右)的物镜中相对孔径最先达成1/2的物镜[[]黄一帆，李林.光学设计教程[M].北京:北京理工大学出版社，2023.]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.[]黄一帆，李林.光学设计教程[M].北京:北京理工大学出版社，2023.图1-1.1图1-1.2图1-1.3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[[]刘钧，高明.光学设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2023.]167。[]刘钧，高明.光学设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2023.设计规定设计一照相物镜,其相关技术规定为[1]238:焦距;相对孔径;视场角。系统畸变<2%;空间频率为40lp/mm时,传递函数MTF≥0.4。外形尺寸计算由于照相物镜结构比较复杂，并且它们的结构重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拟定,而是根据规定从手册、资料或专利文献中找出一个和设计规定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，达成满足规定的光学特性和成像质量[2]176。在选择初始结构时,不必一定找到和规定相近的焦距,一般在相对孔径和视场角达成规定期,我们就可以将此初始结构进行整体缩放得到规定的焦距值。结构选型及参数计算结构选型；；。根据所规定的技术条件，选用双高斯物镜结构较为合适[[]耿瑞辰,黄军霞.光学塑料折射非球面在双高斯照相物镜设计中的应用[J].制造业自动化，2023，32（11）：145-148.[]耿瑞辰,黄军霞.光学塑料折射非球面在双高斯照相物镜设计中的应用[J].制造业自动化，2023，32（11）：145-148.运用光学设计软件CODEV寻找到一个合适的初始结构[[]张以谟.应用光学（第3版）[M].北京:电子工业出版社，2023.695-698.]，来自美国专利2117252的初始结构[[[]张以谟.应用光学（第3版）[M].北京:电子工业出版社，2023.695-698.[]CODEV软件镜头库，USPATENT2,117,252EX1H.W.LEE.[6]ZEMAX中文使用手册2023年2月版.光研科学有限公司.图4-1.1参数数据其默认结构参数为时的数据，见表4-2.1。表4-2.1默认结构参数ZEMAX初始数据初始结构参数打开ZEMAX,设立相对孔径值，如图5-1.1所示。图5-1.1按照镜头专利数据如图5-1.2所示，设立视场角及渐晕系数如图5-1.3所示。图5-1.2图5-1.3将表4-2.1中初始参数输入ZEMAX，如图5-1.4所示。图5-1.4缩放焦距默认结构参数为时的数据，输入焦距30mm进行缩放，如图5-2.1所示。图5-2.1缩放后得到我们所设计的焦距的初始参数，如图5-2.2所示。图5-2.2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。设立当前激活的玻璃库，改为国产玻璃，如图5-3.1所示。图5-3.1使用玻璃替代功能，如图5-3.2所示。图5-3.2在玻璃解对话框中自由设立每块玻璃的状态使之变成“替代（substitute）”，如图5-3.3所示。图5-3.3到此，初始结构及其参数已经完毕。ZEMAX校正数据设立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。图6-1.1在MTE里添加MTFT及MTFS约束各个视场40lp/mm时大于0.4，并添加DIMX小于0.02,EFFL为30，如图6-1.2所示。图6-1.2设立变量设立所有面曲率半径及厚度为变量，如图6-2.1所示。图6-2.1优化使用Hammer优化，如图6-3.1所示。图6-3.1最终结构数据得到合适的结构数据，见表6-4.1。表6-4.1 最终结构数据像质评价2D草图图7-1.1图7-1.2如图7-1.1所示，为优化前；如图7-1.2所示，为优化后。场曲和畸变 图7-2.1图7-2.2如图7-2.1所示，为优化前；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%，符合规定。快速傅立叶变换调制传递函数图7-3.1图7-3.2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，空间频率为40lp/mm时,传递函数MTF≥0.4，符合规定。标准点列图图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高，并且满足设计规定。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)图8-1.1学习体会花了大约将近一个星期的时间终于完毕了这份设计报告，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。然后具体的设计规定，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上设立运营之后却发现光线在透镜中反复折回，完全没法用，检查设立后只好放弃。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，和之前同样，但在C0DEV中运营却十分正常，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，对比两个软件的设立以及查阅资料之后，发现需要设立渐晕，限制光束，按原始专利数据设立渐晕之后光路果然恢复正常，但是设计手册中的初始数据仿佛没提到渐晕数据，那个结构也只好作罢。替换玻璃原本是应当按初始玻璃来找参数相近的玻璃，但在CODEV专利中初始玻璃只有一串数据，如“610000.533000”，搞得我莫名其妙，认为是外国玻璃编号之类的东西查了半天，后来才忽然醒悟就是玻璃折射率与色散值，但是取的是小数点之后的值，略感无语。在初始结构完毕后开始优化，当真是无头的苍蝇，按本来上课教的方法进行优化却是聊胜于无，试遍已知手段，却发现甚至还不如初始结构来的美丽，毕竟初始结构已经是十分完美了，只但是缩放了焦距，略改了数据。毫无头绪，只好求助于相关光学论坛，等了很久，运气不错有人指点了一下，然后才知道应当有目的性的优化，限制了MTF与畸变值，试了多次后终于有了点样子，达成设计规定。断断续续接近一个星期，其实大部分时间都是在解决问题或者避开问题，真正操作写报告的时间并不多。在这个过程中，出现了很多问题，大大小小的，深刻感受到了事实上“困难真比方法多”，有的问题是可以避开的，投机取巧，比如换玻璃我直接用的ZEMAX的更换功能，我不拟定在那种情况下是