照相物鏡設(shè)計

漢口學(xué)院《應(yīng)用光學(xué)》

課程設(shè)計報告報告題目:照相物鏡設(shè)計學(xué)生:學(xué)號： 專業(yè)班級： 授課老師： 二O一四年十二月目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 選題背景 3\o"CurrentDocument"二、 設(shè)計要求 4\o"CurrentDocument"三、 外形尺寸計算 4\o"CurrentDocument"四、 結(jié)構(gòu)選型及參數(shù)計算 5\o"CurrentDocument"結(jié)構(gòu)選型 5\o"CurrentDocument"參數(shù)數(shù)據(jù) 6\o"CurrentDocument"五、 ZEMAX初始數(shù)據(jù) 6\o"CurrentDocument"初始結(jié)構(gòu)參數(shù) 6\o"CurrentDocument"縮放焦距 8\o"CurrentDocument"更換玻璃 8\o"CurrentDocument"六、 ZEMAX校正數(shù)據(jù) 10\o"CurrentDocument"設(shè)置約束對象 10\o"CurrentDocument"設(shè)置變量 11\o"CurrentDocument"優(yōu)化 11\o"CurrentDocument"最終結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 11\o"CurrentDocument"七、 像質(zhì)評價 12\o"CurrentDocument"2D草圖 12\o"CurrentDocument"場曲和畸變 12\o"CurrentDocument"快速傅立葉變換調(diào)制傳遞函數(shù) 13\o"CurrentDocument"標準點列圖 13\o"CurrentDocument"光線像差特性曲線 14\o"CurrentDocument"光路特性曲線 14\o"CurrentDocument"八、 零件圖 15\o"CurrentDocument"九、 學(xué)習(xí)體會 16\o"CurrentDocument"十、 參考文獻 17一、選題背景照相機廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)城，已成為科研、國防、生產(chǎn)、教育以及文化生活各領(lǐng)域中的重要手段。它給人類的文明生活帶來了許多方便，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們物質(zhì)文化生活水平的提高，社會上的照相機也發(fā)展的越來越快，越來越普及了。照相機是由鏡頭，光圈，快門，取景器，測距器，卷片，機身〔暗箱〕等主要部件構(gòu)成的。其中鏡頭的作用是通過光線把景物集結(jié)成影像并投射到感光片上，使感光片接受清晰的影像，它的好壞直接決定了照相機的性能。照相物鏡的光學(xué)特性一般用焦距f，、相對孔徑D/f，、視場角2①表示。此外還提出分辨率的要求，作為保證產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)條件。照相物鏡的結(jié)構(gòu)型式很多，而且不斷有新的型式出現(xiàn)。選用照相物鏡的原則應(yīng)該是:既能滿足光學(xué)性能和成像質(zhì)量的要求，而結(jié)構(gòu)又最簡單。雙高斯物鏡是具有較大視場（大約如=40°左右）的物鏡中相對孔徑最先到達1/2的物鏡[1]225雙高斯物鏡是以厚透鏡矯正匹茲萬場曲的光學(xué)結(jié)構(gòu)，半部系統(tǒng)是由一個彎月形的透鏡和一個薄透鏡組成，如圖1-1.1所示。圖1-1.1雙高斯照相物鏡是目前多數(shù)大孔徑物鏡的基礎(chǔ)，它的演變型式很多，它的復(fù)雜化目的是為了改善成像質(zhì)量，如圖1-1.2所示，或者是為了增大相對孔徑，如圖1-1.3所示，相對孔徑可達1/0.95。由于雙高斯物鏡是一個對稱的系統(tǒng)，因此垂軸像差很容易校正。設(shè)計這種類型的系統(tǒng)時，只需要考慮球差、色差、場曲、像散的校正[2]167。二、設(shè)計要求設(shè)計一照相物鏡，其相關(guān)技術(shù)要求為[1":焦距f，=30mm;相對孔徑D/f'=1/2;視場角馳=40。。系統(tǒng)畸變＜2%;空間頻率為40lp/mm時，傳遞函數(shù)MTFN0.4。三'外形尺寸計算由于照相物鏡結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且它們的結(jié)構(gòu)主要是由高級相差決定的，所以照相物鏡設(shè)計的初始結(jié)構(gòu)一般都不采用初級像差求解的方法來確定，而是根據(jù)要求從手冊、資料或?qū)＠墨I中找出一個和設(shè)計要求比較接近的系統(tǒng)作為原始系統(tǒng)，通過相差計算逐步進行修改，到達滿足要求的光學(xué)特性和成像質(zhì)量⑵典在選擇初始結(jié)構(gòu)時，不必一定找到和要求相近的焦距，一般在相對孔徑和視場角到達要求時，我們就可以將此初始結(jié)構(gòu)進行整體縮放得到要求的焦距值。k結(jié)構(gòu)選型及參數(shù)計算結(jié)構(gòu)選型f'=30mm；D/f'=1/2習(xí)d=15mm；根據(jù)所要求的技術(shù)條件，選用雙高斯物鏡結(jié)構(gòu)較為合適⑶。利用光學(xué)設(shè)計軟件CODEV尋找到一個合適的初始結(jié)構(gòu)⑷，來自美國專利2117252的初始結(jié)構(gòu)⑸。其相對孔徑和視場角都滿足要求，如圖4-1.1所示。圖4-1.1

參數(shù)數(shù)據(jù)其默認結(jié)構(gòu)參數(shù)為f，=i時的數(shù)據(jù)，見表。表4-2.1默認結(jié)構(gòu)參數(shù)表面編號表國面型表類Y半役厚度玻璃折射模式半二徑物面球面無限無限.I?詞-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瀾球面九限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詞0.2068°■('.仗直一/-:b（）拓:匕62340056?000切射02^13°'1球面--.03390.B539s<0.2^80°像百球面無限O.ZOjufllj0.3612°五、ZEMAX初始數(shù)據(jù)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)打開ZEMAX,設(shè)置相對孔徑值，如圖5-1.1所示。圖5-1.1

按照鏡頭專利數(shù)據(jù)如圖所示，設(shè)置視場角及漸暈系數(shù)如圖所Zj\oX.度況至+-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二二二二二將表4-2.1中初始參數(shù)輸入ZEMAX，如圖所示。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

縮放焦距默認結(jié)構(gòu)參數(shù)為f，=1時的數(shù)據(jù)，輸入焦距30mm進行縮放，如圖所示。圖縮放后得到我們所設(shè)計的焦距f，二30mm的初始參數(shù)，如圖所Zj\oCamnenT；RadiuiaTbicKneasGlaaa3eEl-Dlanetej?OBJIxfxnj.tyId!InfinityLSrar-dard.19.J.39EE5S1.61,53.3E-6207692Standard^5,031126口.1傾的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更換玻璃ZEMAX允許玻璃擁有相應(yīng)的一種“替代”狀態(tài)，在尋找更好的設(shè)計方案的過程中自動改變玻璃類型。

使用玻璃替代功能，如圖所示。在玻璃解對話框中自由設(shè)置每塊玻璃的狀態(tài)使之變成“替代〔substitute)RadiusTk.ickz.-53GL&sj□BJStandardInfmiryIr.firiltyInCiziXcy1SGanda^d19,2060232.335556ZK20SB.607619251Enda~d7Sa031126。.宜9125H囪詢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頌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，初始結(jié)構(gòu)及其參數(shù)已經(jīng)完成。六、ZEMAX校正數(shù)據(jù)1.設(shè)置約束對象選擇默認優(yōu)化類型為波前差，約束玻璃及空氣的相關(guān)厚度，如圖6-1.1所示。,EFFL為30。阪土三*W4VSTarg*c、EFELHFFL2?戲3E0i.oueaociJMTETmin:1Qi4書.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.設(shè)置變量設(shè)置所有面曲率半徑及厚度為變量。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。細1SraKdord.-B.ElET^lV1.1^2924VFls623911aSrerdard.13.937934V3.Q7?994VZK1Q日■6,10195?eSxixdard.V&b1-€B.L26VEu3&37-39Srardard網(wǎng).日5船卯2.41567?VZX1G37.5364^01.1Stiazjjcrd.V19.5569S&7"LOgZHJlStandard.lEitir-Lry10-824902圖6-2.13.優(yōu)化使用Hammer優(yōu)化，如圖。錘用也DLS(J錘用也DLS(Jtuto：|光鬧(T)|退出(E)ffVar:ZLHTsr:'RUhU:I阿自動更新 系統(tǒng)：0初始MF: 1.2-S5245S7當前MF: 1.2^6524E67噩形(H)|DLS(Au槌|光闔(T)||退出(以IflVar:21#Tar:82 #CPU:[4W自動更新 系統(tǒng)：83842初始MF: 1.236524567當前MF: 0.219582000Runtime:4.733min圖6-3.1最終結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)得到合適的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，見表6-4.1。最終結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)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罰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、像質(zhì)評價1.2D七、像質(zhì)評價1.2D草圖圖7-1.2如圖7-1.1所示，為優(yōu)化前；如所示，為優(yōu)化后。2.場曲和畸變FIB.OCLWs'rirUREJ口I3Tmril>JTHUCEC!B2BIHnnianurifieldm云『zedecreesU.?EAl PIEL口EUEURTUPKJ"□ISTaBTimTHUDEDLG2BLHNBiarPJMFIELDISZd,QDEIDEGREESLnLH_Gncn-E!ausat ei.ees tnlel EZHXraNFI'aJRHTIQHiQF1E-.2NXCaNFIGURFlllOH1OF1圖7-2.1如圖7-2.1所示，為優(yōu)化前；圖7-2.2如圖7-2.2所示，為優(yōu)化后。圖中distortion即為畸變，由圖知優(yōu)化前后系統(tǒng)畸變＜2%，符合要求。快速傅立葉變換調(diào)制傳遞函數(shù)圖7-3.1圖7-如圖7-3.1所示，為優(yōu)化前；如圖圖7-3.1圖7-如圖7-3.1所示，為優(yōu)化前；如圖7-3.2所示，為優(yōu)化后。MTF值優(yōu)化后，，符合要求。MTF值優(yōu)化后，，符合要求。4.標準點列圖圖7-4.1圖7-4.2圖7-4.1圖7-4.2如圖7-4.1所示，為優(yōu)化前；如圖7-4.2所示，為優(yōu)化后。優(yōu)化后點列圖更加聚集。光線像差特性曲線圖7-5.1圖圖7-5.1圖7-5.2如圖7-5.1所示，為優(yōu)化前；如圖7-5.2所示，為優(yōu)化后。光路特性曲線如圖7-6.1所示，為優(yōu)化前；如圖7-6.2所示，為優(yōu)化后。由以上圖像分析可知，像質(zhì)在優(yōu)化后都有了明顯地提升，而且滿足設(shè)計要求。

八、零件圖第一面透鏡零件圖如圖8-1.1所示。（透鏡零件尺寸上下各留1mm）ZJEWON1&.對樹料的婆求ZJEWON1&.對樹料的婆求4m3C△Vri3C北半劃句性4光配收系數(shù)4故力雙折射3*數(shù)度&1C對零件的要求N30.5占RA'*31B3k0.2542.65L--43.^0L：40.70Dt]H.KID.-FIH..^4技術(shù)要求GE1316/1.lrV587,5M旃記處敬分區(qū)丑成丈件號年月日觀計標準化<4卑■同行階段標記比例2:1審雄工藝批準甘料 LAK5圖8-1.1九、學(xué)習(xí)體會花了大概將近一個星期的時間終于完成了這份設(shè)計報告，所投入的精力與時間遠超預(yù)期。從頭止尾，跌跌撞撞，十分不容易。從最開始的選題開始，最開始選的是投影物鏡，但這類的范例實在太少了，作為新手考慮到之后的操作進程，還是選了較為廣泛的照相物鏡，就當是投影物鏡的反向設(shè)計。然后具體的設(shè)計要求，也刻意避開了用的較多的例子，找的相關(guān)書籍中的習(xí)題。鏡頭選型時，在《光學(xué)儀器設(shè)計手冊》中有一個十分合適的結(jié)構(gòu)，但在ZEMAX上設(shè)置運行之后卻發(fā)現(xiàn)光線在透鏡中反復(fù)折回，完全沒法用，檢查設(shè)置后只好放棄。然后上網(wǎng)查資料，找鏡頭，開始接觸CODEV軟件，使用CODEV的鏡頭專利庫找到了合適的結(jié)構(gòu)，而在將CODEV中數(shù)據(jù)輸入ZEMAX中后發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)完全不對，和之前一樣，但在CODEV中運行卻十分正常，我意識到必須弄清楚這個問題，要不然我換多少結(jié)構(gòu)都沒意義，比照兩個軟件的設(shè)置以及查閱資料之后，發(fā)現(xiàn)需要設(shè)置漸暈，限制光束，按原始專利數(shù)據(jù)設(shè)置漸暈之后光路果然恢復(fù)正常，但是設(shè)計手冊中的初始數(shù)據(jù)好似沒提到漸暈數(shù)據(jù)，那個結(jié)構(gòu)也只好作罷。替