基于ZEMAX的照相物鏡的設(shè)計(jì)-課程設(shè)計(jì)

光學(xué)課程設(shè)計(jì)）：設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)工作計(jì)劃設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)工作計(jì)劃光學(xué)課程設(shè)計(jì)燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學(xué)院基層教學(xué)單位：自動(dòng)化儀表系學(xué)生姓名設(shè)計(jì)題目求2、確定照相物鏡的基本性能要求，并確定恰當(dāng)?shù)某跏冀Y(jié)構(gòu)；3、輸入鏡頭組數(shù)據(jù)，設(shè)置評(píng)價(jià)函數(shù)操作數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和像差結(jié)果4、給出像質(zhì)評(píng)價(jià)報(bào)告，撰寫課程設(shè)計(jì)論文查閱光學(xué)設(shè)計(jì)理論和像差分析的相關(guān)文獻(xiàn)和資料，提出并較好地的實(shí)施工作量方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單透鏡組，并用zemax軟件對(duì)初級(jí)像差進(jìn)行分析和校正，從而對(duì)鏡頭進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)第一天、第二天：熟悉ZEMAX軟件的應(yīng)用，查閱資料，確定設(shè)計(jì)題行初級(jí)理論設(shè)計(jì)第三天、第四天：完善理論設(shè)計(jì)，運(yùn)用ZEMAX軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)撰寫報(bào)告第五天：完善過程，進(jìn)行答辯參考資《幾何光學(xué)像差光學(xué)設(shè)計(jì)》，浙江大學(xué)出版社，李曉彤，岑兆豐，指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字光學(xué)課程設(shè)計(jì) 1第一章簡(jiǎn)述照相物鏡的設(shè)計(jì)原理和類型 2 42.1根據(jù)參數(shù)要求確定恰當(dāng)?shù)某跏冀Y(jié)構(gòu) 42.2優(yōu)化設(shè)計(jì)過程 52.3優(yōu)化結(jié)果像差結(jié)果分析 8第四章課設(shè)總結(jié) 人們?cè)缇陀虚L(zhǎng)期保存各種影像的愿望。在攝影技術(shù)尚未發(fā)明前的公元四世紀(jì)時(shí)，人們按投影來描畫人物輪廓像的方法達(dá)到了全盛時(shí)代，至今這種方法仍然作為剪紙藝術(shù)流傳著。后來，人們讓光線通過小孔形成倒立像，進(jìn)而將小孔改為鏡片，并加裝一只暗箱。只要在暗箱底板上放一張紙，不僅可以畫出輪廓，還可以畫出像上的照相機(jī)的發(fā)展日益迅速，有著顯著的飛躍。照相物鏡是照相機(jī)的眼睛，它的精度和分辨率直接影響到照相機(jī)的精度與成像質(zhì)量。要保證所設(shè)計(jì)的照相物鏡達(dá)到較高的技術(shù)要求，在設(shè)計(jì)時(shí)就必須達(dá)到更高的精度與分辨率。本文所討論的照相物鏡，它主要采用后置光闌三片物鏡結(jié)構(gòu)，其中第六面采用非球面塑料，其余面采用標(biāo)準(zhǔn)球面玻璃，應(yīng)用ZEMA漱件設(shè)計(jì)了一組焦距f'=15mm勺照相物鏡,相對(duì)孔徑D/f'=2.8,鏡0.000432，像散0.002716。完全滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字:照相物鏡ZEMAX設(shè)計(jì)第一章簡(jiǎn)述照相物鏡的設(shè)計(jì)原理和類型照相物鏡的基本光學(xué)性能主要由三個(gè)參數(shù)表征。即焦距和視f'相對(duì)孔徑D/f'場(chǎng)角2w。照相物鏡的焦距決定所成像的大小I)當(dāng)物體處于有限遠(yuǎn)時(shí)，像高為式中，［為垂軸放大率，［二。對(duì)一般的照相機(jī)來說，物距I都比較yIIy'=f'tan因此半視場(chǎng)角物鏡物鏡超望遠(yuǎn)物鏡/mm短廣角標(biāo)準(zhǔn)廣角超魚相對(duì)孔徑?jīng)Q定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度，在此的分辨率亦即通常所說的截止多數(shù)照相物照相物鏡中只有很少幾種如微縮物鏡和制版物鏡追求高分辨率，多數(shù)照相物鏡因其本身的分辨率不高，相對(duì)孔徑的作用是為了提高像面光照度T（1-5）照相物鏡的視場(chǎng)角決定其在接受器上成清晰像的空間范圍。按視場(chǎng)角的大小，照相物鏡又分為a）小視場(chǎng)物鏡：視場(chǎng)角在30°以下；b）中視場(chǎng)物鏡：視場(chǎng)角在30°~60°之間；c）廣角物鏡：視場(chǎng)角在60°~90°之間；d）超廣角物鏡：視場(chǎng)角在90°以上。照相物鏡按其相對(duì)孔徑的大小，大致分為a）弱光物鏡：相對(duì)孔徑小于1：9；b）普通物鏡：相對(duì)孔徑為1：9~1：3.5；d）超強(qiáng)光物鏡：相對(duì)孔徑大于1：1.4；照相物鏡沒有專門的視場(chǎng)光闌，視場(chǎng)大小被接受器本身的有效接受面積所限制，即以接收器本身的邊框作為視場(chǎng)光闌。性能。企圖同時(shí)提高這三個(gè)參數(shù)的指標(biāo)則是困難的，甚至是不可能的。只能根據(jù)不同的使用要求，在側(cè)重提高一個(gè)參數(shù)的同時(shí)，相應(yīng)地降低其余兩個(gè)參數(shù)的指標(biāo)。膠合彎月透鏡以及正負(fù)分離透鏡，這些簡(jiǎn)單的物鏡相對(duì)孔徑很小只能在室外照明條件良好時(shí)拍闌的組合，相對(duì)孔徑仍然很小，如Hypogon物鏡。之后又出現(xiàn)Protarr物鏡等一系列逐漸演變出來的物鏡，之后出現(xiàn)的三片物鏡是很多復(fù)雜透鏡的基礎(chǔ)，它由三片分離的薄透鏡組成，在視場(chǎng)角為以達(dá)到1：3.5~1;2.8,在視場(chǎng)角適當(dāng)降低時(shí)，相對(duì)孔徑可提高到其他還有雙高斯物鏡、遠(yuǎn)距物鏡、反遠(yuǎn)距物鏡等等復(fù)雜物鏡。55°時(shí)，相對(duì)孔徑可本次涉及所使用的三片物鏡是具有中等光學(xué)特性的照相物鏡中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，像質(zhì)最好的一種，被廣泛使用在比較廉價(jià)的135#和120#相機(jī)中，例如國(guó)產(chǎn)的海鷗—4、海鷗一9、天鵝相機(jī)等。這種照相物鏡進(jìn)一步復(fù)雜化的目的，大多是為了增大相對(duì)孔徑，或提高視場(chǎng)邊緣成像質(zhì)量。第二章設(shè)計(jì)過程2.1根據(jù)參數(shù)要求確定恰當(dāng)?shù)某跏冀Y(jié)構(gòu)照相物鏡屬于大視場(chǎng)大孔徑系統(tǒng)，因此需要校正的像差也大大增加，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，所以照相物鏡設(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)一般都不采用初級(jí)像差求解的方法來確定，而是根據(jù)要求從手冊(cè)、資料或?qū)＠墨I(xiàn)中找出一個(gè)和設(shè)計(jì)要求比較接近的系統(tǒng)作為原始系統(tǒng)。在選擇初始結(jié)構(gòu)時(shí)，不必一定找到和要求相近的焦距，一般在相對(duì)孔徑和視場(chǎng)角達(dá)到要求時(shí)，我們就可以將此初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體縮放得到要求的焦距值。在光學(xué)技術(shù)手冊(cè)查詢后選定初始結(jié)構(gòu)為后置光闌的三片物鏡（如圖1），初2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)過程將參數(shù)輸入zemax其中第六面設(shè)為光闌面，厚度設(shè)為marginalrayheight,移動(dòng)光標(biāo)到STQ光闌面（中間一個(gè)面）的“無窮（Infinity）”之上，按INSERT鍵。這將會(huì)在那一行插入一個(gè)新的面，并將STO光闌面往下移。新的面被標(biāo)為第2面。再按按INSERT順序輸入表1-2中的鏡片焦距（注意OBJ面不做任何操作）；在鏡片厚度（Thickness）列順序輸入表1-2中的鏡片厚度；在第七個(gè)面厚度處單擊右鍵，選擇面型為Marginal入鏡片參數(shù)，方法是：在表中點(diǎn)右鍵對(duì)話框SolveType選中Model，Indexnd中輸入n值A(chǔ)bbeVd中輸入v值。結(jié)果如下圖2-1在system-general-aperture中輸入相對(duì)孔徑值2.8，在system-wavelength中輸入所選波段，然后在tools-makefocus中該改焦距為EditSolvesOptionsHe1234S30,9960002.020000Z.3900003H36000034.656611H4-410000Surf:TypeThickness設(shè)置相對(duì)孔徑值和波段:WiavelengthWiavelengthData|0.5?756lS|0.5?756lS0B56273S0B56273S0r055C00D000.550000000.55000000|0.55C00M0|0.|0.ESOOOQOOF,山匚訓(xùn)讓讓1了莘助onfflH0.550000000.5500M000.5500W000.5500M000.55QQD0Q00.550000000.550000000.550000000.550000000.5EOOOOO550000000.5500M00定義視場(chǎng):廠設(shè)羞CSet）Vig（y）□.□.OOOODOoroo|a.oooco|o.ooooo0.ooooo0.OTOOOo.ooooo0oocooo.oooooo?ooooo000000O.OMOOVAN[o.OOOQ(J[o.ooooa|oooooo01.OOTOO□.ooooa|o.|o.ooooo|o.ooooo|o.ooooo|o.ooooo|o.oooooODOOO0.DOOM|o.oooco0.ooooo[o.oooooo.ooodc0.ooooo此時(shí)得到初始結(jié)構(gòu)及參數(shù)如下圖:盍盍m壽就嚼f況址君：f.ngprHuen?lEdkl舊玉聲;gives)⑸j^(0ptions)(0)拈朝円SurtiTirpeU儷meDSJStindazdInfinity3St&nda上蚪4Sta.ndiardSTS上盤St9^49^二溼StandardIlnfiELityInfinityInfinityl；,37&039rM1:FFTMTFFreq=683.2,MTF=0.2728更新(Update)(U)igH(Settings)(S)打印(Print)(P)壽口(Window)(WJ文本(Text](T)縮施〔疋口口m)(Z)￡H1D-----------------1-------------1--------------a---------------..L-.a呂尸F(xiàn)ITIHLFREQUENCYINC￥E^_ESFERMILLIMETERPDLYDI-RCIMFITICNUEMTF0±E3.HEELTOQ*^-E^3屮鼻..LENSZMXCDlMFXGURFiTIQNjOF12.3優(yōu)化設(shè)計(jì)過程利用ZEMA得到初始結(jié)構(gòu)的MTF曲線可看出成像質(zhì)量很差,因此需要校正像差。度。首先使用DefaultMeritFunction建立缺省評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選擇Editors-MeritFunction，在第一行中先輸入EFFL目標(biāo)值設(shè)為1SPHA指球差，如果Surf=0，則指整個(gè)系統(tǒng)的球差總和。MTFA弧矢和子午的調(diào)制傳遞函數(shù)的平均值更pdate)(U)iSSfSettingsJ(S)打印(Print)(P)嗚口(Windowj(W)Sald：l&&cionCo?fficien?9：託HASIO.OOOOOQo.oocioseo.oaoooGrFAT.iinnif*itant:iFIWSjMTa口T二0三0.C110Q2◎?-0-00MJ?oPooafio>O-OOOiOll^0.005105-0.000D.000001-0.00202400.DOODOOSTQTOT彳匚1□.OOOOOS0x0124450.00030012345COKAS2ASTI甜Surf然后在Analysis-AberrationCoefficients-SeidelCoefficients中查看，找出對(duì)賽得和數(shù)影響大的面，將這些面的曲率半徑設(shè)為變量，優(yōu)先優(yōu)化。發(fā)現(xiàn)第一面和光闌面影響較大，優(yōu)先優(yōu)化。先將STO面的類型改為EvenAsphere，將1、6面曲率半徑設(shè)為變量，選擇快捷選項(xiàng)Opt，然后進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后取消變量，將剩余面的曲率半徑設(shè)為變量，再次優(yōu)化，完畢后取消變量。再將透鏡間隔和玻璃厚度先后進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)其中像差的變化不斷的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行常識(shí)性優(yōu)化，再根據(jù)2D圖適當(dāng)調(diào)整曲率半徑和厚度，每次調(diào)整后再次優(yōu)化實(shí)時(shí)關(guān)注MTF圖的曲線變化，最后使各個(gè)參數(shù)都在可接受范圍之內(nèi)，完成設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果與分析33輜血訕舊鶉iSol*?](S)j^(Optwns)(O)晉觀H]Si&r.i-DiimetftrInfinityInfinityGLEHIhicxneiiJ12itzrii34占"日站nf-SIMA-LStA口日旦■fi.￡95EB3Y490100VSM.sbnuInfinity3.0CLff7?H-l.€5m3t像差特性曲線:點(diǎn)列圖:點(diǎn)列圖:FFT調(diào)制傳遞函數(shù):立NHTuxt?ElSS(Sctting5)(SJ5=Jfl](PHntXP)H□fW；ndow)(W)g尸F(xiàn)HTXFM-FREQ4JEMCTXNCTCUESFEBMXLLTI^ETERT曰占LS-URFRCB?IMRGeILEMS^ZMX場(chǎng)曲與匹茲伐曲線:MSTtUpdateJfU)?□(Windowj?□(Windowj(W)fj￡g(Print)(PJ些&那T(Zoo(Z)1FERCEMiTM&DJULJ￡i20L3MAXIMUMFXH-QISIL.00?WflVELEMETHS=—3,幵曰白LENSrZMX匚口ZIFHGURFITTOM文去CText)E塞德和系數(shù)2:SeidelCoefficients更:SeidelaberzationamaybeinaeeuEa^eforgtandardaucfaces112345-Q-OOOOCS TOT0-0001920.000423新(Upch詞(U)設(shè)置朽Ming習(xí)⑸打ffl(Print)(P)窗口(Window)(W)-D_ODOO￡7O.OOS316CLA(CL)0.01494Ba.G01€€4晰的并于物平面相似的像，差不多需要校正所有其中像差。但是，并不要求這些像差都校正得與目視光學(xué)系統(tǒng)一樣完善。這是由于照相物鏡的接收器無論是感光底片鏡是大像差系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)果中，由2DLAYOU圖可知，主要光線聚焦完美，但視場(chǎng)為1的遠(yuǎn)場(chǎng)光線聚焦不是完善，這并不影響照相物鏡的照相要求，相片的外圍的稍微模糊不影響相片的質(zhì)量。由RAYLAN圖可知，子午球差已經(jīng)很小，也只有遠(yuǎn)視場(chǎng)稍微大些。由FieldCurv\Dist圖可知，三種波的子午場(chǎng)曲和弧矢場(chǎng)曲間的距離小，高級(jí)求差得到良好優(yōu)化。由SpotDiagram點(diǎn)列圖可知，前五個(gè)視場(chǎng)的能力集中在中心區(qū)域。由FFTMFT圖可知，大部分光線與坐標(biāo)軸所圍的面積已經(jīng)得到很好的優(yōu)化。由塞德和系0.000432，像散0.002716，基本滿足設(shè)計(jì)要求。第三章課設(shè)總結(jié)一周的課設(shè)，基本完成了課設(shè)任務(wù)，設(shè)計(jì)優(yōu)化了后置光闌三片物鏡結(jié)構(gòu)的照相物計(jì)的基本操作與像差分析。后，進(jìn)行照相物鏡的設(shè)計(jì)，進(jìn)行各種像差的優(yōu)化，通過向老師請(qǐng)教、與同學(xué)的討論之間的討論解決了遇到的難題。使對(duì)知識(shí)的了解更加深刻?？傊?，經(jīng)過這一周的課設(shè)，學(xué)會(huì)了更好的查閱、分析、研究資料的能力，意識(shí)到和同學(xué)討論問題的重要性，互相促進(jìn)能學(xué)會(huì)更多的知識(shí)。指導(dǎo)教師評(píng)語:答辯小組成員簽字：畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位一、撰寫（設(shè)計(jì)）過程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神2、學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問題的能力4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性□優(yōu)□良□中55、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況）？1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平（在所選等級(jí)前的□內(nèi)畫“V"）一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量）？1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義□優(yōu)□良□中□及格□不及格3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 （在所選等級(jí)前的□內(nèi)畫“V”）教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)：一、答辯過程1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見解的敘述情況2、對(duì)答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況3、學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài)）？1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義3、論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平□—優(yōu)□—良□—中□—及格□—不及格評(píng)定成績(jī)：□優(yōu)□良□中□及格（在所選等級(jí)前的□內(nèi)畫“V"）□不及格日教學(xué)系意見:：（學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)特別注明引用的內(nèi)容和致謝的地方外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式注明并表示感謝。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本學(xué)位論文作者（本人簽名）：學(xué)位論文出版授權(quán)書本人及導(dǎo)師完全同意《中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程》、《中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程》（以下簡(jiǎn)稱“章程，愿意將本人的學(xué)位論文提交“中國(guó)學(xué)術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社”在《中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫、《中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》中全文發(fā)表和以電子、網(wǎng)絡(luò)形式公開出版，并同意編入CNKI《中國(guó)知識(shí)資源總庫》，在《中國(guó)博碩士學(xué)位論文評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫》中使用和在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，同意按“章程”規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益?！豕_□保密（年—月至—年—月保密的學(xué)位論文在解密腕遵守此協(xié)議） ），盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（論文）不含任何其二0—0年九月二十日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用授權(quán)聲明）；錄檢索與閱覽服務(wù)系統(tǒng)，公布設(shè)計(jì)（論文）的部分或全部?jī)?nèi)容，允許他二0—0年九月二十日時(shí)間飛逝，大學(xué)的學(xué)習(xí)生活很快就要過去，在這四年的學(xué)習(xí)生活中，收獲了很多，而這些成績(jī)的取得是和一直關(guān)心幫助我的人分不開的