應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)計(jì)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析

1、應(yīng)用光學(xué)課程設(shè)計(jì)課題名稱： 照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析 專業(yè)班級(jí)： 2009級(jí)光通信技術(shù) 學(xué)生學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 學(xué)生成績(jī)： 指導(dǎo)教師： 課題工作時(shí)間： 2011.6.20 至 2011.7.1 武漢工程大學(xué)教務(wù)處 一、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求要求：1、具備獨(dú)立查閱光學(xué)設(shè)計(jì)理論和像差分析的相關(guān)文獻(xiàn)和資料；能提出并較好地的實(shí)施方案；具有收集、加工各種信息及獲得新知識(shí)的能力。2、具備獨(dú)立設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單透鏡組，能用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)的能力。3、具備采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、仿真、繪圖等能力。4、工作努力，遵守紀(jì)律，工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)，按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)。5、綜述

2、簡(jiǎn)練完整，立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理；文字通順，技術(shù)用語(yǔ)準(zhǔn)確，符號(hào)統(tǒng)一，編號(hào)齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整潔、正確。6、工作中有創(chuàng)新意識(shí)，對(duì)前人工作有一定改進(jìn)或獨(dú)特見解。7、內(nèi)容不少于3000字，圖和計(jì)算結(jié)果可以打印。設(shè)計(jì)一個(gè)成像物鏡透鏡組，照相物鏡的技術(shù)指標(biāo)要求：1、 焦距：f=12mm；2、 相對(duì)孔徑d/f不小于1/2.8；3、 圖像傳感器為1/2.5英寸的ccd，成像面大小為4.29mm5.76mm；4、 后工作距6mm5、 在可見光波段設(shè)計(jì)(取d、f、c三種色光，d為主波長(zhǎng))；6、 成像質(zhì)量，mtf 軸上40% 100 lp/mm，軸外0.707 35%100 lp/mm。7、

3、 最大畸變1米，f為幾十毫米，因此像平面靠近焦面，所以）當(dāng)物體處于無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，像高為 y= （1-2）因此半視場(chǎng)角 =atan （1-3）表1-1中列出了照相物鏡的焦距標(biāo)準(zhǔn)：表1-1物鏡類型魚眼超廣角廣角標(biāo)準(zhǔn)短望遠(yuǎn)望遠(yuǎn)超望遠(yuǎn)物鏡焦距f/mm7.515172024 28 355085 100135 200 300400 500600 800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頻n （1-4）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e=1/4l(d/f)2 (1-5)照相物

4、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3060之間；c）廣角物鏡：視場(chǎng)角在6090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1：91：3.5；c）強(qiáng)光物鏡：相對(duì)孔徑為1：3.51：1.4；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。照相物鏡上述三個(gè)光學(xué)性能參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)，相互制約的。這三個(gè)參數(shù)決定了物鏡的光學(xué)

5、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)。早期的照相物鏡是單片的正彎月形透鏡，其前置一孔徑光闌，之后演變?yōu)殡p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)拍攝，又稱為風(fēng)景物鏡。 最早出現(xiàn)的對(duì)稱型物鏡，屬于簡(jiǎn)單的風(fēng)景物鏡對(duì)稱于光闌的組合，相對(duì)孔徑仍然很小，如hypogon物鏡。之后又出現(xiàn)protar物鏡，dagor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55時(shí)，相對(duì)孔徑可以達(dá)到1：3.51;2.8

6、,在視場(chǎng)角適當(dāng)降低時(shí)，相對(duì)孔徑可提高到1：2.4以上。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。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。設(shè)計(jì)過程2.1初始結(jié)構(gòu)的選擇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)

7、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。原設(shè)計(jì)要求：1、焦距：f=12mm；2、相對(duì)孔徑d/f不小于1/2.8；3、圖像傳感器為1/2.5英寸的ccd，成像面大小為4.29mm5.76mm；4、后工作距6mm5、在可見光波段設(shè)計(jì)(取d、f、c三種色光，d為主波長(zhǎng))；6、成像質(zhì)量，mtf 軸上40% 100 lp/mm，軸外0.707 35%100 lp/mm。7、最大畸變1%照相物鏡的視場(chǎng)角和有效焦距決定了攝入底片或圖像傳感器的空間范圍, 鏡頭所成的半像高y 可用公式y(tǒng) = - f

8、 tanw計(jì)算, 其中f 為有效焦距, 2w 為視場(chǎng)角。半像高y 應(yīng)稍大于圖像傳感器ccd 或cmo s 的有效成像面對(duì)角線半徑, 防止cmo s 裝調(diào)偏離光軸而形成暗角。經(jīng)過簡(jiǎn)單計(jì)算：y=sqrt(4.292+5.762)/23.6mm,w=atan(y/f)16.66視場(chǎng)角2w=33.32。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），初始參數(shù)為：焦距分f=42.12mm;相對(duì)孔徑1：2.8；視場(chǎng)角2w=54，其余參數(shù)見表1-2。 表1-2r1=13.44d1=4.41n=1.67779v=55.2r2=30.996d2=4.41r3=-40.614d3=1.01n=1.

9、59341v=35.5r4=13.44d4=2.39r5=32.508d5=3.36n=1.69669v=55.4r6=-27.0062.2輸入?yún)?shù)和縮放將參數(shù)輸入zemax：其中第六面設(shè)為光闌面，厚度設(shè)為marginal ray height，移動(dòng)光標(biāo)到sto光闌面（中間一個(gè)面）的“無(wú)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鍵兩次。移動(dòng)光標(biāo)到ima像平面，按insert鍵兩次。在lde曲率半徑（radius）列，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（thickn

10、ess）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 ray height。在鏡片類型（class）列輸入鏡片參數(shù)，方法是:在表中點(diǎn)右鍵對(duì)話框solve type選中model，index nd中輸入n值abbe vd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，根據(jù)要求選d光為主波長(zhǎng)。然后在tools-make focus中該改焦距為12mm進(jìn)行縮放。圖1：后置光闌三片物鏡原始結(jié)構(gòu)輸入初始參數(shù)：設(shè)置相對(duì)孔徑值和波段：輸入焦距12mm進(jìn)行縮放：縮放后

11、得到我們所設(shè)計(jì)的焦距f=12mm的初始參數(shù)（如圖2所示），現(xiàn)在開始定義視場(chǎng)，我們根據(jù)之前所得像高y=3.6mm,依次乘以0，0.3，0.5，0.7071得到所選孔徑光束的y-field，即0，1.08，1.8，2.5452輸入到system-field中，類型選擇真值高度。圖2到這里，初始結(jié)構(gòu)及其參數(shù)已經(jīng)完成。2.3在zemax中進(jìn)行優(yōu)化利用zemax得到初始結(jié)構(gòu)的m tf 曲線（如圖8 所示）可看出成像質(zhì)量很差, 因此需要校正像差。圖8該結(jié)構(gòu)可以用作優(yōu)化變量的的數(shù)據(jù)有：6個(gè)曲率半徑，2個(gè)空氣間隔，3個(gè)玻璃厚度。首先使用default merit function建立缺省評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選擇

12、editors-merit function，在第一行中先輸入effl，目標(biāo)值設(shè)為12，權(quán)重設(shè)為1。在輸入spha，在target中輸入0.4，在weight中輸入1。第二個(gè)blnk改為mtft并enter，在freq中輸入100，在target中輸入0.04，在weight中輸入1。同理輸入mtfa和mtfs（如圖9所示）。再選擇tools-default merit function，設(shè)置玻璃厚度以及空氣間隔，start設(shè)為2，再選擇ok，建立缺省評(píng)價(jià)函數(shù)。注：effl：effective focal length的縮寫，指定波長(zhǎng)號(hào)的有效焦距。 spha：指球差，如果surf=0，則指整個(gè)

13、系統(tǒng)的球差總和。 mtf：指子午調(diào)制傳遞函數(shù)。圖9然后在analysis-aberration coefficients-seidel coefficients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even asphere，并將此行的4th term、6th term、8th term設(shè)為變量。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。到這一步后發(fā)現(xiàn)已經(jīng)基本符合設(shè)計(jì)要求，再根據(jù)

14、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)。2.4優(yōu)化結(jié)果 結(jié)論與思考本文配套一款1/2.5英寸的ccd傳感器進(jìn)行照相物鏡中的遠(yuǎn)距物鏡的設(shè)計(jì)。采用1片非球面塑料, 3片球面玻璃透鏡, 在zemax 中使用合適的優(yōu)化函數(shù)和權(quán)重對(duì)像差進(jìn)行校正, 逐步消除了基本像差、高級(jí)像差, 并進(jìn)行了像差平衡, 獲得了實(shí)際焦距11.953mm照相鏡頭, 各個(gè)市場(chǎng)畸變控制在1%以內(nèi),m tf 曲線也比較理想, 鏡頭總長(zhǎng)為14.3602 mm。該鏡頭不僅體積小, 結(jié)構(gòu)緊湊, 而且像質(zhì)較好。在此次設(shè)計(jì)中，我們發(fā)現(xiàn)光闌面使用非球面能夠很好的平衡像差，同時(shí)我

15、們只進(jìn)行了對(duì)玻璃厚度和曲率的簡(jiǎn)單優(yōu)化，查閱相關(guān)資料后設(shè)想如果將第一面的透鏡換為鼓形透鏡，第二面換為彎月透鏡或換成折射率更高的玻璃，還可以進(jìn)一步做出深度優(yōu)化，使之獲得更好的表現(xiàn)。六、指導(dǎo)教師評(píng)分評(píng)價(jià)內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重得分調(diào)查論證能獨(dú)立查閱文獻(xiàn)和從事其他調(diào)研；能提出并較好地論述課題的實(shí)施方案；有收集、加工各種信息及獲得新知識(shí)的能力。10實(shí)踐能力獨(dú)立設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖的能力（課程設(shè)計(jì)）；能正確選擇研究（實(shí)驗(yàn)）方法，獨(dú)立進(jìn)行研究的能力（學(xué)年論文） 15分析解決問題能力能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實(shí)際問題（課程設(shè)計(jì)）；或能對(duì)課題進(jìn)行理論分析，得出有價(jià)值的結(jié)論（學(xué)年論文）。15工作量、工作態(tài)度按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)，工作量飽滿，難度較大，工作努力，遵守紀(jì)律；工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)。10質(zhì)量綜述簡(jiǎn)練完整，有見解；立論正確，論述充