《应用光学》课程设计报告-照相物镜设计.doc

汉口学院 应用光学 课程设计报告 报告题目：报告题目：照相物镜设计 学生姓名：学生姓名： 学号：学号： 专业班级：专业班级： 授课老师：授课老师： 二二 o 一四年十二月一四年十二月 2 目目 录录 一、一、选题背景选题背景.3 二、二、设计要求设计要求.4 三、三、外形尺寸计算外形尺寸计算.4 四、四、结构选型及参数计算结构选型及参数计算.5 1.结构选型.5 2.参数数据.6 五、五、zemax 初始数据初始数据.6 1.初始结构参数.6 2.缩放焦距.8 3.更换玻璃.8 六、六、zemax 校正数据校正数据.10 1.设置约束对象.10 2.设置变量.11 3.优化.11 4.最终结构数据.11 七、七、像质评价像质评价.12 1.2d 草图.12 2.场曲和畸变.12 3.快速傅立叶变换调制传递函数.13 4.标准点列图.13 5.光线像差特性曲线.14 6.光路特性曲线.14 八、八、零件图零件图.15 九、九、学习体会学习体会.16 十、十、参考文献参考文献.18 3 一、一、 选题背景选题背景 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、相f 对孔径、视场角表示。此外还提出分辨率的要求，作为保fd/2 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=40 左右)的物镜中相对孔2 径最先达到 1/2 的物镜1225。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。 4 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2 167。 二、二、 设计要求设计要求 设计一照相物镜,其相关技术要求为1238: 焦距;相对孔径;视场角。mmf302/1/fd 402 系统畸变2%;空间频率为 40lp/mm 时,传递函数 mtf 0.4。 三、三、 外形尺寸计算外形尺寸计算 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，达到满足要求的光学特性和成像质量2176。 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 相对孔径和视场角达到要求时, 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。 5 四、四、 结构选型及参数计算结构选型及参数计算 1. 结构选型结构选型 ；mmf30 ；2/1/fdmmd15 。 402 20 根据所要求的技术条件，选用双高斯物镜结构较为合适3。 利用光学设计软件 code v 寻找到一个合适的初始结构4，来自 美国专利 2117252 的初始结构5。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 6 2. 参数数据参数数据 其默认结构参数为时的数据，见表 4-2.1。1f 表 4-2.1 默认结构参数 五、五、 zemax 初始数据初始数据 1. 初始结构参数初始结构参数 打开 zemax,设置相对孔径值，如图 5-1.1 所示。 图 5-1.1 7 按照镜头专利数据如图 5-1.2 所示，设置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 8 2. 缩放焦距缩放焦距 默认结构参数为时的数据，输入焦距 30mm 进行缩放，如 1f 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- mmf30 2.2 所示。 图 5-2.2 3. 更换玻璃更换玻璃 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。 设置当前激活的玻璃库，改为国产玻璃，如图 5-3.1 所示。 图 5-3.1 9 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置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成。 10 六、六、 zemax 校正数据校正数据 1. 设置约束对象设置约束对象 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。 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 11 2. 设置变量设置变量 设置所有面曲率半径及厚度为变量，如图 6-2.1 所示。 图 6-2.1 3. 优化优化 使用 hammer 优化，如图 6-3.1 所示。 图 6-3.1 4. 最终结构数据最终结构数据 得到合适的结构数据，见表 6-4.1。 表 6-4.1最终结构数据 12 七、七、 像质评价像质评价 1. 2d 草图草图 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。 2. 场曲和畸变场曲和畸变 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 合要求。 13 3. 快速傅立叶变换调制传递函数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， 符合要求。 4. 标准点列图标准点列图 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。 14 5. 光线像差特性曲线光线像差特性曲线 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。 6. 光路特性曲线光路特性曲线 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。 15 八、八、 零件图零件图 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 16 九、九、 学习体会学习体会 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 code v 软件，使用 code v 的镜头专利库找到了合适的结构， 而在将 code v 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 c0de v 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，对比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像没 提到渐晕数据，那个结构也只好作罢。 替换玻璃原本是应该按初始玻璃来找参数相近的玻璃，但在 code v 专利中初始玻璃只有一串数据，如“610000.533000” ，搞得 我莫名其妙，以为是外国玻璃编号之类的东西查了半天，后来才突 17 然醒悟就是玻璃折射率与色散值，不过取的是小数点之后的值，略 感无语。 在初始结构完成后开始优化，当真是无头的苍蝇，按原来上课 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 如初始结构来的漂亮，毕竟初始结构已经是十分完美了，只不过缩 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，然后才知道应该有目的性的优 化，限制了 mtf 与畸变值，试了多次后终于有了点样子，达到设计 要求。 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，深刻感受到了实际上“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，我不确定在那种情况下是否合适，有点不踏实但是得 到了结果；而有的是避不开的，比如优化，方法没用对图像显示的 就是不合格，你没法碰巧弄出来，这种时候挺磨人的，甚至想换个 简单点的题目吧，但我磨着磨着最终还是解决了，有种解脱的感觉， 虽说最后发现整个过程用的方法好像和老师教的有点走偏了，但是 结果合适。解决问题很有成就感，遇到问题很头疼，有些问题实际 上很简单但没人指导就是得花很多时间，没人一起讨论实在太痛苦。 当然，也收获了不少，复习了一下相关知识，code v 是个好软件， zemax 多了点熟练度，解决问题的感觉还不错。 18 十、十、 参考文献参考文献 1黄一帆，李林.光学设计教程m.北京:北京理工大学出版社， 200