照相物镜设计

1、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：二O 一四年十二月录一、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、

2、学习体会16十、参考文献 17一、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 f 、相对孔径 D/f 、视场角2.表示。此外还提出分辨率的要求，作为保证产品质 量的技术条件。

3、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2、=40o左右）的物镜中相对孔 径最先达到1/2的物镜经5。双咼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。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

4、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2167。二、设计要求设计一照相物镜，其相关技术要求为1238:焦距f、30mm相对孔径D/ f、1/ 2;视场角2技=40。系统畸变<2% ;空间频率为40lp/mm时，传递函数MTF > 0.4。三、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

5、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。四、结构选型及参数计算1. 结构选型f ：二 30mm;D/ f = 1/ 2 二 D 二 15mm;2 . - 40 - 20 。根据所要求的技术条件，选用双高斯物镜结构较为合适。利用光学设计软件CODE 寻找到一个合适的初始结构，来自 美国专利2117252的初始结构。其相对孔径和视场角都满足要求，如图4-1.1所示图 4-1.12. 参数数据其默认结构参数为二1时的数据，见表4-2.1表4-2.1默认结构参数表面编号物面2345光阑7F g w H表面名称表

6、面类型面面面面面面球-球球球球球- - - - -面®面F-莎;-aL 步:-步2 - ( -无限"0.64022 6345I'6.4016"2'25370.2456无限-0.28730.4613 "-O'.3718I1 7786J-i '.0339无限|0 0795 " F' 6 i'0bo6'.'5 3 3000'00060t0.1451 i 623400.56200000398t'608300.'39666b"0：0994"0099

7、4 "I00398' ? 605400.380066'0.309063015°0.25780.21820.1640.15950.15490.1292620903 020030.0050"' 00805" I'623400.0620000：6539(owoo"0.19770.20580.24130.24800'.3612'°'五、ZEMAX初始数据1. 初始结构参数打开ZEMAX,设置相对孔径值，如图5-1.1所示FilesNon-Sequential | Polarization

8、 | Ray Aiming | Misc,Aperture Title/Notes | Units | Glass CatalogsEnvironment光圈类型：光圈数值：变迹法：变迹因子:厂远心光阑面图 5-1.1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 5-1.2Field Data甬度度） 广物面高度ft F F r厂厂厂厂厂厂厂厂7DK1TC7VAN1, ooooI. 0000GOODDOOD:.oooo:.0000,00001, ooco：.DQCQ0. 000000. 000000. 000000. 000000. 00000|o. ooooo

9、|o. 00000|0, 000000. 000000. OQOOQH. 00： DOu. DO：000. 000000. 200000. 400000. 000000. 000000. no coo0. DO 3000. 00000|0, DOCO00. DO COOI Cl DOC DO| Cl 00 300图 5-1.3将表4-2.1中初始参数输入ZEMAX如图5-1.4所示Surf JlieTeCoimeni;RadlkisThlelenftsaGl&asStHd-DlMjecezOBJIftfifiicyIfiflftlty1OG4O220D-0795 311»61

10、,53-3290342Standard2£3440t971D0DE.-0D30.2S5B793Standardmen0-1-41143.1.&.24StandAzd2 -3530口0-03与勺占占1 - £1 p 3 & - gdJDS?占亍5S匸聪口鼻r口0,16161#5TOSsn 血!*I-ofinityO.C»41S0,1606317-0£B730U0.0397K1.61,35.0 1MM1B5Ear.darc3O.4«12&QD.1292S71-62,57.22D3322gSc-adAEd-371010电.s7

11、ioaoE-ao3a.aiiTS-sID5ta.d.4.xd丄7?asofl0.005252513411Standard1033900越0.2S7452LMSt ar.dj.rdZn famty-图 5-1.42. 缩放焦距默认结构参数为二1时的数据，输入焦距30mm进行缩放，如图5-2.1所示。建立焦长图 5-2.1缩放后得到我们所设计的焦距 厂二30mm的初始参数，如图5-2.2所示。Surf; IjtPeCamr.eDEEadiuaTtHcIm-easGlassSML1-Diam.e ceOBJS t az； da r dInfinityInfinityInf jjaieyiSt azi

12、dirzl±b3e.£ft£g.dML# B3.3a.iaso?2St-andazd31J,04BBSS弔.3S41S9lvfiJr5£r27,1-253334lr1929141.<61,39.«e-.lQ5Z«5ScantlardT3«62792.9B230D从93B2«95TOSE-azsda.rdIrt-fifiity2.SB23O04.6107997Sta.d-s.zd-e-6187411.192914九.SLj.lB.04.639101_fiStandard首卿rr9mt沖曲垣-11,153S55-

13、0.11M36S,3536B1IQ53,353337Zb41S77l.Hr&CrZ7,51630711Scanilaid-31DJL酝0肯耳19.61645M.7.723315LEXIafiflity-1D.B472S图 5-2.23. 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。FilesNon-Sequential | Polarization | Ray Aiming | Misc.Aperture | Title/Notes Units Glass Catalog

14、s Environmentt Usm Catalog -CHINA图 5-3.1使用玻璃替代功能，如图5-3.2所示变更厂厂厂ATI确走(0)放笄©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: TeCcoim±n.t.£Eadj.usTtn.ckziEJ3G1EI52SmelDxame t exD3JStiandardI zif inlEyInf iziLt /Inf micy2P3B5e5BZBC30耳2巧，2112$口. llifizcB.55P9Z13Sc-aiidiarl12,06

15、53835159EKLCI3T4OB87441S&Mdard1192914BJ0361356905Sta-ndard7-36627&H91695STDS-tajideirdInfinity2u$g23OD4.A0D3S1Tftaxidcrd-Ad«ia?4i1.1S2S14Fl£轧凹口.pd13.3EIU 口S10135?ScncliaTd-11.153»50.1491266,353749ig53.3533972r-«1567TZK1D37,53649011Se&mlard-31.DI6068JL. 556955M丁.71073I

16、MJl-ID.4802图 5-3.3到此，初始结构及其参数已经完成。六、ZEMAX校正数据1.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所示优化函数和彗考RMSWavefront 二Centroid瞳孔整合方法俺高斯求积r矩形的排列环带(Rings) : |3网格:14 X 4 |臂(Arms) :|63 厂披任意面拦住的光线不11出边缘厚度F1玻璃：最小：1最犬：|5边线：Q 5两空气：最小：61最大:(50边线：(05P采取轴的对称开始在：1r忽略横向互补颜邑相对X权重：|1. 0000全部权重：1. 0000确定(0) I放弃(C) II保存(引I加载

17、L) |复位® |帮助(H)图 6-1.1在MTE里添加MTFT及MTFS勺束各个视场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Qp tr fTypeWaveTEi3亡i：1 EFFLEFFL2jo.oaooool-D&oaoo2 NT FTrnrr*01o.doomms.i.omoo3 MTFTKT IT102f0.000000 4MQCI0i.o&aaoo弓 MTFSHTT511吐dgooDDa0.4DCI0DD1DDDOODE HTFSHTJS1D240.000000a.ioaaoD1-DDOaOD£ E

18、ZHXDIHX0200.G200DD1-DDOaOD7 IMFSDHFSS SLKKSINKDef ault ncEit f'dinc&icin; RHSresit- Tenrr-z-id3 ring? 6 a moS SLHK3L£IKE*= fault： air ciLiGkDE：3iai bpuzidaiy con3trB.iii,ta>.LC HHUAHNCA111口. LDdODDlaDDDOOD11 tDCCAHXCA1115a.DoaaoDl.DDOaOD1.2 HHEJl111o.BDaaool-D&oaaoeiwtOICG111l.QO

19、HHiQO"MXEHXCDi114.DD0DD1Q HgQ“ NNL S111g.BoagoDlDDDaOD图 6-1.22.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3uxr：TypeCsnMnx：5l6bdLU.3G1A3 35«nlDi4Lmex«xrOBJInfinityInflnlcvinrmity11.即.20603V£VZE2D5S.BQ761S25T.AHd&rd79.031126V0.14912-6V£.560923Standard1G O4flS3iaV4.3S41S9V2E10ST 40«

20、8741eSt4s.nda.ril4?.£oas9VVBAJ7sg.L3£9口57P366J79VJ,93ZJOOV5T0StandardInfinityV4.304)3917Standard-自.-61371VLVFl5.623011g.StAtidard133979&4V3-67699VZEID5J101357PStandard一丄丄丄VDul912£V百.35374910Sz-andard.!i3.3S33StV2»41S«?V2K1DS丁.弓3右与9口11-31.O1S0SBV19.S5695SV7=71073imInflrii

21、ity1O.S219C2图 6-2.13. 优化使用Hamme优化，如图6-3.1所示锤®(H)|DLS(Auto)'l：!' II 退出(E)锤形(H)DLS(Auto 1退出fl Var： 21fl Tar:82fl CPU:f73ff Var: 21 # Tar: 82ff CPU : R匸厅自动更新系统：07自动更新系统；83S42初始MF：1. 2365245S7初始MF：1.236524567当前HF：1. 236524567当前 MF:0.219582000IdleRun time: 4. 733 min图 6-3.14. 最终结构数据得到合适的结构数据

22、，见表6-4.1表6-4.1 最终结构数据Surf: TeCcmm±n.t.Aadj.usT!n.i.ckziej3Slid 52SmelDxame t exoajStiaudaz'd.Izif xnicyInfinityInf j. nicy2亍匸鼻n阳匕口IS,V2,05976VLAKS3£45盟阴2Sc«nd；ard47,15731?VOrlBlSfiJVB,e-6"156312.32460S.115519V£Kig3T57199041Studard-0.990527V0S99175VEl3竜、6321315SE-andard6.

23、019S75V3.11360丁V4 95733 6STDS-taxidardIzl£xd±ySu 02156：V4.74353B7ftudcrd-7.768721VOSOllTV已雪4. A10M«sStndlBird=-S3339SlV3V:LAK£s341093-11,079131¥0PZ2?J31Ve.COKQO10193.21306VVUi2a7,95072511Standard-2 D. C41O5-5VL各.675475VB.Da9751IMJk3tandAr社IstfiEiitV-lD.Sa34D0七、像质评价1. 2D草图图 7

24、-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riELD CimnnLiPTEI3T0K：ri0NFIELD QJFMnnUPTcciSTnrioNFtB凸 CiURURTlGE 口T£TC!l=!TI：l>iTHU DEC LB 3DIHrfi&：IMUH FIELD IS 2S.I30D DEGREES kF¥.ELENiTHS； 二 EiSE hBhC- 1MX caNFiGumizow a cr 丄THU DEC L 2m Hrfi&：IMUH FIELD IS 2S.Q0D (DEGREES k

25、RELENCTHS； D HB£二上3E 阳七S- 1MX caNFiGumnow a ar i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。3快速傅立叶变换调制传递函数LLLe31I-uo srnn 口E亠TH匸. fflTH FDR ZJ=FFCEA-DIEaNPiGUBftTi I ar lPllLT&frriMTIEHTF& 2MX caNFiGuwriDw i ar L图 7-3.1图 7-3.2如图7-3.1所示，为优化前；如图7-3

26、.2所示，为优化后。MTF直优化后，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hii r.im h?1nil 加 BkDQ静1CT jjlfh薪i?1HU DEC L3 JBHLIMITS 4EU,EE LU :23牝取UILEi ；裁 旦低七円血步EC flUHti >T?.:iS3呱乩FITiuB.iW3JLE 1ST： 1 IBBFEFEH3MCE:CKrsr PTfGEaNFIGUWTIOH I OF 1ni> M.HS MEiFUT 匚 IflCFiBN韻严归严L MTS FK s3?ts ismLEj :IB.UA23

27、1 ffllC1£ i|工那I3.SUKJILt ffF EItHEHMT : MEET UHG- 1MX(XJNF IGURflTIOW 1 ar L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。5.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。八、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）(

28、_ 2,55 )对财料餌搓事A nj3C30光学均対性4光找收爲叢4应力戒折射3祭就度2C1C对零件的要求N30.5RAY3'E3k0.25ff42.55L-43.40L<40.7&IXm is, £i m航 194技术娶求GB13L6/1.1.护 587,5 nm标记臬畋文怦爭整卓卑月ET年月 日标唯化年月 日2 : 1审械工艺村料LAK5图 8-1.1九、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

29、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ZEMAXt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的镜头专利库找到了合适的结构，而在将CODE 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 CODE 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