工程光學(xué)照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析

1、課程設(shè)計(jì)說明書 工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)題目：照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析院（系）名稱 信 息 工 程 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級(jí) 光電信息科學(xué)與工程學(xué) 號(hào) 14010210XX 學(xué) 生 姓 名 T X Y 指 導(dǎo) 教 師 2016 年 1 月 10 日課程設(shè)計(jì)說明書 I目錄目錄1 照相物鏡發(fā)展歷程照相物鏡發(fā)展歷程.11.1 風(fēng)情攝影物鏡.11.2 匹茲堡人物物鏡.11.3 對(duì)稱型物鏡.11.4 三片式物鏡.11.5 雙高斯物鏡.21.6 攝遠(yuǎn)物鏡.21.7 反攝遠(yuǎn)物鏡.21.8 廣角物鏡.21.9 變焦距物鏡.22 照相物鏡光學(xué)性能照相物鏡光學(xué)性能.32.1 相對(duì)孔徑.32.2

2、視場(chǎng)角 2W.32.3 焦距F.33 設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)過程.53.1 初始結(jié)構(gòu)的選擇.53.2 輸入?yún)?shù)和縮放.63.3 在 ZEMAX 中進(jìn)行優(yōu)化.8總結(jié)總結(jié).14致致 謝謝.15參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).16課程設(shè)計(jì)說明書 II照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析摘摘 要要隨著信息化時(shí)代的到來，人們對(duì)照相的要求也越來越高，而照相物鏡是照相機(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)到更高的精度和分辨率。完成本課題需要以下幾個(gè)部分第一： 知曉物鏡發(fā)展歷程和物鏡基本光學(xué)性能；第二： 選擇所需器件參數(shù)，符合本次課題設(shè)計(jì)

3、要求；第三： 應(yīng)用 ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行課題設(shè)計(jì)；第四： 對(duì)各結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行反復(fù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之達(dá)到要求的技術(shù)指標(biāo)并顯示快速傅里葉顯示圖，賽德爾系數(shù)，視場(chǎng)、場(chǎng)曲失真圖第五： 總結(jié)了設(shè)計(jì)過程的心得體會(huì)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：ZEMAX；物鏡；賽德爾系數(shù)；快速傅里葉課程設(shè)計(jì)說明書 11 1 照相物鏡發(fā)展歷程照相物鏡發(fā)展歷程物鏡的發(fā)展經(jīng)歷了許多年，經(jīng)過不斷地更新與發(fā)展，實(shí)際用途越來越廣，質(zhì)量越累越好，物鏡經(jīng)歷了以下發(fā)展：1.11.1 風(fēng)情攝影物鏡風(fēng)情攝影物鏡最早出現(xiàn)的照相物鏡在 1812 年是單片的正月牙透鏡，相對(duì)孔徑小于 1:14，視場(chǎng) 50 度以內(nèi)，可用于室外照明良好的條件下拍照。1821 年出現(xiàn)

4、了膠合的透鏡，代替了彎月牙型的單透鏡，雙膠合透鏡因色差得到校正成像質(zhì)量有所提高，但制作成本比較高，正、負(fù)透鏡分離的形式可以得到更好的成像質(zhì)量，因?yàn)殡p分離情形下可以更好地校正色散。1.21.2 匹茲堡人物物鏡匹茲堡人物物鏡1840 年匹茲堡設(shè)計(jì)出了一個(gè)相對(duì)孔徑為 1:3.4，視場(chǎng)為 25 度左右的物鏡，即匹茲堡人像物鏡，該物鏡可用于室內(nèi)攝影，是第一個(gè)依靠設(shè)計(jì)而制造出來的照相物鏡。匹茲堡物鏡是 1910 年以前的所有物鏡中相對(duì)孔徑最大的，它在近軸部分的成像優(yōu)良，至今仍在用作電影放映物鏡等須要大孔徑小視場(chǎng)的場(chǎng)合，匹茲堡物鏡的改進(jìn)形式很多，是現(xiàn)在五大類物鏡中的一類。1.31.3 對(duì)稱型物鏡對(duì)稱型物鏡最

5、早出現(xiàn)的對(duì)稱型物鏡，相對(duì)孔徑很小，如斯坦赫爾的潛望鏡頭，相對(duì)孔徑為 1:30，視場(chǎng)為 70 度，只能用做風(fēng)景攝影。海普崗是這種類型的極限結(jié)構(gòu)，是馮虛格在 1900 年設(shè)計(jì)出的，兩個(gè)透鏡的外表幾乎是半球面，具有 140 度左右的視場(chǎng)，相對(duì)孔徑很小 1:30，但它具有大的無畸變視場(chǎng)，至今仍用在航測(cè)儀器中。數(shù)器、輸入/輸出接口和其他多種功能期間集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)。1.41.4 三片式物鏡三片式物鏡1893 年，塔克洛爾用分離薄透鏡作為對(duì)稱型的一半，設(shè)計(jì)出了柯克三片式課程設(shè)計(jì)說明書 2物鏡，這是能校正所有像差的一種最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，在非對(duì)稱情況下，其獨(dú)立變數(shù)恰能校正七種像差。這種類型現(xiàn)在已具有相

6、對(duì)孔徑 1:4，視場(chǎng) 50 度的光學(xué)性能。如果視場(chǎng)減小時(shí)，相對(duì)孔徑可達(dá) 1:2.8，現(xiàn)在它依舊是一種比較流行的物鏡。1902 年出現(xiàn)的天塞物鏡可看做三式的后面一塊正透鏡改為二塊玻璃膠合的結(jié)果，它在高級(jí)像差方面要比三片式要好。1.51.5 雙高斯物鏡雙高斯物鏡雙高斯與達(dá)崗等對(duì)稱物鏡不同，它是用薄透鏡加厚透鏡的結(jié)構(gòu)。由于具有小半徑的厚透鏡處在薄透鏡后的會(huì)聚光中，近于不暈位置，因此它的像差和帶像差都有所縮小，相對(duì)孔徑比較大，它是現(xiàn)在 1:2 物鏡的主要結(jié)構(gòu)。1.61.6 攝遠(yuǎn)物鏡攝遠(yuǎn)物鏡用正負(fù)二透鏡組所構(gòu)成能使攝影物長(zhǎng)度減短的都稱為攝遠(yuǎn)物鏡。1.71.7 反攝遠(yuǎn)物鏡反攝遠(yuǎn)物鏡由正負(fù)透鏡組分離組成，負(fù)

7、透鏡位于正透鏡之前，從而使主平面后移至物鏡后方，達(dá)到像方頂焦距大于焦距的目的。1.81.8 廣角物鏡廣角物鏡廣角物鏡是以海里的全天照相物鏡出發(fā)的，其視場(chǎng)很大。1.91.9 變焦距物鏡變焦距物鏡物鏡能在一定范圍內(nèi)迅速的改變焦距，從而在投影儀固定不動(dòng)的情況下獲得不同比例的影像，可以代替多個(gè)定焦距攝影物鏡使用。（ 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)最單，像片質(zhì)量最好的一種，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 ）課程設(shè)計(jì)說明書 32 2 照相物鏡

8、光學(xué)性能照相物鏡光學(xué)性能照相物鏡的基本光學(xué)性能主要由三個(gè)參數(shù)表征，即相對(duì)孔徑 D/f，視場(chǎng)角 2w，焦距 f。2.12.1 相對(duì)孔徑相對(duì)孔徑 相對(duì)孔徑是個(gè)比值，鏡頭的有效的孔徑與焦距比值，表示鏡頭的納光束多少。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照相物鏡按其相對(duì)孔徑的大小，大致可分為如下表 1 所示：表 1照相物鏡的相對(duì)孔徑弱光物鏡相對(duì)孔徑小于 1：9；普通物鏡相對(duì)孔徑為 1：91：3.5強(qiáng)光物鏡相對(duì)孔徑為 1：3.51：1.4超強(qiáng)光物鏡相對(duì)孔徑大于 1：1.42.22.2 視場(chǎng)角視

9、場(chǎng)角 2w2w在光學(xué)儀器中，以光學(xué)鏡頭為頂點(diǎn)，以被測(cè)目標(biāo)的物像，可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角叫做視場(chǎng)角。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。視場(chǎng)角越大，視野就越大，光學(xué)倍率就越小。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。按視場(chǎng)角的大小，照相物鏡又可分為如下表 2 所示：表 2 照相物鏡視場(chǎng)角小視場(chǎng)物鏡視場(chǎng)角在 30以下中視場(chǎng)物鏡視場(chǎng)角在 3060之間廣角物鏡視場(chǎng)角在 6090之間超廣角物鏡視場(chǎng)角在 90以上課程設(shè)計(jì)說明書 42.32.3 焦距焦距 ff焦距是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指平行

10、光入射時(shí)從透鏡光心到光聚集之焦點(diǎn)的距離。照相物鏡的焦距決定所成像的大小當(dāng)物體處于有限遠(yuǎn)時(shí)，像高為 y=(1- tan) f：垂軸放大率，。llyy對(duì)一般的照相機(jī)來說，物距 l 都比較大，一般 1 米，f為幾十毫米，因此像平l面靠近焦面，所以fl lf 當(dāng)物體處于無限遠(yuǎn)時(shí)，像高為y=tan f照相物鏡的焦距標(biāo)準(zhǔn)如下表 3 所示：表 3 照相物鏡焦距標(biāo)準(zhǔn)物鏡類型物鏡焦距 f/mm魚眼超廣角廣角7.5151720242825標(biāo)準(zhǔn)段望遠(yuǎn)望遠(yuǎn)超望遠(yuǎn)5085100135200300400500600800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)性能。企圖同時(shí)提高這三個(gè)

11、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)。課程設(shè)計(jì)說明書 53 3 設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)過程3.13.1 初始結(jié)構(gòu)的選擇初始結(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)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。設(shè)計(jì)要求：1、焦距：f=12

12、mm；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6mm；5、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=-f*tanw 計(jì)算。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CMOS 的有效成像面對(duì)角線半徑,防止 CMOS 裝調(diào)偏離光軸而形成暗角

13、。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 所示） ，課程設(shè)計(jì)說明書 6后置光闌三片物鏡原始結(jié)構(gòu)圖 1初始參數(shù)為：焦距分 f=42.12mm；相對(duì)孔徑 2.8；視場(chǎng)角 2w=54。其余參數(shù)如下表 4 所示：表 4 其余參數(shù)r1=13.44d1=4.41n=1.67779v=55.2r2=30.996d2=4.41r3=-40.614d3=1.01n=1.59341v=35.5r4=13.44d4=2.39r5=32.508d5=3.36n=1.6

14、9669v=55.4r6=-27.0063.23.2 輸入?yún)?shù)和縮放輸入?yún)?shù)和縮放將參數(shù)輸入 ZEMAX 中：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 4 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 4 中

15、的課程設(shè)計(jì)說明書 7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，如下圖 2 所示。在 system-general-aperture 中輸入相對(duì)孔徑值 2.8 如下圖 3 所示，在 tools-make focus 中該改焦距為 12mm 進(jìn)行縮放如下圖 4 所示。在 system-wavelength 中輸入所選波段，選 d 光為主波長(zhǎng)如下圖 5 所示。輸入初始參數(shù)如下圖 2 所

16、示：圖 2 輸入相對(duì)孔徑值設(shè)置相對(duì)孔徑值和波段如下圖 3 所示：圖 3：輸入相對(duì)孔徑值改焦距為 12mm 進(jìn)行縮放如下圖 4 所示：圖 4：縮放后圖課程設(shè)計(jì)說明書 8輸入所選波段如下圖 5 所示：圖 5 輸入所選波長(zhǎng) 縮放后得到我們所設(shè)計(jì)的焦距 f=12mm 的初始參數(shù)（如下圖 6 所示） 。圖 6：初始參數(shù)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。到這里，初始結(jié)構(gòu)及其參數(shù)已經(jīng)完成。3.33.3 在在 ZEM

17、AXZEMAX 中進(jìn)行優(yōu)化中進(jìn)行優(yōu)化利用 ZEMAX 得到初始結(jié)構(gòu)的 MTF 曲線（如下圖 7 所示）可看出成像質(zhì)量很差, 因此需要校正像差。課程設(shè)計(jì)說明書 9MTF 曲線圖如下圖 7 所示：圖 7：MTF 曲線圖該結(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 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 MTF

18、T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（如下圖 8 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（如下圖 9 所示） ，再選擇OK，建立缺省評(píng)價(jià)函數(shù)。 （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)系統(tǒng)的球差總和。MTF：指子午調(diào)制傳遞函數(shù)。 ）課程設(shè)計(jì)說明書 10缺省評(píng)價(jià)函數(shù)如下圖 8 所示： 圖 8：缺省評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)置玻璃

19、厚度以及空氣間隔如下圖 9 所示： 圖 9：玻璃及空氣厚度課程設(shè)計(jì)說明書 11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?jī)?yōu)先優(yōu)化如圖 10 所示。 圖 10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

20、鏡間隔和玻璃厚度先后進(jìn)行優(yōu)化。如下圖 11 所示。優(yōu)化后圖 圖 11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) 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)都課程設(shè)計(jì)說明書 12在可接受范圍之內(nèi)。賽德爾系數(shù)如下圖 14 所示：圖 143D 草圖顯示如下圖 15 所示：圖 15：3D 草圖課程設(shè)計(jì)說明書 13在分析（Analysis）的雜項(xiàng)中得出視場(chǎng)場(chǎng)區(qū)圖，然后再在分析中找到點(diǎn)列圖得到如下圖所示的點(diǎn)列圖如下圖 16 所示：圖 16：點(diǎn)列圖優(yōu)化后視場(chǎng)、場(chǎng)曲失真圖如下圖 17 所示圖 17：視場(chǎng)、場(chǎng)曲失真圖課程設(shè)計(jì)說明書 14總結(jié)總結(jié)在這次工程光學(xué)

21、課程設(shè)計(jì)中，我選擇的題目是照相物鏡鏡頭設(shè)計(jì)與像差分析，剛看到這個(gè)題目時(shí)我以為很簡(jiǎn)單，感覺有些熟悉，但是等到做的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)并不是這么回事的，真的到自己做的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)還是很有難度的。在這次課程設(shè)計(jì)中，之所以能夠從當(dāng)初的茫然無措中走出來最重要的就是平時(shí)的光學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)和積累， 。在接到這個(gè)題目之后，我查閱了很多關(guān)于照相物鏡的資料，去了圖書館，又在網(wǎng)上搜到很多的相關(guān)資料，通過對(duì)這些資料的研究和分析。不但對(duì)我的課程設(shè)計(jì)有很大的幫住，而且對(duì)自己的照相物鏡的學(xué)習(xí)也提高了不少，學(xué)到了許多平時(shí)課本上比較模糊的知識(shí)點(diǎn)，知識(shí)變得更加清晰，也更加明了。本文采用 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