王星國 激光一班 1409090418 工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書

武漢工程大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)名稱：工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目：三片式數(shù)碼物鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)學(xué)院名稱：理學(xué)院專業(yè)班級(jí)：激光一班學(xué)生學(xué)號(hào)：1409090418學(xué)生姓名：王星國學(xué)生成績：指導(dǎo)教師：課程設(shè)計(jì)時(shí)間：2016/06/27至2016/07/03武漢工程大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)1課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和基本要求查閱相關(guān)資料，光學(xué)設(shè)計(jì)的基本概念、光學(xué)玻璃的相關(guān)知識(shí)和軟件的使用。學(xué)習(xí)各種像差的基本概念、描述及評(píng)價(jià)方法，掌握近軸光線追跡公式。本課題要求設(shè)計(jì)出一個(gè)三片式數(shù)碼照相物鏡，要求的光學(xué)特性為：，,；像質(zhì)主要以調(diào)制傳遞函數(shù)MTF衡量，具體要求是對(duì)于低頻（17lp/mm），視場中心的MTF≥0.9，視場邊緣的MTF≥0.80；對(duì)于高頻（51lp/mm），視場中心的MTF≥0.3，視場邊緣的MTF≥0.20，另外，最大相對(duì)畸變dist≤4%。該物鏡對(duì)d光校正單色像差，對(duì)F、C光為校正色差。學(xué)習(xí)使用ZEMAX進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和報(bào)表輸出，分析各種初級(jí)像差并設(shè)置優(yōu)化函數(shù)；設(shè)計(jì)三片式數(shù)碼照相物鏡并優(yōu)化，對(duì)像差做簡單的分析之后，撰寫課程設(shè)計(jì)論文。課題設(shè)計(jì)（論文）難度適中，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)。綜述簡練完整，有見解；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；論文（設(shè)計(jì)）結(jié)果有一定的參考價(jià)值。二、進(jìn)度安排6月27日：了解光學(xué)設(shè)計(jì)的基本概念、光學(xué)玻璃的相關(guān)知識(shí)和軟件的使用。以單透鏡的設(shè)計(jì)為例學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的錄入，基本概念和設(shè)計(jì)思想在軟件中的實(shí)現(xiàn)，初步掌握ZEMAX的分析工具和數(shù)據(jù)含義及輸出。6月28日至6月29日：學(xué)習(xí)各種像差的基本概念、描述及評(píng)價(jià)方法，掌握近軸光線追跡公式。6月30日：學(xué)習(xí)查找文獻(xiàn)資料，選擇合適的數(shù)碼物鏡初始結(jié)構(gòu)，用縮放法進(jìn)行縮放，緩慢調(diào)整有關(guān)參數(shù)并優(yōu)化，并最終得到比較好的設(shè)計(jì)參數(shù)。學(xué)習(xí)光學(xué)玻璃材料知識(shí)，通過選擇合適的玻璃，校正像差。7月1日：整理思路，撰寫課程設(shè)計(jì)論文，論文中要體現(xiàn)像差概念和評(píng)價(jià)、體現(xiàn)zemax評(píng)價(jià)函數(shù)的構(gòu)造及優(yōu)化過程像差的變化；檢查格式，符合課程設(shè)計(jì)論文格式要求。7月2日至7月3日：課程設(shè)計(jì)答辯并上交論文；本科生課程設(shè)計(jì)成績?cè)u(píng)定表姓名王星國專業(yè)班級(jí)激光一班學(xué)號(hào)1409090418課程設(shè)計(jì)題目：三片式數(shù)碼物鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)答辯記錄：（手寫）成績?cè)u(píng)定依據(jù)：項(xiàng)目得分比例考勤記錄設(shè)計(jì)結(jié)果報(bào)告撰寫答辯成績備注：成績?cè)u(píng)定依據(jù)的項(xiàng)目內(nèi)容和項(xiàng)目分值比例可以由老師按指導(dǎo)的專業(yè)進(jìn)行調(diào)整，但成績?cè)u(píng)定依據(jù)的項(xiàng)目數(shù)不得少于3項(xiàng)。最終評(píng)定成績：指導(dǎo)教師簽名：年月日Ⅰ目錄Ⅰ透鏡數(shù)據(jù)編輯器以及定義系統(tǒng)參數(shù) 21.2在工具選項(xiàng)中選擇雜項(xiàng)中的生成焦距選項(xiàng)，并輸入6 21.3輸入視角參數(shù) 21.4在ZEMAX中插入面并輸入數(shù)據(jù) 2Ⅱ優(yōu)化方案 4Ⅲ優(yōu)化步驟 43.1優(yōu)化radius 43.1.2數(shù)據(jù) 53.2第一步優(yōu)化 63.3第二步優(yōu)化 73.4優(yōu)化第三步 93.5第四步優(yōu)化: 103.5.1修改glass。 10Ⅳ總結(jié)和結(jié)論 14Ⅴ、參考資料或參考文獻(xiàn) 15

一透鏡數(shù)據(jù)編輯器以及定義系統(tǒng)參數(shù)1.1類型和數(shù)值大小。在ZEMAX的工具欄中選擇‘Gen’按鈕。在里面輸入系統(tǒng)孔徑類型和數(shù)值大小。并且設(shè)定單位為毫米。1.2在工具選項(xiàng)中選擇雜項(xiàng)中的生成焦距選項(xiàng)，并輸入6.3該三片式數(shù)碼物鏡的視場角是50°，所以設(shè)置三組視場角，（0.0），（0.17.56），（0.25）如圖一所示圖一1.4在ZEMAX中插入面并輸入數(shù)據(jù)（1）在完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置后，即可在LDE中設(shè)定各面的參數(shù)。LED中的每一行，對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的面。也正是如此，兩個(gè)有玻璃隔開的面就組成一個(gè)單透鏡。添加結(jié)束后就可以輸入透鏡數(shù)據(jù)。在表格中我們要輸入玻璃的類型，玻璃的厚度(這個(gè)厚度指沿著光軸方向上從當(dāng)前面道下一面的距離)。再優(yōu)化時(shí)我們要將厚度作為變量。按照缺省設(shè)置，LDE只有3個(gè)面。如果要加入新的面，可以用鍵盤上的insert鍵，或者從LDE的菜單欄選擇EDIT>INSERTSURFACE。這兩種操作方式的結(jié)果，都是在當(dāng)前光標(biāo)的前一行加一個(gè)新的面。（2）再添加結(jié)束以后，在表格里面輸入玻璃材料的數(shù)值輸入數(shù)據(jù)如下SurfTypeCommentRadiusThicknessGlassDiameterConicOBJSTANDARD無限遠(yuǎn)無限遠(yuǎn)001STANDARD無限遠(yuǎn)1.4999413.94214902STANDARD2.6076780.2693895SK42.2951303STANDARD-30.561960.70857232.3127910STOSTANDARD無限遠(yuǎn)01.18111205STANDARD-2.4330250.1685934F71.21155506STANDARD2.5007020.52917931.28349707STANDARD9.8860530.2693895SK42.387708STANDARD-2.0817995.1833552.2695410IMASTANDARD無限遠(yuǎn)5.7192530二優(yōu)化方案在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足給定的約束條件，有兩種方法：(1).將對(duì)約束條件有影響的參數(shù)設(shè)為變量，并且在評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器中，添加邊界約束條件(2).采用特殊的solve，以強(qiáng)化約束條件，同時(shí)消除不必要的變量。在這兩種方法，后一種效果會(huì)跟好，雖然兩種方法都可以通過調(diào)整透鏡參數(shù)來維持特定的邊界條件的目的，但是額外添加條件，會(huì)減慢評(píng)價(jià)函數(shù)的運(yùn)行速度。（3）在優(yōu)化結(jié)束后，我們要對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)估，使用最基本的四種分析功能：Layout,SpotDiagram,opdfan,rayfan;三優(yōu)化步驟3.1優(yōu)化radius3.1.1優(yōu)化前：如圖二，圖二3.1.2數(shù)據(jù)SurfTypeCommentRadiusThicknessGlassDiameterConicOBJSTANDARD無限遠(yuǎn)無限遠(yuǎn)001STANDARD無限遠(yuǎn)1.4999413.40618702STANDARD2.6076780.2693895SK42.14614903STANDARD-30.561960.70857232.1304480STOSTANDARD無限遠(yuǎn)01.18111205STANDARD-2.4330250.1685934F71.21155506STANDARD2.5007020.52917931.26293507STANDARD9.8860530.2693895SK41.99446408STANDARD-2.0817995.1833551.9741970IMASTANDARD無限遠(yuǎn)4.4117010在圖二中可以看出該光學(xué)系統(tǒng)還是有很大的缺陷.子午面光線扇可以觀察出來y反向上有不足。其中不僅有球差，彗差，畸變，和象散，還有其他像差。在最大視場處，幾何和RMS半徑大約分別是5.501和1606993.2第一步優(yōu)化：3.2.1打開編輯里的優(yōu)化函數(shù)選擇。選擇其中的EFFL函數(shù)。再優(yōu)化過程中，要使該參數(shù)可以自由變化，用右鍵選定單元格，然后再鍵盤上擊Ctrl+z，即設(shè)置該參量為自由變量。最后點(diǎn)擊opt選項(xiàng)，對(duì)該參量進(jìn)行優(yōu)化3.2.2優(yōu)化后:，圖三圖四由圖可以看出優(yōu)化后的各種像差已經(jīng)得到優(yōu)化.。3.3第二步優(yōu)化：3.3.1將鏡面厚度進(jìn)行調(diào)整，從而使RMS像差最小。分別調(diào)整為0.37，0.27，0.37.調(diào)整后對(duì)改組數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化3.3.2優(yōu)化后，圖五圖六從圖五，圖六中我們可以看出優(yōu)化后的后的已自動(dòng)發(fā)生變化。優(yōu)化后各性能曲線已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化3.4優(yōu)化第三步3.4.1完成變量設(shè)置以后，可以構(gòu)造DefaultMeritFunction。評(píng)價(jià)函數(shù)是在同一個(gè)LDE完全不同的單獨(dú)的編輯器內(nèi)構(gòu)造。在ZEMAXZ中打開MFE，可以從主菜單上選擇EDITORS>MERITFUNCTION.圖七圖八3.5第四步優(yōu)化:3.5.1將glass選項(xiàng)中的可變參量更改為substitute.并進(jìn)行優(yōu)化。注意每更改一次都要進(jìn)行一次優(yōu)化，并且要按照2號(hào)到7號(hào)到四號(hào)的順序數(shù)據(jù)Surfaces:9Stop:4系統(tǒng)光圈:圖像空間F/#=4GlassCatalogs:SCHOTTRayAiming:Off變跡:均衡,統(tǒng)一的,因子=0.00000E+000有效的焦點(diǎn)長度:6.000916(系統(tǒng)溫度和壓力在空氣中)有效的焦點(diǎn)長度:6.000916(在像空間)BackFocalLength:5.057117統(tǒng)計(jì)軌跡:8.80481圖像空間F/#:4離軸工作面F/#:4工作面F/#:4.018374ImageSpaceNA:0.1240347物空間NA:7.501145e-011光闌半徑:0.5977756離軸像高:2.798273近軸放大率:0入瞳直徑:1.500229入瞳區(qū)域:2.648582入瞳直徑:1.565312入瞳直徑區(qū)域:-6.26125FieldType:Angleindegrees最大視場:25主光波長:0.5875618鏡頭單位:毫米角度放大率:0.9584214SurfTypeCommentRadiusThicknessGlassDiameterConicOBJSTANDARD無限遠(yuǎn)無限遠(yuǎn)001STANDARD無限遠(yuǎn)1.4999413.97033702STANDARD3.4812060.37N-LASF442.37648703STANDARD68.05560.70857232.2339610STOSTANDARD無限遠(yuǎn)01.20619305STANDARD-3.1732090.27TIF61.22631506STANDARD3.2301560.52917931.36247107STANDARD23.518710.37N-LASF442.19559508STANDARD