光學(xué)課程設(shè)計(jì)課設(shè)計(jì)說(shuō)明題：于ZEMAX照物設(shè)學(xué)（電工學(xué)年專：10儀三學(xué)

號(hào)學(xué)姓：指教：教職：

副授光學(xué)課程設(shè)計(jì)燕大課設(shè)（文任書院（系氣程學(xué)院學(xué)號(hào)設(shè)計(jì)題目設(shè)

學(xué)生姓名

基層教學(xué)單位：自動(dòng)化儀表系專業(yè)（班級(jí)）10級(jí)儀表三班計(jì)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)要求工作量工作計(jì)劃參考資料

焦距：f15mm；相對(duì)孔徑：1/2.8；在可見(jiàn)光波段設(shè)計(jì)(取d、、三種色光）視場(chǎng)角2w=74°簡(jiǎn)述照相物鏡的設(shè)計(jì)原理和類型；確定照相物鏡的基本性能要求，并確定恰當(dāng)?shù)某跏冀Y(jié)構(gòu)；3、輸入鏡組數(shù)據(jù)，設(shè)置評(píng)價(jià)函數(shù)操作數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和像差結(jié)果分析；4、給出像評(píng)價(jià)報(bào)告，撰寫課程設(shè)計(jì)論文查閱光學(xué)設(shè)計(jì)理論和像差分析的相關(guān)文獻(xiàn)和資料出并較好地的實(shí)施方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單透鏡組，并用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)第一天、第二天：熟ZEMAX軟件的應(yīng)用，查閱資料，確定設(shè)計(jì)題目進(jìn)行初級(jí)理論設(shè)計(jì)第三天、第四天：完善理論設(shè)計(jì)，運(yùn)用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，撰寫報(bào)告第五天：完善過(guò)程，進(jìn)行答辯《光學(xué)設(shè)計(jì)西安電子科技大學(xué)出版社，劉鈞，高明，，10《幾何光學(xué)像差光學(xué)設(shè)計(jì)，浙江大學(xué)出版社，李曉彤，岑兆豐，《實(shí)用光學(xué)技術(shù)手冊(cè)機(jī)械工業(yè)出版社，王之江，2007.1指導(dǎo)教師簽字

基層教學(xué)單位主任簽字光學(xué)課程設(shè)計(jì)摘要

目錄?????????????????????????1第一章簡(jiǎn)述照相物鏡設(shè)計(jì)原理和型

?????第二章

設(shè)計(jì)過(guò)程

????????????????2.12.22.3

根據(jù)參要求確定恰的初始構(gòu)???????4優(yōu)化設(shè)過(guò)程?????????????????優(yōu)化結(jié)像差結(jié)果分?????????????第四章課設(shè)總結(jié)參考文獻(xiàn)

????????????????光學(xué)課程設(shè)計(jì)摘要人們?cè)缇陀虚L(zhǎng)期保存各種影像的愿望。在攝影技術(shù)尚未發(fā)明前的公元四世紀(jì)時(shí)人們按投影來(lái)描畫人物輪廓像的方法達(dá)到了全盛時(shí)代至今這種方法仍然作為剪紙藝術(shù)流傳著后來(lái)人們讓光線通過(guò)小孔形成倒立像進(jìn)而將小孔改為鏡片，并加裝一只暗箱。只要在暗箱底板上放一張紙，不僅可以畫出輪廓，還可以畫出像上的各個(gè)部分就形成了照相機(jī)的機(jī)構(gòu)雛形。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，照相機(jī)的發(fā)展日益迅速有著顯著的飛躍照相物鏡是照相機(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)到更高的精度與分辨率。本文所討論的照相物鏡它主要采用后置光闌三片物鏡結(jié)構(gòu)其中第六面采用非球面塑料其余面采用標(biāo)準(zhǔn)球面玻璃應(yīng)用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)了一組焦距'=15mm的照相物鏡,相對(duì)孔徑D/’=2.鏡頭總長(zhǎng)為15.1366mm，整個(gè)系統(tǒng)球差0.000192，慧差0.000432，像散0.002716。完全滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字：

照相物鏡ZEMAX

設(shè)計(jì)1光學(xué)課程設(shè)計(jì)第一章簡(jiǎn)述照相鏡的設(shè)計(jì)原和類型照相物鏡的基本光學(xué)性能主要由三個(gè)參數(shù)表征。即焦距相對(duì)孔徑’和視場(chǎng)角2w。照相物鏡的焦距決定所成像的大小Ⅰ）當(dāng)物體處于有限遠(yuǎn)時(shí)，像高為y’=(1-f'tan

(1-1)式中為垂軸放大率

'l。對(duì)一般的照相機(jī)來(lái)說(shuō)，物距l(xiāng)都比較l大，一l米，f’為幾十毫米，因此像平面靠近焦面lf，所以

f'lⅡ）當(dāng)物體處于無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，→∞像高為yf'tan

（1-2）因此半視場(chǎng)角

=atan

y'f'

（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

7.5

17

24

50

85135400焦距f’

~15

~20

~28~35

~100~200~300

~500~600/mm

~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此的分辨率亦即通常所說(shuō)的截止頻NN

Dfu

（1-4）2光學(xué)課程設(shè)計(jì)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’=1/4πLτ(D/f’)

2

(1-5)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。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；中視場(chǎng)物鏡：視場(chǎng)角在°~60°之間；廣角物鏡：視場(chǎng)角在°~90°之間；超廣角物鏡：視場(chǎng)角在°以上。照相物鏡按其相對(duì)孔徑的大小，大致分為弱光物鏡：相對(duì)孔徑小于1：9；普通物鏡：相對(duì)孔徑為1：9~1：3.5；強(qiáng)光物鏡：相對(duì)孔徑為1：3.5~1：1.4；超強(qiáng)光物鏡：相對(duì)孔徑大于：1.4；照相物鏡沒(méi)有專門的視場(chǎng)光闌場(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)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)稱于光闌的組合孔徑仍然很小Hypogon物鏡又出現(xiàn)Protar物鏡，Dagor物鏡等一系列逐漸演變出來(lái)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1：3.5~1;2.8,在視場(chǎng)角適當(dāng)降低時(shí)，相對(duì)孔徑可提高到1：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)的和120#相機(jī)中，例如國(guó)產(chǎn)的海3光學(xué)課程設(shè)計(jì)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。第二章

設(shè)計(jì)過(guò)程2.1

根據(jù)參數(shù)要確定恰當(dāng)?shù)氖冀Y(jié)構(gòu)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),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(lái)確定,而是根據(jù)要求從手冊(cè)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)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：焦距：f’=15mm；相對(duì)孔徑：；在可見(jiàn)光波段設(shè)計(jì)(取d、F、C三種色光）視場(chǎng)角2w=74°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;對(duì)孔徑1：2.8；視場(chǎng)角2w=54°，其余參數(shù)見(jiàn)表1-2。表1-2r1=13.44r2=30.996r3=-40.614r4=13.44r5=32.508

d1=4.41d2=4.41d3=1.01d4=2.39d5=3.36

n=1.67779n=1.59341n=1.69669

v=55.2v=35.5v=55.4r6=-27.00642.2

光學(xué)課程設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)將參數(shù)輸入zemax中第六面設(shè)為光闌面設(shè)為marginalrayheight移動(dòng)光標(biāo)到STO光闌面（中間一個(gè)面）的“無(wú)窮（Infinity上，按鍵這將會(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面再按按鍵兩次移動(dòng)光標(biāo)到像平面按鍵兩次在LDE曲率半徑Radius）列，順序輸入1-2中的鏡片焦距（注OBJ面不做任何操作在鏡片厚度Thickness）列順序輸入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MarginalRayHeight。在鏡片類型（Class）列輸入鏡片參數(shù)，方法是表中點(diǎn)右鍵對(duì)話框SolveType選中ModelIndexnd中輸入n值A(chǔ)bbeVd中輸入v值。結(jié)果如下圖在system-general-aperture中輸入相對(duì)孔徑值，在system-wavelength中輸入所選波段，然后在tools-makefocus中該改焦距為15mm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)：5光學(xué)課程設(shè)計(jì)設(shè)置相對(duì)孔徑值和波段：輸入焦距行縮放：6光學(xué)課程設(shè)計(jì)定義視場(chǎng)：此時(shí)得到初始結(jié)構(gòu)及參數(shù)如下圖：7光學(xué)課程設(shè)計(jì)2.3

優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)利用ZEMAX得到初始結(jié)構(gòu)的曲線可看出成像質(zhì)量很差,因此需要校正像差。該結(jié)構(gòu)可以用作優(yōu)化變量的的數(shù)據(jù)有：6個(gè)率半徑，2個(gè)空氣間隔，3個(gè)玻璃厚度。首先使用DefaultMeritFunction建立缺省評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選擇Editors-Merit在第一行中先輸入EFFL，目標(biāo)值設(shè)為，權(quán)重設(shè)為1。再輸SPHA和，在Target中輸入0.4，在中輸入1。再選擇Tools-DefaultMeritFunction，選擇OK，建立缺省評(píng)價(jià)函數(shù)。注：EFFL：Effectivefocallength縮寫，指定波長(zhǎng)號(hào)的有效焦距。SPHA：指球差，如果，則指整個(gè)系統(tǒng)的球差總和。MTFA：弧矢和子午的調(diào)制傳遞函數(shù)的平均值8光學(xué)課程設(shè)計(jì)然后在Analysis-AberrationCoefficients-Seidel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EvenAsphere，將1、面曲率半徑設(shè)為變量，選擇快捷選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。根據(jù)其中像差的變化不斷的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行常識(shí)性優(yōu)化，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)都在可接受范圍之內(nèi)，完成設(shè)計(jì)。9光學(xué)課程設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果分析10光學(xué)課程設(shè)計(jì)像差特性曲線：點(diǎn)列圖：FFT調(diào)制傳遞函數(shù)：11光學(xué)課程設(shè)計(jì)場(chǎng)曲與匹茲伐曲線：塞德和系數(shù)照相物鏡同時(shí)具有大相對(duì)孔徑與和大視場(chǎng)因此為了使整個(gè)像面都得到清晰的并于物平面相似的像差不多需要校正所有其中像差但是并不要求這些像差都校正得與目視光學(xué)系統(tǒng)一樣完善是由于照相物鏡的接收器無(wú)論是感光底片還是攝像管他們的分辨率都不高由于接收器的這種特性決定了照相物鏡是大像差系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的優(yōu)化結(jié)果中，由LAYOUT圖可知，主要光線聚焦完美，但視場(chǎng)為1的遠(yuǎn)場(chǎng)光線聚焦不是完善，這并不影響照相物鏡的照相要求，相片的外圍的稍微模糊不影響相片的質(zhì)量。由RAYLAN圖可知，子午球差已經(jīng)很小，也只有遠(yuǎn)視場(chǎng)稍微大些。由Curv\Dist圖可知，三種波的子午場(chǎng)曲和弧矢場(chǎng)曲間的距離小，高級(jí)求差得到良好優(yōu)化。由SpotDiagram點(diǎn)列圖可知，前五個(gè)視場(chǎng)的能力集中在中心區(qū)域。FFTMFT圖可知，大部分光線與坐標(biāo)軸所圍的面積已經(jīng)12光學(xué)課程設(shè)計(jì)得到很好的優(yōu)化由塞德和系數(shù)圖表分析后影響像差的系數(shù)變小最后整個(gè)系統(tǒng)球差0.000192，慧差0.000432，像散0.002716基本滿足設(shè)計(jì)要求。第三章

課設(shè)總結(jié)一周的課設(shè)基本完成了課設(shè)任務(wù)設(shè)計(jì)優(yōu)化了后置光闌三片物鏡結(jié)構(gòu)的照相物鏡對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的知識(shí)有了進(jìn)一步的學(xué)習(xí)與了解學(xué)會(huì)了軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本操作與像差分析。首先查閱資料確定設(shè)計(jì)題目析題目獨(dú)立學(xué)習(xí)ZEMAX軟件的應(yīng)用步驟，然后，進(jìn)行照相物鏡的設(shè)計(jì)，進(jìn)行各種像差的優(yōu)化，通過(guò)向老師請(qǐng)教、與同學(xué)的討論之間的