1、 应用光学 课程设计 2 一、课程设计的任务 和要求 要求： 1、具备独立查阅 光学设计理论和像差分析 的 相关文献和 资料 ；能提出并较好地的实施方案；具有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。 2、具备 独立设计简单 透镜组 ，能用 zemax 软件对 初级像差进行分析和校正 ，从而对镜头进行优化设计 的能力。 3、具备采用计算机软件进行数值计算、仿真、绘图等能力。 4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。 5、综述简练完整，立论正确，论述充分，结论 严谨合理；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确。 6、工作中有创新意识，
2、对前人工作有一定改进或独特见解。 7、内容不少于 3000 字， 图 和计算结果可以打印 。 设计一个 成像物镜透镜组， 照相物镜的技术指标要求： 1、 焦距： f=12mm； 2、 相对孔径 D/f不小于 1/2.8； 3、 图像传感器为 1/2.5 英寸的 CCD，成像面大小为 4.29mm 5.76mm； 4、 后工作距 6mm 5、 在可见光波段设计 (取 d、 F、 C 三种色光， d3 为主波长 )； 6、 成像质量， MTF 轴上 40% 100 lp/mm， 轴外 0.707 35%100 lp/mm。 7、 最大畸变 1 米， f为几十毫米，因此像平面靠近焦面， fl ，所以
3、 lf ）当物体处于无限远时， 像高为 y= tanf （ 1-2） 因此半视场角 8 =atanfy（ 1-3） 表 1-1 中列出了照相物镜的焦距标准： 表 1-1 物镜类型 鱼眼 超广角 广角 标准 短望远 望远 超望远 物镜焦距f /mm 7.515 1720 24 28 35 50 85 100 135 200 300 400 500600 800 相对孔径决定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度， 在此的分辨率亦即通常所说的截止频 N ufDN （ 1-4） 照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其本身的分辨率不高，相对孔径的作用是为了提高像面光照度
4、 E=1/4 L (D/f)2 (1-5) 照相物镜的视场角决定其在接受器上成清晰像的空间范围。按视场角的大小，照相物镜又分为 a）小视场物镜：视场角在 30 以下； b）中视场物镜：视场角在 30 60 之间； c）广角物镜：视场角在 60 90 之间； d）超广角物镜：视场角在 90 以上。 照相物镜按其相对孔径的大小，大致分为 a） 弱光物镜：相对孔径小于 1： 9； b） 普通物镜：相对孔径为 1： 91： 3.5； 9 c） 强光物镜：相对孔径为 1： 3.51： 1.4； d） 超强光物镜：相对孔径大于 1： 1.4； 照相物镜没有专门的视场光阑，视场大小被接受器本身的有效接受面积
5、所限制，即以接收器本身的边框作为视场光阑。 照相物镜上述三个光学性能参数是相互关联，相互制约的。这三个参数决定了物镜的光学性能。企图同时提高这三个参数的指标则是困难的，甚至是不可能的。只能根据不同的使用要求，在侧重提高一个参数的同时，相应地降低其余两个参数的指标。 早期的照相物镜是单片的正弯月形透镜，其前置一孔径光阑，之后演变为双胶合弯月透镜以及正负分离透镜，这些简单的物镜相对孔径很小只能在室外照明条件良好时拍摄，又称为风景物镜。 最早出现的对称型物镜，属于简单的风景物镜对称于光阑的组合，相对孔径仍然很小，如 Hypogon 物镜。之后又出现 Protar物镜， Dagor 物镜等一系列逐渐演
6、变出来的物镜，之后出现的三片物镜是很多复杂透镜的基础，它由三片分离的薄透镜组成，在视场角为 55 时，相对孔径可以达到 1： 3.51;2.8,在视场角适当降低时，相对孔径可提高到 1： 2.4 以 上。其他还有双高斯物镜、远距物镜、反远距物镜等等复杂物镜。 本次涉及所使用的三片物镜是具有中等光学特性的照相物镜中结构最简单，像质最好的一种，被广泛使用在比较廉价的 135#和 120#相机中，例如国产的海鸥 4、海鸥 9、天鹅相机等。这种照相物镜进一步复杂化的目的，大多是为了增大相对孔径，或提高视场边缘成像质量。 10 设计过程 2.1 初始结构的选择 照相物镜属于大视场大孔径系统 , 因此需要
7、校正的像差也大大增加 , 结构也比较复杂 , 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。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。 原设计要求： 1、 焦距： f =12mm； 2、 相对孔径 D/f不小于 1/2.8； 3、 图像传感器为 1/2.5 英寸的 CCD，成像面大小为 4.29mm 5.76mm； 4、 后工作距 6mm 5、 在可见光波段设计 (取 d、 F、 C
8、三种色光， d 为主波长 )； 6、 成像质量， MTF 轴上 40% 100 lp/mm，轴外 0.707 35%100 lp/mm。 7、 最大畸变 1% 照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器的空间范围 , 镜头所成的半像高y 可用公式 y = - f tanw 计算 , 其中 f 为有效焦距 , 11 2w 为视场角。半像高 y 应稍大于图像传感器 CCD 或 CMO S 的有效成像面对角线半径 , 防止 CMO S 装调偏离光轴而形成暗角 。 经过简单计算： y=sqrt(4.292+5.762)/2 3.6mm,w=atan(y/f) 16.66 视场角 2w=33.
9、32 。在光学技术手册查询后选定初始结构为后置光阑的三片物镜（如图 1），初始参数为：焦距分 f =42.12mm;相对孔径 1： 2.8；视场角2w=54 ，其余参数见表 1-2。 表 1-2 r1=13.44 d1=4.41 n=1.67779 v=55.2 r2=30.996 d2=4.41 r3=-40.614 d3=1.01 n=1.59341 v=35.5 r4=13.44 d4=2.39 r5=32.508 d5=3.36 n=1.69669 v=55.4 r6=-27.006 2.2 输入参数和缩放 将 参数 输入 zemax：其中第六面设为光阑面，厚度设为 marginal
10、ray height，移动光标到 STO光阑面（中间一个面）的“无穷（ Infinity）”之上，按 INSERT键。这将会在那一行插入一个新的面，并将 STO光阑面往下移。新的面被标为第2 面。再按按 INSERT 键两次。移动光标到 IMA 像平面，按 INSERT 键两次。在 LDE曲率半径（ Radius）列，顺序输入表 1-2 中的镜片焦距（注意 OBJ面不做任何操作）；在镜片厚度（ Thickness）列顺序输入表 1-2 中的镜片厚度；在第七个面厚度处单击右键，选择面型为 Marginal Ray Height。在镜片类型（ Class）列输12 入镜片参数，方法是 :在表中点右
11、键对话框 Solve Type 选中 Model， Index nd中输入 n 值 Abbe Vd 中输入 v 值。结果如下图 2-1 在 system-general-aperture中输入相对孔径值 2.8，在 system-wavelength 中输入所选波段，根据要求选 d光为主波长。然后在 tools-make focus 中该改焦距为 12mm 进行缩放。 图 1：后置光阑三片物镜原始结构 输入初始参数： 设置相对孔径值和波段： 13 输入焦距 12mm 进行缩放： 缩放后得到 我们所设计的焦距 f=12mm 的初始参数（如图 2 所示），现在开始定义视场，我们根据 之前所得像高
12、y=3.6mm,依次乘以 0， 0.3， 0.5， 0.7071 得到所选孔径光束的Y-field，即 0， 1.08， 1.8， 2.5452 输入到 system-field 中，类型选择真值高度。 14 图 2 到这里，初始结构及其参数已经完成。 2.3 在 ZEMAX 中进行优化 利用 ZEMAX 得到初始结构的 M TF 曲线（如图 8 所示）可看出成像质量很差 , 因此需要校正像差。 图 8 该结构可以用作优化变量的的数据有： 6 个曲率半径， 2 个空气间隔， 3 个玻璃厚度。 首先使用 Default Merit Function 建立缺省评价函数进行优化，选择15 Edito
13、rs-Merit Function，在第一行中先输入 EFFL，目标值设为 12，权重设为 1。在输入 SPHA， 在 Target 中输入 0.4，在 Weight 中输入 1。 第二个 BLNK 改为MTFT 并 Enter，在 Freq 中 输入 100，在 Target 中输入 0.04，在 Weight 中输入 1。同理输入 MTFA 和 MTFS（如图 9 所示）。 再选择 Tools-Default Merit Function，设置玻璃厚度以及空气间隔， start 设为 2，再选择 OK，建立缺省评价函数。 注： EFFL： Effective focal length 的缩
14、写，指定波长号的有效焦距。 SPHA：指球差，如果 Surf=0，则指整个系统的球差总和。 MTF：指子午调制传递函数。 图 9 16 然后在 Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients 中查看， 找出对赛得和数影响大的 面，将这些面的曲率半径设为变量，优先优化。 发现第一面和光阑面影响较大，优先优化。 先将 STO 面的类型改为 Even 17 Asphere，并将此行的 4th term、 6th term、 8th term 设为变量。 将 1、 6 面 曲率半径设为变量，选择快捷选项 Opt，然后进行优化，优化后取消变量，将
15、剩余面的曲率半径设为变量，再次优化，完毕后取消变量。再将透镜间隔和玻璃厚度先后进行优化。 到这一步后发现已经基本符合设计要求，再根据 2D 图适当调整曲率半径和厚度，每次调整后再次优化实时关注 MTF 图的曲线变化，最后使各个参数都在可接受范围之内。 2.4 优化结果 18 19 结论 与思考 本文配套一款 1/2.5 英寸的 CCD 传感器进行照相物镜中的远距物镜的设计。采用 1 片非球面塑料 , 3 片球面玻璃透镜 , 在 ZEMAX 中使用合适的优化函数和权重对像差进行校正 , 逐步消除了基本像差、高级像差 , 并进行了像差平衡 , 获得了实际焦距 11.953mm 照相镜头 , 各个市场畸变控制在 1%以内 ,M TF 曲线也比较理想 , 镜头总长为 14.3602 mm。该镜头不仅体积小 , 结构紧凑 , 而且像质较20 好。在此次设计中，我们发现光阑面使用非球面能够很好的平衡像差，同时我们只进行了对玻璃厚度和曲率的简单优化，查阅相关资料后设想如果将第一面的透镜换为鼓形透镜，第二面换为弯月透镜或换成折射率更高的玻璃，还可以进一步做出深度优化，使之获得更好的表现。 21
