1、. 課程設計說明書課程設計名稱： 工程光學課程設計 課程設計題目： 三片式數碼物鏡的優化設計 課程設計任務書一、課程設計的任務和根本要求1查閱相關資料，光學設計的根本概念、光學玻璃的相關知識和軟件的使用。2學習各種像差的根本概念、描述及評價方法，掌握近軸光線追跡公式。3本課題要求設計出一個三片式數碼照相物鏡，要求的光學特性為：，,；像質主要以調制傳遞函數MTF衡量，具體要對于低頻(17lp/mm)，視場中心的MTF0.9，視場邊緣的MTF0.80；對于高頻(51lp/mm)，視場中心的MTF0.3，視場邊緣的MTF0.20，另外，最大相對畸變dist4%。該物鏡對d光校正單色像差，對F、C光為

2、校正色差。4學習使用ZEMA*進展數據錄入和報表輸出，分析各種初級像差并設置優化函數；設計三片式數碼照相物鏡并優化，對像差做簡單的分析之后，撰寫課程設計論文。5課題設計(論文)難度適中，工作努力，遵守紀律，工作作風嚴謹務實，按期圓滿完成規定的任務。6綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結論嚴謹合理；文字通順，技術用語準確，符號統一，齊全，書寫工整規，圖表完備、整潔、正確；論文(設計)結果有一定的參考價值。二、進度安排16月27日：了解光學設計的根本概念、光學玻璃的相關知識和軟件的使用。以單透鏡的設計為例學習數據的錄入，根本概念和設計思想在軟件中的實現，初步掌握ZEMA*的分析工具和數據含

3、義及輸出。26月28日至6月29日：學習各種像差的根本概念、描述及評價方法，掌握近軸光線追跡公式。36月30日：學習查找文獻資料，選擇適宜的數碼物鏡初始構造，用縮放法進展縮放，緩慢調整有關參數并優化，并最終得到比擬好的設計參數。學習光學玻璃材料知識，通過選擇適宜的玻璃，校正像差。47月1日：整理思路，撰寫課程設計論文，論文中要表達像差概念和評價、表達zema*評價函數的構造及優化過程像差的變化；檢查格式，符合課程設計論文格式要求。57月2日至7月3日：課程設計辯論并上交論文；. 三、參考資料或參考文獻1胡玉禧.應用光學M.2版，：中國科學技術大學，2015.22以謨.應用光學M.3版，：電子工

4、業，2010.73郁道銀，談恒英.工程光學M.3版：機械工業，2011.4曉彤，岑兆豐.幾何光學像差光學設計M，：大學，2003.5王之江，實用光學技術手冊M，：機械工業，2007.6王朝暉，焦斌亮，*朝鵬編著.光學系統設計教程M.：郵電大學，2013.87毛文煒.現代光學鏡頭設計方法與實例M.：機械工業，2013.4.8林曉陽.ZEMA*光學設計超級學習手冊M.：人民郵電，2014.4. 本科生課程設計成績評定表專業班級*課程設計題目：課程設計辯論記錄：(手寫)成績評定依據：工程得分比例考勤記錄設計結果報告撰寫辯論成績備注：成績評定依據的工程容和工程分值比例可以由教師按指導的專業進展調整，但

5、成績評定依據的工程數不得少于3項。最終評定成績： 指導教師簽名： 年 月 日. 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc4552196081照相機物鏡的開展歷程 PAGEREF _Toc455219608 h 1HYPERLINK l _Toc4552196092技術要求 PAGEREF _Toc455219609 h 2HYPERLINK l _Toc4552196103光學系統成像評價 PAGEREF _Toc455219610 h 3HYPERLINK l _Toc45521961131概述 PAGEREF _Toc455219611 h 3HYPERLIN

6、K l _Toc45521961232幾何像差及其相應校正方法 PAGEREF _Toc455219612 h 3HYPERLINK l _Toc45521961332.1球差 PAGEREF _Toc455219613 h 4HYPERLINK l _Toc45521961432.2彗差 PAGEREF _Toc455219614 h 4HYPERLINK l _Toc45521961532.3像散 PAGEREF _Toc455219615 h 4HYPERLINK l _Toc45521961632.4場曲 PAGEREF _Toc455219616 h 5HYPERLINK l _To

7、c45521961732.5畸變 PAGEREF _Toc455219617 h 5HYPERLINK l _Toc45521961832.6色差 PAGEREF _Toc455219618 h 5HYPERLINK l _Toc4552196194.三片型照相物鏡的設計 PAGEREF _Toc455219619 h 6HYPERLINK l _Toc45521962041定義系統參數 PAGEREF _Toc455219620 h 6HYPERLINK l _Toc455219621入瞳直徑 PAGEREF _Toc455219621 h 6HYPERLINK l _Toc45521962

8、241.2 孔徑值 PAGEREF _Toc455219622 h 6HYPERLINK l _Toc45521962341.3 視場 PAGEREF _Toc455219623 h 7HYPERLINK l _Toc45521962441.4波長 PAGEREF _Toc455219624 h 8HYPERLINK l _Toc45521962542校正及優化 PAGEREF _Toc455219625 h 12HYPERLINK l _Toc45521962642.1調試過程 PAGEREF _Toc455219626 h 12HYPERLINK l _Toc45521962742.2最終

9、優化結果 PAGEREF _Toc455219627 h 13HYPERLINK l _Toc4552196285設計總結 PAGEREF _Toc455219628 h 21HYPERLINK l _Toc4552196306心得體會 PAGEREF _Toc455219630 h 22. 1照相機物鏡的開展歷程很早就有透鏡的相關記載，比方出現在古希臘阿里斯托芬的戲劇云彩中的燒玻璃；古羅馬老普林尼的文字表達中也表示羅馬帝國知道燒玻璃，并且提及矯正透鏡第一個可能的用途：說是尼祿用于觀看搏斗比賽使用的綠寶石。阿拉伯的數學家Ibn Sahl使用所知的史奈爾定律計算透鏡的形狀。最古老的人工制品是在美

10、索不達米亞的尼尼微被挖掘出來的石英透鏡，大約出現在紀元前640年。中國戰國時期的墨子一書，表達了透鏡成像規律。墨子經下及墨子經說下的第二四、二五條，便分別表達了凹透鏡和凸透鏡的成像規律。眼鏡大約在1280年的意大利被創造，之后透鏡才被普遍的利用。尼古拉斯庫沙則被認為是第一位將凹透鏡用于治療近視的人，時間則是1451年。恩斯特阿貝(1860年)提出的阿貝正弦條件，描述了透鏡或其他光學系統要能在離開光軸的區域上產生如同在光軸上一樣清晰的影像所必須要的條件。他改革了光學儀器，例如顯微鏡的設計，主導了光學儀器的研究與開展。在日常生活中，照相機是人們必不可少的，他歷史悠久，開展迅速，給人們的往日生活帶來

11、了美好的回憶。 1500年意大利人創造用暗室能觀察影像，到十八世紀初出現了木制暗箱。1812年英國人渥拉斯頓用新月形凹透鏡作為暗箱的鏡頭，能獲得較好的影像，這就是后來的照相機鏡頭的雛形。1727年德國人發現硝酸銀和白粉的混合物具有感光性。1839年法國人達蓋爾創造了銀版法，得出了逼真的正像，感光性能有了明顯的改良。法國機械商將帶有渥拉斯頓型鏡頭的木制暗箱裝上銀版感光片，第一次攝下了人像，成為人類歷史上第一架可供使用的照相機。 從第一架照相機問世至今的一百多年來，照相機有了飛速的開展，它的演變歷史大致可分為三個階段：1從1839年到1938年這近百年的時間，為照相機的初級階段。 其特點是適應攝影

12、實踐的需求，提高照相機的技術性能和開展照相機的品種。這個階段后期，形成了照相機工業，并進入了光學機械制造行業。2從1939年到五十年代末，為照相機的開展中階段。特點是 光學機械構造進一步完善，電子技術開場應用在照相機上，這個階段也是120和135照相機并行開展的時代。3從六十年代開場至今,為照相機開展的第三階段。照相機已 經進入光學精細機械與電子相結合的時代，或稱為高級階段。 2技術要求設計出一個三片式數碼照相物鏡，要求的光學特性為：，,；像質主要以調制傳遞函數MTF衡量，具體要對于低頻(17lp/mm)，視場中心的MTF0.9，視場邊緣的MTF0.80；對于高頻(51lp/mm)，視場中心的

13、MTF0.3，視場邊緣的MTF0.20，另外，最大相對畸變dist4%。該物鏡對d光校正單色像差，對F、C光為校正色差。3光學系統成像評價31概述光學設計必須校正光學系統的像差，但既不可能也無必要把像差校正到完全理想的程度，因此需要選擇像差的最正確校正也需要確定校正到怎樣的程度才能滿足使用要求，即確定像差容限。對光學系統成像性能的要求主要有兩個方面：第一方面是光學特性，包括焦距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距離等；第二方面是成像質量，光學系統所成的像應該足夠清晰，并且物像相似，變形要小32幾何像差及其相應校正方法像差指在光學系統中由透鏡材料的特性或折射(或反射)外表的幾何形狀引起實際像與理想像

14、的偏差。理想像就是由理想光學系統所成的像。實際的光學系統，只有在近軸區域以很小的孔徑角的光束所生成的像才是完善的。但在實際應用中，須有一定大小的成像空間和光束孔徑，同時還由于成像光束多是有不同顏色的光組成的，同一介質的折射率隨顏色而異。因此實際光學系統的成像具有一系列缺陷，這就是像差。像差的大小反映了光學系統質量的優劣。幾何像差主要有七種：其中單色光像差有五種，即球差、彗差、像散、場曲和畸變；在實際的光學系統中，各種像差是同時存在的。它影響了光學系統成像的清晰度、相似性和色彩逼真等，降低了成像質量。32.1球差球差亦稱球面像差。軸上物點發出的光束，經光學系統以后，與光軸夾不同角度的光線交光軸于

15、不同位置，因此，在像面上形成一個圓形彌散斑，這就是球差。一般是以實際光線在像方與光軸的交點相對于近軸光線與光軸交點(即高斯像點)的軸向距離來度量它。對于單色光而言，球差是軸上點成像時唯一存在的像差。軸外點成像時，存在許多種像差，球差只是其中的一種。除特殊情況外，一般而言，單個球面透鏡不能校正球差，正透鏡產生負球差，負透鏡產生正球差。對一定位置的物點而言,當保持透鏡的孔徑和焦距不變時,球差的大小隨透鏡的形狀而異。單透鏡自身不能校正球差。單正透鏡產生的球差是負值，如圖2-3(a)，單負透鏡則產生正球差。為獲得消球差系統，必須采用正負透鏡的組合，最簡單的形式有正負膠合在一起的雙膠合透鏡以及正負膠之間

16、有一定的空氣間隔的雙別離透鏡32.2彗差光軸外的*一物點向鏡頭發出一束平行光線，經光學系統后，在象平面上會形成不對稱的彌散光斑，這種彌散光斑的形狀呈彗星形，即由中心到邊緣拖著一個由細到粗的尾巴，其首端明亮、清晰，尾端寬大、暗淡、模糊。這種軸外光束引起的像差稱為彗差。彗差的大小是以它所形成的彌散光斑的不對稱程度來表示。彗差的大小既與孔徑有關，也與視場有關。由于慧差是垂軸像差，且彗差大小與光束寬度、物體大小、光闌位置、光組部構造(透鏡的折射率、曲率、孔徑等)有關。改變透鏡的形狀或組合，可較好地消除彗差。如能對該透鏡消除球差，則彗差亦得到改善。另外當系統構造完全對稱，孔徑光闌置于系統的中央，且物像放

17、大率為=1時，整個光束構造關于系統的中心點對稱，如圖2-7所示，系統前半部產生的慧差與后半部產生的慧差絕對值一樣、符號相反，慧差完全自動消除。對于彗差的校正：可以利用適宜的視場和孔徑，但不宜過大；合理選擇玻璃材料，改變球面曲率半徑；采用對稱構造。32.3像散由于發光物點不在光學系統的光軸上，它所發出的光束與光軸有一傾斜角。該光束經透鏡折射后，其子午細光束與弧矢細光束的會聚點不在一個點上。即光束不能聚焦于一點，成像不清晰，故產生像散。像散也是影響清晰度的軸外點單色像差。當視場很大時，邊緣上的物點離光軸遠，光束傾斜大，經光學系統后則引起像散。像散使原來的物點在成像后變成兩個別離并且相互垂直的短線，

18、在理想像平面上綜合后，形成一個橢圓形的斑點。像散是通過復雜的透鏡組合來消除，對于像散的校正，有以下方法：可以控制視場，小為宜；改變球面曲率；適當透鏡材料；合理設置光闌的位置。32.4場曲垂直于主軸的平面物體經光學系統所結成的清晰影像，假設不在一垂直于主軸的像平面，而在一以主軸為對稱的彎曲外表上，即最正確像面為一曲面，則此光學系統的成像誤差稱為場曲。像散和場曲既有區別又有聯系。有像散必然存在場曲，但場曲存在時不一定有像散。對于場曲的校正，可以采用彎月型厚透鏡，或者采用正負透鏡別離的方法。32.5畸變被攝物平面的主軸外直線，經光學系統成像后變為曲線，則此光學系統的成像誤差稱為畸變2?；兪侵肝锼?/p>

19、的像在形狀上的變形?；儾⒉粫绊懴竦那逦?，而只影響像與物的相似性。這是畸變與球差、慧差、像散、場曲之間的根本區別。由于畸變的存在，物方的一條直線在像方就變成了一條曲線，造成像的失真畸變與其他像差不同，它僅由主光線的光路決定，引起像的變形，并不影響成像清晰度。對于畸變的校正：可以選擇適宜的光闌；如果是垂軸像差，當=-1時，這種像差可以自動校正。32.6色差大多數情況下，物體都以復色光成像，白光包含了各種不同波長的單色光，光學材料對不同波長的譜線有不同的折射率。當白光經過光學系統時，系統對不同波長有不同的焦距，各譜線將形成各自的像點，導致一個物點對應有許許多多不同波長的像點位置和放大率，這種成

20、像的色差異我們統稱為色差4.三片型照相物鏡的設計41定義系統參數4.1.1入瞳直徑啟動ZEMA*，輸入原始數據。通常，在開場設計一個新系統時，定義的第一個參數是系統孔徑。在ZEAM*中，系統孔徑的作用有兩個方面，一是規定在整個光學系統中，ZEMA*需要追跡的的光束的寬度；二是規定在OBJ面上，由每個場點所發出的光線的初始方向余弦。系統孔徑可用不同的方式定義，可心定義為Entrance Pupil Diameter (EPD，入瞳直徑)，Image Space F/#(像空間F數)，Object Space NA(物空間數值孔徑)，Float By Stop Size(大小可變的浮動光闌)，等等

21、。對我們這個單透鏡，確定其EPD值很容易。如前所述，這是一個F/4透鏡，意即4#F。同時，有效焦距為100mm。#F定義為，當物和像都位于無窮遠時，近軸有效焦距同近軸入瞳直徑之比。據此，我們這個單透鏡的EPD應為4mm： #圖4.1.1入瞳直徑的設定41.2 孔徑值在ZEMA*中，透鏡單位有millimeters(毫米)、centimeters(厘米)、inches(英寸)，或meters(米)四種選擇。對我們這個單透鏡，將采用millimeters。在System General dialog的Units框，選擇Millimeters作為透鏡單位圖4.1.2透鏡單位的設定41.3視場圖4.1

22、.3視場的設定41.4波長圖4.1.4入射光波長的設定設置好后的系統數據如下：原始數據：System/Prescription DataFile : D:qq文件1948602543FileRecvSANPIAN0.ZM*Title: Date : THU JUN 30 2016GENERAL LENS DATA:Surfaces : 9Stop : 4System Aperture : Image Space F/# = 4.5Glass Catalogs : SCHOTTRay Aiming : OffApodization : Uniform, factor = 0.00000E+000

23、Effective Focal Length : 100 (in air at system temperature and pressure)Effective Focal Length : 100 (in image space)Back Focal Length : 86.38925Total Track : 143.807Image Space F/# : 4.5Para*ial Working F/# : 4.5Working F/# : 4.500112Image Space NA : 0.1104315Object Space NA : 1.111111e-009Stop Rad

24、ius : 8.673456Para*ial Image Height : 36.39702Para*ial Magnification : 0Entrance Pupil Diameter : 22.22222Entrance Pupil Position : 43.64339E*it Pupil Diameter : 23.21977E*it Pupil Position : -104.489設置好之后在Zema*中顯示圖形如下：圖4.1.5設計好之后的光路圖圖4.1.6優化之前的波像差圖4.1.7優化前的像差最大值圖 4.1.8優化前的場曲和畸變圖4.1.9優化前的彌散半徑圖4.1.10

25、優化前視場中心和邊緣的MTF42校正及優化42.1調試過程在光學設計時，要滿足給定的約束條件，兩種方法： 1將對約束條件有影響的參數設為變量，并且在Merit Function Editor(評價函數編輯器，將在稍后介紹)中，添加邊界約束條件。 2采用特殊的solves，以強化約束條件，同時消除不必要的變量。 在這兩種方法，后一種更好。雖然兩種方法都能通過調整透鏡參數，到達維持特定邊界條件的目的，但額外添加的邊界約束條件，會減慢評價函數的運行速度。1插入優化函數。圖4.2.1插入的優化函數2將玻璃設為模型。3改變面之間厚度，優化，直到各種像差都到達最優。4將模型玻璃變成實際玻璃，再改變厚度以及

26、玻璃類型，變動一次優化一次，直到符合要求。圖4.2.2確定好的玻璃類型和厚度42.2最終優化結果系統數據：System/Prescription DataFile : G:SANPIAN011213.ZM*Title: Date : THU JUN 30 2016GENERAL LENS DATA:Surfaces : 9Stop : 4System Aperture : Image Space F/# = 4Glass Catalogs : SCHOTTRay Aiming : OffApodization : Uniform, factor = 0.00000E+000Effective

27、Focal Length : 5.999979 (in air at system temperature and pressure)Effective Focal Length : 5.999979 (in image space)Back Focal Length : 4.737781Total Track : 8.785474Image Space F/# : 4Para*ial Working F/# : 4Working F/# : 4.014838Image Space NA : 0.1240347Object Space NA : 7.499974e-011Stop Radius

28、 : 0.5824492Para*ial Image Height : 2.797836Para*ial Magnification : 0Entrance Pupil Diameter : 1.499995Entrance Pupil Position : 2.750199E*it Pupil Diameter : 1.523187E*it Pupil Position : -6.092749Field Type : Angle in degreesMa*imum Field : 25Primary Wave : 0.5875618Lens Units : MillimetersAngula

29、r Magnification : 0.9847738優化后的圖：圖4.2.3優化后的光路圖二維圖的說明：九條光線經過一個三片式透鏡，第一個和第三個為凸透鏡，第二個位凹透鏡，光線經過優化集中到三點。圖4.2.4優化后的RAY圖像差RAY圖的分析：E*表示子午像差，EY 表示弧矢像差，橫坐標是光學系統的入瞳標量，因此總是從1到1之間。顯然0的位置對應就是光軸在入瞳中心的焦點。縱坐標則是針對主光線發光點直穿光闌中心點的那條光線在像面上的位置的相對數值。像差最大值由優化前的200微米到50微米，符合要求。圖4.2.5優化后的波像差像差OPD圖的分析：橫軸PY、P*是光學系統的入瞳標量，因此總是從-1

30、到+1之間?？v坐標EY、E*即表示波像差。因為出瞳是光欄在像空間的像，出瞳表示像空間光束有清晰邊界的位置。出瞳處的照度，其振幅和位相通常是平滑變化的，零振幅和非零振幅區域有明顯的界限優化前，波像差為20個波長，優化到2個波長，符合要求。圖4.2.6優化后的Fcd圖場曲和畸變的Fcd圖分析：軸外細光束像差曲線 這一般是由兩個曲線圖構成。圖中左邊的是像散場曲曲線，右邊的是畸變，不同顏色表示不同色光，T和S分別表示子午和弧矢量，同色的T和S間的距離表示像散的大小，縱坐標為視場，左圖橫坐標是場曲，右圖是畸變的百分比值，左圖中幾種不同色曲線間距是放大色差值。這個是優化前后的場曲和畸變。優化后的畸變是2%

31、左右，符合要求。圖4.2.7優化后的彌散半徑圖優化后的spt圖：不同的像差有不同的像表現，同時隨著像差的大小不同，這個像，也叫斑點的大小也不一樣，顯然像差越小的光學系統，其斑點也越小。衡量這個斑點大小有個定義，就是RMS半徑定義，另外還有一個就是幾何半徑的定義。RMS是均方根半徑，可以定量的反映這個系統實際的斑點大小。彌散半徑由優化前的6.436mm、14.300mm、21.829mm優化到3.146mm、4.584mm和7.649mm，符合要求。圖4.2.8優化后的高頻Mtf圖圖優化后的低頻mtf圖優化后mtf圖分析：由圖判斷出，其子午慧差，弧矢場曲大和子午垂軸色差大其子午垂軸像差曲線彎曲的厲害子午慧差大其弧矢垂軸像差在原點處的斜率大弧矢場曲大其子午垂軸像差的各色差曲線垂軸向別離的距離大子午垂軸色差大對于此圖的子午垂軸色差在全視場0.6孔徑處垂軸色差小，在全視場負孔徑處垂軸色差大。優化后，低頻(17lp/mm)時，視場中心的MTF=0.93