漢口學院《應用光學》

課程設計報告報告題目:照相物鏡設計學生:學號： 專業班級： 授課老師： 二O一四年十二月目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、 選題背景 3\o"CurrentDocument"二、 設計要求 4\o"CurrentDocument"三、 外形尺寸計算 4\o"CurrentDocument"四、 結構選型及參數計算 5\o"CurrentDocument"結構選型 5\o"CurrentDocument"參數數據 6\o"CurrentDocument"五、 ZEMAX初始數據 6\o"CurrentDocument"初始結構參數 6\o"CurrentDocument"縮放焦距 8\o"CurrentDocument"更換玻璃 8\o"CurrentDocument"六、 ZEMAX校正數據 10\o"CurrentDocument"設置約束對象 10\o"CurrentDocument"設置變量 11\o"CurrentDocument"優化 11\o"CurrentDocument"最終結構數據 11\o"CurrentDocument"七、 像質評價 12\o"CurrentDocument"2D草圖 12\o"CurrentDocument"場曲和畸變 12\o"CurrentDocument"快速傅立葉變換調制傳遞函數 13\o"CurrentDocument"標準點列圖 13\o"CurrentDocument"光線像差特性曲線 14\o"CurrentDocument"光路特性曲線 14\o"CurrentDocument"八、 零件圖 15\o"CurrentDocument"九、 學習體會 16\o"CurrentDocument"十、 參考文獻 17一、選題背景照相機廣泛應用于社會生活的各個領城，已成為科研、國防、生產、教育以及文化生活各領域中的重要手段。它給人類的文明生活帶來了許多方便，隨著科學技術的發展，人們物質文化生活水平的提高，社會上的照相機也發展的越來越快，越來越普及了。照相機是由鏡頭，光圈，快門，取景器，測距器，卷片，機身〔暗箱〕等主要部件構成的。其中鏡頭的作用是通過光線把景物集結成影像并投射到感光片上，使感光片接受清晰的影像，它的好壞直接決定了照相機的性能。照相物鏡的光學特性一般用焦距f，、相對孔徑D/f，、視場角2①表示。此外還提出分辨率的要求，作為保證產品質量的技術條件。照相物鏡的結構型式很多，而且不斷有新的型式出現。選用照相物鏡的原則應該是:既能滿足光學性能和成像質量的要求，而結構又最簡單。雙高斯物鏡是具有較大視場（大約如=40°左右）的物鏡中相對孔徑最先到達1/2的物鏡[1]225雙高斯物鏡是以厚透鏡矯正匹茲萬場曲的光學結構，半部系統是由一個彎月形的透鏡和一個薄透鏡組成，如圖1-1.1所示。圖1-1.1雙高斯照相物鏡是目前多數大孔徑物鏡的基礎，它的演變型式很多，它的復雜化目的是為了改善成像質量，如圖1-1.2所示，或者是為了增大相對孔徑，如圖1-1.3所示，相對孔徑可達1/0.95。由于雙高斯物鏡是一個對稱的系統，因此垂軸像差很容易校正。設計這種類型的系統時，只需要考慮球差、色差、場曲、像散的校正[2]167。二、設計要求設計一照相物鏡，其相關技術要求為[1":焦距f，=30mm;相對孔徑D/f'=1/2;視場角馳=40。。系統畸變＜2%;空間頻率為40lp/mm時，傳遞函數MTFN0.4。三'外形尺寸計算由于照相物鏡結構比較復雜，而且它們的結構主要是由高級相差決定的，所以照相物鏡設計的初始結構一般都不采用初級像差求解的方法來確定，而是根據要求從手冊、資料或專利文獻中找出一個和設計要求比較接近的系統作為原始系統，通過相差計算逐步進行修改，到達滿足要求的光學特性和成像質量⑵典在選擇初始結構時，不必一定找到和要求相近的焦距，一般在相對孔徑和視場角到達要求時，我們就可以將此初始結構進行整體縮放得到要求的焦距值。k結構選型及參數計算結構選型f'=30mm；D/f'=1/2習d=15mm；根據所要求的技術條件，選用雙高斯物鏡結構較為合適⑶。利用光學設計軟件CODEV尋找到一個合適的初始結構⑷，來自美國專利2117252的初始結構⑸。其相對孔徑和視場角都滿足要求，如圖4-1.1所示。圖4-1.1

參數數據其默認結構參數為f，=i時的數據，見表。表4-2.1默認結構參數表面編號表國面型表類Y半役厚度玻璃折射模式半二徑物面球面無限無限.I?詞-CT■0I汩:?0)795610000533000切射03090°2球面O.2O7D0.3015°3球面0.-10160.1向623400562000椅0.2578°?1球面2.25370.33J3608300.396000宿J0.2182°bO：M-b0；9.1401644°J瀾球面九限n里1，七射01595°了理面-0.28730.23=136D5400.38D000椅0.1549°8政面0.46130.1292620900.5720000.1977°0球面-0.3718O.3O5D.1詞0.2068°■('.仗直一/-:b（）拓:匕62340056?000切射02^13°'1球面--.03390.B539s<0.2^80°像百球面無限O.ZOjufllj0.3612°五、ZEMAX初始數據初始結構參數打開ZEMAX,設置相對孔徑值，如圖5-1.1所示。圖5-1.1

按照鏡頭專利數據如圖所示，設置視場角及漸暈系數如圖所Zj\oX.度況至+-Y■Y+x■...UJLL.LU.U1.LU.UUU.UJUU.UJ J.JLU. J.2O.OODO'_mrH.QOOO?rrn-n1.00001rn-n0.200Dnrni0.150D D.DQOO D.nvm iirn- i二二二二二將表4-2.1中初始參數輸入ZEMAX，如圖所示。SurfsTypeCdamenr：RailingTfticteiesaGlass5earA-Di.arf.eM!)!1OBJStandardIn.fini.tyInfxEiitYInfinity1Srajidard.□uC€D22dQ.D793JIl.GlrS3.30-Z&€D3-S2Sra3idE.rd2.634450■3.S710GDE-aO30.2BEBT33Srandard(J,q0163-31.62r56-Z0.2475154Stande.rd2-2537000.D3976&IM如39M0-205357B加id口心北53。Q.。的《LMSTO3ra^diE.rdIziflDlryO.09^11130.16DS31辛Srandard-a.2B7saa0,0397651.61r3BrD0,154641EStajidiizd.<L4心如0.1292^71.跖57.H0-20S3229Srasidard-a.371E10■!.9710ODE-aO30-211796IOi-77Bsaad.DBaSJE-1_S2rE6-10-2&!2fi5411Standard-1.03390-30.653902M0,25^452I幽5tande.rd.In±WLty0/3631^5

縮放焦距默認結構參數為f，=1時的數據，輸入焦距30mm進行縮放，如圖所示。圖縮放后得到我們所設計的焦距f，二30mm的初始參數，如圖所Zj\oCamnenT；RadiuiaTbicKneasGlaaa3eEl-Dlanetej?OBJIxfxnj.tyId!InfinityLSrar-dard.19.J.39EE5S1.61,53.3E-6207692Standard^5,031126口.1傾的B..5761263Standard12.D465S4.35415^1.62P5fla27?425233q5*工ggE7.la1529Z4laeia非-6€.L-GaB265arasidaril7.366279?.saasDO-933269STOStaiLdardIrifitriity2-9B2300■3-8137997工-H.CILdT^LIaJ.923IL4lu01^KZ■SSraiLSartl13.E3735^3.3769941.62457-26-D33^BT9>Srandard-11.153965D.149L2：€6.S5.3661IQ53.3533972.41567T1.€2,5?.27.54380711StanSard.-31.D1COEBK7-T2331SIMATrillnlc-y更換玻璃ZEMAX允許玻璃擁有相應的一種“替代”狀態，在尋找更好的設計方案的過程中自動改變玻璃類型。

使用玻璃替代功能，如圖所示。在玻璃解對話框中自由設置每塊玻璃的狀態使之變成“替代〔substitute)RadiusTk.ickz.-53GL&sj□BJStandardInfmiryIr.firiltyInCiziXcy1SGanda^d19,2060232.335556ZK20SB.607619251Enda~d7Sa031126。.宜9125H囪詢4stE-ndardT-35^1&9ZKias7_iaas744Scandal研.碰9的1.1*92914：BAF7sG-ISSSJO51皿 =dl7-3eC2792u3-323QD.913SS55T&2ca.nddxc9Inllnlry2.9323^04.Eigmg7Standard-a.e-ie^i1.!1!9頌4Fl5■a.623anBStE-ndardH3.B379ae3.BTfiS91ZKiasE-aai3579Scandard-11.1539-650-1^91266-353749110§tanda二d53.35999-72u415677ZK13S7.S3645D11Standard-31.01ED>G3im.55>EE>9mH7.T1H73ScandardInriDiiy1O.B24SD2到此，初始結構及其參數已經完成。六、ZEMAX校正數據1.設置約束對象選擇默認優化類型為波前差，約束玻璃及空氣的相關厚度，如圖6-1.1所示。,EFFL為30。阪土三*W4VSTarg*c、EFELHFFL2?戲3E0i.oueaociJMTETmin:1Qi4書.ODCDODO.4C1EX18i.oooaoci8HIETHIFI10Zmdse?0.^10WKliOQOOOOUHIE3HIf310iid.a?o$amiiecoli@D?0MI5JH7E3HJFS104心伽m以口CUIMKDIMKQ200.02KIWi.ooaoooHCF3?ELKKBL^KBatauilnriax-Jii:fL-ncLlan!CHSkri'ueffaniL《口QQ3 ￡4.xru?ELHK3U3KT^FbuIcBJ.rcbickn-a-sbaindazyoaMGrBJ.nT-3.UWCA1110.10Q0Wl.ODVDM]iHHX2AIeCICA.1li50.00DODO以站M坦UJffEAHMZA.111以阪w15BXIffi3U3KrbuIcgilB;thickness can.scrHxnT5B11田&2HEW111l.C^C-3C-J1,加加EMHXW戚W1lii.anedHiISMMEGHM3E111l.QUQDW

2.設置變量設置所有面曲率半徑及厚度為變量。SiarCzIypeCiamjent.RadiiisTh^clniesa□LassEtnci-DLdLnr.'StarCBJSrardardIntlniT：yrnfinlcyInrtniT：i,.1Staxdord.L9u2O6D23V2B3359&e72X2D33u007^15■279.-33312￡V73St-ai^dard12?046&33v■3B3-54159VZK10S7.4&0fl74qStasidBrcL6T-EOE9€3V1.1^2924VBAFTs€.13Si￡-305Srardard7.5662792-932300曹L91的膈310Stiazjjcrd.LnfjjiityV《?前。細1SraKdord.-B.ElET^lV1.1^2924VFls623911aSrerdard.13.937934V3.Q7?994VZK1Q日■6,10195?eSxixdard.V&b1-€B.L26VEu3&37-39Srardard網.日5船卯2.41567?VZX1G37.5364^01.1Stiazjjcrd.V19.5569S&7"LOgZHJlStandard.lEitir-Lry10-824902圖6-2.13.優化使用Hammer優化，如圖。錘用也DLS(J錘用也DLS(Jtuto：|光鬧(T)|退出(E)ffVar:ZLHTsr:'RUhU:I阿自動更新 系統：0初始MF: 1.2-S5245S7當前MF: 1.2^6524E67噩形(H)|DLS(Au槌|光闔(T)||退出(以IflVar:21#Tar:82 #CPU:[4W自動更新 系統：83842初始MF: 1.236524567當前MF: 0.219582000Runtime:4.733min圖6-3.1最終結構數據得到合適的結構數據，見表6-4.1。最終結構數據壬*8=RadiusTkickx—ssS-suL-lJi-axstez□日JStandardlEiflnlryiKfiEiltyInfinity1Scanda^dia?2BT3figV2.海gVLAK5S5-053202StsdaK^7-157313￥0.737^62Ve.￡ti74563StE.ndaTdl12.3246Q5VVZKiaE7.571B9D4Scandard-40,^852?V0.9^5175VFlS6-63213102tHD0K3uQ13D73VJb1J.3K?TVT罰TllCiET&?EUdM*日InflDlryE-.D2H1EBV4-T43E2D72tandazd-7.7€BT23v0.9-50^17Vs4?610606StE.ndaTdl°ES.633951V2.^03176VLAKEs6-3^10B25Scandard-11,079131V0.229231V6,609000110Stunda-d163-&21306￥2K32^164VLAK257.95972511Sta-ndard-20.E12D55V1￡.STS175VB.D93751gacanda^dInllDfcy10E63-3q00

七、像質評價1.2D七、像質評價1.2D草圖圖7-1.2如圖7-1.1所示，為優化前；如所示，為優化后。2.場曲和畸變FIB.OCLWs'rirUREJ口I3Tmril>JTHUCEC!B2BIHnnianurifieldm云『zedecreesU.?EAl PIEL口EUEURTUPKJ"□ISTaBTimTHUDEDLG2BLHNBiarPJMFIELDISZd,QDEIDEGREESLnLH_Gncn-E!ausat ei.ees tnlel EZHXraNFI'aJRHTIQHiQF1E-.2NXCaNFIGURFlllOH1OF1圖7-2.1如圖7-2.1所示，為優化前；圖7-2.2如圖7-2.2所示，為優化后。圖中distortion即為畸變，由圖知優化前后系統畸變＜2%，符合要求。快速傅立葉變換調制傳遞函數圖7-3.1圖7-如圖7-3.1所示，為優化前；如圖圖7-3.1圖7-如圖7-3.1所示，為優化前；如圖7-3.2所示，為優化后。MTF值優化后，，符合要求。MTF值優化后，，符合要求。4.標準點列圖圖7-4.1圖7-4.2圖7-4.1圖7-4.2如圖7-4.1所示，為優化前；如圖7-4.2所示，為優化后。優化后點列圖更加聚集。光線像差特性曲線圖7-5.1圖圖7-5.1圖7-5.2如圖7-5.1所示，為優化前；如圖7-5.2所示，為優化后。光路特性曲線如圖7-6.1所示，為優化前；如圖7-6.2所示，為優化后。由以上圖像分析可知，像質在優化后都有了明顯地提升，而且滿足設計要求。

八、零件圖第一面透鏡零件圖如圖8-1.1所示。（透鏡零件尺寸上下各留1mm）ZJEWON1&.對樹料的婆求ZJEWON1&.對樹料的婆求4m3C△Vri3C北半劃句性4光配收系數4故力雙折射3*數度&1C對零件的要求N30.5占RA'*31B3k0.2542.65L--43.^0L：40.70Dt]H.KID.-FIH..^4技術要求GE1316/1.lrV587,5M旃記處敬分區丑成丈件號年月日觀計標準化<4卑■同行階段標記比例2:1審雄工藝批準甘料 LAK5圖8-1.1九、學習體會花了大概將近一個星期的時間終于完成了這份設計報告，所投入的精力與時間遠超預期。從頭止尾，跌跌撞撞，十分不容易。從最開始的選題開始，最開始選的是投影物鏡，但這類的范例實在太少了，作為新手考慮到之后的操作進程，還是選了較為廣泛的照相物鏡，就當是投影物鏡的反向設計。然后具體的設計要求，也刻意避開了用的較多的例子，找的相關書籍中的習題。鏡頭選型時，在《光學儀器設計手冊》中有一個十分合適的結構，但在ZEMAX上設置運行之后卻發現光線在透鏡中反復折回，完全沒法用，檢查設置后只好放棄。然后上網查資料，找鏡頭，開始接觸CODEV軟件，使用CODEV的鏡頭專利庫找到了合適的結構，而在將CODEV中數據輸入ZEMAX中后發現出現的結構完全不對，和之前一樣，但在CODEV中運行卻十分正常，我意識到必須弄清楚這個問題，要不然我換多少結構都沒意義，比照兩個軟件的設置以及查閱資料之后，發現需要設置漸暈，限制光束，按原始專利數據設置漸暈之后光路果然恢復正常，但是設計手冊中的初始數據好似沒提到漸暈數據，那個結構也只好作罷。替