相对孔径为1∶1镜头的光学系统设计200701013
光学镜头参数详解
光学镜头参数详解
摘要：
I.光学镜头概述
- 定义与作用
II.光学镜头的主要参数
- 焦距
- 相对孔径与光圈数
- 视场角与像面尺寸
- 分辨率
- 景深
- 工作距离
- 相机接口
III.光学镜头的选择与应用
- 选择光学镜头的考虑因素
- 光学镜头的应用领域
IV.结论
正文：
I.光学镜头概述
光学镜头是一种用于将光线聚焦在一点上的光学器件，通常由多个透镜组成。
它广泛应用于各种光学设备和仪器中，如照相机、望远镜、显微镜等。
光学镜头的主要作用是将来自物体的光线聚焦在成像传感器或眼睛上，从而产生
清晰的图像。
II.光学镜头的主要参数
1.焦距
焦距是指从光学镜头的中心点到焦点的距离。
它决定了像与实际物体之间的比例。
镜头焦距越长，成像越大。
2.相对孔径与光圈数（f）
相对孔径是指镜头的有效孔径与焦距的比值，主要影响像面的照度。
大相对孔径中波红外变焦系统的小型化设计
R S 2 , -0 2 + T ) + , 3U 2 8 8 2 . 30 7 4 3 D 09 V R W * ) , @ % $ $ ' R S 2 , F F E&
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大相对孔径红外变焦距光学系统设计
大相对孔径红外变焦距光学系统设计秦志鹏，车新宇，肖颖【摘要】摘要：设计了工作在8～12μm波段的非致冷红外连续变焦光学系统。
该系统由4组元5片透镜组成，其中前固定组、变倍组和补偿组均只有1片透镜，后固定组为两片。
焦距50～200mm，相对孔径较大，为1∶1。
设计过程中编写了适用于二组元变焦系统的ZEMAX宏程序，该程序可给出凸轮曲线的数据和形状，同时使像面位置不受限于高斯光学关系，能够满足某些焦距位置离焦的要求。
系统在空间频率为20lp/mm处，各个视场的MTF值均在0.4以上。
【期刊名称】长春理工大学学报（自然科学版）【年(卷),期】2013(000)005【总页数】4【关键词】光学设计；红外变焦；衍射光学；ZEMAX宏程序由于红外光谱的辐射和传输特性，使红外光学系统具有一定的穿透烟、雾、霾等限制的能力，还具有环境适应性好、隐蔽性好、能在一定程度上识别伪装目标的优点。
焦距可变的红外光学系统可以在短焦大视场时对大范围扫描，同时也可在长焦时进行小范围的仔细观察，克服了传统的定焦光学系统换镜头导致的像不连续，短时间目标丢失的缺点［1，2］。
基于以上优点，近年来，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。
本文设计了结构紧凑的长波红外连续变焦距光学系统。
同时将ZEMAX宏程序给出凸轮曲线数据和形状的方法应用到本设计中［3］，这种方法具有不受限于高斯光学计算，能够满足某些焦距位置离焦要求的特点。
1 光学系统设计1.1 光学设计指标要求该长波红外连续变焦光学系统采用384×288非制冷焦平面阵列探测器［4］，像元尺寸为25μm×25μm。
该系统的设计指标要求，如表1所示。
1.2 光学设计思想本设计的相对孔径较大、焦距较长，在这种情况下为使光学筒长较短，采用机械补偿中有利于减小总长的负组补偿形式；由于红外材料的透过率较低，应用较少的透镜数量，以提高到达像面的能量；利用衍射面具有负阿贝数的色散特性来校正色差［5］，将衍射面设置在前固定组的后表面，因为前组的色差会被后面的组元放大，因此在前组消色差。
光学设计与CADPW初始结构设计和像差优化
SV
k 1
hzi 3 hi 2
Pi
3J
k 1
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Wi
J
2
k 1
hzi hi
i
3
i h第i个透镜组总光焦度
n i
组成第i个透镜组的各个透镜的光焦度
当光学系统的各个薄透镜组的光焦度及它们相互间的 位置为已知时，第一近轴光及第二近轴光线在各个光 组上的入射高度也就确定了。根据上面公式知，每个 薄透镜组的初级像差由两个参量P、W确定，故称为 薄透镜组的像差参量或像差特性参数。
u1 0 u1
h 1 1 nu nu
r n nn
h
u 'k
u 'k
W W u1 2 h
P
P
u1
4W h2 2
u12 3 2 h
实际应用：归一化条件下的 P W 的值作为基本参量，
计算方法
简单系统计算方法 PW基本计算方法 归一化PW计算法
1
1 1 2
2
2 1 2
K9 : nD 1.51637, 64.1, nF 1.52196, nC 1.51389 ZF 2 : nD 1.67268, 32.2, nF 1.68747, nC 1.66662
当焦距规化后其放大率不变，即物像的相对位置不变。
P W 与镜组的内部结构参数，物体的位置有关。 分离方法求两
类 （1） 任意位置的P W；（2） 物无穷远处的 P W
P
《镜头光学设计》课件
3 制造工艺优化
优化制造工艺以提高生 产效率和降低成本
总结与展望
总结本课程的重点内容，回顾镜头光学设计的学习收获，并展望光学设计领域的未来发展。
学习回顾
重点总结镜头设计的核心知识
未来展望
分析光学设计领域的前景和挑战
镜头系统的基本组成和功能
光学元件
各种光学元件的特性和用途
镜头设计的流程
了解镜头设计的流程和步骤，从需求分析到设计验证，逐步优化设计方案，以实现最佳的成像效果。
1
Hale Waihona Puke 需求分析理解用户需求和设计目标
2
初步设计
根据需求制定初步设计方案
3
优化设计
通过仿真和实验优化设计
镜头设计中的常用软件
介绍镜头设计中常用的软件工具和其功能，包括光学设计软件、建模软件以及成像仿真工具。
《镜头光学设计》PPT课 件
本课程将介绍镜头光学设计的基本原理和流程，让您了解光学基础和常用软 件，通过典型案例提高设计质量。让我们开始探索这个精彩的领域！
光学基础与光学设计基础
深入了解光学原理和光学设计的基础概念，包括光的传播、折射、反射以及光学元件的特性和功能。
光学原理
光的性质和传播规律
光学设计概念
1 光学设计软件
如Zemax、Code V等，用于设计镜头系统并进行光学分析
2 建模软件
如SolidWorks、CAD等，用于设计和建模光学元件
3 成像仿真工具
如LightTools、TracePro等，用于模拟成像效果
典型的镜头系统设计案例
通过实际案例了解典型的镜头系统设计，包括相机镜头、望远镜镜头等，了解各个系统的设计特点和成 像效果。
相机镜头设计
工程光学习题解答第十章光的干涉
第十一章 光的干涉1． 双缝间距为1mm,离观察屏1m,用钠光灯做光源，它发出两种波长的单色光nm 0.5891=λ和nm 6.5892=λ，问两种单色光的第十级亮条纹之间的间距是多少？解：由题知两种波长光的条纹间距分别为961131589105891010D e m d λ---⨯⨯===⨯ 962231589.610589.61010D e m d λ---⨯⨯===⨯ ∴第十级亮纹间距()()65211010589.6589100.610e e m -∆=-=⨯-⨯=⨯2． 在杨氏实验中，两小孔距离为1mm,观察屏离小孔的距离为50cm,当用一片折射率为1.58的透明薄片贴住其中一个小孔时（见图11-17），发现屏上的条纹系统移动了0.5场面，试决定试件厚度。
解：设厚度为h ，则前后光程差为()1n h ∆=- ()1x dn h D∆⋅∴-=230.510100.580.5h --⨯⨯=21.7210h mm -=⨯3． 一个长30mm 的充以空气的气室置于杨氏装置中的一个小孔前，在观察屏上观察到稳定的干涉条纹系。
继后抽去气室中的空气，注入某种气体，发现条纹系移动了25个条纹，已知照明光波波长nm 28.656=λ，空气折射率000276.10=n 。
试求注入气室内气体的折射率。
图11-47 习题2 图解：设气体折射率为n ，则光程差改变()0n n h ∆=- ()02525x d dn n h e D Dλ∆⋅∴-==⋅= 9025656.2810 1.000276 1.0008230.03m n n h λ-⨯⨯=+=+= 4． ** 垂直入射的平面波通过折射率为n 的玻璃板，投射光经投射会聚到焦点上。
玻璃板的厚度沿着C 点且垂直于图面（见图11-18）的直线发生光波波长量级的突变d ，问d 为多少时，焦点光强是玻璃板无突变时光强的一半。
解：无突变时焦点光强为04I ，有突变时为02I ，设',.d D 200'4cos 2xd I I I Dπλ== ()'104xd m m D λ⎛⎫∴∆==+≥ ⎪⎝⎭又()1n d ∆=- 114d m n λ⎛⎫∴=+ ⎪-⎝⎭5． 若光波的波长为λ，波长宽度为λ∆，相应的频率和频率宽度记为ν和ν∆，证明λλνν∆=∆，对于nm 8.632=λ的氦氖激光，波长宽度nm 8102-⨯=∆λ，求频率宽度和相干长度。
大相对孔径制冷型红外相机镜头的光学设计
气象观测：在地球外的航天器上安装大相对孔径的红外相机，可以对地球进行高精度的大气温度、湿度和风速测量，为气象预报提供重要数据。
在医疗领域的应用前景
诊断：大相对孔径制冷型红外相机镜头能够检测到人体微小的温度变化，有助于早期发现病变，提高诊断准确率。
康复治疗：通过红外相机对患者的康复情况进行实时监测，可以及时调整康复治疗方案，提高康复效果。
汇报人：
光学元件的材料选择：根据工作波段和性能要求，选择合适的材料，如硅、锗等。
元件加工工艺：采用精密机械加工、光学镀膜等工艺，确保元件的精度和光学性能。
元件设计原则：根据系统的总体要求，进行光学元件的设计，如透镜、反射镜等。
误差分析：对加工过程中可能出现的误差进行分析，确保元件的实际性能满足设计要求。
光学系统的装配与调试
光的传播定律和几何光学原理
添加标题
镜头设计和像差校正
添加标题
光学材料和元件的选择
添加标题
制冷型红外相机的特殊要求和实现方法
添加标题
制冷型红外相机的特点
制冷型红外相机采用制冷技术，将相机内部温度降低到一定程度，以减小热噪声和背景辐射干扰，提高成像质量。
01
02
制冷型红外相机具有较高的灵敏度和识别。
新型光学元件的设计与加工技术
光学元件的轻量化与小型化
新型材料的应用
纳米级精度加工技术
光学元件的智能化与集成化
光学系统的高效装配与调试技术
光学元件的精确加工和装配
光学系统的高效调试技术
光学元件的稳定性和可靠性
光学系统的性能测试和评估
光学性能的快速检测与评估技术
定义：对光学系统性能进行快速、准确检测与评估的技术
01
02
大相对孔径制冷型红外相机镜头的光学设计
在制造工艺优化过程中，需要充分考虑成本控制 因素，以实现经济效益和性能指标的平衡。
装配调试流程简介
装配前准备
包括清洗零件、检查配合尺寸、准备装配工具等。
装配过程控制
严格按照装配工艺要求进行装配，保证各部件的准确配合和间隙调整 。
调试与检测
装配完成后进行镜头的调试和检测工作，包括光学性能检测、机械性 能测试等，确保镜头符合设计要求。
01
引言
项目背景与意义
红外相机在军事、航空、导航 等领域有广泛应用，对高性能 红外相机镜头的需求迫切。
大相对孔径制冷型红外相机镜 头能够捕捉更远距离、更高分 辨率的红外图像。
该项目的研究与开发对于提升 我国红外相机镜头的研制水平 具有重要意义。
设计目标与要求
01
设计一款大相对孔径、 高分辨率、低畸变的制 冷型红外相机镜头。
探测器冷却方式对镜头材料的影响
不同的冷却方式可能会对镜头的材料选择产生影响，如某些材料在低温 下性能会发生变化，需要在设计时进行充分考虑和测试。
06
机械结构设计与制造工艺规划
镜头机械结构特点分析
紧凑型设计
为了实现小型化和轻量化，镜头采用了紧凑型结构设计。
高精度要求
镜头的光学性能对机械结构的精度要求较高，需保证各部 件的准确配合。
光学传递函数分析
光学传递函数（OTF）概念
MTF分析
描述光学系统对空间频率的响应能力，包 括调制传递函数（MTF）和相位传递函数 （PTF）。
通过仿真软件计算镜头的MTF曲线，评估 镜头在不同空间频率下的成像质量。
PTF分析
综合评价
分析镜头的相位传递函数，了解镜头对波 前的相位影响，为后续光学加工和装调提 供参考。
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引言
由于 2345678物 镜 具 有 大 相 对 孔 径#小 视 场 的 特 点-因此 其 球 差 和 彗 差 可 以 得 到 很 好 的 校 正-相 对 孔 径 可 以 做 得 比 较 大 -中 心 视 场 的 成 像 质 量 也 较 优 良 1 但 由 于 它 会 产 生 很 大 的 场 曲 -因 此 视 场 角 不 宜过大-一般控制在 $#$以内1欲达到更大的视场和 孔 径 -可 采 用 双 高 斯 物 镜 结 构 1 笔 者 设 计 的 镜 头 要 求视场为 &$-相对孔径 为 ", "-采用 在 像 面 附 近 加 场 镜 -在 前 组 和 后 组 之 间 增 加 不 晕 透 镜 的 方 式 来 解 决上述问题%"&-如图 "所示1
第 $&卷 第 "期 $##(年 "月
文 章 编 号 !"##$%$#&$’$##()#"%##**%#+
应用光学 -ncwd78noIEE8j3saE4jtr
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相对孔径为 ","镜头的光学系统设计
周 华 鹏 "- 陈 文 建 "- 唐 绍 凡 $
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在 设 计 过 程 中#我 们 尝 试 使 用 OPQR S 光 学 设计 软 件 中 的 衍 射 面 型 进 行 设 计J!K#发 现 可 以 用 ( 片 光 学 透 镜 实 现 上 述 技 术 要 求 #但 考 虑 到 我 国 目 前 光 学 加 工 的 技 术 现 状 #即 在 光 学 玻 璃 基 底 上 进 行 可
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应用光学 ",,Q!"SM(P
周华鹏!等e相对孔径为 (1(镜头的光学系统设计
化!得到的初步设计结果如图"和#所示$其中%&’ 数据如表 (所示$图中 )*+(",--./0)+(1($
图 " 物镜初步设计结构 2345" 6789:798;<=>83?@83ABCD;E34F;DA;FE
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" 初步设计
根据图 "的结构形式对系统进行初步设计及优
收稿日期!$##/%#@%"@0 修回日期!$##/%"#%#@ 作 者 简 介!周 华 鹏 ’"@(++)-男-辽 宁 铁 岭 人-高 级 工 程 师-主 要 从 事 光 电 系 统 及 光 学 系 统 设 计1g%<7j8!5mncmc7E3de $#*
关键词! 光学设计0大孔径镜头0非球面
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图 # 场曲和畸变曲线
2345# G98H;E<==3;AD:98H@798;@FDD3E7<873<F 表 ( 初步设计 %&’数据表
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频 率 0MNO0--P (,
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图 U 非球面场曲和畸变曲线 2345U G98H;E<==3;AD:98H@73<F@FDD3E7<873<F
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周华鹏#等L相对孔径为 E}E镜头的光学系统设计
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的 第 !和 "面 为 高 次 非 球 面#有 效 口 径 分 别 为 $ %&’’ 和$ ()’’#其余各面均为球面*
图 中 场 镜 的 负 光 焦 度 根 据 其 产 生 的 负 l’ 而 定-场镜的 弯 曲 情 况 根 据 校 正 畸 变 的 情 况 而 定-这 样 可 以 同 时 校 正 场 曲 和 畸 变 -提 高 轴 外 视 场 的 成 像
质量1
图 " 2345678物镜结构形式 (MV." )LZ^NL^ZSYXKSL*]OPPSWQ
样就可得到 #片结构初始形式!其光学非球面面型 公式为
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_ c^V_ d
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式中e]为顶点曲率.a为二次曲线系数.c!d 为
高 次 系 数 f"g$其 像 差 系 数 可 以 看 作 是 在 球 面 系 数 上
加 上 非 球 面 像 差 系 数 的 增 量 !即
hij +Mk‘k*PMa]#lV_SclV_dP
频 率 >?@A>’’B
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视场 &CD&D +,&C%FD &C%"F &C%!!
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G 结果分析
本 系 统 全 部 采 用 国 产 光 学 玻 璃 设 计 #系 统 各 项 指 标 均 达 到 要 求 #尤 其 是 透 过 率 经 优 化 设 计 后 理 论 值 达 到 %GH *这 对 于 光 谱 成 像 系 统 来 说 作 用 是 巨 大 的 *我 们 知 道 #摄 像 系 统 属 大 像 差 系 统 #在 评 价 像 质 时 #通 常 以 有 效 弥 散 斑 直 径 倒 数 作 为 系 统 能 分 辨 的 线对数或者以 +,-I&C)所对应的 空 间频 率 作 为 成 像 质 量 指 标 JGK*计 算 结 果 表 明 L在 满 足 MI E大 孔 径 条 件 下 #笔 者 设 计 的 镜 头 视 场 中 心 分 辨 率 远 远 高 于 (&@A>’’N这 样 的 像 质 能 满 足 光 谱 摄 影 和 摄 像 器件的要求*
him +hi(ln0l hio +hi(l"n0l"
hip +, 式中 ln 为主光线在各元件上的高度$
在设计优化过程中发现!第 (透镜的非球面口 径接近q (",--!表面曲率较大$由于实际加工过 程中使用的面型轮廓仪最大的检验口径为 (",-M型 号e&rstuvw’ xyz{yx"P!因 此!这 样 设 计 会 因 为 大 口 径 |大 矢 高 测 量 所 产 生 的 误 差 而 降 低 零 件 的面型精度!于是决定第 (片透镜 "个表 面均采 用 球面!经 过 光 焦 度 重 新 分 配!在 不 晕 透 镜 第 "表 面 使用非球面以校正第 (片透镜的球差$经过优化! 利用非球面设计的最终结果为 )*+(",--!/0) +(1(!系统总长 (QQ--$
表 ( 最终设计的 +,-数据表 ./012( 3.456678/119:;2<7=82;128<
见 光 波 段 的 衍 射 面 加 工 尚 处 于 探 索 阶 段 #因 此 没 有 采 用 该 技 术 * 相 信 随 着 科 学 技 术 的 进 步 #更 加 简 化 的光学结构一定能够达到工程化应用要求*
#,
ห้องสมุดไป่ตู้
,5RVU
,5R(
,5QV
从 以 上 图 表 数 据 可 以 看 出 !初 步 设 计 结 果 基 本 满 足 指 标 要 求 $ 但 是 !由 于 选 用 的 光 学 材 料 中 有 吸 收率较大的 W’T玻璃!理论计算的系统透过率仅为 SQX!考 虑 实 际 加 工 过 程 中 的 随 机 性!实 际 加 工 镜 头 的 透 过 率 可 能 低 于 指 标 要 求 MSUX P$因 此 减 少 透 镜的吸收率是完善设计的重点$