照相物镜设计

汉口学院

《应用光学》

课程设计报告

报告题目：照相物镜设计学生姓名：

学号：

专业班级：

授课老师：

二O一四年十二月

目录

一、选题背景 (3)

二、设计要求 (4)

三、外形尺寸计算 (4)

四、结构选型及参数计算 (5)

1.结构选型 (5)

2.参数数据 (6)

五、ZEMAX初始数据 (6)

1.初始结构参数 (6)

2.缩放焦距 (8)

3.更换玻璃 (8)

六、ZEMAX校正数据 (10)

1.设置约束对象 (10)

2.设置变量 (11)

3.优化 (11)

4.最终结构数据 (11)

七、像质评价 (12)

1.2D草图 (12)

2.场曲和畸变 (12)

3.快速傅立叶变换调制传递函数 (13)

4.标准点列图 (13)

5.光线像差特性曲线 (14)

6.光路特性曲线 (14)

八、零件图 (15)

九、学习体会 (16)

十、参考文献 (17)

一、选题背景

照相机广泛应用于社会生活的各个领城，已成为科研、国防、生产、教育以及文化生活各领域中的重要手段。它给人类的文明生活带来了许多方便，随着科学技术的发展，人们物质文化生活水平的提高，社会上的照相机也发展的越来越快，越来越普及了。

照相机是由镜头，光圈，快门，取景器，测距器，卷片，机身（暗箱）等主要部件构成的。其中镜头的作用是通过光线把景物集结成影像并投射到感光片上，使感光片接受清晰的影像，它的好坏直接决定了照相机的性能。照相物镜的光学特性一般用焦距f'、相对孔径f

D'

/、视场角ω2表示。此外还提出分辨率的要求，作为保证产品质量的技术条件。

照相物镜的结构型式很多，而且不断有新的型式出现。选用照相物镜的原则应该是:既能满足光学性能和成像质量的要求，而结构又最简单。

双高斯物镜是具有较大视场(大约ω2=40o左右)的物镜中相对孔径最先达到1/2的物镜[1]225。双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1-1.1所示。

图1-1.1 图1-1.2 图1-1.3

双高斯照相物镜是目前多数大孔径物镜的基础，它的演变型式很

多，它的复杂化目的是为了改善成像质量，如图1-1.2所示，或者是

为了增大相对孔径，如图1-1.3所示，相对孔径可达1/0.95。由于

双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。设计这种

类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正[2]167。

二、 设计要求

设计一照相物镜,其相关技术要求为[1]238:

焦距mm f 30=';相对孔径2/1/='f D ;视场角?=402ω。

系统畸变<2% ;空间频率为40lp/mm 时,传递函数MTF ≥ 0.4。

三、 外形尺寸计算

由于照相物镜结构比较复杂，而且它们的结构主要是由高级相

差决定的，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，通过相差计算逐步进

行修改，达到满足要求的光学特性和成像质量[2]176。

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。

四、 结构选型及参数计算

1. 结构选型

mm f 30='；

2/1/='f D ?mm D

15=； ?=402ω??=20ω。

根据所要求的技术条件，选用双高斯物镜结构较为合适[3]。

利用光学设计软件CODE V 寻找到一个合适的初始结构[4]，来自

美国专利2117252的初始结构[5]。其相对孔径和视场角都满足要求，如图4-1.1所示。

图4-1.1

2. 参数数据

其默认结构参数为1='f 时的数据，见表4-2.1。

表4-2.1 默认结构参数

五、 ZEMAX 初始数据

1. 初始结构参数

打开ZEMAX, 设置相对孔径值，如图5-1.1所示。

图5-1.1

按照镜头专利数据如图5-1.2所示，设置视场角及渐晕系数如

图5-1.3所示。

图5-1.2

图5-1.3

将表4-2.1中初始参数输入ZEMAX，如图5-1.4所示。

图5-1.4

2. 缩放焦距

默认结构参数为1='

f 时的数据，输入焦距30mm 进行缩放，如图

5-2.1所示。

图5-2.1

缩放后得到我们所设计的焦距mm f 30='

的初始参数，如图5-2.2

所示。

图5-2.2

3. 更换玻璃

ZEMAX 允许玻璃拥有相应的一种“替代”状态，在寻找更好的设

计方案的过程中自动改变玻璃类型。

设置当前激活的玻璃库，改为国产玻璃，如图5-3.1所示。

图5-3.1

使用玻璃替代功能，如图5-3.2所示。

图5-3.2

在玻璃解对话框中自由设置每块玻璃的状态使之变成“替代（substitute）”，如图5-3.3所示。

图5-3.3

到此，初始结构及其参数已经完成。

六、ZEMAX校正数据

1. 设置约束对象

选择默认优化类型为波前差，约束玻璃及空气的相关厚度,如图6-1.1所示。

图6-1.1

在MTE里添加MTFT及MTFS约束各个视场40lp/mm时大于0.4，并添加DIMX小于0.02,EFFL为30，如图6-1.2所示。

图6-1.2

2. 设置变量

设置所有面曲率半径及厚度为变量，如图6-2.1所示。

图6-2.1

3. 优化

使用Hammer优化，如图6-3.1所示。

图6-3.1

4. 最终结构数据

得到合适的结构数据，见表6-4.1。

表6-4.1 最终结构数据

七、像质评价

1. 2D草图

图7-1.1 图7-1.2

如图7-1.1所示，为优化前；如图7-1.2所示，为优化后。

2. 场曲和畸变

图7-2.1 图7-2.2 如图7-2.1所示，为优化前；如图7-2.2所示，为优化后。

图中distortion即为畸变，由图知优化前后系统畸变<2% ，符合要求。

3. 快速傅立叶变换调制传递函数

图7-3.1 图7-3.2

如图7-3.1所示，为优化前；如图7-3.2所示，为优化后。

MTF值优化后，空间频率为40lp/mm时,传递函数MTF ≥ 0.4，符合要求。

4. 标准点列图

图7-4.1 图7-4.2

如图7-4.1所示，为优化前；如图7-4.2所示，为优化后。优化后点列图更加聚集。

5. 光线像差特性曲线

图7-5.1 图7-5.2 如图7-5.1所示，为优化前；如图7-5.2所示，为优化后。

6. 光路特性曲线

如图7-6.1所示，为优化前；如图7-6.2所示，为优化后。

由以上图像分析可知，像质在优化后都有了明显地提升，而且满足设计要求。

八、零件图

第一面透镜零件图如图8-1.1所示。(透镜零件尺寸上下各留1mm)

图8-1.1

九、学习体会

花了大概将近一个星期的时间终于完成了这份设计报告，所投入的精力与时间远超预期。

从头止尾，跌跌撞撞，十分不容易。从最开始的选题开始，最开始选的是投影物镜，但这类的范例实在太少了，作为新手考虑到之后的操作进程，还是选了较为广泛的照相物镜，就当是投影物镜的反向设计。然后具体的设计要求，也刻意避开了用的较多的例子，找的相关书籍中的习题。

镜头选型时，在《光学仪器设计手册》中有一个十分合适的结构，但在ZEMAX上设置运行之后却发现光线在透镜中反复折回，完全没法用，检查设置后只好放弃。然后上网查资料，找镜头，开始接触CODE V软件，使用CODE V的镜头专利库找到了合适的结构，而在将CODE V 中数据输入ZEMAX中后发现出现的结构完全不对，和之前一样，但在C0DE V中运行却十分正常，我意识到必须弄清楚这个问题，要不然我换多少结构都没意义，对比两个软件的设置以及查阅资料之后，发现需要设置渐晕，限制光束，按原始专利数据设置渐晕之后光路果然恢复正常，但是设计手册中的初始数据好像没提到渐晕数据，那个结构也只好作罢。

替换玻璃原本是应该按初始玻璃来找参数相近的玻璃，但在CODE V专利中初始玻璃只有一串数据，如“610000.533000”，搞得我莫名其妙，以为是外国玻璃编号之类的东西查了半天，后来才突然醒悟就是玻璃折射率与色散值，不过取的是小数点之后的值，略感无语。

在初始结构完成后开始优化，当真是无头的苍蝇，按原来上课教的方法进行优化却是聊胜于无，试遍已知手段，却发现甚至还不如初始结构来的漂亮，毕竟初始结构已经是十分完美了，只不过缩放了焦距，略改了数据。毫无头绪，只好求助于相关光学论坛，等了很久，运气不错有人指点了一下，然后才知道应该有目的性的优化，限制了MTF与畸变值，试了多次后终于有了点样子，达到设计要求。

断断续续接近一个星期，其实大部分时间都是在解决问题或者避开问题，真正操作写报告的时间并不多。在这个过程中，出现了很多问题，大大小小的，深刻感受到了实际上“困难真比方法多”，有的问题是可以避开的，投机取巧，比如换玻璃我直接用的ZEMAX的更换功能，我不确定在那种情况下是否合适，有点不踏实但是得到了结果；而有的是避不开的，比如优化，方法没用对图像显示的就是不合格，你没法碰巧弄出来，这种时候挺磨人的，甚至想换个简单点的题目吧，但我磨着磨着最终还是解决了，有种解脱的感觉，虽说最后发现整个过程用的方法好像和老师教的有点走偏了，但是结果合适。解决问题很有成就感，遇到问题很头疼，有些问题实际上很简单但没人指导就是得花很多时间，没人一起讨论实在太痛苦。当然，也收获了不少，复习了一下相关知识，CODE V是个好软件，ZEMAX多了点熟练度，解决问题的感觉还不错。

十、参考文献

[1]黄一帆，李林.光学设计教程[M].北京:北京理工大学出版社，2009.

[2]刘钧，高明.光学设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[3]耿瑞辰,黄军霞.光学塑料折射非球面在双高斯照相物镜设计中的应用[J].制造业自动化，2010，32（11）：145-148.

[4]张以谟.应用光学（第3版）[M].北京:电子工业出版社，

2008.695-698.

[5]CODE V软件镜头库，US PATENT 2,117,252 EX 1 H. W. LEE.

[6]ZEMAX中文使用手册2010年2月版.光研科学有限公司.