放缩法摄影物镜光学设计.docx
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放缩法摄影物镜光学设计
第四章物镜原始数据
4.1原始数据一
经过查询光学镜头手册得到如下数据，将其填入ZEMAX制成如下表格。
表4.1.1是第一组镜头的原始数据，是由五片玻璃所组成，其中含有一个双胶合，其材质分别为：
LaC12NbF1FD11FD11TaC4。
表4.1.1原始镜头数据
Surf
Type
Radius
Thickness
Glass
Semi-diameter
OBJ
Standard
Infinity
Infinity
1
Standard
10.1735
1.3164
LaC12
5.813604
2
Standard
22.7429
0.418
5.698738
3
Standard
6.2179
1.6159
NbF1
4.475938
4
Standard
21.545
0.6593
FD11
4.340227
5
Standard
4.5007
2.4432
3.092515
STO
Standard
Infinity
2.2838
2.223244
7
Standard
-5.0329
0.5989
FD11
3.024295
8
Standard
-7.1228
0.0603
3.495706
9
Standard
-34.1121
1.6762
TaC4
4.070572
10
Standard
-7.6248
13.838
4.333071
IMA
Standard
Infinity
9.231061
经过计算后得到一系列系统图和像质图供分析数据
图4.1.1光学系统图
图4.1.2点列图
图4.1.3光学传递函数图
4.2原始数据二
经过查询光学镜头手册得到如下数据，将其填入ZEMAX制成如下表格。
表4.2.1是第二组镜头的原始数据，是由五片玻璃所组成，其中含有一个双胶合，其材质分别为：
LaC13LaC10FD13FD14LaC12。
表4.2.1原始镜头数据
Surf
Type
Radius
Thickness
Glass
Semi-diameter
OBJ
Standard
Infinity
Infinity
1
Standard
27.7832
5.4161
LaC13
15.2439
2
Standard
61.1235
0.9702
13.6036
3
Standard
13.3357
3.7508
LaC10
7.7869
4
Standard
20.1426
1.5253
FD13
6.2473
5
Standard
9.6347
5.6712
7.9472
STO
Standard
Infinity
5.6712
4.567
7
Standard
-11.3408
1.3853
FD14
9.5136
8
Standard
-15.5807
0.135
6.4181
9
Standard
-79.2202
3.8858
LaC12
7.3564
10
Standard
-17.3725
33.1534
8.31
IMA
Standard
Infinity
22.2003
经过计算后得到一系列系统图和像质图供分析数据
图4.2.1光学系统图
图4.2.2点列图
图4.2.3光学传递函数图
4.3原始数据三
经过查询光学镜头手册得到如下数据，将其填入ZEMAX制成如下表格。
表4.3.1是第三组镜头的原始数据，是由五片透镜所组成，其材质分别为：
BaCD15LaC10FD15LaC10K8。
表4.3.1原始镜头数据
Surf
Type
Radius
Thickness
Glass
Semi-diameter
OBJ
Standard
Infinity
Infinity
Infinity
1
Standard
83.0338
3.0169
BaCD15
17.215
2
Standard
30.0892
42.664
15.37
3
Standard
52.9296
4.8793
LaC10
9.79
4
Standard
-103.1033
12.0477
9.68
STO
Standard
Infinity
5.9034
8.1393
6
Standard
-23.99
3.9757
FD15
7.5789
7
Standard
102.8825
1.004
7.9465
8
Standard
-134.4324
3.1123
LaC10
8.0239
9
Standard
-29.7278
0.2259
8.2917
10
Standard
-226.0201
3.6093
K8
8.2989
11
Standard
-30.1444
65.113189
8.3415
IMA
Standard
Infinity
20.9438
经过计算后得到一系列系统图和像质图供分析数据
图4.3.1光学系统图
图4.3.2点列图
图4.3.3光学传递函数图
比较以上三种原始的结构，从上可以知道第一种与第二种结构是含有一个双胶合透镜由五片玻璃所组成的，第三种结构是五片透镜的形式。
但是，经过分析，对于第一种结构形成了全反射现象，并且由于像质校正起来比较的困难，而且结构不能满足设计的要求。
第二种结构的数据比较好，像差比较容易校正，而且加工起来比较容易且像质比较好，系统的工作距离也比较适当，点列图比较小，较其他结构更容易达到设计的要求。
而第三种结构采用的是分离的五片透镜的形式，不但加工起来比较的容易，而且工艺性比较的好，性价比高，像质比较的好，所以选择第二种与第三种作为中间的数据进行优化得到最终的数据结果。
第五章照相物镜中间数据及设计过程
5.1设计过程
用一至两周的时间把以前学过的理论知识重新认真的学习一遍，理解并掌握其中的关于本次设计的相关知识，而后由图书馆借来照相物镜、数码相机、镜头设计手册等相关的书籍，最后通过因特网查询相关的资料，从而准备工作宣布结束。
根据所给焦距的值、相对孔径的值，从而计算出视场角的值和入瞳直径的值，而后根据相应的参数，在镜头手册中查出相应形式的镜头，把镜头的结构参数值记录下来，而后在设计软件中进行优化。
在镜头的选型时，至少要选3组镜头，因此从不同的选形中可以有不同的数据，而后进行优化。
尽量选择参数值与实际参数相同或是稍大的镜头，那样操作优化起来会比较容易，把相应的镜头数据输入到光学设计软件中，把半径值全部设成变量而后找出全局的优化结果。
但是，往往得到的结果不尽如人意，所以把半径逐个的设成变量，而后进行优化，找出其中半径的变化对像差影响较大的，便可以知道其值是敏感值。
首先把它规划到最优化的值，而后再把其它半径值进行局部的优化，这样半径的调整可以暂时放置一边，等待再次调整。
再调整面与面之间的间隔，所经过的调整的过程与前面的半径的优化过程是一样的，从而得到更进一步的较好的优化结果，最后将半径和面与面之间的间隔局部设成变量进行最后优化直至达到最优化的结果。
在此调整的时候必须要满足正透镜的边缘的最小厚度、负透镜的最小中心厚度随透镜直径的变化要满足国标值，最后调整光阑的位置。
因为光阑对轴外像差的校正是非常重要的，它的位置直接影响到轴外像差的大小。
还有，如果在不加渐晕的情况下像差的调整达不到要求时，由于照相机都存在渐晕，我们可以适当的较入渐晕来协助调整，直至达到理想的效果。
所有的数据调整完以后，再看像差特性曲线与像差容限可否满足设计的要求，如果满足就可以。
三组数据并不是都这样调整的，我们从三组原始数据中找出两组相对来讲比较好的数据进行优化，来减少工作量和不必要的时间支出。
这样既省时又省力还可以积累一定的经验，为日后的工作打下坚实的基础。
从而达到这次毕业设计的真正意义。
5.2中间数据
表5.2.1.1原始镜头数据
Surf
Type
Radius
Thickness
Glass
Semi-diameter
OBJ
Standard
Infinity
Infinity
1
Standard
28.317
5.5
LaC13
15.8358
2
Standard
66.5563
7.0991
14.6411
3
Standard
11.3798
3.66
LaC10
7.8041
4
Standard
22.165
1.105
FD13
6.4902
5
Standard
8.0835
6
4.9494
STO
Standard
Infinity
6
3.575
7
Standard
-9.662
1.3225
FD14
5.0167
8
Standard
-11.2773
2.575
5.8323
9
Standard
-58.4929
3.2243
LaC12
8.8686
10
Standard
-17.1005
26.6511
9.417
IMA
Standard
Infinity
21.752
图5.2.1.1中间数据光学系统图
图5.2.1.2中间数据点列图
图5.2.1.3中间数据光学传递函数图
表5.2.2.1原始镜头数据
Surf
Type
Radius
Thickness
Glass
Semi-diameter
OBJ
Standard
Infinity
Infinity
Infinity
1
Standard
37.3092
1.6661
BaCD15
17.3641
2
Standard
22.1860
42.664
15.6074
3
Standard
60.7664
4.8793
LaC10
9.3
4
Standard
-55.094
12.0447
9.2225
STO
Standard
Infinity
5.9034
7.0736
6
Standard
-19.2054
3.9757
FD15
6.2884
7
Standard
169.3425
1.004
6.5438
8
Standard
-31.4583
3.1123
LaC10
6.5644
9
Standard
-20.9435
0.2259
6.9654
10
Standard
5816.45
3.6093
K8
6.9867
11
Standard
-27.2282
54.7084
7.5057
IMA
Standard
Infinity
21.2973
图5.2.2.1中间数据光学系统图
图5.2.2.2中间数据点列图
图5.2.2.3中间数据光学传递函数图
比较以上的两种中间的数据结构，我认为第二组结构的数据不是很好，其中，它的系统长度太长不实用，点列图偏大，像质不清晰，工艺复杂，从它的数据中可以看出，那些镜头不易加工，不满足加工、设计的要求；第一组结构加工起来或许工艺性不是很好、经济性不是很高，但是，我们的毕业设计是理论性的设计，要求有好的像质、能够满足设计的要求。
综上，我选择第一组进行优化，从而得到最后的、符合设计要求的数据结果。
第六章照相物镜最终数据
经过反复的核算与调整得到了一组像差较小，像质较好的数据，并将其选定为本次设计的最终结果，制成表格如下。
表6.1最终数据
Surf
Type
Radius
Thickness
Glass
Semi-diameter
OBJ
Standard
Infinity
Infinity
1
Standard
26.2252
8.3
LaC13
15.6124
2
Standard
54.7295
5
13.0346
3
Standard
11.3798
3.66
LaC10
7.7042
4
Standard
22.1658
1.105
FD13
6.3352
5
Standard
8.0835
5.597
4.8207
STO
Standard
Infinity
5.597
3.4487
7
Standard
-9.662
1.3225
FD14
4.8843
8
Standard
-11.277
3.4836
5.7074
9
Standard
-58.4926
3.2243
LaC12
9.5354
10
Standard
-17.1005
24.9245
9.9635
IMA
Standard
Infinity
21.7546
图6.1最终数据光学系统图
图6.2最终数据点列图
结论
照相物镜是大孔径大视场的光学系统，所以需要校正的是球差、慧差、像散、场曲、畸变、位置色差、倍率色差七种几何像差。
本次设计所给的全视场是46度、相对孔径是1/4、焦距是50毫米，因此，在设计中边缘视场的点列图均方根半径是3.8~~4.8微米之间，而我调整后的点列图均方根为3.1微米，分辨率是100线对/毫米、光学传递函数的特征频率均合乎要求、纵向像差的一致性保持很好、相对畸变=2.5%〈5%、像散、畸变也满足设计的要求，横向像差也很好。
但由于时间相对来说有些短，我在设计方面的经验、水平还不足，设计能力有限。
因此设计方案或许未能达到最佳状态、实际成品与理论要求有一定的出入，这是本次设计的不足之处，恳请参考此文的同志加以指正。
参考文献
[1]光学设计手册李士贤、李林编
北京理工大学出版社出版ISBN-81045-111-1/TN.15
[2]光学镜头设计手册.福建光学技术研究所、国营红星机电厂编译
国防工业出版社出版15034.2250
[3]光学设计理论基础王之江编
科学出版社15031.625
[4]数码相机实用技术百问丁启芬、刘文开编
人民邮电出版社出版ISBN7-05-08023-2/TP.1254
[5]Finke,H.E.,IurMethodikderDurchrechungWindschieferStrahlendurchZenthrierteLinsensysteme,In"JenaerJohrbuch1951".
[6]Feder,D.P.,OpticalCaculationwithAutomaticCompuitingMachinery,Jour.Opt.Soc.Amer.,41（1951）.630
[7]光学与照相第一期1983.01
上海科学技术文献出版社出版
[8]光学与照相第二期1983.02
上海科学技术文献出版社出版
[9]现代照相机和照相物镜技术[日]小仓磐夫著
机械工业出版社ISBN7-111-01609-2/TH.273
[10]光学仪器设计手册（上）光学仪器编辑组编
国防工业出版社出版15034.1238
[11]光学设计文集光学设计编辑组编
第一机械工业部情报所出版79.840838144
[12]Hokins,R.E.,MethodofOpticalDesign,Thesis,Rochester.1945
[13]照相机原理、选购、使用、维修钟伯亮倪树槐卢文翔编著电子工业出版社ISBN7-5053-1659-1/TS·1
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