光学课程设.docx

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光学课程设

光电技术课程设计报告书

课题名称

大孔径摄影物镜的设计与优化

姓名

学号

院系

专业

指导教师

2013年月日

一、设计任务及要求：

设计任务：

设计一个大孔径摄影物镜并进行优化。

要求：

1、焦距f´=1.01mm；

2、相对孔径D/f′=1:

2.85；

3、物方视场角2ω=64.2º；

4、像方顶焦点l´F。

指导教师签名：

年月日

二、指导教师评语：

指导教师签名：

年月日

三、成绩

验收盖章

年月日

1.设计目的：

1.1能用zemax软件对初级像差进行分析和校正，从而对镜头进行优化设计的能力；

1.2具备采用计算机软件进行数值计算、仿真、绘图等能力。

2.设计思路：

2.1了解原有的大孔径放大摄影物镜的结构及原理；

2.2初步熟悉ZEMAX软件的操作步骤及原理；

2.3将已有的数据利用ZEMAX软件进行大孔径放大摄影物镜的设计于优化；

2.4在进行多次优化后的数据接近设计要求时停止优化；

2.5设计过程中要对数据及导出的图片进行分析。

3．设计原理：

3.1以物镜为主要组成部分，物镜的光学特性决定了系统的使用性能物镜的光学特性有三个焦距：

（1）EFL；

（2）F数F/NO；（3）视场角2ω。

3.2当物在无限远时，有以下关系y=-ftgω；当物在有限距时，有y=βy=（f/x）y；当接收器的尺寸一定时，物镜的视场角取决于焦距的大小。

按视场的大小或按焦距的大小，摄影物镜可分为：

（1）普通镜头；

（2）广角镜头；（3）长焦镜头。

3.3焦距f与接收器对角线长度2y近似相等时，镜头的视场角为40°左右，称为普通镜头；随着焦距的减小，视场角增大，达到55°~60°，称为广角镜头；最大可达120°；复眼镜头的视场角可达180°；长焦镜头的视场角比较小，最大为十几度。

3.4摄影镜头的光学特性：

3.4.1分辨率：

在摄影系统中，以系统对黑白相间的线条密度的分辨极限来描述它的分辨率。

值得注意的是，系统的分辨率是一个整体的概念。

这个系统包括了物镜和接收器，它们的共同作用的结果才能表示这个系统的特性。

物镜的分辨率为：

1/N=（1/NL）+（1/NP）NL；

接收器的分辨率为：

NP。

摄影物镜的分辨率以理论分辨率表示，.根据衍射理论和瑞利判断，

σ=1.22λ/（D/f）NL=1/σ

当波长λ=0.55微米时：

NL=1475（D/f）线对/毫米。

以上是对视场中心而言，边缘视场的分辨率低于中心视场。

因为有较大像差存在,摄影物镜的实际分辨率要远低于理论分辨率。

事实上用分辨率来描述摄影物镜成像质量是不全面的。

比较科学的描述摄影物镜成像质量的方法是用调制传递函数（MTF）。

3.4.2光度特性：

摄影系统的光度特性包括照度特性和光谱吸收特性.视场中心照度公式:

E0=πKB（nK/n1）2sinUE0=（πKB/4）（D/f）2[βZ2/（βZ-β）2]

当物体在无限远时，β=0，则E0=（πKB/4）（D/f）2；

当物体在有限距时，β常为一负值，而βZ多为一正值，则βZ/（βZ-β）1，可知，当物体在有限距时的像面照度小于物体在无限远时的像面照度。

若β=-1，对称式物镜，则βZ=1，有E0=（πKB/16）（D/f）2，像面上非中心视场的照度与其位置有关,即E=E0cos4ω，当镜头设计时，为了改善轴外点的像质,加入渐晕，会使轴外照度进一步降低。

3.4.3几何焦深调焦：

物镜在对一垂轴平面拍照时，需要进行像面位置的调整，以便得到最清楚的图片，称为调焦.。

3.4.4几何焦深：

从光学理论上，像面位置和物面的对应关系是唯一的。

但是由于接收器的不完善,即使像面沿光轴有些移动,接收器所感到的像仍然是清晰的。

像面能在一定范围里沿光轴移动的量，称为几何焦深.几何焦深没有考虑像差的作用。

3.4.5物理焦深：

以实际光学系统为对象，当移动所引起的波像差变化量为λ/4时，其移动距离定义为物理焦深。

3.4.6景深：

几何焦深有2Δ=2zF（1-β）z，像点允许的弥散斑直径景深物体所处的最大深度范围称为景深。

在正确透视条件下的景深即观察距离D=f远景平面到对准平面的距离为：

Δ1=P1-P=PZ1/（2a-Z1）Δ2=P-P2=PZ2/（2a+Z2）但是,人们观察底片时,都放在明视距离上.如果底片上所允许的弥散斑直径是z,它对眼睛的张角是：

ε=z/250Δ1=PεD/（2aβ-εD）Δ2=PεD/（2aβ+εD）

因为Pf,所以x≈P。

β=-f/x≈f/P，则

Δ1=P2εD/（2af-PεD）Δ2=P2εD/（2af+PεD）

3.5物镜类型：

3.5.1大孔径物镜：

大孔径物镜分为匹兹瓦物镜、柯克物镜（三片式）、天塞物镜和海利亚物镜、松纳物镜、双高斯物镜。

3.5.2广角物镜：

广角物镜分为反远距物镜、超广角物镜、长焦物镜。

4.设计过程：

4.1初始结构的选取：

4.1.1设计要求

（1）焦距f´=1.01mm；

（2）相对孔径D/f′=1:

2.85；

（3）物方视场角2ω=64.2º；

（4）像方顶焦点l´F。

4.1.2像方焦点摄影物镜属于大视场大孔径系统,因此需要校正的像差也大大增加,结构也比较复杂,所以摄影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。

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。

初始数据如表1所示：

表1初始数据

序号

半径

厚度

1

0.84100

0.125

2

10.31836

0.002

3

0.52000

0.128

4

1.09239

0.016

5

1.75000

0.043

6

0.33128

0.062

光阑

Indefinitely

0.062

8

-0.32000

0.030

9

7.00000

0.000

10

7.00000

0.160

11

-0.42385

0.002

12

5.34000

0.060

13

-1.18001

0.002

14

1.85000

0.042

15

6.34901

待测

4.1.3根据原始数据找取相应玻璃的材料，需要以下几种幸好的玻璃：

BAF8、ZF2、F2、ZF5、ZF6

4.2利用ZEMAX软件对大孔径摄影物镜的设计：

4.2.1点击界面上的

、

、

按钮分别对相对孔径、Y-视场角度+玻璃以及波长进行设定。

分别如图1.0所示：

图1.0光学性质设定图

4.2.2根据原有的参考图确定玻璃各个面所对应的半径与宽度，并在镜头数据编辑界面加上相应的玻璃面数，在界面上输入对应的原始数据，如图1.1所示：

图1.1原始数据输入框

4.2.3以上基本完成了大孔径设计物镜的设计，故需对其相应的图形导出：

（1）点击

，对应的二维图像如图1.2所示：

图1.2初始二维图像

（2）点击

，对应的点列图如图1.3所示：

图1.3初始点列图

（3）点击

，对应的像差图如图1.4所示：

图1.4初始像差图

（4）点击

，对应的光学传递函数图像如图1.5所示：

图1.5初始光学传递函数

（5）点击

，对应的能源分布图如图1.6所示：

图1.6初始能源分布图

（6）点击

，对应的畸变程度检测图形如图1.7所示：

图1.7畸变程度检测图

（7）点击

，初始数据所对应的总的数据如图1.8所示：

图1.8初始总体数据

（8）对以上图像进行分析知：

①通过对二维图像分析知，第九个面以及第十个面有重叠部分，需进行优化使其不重叠；②通过对散点图分析知，光线在像面上分散的较开，需进行优化使散点图更为密集；③通过对像差图分析知，MAXIMUMSCALE为±50μm，可通过优化将其减小；④通过对初始光学传递函数分析知，当波长为100时，小于0.3；⑤通过对初始能源分布图分析知，当波长小于20μm时的能源分布比较分散，故需进行进一步优化；⑥通过对畸变程度检测图像可以看出，图像通过原点时的斜率较大，及畸变程度较大，明显大于0.3%，有待优化；⑦通过对初始总体数据进行分析知，有效的焦点长度为1.28838,与要求的1.01相差了0.27838，且f约为5△f1，故相差太大，不满足条件，需优化。

4.3大孔径摄影物镜的优化：

4.3.1数据的变换：

（1）根据对初始数据及图像的分析，对第九以及第十个面的厚度进行优化，即将第九和第十个面的厚度由Fix格式转换为Variable格式，点击

，出现图2.0所示语言栏图像，点击自动优化后确定。

图2.0操作步骤图

（1）点击编辑出现如图2.1选项，选择优化函数进入。

之后点击如图2.2所示的默认评价函数：

图2.1操作步骤图图2.2操作步骤图

（2）弹出如图2.3的语言栏，对其设置成如图2.3所示的参数。

图2.3操作步骤图图2.4操作步骤图

（3）在之后弹出的页面中按键盘上“Insert”键，加入一行，设置如图2.4所示。

4.3.2图像的收集与分析：

以上基本完成了初始数据的优化，故需重复对初始数据的图像采集过程，得到的图像分别如下2.5-2.11所示：

（1）优化后所对应的镜头数据如图2.5所示：

图2.5优化镜头数据

（2）优化后所对应的二维图像如图2.6所示：

图2.6优化二维图像

（3）优化后所对应的散点图如图2.7所示：

图2.7优化点列图

（4）优化后的像差图如图2.8所示：

图2.8优化后像差图

（5）优化后的光学传递函数如图2.9所示：

图2.9优化后光学传递函数图

（6）优化后的能源图如图2.10所示：

图2.10优化后能源图

（7）优化后的畸变程度检测图像如图2.11所示：

图2.11优化后畸变程度检测图像

（8）优化后的整体数据如图2.12所示：

图2.12优化整体数据

（8）分析该组数据及图像，可知在各方面较原始数据已经有较大的优化程度：

①通过分析二维图像可以看出，已经没有了相互重叠的玻璃面；②通过分析散点图知，光线在像面上的疏密程度较初始时刻已经更为密集了；③通过对像差图分析知，MAXIMUMSCALE为±20μm，相比初始数据的±50μm已经减小至原来的2/5了；④通过对初始光学传递函数分析知，当波长为100时，已经明显大于0.3；⑤通过对初始能源分布图分析知，当波长小于20μm时的能源分布相对集中一些了；⑥通过对畸变程度检测图像可以看出，图像通过原点时的斜率相比于初始图像要小了，切小于0.3%；⑦通过对优化后的总体数据进行分析知，有效的焦点长度为0.9424207,与要求的1.01相差了0.0675793，且f约为14△f2，相比初始值的5△f1，实际值也较大程度的接近了目标值。

5．结论与思考：

5.1本次课程设计我主要是对第九个和第十个面的厚度进行了优化就得到了较好的结果，在之后的优化中也没有得到比这更好的结构；

5.2一开始我没有弄清每个面的半径与厚度的具体意义，就在那里输入数据，导致原始图像无法读出来，但是弄清两者的意义后发现这个仿真软件其实是很有趣味的，因此可以体会到严谨的精神对于实验的重要性；

5.3有时候有些图像出来后自己并不能察觉到自己哪里操作的不当，也没有及时发现结果的不正确性，而问老师的时候，老师可以马上找到问题所在，所以说，很多东西都是熟能生巧的；

5.4因为整个仿真过程都是在计算机上进行的，故如果只是会对软件进行操作是远远不够的，在平时我们也需要掌握一定的计算机知识；

5.5课程设计一开始我们就要从两本文献中查一些原始数据，如果没有以正确的方式查资料将会是一个浪费时间的过程，故我们在平时的学习生活中要累积有收集、加工各种信息及获得新知识的能力；

6.参考文献：

[1]李林.《现代光学设计方法》[M].北京理工大学出版社.2009.9

[2]李士贤,李林.《光学设计手册》[M].北京理工大学出版社.

[3]