工程光学照相物镜镜头设计与像差分析之欧阳生创编.docx
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工程光学照相物镜镜头设计与像差分析之欧阳生创编
工程光学课程设计
时间：
2021.02.08
创作人：
欧阳生
题目：
照相物镜镜头设计与像差分析
院（系）名称信息工程学院
专业班级光电信息科学与工程
学号14010210XX
学生姓名TXY
指导教师
2016年1月10日
照相物镜镜头设计与像差分析
摘要
随着信息化时代的到来，人们对照相的要求也越来越高，而照相物镜是照相机的眼睛，它的精度和分辨率直接影响到照相机的精度与成像质量。
要保证所设计的照相物镜达到较高的技术要求，在设计时就必须达到更高的精度和分辨率。
完成本课题需要以下几个部分
第一：
知晓物镜发展历程和物镜基本光学性能；
第二：
选择所需器件参数，符合本次课题设计要求；
第三：
应用ZEMAX光学设计软件进行课题设计；
第四：
对各结构元件进行反复的优化设计，使之达到要求的技术指标并显示快
速傅里叶显示图，赛德尔系数，视场、场曲失真图
第五：
总结了设计过程的心得体会。
关键词：
ZEMAX；物镜；赛德尔系数；快速傅里叶
1照相物镜发展历程
物镜的发展经历了许多年，经过不断地更新与发展，实际用途越来越广，质量越累越好，物镜经历了以下发展：
1.1风情摄影物镜
最早出现的照相物镜在1812年是单片的正月牙透镜，相对孔径小于1:
14，视场50度以内，可用于室外照明良好的条件下拍照。
1821年出现了胶合的透镜，代替了弯月牙型的单透镜，双胶合透镜因色差得到校正成像质量有所提高，但制作成本比较高，正、负透镜分离的形式可以得到更好的成像质量，因为双分离情形下可以更好地校正色散。
1.2匹兹堡人物物镜
1840年匹兹堡设计出了一个相对孔径为1:
3.4，视场为25度左右的物镜，即匹兹堡人像物镜，该物镜可用于室内摄影，是第一个依靠设计而制造出来的照相物镜。
匹兹堡物镜是1910年以前的所有物镜中相对孔径最大的，它在近轴部分的成像优良，至今仍在用作电影放映物镜等须要大孔径小视场的场合，
匹兹堡物镜的改进形式很多，是现在五大类物镜中的一类。
1.3对称型物镜
最早出现的对称型物镜，相对孔径很小，如斯坦赫尔的潜望镜头，相对孔径为1:
30，视场为70度，只能用做风景摄影。
海普岗是这种类型的极限结构，是冯虚格在1900年设计出的，两个透镜的外表几乎是半球面，具有140度左右的视场，相对孔径很小1:
30，但它具有大的无畸变视场，至今仍用在航测仪器中。
数器、输入/输出接口和其他多种功能期间集成在一块芯片上的微型计算机。
1.4三片式物镜
1893年，塔克洛尔用分离薄透镜作为对称型的一半，设计出了柯克三片式物镜，这是能校正所有像差的一种最简单的结构，在非对称情况下，其独立变数恰能校正七种像差。
这种类型现在已具有相对孔径1:
4，视场50度的光学性能。
如果视场减小时，相对孔径可达1:
2.8，现在它依旧是一种比较流行的物镜。
1902年出现的天塞物镜可看做三式的后面一块正透镜改为二块玻璃胶合的结果，它在高级像差方面要比三片式要好。
1.5双高斯物镜
双高斯与达岗等对称物镜不同，它是用薄透镜加厚透镜的结构。
由于具有小半径的厚透镜处在薄透镜后的会聚光中，近于不晕位置，因此它的像差和带像差都有所缩小，相对孔径比较大，它是现在1:
2物镜的主要结构。
1.6摄远物镜
用正负二透镜组所构成能使摄影物长度减短的都称为摄远物镜。
1.7反摄远物镜
由正负透镜组分离组成，负透镜位于正透镜之前，从而使主平面后移至物镜后方，达到像方顶焦距大于焦距的目的。
1.8广角物镜
广角物镜是以海里的全天照相物镜出发的，其视场很大。
1.9变焦距物镜
物镜能在一定范围内迅速的改变焦距，从而在投影仪固定不动的情况下获得不同比例的影像，可以代替多个定焦距摄影物镜使用。
（本次涉及所使用的三片物镜是具有中等光学特性的照相物镜中结构最单，像片质量最好的一种，被广泛使用在比较廉价的135#和120#相机中，例如国产的海鸥—4、海鸥—9、天鹅相机等。
这种照相物镜进一步复杂化的目的，大多是为了增大相对孔径，或提高视场边缘成像质量）
2照相物镜光学性能
照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征，
即相对孔径D/f’，视场角2w，焦距f’。
2.1相对孔径
相对孔径是个比值，镜头的有效的孔径与焦距比值，表示镜头的纳光束多少。
照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其本身的分辨率不高，相对孔径的作用是为了提高像面光照度
E’=1/4πLτ（D/f’）2
照相物镜按其相对孔径的大小，大致可分为如下表1所示：
表1 照相物镜的相对孔径
弱光物镜
相对孔径小于1：
9；
普通物镜
相对孔径为1：
9~1：
3.5
强光物镜
相对孔径为1：
3.5~1：
1.4
超强光物镜
相对孔径大于1：
1.4
2.2视场角2w
在光学仪器中，以光学镜头为顶点，以被测目标的物像，可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角叫做视场角。
照相物镜的视场角决定其在接受器上成清晰像的空间范围。
视场角越大，视野就越大，光学倍率就越小。
照相物镜没有专门的视场光阑，视场大小被接受器本身的有效接受面积所限制，即以接收器本身的边框作为视场光阑。
按视场角的大小，照相物镜又可分为如下表2所示：
表2照相物镜视场角
小视场物镜
视场角在30°以下
中视场物镜
视场角在30°~60°之间
广角物镜
视场角在60°~90°之间
超广角物镜
视场角在90°以上
2.3焦距f’
焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离。
照相物镜的焦距决定所成像的大小
当物体处于有限远时，像高为
y’=（1-
：
垂轴放大率，
。
对一般的照相机来说，物距l都比较大，一般
>1米，f’为几十毫米，因此像平面靠近焦面，
，所以
当物体处于无限远时，
→∞像高为
y’=
照相物镜的焦距标准如下表3所示：
表3照相物镜焦距标准
物镜类型
物镜焦距f’/mm
鱼眼
超广角
广角
7.5~15
17~20
24~28~25
标准
段望远
望远
超望远
50
85~100
135~200~300
400~500~600~800
照相物镜上述三个光学性能参数是相互关联，相互制约的。
这三个参数决定了物镜的光学性能。
企图同时提高这三个参数的指标则是困难的，甚至是不可能的。
只能根据不同的使用要求，在侧重提高一个参数的同时，相应地降低其余两个参数的指标。
3设计过程
3.1初始结构的选择
照相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。
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。
设计要求：
1、焦距：
f’=12mm；
2、相对孔径D/f’不小于1/2.8；
3、图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm×5.76mm；
4、后工作距>6mm；
5、在可见光波段设计（取d、F、C三种色光，d为主波长）；
6、成像质量，MTF轴上>40%@100lp/mm，轴外0.707>35%@100lp/mm；
7、最大畸变<1%。
照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器的空间范围，镜头所成的半像高y可用公式y=-f*tanw计算。
f为有效焦距，2w为视场角。
半像高y应稍大于图像传感器CCD或CMOS的有效成像面对角线半径,防止CMOS装调偏离光轴而形成暗角。
经过简单计算：
y’=sqrt（4.29^2+5.76^2）/2≈3.6mm，
w=atan（y’/f）≈16.66°，
视场角2w=33.32°。
在光学技术手册查询后选定初始结构为后置光阑的三片物镜（如图1所示），
后置光阑三片物镜原始结构
图1
初始参数为：
焦距分f’=42.12mm；
相对孔径2.8；
视场角2w=54°。
其余参数如下表4所示：
表4其余参数
r1=13.44
d1=4.41
n=1.67779
v=55.2
r2=30.996
d2=4.41
r3=-40.614
d3=1.01
n=1.59341
v=35.5
r4=13.44
d4=2.39
r5=32.508
d5=3.36
n=1.69669
v=55.4
r6=-27.006
3.2输入参数和缩放
将参数输入ZEMAX中：
其中第六面设为光阑面，厚度设为marginalrayheight，移动光标到STO光阑面（中间一个面）的“无穷（Infinity）之上”；
按INSERT键，这将会在那一行插入一个新的面，并将STO光阑面往下移。
新的面被标为第2面。
再按按INSERT键两次，移动光标到IMA像平面，按INSERT键两次。
在LDE曲率半径（Radius）列，顺序输入表4中的镜片焦距（注意OBJ面不做任何操作）；在镜片厚度（Thickness）列顺序输入表4中的镜片厚度；在第七个面厚度处单击右键，选择面型为MarginalRayHeight。
在镜片类型（Class）列输入镜片参数，方法是：
在表中点右键对话框SolveType选中Model，
Indexnd中输入n值AbbeVd中输入v值，如下图2所示。
在system-general-aperture中输入相对孔径值2.8如下图3所示，
在tools-makefocus中该改焦距为12mm进行缩放如下图4所示。
在system-wavelength中输入所选波段，选d光为主波长如下图5所示。
输入初始参数如下图2所示：
图2输入相对孔径值
设置相对孔径值和波段如下图3所示：
图3：
输入相对孔径值
改焦距为12mm进行缩放如下图4所示：
图4：
缩放后图
输入所选波段如下图5所示：
图5输入所选波长
缩放后得到我们所设计的焦距f’=12mm的初始参数（如下图6所示）。
图6：
初始参数
现在开始定义视场，我们根据之前所得像高y’=3.6mm,依次乘以0，0.3，0.5，0.7071得到所选孔径光束的Y-field，即0，1.08，1.8，2.5452输入到system-field中，类型选择真值高度。
到这里，初始结构及其参数已经完成。
3.3在ZEMAX中进行优化
利用ZEMAX得到初始结构的MTF曲线（如下图7所示）可看出成像质量很差,因此需要校正像差。
MTF曲线图如下图7所示：
图7：
MTF曲线图
该结构可以用作优化变量的的数据有：
6个曲率半径，2个空气间隔，3个玻璃厚度。
首先使用DefaultMeritFunction建立缺省评价函数进行优化，选择Editors-MeritFunction，在第一行中先输入EFFL，目标值设为12，权重设为1。
在输入SPHA，在Target中输入0.4，在Weight中输入1。
第二个BLNK改为MTFT并Enter，在Freq中输入100，在Target中输入0.04，在Weight中输入1。
同理输入MTFA和MTFS（如下图8所示）。
再选择Tools-DefaultMeritFunction，设置玻璃厚度以及空气间隔、start设为2（如下图9所示），再选择OK，建立缺省评价函数。
（EFFL：
Effectivefocallength的缩写，指定波长号的有效焦距。
SPHA：
指球差，如果Surf=0，则指整个系统的球差总和。
MTF：
指子午调制传递函数。
）
缺省评价函数如下图8所示：
图8：
缺省评价函数
设置玻璃厚度以及空气间隔如下图9所示：
图9：
玻璃及空气厚度
然后在Analysis-AberrationCoefficients-SeidelCoefficients中查看，找出对赛得和数影响大的面，将这些面的曲率半径设为变量优先优化如图10所示。
图10
发现第一面和光阑面影响较大，优先优化。
先将STO面的类型改为EvenAsphere，并将此行的4thterm、6thterm、8thterm设为变量。
将1、6面曲率半径设为变量，选择快捷选项Opt，然后进行优化，优化后取消变量，将剩余面的曲率半径设为变量，再次优化，完毕后取消变量。
再将透镜间隔和玻璃厚度先后进行优化。
如下图11所示。
优化后图
图11
到这一步后发现已经基本符合设计要求，再根据2D图适当调整曲率半径和厚度，每次调整后再次优化实时关注MTF图的曲线变化，最后使各个参数都在可接受范围之内。
赛德尔系数如下图14所示：
图14
3D草图显示如下图15所示：
图15：
3D草图
在分析（Analysis）的杂项中得出视场场区图，然后再在分析中找到点列图得到如下图所示的点列图如下图16所示：
图16：
点列图
优化后视场、场曲失真图如下图17所示
图17：
视场、场曲失真图
总结
在这次工程光学课程设计中，我选择的题目是照相物镜镜头设计与像差分析，刚看到这个题目时我以为很简单，感觉有些熟悉，但是等到做的时候才发现并不是这么回事的，真的到自己做的时候才发现还是很有难度的。
在这次课程设计中，之所以能够从当初的茫然无措中走出来最重要的就是平时的光学知识的学习和积累，。
在接到这个题目之后，我查阅了很多关于照相物镜的资料，去了图书馆，又在网上搜到很多的相关资料，通过对这些资料的研究和分析。
不但对我的课程设计有很大的帮住，而且对自己的照相物镜的学习也提高了不少，学到了许多平时课本上比较模糊的知识点，知识变得更加清晰，也更加明了。
本文采用1片非球面塑料,3片球面玻璃透镜,在ZEMAX中使用合适的优化函数和权重对像差进行校正,逐步消除了基本像差、高级像差,并进行了像差平衡,获得了实际焦距11.953mm照相镜头,各个市场畸变控制在1%以内,MTF曲线也比较理想,镜头总长为14.3602mm。
该镜头不仅体积小,结构紧凑,而且像质较好。
在此次设计中，我们发现光阑面使用非球面能够很好的平衡像差，同时我们只进行了对玻璃厚度和曲率的简单优化，查阅相关资料后设想如果将第一面的透镜换为鼓形透镜，第二面换为弯月透镜或换成折射率更高的玻璃，还可以进一步做出深度优化，使之获得更好的表现。
致谢
通过本次课程设计，我学到了很多新的知识，让我了解到理论和实践是分不开的，同时也发现了自己的不足。
在设计过程中，孙彩霞老师在百忙中对我的设计进行了指导。
老师首先细致地为我解题；当我迷茫于众多的资料时，她又为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了本文的框架。
感谢老师对我的课程设计不厌其烦的细心指点。
我才能更快更准确地完成。
在以后的学习中，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
而且我还从老师那里学到了严谨、务实、认真的工作态度和极强的敬业精神。
我再次为老师的耐心付出表示感谢。
参考文献
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西安电子科技大学出版社，2006．
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机械工业出版社，2011．
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清华大学出版社，2009．
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[8]石顺祥，张海兴，刘劲松．物理光学与应用光学[M]．西安西安电子科技大学出版社，1999．
时间：
2021.02.08
创作人：
欧阳生
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