工程光学照相物镜镜头设计与像差分析

《工程光学照相物镜镜头设计与像差分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程光学照相物镜镜头设计与像差分析（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 工程光学课程设计题目：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 T X Y 指 导 教 师 2016年1月10日目录1照相物镜发展历程11.1风情摄影物镜11.2匹兹堡人物物镜11.3对称型物镜11.4三片式物镜11.5双高斯物镜21.6摄远物镜21.7反摄远物镜21.8广角物镜21.9变焦距物镜22照相物镜光学性能32.1相对孔径32.2视场角2w32.3焦距f33设计过程53.1初始结构的选择53.2输入参数和缩放63.3在ZEMAX中进行优化8总结14致 谢15参考文献16照相物镜镜头

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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=1/4L(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1：91：3.5强光物镜相对孔径为1：3.51：1.4超强光物镜相对孔径大于1：1.42.2视场角2w在光学仪器中，以光学镜头为顶点，以被

8、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3060之间广角物镜视场角在6090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

9、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7.5151720242825标准段望远望远超望远5085100135200300400500600800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

10、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4.29mm5.76mm；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，M

11、TF 轴上40% 100 lp/mm，轴外0.707 35%100 lp/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(4.292+5.762)/23.6mm，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

12、；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=13.44d1=4.41n=1.67779v=55.2r2=30.996d2=4.41r3=-40.614d3=1.01n=1.59341v=35.5r4=13.44d4=2.39r5=32.508d5=3.36n=1.69669v=55.4r6=-27.0063.2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marginal ray height，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

13、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Marginal Ray Height。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Solve Type选中Model，Index nd中输入n值Abbe Vd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-make focus

14、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。