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1、照相物镜镜头设计与像差分析2009 级光通信技术课题名称 专业班级 学生学号 学生姓名 学生成绩 指导教师课题工作时间：2011620至201171武汉工程大学教务处一、课程设计的任务和要求要求：1、具备独立查阅光学设计理论和像差分析的相关文献和资料；能提出并较 好地的实施方案；具有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。2、具备独立设计简单透镜组，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。3、具备采用计算机软件进行数值计算、仿真、绘图等能力。4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。5、综述简练完整，立论正确，论述充分，结论严谨合理；文字
2、通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正 确。6、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。7、内容不少于3000字，图和计算结果可以打印。设计一个成像物镜透镜组，照相物镜的技术指标要求：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4.29mmX 5.76mm；4、后工作距6mm5、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% 100 lp/mm，轴外 0.707 35%100 lp/mm。7、最大畸变1%任务：1、简述照相物镜的设计原理和类型；
3、2. 确定照相物镜的基本性能要求，并确定恰当的初始结构；3. 输入镜头组数据，设置评价函数操作数，进行优化设计和像差结果分析；4. 给出像质评价报告，撰写课程设计论文二、进度安排1、2011.6.20-2011.6.21 学习zemax手把手教程，掌握zemax输入数据方法和像差评价函数和电路中各参数的计算结果。2、 2011.6.22-2011.6.23根据实例，深入学习zemax像差控制和优化方法3、 2011.6.24光学自动设计及像差理论（上课），布置任务4、2011.6.27-2011.6.28确定初始结构，并进行像差控制和优化设计；给出像质评价报告；5、2011.6.29-2011
4、.7.1撰写课程设计论文，修改定稿并交稿二、参考资料或参考文献1、光学系统设计机 械工业出版社，（美）莱金著，周海宪，程云芳译，2009.102、现代光学设计方法，北京理工大学出版社，李林，2009.93、工程光学，机械工业出版社，郁道银，谈恒英，2006.24、应用光学（第3版），电子工业出版社，张以谟，2010.75、几何光学像差光学设计，浙江大学出版社，李晓彤，岑兆丰，2003.116、实用光学技术手册，机械工业出版社，王之江，2007.17、光学设计，西安电子科技大学出版社，刘钧，高明，2006, 108、实用光学技术手册，机械工业出版社，王之江，顾培森，2006, 99、“光行天下社
5、区 http:/ 12mm的照相物镜，镜头视场角33.32 ,相对孔径D/ f2. 8,半像高3.6 mm ,后工作距9.880mm,镜头总长为14.360mm。使用后置光阑三片物镜结构，其中第六 面采用非球面塑料，其余面采用标准球面玻璃。该组透镜在可见光波段设计，在Y-field上的 真值高度选取 0、1.08、1.8、2.5452,总畸变不超过 0.46%,在所选视场内 MTF 轴上超过 60%100lp/mm,轴外超过 48%100lp/mm，整个系统球差-0.000226，慧差-0.003843，像散 0.000332。完全满足设计要求。关键词：ZEMAX；物镜；调制传递函数ABSTR
6、ACTBy the aid of optical engineering software ZEMAX ，A focal length f = 12mm camera lens matched with one CCD of 1/2.5 inch was designed Whose FOV is 33.32, Aperture is 2. 8，half image height is 3.6 mm，back working distance is9.880mm and total length is 14.360 mm. Using the rear aperture three-lens
7、structure ，a aspherical plastic was used for the sixth lens while standard Sphere glasses were used for the rest lenses。The group Objective lenses Designed for the visible light, Heights in the true value as Y-field Defined as 0、1.08、1.8、2.5452，total distortion is less than 0.41%， Modulation transfe
8、r function of shade in the selected field of view to meet the axis is greater than 60% 100 lp / mm, outer axis than 48% 100 lp / mm，The sum of the whole system spherical aberration -0.000226，Coma is -0.003843，Astigmatism is 0.000332。Fully meet the design requirements.Keyword：ZEMAX； Camera lens；Modul
9、ation transfer function引言照相物镜的简介照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征。即焦距f、相对孔径D/f和视场角2w。照相物镜的焦距决定所成像的大小I）当物体处于有限远时，像高为y=（l-卩）f tan（1-1）式中，0为垂轴放大率，0=工=1-。对一般的照相机来说，物距1都比较大，一般l 1 yl米，f为几十毫米，因此像平面靠近焦面，lf，所以II）当物体处于无限远时，0 像高为y= f tan w（1-2）因此半视场角w =atan 兰（1-3）f表 1-1 中列出了照相物镜的焦距标准：表 1-1物镜类型鱼眼超 广角广角标准短 望远望远超望远物镜7.51724 2
10、8585135 200400 500600焦距f /mm1520350100300800相对孔径决定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度，在此的分辨率亦即通常所说的Df截止频N1-4)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=l/4 n L t （D/f ）2（1-5）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。按视场角的大小，照相物镜 又分为a）小视场物镜：视场角在30以下；b）中视场物镜：视场角在30 60之间；c）广角物镜：视场角在6090之间；d）超广角物镜：视场角在90以上。照相物镜按其相
11、对孔径的大小，大致分为a）弱光物镜：相对孔径小于1： 9；b）普通物镜：相对孔径为1: 91: 3.5；c）强光物镜：相对孔径为1: 3.51： 1.4；d）超强光物镜：相对孔径大于1： 1.4；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。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。早期的照相物镜是单片的正弯月形透镜，其前置一孔径光阑，之后演变为双胶合弯月
12、透 镜以及正负分离透镜，这些简单的物镜相对孔径很小只能在室外照明条件良好时拍摄，又称 为风景物镜。 最早出现的对称型物镜，属于简单的风景物镜对称于光阑的组合，相对孔径仍 然很小，如Hypogon物镜。之后又出现Protar物镜，Dagor物镜等一系列逐渐演变出来的物 镜，之后出现的三片物镜是很多复杂透镜的基础，它由三片分离的薄透镜组成，在视场角为 55时，相对孔径可以达到1： 3.51;2.8,在视场角适当降低时，相对孔径可提高到1： 2.4以 上。其他还有双高斯物镜、远距物镜、反远距物镜等等复杂物镜。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简单，像质最好的 一种，被广泛使
13、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。设计过程2.1 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。原设计要求：1、 焦距：
14、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4.29mmX5.76mm；4、后工作距6mm5、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% 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，其中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CMO S的有效成像面对角 线半径，防止CMO S装调偏离光轴而形成暗角。经过简单计算：y=sqrt（4.29人2+5.76人2）/23.6mm,w=atan（y/f）a16.66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）,初始参数为：焦距分f =42.12mm;相对孔径1： 2.8；视场角2w=54,其余参数见表1-2。表 1-2r1=13.44d1=4.41n=1.67779v=55.2r2=30.996d2=4.41r3=-40.614d3=1.01n=1.59341
