工程光學(xué)照相物鏡鏡頭設(shè)計與像差分析

1、HUANGHE S&T COLLEGE1程光學(xué)課程設(shè)計題目照相物鏡鏡頭設(shè)計與像差分析名稱 信息工程學(xué)院級光電信息科學(xué)與工程號 14010210XX2016年1月10日11目錄81照相物鏡發(fā)展歷程1.1風(fēng)情攝影物鏡1.2匹茲堡人物物鏡1.3對稱型物鏡1.4二片式物鏡1.5雙高斯物鏡1.6攝遠物鏡1.7反攝遠物鏡1.8廣角物鏡1.9變焦距物鏡 2照相物鏡光學(xué)性能2.1相對孔徑2.2視場角2w2.3焦距F' 3設(shè)計過程3.1初始結(jié)構(gòu)的選擇3.2輸入?yún)?shù)和縮放10.173.3在ZEMAX中進行優(yōu)化總結(jié)18參考文獻19照相物鏡鏡頭設(shè)計與像差分析隨著信息化時代的到來，人們對照相的要求也越來

2、越高，而照相物鏡是照相機的眼睛，它的精度和分辨率直接影響到照相機的精度與成像質(zhì)量。要保證所設(shè) 計的照相物鏡達到較高的技術(shù)要求，在設(shè)計時就必須達到更高的精度和分辨率。完成本課題需要以下幾個部分第一:知曉物鏡發(fā)展歷程和物鏡基本光學(xué)性能;第二:選擇所需器件參數(shù)，符合本次課題設(shè)計要求;第三:應(yīng)用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件進行課題設(shè)計;第四:對各結(jié)構(gòu)元件進行反復(fù)的優(yōu)化設(shè)計，使之達到要求的技術(shù)指標并顯示快速傅里葉顯示圖，賽德爾系數(shù)，視場、場曲失真圖第五：總結(jié)了設(shè)計過程的心得體會。關(guān)鍵詞：ZEMAX ;物鏡；賽德爾系數(shù)；快速傅里葉1照相物鏡發(fā)展歷程物鏡的發(fā)展經(jīng)歷了許多年，經(jīng)過不斷地更新與發(fā)展，實際用途越來越廣，

3、質(zhì) 量越累越好，物鏡經(jīng)歷了以下發(fā)展:1.1風(fēng)情攝影物鏡最早出現(xiàn)的照相物鏡在1812年是單片的正月牙透鏡，相對孔徑小于1:14，視場50度以內(nèi)，可用于室外照明良好的條件下拍照。1821年出現(xiàn)了膠合的透鏡，代替了彎月牙型的單透鏡，雙膠合透鏡因色差得到校正成像質(zhì)量有所提高，但制作成本比較高，正、負透鏡分離的形式可以得 到更好的成像質(zhì)量，因為雙分離情形下可以更好地校正色散。1.2匹茲堡人物物鏡1840年匹茲堡設(shè)計出了一個相對孔徑為1:3.4，視場為25度左右的物鏡,即匹茲堡人像物鏡，該物鏡可用于室內(nèi)攝影，是第一個依靠設(shè)計而制造出來的照 相物鏡。匹茲堡物鏡是1910年以前的所有物鏡中相對孔徑最大的， 它

4、在近軸部分的 成像優(yōu)良，至今仍在用作電影放映物鏡等須要大孔徑小視場的場合, 匹茲堡物鏡的改進形式很多，是現(xiàn)在五大類物鏡中的一類。1.3對稱型物鏡最早出現(xiàn)的對稱型物鏡，相對孔徑很小，如斯坦赫爾的潛望鏡頭，相對孔徑為1:30，視場為70度，只能用做風(fēng)景攝影。海普崗是這種類型的極限結(jié)構(gòu), 是馮虛格在1900年設(shè)計出的，兩個透鏡的外表幾乎是半球面，具有140度左右 的視場，相對孔徑很小1:30，但它具有大的無畸變視場，至今仍用在航測儀器 中。數(shù)器、輸入/輸出接口和其他多種功能期間集成在一塊芯片上的微型計算機。1.4二片式物鏡1893年，塔克洛爾用分離薄透鏡作為對稱型的一半，設(shè)計出了柯克三片式物鏡，這是

5、能校正所有像差的一種最簡單的結(jié)構(gòu)，在非對稱情況下，其獨立變數(shù)恰能校正七種像差。這種類型現(xiàn)在已具有相對孔徑1:4，視場50度的光學(xué)性能。如果視場減小時，相對孔徑可達 1:2.8，現(xiàn)在它依舊是一種比較流行的物鏡。1902年出現(xiàn)的天塞物鏡可看做三式的后面一塊正透鏡改為二塊玻璃膠合的結(jié)果，它在高級像差方面要比三片式要好。1.5雙咼斯物鏡雙高斯與達崗等對稱物鏡不同，它是用薄透鏡加厚透鏡的結(jié)構(gòu)。由于具有小 半徑的厚透鏡處在薄透鏡后的會聚光中， 近于不暈位置，因此它的像差和帶像差都有所縮小，相對孔徑比較大，它是現(xiàn)在1:2物鏡的主要結(jié)構(gòu)。1.6攝遠物鏡用正負二透鏡組所構(gòu)成能使攝影物長度減短的都稱為攝遠物鏡。1

6、.7反攝遠物鏡由正負透鏡組分離組成，負透鏡位于正透鏡之前，從而使主平面后移至物鏡 后方，達到像方頂焦距大于焦距的目的。1.8廣角物鏡廣角物鏡是以海里的全天照相物鏡出發(fā)的，其視場很大。1.9變焦距物鏡物鏡能在一定范圍內(nèi)迅速的改變焦距，從而在投影儀固定不動的情況下獲得不同比例的影像，可以代替多個定焦距攝影物鏡使用。(本次涉及所使用的三片物鏡是具有中等光學(xué)特性的照相物鏡中結(jié)構(gòu)最單,像片質(zhì)量最好的一種，被廣泛使用在比較廉價的135#和120#相機中，例如國產(chǎn)的海鷗一4、海鷗一9、天鵝相機等。這種照相物鏡進一步復(fù)雜化的目的，大多是為了增大相對孔徑，或提高視場邊緣成像質(zhì)量)2照相物鏡光學(xué)性能照相物鏡的基本

7、光學(xué)性能主要由三個參數(shù)表征, 即相對孔徑D/f '，視場角2w，焦距f '2.1相對孔徑相對孔徑是個比值，鏡頭的有效的孔徑與焦距比值，表示鏡頭的納光束多少。照相物鏡中只有很少幾種如微縮物鏡和制版物鏡追求高分辨率，多數(shù)照相物鏡因 其本身的分辨率不高，相對孔徑的作用是為了提高像面光照度E' =1/4 冗LTD/f' )2照相物鏡按其相對孔徑的大小，大致可分為如下表 1所示:表1照相物鏡的相對孔徑弱光物鏡普通物鏡相對孔徑小于1 : 9 ； 相對孔徑為1 : 91 : 3.5強光物鏡超強光物鏡相對孔徑為1 : 3.51 : 1.42.2視場角2w在光學(xué)儀器中，以光學(xué)鏡頭

8、為頂點，以被測目標的物像，可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角叫做視場角。照相物鏡的視場角決定其在接受器上成清晰像的空間范圍。視場角越大，視野就越大，光學(xué)倍率就越小。照相物鏡沒有專門的視場光闌，視場大小被接受器本身的有效接受面積所限制，即以接收器本身的邊框作為視場光闌。按視場角的大小，照相物鏡又可分為如下表 2所示:表2照相物鏡視場角小視場物鏡視場角在30。以下中視場物鏡視場角在30 60 °之間廣角物鏡視場角在60 90 °之間超廣角物鏡視場角在90。以上2.3焦距f'焦距是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指平行光入射時從透鏡光心到光聚集之焦點的距離。

9、照相物鏡的焦距決定所成像的大小當(dāng)物體處于有限遠時，像高為y' =(1-) f'tan:垂軸放大率,相對孔徑大于1: 1.4對一般的照相機來說，物距I都比較大，一般|>1米，f為幾十毫米，因此像平面靠近焦面,I'f'，所以當(dāng)物體處于無限遠時，像高為y' = f'tan照相物鏡的焦距標準如下表3所示:表3照相物鏡焦距標準物鏡類型物鏡焦距f' /mm魚眼7.5-15超廣角17-20廣角24-28-25標準50段望遠85-100望遠135-200-300超望遠400-500-600-800照相物鏡上述三個光學(xué)性能參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)， 相互制約的

10、。這三個參數(shù)決定了物鏡的光學(xué)性能。企圖同時提高這三個參數(shù)的指標則是困難的， 甚至是不可能的。只能根據(jù)不同的使用要求，在側(cè)重提高一個參數(shù)的同時，相應(yīng)地降低其余兩個參數(shù)的指標。3設(shè)計過程3.1初始結(jié)構(gòu)的選擇照相物鏡屬于大視場大孔徑系統(tǒng)，因此需要校正的像差也大大增加，結(jié)構(gòu)也 比較復(fù)雜，所以照相物鏡設(shè)計的初始結(jié)構(gòu)一般都不采用初級像差求解的方法來 確定，而是根據(jù)要求從手冊、資料或?qū)＠墨I中找出一個和設(shè)計要求比較接近的 系統(tǒng)作為原始系統(tǒng)。在選擇初始結(jié)構(gòu)時，不必一定找到和要求相近的焦距，一般 在相對孔徑和視場角達到要求時，我們就可以將此初始結(jié)構(gòu)進行整體縮放得到 要求的焦距值。設(shè)計要求:1、焦距：f =12m

11、m ；2、相對孔徑D/f '不小于1/2.8 ;3、圖像傳感器為1/2.5英寸的CCD，成像面大小為4.29mm X5.76mm ;4、后工作距6mm ;5、在可見光波段設(shè)計（取d、F、C三種色光，d為主波長）;6、成像質(zhì)量，MTF 軸上 >40% 100 Ip/mm ，軸外 0.707 >35%100Ip/mm ；7、最大畸變1% 。照相物鏡的視場角和有效焦距決定了攝入底片或圖像傳感器的空間范圍, 鏡頭所成的半像高y可用公式y(tǒng)=-f*tanw計算。f為有效焦距，2w為視場角。半像高y應(yīng)稍大于圖像傳感器CCD或CMOS的有效成像面對角線半徑，防止CMOS裝調(diào)偏離光軸而形成暗

12、角。經(jīng)過簡單計算:y' =sqrt(4.292+5.762)/2"3.6mm ,w=atan(y ' /f) 16.66 ° ,視場角 2w=33.32 °。在光學(xué)技術(shù)手冊查詢后選定初始結(jié)構(gòu)為后置光闌的三片物鏡（如圖1所示）,初始參數(shù)為:焦距分 f' =42.12mm相對孔徑2.8;視場角2w=54 °其余參數(shù)如下表4所示:表4其余參數(shù)r1=13.44d1=4.41n=1.67779v=55.2d2=4.41r2=30.996r3=-40.614d3=1.01n=1.59341v=35.5d4=2.39r4=13.44r5=32.

13、508d5=3.36n=1.69669v=55.4r6=-27.0063.2輸入?yún)?shù)和縮放將參數(shù)輸入ZEMAX中:其中第六面設(shè)為光闌面，厚度設(shè)為marginal ray height ，移動光標到STO光闌面（中間一個面）的“無窮（Infinity ）之上”;按INSERT鍵，這將會在那一行插入一個新的面，并將STO光闌面往下移。新的面被標為第2面。再按按INSERT鍵兩次，移動光標到IMA像平面，按INSERT鍵兩次。在LDE曲率半徑（Radius ）列，順序輸入表4中的鏡片焦距（注意OBJ面不做任何操作）；在鏡片厚度（Thickness ）列順序輸入表4中的鏡片厚度；在第七個面厚度處單擊右

14、鍵，選擇面型為Margi nal Ray Height。在鏡片類型（Class ）列輸入鏡片參數(shù)，方法是：在表中點右鍵對話框 SolveType選中Model ，Index nd中輸入n值A(chǔ)bbe Vd中輸入v值，如下圖2所示。在system-general-aperture中輸入相對孔徑值2.8如下圖3所示,在tools-make focus 中該改焦距為12mm 進行縮放如下圖4所示。在system-wavelength中輸入所選波段，選d光為主波長如下圖5所示。輸入初始參數(shù)如下圖2所示:A)IS 李(ftM*噴 atifiioptioMi陸 *p；fc口Bmec ?n-jw-ntLsrd

15、L"召丄9EU.ujhhrl>uCotii肛匚ngEEXftCiUL-331* rZI.QE的：音 j»agaiinil±:l11込1忙忙吠1L EG 陰；1:譏花如11:- DCjDCZ=-=a.r«L»r±JJ. 5MCW12 .nDoa-B.匚 g<二=noo noo1i diidur11. b». . »y口-加甘壯fl11i.uvDvi仇占n斡理1-T "MFZ 耳阿叫電上供flfl叱叮片5="弓A rd3uc*=i33丄HOM-iT.OZt-DM1J. 3<z-nf

16、l；1L g. am i1c.Qcoonc色-臟心皿2- nCODOC:-flCCflOi0i-en4ficdTaflilr-j' -1：1.邙:£<fl*圖2輸入相對孔徑值設(shè)置相對孔徑值和波段如下圖3所示:矽'neral7l14eSdirSAAflL ±1 Ih二廿 1±吐1 伍 I Il&f Jda Ln£ | #1e±.TilL./lk：" Vai 11 I Culul I Ei/vLrvjuvjitutjfarn誦遷 1 團:肖I _應(yīng)屯® I _副動圖3 :輸入相對孔徑值改焦距為12m

17、m進行縮放如下圖4所示:建立塞氏焦點的長度；12圖4:縮放后圖輸入所選波段如下圖5所示:Wavelength Data使用波長（乩m(xù)）權(quán)重n=i技抵（口m）權(quán)重R/ S,0. S50000001廠131|0. 55000000|11 2q. 55O0OD001廠140. ssoooaoo1117 3|0. 550000X1廠150 55000000廠4|o 550000001廠1S0.55000000h廠5|0 550000®1廠1T0.55000000h廠6|0 S50000001廠130. 55000000hr 7|a S50000001r 190. 55000000h廠S|D

18、550000X1廠£0 550000100h廠勺|0 550000001廠210. 55000000h廠10|Ci 550000001廠220. 55O0OQO0111廠11|o ssooaooo1廠£30 55000000|i廠1?|o S50000001fl廠24|0. 55000000|i選攝->1 If,匕 c (ViHibie)弓1主舉：二J1確定1敝棄©排序幫助00保存加載圖5輸入所選波長縮放后得到我們所設(shè)計的焦距f' =12mm的初始參數(shù)（如下圖6所示）。用魯H穽4越：尸嚴出 r1 -C： - ,I J Vl 0Ih fl.-rM4 P

19、 I 4 I FI r IiJEf TfiHflau.Ttjchidj-i1G：«wn.r " i j-UHdihrhe Z>L>nd3u.BJiaEX2±lLJCU-UUTL = 43JLS4瓊祕陽* *«*y H4LU1a- o/6t Ha 3 丁!妁WJ19i<m<zz1d-.l«»aa M Ni C1 ry.Mf 網(wǎng)d-1- - 1-4L.UW41L fc* ft *Ir.dJICBMdJ-LinoBJ-jH工顯4 Udnr'-r:丁r-.oiLrM11nL.=!E.M.irt.MMn1“ Hw

20、u-ri5- '-"ILI:m1n&ljrL>ruuE-fr . 卜E-.-331E-H圖6:初始參數(shù)現(xiàn)在開始定義視場，我們根據(jù)之前所得像高 y' =3.6mm,依次乘以0, 0.3 ,0.5，0.7071得到所選孔徑光束的 丫-field，即0 ,1.08，1.8，2.5452輸入到system-field中，類型選擇真值高度。到這里,初始結(jié)構(gòu)及其參數(shù)已經(jīng)完成。3.3在ZEMAX中進行優(yōu)化利用ZEMAX得到初始結(jié)構(gòu)的MTF曲線（如下圖7所示）可看出成像質(zhì)量 很差，因此需要校正像差。MTF曲線圖如下圖7所示: 1; FFT M丁F Freq = 610,

21、1. MTF =0出；口 smnco-j3 2? s 7 e E更 Sfr(Update)aiJ iS章£ 亡tting 刃 打印(PrimilB 窗口 fWind 口刪也0 文本"和魁広旳同©222.2QSB3P|TriflL 尸尺EQUENb IN CYCLES rEP HILLIMETERLENS.ZMX HFIGURFiriDW OF 1P-DLYC：hR口MRTI匚 HUE HTFTHU DEC St 30 Lbcnrn for b.esq to q.Ecao p出， 3URFRce； irflce圖7 : MTF曲線圖該結(jié)構(gòu)可以用作優(yōu)化變量的的數(shù)據(jù)有:

22、6個曲率半徑，2個空氣間隔，3個玻璃厚度。首先使用 Default Merit Fu nction 建立缺省評價函數(shù)進行優(yōu)化，選擇Editors-Merit Function，在第一行中先輸入 EFFL，目標值設(shè)為12，權(quán)重設(shè)為 1。在輸入SPHA，在Target中輸入0.4，在 Weight中輸入1。第二個BLNK改為MTFT并Enter,在Freq中輸入100，在Target中輸入0.04，在Weight 中輸入1。同理輸入MTFA和MTFS（如下圖8所示）。再選擇Tools-Default MeritFunction，設(shè)置玻璃厚度以及空氣間隔、start設(shè)為2 （如下圖9所示），再選擇0

23、K，建立缺省評價函數(shù)。（EFFL： Effective focal length指定波長號的有效焦距。SPHA :指球差，如果 Surf=0，則指整個系統(tǒng)的球差總和。MTF :指子午調(diào)制傳遞函數(shù)。）缺省評價函數(shù)如下圖8所示:出亡 砂 HiT 十1E 亡 P1,眄J1Xb: 11*ia-Zuvi 1 r;呂 1=feUMT*41 rr.卯1r !1»"1 Xi11( 1(t時tr* .:ZU= ffZf ；. ?t!'.LZl? . E.r F! mrTPra11 111 11 11 111L U sum上U.Lt + F ： *£.!.i AUmcji1

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30、T全飄重OQOOI. DooaI確走©)1放棄d)|保存I加載心I復(fù)位I幫助Ql)|圖9:玻璃及空氣厚度然后在 Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients中查看，找出對賽得和數(shù)影響大的面，將這些面的曲率半徑設(shè)為變量優(yōu)先優(yōu)化如圖10所示。即 it giBria*細工.Ziin丄壬 3-” ri- 4-f 11 -tCIZrilA : C：:3&srilfl*nTOLl»Daci =Io*jL TfiirElI*3 HH HZ*：>. vn. HDfl i EXtCUS-.LEf t.ZKTAh-LHI

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33、 KO011*.Doozaa dutmaa th DOWdfl 巾如Z d Huaaa ce»4dVQ Fg時f“ ?4IE«V0 詞IT "FMdh?-i.jiaa-iii-wa-34-1 43nj + :-ja.flLB + K-15» 汁IL"=弭=j rnti*-St =機齊- H3S11JI 2-；Ldf llZ'lJ*L+.a4*J*ii.-hiic- =-ID DSa=lS3b -S-'IZE=4d-ca»j;73 CF1D3-tf.乜M伽± jQzddcP.D陽吐弈“*-J-f 4為舁bDDI

34、-cnaD.»3e-0e JB-DD-DJDDPLflaflQOJdfl aj.-4 口巴-±14口 fro-10發(fā)現(xiàn)第一面和光闌面影響較大,優(yōu)先優(yōu)化。先將ST0面的類型改為 EvenAsphere，并將此行的 4th term、6th term、8th term 設(shè)為變量。將 1、6 面 曲率半徑設(shè)為變量，選擇快捷選項 Opt，然后進行優(yōu)化，優(yōu)化后取消變量，將剩余面的曲率半徑設(shè)為變量，再次優(yōu)化，完畢后取消變量。再將透鏡間隔和玻璃厚 度先后進行優(yōu)化。如下圖11所示。優(yōu)化后圖1次5坎11竝格朗BU昭皿唱旨0變里：010次1初怡 MF. 0. 3370&631250次I

35、I當(dāng)前 MF 0, 337U563U無限次1狀態(tài)：IJleJL遼1運行時閭一 0 DIB =i"爭"”二i|處®器個數(shù)：4 二J廠自動更新加權(quán)指標一58圖11自動®”戲1優(yōu)化到這一步后發(fā)現(xiàn)已經(jīng)基本符合設(shè)計要求，再根據(jù) 2D圖適當(dāng)調(diào)整曲率半徑和厚度，每次調(diào)整后再次優(yōu)化實時關(guān)注 MTF圖的曲線變化，最后使各個參數(shù)都在可接受范圍之內(nèi)。賽德爾系數(shù)如下圖14所示:臨期 3: ScTdcll Cc?t+fic!cnts 2打印(Pnn創(chuàng)回&口 (WindowJtV匸山叩 u f AE££aVAUEL Cu電 XC丘Da b a.W a v

36、e ! ep.5acClief話三” Slops- Ofa j cio-t Spico二O-£«4GCZlzia £D.豆 y S占”三巨0二o_aiMM 二 wg 九 An丄Zin 曾 £l_OpaOb J Q e-t Spa亡Q 二o.aooioMKqanial ZLa y SLopo HlU 扌Q Cp Aaa 3pt BDE1 r 耳"d i “pt -i 02lI. TTi-u-a.T-3_3.n tT dsrJLkh o匸t N上丄acU口0士 f 土 biunCa :SurfSPHA SICOMA S?ASTI S3FCUBDI

37、SI1O 04 Fil9&0 OQ017SQ OOQOOl0,023亍RS ,0C2O 002S6&-0 0044O . 023306-O - 0X064- - £3-O_03SlZCi70 _044eX-_0S12Q呂-Q_OQ32St4-o _ oiflZBa-jt 3S-5Q_ UOaSftZ-0_O244 Bl-o_ojn n1 IATAri n 1 T fl a Tn m 1 1 Hn n T 1 n fi pn圖143D草圖顯示如下圖15所示:圖15 : 3D草圖在分析(Analysis )的雜項中得出視場場區(qū)圖，然后再在分析中找到點列圖 得到如下圖所示的

38、點列圖如下圖16所示:宦新Updat時OJJ設(shè)直匡巳tting可打?。≒ri珂舊 CWindow）（lflO 文本ext）CD妣（Zgm）El:ISW： 17.88 (EGB.H9t.serczimi A.aa rtillfli 5,褲 tvsn I孔 u asSPOT aiflGRRMUfD DEC 301 Lt UMITG lEE 團- PIBJ) 即3 mniusCFD RFID1U5SCFLE 瞇LdlB嚴2B.«re3SJaT ®FE緞:CHiF entLENS.ZMX NFZOJRHT IVJt-l 1 OF 1圖16 :點列圖優(yōu)化后視場、場曲失真圖如下圖17所示1軸 2； BcM CjtWD漁=弋4：擔(dān) FiJ 二 17&4