工程光學(xué)課程設(shè)計

本文格式為Word版，下載可任意編輯——工程光學(xué)課程設(shè)計武漢工程大學(xué)本科課程設(shè)計

課程設(shè)計說明書

課程設(shè)計名稱：工程光學(xué)課程設(shè)計課程設(shè)計題目：三片式數(shù)碼物鏡的優(yōu)化設(shè)計學(xué)院名稱：理學(xué)院專業(yè)班級：光電信息科學(xué)與工程激光一班學(xué)生學(xué)號：1409090119學(xué)生姓名：夏志高學(xué)生成績：指導(dǎo)教師：梁春雷課程設(shè)計時間：2023/06/27至2023/07/03

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課程設(shè)計任務(wù)書

一、課程設(shè)計的任務(wù)和基本要求

1．查閱相關(guān)資料，光學(xué)設(shè)計的基本概念、光學(xué)玻璃的相關(guān)知識和軟件的使用。2．學(xué)習(xí)各種像差的基本概念、描述及評價方法，把握近軸光線追跡公式。3．本課題要求設(shè)計出一個三片式數(shù)碼照相物鏡，要求的光學(xué)特性為：f??6mm，

Df??14,2??50?；像質(zhì)主要以調(diào)制傳遞函數(shù)MTF衡量，具體要求是對于低頻(17lp/mm)，視場中心的MTF≥0.9，視場邊緣的MTF≥0.80；對于高頻(51lp/mm)，視場中心的MTF≥0.3，視場邊緣的MTF≥0.20，另外，最大相對畸變dist≤4%。該物鏡對d光校正單色像差，對F、C光為校正色差。

4．學(xué)習(xí)使用ZEMAX進行數(shù)據(jù)錄入和報表輸出，分析各種初級像差并設(shè)置優(yōu)化函數(shù)；設(shè)計三片式數(shù)碼照相物鏡并優(yōu)化，對像差做簡單的分析之后，撰寫課程設(shè)計論文。5．課題設(shè)計(論文)難度適中，工作努力，遵守紀(jì)律，工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實，按期圓滿完成規(guī)定的任務(wù)。

6．綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理；文字通順，技術(shù)用語確鑿，符號統(tǒng)一，編號齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、整齊、正確；論文(設(shè)計)結(jié)果有一定的參考價值。

二、進度安排

1．6月27日：了解光學(xué)設(shè)計的基本概念、光學(xué)玻璃的相關(guān)知識和軟件的使用。以單透鏡的設(shè)計為例學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的錄入，基本概念和設(shè)計思想在軟件中的實現(xiàn)，初步把握ZEMAX的分析工具和數(shù)據(jù)含義及輸出。

2．6月28日至6月29日：學(xué)習(xí)各種像差的基本概念、描述及評價方法，把握近軸光線追跡公式。

3．6月30日：學(xué)習(xí)查找文獻資料，選擇適合的數(shù)碼物鏡初始結(jié)構(gòu)，用縮放法進行縮放，緩慢調(diào)整有關(guān)參數(shù)并優(yōu)化，并最終得到比較好的設(shè)計參數(shù)。學(xué)習(xí)光學(xué)玻璃材料知識，通過選擇適合的玻璃，校正像差。

4．7月1日：整理思路，撰寫課程設(shè)計論文，論文中要表達像差概念和評價、表達zemax評價函數(shù)的構(gòu)造及優(yōu)化過程像差的變化；檢查格式，符合課程設(shè)計論文格式要求。5．7月2日至7月3日：課程設(shè)計辯論并上交論文；

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三、參考資料或武漢工程大學(xué)本科課程設(shè)計

1．照相機物鏡的發(fā)展歷程

很早就有透鏡的相關(guān)記載，譬如出現(xiàn)在古希臘阿里斯托芬的戲劇云彩中的燒玻璃；古羅馬老普林尼的文字表達中也表示羅馬帝國知道燒玻璃，并且提及矯正透鏡第一個可能的用途：說是尼祿用于觀看決斗比賽使用的綠寶石。阿拉伯的數(shù)學(xué)家IbnSahl使用所知的史奈爾定律計算透鏡的形狀。最古老的人工制品是在美索不達米亞的尼尼微被挖掘出來的石英透鏡，大約出現(xiàn)在紀(jì)元前640年。

中國戰(zhàn)國時期的《墨子》一書，表達了透鏡成像規(guī)律?！赌印そ?jīng)下》及《墨子·經(jīng)說下》的其次四、二五條，便分別表達了凹透鏡和凸透鏡的成像規(guī)律。

眼鏡大約在1280年的意大利被發(fā)明，之后透鏡才被普遍的利用。尼古拉斯·庫沙則被認(rèn)為是第一位將凹透鏡用于治療近視的人，時間則是1451年。

恩斯特·阿貝(1860年)提出的阿貝正弦條件，描述了透鏡或其他光學(xué)系統(tǒng)要能在離開光軸的區(qū)域上產(chǎn)生宛如在光軸上一樣明了的影像所必需要的條件。他改革了光學(xué)儀器，例如顯微鏡的設(shè)計，主導(dǎo)了光學(xué)儀器的研究與發(fā)展。

在日常生活中，照相機是人們必不可少的，他歷史悠久，發(fā)展迅速，給人們的往日生活帶來了美好的回憶。1500年意大利人發(fā)明用暗室能觀測影像，到十八世紀(jì)初出現(xiàn)了木制暗箱。1812年英國人渥拉斯頓用新月形凹透鏡作為暗箱的鏡頭，能獲得較好的影像，這就是后來的照相機鏡頭的雛形。

1727年德國人發(fā)現(xiàn)硝酸銀和白粉的混合物具有感光性。1839年法國人達蓋爾發(fā)明白銀版法，得出了逼真的正像，感光性能有了明顯的改進。法國機械商將帶有渥拉斯頓型鏡頭的木制暗箱裝上銀版感光片，第一次攝下了人像，成為人類歷史上第一架可供使用的照相機。從第一架照相機問世至今的一百多年來，照相機有了飛速的發(fā)展，它的蛻變歷史大致可分為三個階段：

1．從1839年到1938年這近百年的時間，為照相機的初級階段。其特點是適應(yīng)攝影實踐的需求，提高照相機的技術(shù)性能和發(fā)展照相機的品種。這個階段后期，形成了照相機工業(yè)，并進入了光學(xué)機械制造行業(yè)。

2．從1939年到五十年代末，為照相機的發(fā)展中階段。特點是光學(xué)機械結(jié)構(gòu)進一步完善，電子技術(shù)開始應(yīng)用在照相機上，這個階段也是120和135照相機并行發(fā)展的時代。

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3．從六十年代開始至今,為照相機發(fā)展的第三階段。照相機已經(jīng)進入光學(xué)縝密機械與電子相結(jié)合的時代，或稱為高級階段。

2．技術(shù)要求

設(shè)計出一個三片式數(shù)碼照相物鏡，要求的光學(xué)特性為：f??6mm，

Df??14,2??50?；像質(zhì)主要以調(diào)制傳遞函數(shù)MTF衡量，具體要求是對于低頻(17lp/mm)，視場中心的MTF≥0.9，視場邊緣的MTF≥0.80；對于高頻(51lp/mm)，視場中心的MTF≥0.3，視場邊緣的MTF≥0.20，另外，最大相對畸變dist≤4%。該物鏡對d光校正單色像差，對F、C光為校正色差。

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3．光學(xué)系統(tǒng)成像評價

3．1概述

光學(xué)設(shè)計必需校正光學(xué)系統(tǒng)的像差，但既不可能也無必要把像差校正到完全理想的程度，因此需要選擇像差的最正確校正也需要確定校正到怎樣的程度才能滿足使用要求，即確定像差容限。對光學(xué)系統(tǒng)成像性能的要求主要有兩個方面：第一方面是光學(xué)特性，包括焦距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距離等；其次方面是成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)所成的像應(yīng)當(dāng)足夠明了，并且物像相像，變形要小3．2幾何像差及其相應(yīng)校正方法

像差指在光學(xué)系統(tǒng)中由透鏡材料的特性或折射(或反射)表面的幾何形狀引起實際像與理想像的偏差。理想像就是由理想光學(xué)系統(tǒng)所成的像。實際的光學(xué)系統(tǒng)，只有在近軸區(qū)域以很小的孔徑角的光束所生成的像才是完善的。但在實際應(yīng)用中，須有一定大小的成像空間和光束孔徑，同時還由于成像光束多是有不同顏色的光組成的，同一介質(zhì)的折射率隨顏色而異。因此實際光學(xué)系統(tǒng)的成像具有一系列缺陷，這就是像差。像差的大小反映了光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣。幾何像差主要有七種：其中單色光像差有五種，即球差、彗差、像散、場曲和畸變；在實際的光學(xué)系統(tǒng)中，各種像差是同時存在的。它影響了光學(xué)系統(tǒng)成像的明了度、相像性和色調(diào)逼真等，降低了成像質(zhì)量。3．2.1球差

球差亦稱球面像差。軸上物點發(fā)出的光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)以后，與光軸夾不同角度的光線交光軸于不同位置，因此，在像面上形成一個圓形彌散斑，這就是球差。一般是以實際光線在像方與光軸的交點相對于近軸光線與光軸交點(即高斯像點)的軸向距離來度量它。

對于單色光而言，球差是軸上點成像時唯一存在的像差。軸外點成像時，存在大量種像差，球差只是其中的一種。除特別狀況外，一般而言，單個球面透鏡不能校正球差，正透鏡產(chǎn)生負球差，負透鏡產(chǎn)生正球差。對一定位置的物點而言,當(dāng)保持透鏡的孔徑和焦距不變時,球差的大小隨透鏡的形狀而異。

單透鏡自身不能校正球差。單正透鏡產(chǎn)生的球差是負值，如圖2-3(a)，單負透鏡則

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產(chǎn)生正球差。為獲得消球差系統(tǒng)，必需采用正負透鏡的組合，最簡單的形式有正負膠合在一起的雙膠合透鏡以及正負膠之間有一定的空氣間隔的雙分開透鏡

3．2.2彗差

光軸外的某一物點向鏡頭發(fā)出一束平行光線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，在象平面上會形成不對稱的彌散光斑，這種彌散光斑的形狀呈彗星形，即由中心到邊緣拖著一個由細到粗的尾巴，其首端敞亮、明了，尾端寬大、暗淡、模糊。這種軸外光束引起的像差稱為彗差。

彗差的大小是以它所形成的彌散光斑的不對稱程度來表示。彗差的大小既與孔徑有關(guān)，也與視場有關(guān)。

由于慧差是垂軸像差，且彗差大小與光束寬度、物體大小、光闌位置、光組內(nèi)部結(jié)構(gòu)(透鏡的折射率、曲率、孔徑等)有關(guān)。改變透鏡的形狀或組合，可較好地消除彗差。如能對該透鏡消除球差，則彗差亦得到改善。另外當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全對稱，孔徑光闌置于系統(tǒng)的中央，且物像放大率為β=－1時，整個光束結(jié)構(gòu)關(guān)于系統(tǒng)的中心點對稱，如圖2-7所示，系統(tǒng)前半部產(chǎn)生的慧差與后半部產(chǎn)生的慧差絕對值一致、符號相反，慧差完全自動消除。

對于彗差的校正：可以利用適合的視場和孔徑，但不宜過大；合理選擇玻璃材料，改變球面曲率半徑；采用對稱結(jié)構(gòu)。

3．2.3像散

由于發(fā)光物點不在光學(xué)系統(tǒng)的光軸上，它所發(fā)出的光束與光軸有一傾斜角。該光束經(jīng)透鏡折射后，其子午細光束與弧矢細光束的集聚點不在一個點上。即光束不能聚焦于一點，成像不明了，故產(chǎn)生像散。

像散也是影響明了度的軸外點單色像差。當(dāng)視場很大時，邊緣上的物點離光軸遠，光束傾斜大，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后則引起像散。像散使原來的物點在成像后變成兩個分開并且相互垂直的短線，在理想像平面上綜合后，形成一個橢圓形的斑點。像散是通過繁雜的透鏡組合來消除，對于像散的校正，有以下方法：可以控制視場，小為宜；改變球面曲率；適當(dāng)透鏡材料；合理設(shè)置光闌的位置。

3．2.4場曲

垂直于主軸的平面物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所結(jié)成的明了影像，若不在一垂直于主軸的像平面內(nèi)，而在一以主軸為對稱的彎曲表面上，即最正確像面為一曲面，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為場曲。

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像散和場曲既有區(qū)別又有聯(lián)系。有像散必然存在場曲，但場曲存在時不一定有像散。對于場曲的校正，可以采用彎月型厚透鏡，或者采用正負透鏡分開的方法。

3．2.5畸變

被攝物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變[2]。

畸變是指物所成的像在形狀上的變形?；儾⒉粫绊懴竦拿髁硕龋挥绊懴衽c物的相像性。這是畸變與球差、慧差、像散、場曲之間的根本區(qū)別。由于畸變的存在，物方的一條直線在像方就變成了一條曲線，造成像的失真畸變與其他像差不同，它僅由主光線的光路決定，引起像的變形，并不影響成像明了度。對于畸變的校正：可以選擇適合的光闌；假使是垂軸像差，當(dāng)β=-1時，這種像差可以自動校正。

3．2.6色差

大多數(shù)狀況下，物體都以復(fù)色光成像，白光包含了各種不同波長的單色光，光學(xué)材料對不同波長的譜線有不同的折射率。當(dāng)白光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)時，系統(tǒng)對不同波長有不同的焦距，各譜線將形成各自的像點，導(dǎo)致一個物點對應(yīng)有許多不同波長的像點位置和放大率，這種成像的色差異我們統(tǒng)稱為色差

4.三片型照相物鏡的設(shè)計

4．1定義系統(tǒng)參數(shù)4.1.1入瞳直徑

啟動ZEMAX，輸入原始數(shù)據(jù)。尋常，在開始設(shè)計一個新系統(tǒng)時，定義的第一個參數(shù)是系統(tǒng)孔徑。在ZEAMX中，系統(tǒng)孔徑的作用有兩個方面，一是規(guī)定在整個光學(xué)系統(tǒng)中，ZEMAX需要追跡的的光束的寬度；二是規(guī)定在OBJ面上，由每個場點所發(fā)出的光線的初始方向余弦。系統(tǒng)孔徑可用不同的方式定義，可心定義為EntrancePupilDiameter(EPD，入瞳直徑)，ImageSpaceF/#(像空間F數(shù))，ObjectSpaceNA(物空間數(shù)值孔徑)，F(xiàn)loatByStopSize(大小可變的浮動光闌)，等等。

對我們這個單透鏡，確定其EPD值很簡單。如前所述，這是一個F/4透鏡，意即4#F?。同時，有效焦距為100mm。#F定義為，當(dāng)物和像都位于無窮遠時，近軸有效焦距同近軸入瞳直徑之比。據(jù)此，我們這個單透鏡的EPD應(yīng)為4mm：

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圖4.1.1入瞳直徑的設(shè)定

4．1.2孔徑值

在ZEMAX中，透鏡單位有millimeters(毫米)、centimeters(厘米)、inches(英寸)，或meters(米)四種選擇。對我們這個單透鏡，將采用millimeters。在SystemGeneraldialog的Units框內(nèi)，選擇Millimeters作為透鏡單位

圖4.1.2透鏡單位的設(shè)定

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4．1.3視場

圖4.1.3視場的設(shè)定

4．1.4波長

圖4.1.4入射光波長的設(shè)定

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設(shè)置好后的系統(tǒng)數(shù)據(jù)如下：

原始數(shù)據(jù)：System/PrescriptionData

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Date:THUJUN302023

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ExitPupilPosition:-104.489

設(shè)置好之后在Zemax中顯示圖形如下：

圖4.1.5設(shè)計好之后的光路圖

圖4.1.6優(yōu)化之前的波像差

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圖4.1.7優(yōu)化前的像差最大值

圖4.1.8優(yōu)化前的場曲和畸變

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圖4.1.9優(yōu)化前的彌散半徑

圖4.1.10優(yōu)化前視場中心和邊緣的MTF

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4．2校正及優(yōu)化

4．2.1調(diào)試過程

在光學(xué)設(shè)計時，要滿足給定的約束條件，兩種方法：

1．將對約束條件有影響的參數(shù)設(shè)為變量，并且在MeritFunctionEditor(評價函數(shù)編輯器，將在稍后介紹)中，添加邊界約束條件。

2．采用特別的solves，以加強約束條件，同時消除不必要的變量。在這兩種方法，后一種更好。雖然兩種方法都能通過調(diào)整透鏡參數(shù)，達到維持特定邊界條件的目的，但額外添加的邊界約束條件，會減慢評價函數(shù)的運行速度。1．插入優(yōu)化函數(shù)。

圖4.2.1插入的優(yōu)化函數(shù)

2．將玻璃設(shè)為模型。

3．改變面之間厚度，優(yōu)化，直到各種像差都達到最優(yōu)。

4．將模型玻璃變成實際玻璃，再改變厚度以及玻璃類型，變動一次優(yōu)化一次，直到符合要求。

圖4.2.2確定好的玻璃類型和厚度

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4．2.2最終優(yōu)化結(jié)果

系統(tǒng)數(shù)據(jù)：

System/PrescriptionDataFile:G:\\SANPIAN011213.ZMXTitle:

Date:THUJUN302023

GENERALLENSDATA:

Surfaces:9Stop:4SystemAperture:ImageSpaceF/#=4GlassCatalogs:SCHOTTRayAiming:Off

Apodization:Uniform,factor=0.00000E+000

EffectiveFocalLength:5.999979(inairatsystemtemperatureandpressure)EffectiveFocalLength:5.999979(inimagespace)BackFocalLength:4.737781TotalTrack:8.785474ImageSpaceF/#:4ParaxialWorkingF/#:4WorkingF/#:4.014838ImageSpaceNA:0.1240347ObjectSpaceNA:7.499974e-011StopRadius:0.5824492ParaxialImageHeight:2.797836ParaxialMagnification:0EntrancePupilDiameter:1.499995EntrancePupilPosition:2.750199ExitPupilDiameter:1.523187

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ExitPupilPosition:-6.092749FieldType:AngleindegreesMaximumField:25PrimaryWave:0.5875618LensUnits:MillimetersAngularMagnification:0.9847738

優(yōu)化后的圖：

圖4.2.3優(yōu)化后的光路圖

二維圖的說明：九條光線經(jīng)過一個三片式透鏡，第一個和第三個為凸透鏡，其次個位凹透鏡，光線經(jīng)過優(yōu)化集中到三點。

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圖4.2.4優(yōu)化后的RAY圖

像差RAY圖的分析：EX表示子午像差，EY表示弧矢像差，橫坐標(biāo)是光學(xué)系統(tǒng)的入瞳標(biāo)量，因此總是從－1到＋1之間。顯然0的位置對應(yīng)就是光軸在入瞳中心的焦點?？v坐標(biāo)則是針對主光線（發(fā)光點直穿光闌中心點的那條光線）在像面上的位置的相對數(shù)值。

像差最大值由優(yōu)化前的200微米到50微米，符合要求。

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圖4.2.5優(yōu)化后的波像差

像差OPD圖的分析：橫軸PY、PX是光學(xué)系統(tǒng)的入瞳標(biāo)量，因此總是從-1到+1之間。縱坐標(biāo)EY、EX即表示波像差。由于出瞳是光欄在像空間的像，出瞳表示像空間光束有明了邊界的位置。出瞳處的照度，其振幅和位相尋常是平滑變化的，零振幅和非零振幅區(qū)域有明顯的界限

優(yōu)化前，波像差為±20個波長，優(yōu)化到±2個波長，符合要求。

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圖4.2.6優(yōu)化后的Fcd圖

場曲和畸變的Fcd圖分析：軸外細光束像差曲線這一般是由兩個曲線圖構(gòu)成。圖中左邊的是像散場曲曲線，右邊的是畸變，不同顏色表示不同色光，T和S分別表示子午和弧矢量，同色的T和S間的距離表示像散的大小，縱坐標(biāo)為視場，左圖橫坐標(biāo)是場曲，右圖是畸變的百分比值，左圖中幾種不同色曲線間距是放大色差值。

這個是優(yōu)化前后的場曲和畸變。優(yōu)化后的畸變是2%左右，符合要求。

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圖4.2.7優(yōu)化后的彌散半徑圖

優(yōu)化后的spt圖：不同的像差有不同的像表現(xiàn)，同時隨著像差的大小不同，這個像，也叫斑點的大小也不一樣，顯然像差越小的光學(xué)系統(tǒng)，其斑點也越小。衡量這個斑點大小有個定義，就是RMS半徑定義，另外還有一個就是幾何半徑的定義。RMS是均方根半徑，可以定量的反映這個系統(tǒng)實際的斑點大小。

彌散半徑由優(yōu)化前的6.436mm、14.300mm、21.829mm優(yōu)化到3.146mm、4.584mm和7.649mm，符合要求。

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圖4.2.8優(yōu)化后的高頻Mtf圖

圖4.2.8優(yōu)化后的低頻mtf圖

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優(yōu)化后mtf圖分析：

由圖判斷出，其子午慧差，弧矢場曲大和子午垂軸色差大其子午垂軸像差曲線彎曲的厲害－子午慧差大其弧矢垂軸像差在原點處的斜率大－弧矢場曲大其子午垂軸像差的各色差曲線垂軸向分開的距離大－子午垂軸色差大

對于此圖的子午垂軸色差在全視場0.6孔徑處垂軸色差小，在全視場負孔徑處垂軸色差大。

優(yōu)化后，低頻(17lp/mm)時，視場中心的MTF=0.936≥0.9，視場邊緣的MTF=0.9002≥0.80；高頻(51lp/mm)時，視場中心的MTF=0.7331≥0.3，視場邊緣的MTF=0.5520≥0.20，符合要求

由以上數(shù)據(jù)結(jié)果以及像差曲線可以看出，優(yōu)化之后的像差參數(shù)與像差曲線已經(jīng)達到一個比較理想的結(jié)果，與優(yōu)化之前相比，有了明顯的改進。

至此設(shè)計終止。

5．設(shè)計總結(jié)

此次課程設(shè)計過程中，我通過對專利數(shù)據(jù)的調(diào)整，更換玻璃等，設(shè)計出了一個三片型照相物鏡。并應(yīng)用軟件ZEMAX的設(shè)計，參數(shù)的設(shè)置以及優(yōu)化，達到了預(yù)期的設(shè)計要求，基本接近理論所要求的設(shè)計數(shù)據(jù)值。

通過這次設(shè)計，我學(xué)會了如何使用ZEMAX軟件進行優(yōu)化設(shè)計，并體會到ZEMAX的諸多優(yōu)點。這一軟件集成了包括光學(xué)系統(tǒng)定義、設(shè)計、優(yōu)化、分析、公差等諸多功能，并通過簡便直觀的用戶界面，為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計者提供了一個便利快捷的操作手段。由于其優(yōu)越的性價比，近幾年來ZEMAX在光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域所占份額越來越大，在全球已經(jīng)成為最廣泛采用的軟件之一。

此設(shè)計結(jié)果與要大批量生產(chǎn)的照相物鏡之間還存在很大差距，需要根據(jù)實際要求再進行改善。設(shè)計過程中遇到好多困難，通過對像差理論的深入研究以及對ZEMAX軟件各種功能的進一步學(xué)習(xí)遇到的問題得到解決。

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