王星国 激光一班 1409090418 工程光学课程设计任务书.docx

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王星国激光一班1409090418工程光学课程设计任务书

课程设计说明书

课程设计名称：

工程光学课程设计

课程设计题目：

三片式数码物镜的优化设计

学院名称：

理学院

专业班级：

激光一班

学生学号：

**********

********

学生成绩：

指导教师：

课程设计时间：

2016/06/27至2016/07/03

课程设计任务书

一、课程设计的任务和基本要求

1．查阅相关资料，光学设计的基本概念、光学玻璃的相关知识和软件的使用。

2．学习各种像差的基本概念、描述及评价方法，掌握近轴光线追迹公式。

3．本课题要求设计出一个三片式数码照相物镜，要求的光学特性为：

，

；像质主要以调制传递函数MTF衡量，具体要求是对于低频（17lp/mm），视场中心的MTF≥0.9，视场边缘的MTF≥0.80；对于高频（51lp/mm），视场中心的MTF≥0.3，视场边缘的MTF≥0.20，另外，最大相对畸变dist≤4%。

该物镜对d光校正单色像差，对F、C光为校正色差。

4．学习使用ZEMAX进行数据录入和报表输出，分析各种初级像差并设置优化函数；设计三片式数码照相物镜并优化，对像差做简单的分析之后，撰写课程设计论文。

5．课题设计（论文）难度适中，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。

6．综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；文字通顺，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；论文（设计）结果有一定的参考价值。

二、进度安排

1．6月27日：

了解光学设计的基本概念、光学玻璃的相关知识和软件的使用。

以单透镜的设计为例学习数据的录入，基本概念和设计思想在软件中的实现，初步掌握ZEMAX的分析工具和数据含义及输出。

2．6月28日至6月29日：

学习各种像差的基本概念、描述及评价方法，掌握近轴光线追迹公式。

3．6月30日：

学习查找文献资料，选择合适的数码物镜初始结构，用缩放法进行缩放，缓慢调整有关参数并优化，并最终得到比较好的设计参数。

学习光学玻璃材料知识，通过选择合适的玻璃，校正像差。

4．7月1日：

整理思路，撰写课程设计论文，论文中要体现像差概念和评价、体现zemax评价函数的构造及优化过程像差的变化；检查格式，符合课程设计论文格式要求。

5．7月2日至7月3日：

课程设计答辩并上交论文；

本科生课程设计成绩评定表

姓名

王星国

专业班级

激光一班

学号

1409090418

课程设计题目：

三片式数码物镜的优化设计

课程设计答辩记录：

（手写）

成绩评定依据：

项目

得分

比例

考勤记录

设计结果

报告撰写

答辩成绩

备注：

成绩评定依据的项目内容和项目分值比例可以由老师按指导的专业进行调整，但成绩评定依据的项目数不得少于3项。

最终评定成绩：

指导教师签名：

年月日

一透镜数据编辑器以及定义系统参数

1.1类型和数值大小。

在ZEMAX的工具栏中选择‘Gen’按钮。

在里面输入系统孔径类型和数值大小。

并且设定单位为毫米。

1.2在工具选项中选择杂项中的生成焦距选项，并输入6

.3该三片式数码物镜的视场角是50°，所以设置三组视场角，（0.0），（0.17.56），（0.25）如图一所示

图一

1.4在ZEMAX中插入面并输入数据

（1）在完成系统参数设置后，即可在LDE中设定各面的参数。

LED中的每一行，对应一个单独的面。

也正是如此，两个有玻璃隔开的面就组成一个单透镜。

添加结束后就可以输入透镜数据。

在表格中我们要输入玻璃的类型，玻璃的厚度（这个厚度指沿着光轴方向上从当前面道下一面的距离）。

再优化时我们要将厚度作为变量。

按照缺省设置，LDE只有3个面。

如果要加入新的面，可以用键盘上的insert键，或者从LDE的菜单栏选择EDIT>INSERTSURFACE。

这两种操作方式的结果，都是在当前光标的前一行加一个新的面。

（2）再添加结束以后，在表格里面输入玻璃材料的数值

输入数据如下

SurfTypeCommentRadiusThicknessGlassDiameterConic

OBJSTANDARD无限远无限远00

1STANDARD无限远1.4999413.9421490

2STANDARD2.6076780.2693895SK42.295130

3STANDARD-30.561960.70857232.3127910

STOSTANDARD无限远01.1811120

5STANDARD-2.4330250.1685934F71.2115550

6STANDARD2.5007020.52917931.2834970

7STANDARD9.8860530.2693895SK42.38770

8STANDARD-2.0817995.1833552.2695410

IMASTANDARD无限远5.7192530

二优化方案

在光学设计时，要满足给定的约束条件，有两种方法：

（1）.将对约束条件有影响的参数设为变量，并且在评价函数编辑器中，添加边界约束条件

（2）.采用特殊的solve，以强化约束条件，同时消除不必要的变量。

在这两种方法，后一种效果会跟好，虽然两种方法都可以通过调整透镜参数来维持特定的边界条件的目的，但是额外添加条件，会减慢评价函数的运行速度。

（3）在优化结束后，我们要对优化方案进行评估，使用最基本的四种分析功能：

Layout,SpotDiagram,opdfan,rayfan;

三优化步骤

3.1优化radius

3.1.1优化前：

如图二，

图二

3.1.2数据

SurfTypeCommentRadiusThicknessGlassDiameterConic

OBJSTANDARD无限远无限远00

1STANDARD无限远1.4999413.4061870

2STANDARD2.6076780.2693895SK42.1461490

3STANDARD-30.561960.70857232.1304480

STOSTANDARD无限远01.1811120

5STANDARD-2.4330250.1685934F71.2115550

6STANDARD2.5007020.52917931.2629350

7STANDARD9.8860530.2693895SK41.9944640

8STANDARD-2.0817995.1833551.9741970

IMASTANDARD无限远4.4117010

在图二中可以看出该光学系统还是有很大的缺陷.子午面光线扇可以观察出来y反向上有不足。

其中不仅有球差，彗差，畸变，和象散，还有其他像差。

在最大视场处，几何和RMS半径大约分别是5.501和160699

3.2第一步优化：

3.2.1打开编辑里的优化函数选择。

选择其中的EFFL函数。

再优化过程中，要使该参数可以自由变化，用右键选定单元格，然后再键盘上击Ctrl+z，即设置该参量为自由变量。

最后点击opt选项，对该参量进行优化

3.2.2优化后:

，

图三

图四

由图可以看出优化后的各种像差已经得到优化.。

3.3第二步优化：

3.3.1将镜面厚度进行调整，从而使RMS像差最小。

分别调整为0.37，0.27，0.37.调整后对改组数据进行优化

3.3.2优化后，

图五

图六

从图五，图六中我们可以看出优化后的后的已自动发生变化。

优化后各性能曲线已经发生了明显的变化

3.4优化第三步

3.4.1完成变量设置以后，可以构造DefaultMeritFunction。

评价函数是在同一个LDE完全不同的单独的编辑器内构造。

在ZEMAXZ中打开MFE，可以从主菜单上选择EDITORS>MERITFUNCTION.

图七

图八

3.5第四步优化:

3.5.1将glass选项中的可变参量更改为substitute.并进行优化。

注意每更改一次都要进行一次优化，并且要按照2号到7号到四号的顺序

数据

Surfaces:

9

Stop:

4

系统光圈:

图像空间F/#=4

GlassCatalogs:

SCHOTT

RayAiming:

Off

变迹:

均衡,统一的,因子=0.00000E+000

有效的焦点长度:

6.000916（系统温度和压力在空气中）

有效的焦点长度:

6.000916（在像空间）

BackFocalLength:

5.057117

统计轨迹:

8.80481

图像空间F/#:

4

离轴工作面F/#:

4

工作面F/#:

4.018374

ImageSpaceNA:

0.1240347

物空间NA:

7.501145e-011

光阑半径:

0.5977756

离轴像高:

2.798273

近轴放大率:

0

入瞳直径:

1.500229

入瞳区域:

2.648582

入瞳直径:

1.565312

入瞳直径区域:

-6.26125

FieldType:

Angleindegrees

最大视场:

25

主光波长:

0.5875618

镜头单位:

毫米

角度放大率:

0.9584214

SurfTypeCommentRadiusThicknessGlassDiameterConic

OBJSTANDARD无限远无限远00

1STANDARD无限远1.4999413.9703370

2STANDARD3.4812060.37N-LASF442.3764870

3STANDARD68.05560.70857232.2339610

STOSTANDARD无限远01.2061930

5STANDARD-3.1732090.27TIF61.2263150

6STANDARD3.2301560.52917931.3624710

7STANDARD23.518710.37N-LASF442.1955950

8STANDARD-3.0347225.0571172.2825230

IMASTANDARD无限远5.6659430

SURFACEDATADETAIL:

图九

图十

从图十和数据对比未优化前的比较可以看出数据和图片已经发生明显的变化.，其中球差，彗差，畸变，和像散已经得到优化，最大视场出的几何和半径大约是7.667，22.443

四总结和结论

现在，优化已经完成，我们要最终的设计进行评估，以确保最初的设计已得到满足

观察上一章中的图形，我们可以大致认为，按照约束条件经过优化的这个三片式数码物镜已经满足最初的设计要求，同优化前比较，RMS和Geometricalspotrasi分别降低了。

并且满足设计要求对于低频（17lp/mm），视场中心的MTF≥0.9，视场边缘的MTF≥0.80；对于高频（51lp/mm），视场中心的MTF≥0.3，视场边缘的MTF≥0.20，另外，最大相对畸变dist≤4%。

该物镜对d光校正单色像差，对F、C光为校正色差。

五、参考资料或参考文献

[1]胡玉禧.应用光学[M].2版，合肥：

中国科学技术大学出版社，2015.2

[2]张以谟.应用光学[M].3版，北京：

电子工业出版社，2010.7

[3]郁道银，谈恒英.工程光学[M].3版北京：

机械工业出版社，2011.

[4]李晓彤，岑兆丰.几何光学像差光学设计[M]，杭州：

浙江大学出版社，2003.

[5]王之江，实用光学技术手册[M]，北京：

机械工业出版社，2007.

[6]王朝晖，焦斌亮，徐朝鹏编著.光学系统设计教程[M].北京：

北京邮电大学出版社，2013.8

[7]毛文炜.现代光学镜头设计方法与实例[M].北京：

机械工业出版社，2013.4.

[8]林晓阳.ZEMAX光学设计超级学习手册[M].北京：

人民邮电出版社，2014.4

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