天塞型照相机物镜.docx
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天塞型照相机物镜
电气工程学院
课程设计说明书
设计题目：
天塞型照相机物镜设计
系别：
工业自动化仪表
年级专业：
08仪表3班
学号：
************
学生姓名：
付强
指导教师：
童凯朱丹丹
教师职称：
副教授讲师
电气工程学院《课程设计》任务书
课程名称：
光学仪器基础课程设计
基层教学单位：
工业自动化仪表系指导教师：
童凯朱丹丹
学号
080103020178
学生姓名
付强
（专业）班级
08仪表3班
设计题目
天塞型照相机物镜设计
设
计
技
术
参
数
入瞳直径
相对孔径
视场角
要求物镜本身校正球差、慧差、轴向色差。
入瞳位置在物镜上。
设
计
要
求
计算望远目镜的各个参数；
上机用软件进行优化，确定最后的设计结构，满足像差要求
参
考
资
料
1、《工程光学》郁道银编著机械工业出版社
2、《光电技术》繆家鼎等编著浙江大学出版社
3、《物理光学与应用光学》石顺祥,张海兴,刘劲松编著西安电子科技大学出版社
4、《应用光学》安连生编北京理工大学出版
周次
第一周
第二周
应
完
成
内
容
计算设计处天塞型照相机物镜的各个参数
上机进行优化设计，确定最后的设计结构
指导教
师签字
基层教学单位主任签字
说明：
1、此表一式三份，系、学生各一份，报送院教务科一份。
2、学生那份任务书要求装订到课程设计报告
电气工程学院教务科
一、相关内容简介1
二、根据实验要求获取实验数据4
三、ZEMAX仿真及优化6
四、设计心得体会17
五、参考文献18
第一章相关内容简介
1、物镜简介
照相物镜的基本光学性能主要有三个参数表征，即焦距
、相对孔径
和视场角
。
1）焦距f照相物镜的焦距决定了所成像的大小。
2）相对孔径照相物镜的相对孔径决定了其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度。
这里的最高分辨率亦即通常说的戒指频率N.
3）视场角照相物镜的视场角决定其再接受器上成清晰的空间范围。
照相物镜没有专门的视场光阑，视场大小被接收器本身的有效接受面积所限制，即接收器的边框作为视场光阑。
在相对孔径最大时，物镜中的某些透镜还要遮拦掉一些离主线较远的轴外斜光束，离开中心视场越远，遮拦越重。
其导致轴外点成像的相对孔径比中心点成像的相对孔径小。
照相物镜上述的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，企图同时提高三个指标则是困难的，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指标的同时，相应的降低其余两个参数的指标。
2、本实验采用的物镜组
1）天塞物镜天塞物镜的基本结构为四片三组式，前组为重钡冕石单凸透镜，中组为燧石单凹透镜，后组为一燧石凹透镜和一钡冕石凸透镜贴合在一起而成的胶合双镜组。
光圈安放在后组透镜之前。
天塞镜头对球面相差、色差、像散有良好的校正。
2）双胶合物镜双胶合物镜有着最简单的结构，制造和装配方便，光能损失小。
若玻璃选择合适，可以同时校正球差、正弦差和色差。
由于双胶合面曲率较大，产生大的高级球差，因而受到孔径限制。
照相机物镜物镜要求校正的像差主要是轴向色差、球差和慧差。
由薄透镜系统的初级像差理论知道，一个薄透镜组除了校正色差而外，还能校正单色像差，正好符合望远物镜校正像差的需要。
如果恰当地选择玻璃，则双胶合物镜可以达到校正三种像差的目的，所以双胶合物镜是最常用的望远物镜。
由于双胶合物镜无法校正像散和场曲，因此它的可用视场受到限制，一般不超过10°，如果物镜后边有较长光路的棱镜，则由于棱镜的像散和物镜的像散符号相反，因而可以抵消部分物镜的像散，视场可达到15°到20°。
双胶合物镜可能满意成像质量的相对孔径如下所示：
双胶合物镜的焦距与相对孔径对应关系表
f'
50
100
150
200
300
500
1000
D/f'
1：
3
1：
3.5
1：
4
1:
5
1:
6
1:
8
1:
10
一般双胶合物镜的最大口径不能超过100mm,这是因为当直径过大时，会使透镜的质量过大而胶合不牢固，同时当温度改变时，胶合面上容易产生应力，使成像质量变坏，严重时可导致脱胶。
所以，对于直径过大的双胶合镜组，往往不进行胶合，而是中间用很薄得空气层隔开，空气层两边的曲率半径仍然相等。
这种物镜从像差性质来说实际上和双胶合物镜完全相同。
3、缩放法简介
随着电子计算机的发展和光学设计技术的提高，人们已经设计出了很多性能优良的各种光学系统，并把这些资料载入技术档案和专利文献中。
有些光学设计手册也专门收集了有关设计资料。
如能从这些专利文献中选择出一些光学特性与所设计的物镜尽可能接近的结构作为初始结构，不但会给设计者节省设计时间，而且也容易获得成功。
尤其是在设计复杂的物镜时，一般从专利文献中选择初始结构。
所谓缩放，即根据对光学系统的要求，找出性能参数比较近的已有结构，将其各尺寸乘以缩放比K，并估计其像差的大小或变化趋势。
一般的缩放法分为如下几步：
1）物镜选型
2）缩放焦距
3）更换玻璃
4）估计高级像差
5）检查边界条件
4、ZEMAX软件简介
ZEMAX是美国FocusSoftwareInc.所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Seqential及Non-Seqential的软件。
ZEMAX是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。
ZEMAX不只是透镜设计软件而已，更是全功能的光学设计分析软件，具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点，与其它软件不同的是ZEMAX的CAD转文件程序都是双向的，如IGES、STEP、SAT等格式都可转入及转出。
而且ZEMAX可仿真Sequential和Non-Sequential的成像系统和非成像系统，
ZEMAX光学设计程序是一个完整的光学设计软件，是将实际光学系统的设计概念，优化，分析，公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。
包括光学设计需要的所有功能，可以在实践中对所有光学系统进行设计，优化，分析，并具有容差能力，所有这些强大的功能都直观的呈现于用户界面中。
ZEMAX功能强大，速度快，灵活方便，是一个很好的综合性程序。
ZEMAX能够模拟连续和非连续成像系统及非成像系统。
ZEMAX能够在光学系统设计中实现建模、分析和其他的辅助功能。
ZEMAX的界面简单易用，只需稍加练习，就能够实现互动设计。
ZEMAX中有很多功能能够通过选择对话框和下拉菜单来实现。
同时，也提供快捷键以便快速使用菜单命令。
手册中对使ZEMAX时的一些惯用方法进行了解释，对设计过程和各种功能进行了描述。
ZEMAX目前已经是被光电子领域熟知的光学设计的首选软件。
该软件拥有两大特点，就是可以实现序列和非序列分析。
在全球范围内，这款软件已经被广大的应用在设计显示系统，照明，成像的使用系统，激光系统以及漫射光的设计应用方面。
ZEMAX有三种不同的版本：
ZEMAX-SE（标准版）；ZEMAX-XE（扩展版）；ZEMAX-EE（工程版）。
、
第二章根据设计要求获取实验数据
结合所设计的题目应用缩放法获得需要的数据：
想要设计的物镜要求：
其缩放步骤如下：
1、根据所设计光学系统的外部参数，由手册资料选取比较接近的现有结构。
选取的初始结构数据如表一所示：
表一物镜的初始结构参数
r
d
n
81.58
12
ZK6
∞
13.70
-183.65
5.40
QF3
71.74
5.97
光阑
12.03
-580.80
4.02
K9
76.45
16
ZK10
119.12
2、根据焦距计算缩放比K：
最好K>1，根据题意得K=350/299.12=1.17
3、将现有结构中的的变量（r,d,D,）放大K倍，角量（如w）保持不变。
4、估计使用条件下的像差和瞳孔位置的变化。
所选结被放大后，所有线量像差进而也随之被放大，原有结构的使用条件不可能与现在的使用条件完全相同，但可根据原来使用的孔径和视场及像差曲线的趋势，推算出新的使用条件下的相差值等。
5、检查和调整间隔（中心厚和边缘厚）,以满足工艺要求，必要时更换玻璃材料（尽可能国产化，并保证折射率和色散值）。
6.、上机计算。
首先检查焦距是否为预想值，若相差太远，可复查缩放过程或者原始值。
再查其他值，或者做相差校正等。
缩放后的结构数据如表二所示：
表二缩放后的物镜参数
r
d
n
95.54
14.04
ZK6
∞
16.03
-214.87
6.32
QF3
83.94
6.98
光阑
14.08
-679.54
4.91
K9
76.45
18.72
ZK10
119.12
在D=70,2W=20的使用条件下，将各个数值进行自动优化。
第三章ZEMAX仿真及优化
1、输入D视场设定波长设定编辑镜头数据记录各个仿真图形
1）输入D
由公式，得物方孔径EPD约等于70。
在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>通用配置，在弹出的对话框中，光圈类型选择入瞳直径，光圈数值选择70，单位毫米。
2）视场设定
在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>视场，在弹出的对话框中，视场类型选择角度，并输入三组视场数据，（0,0）,（0,3）和（0,5）。
3）波长设定
在ZEMAX主菜单软件中，选择系统>波长，在弹出的对话框中，选择要求的波长0.6328um，单击确定完成配置
系统配置完毕，即可在LDE中输入数据。
4）编辑镜头数据
镜头数据编辑器是一个主要的电子表格，将镜头的主要数据填入就形成了镜头数据。
这些数据包括系统中每一个面的曲率半径、厚度、玻璃材料。
单透镜由两个面组成（前面和后面），物平面和像平面各需要一个面，这些数据可以直接输入到电子表格中。
当镜头数据编辑器显示在显示屏时，可以将光标移至需要改动的地方并将所需的数值由键盘输入到电子表格中形成数据。
每一列代表具有不同特性的数据，每一行表示一个光学面（或一个）。
移动光标可以到需要的任意行或列，向左和向右连续移动光标会使屏幕滚动，这时屏幕显示其他列的数据，如半口径，二次曲线系数，以及与所在的面的面型有关的参数。
屏幕显示可以从左到右或从与右到左滚动。
”上翻页”和”下翻页”键可以移动光标到所在列的头部或尾部。
当镜头面数足够大时，屏幕显示也可以根据需要上下滚动。
首先，添加镜面，设计要求双镜头，所以添加3个镜面，在镜面编辑窗口中选择编辑>插入曲面。
曲面插入完毕，即可向镜头数据编辑窗口写入镜头数据。
设计要求第一块镜面材料BAK1第二块镜面材料为F3。
在glass窗口中写入材料的类型。
完成后在Thickness栏中填入玻璃厚度。
2、分析记录各个仿真图形并进行优化，并进行优化前后对比。
1）优化前图像
原物镜组成像
图3.2-1a
光程差
图3.2-2a
像差
图3.2-3a
点列图
图3.2-4a
MTF
图3.2-5a
场曲和畸变
图3.2-6a
3）优化后图像
优化后的物镜组成像
图3.2-1b
从图中可以看出，镜头完成对焦，调整像平面前面的厚度。
厚度是依照RMS像差最小化的原则选择的。
有多种不同的RMS计算方法。
最佳调焦位置与标准的选择有关。
RMS用定义的视场，波长和权因子计算整个视场的多色光的平均值。
优化后的光程差
图3.2-2b
垂轴刻度在图形的下端给出。
绘图的数据是光程差，它是光线的光程和主光线的光程的差，通常，计算以返回到系统出瞳上的光程差为参考。
每个曲线的横向刻度是归一化的入瞳坐标。
若显示所有波长，那么图形以主波长的参考球面和主光线为参照基准的。
若选择单色光那么被选择的波长的参考球面和主光线被参照。
由于这个原因，在单色光和多色光切换显示时，非主波长的数据通常被改变。
优化后的像差
图3.2-3b
横向特性曲线是用光线的光瞳的y坐标的函数表示的横向光线像差的x或y分量。
缺省选项是画出像差的y分量曲线。
但是由于横向像差是矢量，它不能完整的描述像差。
当ZEMAX绘制y分量时，曲线标称为EY，当绘制x分量时，曲线标称为EX。
垂轴刻度在图形的下端给出。
绘图的数据是光线坐标和主光线坐标之差。
横向特性曲线是以光瞳的y坐标作为函数，绘制光线和像平面的交点的x或y坐标和主波长的主光线x或y坐标的差。
为像差是有x和y分量的矢量，光线像差曲线不能完全描述像差，特别是像平面倾斜或者系统是非旋转对称时。
另外，像差曲线仅仅表示了通过光瞳的两个切面的状况，而不是整个光瞳。
像差曲线图的主要目的是判断系统中有哪种像差，它并不是系统性能的全面描述，尤其系统是非旋转对称时。
优化后的点列图
图3.2-4b
在点列图中，ZEMAX不能画出拦住的光线，它们也不能被用来计算RMS或GEO点尺寸。
ZEMAX根据波长权因子和光瞳变迹产生网格光线。
有最大权因子的波长使用由“RayDensity”选项设置的最多光线的网格尺寸。
有最小权因子的波长在图形中设置用来维持正确表达的较少光线的网格。
如果变迹被给定，光线网格也被变形来维持正确
的光线分布。
位于点列图上的RMS点尺寸考虑波长权因子和变迹因子。
但是，它只是基于光线精确追迹基础上的RMS点尺寸的估算。
在某些系统中它不是很精确。
像平面上参考点的交点坐标在每个点列图下被显示。
如果是一个面被确定而不是像平面，那么该坐标是参考点在那个面上的交点坐标。
既然参考点可以选择重心，这为重心坐标的确定提供了便利的途径。
优化后的MTF
图3.2-5b
MTF是表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后，其对比度（即振幅）的衰减程度。
当某一频率的对比度下降为零时，说明该频率的光强分布已无亮度变化，即该频率被截肢。
这是利用光学传递函数来评价光学系统成像质量的主要方法。
优化后的场曲和畸变
图3.2-6b
第四章设计体会心得
经过一周的课程设计，我受益匪浅。
我不但学到了一些以前不懂的知识，而且更进一步学会使用了ZEMAX常用的光学设计软件，同时，也锻炼了我们在学习新软件的能力，这不但是对新知识的学习，更是对新事物学习和接受能力的锻炼，因此我对此次光电课程设计感触和收获颇深！
从刚开始不知如何着手确定设计题目到最后反复推敲优化结果，这是一个充实且富有收获的美好过程。
课程设计并不像在课堂上那样老师会把所有重点和细节告诉学生，所有的同学也不可能有同样的疑惑，即便是老师告诉学生设计的重点在哪里，但是由于时间和困难程度的关系，很多问题都需要自己去思考，去实践，这充分锻炼了我独立思考问题和解决问题的能力，虽然这是我第一次接触Zamax软件，参照课本上的讲解、自己的练习和同学之间的讨论，在确定参考数据之后可以熟练地按步骤进行优化处理。
接下来是写论文，在应用光学与光学设计等参考资料的帮助下，我顺利完成了文字的编辑与录入工作，之后是特殊公式的插入，我学习了Mathtype软件的应用将所用到的公式写入文字中，使论文更具有说服力。
在不断总结的过程中，我将优化后的和未优化之前的进行比较，我们可以看到，经过优化后的图像更加优美和科学性。
在本次设计中，我们学到的不只是光学上的一些知识，还学会了一种设计思路和接受新事物的能力的锻炼，我们就要毕业走上工作岗位，这样的探索精神和能力无疑是我们学习和发展的重点和优点，所以，这次课程设计给我留下了宝贵的经历和精神财富！
在不断学习与进步的过程中，我明白了一个道理，任何事情不管再难或者再简单，都要脚踏实地地认真去做，这样才能在这个过程中不断成长，自身能力的提升对未来的发展有着至关重要的作用。
最后，非常感谢课设过程中予以我帮助的老师和同学，我一定在之后的课程设计中继续端正态度，更加努力。
第六章参考文献
1、《工程光学》郁道银编著机械工业出版社
2、《光电技术》繆家鼎等编著浙江大学出版社
3、《物理光学与应用光学》石顺祥,张海兴,刘劲松编著西安电子科技大学出版社
4、《应用光学》安连生编北京理工大学出版
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