照相物镜设计

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汉口学院

《应用光学》

课程设计报告

报告题目：照相物镜设计

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二O一四年十二月

目录

一、选题背景 (3)

二、设计要求 (5)

三、外形尺寸计算 (5)

四、结构选型及参数计算 (5)

1.结构选型 (5)

2.参数数据 (7)

五、ZEMAX初始数据 (7)

1.初始结构参数 (7)

2.缩放焦距 (9)

3.更换玻璃 (10)

六、ZEMAX校正数据 (11)

1.设置约束对象 (11)

2.设置变量 (12)

3.优化 (13)

4.最终结构数据 (13)

七、像质评价 (14)

1.2D草图 (14)

2.场曲和畸变 (14)

3.快速傅立叶变换调制传递函数 (15)

4.标准点列图 (15)

5.光线像差特性曲线 (16)

6.光路特性曲线 (16)

八、零件图 (18)

九、学习体会 (19)

十、参考文献 (20)

一、选题背景

照相机广泛应用于社会生活的各个领城，已成为科研、国防、生产、教育以及文化生活各领域中的重要手段。它给人类的文明生活带

来了许多方便，随着科学技术的发展，人们物质文化生活水平的提高，社会上的照相机也发展的越来越快，越来越普及了。

照相机是由镜头，光圈，快门，取景器，测距器，卷片，机身（暗箱）等主要部件构成的。其中镜头的作用是通过光线把景物集结成影像并投射到感光片上，使感光片接受清晰的影像，它的好坏直接决定了照相机的性能。照相物镜的光学特性一般用焦距f'、相对孔径

D'

f

/、视场角ω

2表示。此外还提出分辨率的要求，作为保证产品质量的技术条件。

照相物镜的结构型式很多，而且不断有新的型式出现。选用照相物镜的原则应该是:既能满足光学性能和成像质量的要求，而结构又最简单。

双高斯物镜是具有较大视场(大约ω2=40º左右)的物镜中相对孔径最先达到1/2的物镜[1]225。双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1-1.1所示。

图1-1.1 图1-1.2 图1-1.3

双高斯照相物镜是目前多数大孔径物镜的基础，它的演变型式很多，它的复杂化目的是为了改善成像质量，如图1-1.2所示，或者是为了增大相对孔径，如图1-1.3所示，相对孔径可达1/0.95。由于

双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。设计这种

类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正[2]167。

二、 设计要求

设计一照相物镜,其相关技术要求为[1]238:

焦距mm f 30=';相对孔径2/1/='f D ;视场角︒=402ω。

系统畸变<2% ;空间频率为40lp/mm 时,传递函数MTF ≥ 0.4。

三、 外形尺寸计算

由于照相物镜结构比较复杂，而且它们的结构主要是由高级相

差决定的，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，通过相差计算逐步进

行修改，达到满足要求的光学特性和成像质量[2]176。

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。

四、 结构选型及参数计算

1. 结构选型

mm f 30='；

2/1/='f D ⇒mm D

15=；

ω。

=20

2ω⇒︒

=40

︒

根据所要求的技术条件，选用双高斯物镜结构较为合适[3]。

利用光学设计软件CODE V寻找到一个合适的初始结构[4]，来自美国专利2117252的初始结构[5]。其相对孔径和视场角都满足要求，如图4-1.1所示。

图4-1.1

2.参数数据

其默认结构参数为1='f时的数据，见表4-2.1。

表4-2.1 默认结构参数

五、ZEMAX初始数据

1.初始结构参数

打开ZEMAX,设置相对孔径值，如图5-1.1所示。

图5-1.1

按照镜头专利数据如图5-1.2所示，设置视场角及渐晕系数如图5-1.3所示。

图5-1.2

图5-1.3

将表4-2.1中初始参数输入ZEMAX，如图5-1.4所示。

图5-1.4

2.缩放焦距

默认结构参数为1='f时的数据，输入焦距30mm进行缩放，如图5-2.1所示。

图5-2.1

缩放后得到我们所设计的焦距mm

f30

'的初始参数，如图5-2.2

=

所示。

图5-2.2

3.更换玻璃

ZEMAX 允许玻璃拥有相应的一种“替代”状态，在寻找更好的设计方案的过程中自动改变玻璃类型。

设置当前激活的玻璃库，改为国产玻璃，如图5-3.1所示。

图5-3.1

使用玻璃替代功能，如图5-3.2所示。

图5-3.2

在玻璃解对话框中自由设置每块玻璃的状态使之变成“替代（substitute）”，如图5-3.3所示。