基于ZEMAX的照相物镜的设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
《实用光学技术手册》，机械工业出版社，王之江，2007.1
指导教师签字
基层教学单位主任签字
摘要……………………………………………………………………1
第一章简述照相物镜的设计原理和类型……………2
第二章设计过程……………………………………………4
2.1根据参数要求确定恰当的初始结构……………………4
2.2优化设计过程……………………………………………5
照相物镜属于大视场大孔径系统, 因此需要校正的像差也大大增加, 结构也比较复杂, 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。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。
早期的照相物镜是单片的正弯月形透镜，其前置一孔径光阑，之后演变为双胶合弯月透镜以及正负分离透镜，这些简单的物镜相对孔径很小只能在室外照明条件良好时拍摄，又称为风景物镜。 最早出现的对称型物镜，属于简单的风景物镜对称于光阑的组合，相对孔径仍然很小，如Hypogon物镜。之后又出现Protar物镜，Dagor物镜等一系列逐渐演变出来的物镜，之后出现的三片物镜是很多复杂透镜的基础，它由三片分离的薄透镜组成，在视场角为55°时，相对孔径可以达到1：3.5~1;2.8,在视场角适当降低时，相对孔径可提高到1：2.4以上。其他还有双高斯物镜、远距物镜、反远距物镜等等复杂物镜。
2.3 优化结果像差结果分析…………………………………8
第四章课设总结……………………………………………13
参考文献
摘要
人们早就有长期保存各种影像的愿望。在摄影技术尚未发明前的公元四世纪时，人们按投影来描画人物轮廓像的方法达到了全盛时代，至今这种方法仍然作为剪纸艺术流传着。后来，人们让光线通过小孔形成倒立像，进而将小孔改为镜片，并加装一只暗箱。只要在暗箱底板上放一张纸，不仅可以画出轮廓，还可以画出像上的各个部分。这就形成了照相机的机构雏形。 随着科学技术的发展，照相机的发展日益迅速，有着显著的飞跃。照相物镜是照相机的眼睛，它的精度和分辨率直接影响到照相机的精度与成像质量。要保证所设计的照相物镜达到较高的技术要求，在设计时就必须达到更高的精度与分辨率。
照相物镜没有专门的视场光阑，视场大小被接受器本身的有效接受面积所限制，即以接收器本身的边框作为视场光阑。
照相物镜上述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。企图同时提高这三个参数的指标则是困难的，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的同时，相应地降低其余两个参数的指标。
2、确定照相物镜的基本性能要求，并确定恰当的初始结构；
3、输入镜头组数据，设置评价函数操作数，进行优化设计和像差结果分析；
4、给出像质评价报告，撰写课程设计论文
工
作
量
查阅光学设计理论和像差分析的相关文献和资料，提出并较好地的实施方案设计简单透镜组，并用zemax软件对初级像差进行分析和校正，从而对镜头进行优化设计
b）中视场物镜：视场角在30°~60°之间；
c）广角物镜：视场角在60°~90°之间；
d）超广角物镜：视场Βιβλιοθήκη Baidu在90°以上。
照相物镜按其相对孔径的大小，大致分为
a）弱光物镜：相对孔径小于1：9；
b）普通物镜：相对孔径为1：9~1：3.5；
c）强光物镜：相对孔径为1：3.5~1：1.4；
d）超强光物镜：相对孔径大于1：1.4；
相对孔径决定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度，在此的分辨率亦即通常所说的截止频N
（1-4）
照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其本身的分辨率不高，相对孔径的作用是为了提高像面光照度
E’=1/4πLτ(D/f’)2(1-5)
照相物镜的视场角决定其在接受器上成清晰像的空间范围。按视场角的大小，照相物镜又分为 a）小视场物镜：视场角在30°以下；
工
作
计
划
第一天、第二天：熟悉ZEMAX软件的应用，查阅资料，确定设计题目进行初级理论设计
第三天、第四天：完善理论设计，运用ZEMAX软件进行设计优化，撰写报告
第五天：完善过程，进行答辩
参
考
资
料
《光学设计》，西安电子科技大学出版社，刘钧，高明，2006，10
《几何光学像差光学设计》，浙江大学出版社，李晓彤，岑兆丰，2003.11
关键字： 照相物镜 ZEMAX 设计
第一章简述照相物镜的设计原理和类型
照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征。即焦距f’、相对孔径D/f’和视场角2w。照相物镜的焦距决定所成像的大小
Ⅰ）当物体处于有限远时，像高为
y’=(1- (1-1)
式中， 为垂轴放大率， 。对一般的照相机来说，物距l都比较大，一般 >1米，f’为几十毫米，因此像平面靠近焦面， ，所以
本次涉及所使用的三片物镜是具有中等光学特性的照相物镜中结构最简单，像质最好的一种，被广泛使用在比较廉价的135#和120#相机中，例如国产的海鸥—4、海鸥—9、天鹅相机等。这种照相物镜进一步复杂化的目的，大多是为了增大相对孔径，或提高视场边缘成像质量。
第二章 设计过程
2.1根据参数要求确定恰当的初始结构
本文所讨论的照相物镜，它主要采用后置光阑三片物镜结构，其中第六面采用非球面塑料，其余面采用标准球面玻璃，应用ZEMAX软件设计了一组焦距f '= 15mm的照相物镜,相对孔径D/ f’=2. 8,镜头总长为15.1366mm，整个系统球差0.000192，慧差0.000432，像散0.002716。完全满足设计要求。
Ⅱ）当物体处于无限远时， →∞像高为
y’= （1-2）
因此半视场角
=atan （1-3）
表1-1中列出了照相物镜的焦距标准：
表1-1
物镜类型
鱼眼
超广角
广角
标准
短望远
望远
超望远
物镜焦距f’/mm
7.5~15
17~20
24 ~28 ~35
50
85~ 100
135 ~200 ~300
400 ~500~600 ~800
燕山大学课程设计（论文）任务书
院（系）：电气工程学院 基层教学单位：自动化仪表系
学 号
学生姓名
专业（班级）
10级仪表三班
设计题目
设
计
技
术
参
数
1、焦距：f’=15mm；
2、相对孔径：1/2.8；
3、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光）
4、视场角2w=74°
设
计
要
求
1、简述照相物镜的设计原理和类型；
指导教师签字
基层教学单位主任签字
摘要……………………………………………………………………1
第一章简述照相物镜的设计原理和类型……………2
第二章设计过程……………………………………………4
2.1根据参数要求确定恰当的初始结构……………………4
2.2优化设计过程……………………………………………5
照相物镜属于大视场大孔径系统, 因此需要校正的像差也大大增加, 结构也比较复杂, 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。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。
早期的照相物镜是单片的正弯月形透镜，其前置一孔径光阑，之后演变为双胶合弯月透镜以及正负分离透镜，这些简单的物镜相对孔径很小只能在室外照明条件良好时拍摄，又称为风景物镜。 最早出现的对称型物镜，属于简单的风景物镜对称于光阑的组合，相对孔径仍然很小，如Hypogon物镜。之后又出现Protar物镜，Dagor物镜等一系列逐渐演变出来的物镜，之后出现的三片物镜是很多复杂透镜的基础，它由三片分离的薄透镜组成，在视场角为55°时，相对孔径可以达到1：3.5~1;2.8,在视场角适当降低时，相对孔径可提高到1：2.4以上。其他还有双高斯物镜、远距物镜、反远距物镜等等复杂物镜。
2.3 优化结果像差结果分析…………………………………8
第四章课设总结……………………………………………13
参考文献
摘要
人们早就有长期保存各种影像的愿望。在摄影技术尚未发明前的公元四世纪时，人们按投影来描画人物轮廓像的方法达到了全盛时代，至今这种方法仍然作为剪纸艺术流传着。后来，人们让光线通过小孔形成倒立像，进而将小孔改为镜片，并加装一只暗箱。只要在暗箱底板上放一张纸，不仅可以画出轮廓，还可以画出像上的各个部分。这就形成了照相机的机构雏形。 随着科学技术的发展，照相机的发展日益迅速，有着显著的飞跃。照相物镜是照相机的眼睛，它的精度和分辨率直接影响到照相机的精度与成像质量。要保证所设计的照相物镜达到较高的技术要求，在设计时就必须达到更高的精度与分辨率。
照相物镜没有专门的视场光阑，视场大小被接受器本身的有效接受面积所限制，即以接收器本身的边框作为视场光阑。
照相物镜上述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。企图同时提高这三个参数的指标则是困难的，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的同时，相应地降低其余两个参数的指标。
2、确定照相物镜的基本性能要求，并确定恰当的初始结构；
3、输入镜头组数据，设置评价函数操作数，进行优化设计和像差结果分析；
4、给出像质评价报告，撰写课程设计论文
工
作
量
查阅光学设计理论和像差分析的相关文献和资料，提出并较好地的实施方案设计简单透镜组，并用zemax软件对初级像差进行分析和校正，从而对镜头进行优化设计
b）中视场物镜：视场角在30°~60°之间；
c）广角物镜：视场角在60°~90°之间；
d）超广角物镜：视场Βιβλιοθήκη Baidu在90°以上。
照相物镜按其相对孔径的大小，大致分为
a）弱光物镜：相对孔径小于1：9；
b）普通物镜：相对孔径为1：9~1：3.5；
c）强光物镜：相对孔径为1：3.5~1：1.4；
d）超强光物镜：相对孔径大于1：1.4；
相对孔径决定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度，在此的分辨率亦即通常所说的截止频N
（1-4）
照相物镜中只有很少几种如微缩物镜和制版物镜追求高分辨率，多数照相物镜因其本身的分辨率不高，相对孔径的作用是为了提高像面光照度
E’=1/4πLτ(D/f’)2(1-5)
照相物镜的视场角决定其在接受器上成清晰像的空间范围。按视场角的大小，照相物镜又分为 a）小视场物镜：视场角在30°以下；
工
作
计
划
第一天、第二天：熟悉ZEMAX软件的应用，查阅资料，确定设计题目进行初级理论设计
第三天、第四天：完善理论设计，运用ZEMAX软件进行设计优化，撰写报告
第五天：完善过程，进行答辩
参
考
资
料
《光学设计》，西安电子科技大学出版社，刘钧，高明，2006，10
《几何光学像差光学设计》，浙江大学出版社，李晓彤，岑兆丰，2003.11
关键字： 照相物镜 ZEMAX 设计
第一章简述照相物镜的设计原理和类型
照相物镜的基本光学性能主要由三个参数表征。即焦距f’、相对孔径D/f’和视场角2w。照相物镜的焦距决定所成像的大小
Ⅰ）当物体处于有限远时，像高为
y’=(1- (1-1)
式中， 为垂轴放大率， 。对一般的照相机来说，物距l都比较大，一般 >1米，f’为几十毫米，因此像平面靠近焦面， ，所以
本次涉及所使用的三片物镜是具有中等光学特性的照相物镜中结构最简单，像质最好的一种，被广泛使用在比较廉价的135#和120#相机中，例如国产的海鸥—4、海鸥—9、天鹅相机等。这种照相物镜进一步复杂化的目的，大多是为了增大相对孔径，或提高视场边缘成像质量。
第二章 设计过程
2.1根据参数要求确定恰当的初始结构
本文所讨论的照相物镜，它主要采用后置光阑三片物镜结构，其中第六面采用非球面塑料，其余面采用标准球面玻璃，应用ZEMAX软件设计了一组焦距f '= 15mm的照相物镜,相对孔径D/ f’=2. 8,镜头总长为15.1366mm，整个系统球差0.000192，慧差0.000432，像散0.002716。完全满足设计要求。
Ⅱ）当物体处于无限远时， →∞像高为
y’= （1-2）
因此半视场角
=atan （1-3）
表1-1中列出了照相物镜的焦距标准：
表1-1
物镜类型
鱼眼
超广角
广角
标准
短望远
望远
超望远
物镜焦距f’/mm
7.5~15
17~20
24 ~28 ~35
50
85~ 100
135 ~200 ~300
400 ~500~600 ~800
燕山大学课程设计（论文）任务书
院（系）：电气工程学院 基层教学单位：自动化仪表系
学 号
学生姓名
专业（班级）
10级仪表三班
设计题目
设
计
技
术
参
数
1、焦距：f’=15mm；
2、相对孔径：1/2.8；
3、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光）
4、视场角2w=74°
设
计
要
求
1、简述照相物镜的设计原理和类型；