一款照相物镜设计

华侨大学厦门工学院光学软件设计课程设计报告
题目：一款照相物镜设计
专业、班级：13级光电2班
学生姓名：***
学号：*********
指导教师：***
分数:
《课程设计》任务书课程名称：光学软件课程设计
目录
一、照相物镜简介................................ 错误!未定义书签。

二、确定初始结构 (6)
三、用ZEMAX优化 (9)
四、结论....................................... 错误!未定义书签。

五、心得体会.................................... 错误!未定义书签。

六、参考文献.................................... 错误!未定义书签。

一、照相物镜简介
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-ωβtan ')f (1-1)
式中，β为垂轴放大率，l
l y y '
'==
β。

对一般的照相机来说，物距l 都比较大，一般l >1米，f ’为几十毫米，因此像平面靠近焦面，''f l ≈，所以
l
f '=
β Ⅱ）当物体处于无限远时，β→∞像高为
ωtan 'f （1-2） 因此半视场角
ω=atan
'
'
f y （1-3） 表1-1中列出了照相物镜的焦距标准：
表1-1
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
λ
λ
u f D 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；
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：视场角在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；
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。

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。

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。

二、确定初始结构
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。

原设计要求：①焦距：f’=12mm
②相对孔径：D/f=1/2.8
③成像质量：MTF 轴上>40% @100 lp/mm，轴外
0.707>35%@100lp/mm
④弥散斑<0.05mm
⑤最大畸变<1%
⑥在可见光波段(取d、F、C三种色光，d为主波长) lp/mm。

⑦最大畸变<1%
初始参数见下图
图1、初始数据
将参数输入zemax：其中第六面设为光阑面，厚度设为marginal ray height，移动光标到STO光阑面（中间一个面）的“无穷（Infinity）”之上，按INSERT
键。

这将会在那一行插入一个新的面，并将STO光阑面往下移。

新的面被标为第2面。

再按按INSERT键两次。

移动光标到IMA像平面，按INSERT键两次。

在LDE 曲率半径（Radius）列，顺序输入表1-2中的镜片焦距（注意OBJ面不做任何操作）；在镜片厚度（Thickness）列顺序输入表1-2中的镜片厚度；在第七个面厚度处单击右键，选择面型为Marginal Ray Height。

在镜片类型（Class）列输入镜片参数，方法是:在表中点右键对话框Solve Type选中Model，Index nd 中输入n值Abbe Vd中输入v值。

结果如下图2-1在system-general-aperture 中输入相对孔径值2.8，在system-wavelength中输入所选波段，根据要求选d 光为主波长。

然后在tools-make focus中该改焦距为12mm进行缩放。

输入图1初始参数，设置相对孔径值和波段以及视场
图2、设置相对孔径值
图3、设置波长
图4、设置视场角输入焦距为12mm
图5、焦距到这里，初始结构及其参数已经完成。

初始Layout 三、用ZEMAX优化
像质评价报告图：
优化前Ray Fan如图6
图6、优化前Ray Fan 优化前Opd Fan 如图、7
图7、优化前Opd Fan 优化前Spt 如图8
图8、优化前Spt 优化前Mtf 如图9
图9、优化前Mtf
优化前场曲和畸变如图10
图10、优化前场曲和畸变
经分析，像质不够好，有待进一步优化。

将透镜的曲率半径和厚度作为优化变量，通过优化曲率半径和厚度来提高像质。

观察赛德尔系数，发现镜面1，3，4，6，7是赛德尔数影响大的面，将这些面的
曲率半径设为变量，优先优化。

图11、赛德尔系数
将1、3，4，6，7面曲率半径设为变量，选择快捷选项Opt，然后进行优化，优化后取消变量，将剩余面的曲率半径设为变量，再次优化，完毕后取消变量。

再将透镜间隔和玻璃厚度先后进行优化。

图12、优化
到这一步后发现已经基本符合设计要求，再根据2D图适当调整曲率半径和厚度，每次调整后再次优化实时关注MTF图的曲线变化，最后使各个参数都在可接受范围之内。

优化后镜头数据如图13
图13、优化后镜头数据
优化后Ray Fan 如图
图14、优化后Ray Fan 优化后Opd Fan 如图15
图15、优化后Opd Fan 优化后Spt如图16
图16、优化后Spt 优化后Mtf如图17
图17、优化后Mtf 优化后Lay 如图18
图18、优化后Lay
优化后场曲和畸变如图19
图19、优化后场曲和畸变
四、结论
照相物镜可以先从它的半部系统着手，这时只需要考虑校正半部系统的球差、像散、场曲、位置色差这四类轴向象差，全对称合成后，其垂轴色差自动
S，用加无光焦度双薄相消。

对于半部系统，采用厚透镜校正象差弯曲系数
Ⅳ
透镜校正球差系数ⅠS ，用选取孔径光阑位置校正像散系数ⅢS ，再在厚透镜中加消色散胶合面的办法，校正位置色差系数ⅠC 。

计算出初始结构参数后，通过软件进行调试优化。

选取透镜的曲率半径和厚度作为优化变量。

调试优化直至各参数满足设计要求。

五、心得体会
光学设计课程设计结束了，通过这次课程设计，我深深体会到“纸上得来终觉浅，觉知此事要躬行”这句千古名言的真正含义。

就说论文的编写吧，各种公式的录入和各种图形的绘画，都是在这次的课程设计中学习的。

通过这次的课程设计，我认识到了学习是始终伴随自己的，从开始的对ZEMAX 的一窍不通，到现在能基本用它完成简单光学系统的设计优化。

从开始不知道怎么使用VISIO 作图，到现在能使用其作出相关的图形。

当然，各种软件功能都及其庞大，但是，认识到边学边用后，自己便能在以后的工作和学习生活中更加从容一些。

在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，和同学们相互探讨，相互学习。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。

我努力做了，虽然不是很完美，但自己也收获了些东西，相信自己会从中受益。

学无止境，今后会更加努力。

六、参考文献
1、刘钧、高明·《光学设计》·西安电子科技大学出版社·西安·2006
2、《光学仪器设计手册》·国防科技出版社·北京·1971
3、光学设计软件ZEMAX
4、张以谟·应用光学·机械工业出版社·北京·1982
5、王之江·实用光学技术手册·机械工业出版城·2006
6、光学仪器设计手册·国坊工业出版社·北京·1971
光学软件课程设计成绩评定表。