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照相物镜镜头设计与像差照相物镜镜头设计与像差分析分析设计实例设计实例光学设计流程光学设计流程光学设计初始结构方法光学设计初始结构方法1 1、计算法、计算法2 2、计算结合经验法、计算结合经验法3 3、经验法、经验法4 4、查资料法、查资料法(孔径、视场、波长、孔径、视场、波长、焦距，整体缩放焦距，整体缩放)查资料法查资料法:确定初始结构确定初始结构查资料法查资料法E.F.L-Effective Focus Length （有效焦距）B.F.L-Back Focus Length （后工作距）FNo.-F Number （相对孔径）F.A.-Field Angle (视场角)照相物镜设计实例照相物镜设计实例照相物镜的技术指标要求照相物镜的技术指标要求：焦距：焦距：f=9.6mm；焦距：焦距：f=9.6mm；相对孔径相对孔径D/f不小于不小于1/2.8；图像传感器为图像传感器为1/2.5英寸的英寸的CCDCCD，成像面大小为成像面大小为4.32mm5.76mm；后工作距后工作距5mm在可见光波段设计在可见光波段设计(取取d d、F F、C C三种色光，三种色光，d d为主波长为主波长)；1m1m成像质量，成像质量，MTF MTF 轴上轴上 40%100 lp/mm 轴外轴外0.707 35%100 lp/mm 最大畸变最大畸变1%1/2.8；u像高：像高：y=sqrt（5.762+4.322)/2=3.6mmu视场角：视场角：atan（y/f）=20.55度度u后工作距后工作距5mmu反远距比：反远距比：5/9.6=0.5208u在可见光波段设计在可见光波段设计(取取d d、F F、C C三种色光，三种色光，d d为主为主波长波长)；u5m5m成像质量，成像质量，MTF MTF 轴上轴上40%100 lp/mm 轴外轴外0.707 35%100 lp/mmu最大畸变最大畸变1%5.76mm4.32mmE.F.L-Effective Focus Length （有效焦距）B.F.L-Back Focus Length （后工作距）FNo.-F Number （相对孔径）F.A.-Field Angle (视场角)Step 2:Step 2:确定初始结构确定初始结构Step 3:Step 3:输入初始结构输入初始结构(上上一页的上面一组数据一页的上面一组数据初始结构的选择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,n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n照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器的空间范围,镜头所成的半像高y 可用公式y=-ftanw计算,其中f为有效焦距,2w 为视场角。半像高ny 应稍大于图像传感器CCD 或CMO S 的有效成像面对角线半径,防止CMO S 装调偏离光轴而形成暗角。n经过简单计算：y=sqrt(4.292+5.762)/23.6mm,nw=atan(y/f)16.66n视场角2w=33.32。在光学技术手册查询后选定初始结构为后置光阑的三片物镜（如图1），初始参数为：焦距f=42.12mm;相对孔径1：2.8；视场角2w=54，其余参数见表1-2。n n 表1-2(查光学设计手册 n 得到的照相物镜初始结构）n半径（r）厚度（d）折射率（n）阿贝数nr1=13.44 d1=4.41 n=1.67779 v=55.2 r2=30.996 d2=4.41 nr3=-40.614 d3=1.01 n=1.59341 v=35.5nr4=13.44 d4=2.39 n r5=32.508 d5=3.36 n=1.69669 v=55.4 r6=-27.006n可以设计如下其它结构(后置光阑三片物镜原始结构)n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中的镜片每个面 的 曲率半径（注意OBJ面不做任何操作）；n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（Glass）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中改焦距为12mm进行缩放。Step 4:Step 4:输入孔径类型输入孔径类型/波长波长Step 5:Step 5:同比缩放同比缩放输入焦距12mm进行缩放：或或n现在开始定义视场，我们根据n之前所得像高y=3.6mm,依次乘以0，0.3，0.5，0.7071得到所选孔径光束的Y-field，即0，1.08，1.8，2.5452输入到system-field中，类型选择真值高度。初始结构及其参数已经完成 初始结构及其参数已经完成 Step 6:Step 6:视场设置视场设置Step 7:Step 7:优化优化评价函数操作数评价函数操作数1、像差、像差 SPHA(球差球差)、COMA(彗差彗差)、ASTI(像散像散)、FCUR(场曲场曲)、DIST(畸变畸变)等等2、调制传递函数、调制传递函数 MTFT(子午面传递函数子午面传递函数)、MTFS(弧矢面弧矢面MTF)、MTFA等等3、基本光学特性、基本光学特性 EFFL(焦距焦距)、PMAG(近轴放大率近轴放大率)、AMAG(角放大率角放大率)、EXPP(出瞳距出瞳距)、ISFN(像方像方F数数)等等4、边界约束条件、边界约束条件 CTGT(中心厚度大于中心厚度大于)、CTLT(中心厚度小于中心厚度小于)、ETGT、ETLT（边缘厚度小于）、（边缘厚度小于）、CVGT（曲率大于）、（曲率大于）、CVLT5、基本计算、基本计算 Abso(绝对值绝对值)、ASIN、COSI等等边界约束条件：边界约束条件：两种方法：两种方法：CTGT(中心厚度大于中心厚度大于)、CTLT(中心厚度小于中心厚度小于)、ETGT、ETLT、CVGT、CVLT等等 缺省优化函数缺省优化函数（3）优化）优化利用ZEMAX得到初始结构的M TF 曲线（如图）可看出成像质量很差,因此需要校正像差。n该结构可以用作优化变量的的数据有：6个曲率半径，2个空气间隔，3个玻璃厚度。n首先使用Default Merit Function建立缺省评价函数进行优化，选择Editors-Merit Function，在第一行中先输入EFFL，目标值设为12，权重设为1。再输入SPHA，在Target中输入0.4，在Weight中输入1。第二个BLNK改为MTFT并Enter，在Freq中输入100，在Target中输入n0.04，在Weight中输入1。同理输入MTFA和MTFS（如图所示）。再选择Tools-Default Merit Function，设置玻璃厚度以及空气间隔，start设为2，再选择OK，建立缺省评价函数。n注：EFFL：Effective focal length的缩写，指定波长号的有效焦距。n SPHA：指球差，如果Surf=0，则指整个系统的球差总和。n MTFT：指子午调制传递函数 然后在Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients中查看，找出对赛得和数影响大的面，将这些面的曲率半径设为变量，优化。n发现第一面和光阑面影响较大，优先优化。先将STO面的类型改为Even Asphere，并将此行的4th term、6th term、8th term设为变量。将1、6面曲率半径设为变量，n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 n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。优化结果 结论与思考结论与思考n配套一款1/2.5英寸的CCD传感器进行照相物镜中的远距物镜的设计。采用1片非球面塑料,3片球面玻璃透镜,在ZEMAX 中使用合适的优化函数和权重对像差进行校正,逐步消除了基本像差、高级像差,并进行了像差平衡,获得了实际焦距11.953mm照相镜头,各个视场畸变控制在1%以内,MTF 曲线也比较理想,镜头总长为14.3602 mm。n该镜头不仅体积小,结构紧凑,而且像质较好。在此次设计中，发现光阑面使用非球面能够很好的平衡像差，只进行了对玻璃厚度和曲率的简单优化，查阅相关资料后设想如果将第一面的透镜换为鼓形透镜，第二面换为弯月透镜或换成折射率更高的玻璃，还可以进一步做出深度优化，使之获得更好的性能。Step 8:Step 8:像质评价像质评价Step 9:Step 9:给出报告给出报告电子文件（电子文件（zemax初始数据文件初始数据文件,整个原理优化计算设计过程整个原理优化计算设计过程ppt形式形式),(班班级姓名级姓名)题目题目.ZMX,(班级姓名班级姓名)题目题目.ppt 打包，（交纸质报告之前完成）打包，（交纸质报告之前完成）纸质报告（纸质报告（A4纸撰写，纸撰写，4000字以上）：各班班长或学习委员字以上）：各班班长或学习委员收齐每位同学收齐每位同学报告后报告后，下午，下午3点到点到5点点30之间，交到南五楼之间，交到南五楼-510。评价函数操作数1、像差SPHA(球差)、COMA(彗差)、ASTI(像散)、FCUR(场曲)、DIST(畸变)等2、调制传递函数MTFT(子午面传递函数)、MTFS(弧矢面MTF)、MTFA 等 3、基本光学特性EFFL(焦距)、PMAG(近轴放大率)、AMAG(角放大率)、EXPP(出瞳距)、ISFN(像方F数)等4、边界约束条件CTGT(中心厚度大于)、CTLT(中心厚度小于)、ETGT、ETLT CVGT、CVLT 5、基本计算AbSO(绝对值)、ASIN、COSI 等 边界约束条件：两种方法：CTGT(中心厚度大于)、CTLT(中心厚度小于)、ETGT、ETLT CVGT、CVLT 等缺省优化函数
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