基于ZEMAX的照相物镜的设计
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；
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
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
《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)
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
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。
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。
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-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
y ’=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
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
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。
第二章设计过程
2.1根据参数要求确定恰当的初始结构
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。
设计要求：
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°
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：焦距分f’=42.12mm;相对孔径1：2.8；视场角2w=54°，其余参数见表1-2。
表1-2
r1=13.44 d1=4.41 n=1.67779 v=55.2
r2=30.996 d2=4.41
r3=-40.614 d3=1.01 n=1.59341 v=35.5
r4=13.44 d4=2.39
r5=32.508 d5=3.36 n=1.69669 v=55.4
r6=-27.006
2.2优化设计过程
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，然后在tools-make focus中该改焦距为15mm进行缩放。
图1：后置光阑三片物镜原始结构
输入初始参数：
设置相对孔径值和波段：
输入焦距15mm进行缩放：
定义视场：
此时得到初始结构及参数如下图：
2.3优化设计过程
利用ZEMAX得到初始结构的M TF 曲线可看出成像质量很差, 因此需要校正像差。
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。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15，权重设为1。再输入SPHA和MTFA，在Target中输入0.4，在Weight中输入1。再选择Tools-Default Merit Function，选择OK，建立缺省评价函数。
注：EFFL：Effective focal length的缩写，指定波长号的有效焦距。
SPHA：指球差，如果Surf=0，则指整个系统的球差总和。
MTFA：弧矢和子午的调制传递函数的平均值
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，优先优化。
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，将1、6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。根据其中像差的变化不断的对数据进行常识性优化，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，完成设计。
优化结果与分析
像差特性曲线：
点列图：
FFT调制传递函数：
场曲与匹兹伐曲线：
塞德和系数
照相物镜同时具有大相对孔径与和大视场，因此，为了使整个像面都得到清晰的并于物平面相似的像，差不多需要校正所有其中像差。但是，并不要求这些像差都校正得与目视光学系统一样完善。这是由于照相物镜的接收器无论是感光底片还是摄像管，他们的分辨率都不高。由于接收器的这种特性，决定了照相物镜是大像差系统。
本设计的优化结果中，由2D LAYOUT图可知，主要光线聚焦完美，但视场为1的远场光线聚焦不是完善，这并不影响照相物镜的照相要求，相片的外围的稍微模糊不影响相片的质量。由RAY LAN图可知，子午球差已经很小，也只有远视场稍微大些。由Field Curv\Dist图可知，三种波的子午场曲和弧矢场曲间的距离小，高级求差得到良好优化。由Spot Diagram点列图可知，前五个视场的能力集中在中心区域。由FFT MFT图可知，大部分光线与坐标轴所围的面积已经
得到很好的优化。由塞德和系数图表分析后，影响像差的系数变小，最后整个系统球差0.000192，慧差0.000432，像散0.002716，基本满足设计要求。
第三章课设总结
一周的课设，基本完成了课设任务，设计优化了后置光阑三片物镜结构的照相物镜，对光学设计的知识有了进一步的学习与了解，学会了ZEMAX软件优化设计的基本操作与像差分析。
首先，查阅资料确定设计题目，分析题目，独立学习ZEMAX软件的应用步骤，然后，进行照相物镜的设计，进行各种像差的优化，通过向老师请教、与同学的讨论之间的讨论解决了遇到的难题。使对知识的了解更加深刻。
总之，经过这一周的课设，学会了更好的查阅、分析、研究资料的能力，意识到和同学讨论问题的重要性，互相促进能学会更多的知识。
参考资料
1、《光学设计》，西安电子科技大学出版社，刘钧，高明，2006，10
2、《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
3、《实用光学技术手册》，机械工业出版社，王之江，2007.1
燕山大学课程设计评审意见表
指导教师评语：
成绩：
指导教师：
2013年7 月11 日答辩小组评语：
成绩：
评阅人：
2013年7 月11 日课程设计总成绩：
答辩小组成员签字：
2013年7 月11日