三片摄影物镜的设计_三片照相物镜设计
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三片摄影物镜的设计
一、设计任务的具体指标及其要求
系统的焦距f=100mm，D/f=1/5，视场角2W=40O。该物镜对d光校正单色像差，对F、C光校正色差。
二、实验原理
光学设计必须校正光学系统的像差，但既不可能也不必要把像差校正到完全理想的程度，因此需要选择像差的最佳校正，也需要确定校正到怎样的程度才能满足使用要求，即确定像差容限。对光学系统成像性能的要求主要有两个方面：第一方面是光学特性，包括焦距、像距、放大率、入瞳位置、入瞳距离等；第二方面是成像质量，光学系统所成的像应该足够清晰，并且物像相似，变形要小。
像差指在光学系统中由透镜材料的特性或折射（或反射）表面的几何形状引起实际像与理想像的偏差。理想像就是由理想光学系统所成的像。实际的光学系统，只有在近轴区域以很小的孔径角的光束所生成的像才是完善的。但在实际应用中，须有一定大小的成像空间和光束孔径，同时还由于成像光束多是有不同颜色的光组成的，同一介质的折射率随颜色而异。因此实际光学系统的成像具有一系列缺陷，这就是像差。像差的大小反映了光学系统质量的优劣。几何像差主要有七种：其中单色光像差有五种，即球差、彗差、像散、场曲和畸变；复色光像差有轴向色差和垂轴色差两种。在实际的光学系统中，各种像差是同时存在的。它影响了光学系统成像的清晰度、相似性和色彩逼真等，降低了成像质量。
1、球差
轴上物点发出的光束，经光学系统以后，与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置，因此，在像面上形成一个圆形弥散斑，这就是球差。
在孔径角很小的近轴区域可以得到物点成像的理想位置l′，任意孔径角U的成像光线偏离理想像点与光轴相交的位置为L′。我们把轴上物点以某一孔径角U成像时，其像方截距L′与理想像点的位置l′之差称为轴上点球差，又称为轴向球差，用如图2-1表示。球差也可在垂轴方向度量，称为垂轴球差。
图2-1 光学系统的球差
不同孔径角U（或孔径高度h）入射的光线有不同的球差值，如果轴上物点以最大孔径角Um成像，其球差称之为边光球差，如果以孔径角0.707U成像，则相应的球差称之为0.707带球差。大部分光学系统只能对某一孔径高度校正球差，一般是对边光校正球差，这样的系统称之为消球差系统。
2、彗差
由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系统折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑，则此光学系统的成像误差称为慧差。彗差是轴外像差的一种，它破坏了轴外视场成像的清晰度。彗差值随视场的增大而增大，故对于大视场的光学系统必须予以校正。
由于慧差是垂轴像差，且彗差大小与光束宽度、物体大小、光阑位置、光组内部结构（透镜的折射率、曲率、孔径等）有关。改变透镜的形状或组合，可较好地消除彗差。如能对该透镜消除球差，则彗差亦得到改善。另外当系统结构完全对称，孔径光阑置于系统的中央，且物像放大率为－１时，整个光束结构关于系统的中心点对称，如图2-2所示，系统前半部产生的慧差与后半部产生的慧差绝对值相同、符号相反，慧差完全自动消除。
图2-2 全对称结构彗差自动消除
3、像散
由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差称为像散。
像散是一种轴外像差，使得轴外成像的像质大大地下降。与彗差不同，像散的大小只与视场角有关，与孔径是没有关系的。即使光圈开得很小，在子午和弧矢方向仍然无法同时获得非常清晰的像。在广角镜头中，由于视场角比较大，像散现象就比较明显。我们在拍摄的时候应该尽量使被摄体处于画面的中心。对于像散的校正，有以下方法：可以控制视场，小为宜；改变球面曲率；适当透镜材料；合理设置光阑的位置。
4、场曲
垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像误差称为场曲。对于场曲的校正，可以采用弯月型厚透镜，或者采用正负透镜分离的方法。
5、畸变
被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变是指物所成的像在形状上的变形。畸变并不会影响像的清晰度，而只影响像与物的相似性。这是畸变与球差、慧差、像散、场曲之间的根本区别。由于畸变的存在，物方的一条直线在像方就变成了一条曲线，造成像的失真。造成畸变的根本原因是镜头像场中央区的横向放大率与边缘区的横向放大率不一致。畸变与镜头的光圈F数大小无关，只与镜头的视场有关。畸变与其他像差不同，它仅由主光线的光路决定，引起像的变形，并不影响成像清晰度。
6、色差 多数情况下，物体都以复色光成像，白光包含了各种不同波长的单色光，光学材料对不同波长的谱线有不同的折射率。当白光经过光学系统时，系统对不同波长有不同的焦距，各谱线将形成各自的像点，导致一个物点对应有许许多多不同波长的像点位置和放大率，这种成像的色差异我们统称为色差。色差是描述两种波长成像点的差异，它仅出现于有透射元件的光学系统中。按照理想像平面上像差的线大小与物高的关系，可分为两种：描述两种波长像点位置差异的称为纵向色差（又称轴向色差或位置色差），通常对轴上点计算；描述两种波长像点高度或放大率差异的称横向色差（又称垂轴色差或倍率色差），通常对轴外点计算。（a）位置色差（又称纵向色差）：与物高无关的像差，即不同波长的光线经由光学系统后会聚在不同的焦点。位置色差的形成：同一透镜对不同波长的色光成像的焦距不同，物距一定，焦距不同像距就不同，因此一个物点形成很多像点。位置色差就是轴上的物点以复色光束成像时产生的像差。位置色差的校正：为了消色差，应使两透镜的光焦度符合相反，即正负透镜胶合；两透镜的材料不能相同。
（b）横向色差（又称倍率色差）：与物高一次方成正比的像差。它使不同波长光线的像高不同，在理想像平面上物点的像成为一条小光谱。倍率色差的原因：对轴外点来说，两种色光的横向放大不一定相同，不同色光的距不同时，其横向放大率也不相等，因而像也不相等。
三、三片摄影物镜的初始结构参数的设定
1、入瞳直径的设定
点击“Gen”按钮打开“General”窗口，在“General”系统通用数据对话框中设置孔径和玻璃库。在孔径类型（Aperture Type：）中选择“Entrance PupilDiameter”，并根据设计要求在“Aperture Value：”输入“20”；如图3.1所示。
图3.1入瞳直径的设定
2、视场角的设定
点击“Fie”按钮打开“Field Data”窗口，设置视场分别为0°、14°、20°，如图3.2所示。
图3.2视场角的设定
3、工作波长的设定
点击“Wav”按钮，或同时按下快捷键“Ctrl+W”打开“Wavelength Data”窗口，设置“Select→F,d,C[Visible]”，自动输入三个特征波长。如图3.3所示。
图3.3工作波长的设定
4、系统初始结构参数的设定
打开Zemax软件，在数据编辑器（Lens Data Editor）中输入三片摄影物镜的初始结构参数，如图3.4所示。三片摄影物镜的系统初始结构图如3.5所示。
图3.4三片摄影物镜的系统初始结构
3.5三片摄影物镜的系统初始结构图四、三片摄影物镜的优化
1、确定自变量
把除了虚设的光阑平面（第三个面）以外的所有6个面的曲率半径都作为自变量加入校，薄透镜的厚度不作为自变量，把两个空气间隔作为自变量，如第二个面以及第五个面所对应的厚度。
2、评价函数的设定
评价函数有六个初级像差和一个实际的像差构成，即选择SHPA、COMA、ASTI、FCUR、AXCL、LACL、DIST，同时将焦距的要求加入到评价函数中。在这里“SPHA”代表初级波球差，“COMA”代表初级波慧差，“ASTI”代表初级波的像散，“FCUR”代表初级波场曲，“DIST”代表实际波的最大视场相对的畸变，“AXCL”相当于初级位置色差，“LACL”相当于初级倍率色差。图4.1是三片摄影物镜未优化的初值的设定。图4.2是最终优化后的评价函数的值。
图4.1评价函数的初始设定
图4.2最终优化后的评价函数
3、最终优化后的结构参数和结构图
图4.3是最终优化后的三片摄影物镜的结构参数图，图4.4是最终优化后的结构图。
图4.3最终优化后的三片摄影物镜的结构参数
图4.4最终优化后的三片摄影物镜的结构图
4、三片摄影物镜的球差和位置色差曲线
图4.5(a)图4.5（b）
图4.5(a)三片摄影物镜的初始的球差和位置色差曲线
图4.5(b)三片摄影物镜的最终优化出的球差和位置色差曲线
5、三片摄影物镜的像散、场曲和畸变曲线
图4.6（a）图4.6（b）
图4.6（a）三片摄影物镜的初始的像散、场曲和畸变曲线
图4.6（b）三片摄影物镜的最终优化出的像散、场曲和畸变曲线
6、倍率色差曲线
图4.7（a）图4.7（b）
图4.7（a）三片摄影物镜的初始的倍率色差曲线
图4.7（b）三片摄影物镜的最终优化出的倍率色差曲线
7、三片摄影物镜的横向像差曲线
图4.8（a）图4.8（b）
图4.8（a）三片摄影物镜的初始的横向像差曲线
图4.7（b）三片摄影物镜的最终优化出的横向像差曲线
8、三片摄影物镜系统的公差
见附件二
五、心得体会
通过对三片摄影物镜的玻璃的曲率半径、空气间隔进行了优化，设计出了一个三片摄影物镜，这个三片摄影物镜基本满足设计要求。在本次的设计中遇到了许多问题，尤其在评价函数的各个功能的作用和怎么影响其各种曲线图。上课看着老师操作容易，自己动起手来就很难。三片摄影物镜的设计花费了大量的时间，通过评价函数的调整，一步步改善，最终满足实验的要求。通过这次设计，我学会了如何使用ZEMAX软件进行优化设计，并体会到ZEMAX 的诸多优点。这一软件集成了包括光学系统定义、设计、优化、分析、公差等诸多功能，并对软件的应用原理有了一定的了解。
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