长焦距宽视场离轴三反光管设计
杨宇飞1，2，颜昌翔1
(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；
2.中国科学院大学，北京100049)
摘要:针对大口径、长焦距、宽视场平行光管高像质的应用需求，提出一种采用离轴三反射镜结构的平行光管。从共轴三反理论出发，推导出系统的初始结构；并且在用zemax 软件优化时，提出一种基于ZPL 语言优化离轴量的方法。设计出一个焦距10m ，视场2°×1°的离轴三反平行光管。设计结果表明，系统像质接近衍射极限，全视场波像差RMS 值优于/200(=632.8nm)，系统总长度小于f ′/3，为大口径、长焦距、宽视场光管设计提供了一种设计方法。
关键词:平行光管；离轴三反；长焦距；宽视场；ZPL
中图分类号:O43文献标志码:A 文章编号:1007-2276(2015)07-2070-05
Optical design of the off?axis three?mirror anastigmatic collimator
with long focal length and wide field
Yang Yufei 1,2,Yan Changxiang 1
(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;
2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
Abstract:For the application demand of high image quality collimator with large diameter,long focal length and wide field,an off?axis three?mirror configuration for the light collimator was proposed.Based on the coaxial three?mirror configuration theories,the computation of the initial structure of the system was dervied,and a method of optimizing the off?axis amount was put forward by using the ZPL language of zemax software.A wide field off?axis three?mirror light tubes was designed,with focal length of 10m,F -number of 28.57.Results show that the modulation transfer function of this system is near the diffraction limit,within the field 2°×1°,the full field wave?front aberration is less than
/200(=632.8nm),the total length of the system is less than f ′/3,providing a possibility design of long focal
length,large diameter,and wide field of view light collimator.
Key words:collimator;off?axis TMA;long focal length;wide field;ZPL 收稿日期:2014-11-03;修订日期:2014-12-07
基金项目:国家863高新技术发展计划(2011AA12A103);中国地质调查局工作项目(1212011120227)
作者简介:杨宇飞(1991-),男,硕士生,主要从事光学设计方面的研究。Email:yyf2008223@https://www.doczj.com/doc/ba1157948.html,
导师简介:颜昌翔(1973-),男,研究员,博士,主要从事空间光学遥感技术方面的研究。Email:yancx@https://www.doczj.com/doc/ba1157948.html, 第44卷第7期
红外与激光工程2015年7月
Vol.44No.7Infrared and Laser Engineering Jul.2015
变焦镜头设计案例 本案例的公开已征得客户的同意，但关键参数无法公开，且约为90%的设计进程。 一、设计应用 单透镜反射式照相机,全画幅（像面对角线为43mm）。 二、设计要求 适用波长：可见光 EFL：75~150mm 镜片数量：不超过12片 镜片面型：全部球面 镜片材料：光学玻璃 总长度：小于254mm 最大光圈：2 后截距：大于40mm 分辨率：大于80lp/mm@0.3 调焦方式：内调焦
可加入可变光圈 三、设计特点 采用机械补偿的变焦方式，这样做与光学补偿相比，可以使系统长度更短。而且，像面可以保持不变。然而，机械补偿方式的弊端就是给机械设计带来更多难度，因每个变焦组的移动量不成线性关系，必须加入空间凸轮。 四、设计结果
上海荧沃光电科技有限公司依托北京航天大学和杭州电子科技大学，设计团队由光学工程，电子专业硕、博士和教授组成，有近十年的多领域的光学设计经验，可根据客户订制要求设计各种镜头设计，激光光路设计，望远系统，扫描光路设计和LED透镜，手电筒反光碗，路灯透镜设计加工等。我们主要运用ZEMAX、Code V 、TracePro、Lighttool等国外优秀光学设计软计，为客户提供精准、高效、低成本的光学及机械设计方案和技术支持。 照明光学业务: 订制远、近红外透镜，玻璃透镜，安防透镜，车灯透镜，LED透镜光学设计，透镜LED，直下式LED背光透镜光学设计，LED透镜设计，LED透镜光学设计， COB透镜，LED透镜，凹面透镜，凸面透镜，菲尼尔透镜光学设计与加工；路灯透镜, PMMA透镜, PC透镜, 鼠标透镜,非球面透镜设计及加工生产;透光率极高，光效极度好，无黄斑。 成像光学设计：手机镜头，照相镜头，PDA镜头设计，望远镜头，扫描仪镜头，显微镜头，投影镜头，工业镜头等镜头的设计、加工。
光学设计软件介绍 ZEMAX是美国焦点软件公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算Sequential及Non-Sequential的软件。版本等级有SE：标准版，XE：完整版，EE：专业版（可运算Non-Sequential），是将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表集成在一起的一套综合性的光学设计仿真软件。ZEMAX的主要特色：分析：提供多功能的分析图形，对话窗式的参数选择，方便分析，且可将分析图形存成图文件，例如：*.BMP, *.JPG．．．等，也可存成文字文件*.txt；优化：表栏式merit function参数输入，对话窗式预设merit function参数，方便使用者定义，且多种优化方式供使用者使用；公差分析：表栏式Tolerance参数输入和对话窗式预设Tolerance参数，方便使用者定义；报表输出：多种图形报表输出，可将结果存成图文件及文字文件。 CODE V是Optical Research Associates推出的大型光学设计软件，功能非常强大，价格相当昂贵CODE V提供了用户可能用到的各种像质分析手段。除了常用的三级像差、垂轴像差、波像差、点列图、点扩展函数、光学传递函数外，软件中还包括了五级像差系数、高斯光束追迹、衍射光束传播、能量分布曲线、部分相干照明、偏振影响分析、透过率计算、一维物体成像模拟等多种独有的分析计算功能。是世界上应用的最广泛的光学设计和分析软件，近三十多年来，Code V进行了一系列的改进和创新，包括：变焦结构优化和分析；环境热量分析；MTF和RMS波阵面基础公差分析；用户自定义优化；干涉和光学校正、准直；非连续建模；矢量衍射计算包括了偏振；全球综合优化光学设计方法。 CODE V是美国著名的Optical Research Associates（ORA?）公司研制的具有国际领先水平的大型光学工程软件。自1963年起，该公司属下数十名工程技术人员已在CODE V程序的研制中投入了40余年的心血，使其成为世界上分析功能最全、优化功能最强的光学软件，为各国政府及军方研究部门、著名大学和各大光学公司广泛采用1994年，ORA公司聘请北京理工大学光电工程系为其中国服务中心。与国际上其它商业性光学软件相比，CODE V的优越性突出地表现在以下几个方面： 1．CODE V可以分析优化各种非对称非常规复杂光学系统。这类系统可带有三维偏心或倾斜的元件；各类特殊光学面如衍射光栅、全息或二元光学面、复杂非球面、以及用户自己定义的面型；梯度折射率材料和阵列透镜等等。程序的非顺序面光线追迹功能可以方便地
特广角镜头的预研报告 产品所需要的监控成像的专用特广角镜头进行了预研，现将预研结果报告如下： 一、问题的提出和技术要求 根据介绍，在开发某游戏设备时，其中需要用到摄像头摄取图象以便进行后续的图象识别。根据他们的市场定位，希望摄像头安装的位置越低越好，同时保持效果不变。工作时所需要拍摄的图象如下： 提出的技术要求如下： 1、被摄物整体面范围尺寸：480x480mm； 2、图像传感器：1/4英寸（CMOS），30万像素； 3、镜头离被摄物面的位置：480×480mm面的一侧，离边缘50mm以内，高度为250mm之内； 4、图像清晰度：能分辨物面上1mm的细节； 5、图像校正畸变：无梯形失真，线性畸变小于5% 对矩形网格成像无变形； 6、景深大于5mm，离镜头近的物体与远的物体成像清晰度无差别； 7、镜片个数：3-5片，（含玻璃和塑料两种透镜）外壳为塑料，安装方式为螺纹连接； 8、成品单价：成本低廉，在大规模供货时（每月10K以上），每只镜头成品（包括所有镜
片及外壳）批发单价10元人民币以下。 二、解决问题的几种途径 1. 用普通的摄像镜头 用普通的摄像镜头拍摄画面的话，由于普通镜头视场角太小，同时由于镜头处在被摄面的边缘会产生很大的畸变，尤其是梯形畸变，如下图所示： 2 用倾斜CMOS成像面的办法消除畸变 用普通的摄像镜头对准画面中心，由于镜头光轴和被摄面不垂直，会产生很大的固有畸变，这样的畸变，可以用倾斜CMOS成像面的办法消除，如下图所示：
用这样的办法，虽然能消除畸变，但是由于整个光学系统失去了轴对称，像差校正困
难，造成像面模糊，无法识别细节。 3用传统的球面特广角镜头成像 由于非轴对称的光学系统难于校正像差，所以只有采用轴对称的光学系统的才能解决问题。 所谓特广角镜头，是指视场角超过90度的广角镜头，在设计上有很大难度。广角镜头的畸变很大，为了消除畸变，镜头往往需要十多片镜片组成（如下图），它的成本很高，无法推广。 另一种消除畸变的球面广角镜头，是对称设计的镜头，从光学理论可知结构对称的镜头可以自动消除畸变。但是由于本镜头的焦距很小( 约为1~2mm )，对称设计的结果造成后截距很短( 约在0.05mm )，装配调整困难，并且透镜的表面曲率半径很小，在1mm以下，这样小的半径在模具制造和注塑工艺上都十分困难，甚至无法加工，该方案的光学原理如下：
800 万像素手机镜头的zemax设计2012.03.13 评论关闭 4,757 views 目录 [隐藏] , 1引言 , 2, 感光器件的选取 , 3, 设计指标 , 4, 设计思路 , 4.1,(, 材料选取 , 4.2,(, 初始结构选取 , 4.3,(, 优化过程 , 5, 设计结果 , 5.1,(, 光学调制传递函数 , 5.2,(, 点列图 , 5.3,(, 场曲和畸变 , 5.4,(, 色差和球差 , 5.5,(, 相对照度 , 6, 公差分析 , 7, 结论 随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大，利用,,,,,光学设计软件设计一款大相对孔径,,,万像素的广角镜头。该镜头由,片非球面玻璃镜片，,片非球面塑料镜片，,片滤光镜片和,片保护玻璃构成。镜头光圈值,为,(,,，视场角,ω为,,?，焦距为,(,,,,，后工作距离为,(,,,。采用,,,，,, 公司的,,,,,,,型号,,,
万像素传感器，最大分辨率为,,,,×,,,,，最小像素为,(,μ,。设计结果显示:各视场的均方根差(,,,)半径小于,(,μ,，在奈奎斯特频率,,,处大多数视场的,,,值均大于,(,，畸变小于, ,，,, 畸变小于,(, ,。关键词:手机镜头;光学设计;,,,万像素;,,,,, 引言 手机镜头的研发工作始于,,世纪,,年代，世界上第一款照相手机是由夏普,,,,,,(现在的日本沃达丰)在,,,,年推出的,,,,,手机，它只搭载了一个,,万像素的,,,,数码相机镜头。随后各大手机知名制造厂商纷纷开始研发手机摄像功能。,,,,年,月,,日夏普制造了,,,万素的,,,,,，目前照相手机的市场占有率几乎是,,,,，特别是带有高像素,,、,,、,,、,, 的镜头就成为镜头研发的热点,,,。目前,,,万像素的手机市场占有率还不是太多，但随着人们对高端手机的需求量越来越大，,,,万像素手机肯定是主流趋势。鉴于此，在选用合理初始结构的基础上，优化出了一款,,,万像素的手机镜头。 , 感光器件的选取 感光器件有,,,(电荷耦合器件)和,,,,(互补金属氧化物半导体)两种。,,,,器 件产生的图像质量相比于,,,来说要低一些，到目前为止，大多数消费级别以及高端数码相机都使用,,,作为感光元件;,,,,感应器则作为低端产品 应用于一些摄像镜头上，目前随着,,,,技术的日益成熟，也有一些高端数码产品使用,,,,器件。,,,,相对于,,,有很多优点，比如价格低、集成化程度高、体积小、质量轻、功耗低、无光晕、高读出速率等,,,。所以很多手机生产商都采用,,,,器件作为手机镜头的图像传感器。目前,,,,芯片的尺寸越做越小，相应的像素尺寸也越来越小，分辨率反而越来越高。 现在国际上,,,,生产厂家主要有,,,,,,、,,,,,,,,,,、,,,,;,,、,,,,,,,等，本文采用,,,,,,公司的 ,,,,,,, 型号 ,(,,,,(,,,(,,,;,)，该款传感器采用超低
实验一：单镜头设计(Singlet) 实验目的： 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data） 3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤： 1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波长为可见光， 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它是你要 的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。 3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，键入你 要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三行键入 0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587的位置，primary wavelength主要是用来计算光学 系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的 effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue 上键入25，然后点击ok。 5、回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO 即孔径光阑aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是点击IMA栏，选取insert，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。 6、输入镜片的材质为BK7。在STO行中的glass栏上，直接键入BK7即可。 7、孔径的大小为25mm，则第一镜面合理的thickness为4，在STO行中的thickness栏上直接键入4。Zemax 的默认单位是mm 8、确定第1及第2镜面的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负 值。再令第2面镜的thickness为100。 9、现在数据已大致输入完毕。如何检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，然后选择其中的 Ray Aberration，将会出现如图1-1所示的TRANSVERSE RAY FAN PLOT。
第41卷第6期红外与激光工程2012年6月Vol.41No.6Infrared and Laser Engineering Jun.2012 大视场凝视型红外共形光学系统设计 姜洋1,2，孙强1，孙金霞3，刘英1，李淳1，王健1，杨乐1,2 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033； 2.中国科学院研究生院，北京100049； 3.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009) 摘要：为提高导弹整流罩气动性能，增强导引头系统稳定性，增大观察视场，完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合，通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题，最终获得±90°的无渐晕观察视场，其冷光阑效率为100%，全视场MTF在15lp/mm处均大于0.5，点斑均方根半径小于30μm，在半径为50μm 圆内能量集中度为93%以上，像面相对照度高于85%，满足大视场光学系统的成像要求。 关键词：光学系统设计；共形光学；红外成像制导；鱼眼镜头 中图分类号：TN216文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)06-1575-06 Design of infrared staring conformal optical system with wide field of view Jiang Yang1,2,Sun Qiang1,Sun Jinxia3,Liu Ying1,Li Chun1,Wang Jian1,Yang Le1,2 (1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China; 3.China Airborne Missile Academy,Luoyang471009,China) Abstract:In order to optimize the aerodynamic performance of missile domes,enhance the stability and enlarge the FOV,an infrared staring imaging seeker combining the conformal dome and infrared fisheye lens was designed.The solution used an ellipsoidal conformal dome,inverted telephoto lens and f-θlens.Uniform illumination was realized through managing the imaging angle and pupil aberrations.Aberration characteristics of conformal dome were analyzed.The pupil aberrations at large FOV were solved.An optical system with±90°unvignetted FOR,100%cold stop efficient was designed.The MTF is higher than0.5at the spatial frequency of15lp/mm across the entire field.The RMS radiuses of spot diagram are less than 30μm;the geometric encircled energy is above93%in50μm range;the relative illumination is above85% at margin FOV.The specifications can meet the requirements of the wide field systems. Key words:optical system design;conformal optics;infrared imaging guidance;fisheye lens 收稿日期：2011-10-05；修订日期：2011-12-03 基金项目：国家自然科学基金(60977001)；国家863计划(2007AA122110) 作者简介：姜洋(1984-)，男，博士生，主要从事光学系统设计等方面的研究。Email:le_zhi@https://www.doczj.com/doc/ba1157948.html, 导师简介：孙强(1971-)，男，研究员,博士生导师，博士，主要从事现代红外光学仪器、二元光学、红外系统仿真等方面的研究。 Email:sunq@https://www.doczj.com/doc/ba1157948.html,
800 万像素手机镜头的zemax设计 2012.03.13 评论关闭4,757 views 目录 [隐藏] ?1引言 ?2１感光器件的选取 ?3２设计指标 ?4３设计思路 ? 4.1３．１材料选取 ? 4.2３．２初始结构选取 ? 4.3３．３优化过程 ?5４设计结果 ? 5.1４．１光学调制传递函数 ? 5.2４．２点列图 ? 5.3４．３场曲和畸变 ? 5.4４．４色差和球差 ? 5.5４．５相对照度 ?6５公差分析 ?7６结论 随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大，利用Ｚｅｍａｘ光学设计软件设计一款大相对孔径８００万像素的广角镜头。该镜头由１片非球面玻璃镜片，３片非球面塑料镜片，１片滤光镜片和１片保护玻璃构成。镜头光圈值Ｆ为２．４５，视场角２ω为６８°，焦距为４．２５ｍｍ，后工作距离为０．５ｍｍ。采用ＡＰＴＩＮＡ公司的ＭＴ９Ｅ０１３型号８００万像素传感器，最大分辨率为３２６４×２４４８，最小像素为１．４μｍ。设计结果显示：各视场的均方根差（ＲＭＳ）半径小于１．４μｍ，在奈奎斯特频率１／２处大多数视场的ＭＴＦ值均大于０．５，畸变小于２％，ＴＶ畸变小于０．３％。 关键词：手机镜头；光学设计；８００万像素；Ｚｅｍａｘ 引言 手机镜头的研发工作始于２０世纪９０年代，世界上第一款照相手机是由夏普ＪＰＨＯＮＥ（现在的日本沃达丰）在２００１年推出的ＪＳＨ０４手机，它只搭载了一个１１万像素的ＣＯＭＳ数码相机镜头。随后各大手机知名制造厂商纷纷开始研发手机摄像功能。２００３年５月２２日夏普制造了１００万素的ＪＳＨ５３，目前照相手机的市场占有率几乎是１００％，特别是带有高像素２Ｍ、３Ｍ、５Ｍ、８Ｍ的镜头就成为镜头研发的热点［１］。目前８００万像素的手机市场占有率还不是太多，但随着人们对高端手机的需求量越来越大，８００万像素手机肯定是主流趋势。鉴于此，在选用合理初始结构的基础上，优化出了一款８００万像素的手机镜头。 １感光器件的选取 感光器件有ＣＣＤ（电荷耦合器件）和ＣＭＯＳ（互补金属氧化物半导体）两种。ＣＭＯＳ器件产生的图像质量相比于ＣＣＤ来说要低一些，到目前为止，大多数消费级别以及高端数码相机都使用ＣＣＤ作为感光元件；ＣＭＯＳ感应器则作为低端产品
CCTV光学镜头设计的若干问题 许正光赵一菲梁来顺 (公安部第一研究所光电技术事业部,北京,100044) 摘要:本文综述了CCTV光学镜头设计和生产制造当中涉及到一些值得关注的问题。这些问题包括设计指导思想、先进光学生产技术、CCTV镜头安全环保性能和RoSH指令、符合使用效果的几点设计经验等。本文对以上问题进行有益的总结和探讨,对设计人员有一定参考价值。 关键词:CCTV光学镜头先进光学生产技术非球面技术RoSH指令 20世纪70年代以来,以先进加工技术、先进材料技术和自动优化设计软件为代表的先进光学生产技术得到了长足发展,安防产业中广泛使用的CCTV镜头充分分享到了这门先进的技术带来的好处,传统的设计和生产制造也由此发生了重大的变化。然而,和生产、制造、使用紧密相关的镜头设计过程并没有完全脱离实践当中积累的经验,许多经验总结今天看来仍旧可以作为最基本的设计原则,而这些对刚刚入门或正陷入困惑的业内设计人员有一定的指导意义。此外,日益受到各国重视的CCTV镜头安全环保性能和欧洲正在推行的RoSH指令,使得安防镜头的材料和制造工艺也将面临严峻考验。本文总结了一些笔者在CCTV光学镜头研制过程中的心得体会,供大家参考。 1 设计和使用必须紧密结合[1] 评价CCTV光学镜头的好坏,直接涉及到使用、设计和制造三个方面,它们之间的关系极为密切。为了获得一个较理想的光学镜头,光学设计人员首先清晰明确地了解使用要求、使用效果和设计结果转入加工制造时的可能性。在使用和设计要求方面,设计人员对CCTV镜头所要求的焦距、孔径、视场、最近成像距离等光学特性参数和分辨率、畸变、光学传递函数等成像质量特性参数都比较熟悉。而当涉及使
XX大学 课程设计说明书 201X/201X 学年第 1 学期 学院：信息与通信工程学院 专业：XXXXXXXX 学生姓名：XXXXX 学号：XXXXX 课程设计题目：双胶合望远镜头设计 起迄日期：20XX年12月22日~20XX年01月02日课程设计地点：XX大学5院楼513、606 指导教师：XXXX 职称: 教授
摘要 (1) 关键词 (1) 第一章课题要求 1.1课题背景 (2) 1.2设计目的 (2) 1.3设计内容和要求 (2) 第二章方案分析 2.1课题名称 (3) 2.2主要数据 (3) 2.3设计思路 (3) 2.4实现原理 (3) 2.5主要过程 (4) 第三章光学系统设计 3.1光圈参数设定 (5) 3.2视场参数设定 (5) 3.3波长设定 (6) 3.4玻璃厚度的设定 (6) 3.5像空间的设定 (7) 第四章光学系统分析 4.1 2D光路分布草图 (7) 4.2 标准点列图Spot Diagram (8) 4.3 光路图OPD FAN (9) 4.4 光线相差图RAY FAN (10) 4.5波前分布图 (11) 第五章光学系统优化 5.1光学系统调焦 (12) 5.2设置可变参数 (13) 5.3优化函数设定 (13) 5.4最终优化 (14) 第六章系统优化前后比较 6.1优化后的2D草图 (15) 6.2优化后的标准点列 (15) 6.3优化后光路图 (16) 第七章心得体会 心得体会 (17)
ZEMAX是一款多功能的光学设计软件，可建立反射、折射、绕射等光学模型，可以用来模拟、分析和辅助设计光学系统，并对光学系统进行优化。双胶合透镜不仅有较好的横向分辨率，而且有较高的轴向分辨率，能够作为共焦3-D成像的一种理想光学元件，在光学领域得到了广泛的应用。本次课程设计，我们将利用ZEMAX软件设计一个双胶合望远镜头，展示利用ZEMAX设计、分析和优化一个简单光学系统的过程，进一步掌握该软件。 关键词:ZEMAX双胶合望远镜头光学系统设计分析
光学设计课程报告 班级： 学号： 姓名： 日期：
目录 双胶合望远物镜的设计 (02) 摄远物镜的设计 (12) 对称式目镜的设计与双胶合物镜的配合 (20) 艾尔弗目镜的设计 (30) 低倍消色差物镜的设计 (38) 无限筒长的高倍显微物镜的设计 (47) 双高斯照相物镜的设计 (52) 反摄远物镜的设计 (62) 课程总结 (70)
双胶合望远物镜的设计 1、设计指标： 设计一个周视瞄准镜的双胶合望远物镜（加棱镜），技术要求如下：视放大率： 3.7?；出瞳直径：4mm ；出瞳距离：大于等于20mm ；全视场角：210w =?；物 镜焦距： ' =85f mm 物；棱镜折射率：n=(K9)；棱镜展开长：31mm ；棱镜与物镜的 距离40mm ；孔径光阑为在物镜前35mm 。 2、初始结构计算 (1) 求 J h h z ，， 根据光学特性的要求4.728.142=== D h ： 44.75tan 85tan ''=?=?=οωf y 0871 .0''==f h u 648.0'''==y u n J (2)计算平行玻璃板的像差和数 C S S S I I I I ，， 平行玻璃板入射光束的有关参数为 0871.0=u 0875.0)5tan(-=-=οz u 005 .1-=u u z 平行玻璃板本身的参数为 d=31mm ； n=； 1.64=ν 带入平行玻璃板的初级像差公式可得： 000665.01.51631-1.5163×0.0871×-3113 24 432-==--=I du n n S 0.0006682=(-1.005)×-0.000665=u u × =z I I I S S 000824.0087.05163.11.6415163.131122 22-=??-?-=--=I u n n d S C υ
本科毕业设计论文 手机照相镜头的光学设计 摘要 随着市场的发展，可拍照手机逐渐取代普通手机，而手机的小型超薄化也是必然趋势，手机的照相功能的提升和小型超薄化应并进，而二者又是相互制约的,因此尽量减小手机照相镜头的体积并提高其性能成为必然趋势。 本文后半部分运用ZEMAX对所设计的镜头进行了调整和优化，用缩放法对初始模型反复调试和修改，并根据课题要求进行了数据分析,最终得出了符合设计要求的结果.最终设计结果为：镜头总长：10.07mm，后焦距：1.27mm。畸变范围-1.07到1。76 之间.中心视场MTF＠160lp/mm值为0.52.边缘视场MTF＠120lp/mm值为0.53。 关键字：可拍照手机镜头小型化ZEMAX 优化。 目录 摘要 (Ⅰ) Abstract (Ⅱ) 目录 (1) 1 绪论 (1) 1。1 研究的目的和意义 (1) 1。2 可拍照手机和镜头设计的国内外发展 (1) 1。2。1 可拍照手机国内外发展状况 (1) 1。2。2 现今镜头设计的国内外发展状况 (2) 2 手机照相镜头的成像原理介绍 (3) 2.1 可拍照手机照相原理....................................... (3) 2。2 感光元件简介............................................. (3)
2。3 镜头结构分类及选择........................... (3) 2.4手机镜头的性能指标和相关术语 (4) 2.4。1镜头类型选择的依据［7] (4) 2.4.2数码镜头鉴别率 (4) 2。4。3光圈范围 (4) 2. 4. 4影响像质的几个因素 (5) 3光学系统设计 (6) 3。1光学设计软件简介 (6) 3.1.1 ZEMAX MTF函数 (6) 3。1.2缺省的评价函数及优化 (6) 3。1. 3归一化的视场和光瞳坐标 (7) 3。2设计要求及分析 (7) 3.3初始结构的选择 (8) 3。3。1 视场角的确定 (10) 3.3.2 F数的确定 (10) 3。3。3 工作波长的选择 (10) 3.3.4调制传递函数图如下 (11) 3.3.5七种塞得像差分别为 (11) 3。3.6场曲和畸变图 (12) 3.3。7点列图如下 (12) 3.3.8光线特性曲线图 (13) 3。4 像差的初步校正 (13) 3.4.1初步校正后的数据 (13) 3.4。2二维光路图如下 (15) 3.4。3调制传递函数图如下： (15) 3.4。4场曲畸变图 (16) 3。4.5点列图 (17) 3.4.6光线特性曲线图 (17) 3。5系统优化 (18) 3.5。1优化数据 (18) 3. 5。2二维光路图 (19) 3.5.3 点列图 (20) 3。5。4场曲畸变示意图 (20) 3.5.5 MTF分析图 (21) 3.5。6光线特性曲线图 (23) 3。6公差分析 (24) 3. 6. 1公差分析的一般过程 (24)
光学系统设计的要求 任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求，因 此，在我们进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求。这些要求概括起来有以下几个方面。 一、光学系统的基本特性 光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；线视场或视场角；系统的放大率或焦距。此外还有与这些基本特性有关的一些特性参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。 二、系统的外形尺寸 系统的外形尺寸，即系统的横向尺寸和纵向尺寸。在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。 三、成象质量 成象质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成象质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成象质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成象质量。 四、仪器的使用条件 在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。如生物显微镜的放大率Г要满足500NA≤Г≤1000NA条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。 光学系统设计过程 所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决 定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。 一、外形尺寸计算 在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔 径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段称为外 形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在 计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。每项 性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使 设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。 二、初始结构的计算和选择、 初始结构的确定常用以下两种方法： 1．根据初级象差理论求解初始结构 这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。 2．从已有的资料中选择初始结构 这是一种比较实用又容易获得成功的方法。因此它被很多光学设计者广泛采
光学系统设计方案 设计参数： 1)ICCD分辨率：1248х1024 2)像元尺寸：6μmх6μm 3)靶面尺寸：7.48mmх6.14mm 4)系统焦距：1500mm 5)F数：3.75 6)波段范围：450nm～800nm 系统初步设计如下： 口径Ф400mm，系统长度500mm。光路二维图如下图所示。系 统为折返射式光学系统，前部采用施密特矫正镜，后端采用卡式系统， 21:13:08 达到减小系统尺寸的目的。
图 1 光学系统二维图 图 2光学系统三维图21:17:16 图 3 光路剖视图
表 1线视场分析 图 4系统球差及场曲曲线 系统传递函数曲线如下图所示，根据探测器像元尺寸，MTF截频计算至83lp/mm处，从下图可以看出，系统MTF在100lp/mm处，水平最大视场及垂直最大视场均高于0.5，对角线视场MTF高于0.5。
21:14:01 图 5 系统MTF曲线 系统弥散圆的大小如下图所示，弥散圆表示点源物体经过系统后的发散情况，其半径越小、能量越集中，说明成像质量越好。通常接近衍射极限的系统弥散圆直径小于接收器的单个像素值。本系统采用的探测器像元尺寸为6μm，系统的弥散圆直径最大值为3.8μm，说明系统的成像质量接近衍射极限。
21:21:35 图 6畸变网格及畸变曲线 系统的畸变网格和畸变曲线如下图所示，畸变的大小能直接反映出系统图像的变形情况，从下图中可以看出，系统的最大畸变小于0.01%，图像变形肉眼无法分辨。
图 7畸变网格及畸变曲线 系统成像的二维仿真效果如下图所示，左图为目标图像，右图为 经系统后所成图像，从图中可以看出，系统成清晰倒像。 图 8二维成像仿真 公差分析 镜头最终的成像质量受到材料、加工、装配等各方面的影响，为保证系统最终获得良好的成像质量，设计时应充分考虑系统各部分的 公差分配，使材料、加工及装配的误差均在可接受的范围内，避免某
光學設計公差允許 一公差分配思路 原準備用ODP841進行公差分配計算，但該軟件是用于幾何傳函的計算，對小象差系統計算的結果比Zemax中的MTFT好的多，這是因爲沒考慮衍射效應對象差的幹擾。我們設計的系統鑒别率是很高的。因此用ODP841計算偏差很大。故采用Zemax計算。 首先介召公差計算的總體思路： 在光學設計中給所有工藝允許的總公差是：使最差情況下的傳函由于工藝因素的總下降量不大于0.15 lp/mm（下降後的傳函仍有 MTF=0.15，以便CCD仍能分辯它對應的空間頻率），對于本系統就是在F=1.23光圈、1H，0.7H口徑下允許鑒别率總下降量不大于0.15 lp/mm。 公差分配的環節有： 半徑、厚度1（透鏡厚度）、厚度2（透鏡氣隙）、玻璃折射率、玻璃色散、中心偏1（加工偏心）、中心偏2（裝配偏心）、餘量 上面的公差餘量是爲了在實際的工藝實施中，由于工藝原因必需放寬公差時，總公差允許量不緻于超。 在計算公差時，先按經驗以工藝上最寬松的條件給出各結構參量的公差預定值，這樣作是爲了先考核最差情況對總公差的影響。當總公差
不超時，也不能以此作爲公差分配的最終結果，因爲在工藝允許的條件下，應盡量提高成象質量，因此應減少對總公差影響大的諸結構公差，這樣才能最有效的提高成象質量。 二公差分配 1 思路 對本樣例鏡頭，用Zemax公差計算功能時應遵循如下原則： （1）因爲F=2～8口徑均比F=1.2口徑的傳函高很多，因此應以F=1.2口徑傳函爲準考核傳函變化量。 （2）在F=1.2口徑的傳函中，應要求0W,0.7W的傳函，而0W傳函比0.7W傳函高很多，因此應以0.7W視場傳函爲準考核傳函變化量所允許的半徑公差。 （3）在計算傳函時，應以MTF=0.3爲基準考核傳函的空間頻率。（4）正态分布的蒙特卡羅數應取20以上，我們取50（此數越大，得到的公差計算結果的可信度越高，但計算量就越大）。 （5）用傳函計算公差時，各結構變量公差預定值的給定，可參考“各結構公差計算時預定公差的給定原則”給出。 （6）爲了加速公差計算，應以光學設計中有象質要求的各種情況下，傳函最低的的情況，計算公差的允許值。 ２各結構公差計算時預定公差的給定原則
光学镜头设计 自 聚 焦 透 镜 姓名：董杏杰 学号：120514130 专业：12级光伏 2015年6月22日
光学系统的设计要求 任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求，因此，在我们进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求，这些要求概况起来有以下几个方面： 一、光学系统的基本特性 光学系统的基本特性有：数值孔径或相对孔径；视场角或线视角；系统的放大率或焦距。此外还有这些基本特性相关的一些参数，如光瞳的大小和位置、后工作距离、共轭距等。 二、系统的外形尺寸 外形尺寸也就是系统的横向尺寸和纵向尺寸。在设计多光组的复杂光学系统时，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。 三、成像质量 成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量；对于照相物镜要求整个视场都要有较好的成像质量。 四、仪器的使用条件 在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上可实现的可能性。如生物显微镜的放大率m要满足500NA≤m≤1000NA条件，望远镜的视觉放大率一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率一起来考虑。 光学系统的设计过程 所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。因此我们可以把光学设计过程分为四个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。 一、外形尺寸计算 在各个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段成为外形尺寸计算。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理，过高的要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计
光学镜头概述及分类 光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头，简称镜头，其功能就是光学成像。镜头是机器视觉系统中的重要组件，对成像质量有着关键性的作用，它对成像质量的几个最主要指标都有影响，包括：分辨率、对比度、景深及各种像差。镜头不仅种类繁多，而且质量差异也非常大，但一般用户在进行系统设计时往往对镜头的选择重视不够，导致不能得到理想的图像，甚至导致系统开发失败。本文的目的是通过对各种常见镜头的分类及主要参数介绍，总结各种因素之间的相互关系，使读者掌握机器视觉系统中镜头的选用技巧。 根据有效像场的大小划分 把摄影镜头安装在一很大的伸缩暗箱前端，并在该暗箱后端安装一块很大的磨砂玻璃。当将镜头光圈开至最大，并对准无限远景物调焦时，在磨砂玻璃上呈现出的影像均位于一圆形面积内，而圆形外则漆黑，无影像。此有影像的圆形面积称为该镜头的最大像场。在这个最大像场范围的中心部位，有一能使无限远处的景物结成清晰影像的区域，这个区域称为清晰像场。照相机或摄影机的靶面一般都位于清晰像场之内，这一限定范围称为有效像场。由于视觉系统中所用的摄像机的靶面尺寸有各种型号，所以在选择镜头时一定要注意镜头的有效像场应该大于或等于摄像机的靶面尺寸，否则成像的边角部分会模糊甚至没有影像。 根据有效像场的大小，一般可分为如下几类：
根据焦距分类 根据焦距能否调节，可分为定焦距镜头和变焦距镜头两大类。依据焦距的长短，定焦距镜头又可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四大类。需要注意的是焦距的长短划分并不是以焦距的绝对值为首要标准，而是以像角的大小为主要区分依据，所以当靶面的大小不等时，其标准镜头的焦距大小也不同。变焦镜头上都有变焦环，调节该环可以使镜头的焦距值在预定范围内灵活改变。变焦距镜头最长焦距值和最短焦距值的比值称为该镜头的变焦倍率。变焦镜头有可分为手动变焦和电动变焦两大类。 变焦镜头由于具有可连续改变焦距值的特点，在需要经常改变摄影视场的情况下非常方便使用，所以在摄影领域应用非常广泛。但由于变焦距镜头的透镜片数多、结构复杂，所以最大相对孔径不能做得太大，致使图像亮度较低、图像质量变差，同时在设计中也很难针对各种焦距、各种调焦距离做像差校正，所以其成像质量无法和同档次的定焦距镜头相比。 实际中常用的镜头的焦距是从4毫米到300毫米的范围内有很多的等级，如何选择合适焦距的镜头是在机器视觉系统设计时要考虑的一个主要问题。光学镜头的成像规律可以根据两个基本成像公式牛顿公式和高斯公式来推导，对于机器视觉系统的常见设计模型，我们一般是根据成像的放大率和物距这两个条件来选择合适焦距的镜头的，在此给出一组实用的计算公式： 放大率：m=h’/h=l’/l 物距：l = f(1+1/m) 像距：l’= f(1+m) 焦距：f = l/(1+1/m) 物高：h = h’/m = h’(l-f)/f 像高：h’= mh = h(l’-f)/f 根据镜头接口类型划分 镜头和摄像机之间的接口有许多不同的类型，工业摄像机常用的包括c接口、cs接口、f接口、v接口、t2接口、徕卡接口、m42接口、m50接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。 c接口和cs接口是工业摄像机最常见的国际标准接口，为1英寸－32un英制螺纹连接口，c型接口和cs型接口的螺纹连接是一样的，区别在于c型接口的后截距为17.5mm，cs型接口的后截距为12.5mm。所以cs型接口的摄像机可以和c口及cs口的镜头连接使用，只是使用c口镜头时需要加一个5mm的接圈；c型接口的摄像机不能用cs口的镜头。
光学课程设计 专业班级：2011级光信息科学与技术2班学生学号：20110259 学生姓名：徐涛 指导教师：
一、课程设计的任务 设计一个成像物镜透镜组，照相物镜的技术指标要求： 设计一个固定焦距的照相物镜 （1）以学号的最后四位为焦距长度，单位为mm。 （2）图像传感器的大小为800*600；像素大小为学号最后一位+4 微米。 （3）相对孔径分别为学号最好一位/10+1。 任务：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 二、设计过程 2.1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, 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）以学号的最后四位为焦距长度，单位为mm。 （2）图像传感器的大小为800*600；像素大小为学号最后一位+4 微米。 （3）相对孔径分别为学号最好一位/10+1。 本人学号20110259，根据要求，算出参数如下： 图象传感器 分辨率800x600有效像素 像素大小13*13 微米 像素面积10.4mm * 7.8mm 对角线13mm 物镜 焦距259mm F数 1.9 最大视场 1.44 最大空间频率38线/毫米