光学课程设计

武汉工程大学

课程设计（学年论文）

说明书

课题名称： 照相机物镜的设计与优化 专业班级： 光电信息科学与工程 激光1班 学生学号： 1309090831 学生姓名： 周舟 学生成绩： 指导教师： 课题工作时间： 2015年6月24日 至 2015年7月2日

武汉工程大学教务处

一、课程设计的任务或学年论文的基本要求 1. 查阅光学设计资料及有关文献，搜集相关数据；据此提出并较好地论述课题的设计方案。 2. 熟悉光学设计的方法，能对光学设计的基本思想和理论有一定的理解。初步培养设计简单光学系统或简单透镜组的能力。 3. 了解计算机辅助光学设计软件ZEMAX的使用。 4. 确定设计方案，输入初始结构参数。 5. 进行优化参数的选择、设定和优化函数的设计；进行优化计算。 6. 绘制光学镜头的结构图，绘制输出相关像质评价的图形和函数。 7. 撰写完整的课程设计报告，包括设计说明书、镜头计算过程及结果汇总、设计过程评述。 二、进度安排 2015年6月24日 文献搜集与整理；复习有关光学设计的像差理论 2015年6月25日 初始结构参数的选择，熟悉ZEMAX光学设计软件的使用 2015年6月26~29日 输入初始结构参数，进行优化设计并分析优化结果。 2015年6月30~7月1日 对光学设计过程进行总结，形成设计说明书。 2

三、参考资料或参考文献 1、《应用光学》（第三版），北京理工大学出版社，安连生，2007.9。 2、“新浪爱问娱乐” http://iask.sina.com.cn/b/7061917.html 3、《光学镜头手册全册》 4、《基于zemax的光学设计教程》 黄振永 5、zemax优化教程 6、“Zemax吧” 百度贴吧 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日

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四、 课程设计（学年论文）摘要（中文） 1. 摘 要：在光学工程软件ZEMAX的辅助下，查阅相关数据专利文献，设计了一组焦距f’=55mm，视场角2=40，相对孔径D/f’=1:2.8的照相物镜，使用三片型照相物镜，该组透镜在可见光波段设计，总畸变不超过0.2%，弥散斑直径不大于50mm，完全满足要求 关键词：ZEMAX，照相物镜，畸变，弥散斑。 五、课程设计（学年论文）摘要（英文） Abstract：In optical engineering software ZEMAX aid, access to relevant data Patent Document,Designed a set of focal length f '= 55mm, FOV 2 = 40, relative aperture D / f' = 1: 2.8 camera lens, using a three-piece type camera lens, the lens in the visible design group, total distortion not more than 0.2%, diffuse spot diameter of not more than 50mm, fully meet the requirements Keywords: ZEMAX, camera lens, distortion, diffuse spot.

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六、指导教师评分 评价内容 调查论证 实践能力 分析解决问题能力 工作量、工作态度 质量 具 体 要 求 能查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。 设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，进行研究的能力（学年论文） 权重 10 15 得分 能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设15 计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。 按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。 10 综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨40 合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。 在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。 工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。 5 5 外语和计算机应用能力 创新 综合评语 指导教师签字： 年 月 日

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一.前言

照相机镜头简介

科技发展的日新月异，使生产出的照相机花样百出、种类繁多、结构复杂、机械精密，新产品层出不穷。但无论各种照相机如何变化，结构如何纷繁，它的基本结构中一定要有具备将特体结成光学影像的成像系统，即镜头。用光学玻璃制成的镜头，把进入镜头的光线汇聚起来，在感光胶片上形成一个清晰的影像。比较复杂的镜头由两片或更多的光学玻璃组成的透镜，叫做透镜单元。透影单元组成一个整体，这就是摄影镜头。

照相机的镜头包括透镜组、光圈、快门三个部分。镜头是由透镜构成的，透镜片数与组数的多少，决定着镜头的质量与优劣。光圈是由多片多属叶片组成的。它用控制镜头纳光孔的大小，达到控制进入胶片光线的多少。在控制叶片的伸缩中，使得进光孔变大变小，从而来控制通过镜头投向胶片光束的大小。这种光孔大小的数值用光孔号码或f ／值标注在镜头上。快门是由金属片或胶质绸布制成的。它控制曝光时间的长短，即控制进入相机的光线和投射到胶片反经历的时间。正确的曝光，可使被摄对象获得清晰的影像。

镜头的种类很多，不存在一种“最好的”镜头。因为各种镜头都有独特的功能、适用范围和优点，针对拍摄需要去选择镜头，才是正确的。依据拍摄画面的不同效果及照相机镜头焦距的长短，通常镜头的种类有：标准镜头、广角镜头、远摄镜头、鱼眼镜头、反射式镜头、变焦镜头和特殊镜头等

照相物镜的光学特性一般用焦距f’、相对孔径D/f’、视场角2w三个参数来表征，(1). 照相物镜的焦距决定所成像的大小。照相物镜的焦距标准如下: 准镜头 50 （f’/mm）

广角镜头 24~28~35 （f’/mm） 超广角镜头 17~20 （f’/mm）

鱼眼镜头 7.5~15 （f’/mm） 短望眼 85~100 （f’/mm）

望眼 135~200~300 （f’/mm） 超望眼 400~500~600~800 （f’/mm）

(2). 相对孔径决定其受衍射的最高分辨率和像面光照度, 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

(3). 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。不同照相机的尺寸是一定的，例如：

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16mm电影摄影机 10.4×7.5 mm 35mm电影摄影机 22×16 mm2 135#照相机 36×24 mm2 120#照相机 55×55 mm2

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，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

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二．课程设计题目 设计一个照相物镜: 2. f’=55mm 3. 2=40 4. D/f’=1:2.8

5. 弥散斑直径小于0.05mm 6. 畸变小于2% 三、设计课题过程 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，所以根据要求从

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。在光学技术手册查询后选定初始结构为三片型物镜，初始参数为：焦距分f’=100mm;相对孔径1：2.8；视场角2w=47°，其余参数见表1-1 序号 1 2 3 4 5 6 （1-1）

r 33.4537 942.116 -67.6785 38.9151 149.969 -45.7984 d 6.47945 9.15967 2.374 10.43249 6.402 d 1.67000 1.07445 1.850 n 48.13 29.84 47.50 2.输入参数和缩放

将参数输入zemax，如图

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再设置波段以及孔径值如图

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再然后在tools-make focus中改焦距为55mm，进行缩放，如图

缩放后得到焦距为f’=55的初始参数。如图

接着设置视场

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到这里，初始结构参数已经完成，如图

3.使用zemax优化

优化先在zemax中得到弥散斑（3-1）和场曲图（3-2）

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（3-1）

（3-2）

可以看出弥散斑很大，需要优化，而畸变值较小，<0.2%

（1）首先使用Merit Function建立评鉴函数进行优化，选择EFFL函数，即Effective focal length的缩写，指定波长号的有效焦距，目标值设为55，权重为1.再如图

(2) 因为弥散斑普遍很大，所以先将所有面的曲率半径设为变量进行优化，在镜头数据编辑框中右击每个曲率半径，选择variable，进行优化

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优化后的弥散斑如图：

（3）发现第一片镜片弥散斑已经小于0.05mm，而后面两个仍然大于0.05mm，所以下面将玻璃厚度设置为变量进行优化直至满足要求。

4．优化结果

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弥散斑和畸变均满足要求，优化完成！

四. 设计总结

虽然优化结果已经很好，我查阅资料发现，尝试将特殊位置的薄透镜换成弯月透镜，

鼓形透镜等厚透镜，可以做出进一步优化。到此，这次课程设计也基本完成了，这次的确收获了很多，不论是经验还是教训，我总结了下，有以下几点：

1. 从最开始的完全不懂得什么叫做光学设计，到现在最起码能清楚的知道光学设计的基本步骤和主要思想，可以说是我收获最大一点。

2. 其次时隔半年我又重新操作了zemax这个软件，让我对它有了更加熟练的操作，起码也算是会了这个软件。

3. 因为这次的课程是照相镜头，使我额外的了解到了照相机的各方面的知识。 4. 这次的课程设计略显匆忙，没有很好的安排时间，设计存在瑕疵。

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五．范文

基于集成电路的自动翻页器的设计

吴xx

（杭州电子科技大学机械工程学院 杭州 310000 中国）

摘要：本文中，提出了一种基于数字集成电路控制的自动翻页器模型。通过对国内外现有翻页器技术的研究，针对现有翻页器体积大，噪音大，误操作频率高的缺点，利用单片机控制步进电机，结合数字控制电路提出一种全新的自动翻页器模型，具有电路简单，外型美观等优点。另外，由于该翻页器体积较小，所使用的皆是普通材料，所以还具有比较低的价格，相信会被广泛采用，为用户带来极大的方便。 关键词：自动翻页器 单片机 数字控制电路 价格低 中图分类号：TH134

A New Design of Auto Page -Turner

xxx Wu

(College of Mechanical Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310000，China)

Abstract: In this paper, it supplies a modal of automatic page-turner based on the controlling of digital integrated

circuits (DIC). Researching about the technology of page-turner both in home and abroad

，

it reveals that most present products have the shortage of large volume, strong noise and high rate of misoperation. The modal which uses single chip microcosm (SCM) to control the step motor and combines digital control circuits has the advantage of simple circuits and beautiful appearance. What’s more, for the volume is smaller and the material is ordinary, lower price will be another good point. The product would not only bring convenience to users but also be popular among consumers. Keywords： Auto page-turner Single Chip Microcosm（SCM） Digital control circle Low price

0 前言

书籍是人类发展进步的阶梯，千百年来,看书阅读一直是人类活动，特别是知识分子日常活动中最重要的一环。但是，看书时翻页对正常人来说是件非常容易的事，但对于残疾人来说却不是那么容易，而且即使是正常人，如果要躺着看书，问题就变得非常麻烦。另外，艺术表演，如乐器在演奏时演奏者都要停下一只手去翻乐谱。指挥要用一只手(一般用左手)去翻乐谱,演奏钢琴时要停下一只手去翻乐谱,如果不让钢琴停止演奏,就要由旁边的另一人替翻乐谱,提琴演奏时,二人共看一个乐谱,要由其中一个人停下演奏,翻谱后再继续演奏。无论管乐、弦乐、打击乐等中,西乐器的演奏,两只手皆忙于演奏,要想乐谱翻页,就要停下一只手演奏。急忙中翻页有时打滑,要再次翻页,有时翻去二页甚至多页而影响演奏。而且此装置还可用于乐谱的自动翻页，使演奏者不必在演奏过程中停下来。在比较了国内和国外在自动翻页机方面的报导，发现国内的产品大部分是机械的，非自动控制的。设计就是让生活更美好，更简单。如果能在已有技术基础上设计出自动控制的翻页机，改善目前靠手动翻页乐谱的现状,使演奏者能更专心的演奏乐曲,避免了演奏不连续甚至翻错页面演错乐谱的情况发生。肯定能产生巨大的经济效益和社会效益。

1国内外技术现状

1.1国内技术现状

1.1.1 阅读架自动翻页机

一种阅读架自动翻页装置，它包括一架板及其周边上的若干夹具，一在架板上角的弹片，一在架板上方的旋转头及其中间的一凹槽，两摆臂则以其后段活动轴接在凹槽中，其中第一和第二摆臂尾端各藉一拉持件分别固定在旋转头右、左侧的架板上，第一摆臂前端有一吸纸构件。当吸纸构件吸纸时，即由旋转头使两摆臂同时转至架板另一侧，吸纸构件即松开纸，同时在拉持件作用下，使第一、二摆臂分别上、下移，以卡持已被翻之纸。

1.1.2 脚踏式自动翻页谱架

在已有谱架的基础上，支脚上设踏板和滑轮组，斜置板的支撑面上设转轴，该轴上有摆杆和重锤，穿经滑轮组，

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一端与踏板连接，另一端与转轴固定。下踩踏板，传动绳带动转轴，使摆杆由一侧翻转到谱板另一侧，松开踏板，重锤作用，摆杆回转，随即带动乐谱纸张翻页。本实用新型实现脚动式自动翻页，可保证演奏者或指挥者的双手自始至终可用于演奏或指挥，结构简单，使用方便。 2.1.3 自动翻页器

本实用新型提供一种自动翻页器，它是一个盒体。书刊展放在盒面上，用真空吸盘吸附书页，靠旋臂带动书页偏转，旋臂是装在传动轴上，传动轴上还带有三只凸轮，其中一只凸轮与电磁铁连使轴偏转，一只凸轮带动真空泵使吸盘产生负压，另一只凸轮控制活动夹的张开和压紧。电磁铁的控制，根据使用情况选配，供无手指功能的人和演奏、打字专业人员自动翻页。

2.2 国外技术现状

远程控制的page-turner（见上图） 1．根据纸质，薄厚自动调节

2．可以选择直接操作，如果用户能操作远程控制器的按钮（或其他辅助装置），否则，自动扫描操作。 3．选择灯的明暗程度

4．交流装置和环境控制单元同样可连接上

5.此装置如果安装在架子上则可移动并且可以调节角度

2 此自动翻页器的技术指标

我们在设计时主要考虑以下因素：

a.书本固定：将任何一种书放置好以后，能够保证固定在仪器上不会掉下来或者自动合上。同时要能保证利于老年人和残疾人进行书本放置和取出。

b.自动翻页：最终目的就是能够实现自动翻页，这里所谓的自动翻页，是指当使用者按下手上的遥控器的翻页按钮以后可以按照需求实现自动翻页。这还不属于全自动（全自动应该可以遥控或者视线跟踪，那要求太高，并且有可能反而导致不方便），翻页方向包括前翻和后翻。

c.动力问题：采用不同的电动机，虽在功能上没有什么影响，但对整体的性能评价确有很大的关系；他还关系到翻页是否方便。

d.障碍处理：遇到强障碍能够实现自保护功能。

e.遥控器：应该可以实现电动机的软驱动，上边至少包括三个按钮。一个是向前翻页，一个是向后翻页，还有一个是启动和关闭按钮。

f.翻页速度：最初设计对翻页速度不加什么要求，但是不能过慢，应该在3秒之内完成一次翻页。并且翻完页后要能回到初始位置，保证下一页的顺利翻成。

g.纸张保护：不能对书本有太大的磨损，否则会损坏书本，减少使用率。 h.环保意识：噪音控制和对其他人影响是需要考虑的很重要问题。

i.适应能力：比较起不同的书本，应该都可以实现翻页，因此要求使用的翻页机要具有自适应能力，可以考虑静电量（或磁力）可调的机构。 j.操作人员的舒适度

1．读者阅读距离可调节：遥控到支撑板的距离应该可以根据不同使用者的使用要求和环境调节，减少不必要的弯腰或者仰头，使得尽可能让使用者感到舒适。

2．适合的材料和背景色：根据经验，制作支撑板的材料应该采用树脂板材，这样比较轻但是很结实，负重比较大，并且对吸头的静电和磁性影响很小。至于背景颜色，可以根据用户的喜好进行喷染（默认为白色）。

3．遥控器和支撑板设计符合人的感受特点：一般情况下，人的视觉区在水平方向120度，最佳视区在为中心区10度。支撑板视距最好在50cm左右，且注意不同钮的颜色区分。

3 具体模型简介

我们设计的翻页器的大概外形打算如下设计

主要的组成部分是：树脂型支撑架和滑动翻页片，带静电或者永磁性的吸附头，还有就是两个固定书页的钢性夹。控制电路板可以做在支撑架的内部，这样既比较美观又省地方。步进电机放在支撑板下方。如下图所示

4 总结

本作品考察了国内外各种技术，针对各技术的缺陷和不足，提出了一种基于数字集成电路控制的自动翻页器这

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个比较好的解决方案。另外，它还具有电路简单，外型美观，体积小，噪声低，价格便宜等优点，市场前景还是比较看好的。在本作品的完成中，本人的导师陈凯教授，及其工作单位杭州电子科技大学机械工程学院给力我们比较大的帮助，在此表示感谢！

参考文献

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中国专

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