四片放映物镜的优化设计

光信息科学与技术082班：XX  指导教师：XXX

（陕西科技大学电气与信息工程学院 陕西 西安 710021）

摘要:为物体提供适当照明并在屏幕上成放大实像的光学系统。简称投影系统。...不同需要可选用不同的物镜，例如，投影物体轮廓和外形的投影仪，物镜应较好地矫正畸变和像场弯曲；放映用物镜应能耐热，故通常不使用胶合透镜。虽然，照相物镜可以用作放映物镜，但放映物镜还是有一些不同之处。

本文介绍了根据四片放映物镜的性能指标，及焦距，相对孔径，视场角及后工作距来确定其初始结构。结合已有的参考文献找出类同结构并对其进行焦距缩放得到本课题的初始结构，以匹兹瓦物镜的变形作为基本光路布局，利用计算机在ZEMAX软件中对其进行像差校正即借助于光学镜头的优化设计程度完成，紧接着进入像质评价：按照仪器总体指标要求成像质量对镜头的像差和像差状况进行评价，直至镜头的成像质量符合设计要求。

关键词：光学镜头,ZEMAX,物镜设计,像差分析,像质评价 

The Superior Design of 4-piece Type Projection Objective Lens

ABSTRACT: The optical system that to provide appropriate objects on the screen lighting and to enlarge the realities. It’s called for short as Projection system. Different needs can choose different objectives. For example, Projection objects profile and appearance of the projector. The objective should be better correction distortion and like a crooked. With the objective to heat should be shown. So don't usually use agglutination lens. Although, Photographic optical lens can be used as objective projected. But Projection Objective has some different.

According to the function and index of a fourth Projection Objective , then the focal length f’=120mm、relative aperture D/f’=1:2、field angle 2w=12.8 and the back-work length

l’≥47mm.On this account to define a tentative pattern of the beam path. (The cemented doublet is out of shape of Pizval )And combine the consult documents of previously to find out the similar structure of design and proceed to the next step: Focal length contract and amplify is come to the initial structure of this design. Then apply the optics design software to start aberration rectification in the computer. In other words, accomplish rectification with the aid of optical lenses’ superior design. Last but not the least, the image assessment is important. On the basis of the instrument’ s property and target and image quality to handle lens aberration、chromatic condition conduct assessment until image quality of the lens tally with require.       

Key words: Optics design, Optical lenses, ZEMAX, Aberration Analysis, Image assessment

四片放映物镜的优化设计

1 设计要求

要求设计一个四片放映物镜，光学特性要求为：焦距 f＇ = 120mm ， 视场角2ω =12.8°，相对孔径D/f’ =1/2，后工作距    l’ ≥47mm  。  

 2确定原始系统

2.1 选择结构参数

其结构可以看成是匹兹瓦物镜的变形。设计时先由初步的光焦度分配开始，再分步选择各透镜的初步形状，构成了一个初始结构，然后再优化设计出可用的结果。

光路的初步布局：这是一个大孔径、中等视场、中等焦距的系统。系统可以选用匹兹瓦尔型的变形，是由四片分离透镜组成。光路布局按薄透镜表示如图2-1所示。

          

2．2应用ZEMAX软件

 根据ZEMAX的建模步骤，首先是系统特参数输入。在General系统通用数据对话框中设置孔径和玻璃库。在镜片的孔径值的设置上，由于f＇ = 120mm，D/f’ =1/2所以孔径值为60。在玻璃库标签中键入CHINA即可。对于视视场的具体相关设置分别选取0，4.48（0.7视          图2-1 初始光路图布局                                                            场），1.0(全视场)三个视场。打开波长对话框点击Select F, d, C(visible)自动加入三个波长，分别为486nm，587nm，656nm，其中以587nm为主要波长。并且使波长的权重全部为1。

 3像差的校正及优化

（1）   确定自变量：

把除了虚设的光阑平面（第5个面）以外的所有8个面的曲率半径都作为自变量加以校正。把薄透镜的厚度和透镜之间微小的空气间隔以及厚透镜的厚度和大的空气间隔作为均不作为自变量。

（2）相关参数设定：

设置玻璃厚度及空气间隔：在Editors——Merit Function——Tools——Default Merit Function 中设置，使玻璃的厚度的最小值为0.5，最大值为10，使空气间隔的最小值为0.1，最大值为100。并且使其边缘均为0.1。如图3-1所示，在默认优化函数的对话框下选择默认的评价函数构成RMS + Wavefront + Centroid。玻璃边缘厚度设置：由上图的二维图形可知，玻璃的形状较好，实际生产中是现实的，所以不对其边缘进行设置。由二维图形可知，光线出射后有一小部分光打在了屏外，所以在接下来的优化中应该注意，具体原因需再根据其他像差曲线具体分析。                                                                                             

输入像差参数：在Editors——Merit Function中插入六个像差操作数，分别为横向子午球差（TRAE），光程差（OPDC），细光束子午场曲（FCGT），球差（SPHA），彗差（COMA），轴向像差（LONA），像差的目标值全部为“0”，并设置此六个像差操作数的权重全部为“1”。此外，为保证焦距要求，再加入焦距校正（EFFL）,目标值为120mm,权重为“1”更新后可以看到其各个像差操作数所对应的像差。

（3）用ZEMAX软件对其进行优化：设计最终优化结果

图 3-1 设置变量后的初始结构表

以上是设置变量厚度四片放映物镜的初始结构表。在此基础上在加入相应的优化操作数便得到优化后的评价信息。同样，在ZEMAX中可以得到优化后的评价图形,二维图、像差图、光程差图、像与畸变图、点列图和MTF图依次如下：

很明显，四片放映物镜的最终评价图已经得到较好改善。

图3-2 二维图形                         图 3-3 ray 曲线

图3-4 OPD图                         3-5像散、畸变图

图3-6 点列图                        图3-7 MTF曲线

4设计总结

此次毕业设计过程中，我学会了如何使用ZEMAX软件进行优化设计，通过对专利数据的调整，设计相关优化操作数等，设计出了一个四片放映物镜。并应用软件ZEMAX对其进行参数的设置以及优化，达到了预期的设计要求，基本接近理论所要求的设计数据值。

u  参考文献

[1] 毛文炜.四片放映物镜的优化设计[A].2009.30.

[2] 袁旭沧.现代光学设计方法[M].北京:北京理工大学出版社,1995.9.

[3] 李晓彤,岑兆丰.几何光学?像差?光学设计 [M].杭州:浙江大学出版社,2003.11.

[4] Ernst Tronnier,Joachim Eggert.THREE LENS PHOTOGRAPHIC OBJECTIVE[P]. 1965.4.6.

 

第二篇：论文缩写稿

毕 业 论 文

(缩写稿)

题目： 多功能红外人体报警器的设计

学 生： 安娜 学 号： 20100311120 院 （系）： 职业教育师范学院 专 业： 电子信息工程 指导教师： 李慧珍

2014 年 5 月30 日

多功能红外人体报警器的设计

信工101班：安娜 指导老师:李慧贞

（陕西科技大学 职业教育师范学院 陕西 西安 710021）

摘要： 随着社会的快速发展，人们对财产安全的要求也越来越高，如何在考虑设备安装方便、成本便宜、持久耐用等方面因素的前提下，设计具有更高灵敏度和可靠性的防盗报警装置成为人们关注的焦点和迫切需求。热释电红外检测技术是利用热释电红外传感器作为探头，来检测人体所发出的特定波长红外线信号，进行非接触式距离较远的检测。该技术具有测量范围广、响应速度快、灵敏度高、抗干扰能力强、安全可靠等特点。

关键词: 热释电红外传感器，菲涅尔透镜，单片机

The Design of Multifunctional Infrared Version Alarm

ABSTRACT: With the rapid development of society, people require the sound property safety . It have becomes a key issue and urgent requirement, how to design the highly-sensitive and reliable anti-theft alarm (ATA) in consideration of easy installation, low cost and duration of wearing. For pyroelectric infrared detection technology, the pyroelectric infrared sensor is used as a probe to detect the specific-wavelength infrared signal emitted from human body for detection in a non-contact further distance. This technology features wide measuring range, quick response, high sensitivity, strong anti-jamming, and safety and reliability.

KEYWORDS: pyroelectric infrared-detector, Fresnel lens, MCU

1 引言

随着社会的进步和科学技术、经济的发展，人们的生活水平有了明显的提高，同时人们对个人及金融交易场所的安全性要求有了相应的提高。对于以前家庭所使用的防盗网、防盗窗、防盗门等安全防盗家具既不美观也不符合防火措施，以及金融交易场所所使用的人工防盗措施明显有其不足之处，而且雇佣成本的不断加大。在网络不断普及的今天，犯罪分子的作案手段越来越隐秘，以前所使用的防盗措施的缺陷也越来越明显，这就要求我们必须研究出一种既可有效提高安全防盗又可以节约成本的设备。红外人体报警器是一种以传感器为核心的一套智能化的防盗设备，由于其具有全天候、隐秘性、低成本、可靠性等特点。本设计中所使用的红外线是不可见光，有很强的隐蔽性﹑保密性﹑低成本﹑全天候等优势，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。这种热释电红外传感器以非接触形式检测出人体所辐射的10?m左右的红外线，并将其转变为电压信号。

2 系统总体方案

本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、键盘控制、报警等子模块。电路结构可划分为：热释电红外传感器、报警器、单片机控制电路、LED控制电路、温湿度传感器及相关的 1

控制管理软件组成。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、本地报警等功能。从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：热释电红外传感探头电路、报警电路、单片机、复位电路、温湿度传感器、计时电路及相关的控制管理软件组成。它们之间的构成框图如图2-1总体设计框图所示。

图2-1 总体设计框图

处理器采用52系列单片机STC89C52。整个系统是在软件控制下工作的。设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL电平至STC89C52单片机。在单片机内经软件查询、识别判决等环节实时发出入侵报警状态控制信号。驱动电路将控制信号放大并推动声光报警设备完成相应动作。当报警延迟10s，一段时间后自动解除，也可人工手动解除报警信号，当警情消除后复位电路使系统复位，或者是在声光报警10s钟后有定时器实现自动消除报警。

3 硬件电路设计

3.1 时钟电路的设计

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故一个机器周期为1us。

3.2复位电路的设计

复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2?s，本设计采用的是外部手动按键复位电路。

3.3声音报警电路的设计

用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的TXD引脚上，构成声音报警电路。

3.4 温湿度传感器电路

温湿度阈值存储在EEPROM芯片AT24C02中，并可以通过K1～K4按键调节并保存，其中K1、K2、K3、K4分别为设置键、上调键、下调键和保存键。AT24C02是I2C芯片。

2

3.5 供电及程序下载电路

本设计采用USB接口供电，电源电压5V。同时，USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写。

3.6 键盘电路

本设计采用四键控制按键接上上拉电阻与单片机P3.2～P3.5直接相连，程序采用查询方式获取按键状态。

3

4 软件的程序实现

4.1 主程序工作流程图

图4-1 主程序工作流程图

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4.2 中断服务程序工作流程图

本主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释电传感器送来的脉冲信号后，表示有人闯入监控区，从而经过单片机内部程序处理后，驱动声光报警电路开始报警，报警持续10秒钟后自动停止报警，然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。同时，利用中断方式可以实现报警持续时间未到10秒时，用手工按键停止的声光报警的作用。手工按键停止报警中断服务程序工作流程图，如下图4-2所示。

图 4-2 中断服务程序工作流程图

5 结论

本设计研究了一种基于单片机技术的红外人体防盗报警器。该防盗报警器通过以STC89C52单片机为工作处理器核心，外接热释电红传感器，它是一种新颖的被动式红外探测器件，能够以非接触方式探测出人体发出的红外辐射，并将其转化为相应的电信号输出，同时能有效的抑制人体辐射波长以外的红外光线与可见光的干扰。当有人在探测区范围内移动时输出电压由低电平变为高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后，单片机输出控制信号，驱动声光报警电路开始报警。为了使其性能更强，本设计又加入了时钟电路DS1302器24C02B、温湿度传感器DHT11。该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活，且安装方便、智能性高、误报率低。

参考文献

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[2]付少波，付兰芳.传感器及其应用电路[M].化学工业出版社，2011-4：129～139.

[3]万茽.基于热释电红外传感器防盗系统的设计[D].陕西渭南：渭南师范学院，2012-6.

[4]王均福，袁红霞，王景聚.热释电红外传感器在防入侵方面的研究[J].哈尔滨师范大学自然科学报，2008，24（1）：31～32.

[5]张敏.基于红外传感器的人体信号检测保护系统设计.装备制造技术[J].2008-1，20（2）：50～52. 5