一款照相物镜设计

照相物镜镜头设计与像差分析设计一个成像物镜透镜组，照相物镜的技术指标要求：1、焦距：f’=12mm；2、相对孔径D/f’不小于1/2.8；3、图像传感器为1/2.5英寸的CCD，成像面大小为4.29mm×5.76mm；4、后工作距>6mm5、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波长)；6、成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm，轴外0.707 >35%@100 lp/mm。

7、最大畸变<1%照相物镜的简介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，ll 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lf '=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Nλλu 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 ’=1/4πL τ(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。

Zemax光学设计：Petzval物镜的设计实例引言：Petzval物镜，它是由两个被空气分离的正透镜组构成。

1839年Joseph Petzval 设计了这个著名的“照相物镜”。

其前组是一个双胶合，后组是一个双分离，两者之间有一个光圈。

前组可以很好地校正球差，但会引入彗差。

彗差由后组校正，光阑位置校正了大部分像散。

然而，这会导致额外的场曲和晕影。

因此，FOV限制在30度以内。

f/3.6的f值是可以实现的，这比当时的其他镜头要快得多。

Petzval首次根据光学定律计算透镜的组成，而之前的光学系统则是根据经验进行磨制和抛光的。

为了计算，奥地利大公路易（炮兵司令）向匹兹瓦提供了8名炮兵和3名下士，因为火炮是进行数学计算的少数职业之一。

1.Seidel分析双片式物镜的局限性在于单组元件无法校正像散，这大大限制了它的视场角范围。

在光阑上的薄透镜组的像散为：即其总是不为零。

因此，只有一些透镜组不在光阑上，才能校正像散。

因此，两个分离的透镜组可以用于产生等量反向的像散。

这两个透镜组不一定是单透镜，也可以是消色差双片式或者更复杂的透镜组。

若我们假设光阑在第一个透镜组上，第二个透镜组和它相距一段距离，那么会有光阑平移效应。

只要第二个透镜组没有完全校正球差和彗差，那么平移第二个透镜组远离光阑一定距离，就可以产生足够的像散来校正第一个透镜组的像散。

我们可以得到任意的一个像散值S3，但是两个正透镜组都会对场曲产生贡献，即Petzval 物镜的 Petzval 和总是正值。

这意味着像面总是朝向镜头弯曲。

通常，我们想要零像散，则让总的S3为零，场曲会使子午和弧矢像重合于弯曲的像面上。

但是，还有其他选择，由弧矢像差，只要S3=-S4，我们就可以使弧矢像面为平面。

而且，若让S3=-S4/3，则就可以使子午像面为平面。

在设计 Petzval 镜头中有一个很好的准则，那就是让前组(A)的光焦度为K /2，后组（B）的光焦度为K，为保证总光焦度为K，让它们之间的距离为1/K。

ZEMAX课程设计——照相机物镜设计一、(课题的背景知识，如照相机镜头的发展概况，类型及其主要技术参数的简要说明)二、课程设计题目设计一个照相物镜，1)光学特性要求：f’=100mm；2ω=30︒;；D/f’=1:3.5.2)成像质量要求：弥散斑直径小于0.05mm；倍率色差最好不超过0.01mm；畸变小于3%。

三、设计课题过程1、参考Ernostar和Tessar联合型物镜设计相关数据，对其进行相关改进。

Ernostar和Tessar联合型物镜设计相关数据如下表1（其中焦距f’=75.68mm；相对孔径D表12、根据焦距曲率镜片厚度之间的比例关系，即f1／f2=r1／r2=d1／d2,得到焦距100mm，相表23、启动ZEMAX，将表1数据输入到LDE，相关步骤由以下图给出（1）打开ZEMAX。

（2）输入数据。

在主选单system下，圈出wavelengths，依喜好键入所要的波长，同时可选用不同波长，本实验中在第一列键入0.486，单位为microns，第二第三列分别键入0.587、0.656。

在primary 中点击选1，即用第一个波长为近轴波长。

（3）输入孔径大小。

由相对孔径为1：3.5，焦距为100mm得到，孔径D=100／3.5=28.57143mm。

在主选单system 菜单中选择general data,在aper value上键入28.57143。

（4）输入视场角。

（5）输入曲率，面之间厚度，玻璃材质。

本实验中共有5组透镜，其中最后两组为双胶合透镜，故共有9个面，回到LDE，可以看到三个surface，STO（孔径光阑）、OBJ（物点或光源）、IMA（像屏），在STO前后插入几组surface，除IMA外共计9组surface,输入数据。

最后根据参考实验图确定STO在第6面上。

①点击layout,画出2D图形②点击spot diagram ,画出点阵图由图看出光波在波长1、2、3下的弥散斑直径大小分别为33.625、54.419、64.768（单位：微米），其中第2、3波长弥散斑大小大于50微米，不符合要求，故需要改进。

I一种三片型照相物镜的设计摘要照相物镜的作用是把外界景物成像在感光底片上，使底片曝光产生景物象。

三片型照相物镜是目前很多照相物镜的基础，很多物镜都是基于三片型照相物镜发展而来的。

三片型照相物镜最初是将两个完全一样凸透镜分别置于一个凹透镜两边，使其总光焦度为零，这样构成对称结构，可以完全消除场曲。

而目前的三片型照相物镜可以由设计者根据基本结构设计自己所需要的物镜。

在照相物镜的设计上，基本都要求的是大视场，所以设计时需要对像差的校正也多一些。

设计所要求的三片型照相物镜的相对孔径D/ f´= 1/4.5，根据光学特性的要求，物镜的视场角2ω=40°，物镜的焦距为f´=100mm。

该次设计的三片型照相物镜是在一般的结构上进行优化设计的。

关键词：照相机，三片型照相物镜，像差，ZemaxII One kind of 3-piece type camera photographic lens designABSTRACTThe role of photographic lens is that take the outside world in the light-sensitive film on the imaging features to create scenes like the film exposure. 3-piece type camera photographic lens is the foundation of a lot of camera photographic lens at present. Many photographic lens development is based on the 3-piece type camera photographic lens. At the first, 3-piece type camera photographic lens is put the two same convex lens on a concave lens side. Make the Total light focal degrees is zero, Constitute a symmetric structures. To completely eliminate the field bending. But the present 3-piece type camera photographic lens by designer according to basic structure design which is needed. In the design of the camera photographic lens, all requests is basically the big field of view. So the design need more correction to the aberration.The design requests objective lens' relative aperture D/ f´ = 1/4.5, according to the optical character request, objective lens' angle of view 2ω=40°, and the focus of the photographic f´=100mm. In this design, the 3-piece type camera photographic lens is carries on the optimized design in the general structure.KEY WORDS：camera, 3-piece type camera photographic lens, Aberration, ZemaxIII目录摘要 (Ⅰ)ABSTRACT (Ⅱ)1 照相机物镜简介 (1)1.1 照相机物镜的历史背景 (1)1.2 照相物镜的特点及发展现状 (4)2 光学系统像质评价 (5)2.1概述 (5)2.2几何像差及其相应校正方法 (5)2.2.1 球差 (5)2.2.2 彗差 (7)2.2.3 像散 (9)2.2.4 场曲 (10)2.2.5 畸变 (11)2.2.6 色差 (122)2.2.7 高级像差 (14)2.3 像差校正的方法 (14)2.3.1像差校正方法 (14)2.3.2怎样使用阻尼最小二乘法程序进行光学设计 (16)3 三片型照相物镜的设计 (17)3.1 三片型照相物镜的结构形式 (17)3.2 应用ZEMAX软件进行设计 (18)3.2.1确定原始系统 (18)3.2.2像差的校正及优化 (23)3.2.3设计最终优化结果 (25)4设计总结 (29)致谢 (30)参考文献 (31)11 照相机物镜简介照相机的光学成像系统是按照几何光学原理设计的，并通过镜头，把景物影像通过光线的直线传播、折射或反射准确地聚焦在像平面上。

华侨大学厦门工学院光学软件设计课程设计报告题目：一款照相物镜设计专业、班级：13级光电2班学生姓名：***学号：*********指导教师：***分数:《课程设计》任务书课程名称：光学软件课程设计目录一、照相物镜简介................................ 错误!未定义书签。

二、确定初始结构 (6)三、用ZEMAX优化 (9)四、结论....................................... 错误!未定义书签。

五、心得体会.................................... 错误!未定义书签。

六、参考文献.................................... 错误!未定义书签。

一、照相物镜简介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，ll 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lf '=β Ⅱ）当物体处于无限远时，β→∞像高为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Nλλu 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。

视场无畸变照相物镜的设计
通常情况下，照相物镜的畸变会随着视场的增大而激剧增大，60度左右的照相物镜畸变可以控制在5%以内，而100度的视场物镜的畸变通常超过20%，在大视场的情况下，为了减小畸变通常采用的方法是加入非球面或者使镜头复杂化来达到畸变减少的目的，本设计就是通过结构复杂化的方法来达到控制畸变的目的，视场在100度时，畸变小于5%，仅供参考。

一、设计规格
视场：100度
畸变：<5%
光学总长：28mm
后工作距：>5mm
相对照度：>75%
F/NO：2.8
半像高：3.5mm
结构：10G（全部球面）
二、光学结构
三、MTF
四、场曲和畸变
五、垂轴色差
六、相对照度。

实验四 三片式照相物镜设计 实验目的：⏹ 掌握利用缩放法进行光学设计的基本步骤； ⏹ 掌握玻璃库的使用；⏹ 掌握光学传递函数MIT 对光学系统的表征；⏹ 掌握thickness 的solve type 设置（Marginal Ray Height 和Edge Thickness ）；⏹ 掌握多个操作数进行优化的方法。

实验要求：要求设计一个三片型照相物镜，光学特性要求为： 焦距mm f 100'= 相对孔径 5.4/1/'=f D视场角 402=ω光谱范围： 486nm ，587nm ，656nm ，以587nm 为主波长 根据光学特性和像方焦截距的设计要求，从专利资料中选用了如图1的三片型照相物镜专利。

专利中给出的系统的光学特性为：mm f 240'=，6/1/'=f D ， 322=ω图1 三片式照相物镜参考结构参数如表1所示：表1 结构参数表实验报告基本要求：（1）输入参考镜头的结构参数：镜头数据（lens data editor）、视场（0,4.8,8,11.2,16）、波长和孔径；根据提供的折射率和阿贝数，在玻璃库SCHOTT.AGF选择相应的玻璃牌号；给出初始结构包含玻璃的镜头数据图、视场设置图、波长设置图和孔径设置图；给出参考结构的像差特性曲线：ray fan图、OPD图、点阵图(波长2)、MIT图、单色球差图（波长2）、单色畸变/场曲图（波长2）；（2）计算设计结构和参考结构的缩放因子，并在zemax中进行参数的缩放变换，将视场、波长和孔径设置为设计要求值，其中视场设置为：0,6,10,14,20，给出缩放后的镜头数据图、视场设置图、波长设置图和孔径设置图；（3）玻璃边缘厚度设置：由上图的二维图形可知，玻璃的形状畸形，实际生产中是不现实的，所以对其边缘进行设置。

由二维图形可知，第一块与第三块玻璃得进行设置，所以在Lens Date Editor中第一面与第六面thickness栏右击在Solve Type中选择Edge Thickness，并且在Thickness中输入值0.1。