照相物镜镜头设计与像差分析

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。

课程设计说明书工程光学课程设计题目：照相物镜镜头设计与像差分析院（系）名称信息工程学院专业班级光电信息科学与工程学号********XX学生姓名T X Y指导教师2016年1月10日目录1照相物镜发展历程 (1)1.1风情摄影物镜 (1)1.2匹兹堡人物物镜 (1)1.3对称型物镜 (1)1.4三片式物镜 (1)1.5双高斯物镜 (2)1.6摄远物镜 (2)1.7反摄远物镜 (2)1.8广角物镜 (2)1.9变焦距物镜 (2)2照相物镜光学性能 (3)2.1相对孔径 (3)2.2视场角2W (3)2.3焦距F’ (3)3设计过程 (5)3.1初始结构的选择 (5)3.2输入参数和缩放 (6)3.3在ZEMAX中进行优化 (8)总结 (14)致谢 (15)参考文献 (16)照相物镜镜头设计与像差分析摘要随着信息化时代的到来，人们对照相的要求也越来越高，而照相物镜是照相机的眼睛，它的精度和分辨率直接影响到照相机的精度与成像质量。

要保证所设计的照相物镜达到较高的技术要求，在设计时就必须达到更高的精度和分辨率。

完成本课题需要以下几个部分第一：知晓物镜发展历程和物镜基本光学性能；第二：选择所需器件参数，符合本次课题设计要求；第三：应用ZEMAX光学设计软件进行课题设计；第四：对各结构元件进行反复的优化设计，使之达到要求的技术指标并显示快速傅里叶显示图，赛德尔系数，视场、场曲失真图第五：总结了设计过程的心得体会。

关键词：ZEMAX；物镜；赛德尔系数；快速傅里叶1照相物镜发展历程物镜的发展经历了许多年，经过不断地更新与发展，实际用途越来越广，质量越累越好，物镜经历了以下发展：1.1风情摄影物镜最早出现的照相物镜在1812年是单片的正月牙透镜，相对孔径小于1:14，视场50度以内，可用于室外照明良好的条件下拍照。

1821年出现了胶合的透镜，代替了弯月牙型的单透镜，双胶合透镜因色差得到校正成像质量有所提高，但制作成本比较高，正、负透镜分离的形式可以得到更好的成像质量，因为双分离情形下可以更好地校正色散。

镜头的像差光学人生，精彩人生近来一些网友对镜头中的非球面镜，复消色散镜片的提出了一些问题，为了从光学原理上向网友解释这些问题，特将手边有关的光学基础知识资料整理录入，希望能给想了解这方面内容的网友一些帮助。

这是其中的一部分——镜头的像差。

镜头的像差像差[aberration]理想的摄影镜头在成像时，必须具备下列几点特性：①点必须成像为点。

②正前方的面必须与光轴垂直成像为正的面。

③被摄体与镜头的成像必须是相似形。

此外，从映像表现面来看，忠实的色彩再现性也不容忽视。

如果只注意到靠近光轴的光线，那么，单色光（特定波长的光）的场合就可以获得接近理想镜头的描写性能。

然而，对于必须使用大光圈以获取充分的光量，对焦也不只限于近光轴区域，而是画面的每一个角落的摄影镜头而言，只要下列各项障碍因素存在，满足理想条件的完美镜头是不存在的:1.几乎所有的镜片面都是球面构成的，因此，以点呈现出来的光，无法结成理想的点。

2.光的波长的不同，焦点位置也不同。

3.广角、变焦、望远等，改变画角时所衍生的各色各样的需求。

包括这些因素在内的成像，和理想的像之间的差异，总称为像差（aberration）。

总之，为了实现高性能镜头的目标，如何全力减少像差，以及如何尽量接近理想成像，将是最关键性的课题。

像差为不同波长的光所引起的·色像差以及·单色光所引起的像差两种。

→色像差→赛德尔（Seidel）的五像差。

色像差[chromatic aberration]当像阳光这种白色光（由于各种色光平均地混在一起，所以感受不出色彩）通过三棱镜时，我们可以观察到彩虹光谱。

这是因为波长的折射率（和色散率）不同所引起的现象（短波长的折射率强，长波长的弱）。

这种发生在三棱镜的现象，虽然程度有别，但同样会发生在镜头上。

这种起因于不同波长的像差，我们称它为色像差。

色像差分成两种，一为光轴色像差（axial chromatic aberration），指的是光轴上的焦点位置，因波长不同产生异动现象；另一为倍率色像差（chromatic difference of magnification），为画面周边因波长的差异，所引起的映像倍率改变之谓。

光学镜头成像质量评估与优化设计随着像素越来越高、传感器越来越大，光学镜头的成像要求也越来越高。

每一个厂家都在努力制造尽可能清晰、尽可能色彩真实、尽可能不失真的镜头，但这只是基本的要求，如何评价镜头的良好程度是一个复杂的任务。

而要优化镜头，使它越来越好，需要明确一些目标参数，并对这些参数进行研究。

第一步：确定目标参数光学镜头的成像质量主要包括分辨率、畸变、色散、虚光、像差等参数。

下面分别介绍这些参数的含义和标准以及如何优化。

1. 分辨率分辨率用来描述镜头投射的物体最小细节被捕捉的程度，它通常由图像上的线对数来表示。

目前常见的图像分辨率标准有全高清、4K等。

而针对光学镜头，分辨率还通常用MTF（Modulation Transfer Function）曲线来表示。

MTF曲线是描述镜头成像质量的一个很好的标准，它的坐标轴是分辨率和对比度，通过这个曲线可以了解它对不同对比度的细节捕捉程度。

MTF曲线降至50%处对应的分辨率称为Modulation transfer function 50（MTF50），这通常是评价分辨率最主要的标准。

对于一款好的镜头，MTF曲线应该尽量平稳，而且集中在高频细节区域。

2. 畸变畸变是指物体被放大或缩小后变形的现象。

这通常是由于镜头不完全的球状曲线或钱形形状导致的。

畸变分为径向畸变和切向畸变两种类型。

在摄影中，径向畸变通常指圆形对象的呈现不够真实和标准。

这个问题出现在小焦距广角镜头上特别明显，而切向畸变可以在机器视觉任务中和相应的测量应用中看到。

3. 色散色散是光线经过透镜聚焦后呈现不同颜色的现象。

光谱成份有不同的折射率并且在透镜内透过的轨迹也稍有不同，这就造成了颜色的偏差，这通常被称为色差。

镜头分为长焦和广角，并且也通常有单片或复合片层，因此也可以分为长焦色散和广角色散。

所以评估镜头色散的方式应该根据镜头本身来设计，通常需要测量成像的各种颜色。

4. 虚光在光源非常强时，将镜头置于光源的正面，较差的镜头通常在成像区域产生亮斑。

zemax像差知识总结第一篇：zemax像差知识总结一、zemax的spot diagram的看图方式说明光学设计程序zemax中有个很常用的评测光学系统质量的分析工具－spot diagram，中文翻译就是点图，借助它可以形象的对光学系统成像进行很好的描述。

这里写下本人对spot diagram的体会和认识。

可以通过多种方式在zemax中显示点图，方式一：直接点击在屏幕菜单工具栏中的“Spt”按钮；方式二：选择菜单Analysis-Spot Diagrams-Standard。

点图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。

换句话说，它就是通过计算，把一系列物方的点通过光学系统以后，成像在IMA面上的情况给实际绘制出来。

为了表现方便，它可以选择一系列预定的模板形式，具体来说，比如一个在轴上的点，从无限远成像到IMA面上，zemax就模拟在无限远有若干个发光点，这些点平行射入入瞳，然后经过光学系统，最后成像在IMA面上。

显然如果光学系统是完美的光学系统，那么这些点成像点为一个理想的点。

但对于实际的光学系统，就会成像为一个弥散斑。

那么这个弥散斑在IMA面上的像，就是Spot Diagram。

同理，在非轴上点，也可以参照主光线的角度和位置，形成一系列的发光点，经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。

如何通过spot diagram看光学设计的质量，简单说，这个弥散斑越小越好。

如果你发现弥散斑足够小，满足你对光学系统最小弥散斑的要求（spot diagram的单位是微米）那么你的光学系统就完全可以进行实际的加工了。

换句话说，就是你的光学系统已经可以设计完成了。

如何才知道你的光学系统足够的好？这里有个参考，就是airy斑的参考。

airy斑是物理光学的一个概念。

它指出在形成的弥散斑直径在2.44*F*(主波长)以内的时候，该光学系统可以认为是理想（完美）光学系统。

这样当你在spot diagram图中，在setting菜单中，设置显示airy斑。

摄影镜头的像差2019-09-02谁都希望⾃⼰所⽤的照相机镜头能够拍摄出影像清晰、反差适中、⾊彩还原真实的理想照⽚。

但要制造出⼀只优秀的摄影镜头，则需克服影响镜头正确成像的若⼲困难。

⼀个半世纪以来，从事摄影镜头设计与制造的⼈们，主要⾯对的即是镜头的各种像差。

纠正像差是镜头设计的根本。

摄影镜头的成像是由⼀组透镜组成的光学系统形成的，由于光学系统的组成不同、材质不同、折射不同及光线中各种光波的波长不同，致使景物的每⼀点通过摄影镜头的光学系统后不能准确地汇聚在焦平⾯上成⽐例的、相对应的点上，这种现象我们称之为像差。

所有摄影镜头都存在像差，优质摄影镜头的像差⼩，劣质摄影镜头的像差⼤，先说⾊差现象。

⽤⼀个较⾼放⼤倍率的放⼤镜观察⽩纸⿊字。

调整距离后我们会发现⿊字的边缘呈现出彩⾊现象，且⽆清晰的边界。

这种现象我们称之为⾊差。

⾊差形成的原因是摄影镜头光学系统中透镜对不同光波的折射率不同形成的。

具体地说我们可以把摄影镜头的光学系统看成⼀个正透镜，同时我们也可以把正透镜看成是由多个三棱镜组成。

（如图）因为⽩光是由不同波长的光波组成，⼀束⽩光通过三棱镜的两个界⾯后，由于折射率不同所以出来的是七⾊光。

这就是⾊差形成的主要原因。

⾊差⼜分为位置⾊差和放⼤率⾊差。

位置⾊差⼜叫纵向⾊差，它是由于透镜对不同⾊光的折射率不同，在焦点周围形成不同颜⾊的同⼼圆环现象。

放⼤率⾊差⼜叫横向⾊差，它是透镜对不同⾊光的放⼤率不同⽽形成的，横向⾊差的现象是影像尺⼨有差异。

单⾊光通过摄影镜头后是否就没有像差呢？答案是否定的。

单⾊光通过摄影镜头所形成的像差我们称之为单⾊像差。

单⾊像差⼜有以下⼏种现象组成。

1、球差：是指景物上的各点不能在焦平⾯的各对应点上清晰的成像。

我们也可以通过简单的试验来观察球差现象。

仍然⽤放⼤镜来看书，调整放⼤镜与书的距离，当放⼤镜中⼼部分的字清晰时，边缘的字却是模糊的。

这就是球差现象。

球差现象⼜有三种。

第⼀种叫⽋正球差，⼜叫⼀级球差。

相机镜头这么贵，主要是想纠正这些偏差单反穷三代，摄影毁一生。

纵然我摄影水平不高，但这也阻止不了我对牛头的渴望。

最近总觉得自己得了病，一看到什么金圈红圈蓝标就口眼歪斜、震颤流涎。

呃，扯歪了……不管你是喜欢拍照、或是热衷于创作，亦或者跟我一样，只想当一个安静的抚摸党，高端镜头带来的满足感是无法替代的。

它们成像优异、手感顺滑，一旦拥有别无所求。

虽然千好万好，但高昂的售价和可观的重量则是它们的硬伤。

这时候你该问了，为什么牛头都又粗又长又沉又贵呢！其实这跟镜头的工作原理有关系。

大家都知道，镜头成像是通过光的折射来完成的，理想状态下，凸透镜可以将光线汇聚成一个点，这个点叫做焦点；凹透镜则会将光线发散，bla bla bla。

好了，初中知识就复习到这，但你也知道，物理学中的理想状态，在现实中是不太会发生的，所以依靠一枚凸透镜就能拍出理想的照片也仅仅是理想。

因此，在实际的光学系统中，光线的估计要比理想状态有不少偏差，而这个偏差，就叫做像差。

为了纠正各种像差，光学工程师们不断地为镜头加入各种各样的矫正镜片，这也使得镜头变得更长、更粗、更重。

像差分为两大类，单色像差和色差。

早在1856年德国数学家范·赛德尔（Van Seidel）就总结出了单色光的五种像差，被称作赛德尔五像差。

这五位就是鼎鼎大名的球差、慧差、像散、场曲和畸变，百余年来多少光学工程师都在倾尽全力跟它们抗争，以求带来更好的镜头，下面我就来具体说一下这五种单色像差到底是怎么把成像搞坏的。

球差摄影镜头中使用的镜片，通常是球面镜，这种镜片的表面延伸后，会闭合成一个球面。

球面镜的优点是曲率一致，加工和计算的难度都不大。

下面就是几种最常见的球面镜片：光线在经过折射时，中心与边缘的光学不能将影像汇聚成一个点，这就是球面像差，简称球差。

在球差的影响下，镜头的成像品质会下降，点光源会变成一个亮斑。

这种现象会严重影响成像的锐度，而且镜头光圈越大，受球差的影响也越大。

光学系统中的像差分析和校正方法随着光学技术的进步，无论是照相机、望远镜还是显微镜等光学系统，都要求拥有更高的像质，使成像更加清晰、精确。

因此，在光学系统的设计和制造过程中，像差分析和校正是非常重要的一环。

像差是指光学系统产生的成像误差，它会使图像的清晰度受到影响，并在像素边缘处产生明显的颜色条带或失真图像。

像差校正的主要目的是消除这些成像误差，提高图像的质量和精度。

一、像差的分类像差可以分为以下几种类型：1.球面像差在球面镜、板、透镜等曲面光学元件中，由于它们表面形状的不完美，光线的折射或反射会在成像时产生球面像差，表现为图像模糊。

2.彗差彗差也称为横向色差，由于不同波长的光线通过一个透镜或反射镜时，会有不同的折射和反射角度，从而产生颜色分散，也就是无法再一个平面上使各个颜色成像点重合。

3.色差色差是指白光透过透镜后，不同波长的光聚焦在不同的位置上引起的颜色偏移。

色差的存在会导致图像出现彩色边缘，影响图像质量。

4.像散在长焦距的透镜、镜头、物镜等成像光学元件中，像散是由于成像光线在离开中心轴越远时，折射率不同，故在焦点处呈现不同的倾斜角度，导致成像的失真。

5.场曲像差场曲像差是指由成像面不处于透镜的球心所致，其成像中心随离开中心轴的距离增加而移动，使得像面上各位置的成像质量不同二、像差的校正方法像差的校正方法有很多种，以下列举几种常见的校正方法。

1.双胶片法双胶片法利用两张胶片，一张记录像差前的图像，一张记录像差后的图像，通过这两张胶片的重叠，可以将像差进行校正，并可实现比较各种成像途径下成像品质的差异。

2.逆向变换法逆向变换法是一种利用计算机进行像差校正的方法。

通过精确的像差分析，再根据成像系统原理，采用数学方法将像差进行形变，最后实现像差的校正。

3.消像差片消像差片是一种特殊的光学元件，可以消除球面、彗差和色差。

消像差片有两个表面，分别有逐渐变厚或逐渐变薄的不同层厚度的玻璃层，可在不同波长下做出透镜的反色散效果，实现彩色成像。

来看看什么是镜头像差一个理想的镜头，应能在全部有效视场内将物平面上的每一个物点，都在像平面上相应的位置处形成一个清晰的像点，但实际的镜头并不能在像面上各处都形成理想的像。

镜头所形成的实际影像与理想的影像之间的差异称为像差。

常见的像差可分为单色像差和色差两大类。

单色像差单色像差是指单一顔色的光通过镜头后形成的像差，主要有以下几种：球差在光学中，球差是发生在经过透镜折射的光线，接近中心与靠近边缘的光线不能将影像聚集在一个点上的现象。

这是因为透镜是球面的形状，不能聚集在一个点上造成的。

球差并不是因光学系统制作不良引起的缺陷，而是球面折射固有的性质。

镜面的直径越大，焦长越短，这种现象就越严重。

非球面镜可以消除球差，但是因为球面镜比非球面镜容易制造，所以绝大部分光学透镜都是球面镜。

近年来随着非球面镜制作工艺的普及，业余低档镜头中也大量使用非球面镜了。

选择适当的凹透镜配合凸透镜组成复合透镜组，由于凹、凸透镜各自对光线的作用正好相反，它们产生的球差也往往是相互抵消的，所以能比较好地消除球差。

这也是一种常用的消除一般球差的方法。

照相机中用多片凸透镜和凹透镜来减少球差。

照相机中可以用光圈来减少球差。

当球差较大时，镜头的成像位置会随着光圈的大小而变化。

彗差一束与光轴夹角较大的斜射成像光线称为远轴光线。

当远轴光线经过镜头时无法汇聚于一点，经常是形成一个彗星状的光斑，此种像差称为彗差。

初级彗差与二级彗差彗差是远轴光线特有的像差，多产生于短焦镜头的画面边缘。

缩小光圈可以较好地减少彗差。

但是彗差是一种非常顽固的像差，即使设法消除了初级彗差后，常会产生出较小但形状更复杂的二级彗差。

像散一束很细的远轴光线经过镜头后会在不同的空间位置上聚焦成两条微小的焦线，一条沿着从画面中心指向边缘的半径方向，称为径向焦线或弧矢焦线，另一条沿着以画面中心为圆心的圆周方向，称为切向焦线或子午焦线。

真正的聚焦的像点在两条焦线的中间，呈现为一个比较模糊的光斑。

相机镜头五种象差简介一、单色象差如果镜头只对单色光成象，那么共有五种性质不同的象差．它们是影响成象清晰度的球差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似程度的畸变。

1、球差由光轴上某一物点向镜头发出的单一波长的光线成象后，由于透镜球面上各点的聚光能力不同，它不再会聚到象方的同一点，而是形成一个以光轴为中心的对称的弥散斑，这种象差称为球差，如图1-2-10所示。

球差的大小与物点位置和成象光束的孔径角大小有关。

当物点位置确定后，孔径角越小所产生的球差也就越小。

随着孔径角的增大，球差的增大与孔径角的高次方成正比。

在照相镜头中，光圈数增加一档（光孔缩小一档），球差就缩小一半。

因此在拍摄时，只要光线强度允许，就应该使用较小的光圈拍照，以便减小球差的影响。

2、彗差光轴外的某一物点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在象平面上会形成不对称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状呈彗星形，即由中心到边缘拖着一个由细到粗的尾巴，其首端明亮、清晰，尾端宽大、暗淡、模糊。

这种轴外光束引起的象差称为彗差。

彗差的大小是以它所形成的弥散光斑的不对称程度来表示。

彗差的大小既与孔径有关，也与视场有关。

在拍摄时与球差一样，可采取适当收小光孔的办法来减少彗差对成象的影响。

摄影界一般将球差和彗差所引起的模糊现象称为光晕。

在绝大多数情况下，轴外点的光晕比轴上点要大。

由于轴外象差的存在，我们对于轴外象点的要求不应该比轴上点高，至多一致，即两者具有相同的成象缺陷，此时我们称等晕成象。

随着相对孔径的增大，球差和彗差的校正将更加困难，放在使用大孔径镜头时，应事先了解镜头的性能，注意到那档光圈渐晕最小，在可能情况下，应尽量缩小光孔，以提高成象质量。

3、象散象散也是一种轴外象基，与彗差不同，它是描述无限细光束成象缺陷的一种象差，仅与视场有关。

由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束的会聚点与弧矢细光束的会聚点各处于不同的位置，与这种现象相应的象差，称为象散。

应用光学课程设计课题名称：照相物镜镜头设计与像差分析专业班级：2009级光通信技术学生学号：学生姓名：学生成绩：指导教师：课题工作时间：至武汉工程大学教务处课程设计摘要（中文）在光学工程软件ZEMAX 的辅助下, 配套采用大小为1/英寸的CCD 图像传感器,设计了一组焦距 f '= 12mm的照相物镜, 镜头视场角°, 相对孔径D/f’=2. 8, 半像高mm ,后工作距，镜头总长为。

使用后置光阑三片物镜结构，其中第六面采用非球面塑料，其余面采用标准球面玻璃。

该组透镜在可见光波段设计，在Y-field上的真值高度选取0、、、，总畸变不超过%，在所选视场内MTF轴上超过60%@100lp/mm,轴外超过48%@100lp/mm，整个系统球差，慧差，像散。

完全满足设计要求。

关键词：ZEMAX；物镜；调制传递函数ABSTRACTBy the aid of optical engineering software ZEMAX，A focal length f '= 12mm camera lens matched with one CCD of 1/ inch was designed。

Whose FOV is °, Aperture is 2. 8，half image height is mm，back working distance and total length is mm. Using the rear aperture three-lens structure，a aspherical plastic was used for the sixth lens while standard Sphere glasses were used for the rest lenses。

The group Objective lenses Designed for the visible light，Heights in the true value as Y-field Defined as 0、、、，total distortion is less than %，Modulation transfer function of shade in the selected field of view to meet the axis is greater than 60% @ 100 lp / mm, outer axis than 48% @ 100 lp / mm，The sum of the whole system spherical aberration ，Coma is ，Astigmatism is 。