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光学镜头参数详解
摘要：
I.光学镜头概述
- 定义与作用
II.光学镜头的主要参数
- 焦距
- 相对孔径与光圈数
- 视场角与像面尺寸
- 分辨率
- 景深
- 工作距离
- 相机接口
III.光学镜头的选择与应用
- 选择光学镜头的考虑因素
- 光学镜头的应用领域
IV.结论
正文：
I.光学镜头概述
光学镜头是一种用于将光线聚焦在一点上的光学器件，通常由多个透镜组成。
它广泛应用于各种光学设备和仪器中，如照相机、望远镜、显微镜等。
光学镜头的主要作用是将来自物体的光线聚焦在成像传感器或眼睛上，从而产生
清晰的图像。
II.光学镜头的主要参数
1.焦距
焦距是指从光学镜头的中心点到焦点的距离。
它决定了像与实际物体之间的比例。
镜头焦距越长，成像越大。
2.相对孔径与光圈数（f）
相对孔径是指镜头的有效孔径与焦距的比值，主要影响像面的照度。
大相对孔径红外变焦距光学系统设计秦志鹏，车新宇，肖颖【摘要】摘要：设计了工作在8～12μm波段的非致冷红外连续变焦光学系统。
该系统由4组元5片透镜组成，其中前固定组、变倍组和补偿组均只有1片透镜，后固定组为两片。
焦距50～200mm，相对孔径较大，为1∶1。
设计过程中编写了适用于二组元变焦系统的ZEMAX宏程序，该程序可给出凸轮曲线的数据和形状，同时使像面位置不受限于高斯光学关系，能够满足某些焦距位置离焦的要求。
系统在空间频率为20lp/mm处，各个视场的MTF值均在0.4以上。
【期刊名称】长春理工大学学报（自然科学版）【年(卷),期】2013(000)005【总页数】4【关键词】光学设计；红外变焦；衍射光学；ZEMAX宏程序由于红外光谱的辐射和传输特性，使红外光学系统具有一定的穿透烟、雾、霾等限制的能力，还具有环境适应性好、隐蔽性好、能在一定程度上识别伪装目标的优点。
焦距可变的红外光学系统可以在短焦大视场时对大范围扫描，同时也可在长焦时进行小范围的仔细观察，克服了传统的定焦光学系统换镜头导致的像不连续，短时间目标丢失的缺点［1，2］。
基于以上优点，近年来，对红外连续变焦光学系统的需求日益增强。
本文设计了结构紧凑的长波红外连续变焦距光学系统。
同时将ZEMAX宏程序给出凸轮曲线数据和形状的方法应用到本设计中［3］，这种方法具有不受限于高斯光学计算，能够满足某些焦距位置离焦要求的特点。
1 光学系统设计1.1 光学设计指标要求该长波红外连续变焦光学系统采用384×288非制冷焦平面阵列探测器［4］，像元尺寸为25μm×25μm。
该系统的设计指标要求，如表1所示。
1.2 光学设计思想本设计的相对孔径较大、焦距较长，在这种情况下为使光学筒长较短，采用机械补偿中有利于减小总长的负组补偿形式；由于红外材料的透过率较低，应用较少的透镜数量，以提高到达像面的能量；利用衍射面具有负阿贝数的色散特性来校正色差［5］，将衍射面设置在前固定组的后表面，因为前组的色差会被后面的组元放大，因此在前组消色差。
第十一章 光的干涉1． 双缝间距为1mm,离观察屏1m,用钠光灯做光源，它发出两种波长的单色光nm 0.5891=λ和nm 6.5892=λ，问两种单色光的第十级亮条纹之间的间距是多少？解：由题知两种波长光的条纹间距分别为961131589105891010D e m d λ---⨯⨯===⨯ 962231589.610589.61010D e m d λ---⨯⨯===⨯ ∴第十级亮纹间距()()65211010589.6589100.610e e m -∆=-=⨯-⨯=⨯2． 在杨氏实验中，两小孔距离为1mm,观察屏离小孔的距离为50cm,当用一片折射率为1.58的透明薄片贴住其中一个小孔时（见图11-17），发现屏上的条纹系统移动了0.5场面，试决定试件厚度。
解：设厚度为h ，则前后光程差为()1n h ∆=- ()1x dn h D∆⋅∴-=230.510100.580.5h --⨯⨯=21.7210h mm -=⨯3． 一个长30mm 的充以空气的气室置于杨氏装置中的一个小孔前，在观察屏上观察到稳定的干涉条纹系。
继后抽去气室中的空气，注入某种气体，发现条纹系移动了25个条纹，已知照明光波波长nm 28.656=λ，空气折射率000276.10=n 。
试求注入气室内气体的折射率。
图11-47 习题2 图解：设气体折射率为n ，则光程差改变()0n n h ∆=- ()02525x d dn n h e D Dλ∆⋅∴-==⋅= 9025656.2810 1.000276 1.0008230.03m n n h λ-⨯⨯=+=+= 4． ** 垂直入射的平面波通过折射率为n 的玻璃板，投射光经投射会聚到焦点上。
玻璃板的厚度沿着C 点且垂直于图面（见图11-18）的直线发生光波波长量级的突变d ，问d 为多少时，焦点光强是玻璃板无突变时光强的一半。
解：无突变时焦点光强为04I ，有突变时为02I ，设',.d D 200'4cos 2xd I I I Dπλ== ()'104xd m m D λ⎛⎫∴∆==+≥ ⎪⎝⎭又()1n d ∆=- 114d m n λ⎛⎫∴=+ ⎪-⎝⎭5． 若光波的波长为λ，波长宽度为λ∆，相应的频率和频率宽度记为ν和ν∆，证明λλνν∆=∆，对于nm 8.632=λ的氦氖激光，波长宽度nm 8102-⨯=∆λ，求频率宽度和相干长度。
相对孔径为1：1镜头的光学系统设计
周华鹏;陈文建;唐绍凡
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2007(28)1
【摘要】介绍一种相对孔径为1:1的光谱摄像镜头.利用非球面光学表面将复杂化的Petzval型结构形式改进为3片结构,其主要光学参数f'=120 mm,F=1,τ≥90%,系统MTF=0.85时的成像质量所对应的空间频率大于20 lp/mm.结合非球面加工工程化研究需要对该镜头的结构进行优化,给出了多种像差曲线及MTF数据,并对未来可进行的进一步改进进行了探讨.
【总页数】3页(P55-57)
【作者】周华鹏;陈文建;唐绍凡
【作者单位】西安应用光学研究所,西安,710065;西安应用光学研究所,西
安,710065;北京空间机电研究所,北京,100076
【正文语种】中文
【中图分类】TN94
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1.大相对孔径紫外成像仪光学系统设计 [J], 崔穆涵;田志辉;周跃;章明朝;陈雪;李佳起;易翔宇
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曹兆楼
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第38卷第4期2009年4月 光 子 学 报ACTA P HO TON ICA SIN ICAVol.38No.4April 20093国防科技重点实验室基金(51448030105ZK1801)资助Tel :02928888754828000 Email :minrycn @ 收稿日期:2007211206大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计3谢正茂1,2,董晓娜1,陈良益1,余义德3,何俊华1(1中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710119)(2中国科学院研究生院,北京100049)(391550部队,大连116011)摘 要:分析了大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计特点.基于反摄远结构引入一个高次非球面设计了相对孔径为1/1.4,水下全视场66°,焦距11.85mm ,光谱响应范围0.48～0.60μm ,采用平面水密壳窗的水下专用摄影物镜.全视场M TF 在空间频率42lp/mm 时高于0.4.与相同技术要求下全部采用球面透镜的设计进行比较,表明该摄影物镜结构更简单,成像质量也更优异,能够满足深水微光摄影物镜对大视场、大相对孔径、小型化、轻量化的需求.关键词:水下摄影;大视场大相对孔径;反摄远;非球面;光学设计中图分类号:TN942 文献标识码:A 文章编号:100424213(2009)042891250 引言水下摄影技术诸如水下机器人视觉、水下电视是进行水下探测的基本手段,在国防、海洋开发与工程、水下考古等领域起着极其重要的作用并因此受到世界各国的广泛重视[123].由于摄影物镜物方水介质的影响使得地面上使用的光学系统经过简单防水密封后用于水下成像会遇到很多问题,比如像质恶化、视场损失等等.文献[4]中介绍几种地面使用光学系统用于水下成像时的改装方法,但这并不能彻底地消除水介质对光学系统成像质量的影响.为了解决这一难题人们设计了水下专用摄影物镜,这类镜头从设计之初就综合考虑了水介质的影响,即前透镜直接与水接触,因此像差可以校正到高质量地面镜头的水平.目前国内外公开报道的水下专用摄影物镜不具备大视场、大相对孔径兼有的特点,其相对孔径一般在1/2.8～1/2.0,水下全视场角低于40°,另外结构也较复杂,不但无法充分地利用水下光能,而且限制了观测范围的提高,很难满足目前深水微光摄影物镜对大视场、大相对孔径、小型化、轻量化的需求[527].本文分析了大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的关键因素,设计了一个相对孔径为1/1.4,水下全视场角66°,焦距11.85mm 的水下专用摄影物镜.该物镜基于反摄远结构,结构更简单,成像质量更好.由8片(不包括平板水密壳窗)采用普通玻璃材料的透镜构成并引入了一个高次非球面.1 光学系统关键点分析1.1 光能衰减研究表明,水对光的强烈吸收和散射使得光能在水中按指数规律迅速衰减.水下不同深度的光照度可用下式来进行估算I =I 0e -k (λ)・z (1)式中I 为水下深度为z 处的照度,I 0为海面的光照度,z 为水下的深度,k (λ)为水衰减系数,它随波长λ的变化而变化.一般纯净海水对“蓝绿”光(0.48～0.57μm )具有相对较高的透过率,但水对光能的吸收也足以使光强每米衰减百分之四,相对而言水对红外及紫外光的吸引则更为强烈.正因为如此,水下光学系统的光谱适应范围一般也比较窄,从这个意义上来说有利于光学系统色差的校正,但是当自然光在水中衰减到一定程度以至于无法成像时必需要借助于水下辅助照明.由于e 光处于“蓝绿”光光谱范围之内,所以水下一般采用e 光消单色像差,而色差的校正要根据镜头的使用环境、深度、照明并结合水对光的传播特性进行合理选择.除了水对光的吸收特性之外,水对光的另外一个重要特性是散射.水中的悬浮颗粒以及微生物对光的散射包括前向散射和后向散射,前向散射会减小成像系统的作用距离,而后向散射则会降低成像的对比度使像面变得模糊不清[8].此外水的折射率、色散特性并不是常量,他们会随着深度、温度、盐度等环境因素的改变而变化,比如纯净水折射率为1.33,而一般海水的折射率为1.34,因此光学系统在设计过程中物方折射率的选择必须依据光学系统使用环境来确定.1.2 光学参量的确定水下专用成像物镜的光学参量主要有相对孔径光 子 学 报38卷D/f ′、视场角2ω、焦距f ′.由于水下光能衰减严重,必须保证目标及像面都有较高的照度才能得到比较理想的成像效果.鲁西莫夫[9]提出像面照度E i =πB 4(D f ′)2Tn 2w (2)式中B 为未衰减的照度,n w 为水的折射率,T 为水路径衰减系数.当B 、n w 、T 一定时像面照度与相对孔径D/f ′的平方成正比,相对孔径越大则像面照度越高,同时在焦距一定的前提下CCD 探测器的信噪比也会随之提高.因此,对于深水微光成像而言提高摄影镜头的相对孔径是非常有利也是非常有必要的,但是如果相对孔径达到1/1.4、1/1.2甚至更高则会给球差和彗差的校正带来极大的难度并导致结构更加复杂.当相对孔径确定之后则要进一确定视场2ω和焦距f ′.如图1,将光学系统视为理想光学系统,常用光学系统物方及像方介质均为空气,而水下光学系统物方介质为水,像方介质为空气.图1 光学参量Fig.1 Optical parameter假设镜头物方最短成像距离为L ,在该距离上要看清物高为2H 的目标,接收器件对角线长为2η′.则水下物方视场角2ω=2arctan (H/L )(3)焦距为[4]η′=-n w f ′tan ω(4)由式(4)可以求得镜头像方的参考焦距f ′=-η′/n w tan ω(5)1.3 光学非球面对于摄影物镜,为了在像面得到比较好的成像质量必须要校正七种像差,即球差、彗差、像散、场曲、畸变、轴向色差、垂轴色差.以上各像差的级数展开式为[10]球差:δL ′=A 1h 2+A 2h 4+A 3h 6+…(6)彗差:K ′S =B 1y h 2+B 2y h 4+B 3y 3h 2+…(7)像散:x ′t s =C 1y 2+C 2y 4+C 3y 6+…(8)场曲:x ′p =D 1y 2+D 2y 4+D 3y 6+…(9)畸变:δy ′z =E 1y 3+E 2y 5+…(10)轴向色差:ΔL ′FC =a 0+a 1h 2+a 2h 4+…(11)垂轴色差:Δy ′FC =b 1y +b 2y 3+b 3y 5+…(12)式中A ,B ,C ,D ,E ,a ,b 分别为级数展开式系数,h为光线的入射高度,y 为物高或视场角.式(6)至(12)中第一项为初级像差,其余高次项代表高级像差.单色像差中球差主要和通光口径h 有关,像散,场曲,畸变只与视场y 的大小有关,而彗差不仅与视场有关还和通光口径有关.对于小视场小相对孔径光学系统的像差只要消除初级像差即可,而大视场和大相对孔径水下专用摄影物镜中各种高级相差都非常显著,因此不仅要校正以上七种初级像差还要校正高级像差,比如高级球差、高级色差等等,这必然会导致光学系统过于复杂.同时对玻璃材料的选择也更加依赖于不常用且比较昂贵的镧系(La )玻璃,由此将带来诸多不良后果,比如光能损失、延长加工周期、提高生产成本等等.为了解决这一难题,在成像质量和结构简化之间取得兼顾,引入高次非球面无疑具有重要意义.高次非球面相对于球面而言具有很多不可比拟的优势,其面形由高次多项式决定,各点处的曲率不同,可以用于校正球差、彗差、像散、场曲等像差,从而提高相对孔径,扩大视场角,减少玻璃片数.伴随着非球面计算辅助设计、加工、检验技术的飞速发展,非球面技术已经广泛应用于军用、民用光学系统中,如空间光学系统,高质量数码摄像镜头等等.在ZEMAX 程序中偶次非球面方程为z =cr 21+1-(1+k )c 2r2+α1r 2+α2r 4+α3r 6+α4r 8+α5r 10+ (13)c 为顶点曲率,k 为二次曲线常量,α1、α2、α3、α4、α5为非球面系数.其中第一项为一般二次曲面方程,第二项为二次抛物面方程.在高次非球面的实际应用过程,一般到用到10次项就可以满足要求,如果用到更高次项则会给非球面的加工、检验带来更大的困难.2 设计实例设计一个相对孔径为1/1.4,水下全视场角66°的水下专用摄影物镜,接收器件为感光面尺寸15.3×12.3mm ,最小像元12μm 的大面阵CCD.该光学系统的相对孔径和视场都很大,给高级球差和彗差、轴外像差如场曲、像散、畸变的校正带来了极大的困难.同时光学系统又不能太复杂,否则不仅会增加光能的损失而且装配准确度也更难控制.在简化系统结构的前提下,必须通过合理选择初始结构,优化玻璃组合,在适当位置引入非球面来保证光学系统的质量.2.1 设计结果该光学系统以e 光(0.546μm )消单色像差,2984期谢正茂,等:大视场大相对孔径水下专用摄影物镜的设计0.48μm 和0.6μm 消色差,并且在边缘视场的渐晕系数设为0.3,用到玻璃材料有K9、ZK7、ZK9、ZF6、ZF7、ZBA F1.光学系统结构如图2,其中物方介质为海水,折射率为1.34.考虑到结构设计、镜头调焦方式等因素,选择平板玻璃作为水密壳窗.图2 光学系统结构Fig.2 Layout of optical system水密壳窗的材料为石英玻璃(J GS1).这种材料具有优良的光谱特性和化学稳定性,耐酸性能好,比重小,膨胀系数低,抗压强度高,作为水密壳窗材料是非常合适的.参考以往经验取水密窗口的厚度为9mm ,口径为Φ65mm.水密壳窗距离第二片透镜的间隔为5mm.整个系统总长度即水接触面到成像面之间的距离为163.4mm ,后工作距为27.95mm.光学系统基于反摄远结构[11]采用了8片镜片(不包括平板水密壳窗).前负组由第二、三、四片透镜组成,其总光焦度φ1=-0.0367.由于前组中两个负透镜的发散作用使得大角度入射的光线在前组内的入射高度不断地减小,再加上弯月形厚透镜的作用很好地控制了前组产生的轴外像差,如像散,场曲等等.另外,由于该光学系统的视场角高达66°,因此前负组的第一片透镜要尽量弯向光阑,这样不仅有利于系统像差的校正,同时也可以避免边缘视场的光线进入光学系统时发生掠射.通常反摄远物镜的后正组光线入射角度会由于前组的发散作用而大大地减小,因此后组所产生的轴外像差相对要小,因而其重点在于较正由于大相对孔径所带来的高级球差及补偿前组产生的轴外像差.本系统中后正组由五片单透镜组成,其总光焦度φ2=0.0267,光阑位于后正组第一片镜片之后.为了着重控制光学系统轴上点初级球差和高级球差,后组采用了多片正负分离透镜,各单透镜都做了适当的弯曲.为了进一步提高水下光能的利用率,降低光学透镜对光的吸收、反射必须要简化结构,减少透镜数量,因此在后组第二片透镜的第二面引入一个高次非球面,其玻璃材料为Z BA F1,非球面方程如式(13),式中c =0.004,k =0,α1=0,α2=1.319458e 2005,α3=1.034049e 2008,α4=-4.689700e 2011,α5=3.124368e 2013.高次非球面的使用大大加强了后组对前组轴外像差的补偿能力,在满足设计指标的前提下不仅使系统的体积、重量得到大大地减小,而且还提高了成像质量.需要注意的是,为了防止CCD 表面玻璃窗口的反射导致在像面产生一个明显的晕斑,光学系统最后一个光学面要尽量避免向CCD 表面弯曲,即该表面的曲率应为负值.2.2 质量评价该光学系统是一个CCD 摄影光学系统,成像质量的评价主要有光学调制函数(M TF )、几何包围能量、畸变曲线等等.考察的视场为轴上点(0ω)、轴外视场(0.707ω)及边缘视场(1ω).图3为其M TF.由于CCD 最小像元尺寸d =12μm ,故奈奎斯特频率N =1/2d =1/(2×12)=42lp/mm.当N =42lp/mm 时,0ω时M TF 值达到0.76;0.707ω时,子午场和弧矢场平均M TF 为0.53;1ω时,M TF 高于0.4.各视场的子午场和弧矢场成像质量差别不大,比较均匀.当光学系统调焦时可以使各个视场的成像质量都能同时得到改善.图3 光学系统调制函数Fig.3 M TF of the optical system几何包围能量如图4.其中横坐标为离点列图质心的距离,纵坐标是横坐标数值确定的半径内所占能量的比例.本光学系统0ω,0.707ω以及1ω在以12μm 为半径的圆内所包含能量的比例均高于85%.如图5,光学系统最大光学畸变为-6.1%.由于本光学系统不用于测量用途,并且畸变并不影响成像清晰度,因此该光学畸变是可以接受的.图4 几何包围能量Fig.4 Geometry encircled energy398光 子 学 报38卷图5 畸变曲线Fig.5 Curves of the distortion值得指出的是,本光学系统用于水下这种特殊环境,与其他地面光学系统相比,在项目实施过程中遇到的主要难点在于防水密封,解决防水密封目前的技术已经非常成熟,并且在工程化的过程中被证明是行之有效的[12213].同时,随着国内非球面加工、检验技术的日益成熟[14215],特别是计算机控制光学表面成形法(Comp uter cont rolled Optical Surfacing ,CCOS )的不断发展和完善有力地保证了本光学系统的实用性和可行性.2.3 设计比较按照相同的技术指标设计了另一个光学系统,并全部采用球面透镜,其光学结构图和传递函数如图6和图7.该光学系统由11片玻璃组成(包括水密窗口),其中有六片采用了不常用的镧系(La )玻璃.0ω与0.707ω的M TF 值相差将近0.5,边缘视场的像散也比较厉害.当光学系统作一定量离焦时各视场成像质量变化差异比较大.因此如果要进一步提高成像质量可能还要增加镜片,但增加镜片对水下成像来说是非常不利的.首先水下光学系统面临的最大问题是光能不足,如果增加镜片则会增加对光能的吸收、反射使得像面照度更低,镜头内部产生杂散光的可能性也大大地增加了.其次,光学系统的安装准确度更加难以控制.相比而言,在大视场大相对孔径水下光学系统中采用非球面不仅能够简化结构、减少玻璃片数,而且还能够大大地提高成像质量.图6 全球面透镜光学系统Fig.6 Optical system only with sphericallens图7 全球面透镜系统M TFFig.7 MFT of optical system only with spherical lens3 结论基于反摄远结构,采用一个高次非球面,并选择常用玻璃使水下摄影物镜在获得水下66°大视场的同时还具有1/1.4的大相对孔径,与相同技术要求下全部使用球面透镜的设计相比不仅成像质量更加优异,而且结构也更为简单.值得注意的是随着非球面加工与检验技术的提高,通过增加非球面数以及优化玻璃组合,可以使水下专用摄影物镜的视场和相对孔径得到进一步的提高,而结构却可以更加简化.参考文献[1] ANDREW J W ,J O HN D P ,et al .The development of acompact underwater stereoscopic video camera [C ].S PI E ,1997,3012:92295.[2] TRIMBL E G M.Area reconnaissance ,object relocation ,andclassificationusingcooperatingautonomousunderwatervehicles[C].S PI E ,1999,3711:1952202.[3] SHIRO K ,HIDEK S ,et al.High 2speed photography ofunderwater sympat hetic detonation of explosives [C ].S PI E ,2001,4183:7602770.[4] SUN Chuan 2dong ,L I Chi ,ZHAN G Jian 2hua ,et al.Opticaldesign of lens for underwater imaging system [J ].Optics andPrecision Engi neeri ng ,1998,6(5):5211.孙传东,李驰,张建华,等.水下成像镜头的光学设计[J ].光学精密工程,1998,6(5):5211.[5] J O HN L ,KEN W ,CL IFF D.Liquid 2filled underwater cameralens system[C].S PI E ,1998,3482:6982702.[6] XI Li 2feng ,CAI Jian 2guo 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un2hua1 (1X i′an I nstitute of O ptics and Precision Mechanics,Chinese A cadem y of S ciences,X i′an710119,China)(2Graduate Universit y of Chinese A cadem y of Sciences,B ei j ing100049,China)(3N o.91550Unit,Dalian,116000,China)Received date:2007211206Abstract:The characteristics of design for special underwater p hotograp hy objective lens wit h wide angle and large relative apert ure are analyzed.Based on reverse–telep hoto st ruct ure wit h a high2order asp heric surface and flat waterproof interface,an underwater p hotograp hy objective,which t he relative apert ure is1/ 1.4,field of view in underwater is66°,focal lengt h is11.85mm,and spect rum bandwidt h is fro m0.48to 0.60μm,is designed.The M TF of t he whole field of view at42lp/mm is greater t han0.4.Co mpared wit h t he lens all wit h sp herical surface at t he same specification,t his p hotograp hy objective lens is simpler in st ruct ure but better in imaging quality,and it can meet t he requirement s of wide angle,large relative apert ure,miniat urization and light weight for weak illumination p hotograp hy objective lens in deep water. K ey w ords:Underwater p hotograp hy;Wide angle and large relative apert ure;Reverse2telep hoto; Asp heric;Optical designXIE Zheng2mao was born in1982.Now he is p ursuing his Master′s Degree in Xi′an Instit uteof Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences.His main interest s focus onoptical design.598。
