照相物镜设计(小视场小口径)

照相物镜光学设计（f’=50mm）The Optical Design of Objective Lens in Photographic Camera(f’=50mm)摘要人们早就有长期保存各种影像的愿望。

在摄影技术尚未发明前的公元四世纪时，人们按投影来描画人物轮廓像的方法达到了全盛时代，至今这种方法仍然作为剪纸艺术流传着。

后来，人们让光线通过小孔形成倒立像，进而将小孔改为镜片，并加装一只暗箱。

只要在暗箱底板上放一张纸，不仅可以画出轮廓，还可以画出像上的各个部分。

这就形成了照相机的机构雏形。

随着科学技术的发展，照相机的发展日益迅速，有着显著的飞跃。

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与分辨率。

本文所讨论的照相物镜，它主要采用五片透镜包含一个双胶合透镜的形式，精度高、分辨率高，像质好，能够满足设计的要求。

关键字：照相机物镜设计2ABSTRACTThe people already have the long-term preserved each kind of phantom desires. Not yet invents before when the photographic technology the A.D. four centuries, the people drew the character outline alike method according to the projection to achieve the most flourishing time, this method still was spreading until now as the paper-cut art. Afterwards, the people let the light form through the eyelet stand upside down the elephant, then changed the eyelet the lens, and installed a camera. So long as puts a paper on the camera ledger wall, not only may draw the outline, but also may draw likely on each part. This has formed the photographic camera organization embryonic form.Along with the science and technology development, the photographic camera development is day by day rapid, has the remarkable leap. The photographic objective is the photographic camera eye, its precision and the resolution affect directly the photographic camera precision and the image formation quality. Must guarantee designs the photographic objective achieved high specification, when design must achieve a higher precision and the resolution .This article discusses the photographic objective, it mainly uses five piece of lens to contain double agglutination lens high the form, the precision, the resolution is high, looks like the nature to be good, can satisfy the design the request.Key words: Photographic cameraObjective lens Design3目录第一章绪论 (5)1.1照相机的发展简史 (5)1.2照相机的用途 (6)1.3照相机的结构 (7)第二章照相机知识 (11)2.1照相机的原理 (11)2.2照相机的分类 (11)2.3照相机的发展 (12)2.4传统照相机与数码相机的比较 (13)第三章像差理论知识 (15)3.1清晰成像的原理 (15)3.2像质评价的方法 (15)3.3摄影物镜的分类 (16)第四章照相物镜原始数据 (17)4.1原始数据一 (17)4.2原始数据二 (19)4.3原始数据三 (22)第五章照相物镜中间数据及设计过程 (25)5.1设计过程 (25)5.2中间数据 (26)第六章照相物镜最终数据 (31)结论 (33)致谢...................................................................................错误！未定义书签。

2014-2015学年第二学期《现代光学设计》考核——照相物镜设计班级：******** 学号：************* 姓名：***一、系统设计要求：1、焦距：f’=15mm；2、相对孔径：1/2.8；3、在可见光波段设计(取d、F、C三种色光）4、视场角2w=74°二、设计过程1,在光学技术手册查询后选定初始结构为后置光阑的三片物镜，初始参数为：1输入初始参数2,优化设计过程将参数输入zemax：其中第六面设为光阑面，厚度设为marginal ray height，移动光标到STO光阑面的“无穷（Infinity）”之上，按INSERT键。

这将会在那一行插入一个新的面，并将STO光阑面往下移。

新的面被标为第2面。

再按按INSERT键两次。

移动光标到IMA像平面，按INSERT键两次。

在LDE曲率半径（Radius）列，顺序输入上表1中的镜片焦距（注意OBJ面不做任何操作）；在镜片厚度（Thickness）列顺序输入表1中的镜片厚度；在第七个面厚度处单击右键，选择面型为Marginal Ray Height。

在镜片类型（Class）列输入镜片参数，方法是:在表中点右键对话框Solve Type选中Model，Index nd中输入n值Abbe Vd 中输入v值。

结果如下在system-general-aperture中输入相对孔径值 2.8，在system-wavelength中输入波段，然后在tools-make focus中该改焦距为15mm进行缩放。

3,设置相对孔径值和波长输入焦距15mm进行缩放：4,定义视场如下此时得到初始结构及参数如下图5,优化设计过程利用ZEMAX得到初始结构的M TF 曲线可看出成像质量很差, 因此需要校正像差。

该结构可以用作优化变量的的数据有：6个曲率半径，2个空气间隔，3个玻璃厚度。

首先使用Default Merit Function建立缺省评价函数进行优化，选择Editors-Merit Function，在第一行中先输入EFFL，目标值设为15，权重设为1。

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。

第十八章 摄影和投影物镜设计摄影物镜通常是指照相机、电影和电视摄像机中的镜头。

摄影物镜的作用是把外界的景物成像在感光胶片、电荷耦合器件(CCD)等接收器上。

胶片、CCD 以及其他接收器的尺寸通常比外界景物小得多，因此，摄影物镜是使物体缩小成像的。

另外，摄影物镜的焦距通常在几毫米到几百毫米之间，而要拍摄的外界景物与摄影物镜的距离跟物镜的焦距相比是相当大的。

当物距大于焦距的⨯30以上时就可视为无穷远成像。

在绝大多数情况下，外界景物是大于这个距离的，因此摄影物镜可视为对无穷远目标成像。

还有一类物镜，它与摄影物镜相反，是把记录在胶片或其他介质中的图样或图像放大成像到屏幕上，这类物镜称之为投影物镜或放映物镜，电影放映物镜就是其中典型的例子。

除普通照相物镜外，摄影物镜还包括用于航空测量和空中侦察的航空照相物镜、把实物和画面用照相腐蚀方法制成印刷用版的制版物镜等。

§1 摄影物镜的光学性能决定摄影物镜光学特性的参数有三个：焦距/f ，相对孔径/f D ，视场ω2。

1 焦距摄影物镜的焦距/f ，决定了物体所成像的大小，或者说决定了照片上的像与实际物体之间的比例。

用不同焦距的摄影物镜对同一位置的某物体进行摄影，焦距大者，所拍摄得的像也大。

这可以从放大率公式看出， xf x f y y //=-==β 可知当/f 大时，垂轴放大率大，即得到比较大的像。

实际上由于摄影物镜的物距一般情况下都很大，可按物在无限远考虑，此时成像于焦面上，则有： ωtg f y ⋅-=//可见，对一定大小的物体，像的大小和物镜的焦距成正比，对于远距离摄影和航空摄影，若利用普通短焦距照相物镜，由于成像比例小，所成像太小，难以辨认目标，这时需用长焦距物镜，焦距可达1米以上。

由于摄影物镜用途不同，焦距范围也不一致。

普通用照相机焦距多在mm 100以下。

#135相机的常用镜头焦距为mm 35，#120相机常用镜头焦距为mm 75。

2 视场摄影物镜的视场ω2，决定了所拍摄的物空间范围。

汉口学院《应用光学》课程设计报告报告题目:照相物镜设计学生姓名:学号:专业班级:授课老师:二O一四年十二月目录一、选题背景 (2)二、设计要求 (3)三、外形尺寸计算 (3)四、结构选型及参数计算 (4)1、结构选型 (4)2、参数数据 (5)五、ZEMAX初始数据 (5)1、初始结构参数 (5)2、缩放焦距 (7)3、更换玻璃 (7)六、ZEMAX校正数据 (9)1、设置约束对象 (9)2、设置变量 (10)3、优化 (10)4、 最终结构数据 (10)七、 像质评价 (11)1、 2D 草图 (11)2、 场曲与畸变 (11)3、 快速傅立叶变换调制传递函数 (12)4、 标准点列图 (12)5、 光线像差特性曲线 (13)6、 光路特性曲线 (13)八、 零件图 (14)九、 学习体会 (15)十、 参考文献 (16)一、 选题背景照相机广泛应用于社会生活的各个领城,已成为科研、国防、生产、教育以及文化生活各领域中的重要手段。

它给人类的文明生活带来了许多方便,随着科学技术的发展,人们物质文化生活水平的提高,社会上的照相机也发展的越来越快,越来越普及了。

照相机就是由镜头,光圈,快门,取景器,测距器,卷片,机身(暗箱)等主要部件构成的。

其中镜头的作用就是通过光线把景物集结成影像并投射到感光片上,使感光片接受清晰的影像,它的好坏直接决定了照相机的性能。

照相物镜的光学特性一般用焦距f '、相对孔径f D '/、视场角ω2表示。

此外还提出分辨率的要求,作为保证产品质量的技术条件。

照相物镜的结构型式很多,而且不断有新的型式出现。

选用照相物镜的原则应该就是:既能满足光学性能与成像质量的要求,而结构又最简单。

双高斯物镜就是具有较大视场(大约ω2=40º左右)的物镜中相对孔径最先达到1/2的物镜[1]225。

双高斯物镜就是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构,半部系统就是由一个弯月形的透镜与一个薄透镜组成,如图1-1、1所示。

照相镜头光路设计概述一镜头选型参考在“光学设计—袁旭沧.pdf”第272页有：图1 照相机镜头选型该资料用于确定照相镜头的使用性能，结构形式。

是镜头设计选型的依据。

二镜头样例设计要点1 照相镜头样例1本例波长选择为可见光系统，实际上应选照相系统的工作波长（参考“照相镜头各色波长的比例确定依据为何？.mht”）。

（1）类型评估这是“小视场，小口径照相物镜”设计，样例见“2-非球面系统.ZMX”，它可作为此类照相镜头设计的起点结构：图2 样例结构与光路该样例主要用于校验6镜非球面实体化操作集的正确性，也可作为3片镜头设计时的参考。

下面对该系统进行评估。

该镜头光学性能为：F’=10mm，F#=3，2W0=30°，总长=10.318mm。

观察图1中的三片照相镜头性能，应接近最好性能状态，关键是看成像质量。

（2）象质评估照相镜头的接受器是CCD或CMOUS，因此其最小象元应是接受器的最小象元。

假定在分辨率上镜头与接收器匹配，那么两者最小象元边长应是相同的。

镜头鉴别力=110 lp/mm，最小象元边长=1/(2*110)=0.00455.查看CCD上最大视场直径=2.71*2=5.42mm（相当于0.213英寸），令该CCD 长宽比=4:3，这样CCD长边最小象元总数=5.42*4/5)/0.00455=953个，短边最小象元总数=5.42*3/5)/0.00455=715个，共有952X715=68万像素。

考虑两边留有调整余量，因此CCD应选0.2英寸的，这样选择的CCD分辨力应达到68*0.2/0.213=64万像素。

本镜头直选择了3镜片，属于简易照相镜头，分辨率达到此状态是可以的。

（3）视场均匀性评估该镜头远心角(15.7°)由视场均匀性来评估，查出=80%(好的投影镜头用9点平均法计算，投射到屏处的最大视场均匀性=85%,人眼看到的是均匀的视场），是较好的均匀性。

2 照相镜头样例2这是“中等视场，中等口径照相物镜”设计，样例见“1-原态.ZMX”，这是个投影镜头，重选波长，可用于照相镜头。

照相机物镜设计摘要：在照相机中，其镜头就是它的眼睛，镜头的分辨率和精度直接影响照相机摄像的图像质量。

为了能够提高镜头的作用效果，我们创造了设计光学仪器的仿真软件。

在仿真中我们可以通过自动计算出的像差来进行对仪器参数的微调优化，最后得到符合设计要求的光学仪器。

另外，用仿真软件设计光学仪器既减少了人力计算结构参数时的误差也降低了设计难度。

本论文是设计一个入瞳直径：26Dmm；物镜焦距：55mm；半视场角：20o；的照相物镜，我开始准备设计一个三片式分离照相物镜。

但是在设计中途发现三片式分离照相物镜的光学传递函数（FTM）图像始终不能优化到设计要求，查阅资料后发现相对孔径过大，导致三片式分离照相物镜不能得到要求。

于是我又采用了双高斯物镜进行设计，设计总体分两部进行，先计算出外形尺寸，再采用ZEMAX仿真的方法，通过一系列优化的光学设计手段，得出满足设计要求的三片分离式照相物镜的具体参数的过程与结果。

关键词：ZEMAX；三片分离式；双高斯；光学设计Camera objective designAbstract: in camera, its lens is its eyes, the resolution and precision of lens directly affect the image quality of camera. In order to improve the effect of lens, we created a simulation software for designing optical instruments. In the simulation we can optimize the parameters of the instrument by calculating the aberration automatically and finally get the optical instrument which meets the design requirements. In addition, the design of optical instrument with simulation software not only reduces the error when calculating the structural parameters by manpower, but also reduces the design difficulty.In this paper, we design a lens with a diameter of: 26Dmm; objective lens: 5mm; half-field angle: 20o. I began to design a three-slice camera lens. However, in the middle of the design, it was found that the optical transfer function (FTM) image of the three-slice camera lens could not be optimized to the design requirements, and the relative aperture was found to be too large after consulting the data, which led to the failure of the request for the three-slice separated photographic objective lens. So I used double Gao Si objective lens to design, the overall design is divided into two parts, first calculate the size of the shape, then use the ZEMAX simulation method, through a series of optimized optical settings The process and result of the specific parameters of the three - chip separating photographic objective lens which meet the design requirements are obtained .Keywords：ZEMAX, Three-piece separation, Double Gauss, Optical design目录目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (2)1.1 选题的目的和意义 (2)1.2 照相机基本结构 (2)1.3 国内外研究现状 (3)1.4 本章小结 (4)2 仿真软件的使用和像差分析 (5)2.1 仿真软件的选用 (5)2.2 ZEMAX的使用方法 (5)2.3 像差分析 (7)2.4 本章小结 (7)3 照相机物镜设计仿真模拟 (8)3.1 照相机的外形尺寸计算 (8)3.2 ZEMAX设计过程 (9)3.3 系统优化 (13)3.4 本章小结 (17)总结 (18)参考文献 (19)致谢 (20)附录A (21)1 绪论1.1 选题的目的和意义科学技术的快速发展，使得光学仪器踏入了社会各个领域。

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。