照相物镜设计
ZEMAX课程设计心得照相机物镜设计【模版】
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；2=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 Radius/r Thickness/d 折射率/n 玻璃阿贝数/ν38.339 3.57 1.71289 53.950.988 0.3235.192 5.49 1.71289 53.9197.94 4.83-96.144 1.87 1.6362 35.326.53 8-1074.1 1.38 1.53246 45.937.053 7.6-49.135 1.72904 54.8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Radius/r Thickness/d 折射率/n 玻璃阿贝数/ν50.659 4.717 1.71289 53.967.373 0.42346.501 7.254 1.71289 53.9261.548 6.382-127.040 2.471 1.6362 35.335.055 10.571-1419.262 1.824 1.53246 45.948.960 10.042-64.925 1.72904 54.8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。
光学设计照相物镜的设计
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。
三片式摄影物镜的优化设计及光学性能评价
主观评价则是通过人的视觉感受来评价镜头的性能。一般请专业摄影师在相 同的拍摄条件下使用不同的镜头进行拍摄，然后对拍摄结果进行评分。根据摄影 师的评分结果，可以大致了解镜头的主观表现。
2、三片式摄影物镜光学性能评 价实例评估
以某款三片式摄影物镜为例，通过客观评价和主观评价对其光学性能进行评 估。该款镜头采用高折射率、低色散玻璃材料制成，其MTF值在多种光线条件下 均表现出色。在客观测试中，该镜头分辨率高、对比度强且色彩还原准确。
在主观评价方面，专业摄影师对该镜头的成像质量给予了高度评价。拍摄结 果显示，该镜头在多种光线条件下均能保持良好的清晰度和色彩饱和度。摄影师 一致认为该镜头的主观性能优于市面上同类产品。
结论本次演示对三片式摄影物镜的基本结构、优化设计及光学性能评价进行 了详细介绍。通过了解三片式摄影物镜的制造工艺和光学性能及其在实际摄影中 的应用，我们可以更好地理解如何对其进行优化设计。本次演示针对实际应用中 存在的问题提出了相应的优化方案，并介绍了光学性能评价方法以及实例评估。 这有助于我们更好地了解和掌握三片式摄影物镜的性能和应用前景。
2、三片式摄影物镜的优化设计 方案
针对上述问题，可采取以下优化设计方案：
(1)采用适应性更强的自动对焦系统，以适应不同的摄影环境。例如，可以 采用超声波马达驱动的自动对焦系统，提高对焦速度和准确性。
(2)通过计算机模拟和优化设计，实现最佳的光学性能。例如，利用光学设 计软件进行模拟分析，并根据分析结果调整镜片的结构参数，以达到最佳的成像 效果。
尽管三片式摄影物镜在摄影领域有广泛的应用，但在实际使用中仍存在一些 问题。首先，成像质量受多种因素影响，如光线条件、物距、光圈等。在复杂的 摄影环境中，三片式摄影物镜可能无法充分发挥其优势。
照相物镜的设计
一、选择初始结构
首先根据设计要求， 焦距：f’=9.6mm； FNo.<=2.8； 像高：y’=sqrt（5.76^2+4.32^2)/2=3.6mm 视场角：atan（y’/f’）=20.55度 取d、F、C三种色光，d为主波长 我们通过查资料法选择Tessar物镜的结构形式。
标*号处为光阑STO的位置
优化前
优化后
对面型进行优化
我们发现第四面和第五面的光阑交错了，因此加大第四 面的权重再优化。
优化前
优化后
最大畸变<1%
Spot diagram
二、输入初始结构，孔径，波长
输入焦距，视场
Tools—— 以0.707视场为例，
Make Focal
y’=0.707*3.6=2.5452
三、像质评价
引入评价函数Merit Function，选择Default Merit Function，插入一行，用来控制焦距 f’=9.6
接下来除了虚设的光阑平面以外的7个面的曲率都作 为变量加入校正，透镜的厚度和间隔作适当选择，只 把厚透镜的厚度和大的空气间隔作为自变量。
焦距决定成像的大小，相对孔径决定像面照 度，视场决定成像的范围。
照相������ 焦距：f’=9.6mm； ������ 相对孔径D/f’不小于1/2.8； ������ CCD成像面大小为4.32mm×5.76mm； ������ 在可见光波段设计(取d、F、C，d为主波长)； ������ MTF ：轴上>40%@100 lp/mm 轴外0.707 >35%@100 lp/mm ������ 最大畸变<1%
玻璃光学常数不 作自变量使用
输入边缘厚度
由于系统比较复杂，而且不少厚度，间隔作为自变 量使用，因此要加入透镜厚度的边界条件。
设计实例zemax设计照相物镜详细过程
照相物镜设计实例
照相物镜的技术指标要求：
焦距：f’=9.6mm； 焦距：f’=9.6mm； 相对孔径D/f’不小于1/2.8； 图像传感器为1/2.5英寸的CCD， 成像面大小为4.32mm×5.76mm； 后工作距>5mm 在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波 长)； 1m成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm 轴外0.707 >35%@100 lp/mm ������ 最大畸变<1%
在镜片厚度（Thickness）列顺序输入表1-2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（Glass） 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。结果如下图2-1在systemgeneral-aperture中输入相对孔径值2.8，在 system-wavelength中输入所选波段，根据要求选 d光为主波长。然后在tools-make focus中改焦距 为12mm进行缩放。
照相物镜镜头设计与像差
分析
设计实例
光学设计流程
光学设计初始结构方法
1、计算法
2、计算结合经验法
3、经验法
4、查资料法(孔径、视场、波长、 焦距，整体缩放)
查资料法:确定初始结构
查资料法
E.F.L----Effective Focus Length （有效焦距） B.F.L----Back Focus Length （后工作距） FNo.----F Number （相对孔径） F.A.----Field Angle (视场角)
该镜头不仅体积小, 结构紧凑, 而且像质较 好。在此次设计中，发现光阑面使用非球 面能够很好的平衡像差，只进行了对玻璃 厚度和曲率的简单优化，查阅相关资料后 设想如果将第一面的透镜换为鼓形透镜， 第二面换为弯月透镜或换成折射率更高的 玻璃，还可以进一步做出深度优化，使之 获得更好的性能 。
双高斯照相物镜课程设计
双高斯照相物镜课程设计1 设计案例式教学方案案例式教学的着眼点在于学生创造能力以及实际解决问题的能力的培养，而不仅仅是照本宣科，有助于深入了解专业领域知识和提高专业技能。
通过案例式教学，令学生接触到实际工程案例，将书本上抽象的知识转化到具体的案例任务，在实际设计与操作中深化知识理解，同时培养学生的创新意识与自主学习意识。
由于这种形式的教学需要较强的信息收集能力与自学能力，因此非常适合研究生。
将案例式教学结合到《现代光学设计及仪器》课程中，通过教学探索，利用案例式教学的优势，突破传统教学脱离实际的困境，令学生通过这种“做中学”的形式获取知识，从而真正掌握技能，实现更高水平的研究生培养。
2 建设案例教学中，以培养目标为指导，基于课程目标与课程内容，根据本专业学生日后深造与就业的实际情况，参照实际设计任务标准，选取课程教学案例，需建立不同难度层次与不同设计类型的案例库。
为了真正对学生的学习结果进行考查与评价，同时，为了打破任课教师个人知识水平的局限性，本课程中，案例库来源主要有三个途径，第一为文献搜集、专利查询等；第二为历年光电赛的赛题中摘取光学设计部分；第三为向全院教师征集的合作企业需求。
案例的筛选原则为：覆盖课程大纲中的主要知识点，同时考虑案例的典型性、实用性、创新性，案例选择应由易到难，循序渐进。
3 打造混合教学模式由于引入了案例式教学，传统的课上教学时间已不能满足教学需要；同时，为了培养学生的积极性，将教学模式从原来的“课堂教学”延展到“课前—课上—课后”的拓展课堂形式这种拓展课堂的形式能够提高学生主动学习的能力。
教学过程中，主要包括“任务导入”“方案制定”“方案实施”“结果反馈”四个环节。
课前，教师将案例布置给学生，完成“任务导入”，明确项目任务及目标，令学生对设计任务形成直观的认识；学生需要在课前进行信息搜集与资料分析，对案例形成深入理解。
课上，完成“方案制定”，学生对任务目标进行分析，确定完成任务所涉及的各种要素，确定实施方案；同时教师完成指导与答疑，把握方案设计方向。
照相物镜设计
7．摄远物镜
由一个正光焦度的前组和一个负光焦度的后 组构成，主要用于长焦距物镜中，系统长度 可以小于焦距。但是相对孔径比较小为1/6， 视场角达到2ω=30°。
摄远物镜的复杂化型式是把前、后两个双透 镜组的一个或两个，用三透镜组来代替，以 增大相对孔径或提高成像质量。
8．反摄远物镜
特点是有一个负光焦度的前组，和一个正光 焦度的后组。能同时实现大视场和大相对孔 径。这类系统的长度比较大，系统的后工作 距离也比较大。
Байду номын сангаас
反摄远物镜及其复杂化形式
2 照相物镜设计的特点
照相物镜光学特性:变化范围很大，视场和相 对孔径一般都比较大，需要校正的像差也大 大增加，结构也比较复杂。
不同结构、不同光学特性的照相物镜中，需要校正 的像差不同，设计方法和步骤也有差别。
１．原始系统结构型式的确定
原始系统的选定是光学自动设计的基础和关键。由 于照相物镜中高级像差比较大，结构也比较复杂， 因此照相物镜设计的原始系统一般都不用初级像差 求解的方法来确定。而是根据要求的光学特性和成 像质量从手册、资料或专利文献中找出一个和设计 要求比较接近的系统作为原始系统。上节我们所以 要介绍各种不同的结构型和它们适用的光学特性， 就是为了使大家在选择原始系统时，做到心中有数。 知道什么样的光学特性和像质要求，大体上应该选 用什么样的结构型式，再去有目的地寻找所需要的 原始系统。
能够校正场曲的最简单的薄透镜系统，是由一个正 透镜和一个负透镜构成的分离薄透镜系统。
根据薄透镜系统初级场曲的公式：
SIV J 2
n
如果系统满足消场曲条件，则SⅣ=0，因此：
1 2 0
n n1 n2
1 2 0
n n1 n2
照相物镜设计实验报告
照相物镜设计实验报告引言照相物镜是照相机中最重要的部分之一，其设计与使用对照片的质量有着重要影响。
本次实验旨在设计一种具有优秀成像性能的照相物镜，并通过实验验证其设计准确性和性能优劣。
实验目的1. 理解照相物镜的工作原理和设计要求；2. 掌握常见的物镜设计方法；3. 通过实验比较不同设计方案的成像质量。
实验设备和方法实验设备1. 光学实验台2. 平行光源3. CCD相机实验方法本次实验采用透镜组设计法，通过依次放置多个透镜组并调整其位置和参数，最终设计出成像质量优秀的照相物镜。
具体步骤如下：1. 确定照相物镜的成像要求，包括焦距、最大光圈和成像质量等；2. 选择初始透镜组并确定其种类和初始参数；3. 根据设计要求，计算并调整第一组透镜的位置和参数，使得光线在物镜中尽可能接近理想成像；4. 依次添加和调整后续透镜组的位置和参数，使得整个物镜达到设计要求；5. 利用光学实验台上的平行光源，将物镜与CCD相机结合，检测和比较不同设计方案的成像质量。
结果与分析经过多次尝试和调整，我们最终设计出了一款具有较好成像性能的照相物镜。
通过与其他常见物镜进行对比实验，我们发现该物镜在分辨率、色彩还原和畸变等方面表现出色。
分辨率我们用实验室提供的标准分辨率测试图像对物镜的分辨能力进行了评估。
结果显示，该物镜在高细节区域的细节还原能力较强，能够清晰地显示出测试图像中的小细节。
这说明该物镜的分辨率较高，适合用于拍摄细节丰富的照片。
色彩还原我们还通过拍摄标准色卡来评估物镜的色彩还原能力。
与其他常见物镜相比，该物镜在还原真实颜色方面表现出色。
标准色卡上的颜色在照片中得到了准确的还原，色彩饱和度和亮度也比较均衡。
这对于摄影师来说是非常重要的，因为一款色彩还原能力好的物镜可以减少后期调色的工作量。
畸变在实验中，我们还注意到该物镜的畸变控制较好。
对于直线拍摄和建筑摄影等场景，没有明显的畸变现象，直线边缘也没有明显的变形。
这对于照片的几何需求来说是非常重要的。
Zemax光学设计：一个180mm单反相机物镜的设计参考
Zemax光学设计：一个180mm单反相机物镜的设计参考
引言：
在观察远处目标时，为了获得较大的放大率，就得使用长焦距物镜。
若同时要求结构紧凑，就必须采用远摄型设计，此时光学系统的总长小于焦距，即远摄比γ＜1。
单反相机的180mm标准物镜，该系统由9个镜片组成，视场角ω=6.8°，光圈F=2.8，线视场y`=21.5mm，与135胶片的半对角线一致。
（该设计参考《近代光学系统设计概论》）
设计仿真：首先输入系统特性参数，如下：在系统通用对话框中设置孔径。
在孔径类型中选择“Paraxial Working F/#”，并根据设计要求输入“2.8”；
在视场设定对话框中设置3个视场，要选择“Angle”，如下图：
在波长设定对话框中，设定0.486um、0.5876um和0.656um共3个波长，如下图：
查看LDE：
2D Layout：
上图中，前组、后组的界限已不清晰。
第一组正透镜采用双分离，不但可以减小剩余带球差，也可以诱导出球差的高级分量。
查看点列图：
查看球差-色差曲线：
尽管相对孔径不小，但各孔径的球差均控制在0.2mm以内，像质好。
查看畸变：
由于视场角不大，畸变也较小。
照相物镜光学设计 (f=50mm)
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。
照相物镜设计
F光圈只标明物镜的名义相对孔径，称为光阑指数，如考虑到光学系统的透过率的影响，那么 标明实际相对孔径的有效光阑指数则为
F
（3）视场角：2ω
T
T为光圈
照相机物镜的视场角决定了被摄景物的范围。在画面大小一定的条件下，视场角直接和物镜 的焦距有关。根据无限远物体的理想像高公式：
y f tan
现代中等复杂程度的照相物镜，随着相对孔径的减小，视场角增加的情况如下表（焦距为 100mm时）：
总体来看，照相物镜的突出特点是视场和相对孔径都比较大的光学系统，因此在设计照相物镜 时，一般来说七类像差都需要校正，同时照相物镜还要求在一定程度上校正高级像差。
5.3塞洛（Celor）物镜的设计
塞洛物镜是由一对对称的双分离消色差物镜构成，采用双分离型式，可以提 供更多的自变量，便于像差的校正。 对于一个结构完全对称，放大率为-1的系统，其慧差、畸变和垂轴色差左右 两个半部大小相等、符号相反而自动抵消，而球差、像散、场曲和轴向色差 则是左右两个半部相互叠加。 设计一个对称系统可从后半部开始。对于塞洛物镜，后半部有五个变量，四个曲 率半径，一个空气间隔，可以校正系统的焦距、球差、像散、场曲及轴向色差。 光焦度的一般公式 对于二组元系统，其光焦度公式为：
5. 双高斯物镜（Planar） 双高斯与达岗等对称物镜不同，它是用薄透镜加厚透镜的结 构。由于具有小半径的厚透镜处在薄透镜后的会聚光中，近 于不晕位置，因此它的像差和带像差都有所缩小，相对孔径 比较大。它是现在1：2物镜的主要结构，在视场缩小时， 可得到1：1.4的结果，稍复杂化后，可得到更大的相对孔径， 达1：0.85，这一类型的物镜是目前普遍使用的物镜，也是 最受欢迎的物镜。
更一般地：
1 yii y1 i
一种三片型照相物镜的设计
一种三片型照相物镜的设计2篇三片型照相物镜是一种常见的光学装置，广泛应用于相机和摄影设备中。
它由三个光学元件组成，包括凸透镜和凹透镜，通过合理的设计和组合，可实现对光线的聚焦和成像。
以下将对三片型照相物镜的设计进行探讨。
首先，三片型照相物镜的设计需要考虑凸透镜和凹透镜的选择和安排。
凸透镜通常用于屏住，它可以使光线发生折射，从而使光线能够在物镜中正常聚焦。
而凹透镜则用于调节物镜的聚焦点位置，通过改变凹透镜的曲率，可以实现对成像的调整。
因此，在设计过程中，需要根据实际需要选择合适的凸透镜和凹透镜，并将它们安排在适当的位置。
其次，在三片型照相物镜的设计中，还需要考虑光线的折射和反射问题。
由于光线在不同介质中的传播速度不同，当光线从一个介质射入另一个介质时，会发生折射现象。
因此，在选择凸透镜和凹透镜的材料时，需要考虑它们的折射率，以确保光线能够正常折射和聚焦。
此外，由于光线的传播过程中会存在反射损失，因此还需要进行适当的镀膜处理，以减少反射损失，提高成像质量。
最后，在三片型照相物镜的设计中，还需要考虑光学系统的整体结构和参数。
其中，最重要的参数之一是焦距，它决定了物镜的聚焦能力和成像清晰度。
因此，在选择凸透镜和凹透镜的曲率和位置时，需要根据焦距的要求进行合理的调整。
此外，还需要考虑物镜的口径和视场角，以及光学系统的直径和长度等参数，以满足不同需求下的拍摄要求。
总的来说，三片型照相物镜的设计是一个综合考虑多个因素的过程。
通过合理选择和组合凸透镜和凹透镜，考虑光线的折射和反射问题，以及确定合适的结构和参数，可以实现高质量的成像效果。
因此，在实际应用中，设计师需要根据具体需求进行调整和优化，以获得满意的成像效果。
照相物镜及其光学特性
第6章 照相物镜设计
反远距物镜的光阑常常设在正组中间,所以前组远离光阑,轴外光束有较大的入射高 度,产生了较大的初级轴外 像差和高级轴外像差。视场不大时,前组可以采用单片负透镜; 视场较大时,前组应该采用双胶合的负透镜和双分 离的负光焦度结构,甚至可以用其他更 复杂的结构,如鼓形透镜等。前组产生的轴外像差力求由本身解决,剩余的量 可以由后组 补偿。反远距物镜的后组承担了较大的孔径,其视场由于有前组的发散作用,已经有所减 小。和一般照 相物镜比较,反远距物镜的后组是对近距离成像的,在成像关系上它处于更 加对称的位置,所以,后组似乎有更充分 的理由采用对称结构。但是考虑到前组剩余的像 差,尤其是垂轴像差SⅡ 、SⅤ 和CⅡ 需要后组给予补偿,则采用不 对称的结构型式更为合 理,如三片式或匹兹万结构都可以成为后组的理想结构。
第6章 照相物镜设计
这个半部系统承受无限远物体的光线时,可用薄透镜的弯曲校正其球差。由于从厚透 镜射出的轴上光线近似 平行于光轴,因此薄透镜越向后弯曲,越接近于平凸透镜,其上所 产生的球差及高级量越小。但是,该透镜上轴外光 线的入射状态变坏,随着透镜向后弯曲, 轴外光线的入射角增大,于是产生了较大的像散。为了平衡SⅢ ,需要把光阑 尽量地靠近厚 透镜,使光阑进一步偏离厚透镜前表面的球心,用该面上产生的正像散平衡SⅢ 。与此同 时,轴外光线 在前表面上的入射角急剧增大,产生的轴外球差及其高级量也在增大,从而 引出了球差校正和高级量减小时,像散的 高级量和轴外球差增大的后果。相反,若将光阑 离开厚透镜,使之趋向厚透镜前表面球心,则轴外光线的入射状态就 能大大地好转,轴外 球差很快下降,此时厚透镜前表面产生的正像散减小。为了平衡SⅢ ,薄透镜应该向前弯曲,以使 球面与光阑同心。这样一来,球差及其高级量就要增加。
大孔径摄影物镜课程设计
大孔径摄影物镜课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握大孔径摄影物镜的基本概念、原理及分类。
2. 了解大孔径摄影物镜在摄影中的应用及其对成像效果的影响。
3. 掌握大孔径摄影物镜的成像规律，能运用相关公式计算景深、焦距等参数。
技能目标：1. 培养学生运用大孔径摄影物镜进行拍摄的能力，提高摄影技巧。
2. 学会调整相机光圈、焦距等参数，以获得理想的成像效果。
3. 能够分析不同场景下大孔径摄影物镜的适用性，并灵活运用。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对摄影艺术的兴趣和热情，激发创作潜能。
2. 培养学生勇于探索、勤于实践的精神，提高问题解决能力。
3. 增强学生对摄影器材的认识，培养正确的消费观念。
课程性质：本课程为摄影技术类课程，注重理论与实践相结合，以培养学生的实际操作能力和艺术素养为目标。
学生特点：学生为初中生，具备一定的摄影基础，对新鲜事物充满好奇，动手能力强，但理论知识相对薄弱。
教学要求：结合学生特点，注重启发式教学，引导学生主动探究，提高学生的实践能力和创新能力。
将课程目标分解为具体的学习成果，以便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 大孔径摄影物镜的基本概念与原理- 摄影物镜的结构与功能- 大孔径摄影物镜的定义- 光圈与景深的关系2. 大孔径摄影物镜的分类与应用- 不同类型的大孔径摄影物镜特点- 大孔径摄影物镜在各类摄影中的应用案例3. 大孔径摄影物镜的成像规律与计算- 焦距、物距、像距的计算- 景深、超焦距的概念及其计算方法- 光圈值与曝光量的关系4. 实践操作与技巧- 相机设置与调整- 大孔径摄影物镜的使用技巧- 实际拍摄中的问题与解决方法5. 摄影作品分析与创作- 分析大孔径摄影作品的特点与美感- 创作具有个性化的摄影作品- 评价与鉴赏摄影作品的方法教学内容安排与进度：第一课时：大孔径摄影物镜的基本概念与原理第二课时：大孔径摄影物镜的分类与应用第三课时：大孔径摄影物镜的成像规律与计算第四课时：实践操作与技巧（室外实践）第五课时：摄影作品分析与创作本教学内容依据课程目标，结合教材内容进行选择和组织，注重科学性与系统性，旨在帮助学生掌握大孔径摄影物镜的相关知识，提高实践操作能力。
照相物镜的设计
最大畸变<1%
第三页
一、选择初始结构
❖
首先根据设计要求，
焦距：f’=9.6mm； FNo.>2.8；
像高：y’=sqrt（5.76^2+4.32^2)/2=3.6mm
视场角：atan（y’/f’）=20.55度
取d、F、C三种色光，d为主波长
❖ 我们通过查资料法选择Tessar物镜的结构形式。
接下来除了虚设的光阑平面以外的7个面的曲率都作为变
量加入校正，透镜的厚度和间隔作适当选择，只把厚透
镜的厚度和大的空气间隔作为自变量。
第九页
玻璃光学常数不
作自变量使用
第十页
输入边缘厚度
由于系统比较复杂，而且不少厚度，间隔作为自变量使用，
因此要加入透镜厚度的边界条件。
第一面的边缘厚度大于1，小于3；
照相物镜的设计
第一页
焦距决定成像的大小，相对孔径决定像面照度，视
场决定成像的范围。
第二页
照相物镜设计实例
❖
照相物镜的技术指标要求：
焦距：f’=9.6mm；
相对孔径D/f’不小于1/2.8；
CCD成像面大小为4.32mm×5.76mm；
在可见光波段设计(取d、F、C，d为主波长)；
MTF ：轴上>40%@100 lp/mm
第四页
标*号处为光阑STO的位置
第五页
二、输入初始结构，孔径，波长
第六页Biblioteka 输入焦距，视场Tools——
Make Focal
以0.707视场为例，
y’=0.707*3.6=2.5452
大视场无畸变照相物镜的设计
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。
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到1866年，像差理论的发展，使人们认识到对称的胶 合透镜可以把像差校正得很好，设计出了右图所示的物 镜，其相对孔径为1：8，视场为50度，物镜的球差、 色差和慧差都有很好的校正，畸变和倍率色差也因结构 对称而不大。
重钡冕玻璃的出现使得在1890年设计出了普罗塔物镜，该物 镜以其校正了匹兹堡和及像散而优于之前的所有物镜，它的 相对孔径在1：4.5-1：18之间，视场为40-90度，由它拍摄的 整张照片都是清晰的。
1902年出现的天塞物镜，可看作是三式的后面一块正透镜改为二 块玻璃胶合的结果，它在高级像差方面要比三片式好。天塞的光 学结构简单，实用，它的解像力高，反差适中，畸变小，获得了 “鹰眼”的美誉，当年被蔡司公司尊为头号镜头，一切蔡司公司 所生产的顶级相机全部配备天塞镜头
将三片式中的单透镜改为双胶合的设计比较多，海里亚物镜就 是其中的一种，是美国在二战中用得最多的夜航摄物镜，它利 用二胶合面把高级慧差和带球差校正得很好。 5. 双高斯物镜（Planar） 双高斯与达岗等对称物镜不同，它是用薄透镜加厚透镜的结 构。由于具有小半径的厚透镜处在薄透镜后的会聚光中，近 于不晕位置，因此它的像差和带像差都有所缩小，相对孔径 比较大。它是现在1：2物镜的主要结构，在视场缩小时， 可得到1：1.4的结果，稍复杂化后，可得到更大的相对孔径， 达1：0.85，这一类型的物镜是目前普遍使用的物镜，也是 最受欢迎的物镜。
7. 反摄远物镜 在电影摄影中，常常用到短焦距物镜，为了在物镜后面能 安装取景棱镜，因而要求有长的像方顶焦距。这就需要使 用所谓的反摄远物镜，其是由正负透镜组分离组成，负透 镜位于正透镜之前，从而使主平面后移至物镜后方，达到 像方顶焦距大于焦距的目的。 8. 广角物镜 广角物镜是以海里的全天照相物镜出发的，其视场很大。
f′ β≈ l
此式说明照相机的放大率与焦距成正比，而与物距成反比。 由于用途不同，照相物镜的焦距也不相同。通常照相物镜的焦距标准如下：
物镜类型 鱼眼物镜 超广角物镜 广角物镜 标准物镜 短望远物镜 望远物镜 超望远物镜
物镜焦距f’/mm 7.5、15 17、20 24、28、35 50 85、100 135、200、300 400、500、600、800、1200
利用新老玻璃的组合，生产出了质量更好的达岗（1892）和 双普罗塔（1894）。这两种物镜至今还在生产，其相对孔径 为1：6，视场为60度。这种物镜的自由度较多，每一半都可 以单独校正像差，因而一个物镜可作为二种焦距的物镜使用。
从达岗出发，把靠近光阑的二透镜从胶合组里分离出来，利 用多出的自由度设计出了1：4和70度视场的结果，这种物镜 至今仍是主要的航摄物镜之一。 4. 三片式物镜 1893年，塔克洛尔（H.D Tealor ）用分离薄透镜作为对称型的 一半，设计出了柯克三片式物镜，这是能校正所有像差的一种 最简单的结构，在非对称情况下，其独立变数恰能校正七种像 差。这种类型现在已具有相对孔径1：4，视场50度的光学性能。 1 4 50 如果视场减小时，相对孔径可达1：2.8，现在它仍然是一种比 1 2.8 较流行的物镜。
第五章 照相物镜设计
5.1 照相物镜的发展及其基本结构
在照相物镜设计中，类型的选择预先确定了设计成败的可能性，物镜的选型不仅对初级像差， 而且对高级像差也是十分有关的，因此选型很重要。 1. 风景摄影物镜 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
6. 摄远物镜 用正负二透镜组所构成能使摄影物长度减短的都称为摄远 物镜。摄远物镜是在第二次世界大战中为了侦察摄影的需 要而发展的。 比较著名的有蔡司公司的“远摄天塞”，相对孔径1：6.3， 视场35-40度。改进的“泰来康”，相对孔径1：6.3，视 场30度，畸变小于0.2%。
美国在二战中也生产了大量的摄远物镜，如右图所示，其 为焦距1米，相对孔径1：8及焦距1米，相对孔径1：5.6的 物镜。
1821年出现了胶合的透镜，代替了弯月牙形的单透镜，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像散。
2. 匹兹堡人像物镜 1840年匹兹堡设计出了一个相对孔径为1：3.4，视场为25度 左右的物镜，即匹兹堡人像物镜，该物镜可用于室内摄影， 是第一个依靠设计而制造出来的照相物镜。 匹兹堡物镜是1910年以前的所有物镜中相对孔径最大的，它 在近轴部分的成像质量优良，至今仍在用作电影放映物镜等 须要大孔径小视场的场合。 匹兹堡物镜的改进型式很多，是现在五大类物镜中的一类。 3. 对称型物镜 最早出现的对称型物镜，相对孔径很小，如斯坦赫尔的潜望 镜头，相对孔径为1：30，视场为70度，只能用作风景摄影。 海普岗是这种类型的极限结构，是冯虚格在1900年设计出的， 两个透镜的外表几乎是半球面，具有140度左右的视场，相 对孔径很小1：30，但它具有大的无畸变视场，至今仍用在 航测仪器中。
（2）相对孔径： D f ′ 照相物镜的相对孔径，决定其受衍射限制的最高分辨率和像面光照度，最高分辨率即通常所说 的截止频率：
N=
D f′
λ=2u ′ Nhomakorabeaλ
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，多数照相物镜因其接收器本身 的分辨率不高，相对孔径的作用并不是为了提高物镜的分辨率，而是为了提高像面光照度：
9. 变焦距物镜
5.2 照相物镜的光学特性
照相物镜的光学特性，主要由三个因素表征：照相物镜的焦距、相对孔径和视场角。 （1）焦距：照相物镜焦距的大小，决定了照片上的像和实际物体之间的比例。 光学系统的垂轴放大率：
β=
y′ l ′ = y l
对于一般相机，物距都比较大，而镜头的焦距一般比较小，因此像平面靠近焦平面， 像距近似与焦距相等，因此：
1 2 E ′ = π Lτ ( D f ′ ) 4
τ 为物镜透过率