照相物镜设计(小视场小口径)
照相物镜设计
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。
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。
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。
照相物镜设计报告实例
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。
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 。
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
光学设计-第18章--摄影和投影物镜设计
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。
照相物镜设计
另一种方式，把和单个厚透镜相当的薄透镜 系统中的正透镜或负透镜分成两个，其中一 个组成厚透镜的一部分，另一个分裂出来， 成为单个薄镜透，往往还需要在厚透镜中间 中入一个消色差的胶合面。把这两种结构作 为对称系统的半部结构，构成了两种基本类 型的摄影物镜，例如托卜岗型，双高斯型。
１．三片型物镜及其复杂化型式
在完成第一阶段校正的基础上，全面分析一下系统像差的校正 状况，找出最重要的高级像差，作为第二阶段的校正对象。当 然在第一阶段中已加入校正的像差在第二阶段必须继续参加校 正。因为只有在基本像差达到校正的前题下，校正高级像差才 有意义。对剩余像差或高级像差的校正，采取逐步收缩公差的 方式进行，使它们校正得尽可能小。在校正过程中某些本来不 大的高级像差可能会增大起来，这时必须把它们也加入校正， 或者在无法同时校正的情况下采取某种折衷方案，使各种高级 像差得到兼顾。第二校正阶段往往是整个设计成败的关键。如 果系统无法使各种高级像差校正到允许的公差范围之内，只能 放弃所选的原始系统，重新选择一个高级像差较小的原始系统。 回到第一阶段重复上述校正过程，直到各种高级像满足要求为 止。
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。
二、厚透镜系统
厚透镜可看作是由两个分离薄透镜和一块玻 璃平板组合而成，因此单个弯月形厚透镜是 有可能校正场曲的，为了使厚透镜达到校正 轴向色差和球差的要求。
照相物镜设计
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
照相镜头光路设计概述
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。
照相物镜设计
双高斯照相物镜是目前多数大孔径物镜的基础，它的演变型式很多，它的复杂化目的是为了改善成像质量，如图1-1.2所示，或者是为了增大相对孔径，如图1-1.3所示，相对孔径可达1/0.95。由于双高斯物镜是一个对称的系统，因此垂轴像差很容易校正。设计这种类型的系统时，只需要考虑球差、色差、场曲、像散的校正[]167。
四、设计要求
设计一照相物镜,其相关技术要求为[1]238:
焦距 ;相对孔径 ;视场角 。
系统畸变<2%;空间频率为40lp/mm时,传递函数MTF ≥ 0.4。
五、外形尺寸计算
由于照相物镜结构比较复杂，而且它们的结构主要是由高级相差决定的，所以照相物镜设计的初始结构一般都不采用初级像差求解的方法来确定, 而是根据要求从手册、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，通过相差计算逐步进行修改，达到满足要求的光学特性和成像质量[2]176。
空间频率为40lpmm时传递函数mtf外形尺寸计算由于照相物镜结构比较复杂而且它们的结构主要是由高级相差决定的所以照相物镜设计的初始结构一般都不采用初级像差求解的方法来确定而是根据要求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通过相差计算逐步进行修改达到满足要求的光学特性和成像质量2176在选择初始结构时不必一定找到和要求相近的焦距一般在相对孔径和视场角达到要求时我们就可以将此初始结构进行整体缩放得到要求的焦距值
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是:既能满足光学性能和成像质量的要求，而结构又最简单。
双高斯物镜是具有较大视场(大约 =40º左右)的物镜中相对孔径最先达到1/2的物镜[]225。双高斯物镜是以厚透镜矫正匹兹万场曲的光学结构，半部系统是由一个弯月形的透镜和一个薄透镜组成，如图1-1.1所示。
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
照相机物镜设计
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。
一种三片型照相物镜的设计
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。
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小视场小口径照相物镜设计1 原始系统
图1 原始系统
2 图形测绘
N1=1.636,N2=1.612,N3=1.562，在”草稿.dwg”查出半径，厚度，口径得到ZEMAX文件“1-初态.ZMX”。
3 验证非球面实体化操作集
在CODE V与ZEMAX中往返优化，得“2-非球面系统.ZMX”，用于0.20英寸CCD场合（实际是0.21英寸，多于的0.1英寸，用于补偿装配偏差）：
由于上系统透镜较薄，其初级像差应与理想系统用PWC法计算出的结果接近，故可用于非球面实体化操作集的校验。
（1）赛特和数
（1）架构
据此建立架构文件，并值入非球面实体化操作集，见“3-架构.ZMX”。
（2）非球面操作集的优化及校验
计算结果也较接近。
说明球面系统PWC计算操作集部分正确。
查半径PWC计算值： R1=2.81，R2=-46; 半径原来值：R1=3.18，R2=-14.77。
如果使PWC半径计算值等于原来值：R1=3.22，R2=-14.77。
那么：
是初级量）。
半径调整后的文件见“4-非球面镜PWC校验2.ZMX”
优化后R1=-4.029，R2=2.89（原镜：R1=-4.0648，R2=-2.957），E12=--1.032163，
的(见“4-非球面镜PWC校验3.ZMX”)。
优化后R1=7.22，R2=-11.18（原镜：R1=平面，R2=-4.3875），E12=0.0007877，
的(见“4-非球面镜PWC校验4.ZMX”)。
4 实体化结果
载入“2-非球面系统.ZMX”，用“4-非球面镜PWC校验4.ZMX”优化出的R，E值置换，得“5-非球面系统2.ZMX”：
这个结果表面上看，似乎不好，实际上应观察初级像差（赛特和）是否小
，见下表：
由表看各面初级像差都不大，系统的初级像差也不大，因此高级量不大，校正潜力大。
对上结果进行优化覆盖同名文件，这时系统象质如下：
这个结果的成像质量已很好了，说明非球面实体化操作集优化出来的初始结构，其校正像差的潜力是很大的。