照相物镜镜头设计与像差分析
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。
库克相机物镜优化
库克相机物镜优化三片相机物镜是库克三片式镜头，其最初结构是1893年英国库克父子公司的光学设计师丹尼斯·泰洛设计的。
丹尼斯·泰洛的基本设想是这样的:把同等度数的单凸透镜和单凹透镜紧靠一起,结果自然度数为零,像场弯曲也是零。
但是镜头的像场弯曲和镜片之间的距离无关，因此把这两片原来紧靠一起的同等度数的单凸透镜和单凹透镜拉开距离，场弯曲仍旧是零，但根据组合透镜光焦度公式，其总体度数不再是零，而是正数。
但是这样不对称的镜头自然像差很大，于是他把其中的单凸透镜一分为二，各安置在单凹透镜的前后一定距离处，形成大体对称式的设计,这就是库克三片式镜头。
除了蔡司公司的三片式超广角Hologon 15毫米f/8 镜头却是例外的昂贵外，库克三片式镜头多用于中档、低档照相机。
这种物镜的设计，对教学来说是很典型和实用的。
本文对三片式相机物镜的光学要求为：焦距f′=30mm，相对孔径D/f′=1/4，视场2w=50o。
1.输入初始物镜数据设计物镜的第一步是获得物镜的初始数据，通常使用的方法是：（1）查询相关专利进行放缩；（2）使用初级像差理论解出的结果。
本文使用前一种方法，引用美国专利U.S.Patent 1073789（1913）为初始结构，在软件LensVIEW找出此专利，并在File下拉菜单中选Create ZEMZX File选项进行保存。
直接用ZEMAX打开此文件，其数据如表1所示。
初始物镜的焦距为100mm，我们首先需要对物焦距镜进行放缩，在 Tools下拉菜单中选Miscellaneous →Make Focal，填入30。
这样得到了焦距为30mm的物镜。
接着需要为物镜定义相对孔径。
点击快捷键“Gen”，出现“通常数据（General Data）”对话框，单击“孔径值（Aper Value）”一格，出现“F数（Image Space F/#）” 对话框，输入值：4。
接着为系统输入波长。
点击主窗口上方的快捷键“Wav”，屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。
工程光学照相物镜镜头设计与像差分析教材
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
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。
几何光学中的像差分析及其校正方法研究
几何光学中的像差分析及其校正方法研究几何光学是传统光学学科的一部分，涉及了从摄影机、显微镜到望远镜的各种光学仪器的设计和制造。
在光学仪器的设计中，像差是常见的问题之一。
像差是指在光学成像过程中，由于光线的物理性质导致成像畸变的情况。
解决像差问题是提高光学仪器成像质量的关键步骤之一。
本文将介绍几何光学中的像差分析及其校正方法研究。
一、常见的像差类型在几何光学中，常见的像差类型有球差、彗差、像散、畸变和直观像差。
（1）球差球差是由于透镜的几何形状不是完美的球面而产生的。
球差的表现形式是，离轴处成像的点与轴上成像的点之间有一个球形偏移。
球差主要受透镜的曲率和入射光的位置的影响。
（2）彗差彗差是由于透镜离开球形形状所引起的，是光线不在经过透镜的中心而偏离所造成的。
因此，彗差通常发生在非对称的光路中。
彗差表现为像呈现为一条线。
（3）像散像散是由于不同波长的光线通过不同的透镜成像位置不同而产生的。
像散通常发生在有色物体的成像中。
像散表现为不同颜色的像位置不同。
（4）畸变畸变是由于透镜离轴处成像畸变所引起的。
畸变可以分为桶形畸变和枕形畸变两种形式。
桶形畸变表现为离轴处像比中心位置像缩小，而枕形畸变则表现为像在中心位置比离轴处像缩小。
（5）直观像差直观像差是由于双眼视差造成的。
这种像差只在使用立体投影设备时才会发生。
二、像差的校正方法几何光学中的像差问题对光学成像效果产生很大的影响，因此需要进行校正。
像差的修正方法主要分为机械校正和光学增透膜校正。
（1）机械校正机械校正是通过调整光学设备的物理组成来修正像差。
例如针对球差，可以通过调整镜头的半径或透镜的位置来减少球差。
针对像散和彗差，可以通过调整光路长度的方法来校正。
（2）光学增透膜校正光学增透膜校正是针对透镜表面特殊的膜层来纠正像差的。
这种膜层可以设计成具有衍射干涉能力的结构。
当入射光经过增透膜时，在不同的光程下呈现出对应的基态一次性干涉。
通过设计增透膜的结构，可以校正不同类型的像差。
光学镜头成像质量评估与优化设计
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。
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 。
眼镜片设计中的像差概述
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种 像 差 称 为 球 差 。 差 是 由 于 镜 片 各 点 的 屈 光 力 不 同 球
引起 的 。 差 的存在 引起 了成像 的模糊 。 球
图 ３ 像 散像差
２１ ’‘ ０ １ １ 中国眼 镜科 技杂 志 １ １ ４
Ｅ ｃ ｃ ｐ ｄａｏ ｅ ｔｃｅ ｎｙ ｌ ｅ ｉ Ｓ ｃａ ｌ ｏ ｆｐ ｓ
的 相 似 度 。在 设 计 高 屈 光 力 眼 镜 片 时 应 考 虑 畸 变 。如 图 ５所 示 ，一 个 正 方 形 物 体 ，通 过 负 镜 片 时 ，镜 片 周 边 的 成 像 放 大 率 小 于 ｉ将 缩 小 成 桶 形 ； 过 正 镜 片 时 ， ， 通
大 降 低 ， 眼镜片 设计 时 应尽 量 减少 像散 。 在
３ 几何像 差简 述
３１单 色像差 ．
，
／
，
３ １． 球 差 ． １
／
／
轴 上 点 发 出的 同心光 束 经镜 片后 ， 像 平 面 并不 在 成 一 个 点 的 像 ，而 是 形 成 一 个 中 心 对 称 的 弥 散 圆 ，这
要校 正像 差 。 片 的像 差 可 以用 几何 像 差 来描 述 ， 镜 本 文 着重 介 绍 了 像差 的种 类 及 在 镜 片设 计 中 的影 响 程 度 ， 眼 镜 生 产 企 业 设 计 提 供 比 较 完 整 的 像 差 理 论 知 为
识 。
图 １ 球差
从 图 １ 以看 出 ， 种 模 糊和 孔径 有 很大 关 系 。 可 这 由 于 人 眼 的 瞳 孔 相 当 于 一 个 受 限 制 的 孔 径 。所 以 ，一 般 在 眼镜 片 设 计 中 不 需 要 考 虑 球 差 的 影 响 。
zemax像差知识总结
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
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
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
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
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
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。
镜头像差对图像画质影响的解析与对策
Ｖｏ １ ． １ ６ Ｎｏ ． ３
Ｊ ｕ １ ．２ ０ １ ３
文章编号 ： １ ０ ０ ８ － ５ ５ ６ ４ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ ４ ） １ ２ ５ － ０ ４
镜头像 差对 图像 画质影 响 的解析 与对 策
谢 权
（ 西安 文理 学院 党委宣传部 ， 西安 ７ １ ０ ０ ６ ５ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｌ ｅ ｎ ｓ ａ ｂ ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ａ ｎ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｈ ｅ ｎ ｏ ｍｅ ｎ ｏ ｎ ｉ ｎ ｓ ｕ ｒ ｍｏ ｕ ｎ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｆ ｏ ｒ ｉ ｍａ ｇ ｅ ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ．Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｉ ｍａ ｇ ｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ １ ９ ｔ ｈ ｃ ｅ ｎ ｔ ｕ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ ｈｅ ｔ ｂ ｉ ｒ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｒ ａ ｎ ｄ ｎ ｅ ｗ ｄ ｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ２ ０ ｔ ｈ ｃ ｅ ｎ ｔ ｕ ｙ ，ｐ ｒ ｈ ｏ ｔ ｏ ｇ ｒ ａ ｐ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｎ ｓ ｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｈ ｉ ｇ ｈ—ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｃ ａ ｐ ｔ ｕ ｒ ｅ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｒ ｅ ｃ ｏ ｇ ｎ ｉ ｚ ｅ ｄ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｎ ｏ ｎ ｏ ｆ ｉ ｍａ ｇ ｅ ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｆ ｏ ｒ ｅ，ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｆ ｌ ｅ ｎ ｓ ａ ｂ ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｃ ｏ ｍｅ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｅ ｎ ｓ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ．Ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ 。ｔ ｈ ｅ ｏｒ ｆ ｍ， ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ，ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｃ ｏ ｐ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｈ ｅ ｎ ｏ ｍｅ ｎ ａ ，ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｓ ｐ ｈ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｂ ｅ ｒａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｄ ｉ ｓ ｔ ｏ ｒ － ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｂ ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｃ ｈ ｒ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｃ ａ ｂ ｅ ｒ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｃ ｕ ｒ ｖ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ，ａ ｓ ｔ ｉ ｇ ｍａ ｔ ｉ ｓ ｍ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｍａ ａ ｂ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ
照相物镜基于ZEMA课程设计报告实例
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 。
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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：2011.6.20 至2011.7.1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1/2.5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33.32°, 相对孔径D/f’=2. 8, 半像高3.6 mm ,后工作距9.880mm，镜头总长为14.360mm。
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、1.08、1.8、2.5452，总畸变不超过0.46%，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-0.000226，慧差-0.003843，像散0.000332。
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 1/2.5 inch was designed。
Whose FOV is 33.32°, Aperture is 2. 8，half image height is 3.6 mm，back working distance is9.880mm and total length is 14.360 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、1.08、1.8、2.5452，total distortion is less than 0.41%，Modulation transfer function of shade in the selected field of view to meet the axis isgreater than 60% @ 100 lp / mm, outer axis than 48% @ 100 lp / mm ，The sum of the whole system spherical aberration -0.000226，Coma is -0.003843，Astigmatism is 0.000332。
Fully meet the design requirements.Keyword ：ZEMAX ； Camera lens ；Modulation transfer function引言---- 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。
照相物镜按其相对孔径的大小，大致分为a ）弱光物镜：相对孔径小于1：9；b ）普通物镜：相对孔径为1：9~1：3.5；c ）强光物镜：相对孔径为1：3.5~1：1.4；d ）超强光物镜：相对孔径大于1：1.4；照相物镜没有专门的视场光阑，视场大小被接受器本身的有效接受面积所限制，即以接收器本身的边框作为视场光阑。
照相物镜上述三个光学性能参数是相互关联，相互制约的。
这三个参数决定了物镜的光学性能。
企图同时提高这三个参数的指标则是困难的，甚至是不可能的。
只能根据不同的使用要求，在侧重提高一个参数的同时，相应地降低其余两个参数的指标。
早期的照相物镜是单片的正弯月形透镜，其前置一孔径光阑，之后演变为双胶合弯月透镜以及正负分离透镜，这些简单的物镜相对孔径很小只能在室外照明条件良好时拍摄，又称为风景物镜。
最早出现的对称型物镜，属于简单的风景物镜对称于光阑的组合，相对孔径仍然很小，如Hypogon物镜。
之后又出现Protar物镜，Dagor物镜等一系列逐渐演变出来的物镜，之后出现的三片物镜是很多复杂透镜的基础，它由三片分离的薄透镜组成，在视场角为55°时，相对孔径可以达到1：3.5~1;2.8,在视场角适当降低时，相对孔径可提高到1：2.4以上。
其他还有双高斯物镜、远距物镜、反远距物镜等等复杂物镜。
本次涉及所使用的三片物镜是具有中等光学特性的照相物镜中结构最简单，像质最好的一种，被广泛使用在比较廉价的135#和120#相机中，例如国产的海鸥—4、海鸥—9、天鹅相机等。
这种照相物镜进一步复杂化的目的，大多是为了增大相对孔径，或提高视场边缘成像质量。
设计过程2.1初始结构的选择照相物镜属于大视场大孔径系统, 因此需要校正的像差也大大增加, 结构也比较复杂, 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。
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。
原设计要求：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%照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器的空间范围, 镜头所成的半像高y 可用公式y =- f tanw计算, 其中f 为有效焦距, 2w 为视场角。
半像高y 应稍大于图像传感器CCD 或CMO S 的有效成像面对角线半径, 防止CMO S 装调偏离光轴而形成暗角。
经过简单计算：y’=sqrt(4.29^2+5.76^2)/2≈3.6mm,w=atan(y’/f)≈16.66°视场角2w=33.32°。
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（如图1），初始参数为：焦距分f’=42.12mm;相对孔径1：2.8；视场角2w=54°，其余参数见表1-2。
表1-22.2输入参数和缩放将参数输入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（中间一个面）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，顺序输入表1-2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1-2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（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。
结果如下图2-1在system-general-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中该改焦距为12mm进行缩放。
图1：后置光阑三片物镜原始结构输入初始参数：设置相对孔径值和波段：输入焦距12mm进行缩放：之前所得像高y’=3.6mm,依次乘以0，0.3，0.5，0.7071得到所选孔径光束的Y-field，即0，1.08，1.8，2.5452输入到system-field中，类型选择真值高度。
图2 到这里，初始结构及其参数已经完成。
2.3在ZEMAX中进行优化利用ZEMAX得到初始结构的M TF 曲线（如图8 所示）可看出成像质量很差, 因此需要校正像差。
图8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12，权重设为1。
在输入SPHA，在Target中输入0.4，在Weight中输入1。
第二个BLNK改为MTFT并Enter，在Freq中输入100，在Target中输入0.04，在Weight中输入1。
同理输入MTFA和MTFS（如图9所示）。
再选择Tools-Default Merit Function，设置玻璃厚度以及空气间隔，start设为2，再选择OK，建立缺省评价函数。