照相物镜设计
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。
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。
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。
ZEMAX课程设计——照相机物镜设计
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；2ω=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。
在primary 中点击选1，即用第一个波长为近轴波长。
（3）输入孔径大小。
由相对孔径为1：3.5，焦距为100mm得到，孔径D=100／3.5=28.57143mm。
在主选单system 菜单中选择general data,在aper value上键入28.57143。
（4）输入视场角。
（5）输入曲率，面之间厚度，玻璃材质。
本实验中共有5组透镜，其中最后两组为双胶合透镜，故共有9个面，回到LDE，可以看到三个surface，STO（孔径光阑）、OBJ（物点或光源）、IMA（像屏），在STO前后插入几组surface，除IMA外共计9组surface,输入数据。
最后根据参考实验图确定STO在第6面上。
①点击layout,画出2D图形②点击spot diagram ,画出点阵图由图看出光波在波长1、2、3下的弥散斑直径大小分别为33.625、54.419、64.768（单位：微米），其中第2、3波长弥散斑大小大于50微米，不符合要求，故需要改进。
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 。
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。
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。
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.. . . ..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：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 (3)二、设计要求 (5)三、外形尺寸计算 (5)四、结构选型及参数计算 (5)1.结构选型 (5)2.参数数据 (7)五、ZEMAX初始数据 (7)1.初始结构参数 (7)2.缩放焦距 (9)3.更换玻璃 (10)六、ZEMAX校正数据 (11)1.设置约束对象 (11)2.设置变量 (12)3.优化 (13)4.最终结构数据 (13)七、像质评价 (14)1.2D草图 (14)2.场曲和畸变 (14)3.快速傅立叶变换调制传递函数 (15)4.标准点列图 (15)5.光线像差特性曲线 (16)6.光路特性曲线 (16)八、零件图 (18)九、学习体会 (19)十、参考文献 (20)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D'f/、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。
图1-1.1 图1-1.2 图1-1.3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[2]167。
二、 设计要求设计一照相物镜,其相关技术要求为[1]238:焦距mm f 30=';相对孔径2/1/='f D ;视场角︒=402ω。
系统畸变<2% ;空间频率为40lp/mm 时,传递函数MTF ≥ 0.4。
三、 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。
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。
四、 结构选型及参数计算1. 结构选型mm f 30='；2/1/='f D ⇒mm D15=；ω。
=202ω⇒︒=40︒根据所要求的技术条件，选用双高斯物镜结构较为合适[3]。
利用光学设计软件CODE V寻找到一个合适的初始结构[4]，来自美国专利2117252的初始结构[5]。
其相对孔径和视场角都满足要求，如图4-1.1所示。
图4-1.12.参数数据其默认结构参数为1='f时的数据，见表4-2.1。
表4-2.1 默认结构参数五、ZEMAX初始数据1.初始结构参数打开ZEMAX,设置相对孔径值，如图5-1.1所示。
图5-1.1按照镜头专利数据如图5-1.2所示，设置视场角及渐晕系数如图5-1.3所示。
图5-1.2图5-1.3将表4-2.1中初始参数输入ZEMAX，如图5-1.4所示。
图5-1.42.缩放焦距默认结构参数为1='f时的数据，输入焦距30mm进行缩放，如图5-2.1所示。
图5-2.1缩放后得到我们所设计的焦距mmf30'的初始参数，如图5-2.2=所示。
图5-2.23.更换玻璃ZEMAX 允许玻璃拥有相应的一种“替代”状态，在寻找更好的设计方案的过程中自动改变玻璃类型。
设置当前激活的玻璃库，改为国产玻璃，如图5-3.1所示。
图5-3.1使用玻璃替代功能，如图5-3.2所示。
图5-3.2在玻璃解对话框中自由设置每块玻璃的状态使之变成“替代（substitute）”，如图5-3.3所示。
图5-3.3到此，初始结构及其参数已经完成。
六、ZEMAX校正数据1.设置约束对象选择默认优化类型为波前差，约束玻璃及空气的相关厚度,如图6-1.1所示。
图6-1.1在MTE里添加MTFT及MTFS约束各个视场40lp/mm时大于0.4，并添加DIMX小于0.02,EFFL为30，如图6-1.2所示。
图6-1.22.设置变量设置所有面曲率半径及厚度为变量，如图6-2.1所示。
图6-2.13.优化使用Hammer优化，如图6-3.1所示。
图6-3.14.最终结构数据得到合适的结构数据，见表6-4.1。
表6-4.1 最终结构数据七、像质评价1.2D草图图7-1.1 图7-1.2如图7-1.1所示，为优化前；如图7-1.2所示，为优化后。
2.场曲和畸变图7-2.1 图7-2.2如图7-2.1所示，为优化前；如图7-2.2所示，为优化后。
图中distortion即为畸变，由图知优化前后系统畸变<2% ，符合要求。
3.快速傅立叶变换调制传递函数图7-3.1 图7-3.2如图7-3.1所示，为优化前；如图7-3.2所示，为优化后。
MTF值优化后，空间频率为40lp/mm时,传递函数MTF ≥0.4，符合要求。
4.标准点列图图7-4.1 图7-4.2如图7-4.1所示，为优化前；如图7-4.2所示，为优化后。
优化后点列图更加聚集。
5.光线像差特性曲线图7-5.1 图7-5.2如图7-5.1所示，为优化前；如图7-5.2所示，为优化后。
6.光路特性曲线如图7-6.1所示，为优化前；如图7-6.2所示，为优化后。
由以上图像分析可知，像质在优化后都有了明显地提升，而且满足设计要求。
八、零件图第一面透镜零件图如图8-1.1所示。
(透镜零件尺寸上下各留1mm)图8-1.1九、学习体会花了大概将近一个星期的时间终于完成了这份设计报告，所投入的精力与时间远超预期。
从头止尾，跌跌撞撞，十分不容易。
从最开始的选题开始，最开始选的是投影物镜，但这类的例实在太少了，作为新手考虑到之后的操作进程，还是选了较为广泛的照相物镜，就当是投影物镜的反向设计。
然后具体的设计要求，也刻意避开了用的较多的例子，找的相关书籍中的习题。
镜头选型时，在《光学仪器设计手册》中有一个十分合适的结构，但在ZEMAX上设置运行之后却发现光线在透镜中反复折回，完全没法用，检查设置后只好放弃。
然后上网查资料，找镜头，开始接触CODE V软件，使用CODE V的镜头专利库找到了合适的结构，而在将CODE V中数据输入ZEMAX中后发现出现的结构完全不对，和之前一样，但在C0DE V中运行却十分正常，我意识到必须弄清楚这个问题，要不然我换多少结构都没意义，对比两个软件的设置以及查阅资料之后，发现需要设置渐晕，限制光束，按原始专利数据设置渐晕之后光路果然恢复正常，但是设计手册中的初始数据好像没提到渐晕数据，那个结构也只好作罢。
替换玻璃原本是应该按初始玻璃来找参数相近的玻璃，但在CODE V专利中初始玻璃只有一串数据，如“610000.533000”，搞得我莫名其妙，以为是外国玻璃编号之类的东西查了半天，后来才突然醒悟就是玻璃折射率与色散值，不过取的是小数点之后的值，略感无语。
在初始结构完成后开始优化，当真是无头的苍蝇，按原来上课教的方法进行优化却是聊胜于无，试遍已知手段，却发现甚至还不如初始结构来的漂亮，毕竟初始结构已经是十分完美了，只不过缩放了焦距，略改了数据。
毫无头绪，只好求助于相关光学论坛，等了很久，运气不错有人指点了一下，然后才知道应该有目的性的优化，限制了MTF与畸变值，试了多次后终于有了点样子，达到设计要求。
断断续续接近一个星期，其实大部分时间都是在解决问题或者避开问题，真正操作写报告的时间并不多。
在这个过程中，出现了很多问题，大大小小的，深刻感受到了实际上“困难真比方法多”，有的问题是可以避开的，投机取巧，比如换玻璃我直接用的ZEMAX的更换功能，我不确定在那种情况下是否合适，有点不踏实但是得到了结果；而有的是避不开的，比如优化，方法没用对图像显示的就是不合格，你没法碰巧弄出来，这种时候挺磨人的，甚至想换个简单点的题目吧，但我磨着磨着最终还是解决了，有种解脱的感觉，虽说最后发现整个过程用的方法好像和老师教的有点走偏了，但是结果合适。
解决问题很有成就感，遇到问题很头疼，有些问题实际上很简单但没人指导就是得花很多时间，没人一起讨论实在太痛苦。
当然，也收获了不少，复习了一下相关知识，CODE V是个好软件，ZEMAX多了点熟练度，解决问题的感觉还不错。
十、参考文献[1]黄一帆，李林.光学设计教程[M].北京:北京理工大学出版社，2009.[2]刘钧，高明.光学设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.[3]耿瑞辰,黄军霞.光学塑料折射非球面在双高斯照相物镜设计中的应用[J].制造业自动化，2010，32（11）：145-148.[4]张以谟.应用光学（第3版）[M].北京:电子工业出版社，2008.695-698.[5]CODE V软件镜头库，US PATENT 2,117,252 EX 1 H. W. LEE.[6]ZEMAX中文使用手册2010年2月版.光研科学有限公司.21。