照相物镜设计报告实例
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。
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。
设计实例zemax设计照相物镜详细过程61页PPT
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37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
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39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
设计实例zemax设计照相物镜详细过 程
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
Байду номын сангаас
Zemax光学设计：Petzval物镜的设计实例
Zemax光学设计：Petzval物镜的设计实例引言：Petzval物镜，它是由两个被空气分离的正透镜组构成。
1839年Joseph Petzval 设计了这个著名的“照相物镜”。
其前组是一个双胶合，后组是一个双分离，两者之间有一个光圈。
前组可以很好地校正球差，但会引入彗差。
彗差由后组校正，光阑位置校正了大部分像散。
然而，这会导致额外的场曲和晕影。
因此，FOV限制在30度以内。
f/3.6的f值是可以实现的，这比当时的其他镜头要快得多。
Petzval首次根据光学定律计算透镜的组成，而之前的光学系统则是根据经验进行磨制和抛光的。
为了计算，奥地利大公路易（炮兵司令）向匹兹瓦提供了8名炮兵和3名下士，因为火炮是进行数学计算的少数职业之一。
1.Seidel分析双片式物镜的局限性在于单组元件无法校正像散，这大大限制了它的视场角范围。
在光阑上的薄透镜组的像散为：即其总是不为零。
因此，只有一些透镜组不在光阑上，才能校正像散。
因此，两个分离的透镜组可以用于产生等量反向的像散。
这两个透镜组不一定是单透镜，也可以是消色差双片式或者更复杂的透镜组。
若我们假设光阑在第一个透镜组上，第二个透镜组和它相距一段距离，那么会有光阑平移效应。
只要第二个透镜组没有完全校正球差和彗差，那么平移第二个透镜组远离光阑一定距离，就可以产生足够的像散来校正第一个透镜组的像散。
我们可以得到任意的一个像散值S3，但是两个正透镜组都会对场曲产生贡献，即Petzval 物镜的 Petzval 和总是正值。
这意味着像面总是朝向镜头弯曲。
通常，我们想要零像散，则让总的S3为零，场曲会使子午和弧矢像重合于弯曲的像面上。
但是，还有其他选择，由弧矢像差，只要S3=-S4，我们就可以使弧矢像面为平面。
而且，若让S3=-S4/3，则就可以使子午像面为平面。
在设计 Petzval 镜头中有一个很好的准则，那就是让前组(A)的光焦度为K /2，后组（B）的光焦度为K，为保证总光焦度为K，让它们之间的距离为1/K。
照相物镜设计(小视场小口径)
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。
一款照相物镜设计
华侨大学厦门工学院光学软件设计课程设计报告题目：一款照相物镜设计专业、班级：13级光电2班学生姓名：***学号：*********指导教师：***分数:《课程设计》任务书课程名称：光学软件课程设计目录一、照相物镜简介................................ 错误!未定义书签。
二、确定初始结构 (6)三、用ZEMAX优化 (9)四、结论....................................... 错误!未定义书签。
五、心得体会.................................... 错误!未定义书签。
六、参考文献.................................... 错误!未定义书签。
一、照相物镜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’=1/4πLτ(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。
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。
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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1-2r1=13.44 d1=4.41 n=1.67779 v=55.2r2=30.996 d2=4.41r3=-40.614 d3=1.01 n=1.59341 v=35.5r4=13.44 d4=2.39r5=32.508 d5=3.36 n=1.69669 v=55.4r6=-27.0062.2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：缩放后得到我们所设计的焦距f’=12mm的初始参数（如图2所示），现在开始定义视场，我们根据之前所得像高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。
注：EFFL：Effective focal length的缩写，指定波长号的有效焦距。
SPHA：指球差，如果Surf=0，则指整个系统的球差总和。
MTF：指子午调制传递函数。
图9然后在Analysis-Aberration Coefficients-Seidel Coefficients中查看，找出对赛得和数影响大的面，将这些面的曲率半径设为变量，优先优化。
发现第一面和光阑面影响较大，优先优化。
先将STO面的类型改为Even Asphere，并将此行的4th term、6th term、8th term设为变量。
将1、6面曲率半径设为变量，选择快捷选项Opt，然后进行优化，优化后取消变量，将剩余面的曲率半径设为变量，再次优化，完毕后取消变量。
再将透镜间隔和玻璃厚度先后进行优化。
到这一步后发现已经基本符合设计要求，再根据2D图适当调整曲率半径和厚度，每次调整后再次优化实时关注MTF图的曲线变化，最后使各个参数都在可接受范围之内。
2.4优化结果。