1、1三片分离式照相物镜的优化设计(1) 光学特性：f=12mm,D/f=1/3.5,2w=40（2）像质主要以调制传递函数 MTF 衡量，具体要求是：全视场在 50lp/mm 处， MTF0.4。任务：1、简述照相物镜的设计原理和类型；2确定照相物镜的基本性能要求，并确定恰当的初始结构；3输入镜头组数据，设置评价函数操作数，进行优化设计和像差结果分析； 4给出像质评价报告，撰写课程设计论文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）当物体处于有限远时，像高为2y=(1- tan)f式中， 为垂轴放大率， 。对一
2、般的照相机来说，ly物距 l 都比较大，一般 1 米，f为几十毫米，因此像平面靠近l焦面， ，所以flf）当物体处于无限远时， 像高为y= tanf因此半视场角=actan fy下表中列出了照相物镜的焦距标准：物镜类型鱼眼超广角广角标准短望远望远 超望远物镜焦距f/mm7.515172024 28 355085 100135 200 300400 500600 800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 NufD3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=1/4L
3、 (D/f) 2 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 3060之间；c）广角物镜：视场角在 6090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 1：91：3.5；c）强光物镜：相对孔径为 1：3.51 ：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
4、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。4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，
5、在视场角为 55时，相对孔径可以达到1：3.51;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。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、
6、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, 5一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：三片分离式照相物镜的优化设计(1) 光学特性：f=12mm,D/f=1/3.5,2w=40（2）像质主要以调制传递函数 MTF 衡量，具体要求是：全视场在 50lp/mm 处， MTF0.4。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
7、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。根据技术要求，从 ZEMAX 自带的资料库 Zebase 中选取了一个三片分离式照相物镜作为初始结构，参数见下表。6序号 R/mm d/mm 玻璃1 28.11 4.2 LAFN212 206.61 4.653 -36.62 2.24 36.62 2 SF535 infinity 4.326 189.367 -28.11 3.12 LAFN21输入参数和缩放将参数输入 zemax：其中第七面设为光阑面，厚度设为marginal ray height。在 LDE 曲率半径（ Radius）列，
8、顺序输入上表中的镜片焦距，OBJ 面不做任何操作；在镜片厚度（Thickness）列顺序输入上表的镜片厚度；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。7后置光阑三片物镜原始结构在 system-general-aperture 中输入相对孔径值 3.5，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。设置相对孔径值和波段：现在开始定义视场，所选孔径光束的 Y-field，即0，6,10,14,20 输入到 sys
9、tem-field 中，类型选择真值高度。到这里，初始结构及其参数已经完成。8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。该结构可以用作优化变量的的数据有：6 个曲率半径， 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。再选择 Tools-Default Merit
10、Function，设置玻璃厚度以及空气间隔，玻璃厚度最小值 0.5，最大值 10；空气厚度最小值 0.1，最大值 100。边缘厚度都设为0.1。start 设为 1，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。如下图所示：9将透镜间隔和玻璃厚度先后进行优化，在 TOOLS 中选中Optimization，弹出对话框，按 Automatic 执行优化操作，相应的扇形图，点列图，MTF 曲线如下：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。结论与思考在此次设计中，我们发现光阑面使用非球面能够很好的平衡像差，同时我们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，使之获得更好的表现。
