毕业论文一种三片型照相物镜设计

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 2=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，ZemaxIIOne 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 2=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, ZemaxIIIIII目 录摘要 .ABSTRACT .1 照相机物镜简介 .11.1 照相机物镜的历史背景 .11.2 照相物镜的特点及发展现状 .42 光学系统像质评价 .52.1 概述 .52.2 几何像差及其相应校正方法 .52.2.1 球差 .52.2.2 彗差 .72.2.3 像散 .92.2.4 场曲 .102.2.5 畸变 .112.2.6 色差 .122.2.7 高级像差 .142.3 像差校正的方法 .152.3.1 像差校正方法 .152.3.2 怎样使用阻尼最小二乘法程序进行光学设计 .163 三片型照相物镜的设计 .173.1 三片型照相物镜的结构形式 .173.2 应用 ZEMAX 软件进行设计 .183.2.1 确定原始系统 .18IV3.2.2 像差的校正及优化 .233.2.3 设计最终优化结果 .254 设计总结 .29致 谢 .30参 考 文 献 .31一种三片型照相物镜的设计 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。本论文设计的三片型照相物镜是由两个正透镜和一个负透镜组成的。1.1 照相机物镜的历史背景 自从发明了照相机，它给人类的文明生活带来了许多方便，对科学研究做出了很大的贡献。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。广大摄影爱好者手中的照相机多半是在日常生活中或者旅游中用来拍摄人和风景的，但是，照相机的用途远不止这些。在现代社会的生活中，摄影这门科学已经被广泛的应用到各个领域中了。照相机，能把人的一生中不同时期的形象，生动地记录下来，给人们抽象的回忆提供了具体的内容；能通过人造卫星，把宇宙间和地球上的地理情况如实的拍摄下来，为人们研究宇宙真相，开发地球资源提供资料；同时在工农业、科研、军事、生活等领域中为人们提供了方便。在日常生活中，照相机是人们必不可少的一部分，它历史悠久，发展迅速，给人们的往日生活带来了美好的回忆。在公元前 400 年前 ，墨子所著墨经中已有针孔成像的记载；13 世纪，在欧洲出现了利用针孔成像原理制成的映像暗箱，人走进暗箱观赏映像或描画景物；1500 年意大利人发明用暗室能观察影像；1550 年，意大利的卡尔达诺将双凸透镜置于原来的针孔位置上，映像的效果比暗箱更为明亮清晰 ； 1558 年，意大利的巴尔巴罗又在卡尔达诺的装置上加上光圈，使成像清晰度大为提高；1665 年，德国僧侣约翰章设计制作了一种小型的可携带的单镜头反光映像暗箱，因为当时没有感光材料，这种暗箱只能用于绘画；到十八世纪初出现了木制电暗箱。1812 年英国人渥拉斯顿用新月形凹透镜作为的暗箱的镜头，能获得较好的影像，这就是后来的照相机镜头的雏形。1727 年德国人发现硝酸银和白粉的混合物具有感光性。1822 年，法国的涅普斯在感光材料上制出了世界上第一张照片，但成像不太清晰，而且需要八个小时的曝光。1826 年，他又在涂有感光性沥青的锡基底版上，通过暗箱拍摄了一张照片。1839 年，陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 2法国的达盖尔制成了第一台实用的银版照相机 ，它是由两个木箱组成，把一个木箱插入另一个木箱中进行调焦，用镜头盖作为快门，来控制长达三十分钟的曝光时间，能拍摄出清晰的图像，得出逼真的正像，感光性能有了明显的改进。法国机械商将带有渥拉斯顿型镜头的木制暗箱装上银版感光片，第一次摄下了人像，成为人类历史上第一架可供使用的照相机。1840 年，美国光学设计师亚力山大沃柯特制造了一台使用凹面镜成像的照相机Wolcott。这台相机比当时采用单片透镜的相机有更大的通光量，在明亮的灯光下，曝光时间为 90 秒，而与之相比的同时代相机通常要曝光 20 分钟。 1841 年，33 岁的维了纳大学教学教授匹兹伐用计算方法设计出了著名的匹兹伐镜头。同年，仪器制造商彼得沃可伦德制出了这只镜头并生产世界上第一台全金属机身的相机。这架相机装有 1:34 的匹兹伐镜头。这台相机镜头的通光量为当时其它相机的 19 倍之多，使摄影者终于可以抓取一些运动缓慢的物体。另一位摄影界的先锋，英国的福克斯托伯特采取了与匹兹伐相反的道路，他发现使用短焦距镜头及小尺寸感光材料可以缩短曝光时间。于是他制作了一台小型相机，并用它拍出了照片。由于相机尺寸很小，得到的照片尺寸只有一英寸见方，当时又没有放大设备，托伯特放弃了继续研制。 由于当时放大非常困难，而且常常得到模糊不精的照片，所以摄影师们都使用很大画幅的照相机，典型尺寸是 1114 英寸。1858 年，英国人汤普森制造了一台 12 英尺长的相机，摄利的照片有 3 英尺见方。最大的相机是 1900 年在美国出现的芝加哥和沃顿铁道公司为了给他们新生产的豪华列国照一张完美的照片，定制了这架名叫“Mamtnoth”的相机。这架相机重达 1400 磅,使用 500 镑重的玻璃干板，她的操作小组通常有 15 人，运输时 4.58 英尺照片一次需要 10 加仑显影液。Mammoth 只使用过一次，就从摄影史上消失了。 为减小摄影成本，有人考虑在一张平板拍摄多张照片，于是出现了多镜头照相机。这些镜头有各自独立的调焦钮。在 19 世纪 60 年代，一般拍摄立体照片的旋风刮过欧美大地。利用两只略为分开的镜头同时拍摄两张照片，再用特殊的观片器来观看，就可以得到立体感的影像。1844 年，马坦斯在巴黎发明了世界上第一台转机。这台相机依靠镜头的转动，可以拍摄 150 视角的全景照片。这个原理到今天还被运用。 在 19 世纪 80 年代，欧美许多机厂纷纷生产一些奇形怪状的偷拍相机。这些相机并不是为了警察或间谍部门生产的，而是许多摄影爱好者喜欢上了偷拍。于是，这些相机有的做成盘形，镜头像一枚钮扣，可以挂在马夹内，在一张图形干板上拍摄 6 幅画面；有的做在领带里，镜头在上面，而卷片象钮扣一样，可以控制 6 张平板顺序拍一种三片型照相物镜的设计 3摄，快门则靠摄影者手中的一个吹气球来开启；有的做成手枪状，弹仓里放了 10 张小平板，通过扳击来启动快门。1888 年，美国柯达公司的乔治伊斯曼(George Eastman)发明了将卤化银乳剂均匀涂布在明胶基片上的新型感光材料胶卷。同年，柯达公司推出了世界上第一台胶卷的照相机柯达 1 号。柯达相机一经推出，立刻受到大众的欢迎。 在 20 世纪初期，出现了一种新的新闻形式，那就是用高速单反相机所拍摄的运动照片。这类新闻相机体积较小，有大口径镜头，反射取景对焦装置，典型的如美国产的 Graflex，它拥有纵走焦平面帘幕快门及 f4.5 口径的镜头，与今天的单反十分相似。只不过它用的是 45 英寸玻璃干板。 1913 年，德国莱兹公司的巴纳克为测试电影胶的感光度面试制了一台小型相机莱卡 U 型。这是世界上第一台使用 35 毫米胶片的相机，为摄影史拉开了新的一页。 1920 年，出现了 Ermanox 相机，这种相机尺寸较小，使用 23 英寸的玻璃干板。它的镜头口径为 1：2，这在当时是绝无仅有的。它的出现，使不用特殊照明的室内照成为可能。1925 年，菜卡 I 型正式上市，采用铝合金机身，五片 Elmar 50mm F 1：3.5 镜头，旁轴取景器，焦平面快门，上弦卷片联动。这是摄影史上重要的一步。 1929 年，德国罗菜公司生产了 ROLLEIFLEX 120 双镜头反光照相机，受到广大摄影者的欢迎，并在一段时期内独领风骚。 自此，相机开始进入我们所比较熟悉的阶段。一起稳固发展。从第一架照相机问世至今的一百多年来，照相机有了飞速的发展，它的演变历史大致可以分为三个阶段。从 1839 年到 1938 年这近百年的时间，为照相机的初级阶段。其特点是适应摄影实践的需求，提高照相机的技术性能和发展照相机的品种。由木制暗箱发展为金属机身，由于感光材料感光度的大大提高和拍摄运动目标的需要，出现了机械快门。由于人们对成像质量的要求越来越高，镜头由单片发展到多片多组的形式。为了构图取景方便和提高对焦精度，从框式取景发展成光学式取景和联动式测距。随着胶卷的发现，照相机装有卷片机构和计数器。为了给使用照相机者自我拍摄而添加了自拍装置。这个阶段后期，形成了照相机工业，并进入了光学机械制造行业。从 1939 年到五十年代末，为照相机的发展中阶段 。特点是光学机械结构进一步陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 4完善，电子技术开始应用在照相机上，这个阶段也是 120 和 135 照相机并行发展的时代。由于稀土元素光学玻璃的出现，镜头的像差校正得更好了，镜头普遍加增透膜并向大口径发展。1949 年美国发明了变焦距镜头；1959 年日本尼康 照相机正式配上了变焦距镜头。同年柯达公司发明了用调换前片镜片的方式，得到了广角、长焦，而不用换快门的镜头。1950 年法国安格莱克斯公司发明了普通标准镜头前面加一片新月形凹透镜，成为焦点向后移的逆远摄镜头。1954 年联邦德国设计了微距镜头，物距可达到 5 厘米。这个阶段的镜头品种，质量均向前跨进了一大步。这个阶段日本的照相机工业崛起，在照相机上推广应用新技术最快，使照相机质量有了明显的提高。从六十年代开始至今，为照相机发展的第三阶段。照相机已经进入光学精密机械与电子相结合的时代，