7. 摄影系统设计

OpticsDesign七.摄影物镜设计1.导入1812年，英国人沃拉斯顿（Wollaston）发明了最早的单片式弯月型摄影物镜。根据曲面朝向，其作为摄影使用时可分为前弯月镜头和后弯月镜头，如图所示。其中后弯月型镜头球差表现更佳，且畸变一般为桶形畸变，人眼对桶形畸变的容忍度一般更高。且透镜凸面外漏，可以作为相机的防护窗口，做成密封结构有优势。作为针对人眼的观察的图像来说一般的摄影物镜的SPT的直径在30-50μm以内是允许的。对高质量摄影物镜，其SPT直径应小于10~30μm。倍率色差最好不超过10μm，畸变一般小于2%~3%(除广角镜头)。基本设计要求标准摄影物镜是指在拍摄人像、景物、生活等各种日常影像时，视角与人眼的视角相当的镜头，其视场角大小一般在50°左右。一般相机均配置有标准镜头。其焦距一般在40mm-60mm。2.标准摄影物镜常见类型经典结构：库克三片式结构三片薄透镜组成，其间空气间隙较大，在控制光焦度时令Petzval和、横向色差和纵向色差为零。第一片和第三片透镜材料可以相同，采用高折射率冕牌玻璃，光阑位于前两片透镜之间，中间透镜材料选用低折射率火石玻璃。光阑的位置并不是绝对的，也有将光阑放在透镜后，以减少色差。也可以在像面前增加一个光阑，但这样做会使像面面积减小，边缘亮度低。2.标准摄影物镜常见类型1893年，HaroldTaylor在英格兰的T.CookeandSons公司工作时设计了库克（Cooke）三片式物镜，一年以后Cooke作为品牌名称推向市场。该结构不仅成为Cooke旗下产品的设计蓝本，更是全世界中等光圈镜头几乎普遍采用的方案当然，除了最简单的三元件设计外，镜头设计师还可以用胶合双合透镜替换任何元件，或将任何元件拆分为多个元件，产生很多变化。因此，脱胎于Cooke三片式物镜便产生了很多新的物镜结构。库克三片式40°视场物镜视场40°总长度<70mm入瞳10mmF/6MTF在30线对/mm处大于0.62.标准摄影物镜常见类型经典结构：库克三片式结构Zemax课堂练习与模拟教学2.标准摄影物镜常见类型经典结构：库克三片式结构系统缩放设计作为摄影物镜的中等视场镜头典型结构，可以改型成为众多场合的物镜模板。例如设计一微型相机镜头，要求：视场50°，F/#=2.8，

焦距7mm，系统总长不超过10mm,MTF曲线在150lp/mm>0.1。Zemax课堂练习与模拟教学利用前述40°视场镜头作为初始结构2）Zemax缩放1）F/#修正与优化3）视场修正与优化2.标准摄影物镜常见类型视场20°，F/#=4.5，

焦距100mm，畸变小于0.1%。天塞(Tesser)物镜结构是卡尔·蔡司公司的保罗·鲁道夫于1902年根据他自己设计的四片四组式乌那镜头（Unar）改制而成。基本结构形式和Cooke三片式镜头结构相似，是将Cooke镜头的最后一片透镜分裂成双胶合透镜。但镜头发展史上一般不认为Tesser物镜脱胎于Cooke三片式物镜。“天塞”镜头是有史以来生产量最大的摄影镜头。其对球差、像散和色散的校正效果较好，是最常见的中档次镜头。我国几十年来设计制造的照相机镜头产中就有不少类似结构。经典结构：天塞(Tesser)物镜结构双高斯物镜是一种具有对称结构型式的大孔径中等视场物镜，成像质量较高。2.标准摄影物镜常见类型经典结构：双高斯结构该结构两边透镜结构基本对称于光阑，左右对称结构可以很好地矫正彗差、畸变，中间的光阑可以用来矫正像散（多采用火石玻璃元件的凹面靠近光阑），中间的厚透镜组用来矫正场曲，后透镜分裂成胶合透镜用来矫正色差。双高斯物镜变形形式(a)失对称变形(b)复杂化相对孔径D/f＇=1/2～1/1.7，视场角2ω=40°～50°现今50mm的定焦镜头大多是这种结构像差矫正特点双高斯结构Zemax设计案例双高斯物镜的变形结构设计，焦距135.3mm，光阑直径16mm，全视场45°，F#=5.3，有效焦距42.6mm2.标准摄影物镜常见类型经典结构：双高斯结构Zemax课堂练习与模拟教学镜头视场越大往往意味着其焦距越小。那么焦距很长，视场较小的镜头有没有应用价值呢？答案是肯定的。最直接的应用就是摄远镜头长焦距镜头：f=80mm-300mm超长焦镜头：f>300mm7.2.1摄远物镜摄远物镜基本概念焦距一般较长，因而视场角较小，对应拍摄区域也较小，可以把远处一块区域相对较小的区域成像至相机画面，给人呈现一种将远处物体拉近到面前的感觉，从而使被拍摄物体的远近感消失。如采用广角物镜，由于拍摄区域过大，在像面看到大面积区域的缩小像，则不会产生物体的拉近感，比如你看一张世界地形图。因此，这类长焦镜头适合拍摄一些远处的不容易接近的物体，比如野外动物摄影，无人机航拍等。摄远物镜在摄影领域的应用非常广泛，尤其是在需要捕捉远距离物体的场合，如野生动物摄影、体育赛事拍摄和新闻摄影。它们通常具有较长的焦距，使得摄影师可以在不接近拍摄对象的情况下，拍摄到细节清晰的图像。在天文学中，摄远物镜用于望远镜的设计，以观察遥远的星体和其他天体。这些物镜能够提供高倍率的放大，使得天文学家能够研究宇宙的深处。安全监控系统中，摄远物镜可以安装在固定的位置，用于监视较远的区域，如停车场、高速公路或其他开阔区域，以便于记录和分析发生在这些区域的活动。在航拍领域，摄远物镜的设计要求结构紧凑，同时具有长的焦距，以满足特定的拍摄需求，如从飞机或无人机上拍摄地面的高清图像。摄远物镜应用领域摄远镜头的基本结构是一对正负透镜组，正透镜组在前，负透镜组在后。其焦距f一般大于系统总长L，因此有利于缩小镜筒长度。L/f称为摄远比。当d=L/2时，f2’取最大值。焦距f>筒长L>工作距fb7.2.1摄远物镜典型结构摄远物镜原理结构7.2.1摄远物镜摄远物镜Zemax设计案例设计目标：焦距300mm，摄远比0.7，F/10，视场6°。Zemax课堂练习与模拟教学7.2.2反摄远物镜反摄远物镜基本概念如今越来越微型化的手机摄像头和数码相机都采用折叠光路，利用反射棱镜改变光路方向，即通过在拍摄方向的长度变短，实现整体体积优化。前方镜头可以更换，每个镜头通过调焦将焦点准确落在探测器上实现清晰成像。但值得注意的是，当前方镜头被更换成焦距较短的广角镜头时，可能会出现无论如何调焦也无法将焦点落在探测器上的情况，因为反射棱镜可能会阻挡镜头后移。这就要求，前方镜头具有较短的焦距的情况下同时拥有较大的工作距离。如上一节所示的摄远镜头其焦距>工作距，便不符合条件。“反摄远镜头”解决的就是工作距离问题：工作距比普通短焦镜头要大，能完全避开反光镜的范围，同时又能保证相同视角和良好成像。在单反机上出现的广角、超广角、鱼眼镜头等短焦镜头都得益于这一技术。因为反摄远镜头的原理就是把一个长焦的摄远镜头反过来，这样的结构能使得工作距离比焦距更大。7.2.2反摄远物镜反摄远物镜原理与结构

简洁的反摄远结构一般由四组分构成，如图中间结构所示，四个组分可以分别进行光焦度分裂和变形视场24°，焦距29.8mm，工作距离56.5mm7.2.2反摄远物镜反摄远物镜设计案例由于广角镜头的焦距短，视角大，景深大，在较短的拍摄距离范围内，能拍摄到较大面积的景物。结合其大景深的特点，在很多场合几乎不用对被摄物聚焦，就能极快地完成抓拍。但使用广角镜头近摄时，前景被夸张，能产生较为严重的透视畸变。7.2.3广角物镜广角物镜基本概念广角物镜延续了反远摄物镜的结构形式，焦距短于标准物镜（<40mm），视角大于标准物镜（>60°）7.2.3广角物镜广角物镜基本类型普通广角镜头的焦距一般为24mm-38mm，视角为60°-80°超广角镜头的焦距为13mm-20mm，视角为90°-118°现代广角镜头光组主要有对称式结构和后退焦点式结构两种形式。对称式广角镜头又可分成正外透镜和负外透镜两个类型。如图(a)和(b)所示的早期的托普冈广角镜头和荷洛冈（Hologon）广角镜头便是标准的对称式正外广角镜头，在早期没有计算机辅助设计支撑的时代，对称设计的优点是前组产生的部分垂轴像差可以通过对称的后组有效校正，因此被广泛采用，前面章节所述的高斯对称结构的意义也是如此。图(c)所示1967年尼康某单反镜头，采用的是负外透镜型，即最前端为负光焦度的负透镜，大多采用大弯月型透镜，朝向光阑方向弯曲。7.2.3广角物镜广角物镜设计案例广角物镜的设计也可参考反远射物镜的基本结构70°广角物镜，总长191mm，焦距20.5mm，F#为2.27畸变达16%畸变达36%100°超广角物镜，总长245mm，焦距24.2mm，F#为2.347.3.1远心物镜概念与分类成像镜头用于测量时：1）普通镜头在不同的共轭距离处呈现不同的放大倍率.物距不同，像的尺寸也不同。调焦不准确导致像面不在正确位置上同样会导致放大倍率计算误差。这对某些用于测量的成像系统是很不利的，需要根据像的大小，经过不同物像共轭距计算放大率才能测得物的尺寸。2）镜头的畸变也会导致在像面上距离中心位置相同的半径上不同方向呈不同的放大率。因此，在用于精确测量的机器视觉领域，就需要使用几何畸变尽可能低的高对比度图像；同时最大限度的控制不同物距误差和像距误差对于放大率的影响。远心镜头（Telecentriclens）便应运而生7.3.1远心物镜概念与分类远心原理7.3.1远心物镜概念与分类根据光瞳的不同位置特征，远心镜头的光路形式可以分为物方远心光路、像方远心光路和双远心光路。物方远心光路像方远心光路双方远心光路7.3.1远心物镜概念与分类Zemax示例：7.3.2远心光路Zemax设计方法远心光学系统的设计最重要的是确定光阑的位置对于物方远心系统，要求是入瞳位于无穷远，等价条件是入射主光线平行于光轴。在设计开始时，一般不确定光阑在什么位置才能满足条件，一般在系统参数设置中孔径类型（ApertureType）下方选择“远心物空间”选项，

这一选项使得无论初始光阑位置在何处，都强行使得物方入射主光线平行于光轴。注意这一选项只有在有限物距且视场设置为物高（或像高）模式下才能勾选。以某双胶合透镜为例，如（a）所示，一般无特殊要求以其镜框为光阑。如（b）所示，设置“远心物空间”选项后，系统迅速将入瞳拉至无穷远，入射主光线与光轴平行，可以在透镜最后一个面使用“主光线高度”求解主光线与光轴的交点为0的位置，则该位置即可设置为光阑。设置光阑大小，调控光束。即可实现物方远心的初始设计。物方远心设计方法7.3.2远心光路Zemax设计方法像方远心系统要求出瞳位于无穷远，等价于出射主光线平行于光轴。Zemax提供可提供几中不同的方法实现。从第三章可知，对于出瞳位置的优化操作数有EXPP，可设置为无穷远。Zemax设计中一般更倾向于不选择无穷远（大）作为操作数来约束设计，而选择其倒数为0来控制，如图（a）所示。上述操作数若和其他系统默认优化函数一起约束，则其权重应设置较大才能起作用。优化结果如图（b）所示。当然也可以利用RANG操作数约束其主光线角度，同时控制其畸变量。像方远心设计方法7.3.3远心物镜Zemax设计案例基于双高斯镜头初始结构的物方远心系统设计设计指标：被测物45mm，前后深度8mm（设清晰成像的SPT半径容许为15μm），工作距离300mm，系统总长<200mm，F/10,采用CCD相机靶面为1英寸。1英寸相机靶面的对角线为16mm，可计算放大率为-0.355，景深>8mm。物方远心的特点，其镜头最大口径应略大于被测物轴向尺寸的“前大后小”结构。利用一最大口径50mm，焦距135mm的双高斯镜头作为初始结构，如图（a）所示。该镜头F/5.4可以通过后期光阑尺寸的修改来修正。进而选择“远心物空间”选项，使得物方入射主光线平行于光轴，并将光阑口径减小为2mm-3mm，进行优化。结果如图（c）所示，可见原系统的光阑现已不起作用，可能的光阑位置将位于镜组最后一面和像面之间。此时系统MTF曲线比较糟糕，下一步是优化系统的成像质量。首先将双高斯物镜的物方工作距离优化为300mm。并将原先的视场角设置修改为物高的设置，半视场为22.5mm，结果如图（b）所示。7.