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第九章 照相物镜设计

第九章 照相物镜设计. 照相镜头的光学特性. 1 、镜头的性能规格 焦距： f ' 相对孔径： 1:F# 视场角： 2w 按照上述参数 , 可对镜头进行分类 , 如长焦 , 中焦 , 短焦镜头；大孔径 , 中等孔径 , 小孔径镜头；普通镜头 , 广角镜头 , 超广角镜头等。 100º 以上就属于超广角镜头，因此倒车镜头就是这一类。. 2 、照相镜头中的光束限制 在照相物镜中设有专门的孔径光栏，用于限制进入物镜的光线。 设置光栏的目的 ： 选择成像光束 ，确定各个面上的通光口径。 光拦和入瞳： 孔径光栏被它前面的镜组所成的像叫入射光瞳。

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第九章 照相物镜设计

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  1. 第九章照相物镜设计

  2. 照相镜头的光学特性 1 、镜头的性能规格 焦距：f' 相对孔径：1:F# 视场角：2w 按照上述参数,可对镜头进行分类,如长焦,中焦,短焦镜头；大孔径,中等孔径,小孔径镜头；普通镜头,广角镜头,超广角镜头等。 100º以上就属于超广角镜头，因此倒车镜头就是这一类。

  3. 2 、照相镜头中的光束限制在照相物镜中设有专门的孔径光栏，用于限制进入物镜的光线。 设置光栏的目的： 选择成像光束 ，确定各个面上的通光口径。 光拦和入瞳： 孔径光栏被它前面的镜组所成的像叫入射光瞳。 由于像差的存在，入瞳是不确定的。近轴入瞳只有一个，实际入瞳有无数个。这是由光栏球差和光栏彗差产生的。 为了反映实际情况，在光路计算的时候，必须要进行光线瞄准，即RAY AIMING 设置。尤其在广角镜头中 极为重要。如下图所示：

  4. 设置光线瞄准时光路图：

  5. 关闭光线瞄准时的光路图：

  6. 3、照相镜头的成像质量 在照相镜头中，成像质量往往是用它的分辨（鉴别）率表示的，所谓鉴别率，就是指镜头在成像时，能将相邻两个点区别开来的能力。这种能力一般用每毫米内的黑白相间的线对数来表示的，如100lp/mm，就代表1个毫米内，能鉴别100线对，也就是说，它的最小能鉴别的两点的距离为1/200 mm，也即5μ。 镜头的衍射极限 由于衍射的存在，即使是最理想的光学系统对一点成像也不可能是一个像点，而是一个具有一定光能分布的衍射图形。理论上能被光学系统分辨的最大分辨率称为衍射极限分辨率N。 N=1475/F# 由于像差的存在，实际的分辨率要比这的数字低得多.

  7. 照相镜头分类的国家标准

  8. 4.照相物镜的拉氏不变量 • 照相物镜的三个光学性能参数是相互关联相互制约的，共同决定物镜的光学性能。企图同时提高这三个参数指标是困难的。

  9. 5.照相物镜的景深(depth of field ) • 在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围的，就是景深。被摄体的前后纵深，呈现在底片面的影象模糊度，都在容许弥散圆的限定范围内。 • 物距p大，则景深大 • 光圈F 数大，则景深大 • 焦距f'小，则景深大

  10. 6.照相物镜的焦深(depth of focus) • 焦深是指在保持影像原有景深不变的前提下，焦点沿着镜头光轴所允许移动的距离。 • 光圈小，焦深大；光圈大，焦深小。 • 摄距与焦深成反比。摄距近，焦深大；摄距远，焦深小。 • 镜头焦距与焦深成正比。镜头焦距长，焦深大；镜头焦距短，焦深小。 焦深在很大程度上与相机的制造有关；景深在很大程度上与被摄体的再现相关。

  11. 照相物镜结构的演变

  12. A:simple meniscus and rapid rectilinear B:The Petzval lens C:anastigmats、double-anastigmats D: Double Gauss Objectives E:Triplet and Tessar F:Wide-angle objective G:Telephoto H:Inverted telephoto objectives

  13. A:simple meniscus and rapid rectilinear(1) Wollaston meniscus • 小的有效孔径（aperture）stop，Wollaston meniscus lens 几乎没有像散和慧差。 • 透镜具有F/11 或F/16 的有效孔径，而且HFOV大约20°，所以仍然被使用来当简单的box cameras 和便宜的folding cameras。 风景物镜

  14. A：simple meniscus and rapid rectilinear(2) Achromatic meniscus • 为了消色差而引入这种透镜，但在球面像差没有改善，而且产生更严重的像散问题

  15. A:simple meniscus and rapid rectilinear(3) Rapid rectilinear:meniscus • meniscus 的更进一步的发展，是rapid_rectilinear，在单位放大率时，没有慧差、畸变和倍率色差。 • 光阑位于系统中心，stop两边的doublet 会发散光线以修正球面像差，doublets 的外部表面也可以改善场曲和像散 • 有效孔径也因场曲和像散而被限制。 • F/7 和F/8 以及25°HFOV 工作时，像质有很大的改善。

  16. B：The Petzval lens（1）Petzval lens • Petzval物镜是第一个依靠设计而制造的大相对孔径物镜。 •使用两组不相似的doublets，前组胶合在一起后组不胶合，这两个doublets 中间间隔很大的距离。 • Petzval 物镜的像差改善很多，它的有效孔径大约是f/3.5。

  17. 靠近像面位置加负透镜平场，孔径可以做到1：1靠近像面位置加负透镜平场，孔径可以做到1：1

  18. B:The Petzval lens(2) Lister lens • 如果Petzval lens 后面的doublet 互相结合 在一起，而且接触面凹向前，这就是Lister lens，这种结构就是早期显微镜的物镜(中低倍)。

  19. C：anastigmats、double-anastigmats （1）Anastigmats •校正了Petzval和像散，因此有平坦的焦平面，这类透镜也可以修正球面像差，并且具有F/4.5~F/16 的有效孔径。

  20. C: anastigmats、double-anastigmats (2) Double anastigmat 从anastigmats物镜出发，对前组和后组复杂化，用三片或者四片胶合起来，就是质量更好的double-anastigmats 。

  21. C： anastigmats、double-anastigmats (3) Air-spaced double anastigmats • 为了让材料的折射率差别变大，在anastigmats的每面之间设置空气间隔，局部区域的球面像差减少，所以有效孔径大约为F/3.5

  22. D：Double Gauss Objectives (1) Homocentric:Gauss 1817年，天文學家Carl Friedrich Gauβ,使用兩片新月型鏡片（meniscus-shaped）的組合 ,解决天文望远镜的像差————Guass 1888年，Alvan G. Clark ————Double Gauss

  23. D：Double Gauss Objectives (1) Homocentric:Gauss 1930年後，ZEISS的Topogon廣角鏡（視角約90度），空照用鏡。 Topogon广角镜 二战期间很多公司的双高斯结构的相机都是在Baush&Lomb公司的Metrogon 上改进的

  24. D： Double Gauss Objectives(2)Typical Gauss objective 1896年，Paul Rudolph 正透镜和负透镜使用不同色散的玻璃，玻璃折射率相同约为1.57），利用其正負相抵的原理控制色差。 1920年，Taylor-Hobson公司的 Horace. W. Lee采用折射率高的玻璃 相对孔径：1:2～1:1.7 HFOV:20~25

  25. D： Double Gauss Objectives(3)Compound Gauss objective • 通过将胶合片分离，后者将前组或者后组的单透镜拆分为两个透镜这些方法，将经典的Double Gauss 结构复杂化 • 可以改善孔径或者视场

  26. E. Triplet and Tessar：( 1) Cooke triplet: • 透镜具有F/2.8 到F/8.0 的有效孔径 • 而且HFOV可以实现12°到30°

  27. Triplet Sonnar Tessar Ernostar Celor Heliar/pentac

  28. E： Triplet and Tessar (2)Tessar • 类似triplet，而且它也可以看作air-spaced double anastigmat 的变形，只留下后面的部份为胶合的doublet，Tessar 具有f/5.6 的有效孔径和30°的HFOV。

  29. E. Triplet and Tessar(3) f/2.9 Pentac (Heliar): • Pentac透镜是Tessar 的改进，它保留Tessar 后面的doublet，前面的镜片则通过拆分透镜成为新的doublet。

  30. E. Triplet and Tessar(4) f/2.5 Series X(Taylor Hobson) • Taylor Hobson透镜是Tessar Lenses 的改进，它分离后面doublet 成为两个有间隙的凸透镜。 • 借着这样一个系统，有效孔径增加到f/2.5，但是球面像差和像散限制有效孔径的进一步提高。

  31. E. Triplet and Tessar(5) f/5.6 Aviar(Taylor Hobson) • Aviar透镜是将Triplet 的中间负透镜分间成两片发散的透镜，虽然这类透镜同Air-spaced double anastigmat(Celor)类似，但是它的triplet 特性使它可以与Tessars 一样性能更好的透镜。

  32. E. Triplet and Tessar(6) f/2.0 lens(Ernostar) • 将triplet 的前面透镜分成两个有间隙的凸透镜，它在有效孔径为f/2.0 或者更大的情况下，还是能很好地校正球差。

  33. F. Wide-angle objective(1) f/22 Hypergon (Goerz): • 通过增加这种透镜组两面的曲率，可校正场曲，这是因为 Petzval field curvature 是各表面之power 的函数，并且在系统 中不考虑其位置。 • 利用这两个弯曲比较厉害的弯月型透镜，还可以校正慧差和畸变。对斜射的光束而言，这种透镜组使它在每个表面形成很小的入射角，并且允许大约70°的HFOV • 表面弯曲厉害的结果增加了球面像差，因此有效孔径被限制在小于f/22.0。

  34. F. Wide-angle objective (2) Double Gauss wide-angle objective • 藉由改变曲率和厚度，这种型式HFOV 可以增加到45°和50°之间，但是有球面像差，这类透镜组的aperture 最小为f/11 左右

  35. F. Wide-angle objective(3) f/4.0 wide-angle Xpres (Ross) • 这类系统是将胶合的triplet 分成里面是凸透镜，外面为doublet，这类系统提供更多的的设计变量，使得HFOV 可达到大约35°，相对的有效孔径可达到f/4.0。

  36. F. Wide-angle objective（4）f/6.3 Topogon (Zeiss) • 这类系统类似four-component Double Gauss objective，它的表面具有较弯曲的曲率，提供类似于Hypergon 的优点。 • 这类结构在有效孔径为f/6.3 时具有大约45°的HFOV.

  37. F Wide-angle objective（5）f/5.6 Aviogon (wild) • 这类系统在F/5.6 的有效孔径下，具有45°的HFOV，而且初阶和高阶畸变几乎可被消除，其它像差也得到很好的校正。

  38. F1' F2 A’ H1' H2 F ’ H1 H2' f1' d l’2= lF’ Ld G. Telephoto(1) The telephoto principle: 长焦距的望远物镜通常由两个分离的正负光组组成，Ld为镜头长度（由物镜第一面顶点到像点之间的距离）。 例如：f1’=500mm， f2’=-400mm, d=300mm,求组合光组的焦距 f ’，组合光组的像方主平面位置H’ 及像方焦点的位置 l’F 。

  39. 由 由 解得：l’F=400mm 解得：f’=1000mm F1' F2 A’ H1' H2 F ’ H1 H2' H ' f1' d=300 l’2= lF’=400 Ld f ’=1000 可以得出，H’在第一个光组左方300mm处。 显然此组合光组的焦距 f’大于镜头筒长Ld，此类组合光组通常称为摄远物镜，也称为远摄型光组(Telephoto )。

  40. A B F ’ BFL T L

  41. 某些对有限远物体成像的物镜，若要求物方工作距（即物距l1）较长，也常用这种结构形式，这类物镜称为长工作距物镜。如大地测量仪器，长焦镜头某些对有限远物体成像的物镜，若要求物方工作距（即物距l1）较长，也常用这种结构形式，这类物镜称为长工作距物镜。如大地测量仪器，长焦镜头 远摄物镜的结构是为了缩短长焦距镜头的光学筒长，采用正组在前，负组在后的正负透镜分离的形式。关键的指标是远摄比，即L/f’,一般可达到0.7左右。难度在于校正二级光谱。

  42. G. Telephoto(2) convertible telephoto 有效孔径被前方系统现在，校正像差的能力比较差

  43. G. Telephoto(3) telephoto anastigmat • 这类透镜前面和后面的doublet 都是胶合在一起的，尽管牺牲了多面性其性能却得到提高。

  44. G. Telephoto(4) f/5.0 Distortionless telephoto • 这种系统前面的部分包含一个doublet 和一个单独的透镜，后面的部分是未接合的doublet，这能产生较好的畸变修正。

  45. G. Telephoto (5) f/4.0 TelePanrotal: • 这种系统是这类型的结构较新的例子，这类望远镜原始结构的类似改变为许多制造厂商采用。

  46. G. Telephoto(6) f/2.5 Panchrotal • 这种系统前面的部分包含一个doublet 和一个单独的透镜，后面的部分是未接合的doublet，这能产生较好的畸变修正。

  47. H、Inverted telephoto objectives (1) Inverted telephoto principle 若要求其像方工作距（即像距 l k’）较大，可将物镜前组变为负光组，后组变为正光组，可以使像方主平面H’ 向右移，从而加大了l 2’（即l F’）。 F1' F1 H1' H2 F2' H1 H2' F ’ F2 H ’ EFL BFL

  48. A B F ’ 给定L/f’ BFL T L

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