照相物鏡設計.ppt

1、在第5章攝影物鏡設定修正、5.1攝影物鏡的發(fā)展及其基本結構、攝影物鏡設定修正中，類型的選擇預先決定了設定修正成功與否的可能性，物鏡的選擇不僅與一次像差有關，而且與高級像差也有關，因此選擇很重要。 1 .風景攝影物鏡，最初出現(xiàn)的攝影物鏡為1812年單板正新月形透鏡，相對孔徑小于1:14，視野在50度以內，能夠在室外照明良好的條件下拍攝。 在1821年出現(xiàn)粘接透鏡，取代月牙形的單透鏡，兩粘接透鏡通過色差校正，成像質量提高的正、負的透鏡分離的形態(tài)下，2分割的情況下能夠更好地校正像散，因此能夠得到更好的成像質量。 2 .匹茲堡人像物鏡，1840年匹茲堡設置了1:3.4，視野為25度左右的物鏡，即匹茲堡

2、人像物鏡。 這種物鏡可用于室內攝影，是首次由設定修正部制造出的照片物鏡。 匹茲堡的物鏡在1910年以前的所有物鏡中相對開口最大，近軸部分的成像質量優(yōu)異，至今仍被用作電影放映物鏡等需要大開口的小視野。 匹茲堡的物鏡改良型很多，是現(xiàn)在5種物鏡中的1種。 3 .對稱型物鏡，最初出現(xiàn)的對稱型物鏡，其相對口徑小，例如斯坦赫爾潛望鏡頭，其相對口徑為1:30，視野為70度，只能用于風景攝影。 海普崗是這種極限結構，馮虛格于1900年修訂而成，兩個鏡片外觀大致為半球面，具有140度左右的視野，相對口徑雖小，為1:30，但有無大歪斜的視野，至今仍用于航空測量儀器。 直到1866年，隨著像差理論的發(fā)展，對稱的接合

3、透鏡可以很好地校正像差，右圖所示的物鏡被設定，其相對數(shù)值孔徑為18，視野為50度，物鏡的球面像差、色差和彗形像差也可以很好地校正，畸變和倍率色差也由于結構對稱而變大由于重鋇冕玻璃的出現(xiàn)，1890年校正了匹茲堡和像散，設定了比以往的所有物鏡更好的繪圖物鏡，其相對口徑在1:4.5-1:18之間，視野為40-90度，由此拍攝的照片整體利用新舊的玻璃組合，生產出質量更好的達崗(1892 )和雙專業(yè)塔(1894 )。 這兩種物鏡至今仍在生產中，其相對孔徑為1:6，視野為60度。 這種物鏡自由度大，能夠對每一半分別校正像差，所以能夠將一個物鏡用作兩種焦距的物鏡。 將距達崗近光圈的兩個透鏡與粘接組分離，利用

4、多馀的自由度設定1:4和70度的視場結果，該物鏡仍然是主要的航空攝影物鏡之一。 4.3片式物鏡，1893年，塔克羅(H.D Tealor )將分離薄透鏡作為對稱型的一半，設定修訂了柯克3片式物鏡。 這是能夠校正所有像差的最簡單的構造，在非對稱的情況下，其獨立變量正好能夠校正7種像差。 此類型目前相對于開口1:4具有視場50度的光學性能。 視野變小后，相對數(shù)值孔徑變?yōu)?:2.8，但現(xiàn)在仍然是一般的物鏡。 1902年出現(xiàn)的天塞物鏡，可以看作是三式后面的正透鏡變成了兩片玻璃粘接的結果，在高級像差方面優(yōu)于三片式。 得到天塞光學結構簡單、實用、分辨率高、對比度適中、畸變小、“鷹眼”的美稱，為蔡司公司所尊

5、敬，蔡司公司生產的頂置照相機均配備天塞鏡頭，將三枚式中的單鏡頭改為雙膠粘5 .雙高斯物鏡(Planar )、雙高斯與達崗等對稱物鏡不同，是用薄透鏡加厚透鏡的結構。由于具有小半徑的厚透鏡在薄透鏡之后的聚光光中接近不模糊的位置，所以像差和像差縮小，開口率相對大。 這是目前1:2物鏡的主要結構，視野縮小時，可得到1:1.4的結果，稍微復雜時，可得到1:0.85這樣的大的相對孔徑，這種類型的物鏡是目前普遍使用的物鏡，也是最受歡迎的物鏡。 6 .能夠縮短由望遠物鏡、正負兩透鏡組構成的攝影物的長度的物鏡稱為望遠物鏡。 望遠物鏡在第二次世界大戰(zhàn)中為了偵察攝影的需要而發(fā)展。 著名的是蔡司社的“遠攝天塞”，孔徑

6、1:6.3，相對于視野35-40度。 改善后的“泰來康”，孔徑1:6.3，相對于視野30度，應變不足0.2%。 美國在第二次世界大戰(zhàn)中也生產大量望遠物鏡，如右圖所示，是相對于焦距1米，口徑1:8及焦距1米，口徑1:5.6的物鏡。 7 .電影攝影中大多使用短焦距的物鏡，在物鏡的后面能夠安裝取景器棱鏡，因此要求長的像側頂焦點。 這需要所謂的逆望遠物鏡，包括正透鏡組和負透鏡組分離構成的，其中，負透鏡位于正透鏡之前，主平面移動至物鏡后方，并且在像側的焦點距離大于焦點距離。 8 .廣角物鏡，9 .變焦鏡頭，廣角物鏡由海的全日照物鏡出發(fā)，視野開闊。 5.2照相物鏡的光學特性和照相物鏡的光學特性主要由三個要

7、素表示：照相物鏡的焦距、相對孔徑和視角。 (1)焦距：照片物鏡的焦距的大小決定照片上的像與實際物體的比率。 另外，光學系統(tǒng)的縱軸倍率：在通常的照相機中，由于被攝體距離大，鏡頭的焦點距離通常小，因此，攝像面接近焦點面，攝像距離與焦點距離大致相等，因而該式表示照相機的倍率與焦點距離成比例，與被攝體距離成反比例。 根據用途不同，攝影物鏡的焦距也不同。 (2)相對數(shù)值孔徑：在某些照相物鏡中，像縮略圖或制版物鏡那樣追求高分辨率的物鏡較少，許多照相物鏡由于其接收器本身的分辨率不高，因此相對數(shù)值孔徑的作用提高了物鏡的分辨率照相物鏡根據其相對開口大小，可以選擇弱光物鏡：相對開口小于19的一般物鏡：相對開口為1

8、:9-1:3.5的強光物鏡：相對開口為1:3.5-1:1.4的超強光物鏡：相對開口大于1:1.4的通常為相對開口將相對數(shù)值孔徑的倒數(shù)稱為f數(shù)或f光圈，f光圈僅表示物鏡的名義相對數(shù)值孔徑，稱為光圈指數(shù)，考慮到光學系統(tǒng)的透射率的影響，表示實際的相對數(shù)值孔徑的有效光圈指數(shù)為t光圈，(3)視角： 2，照相機物鏡的視角決定被攝體的畫面尺寸無限遠物體的理想像高式：根據，具有長焦距的物鏡只能具有小視場，而短焦距的物鏡必須是廣角的。 在一定的成像質量要求下，照相物鏡的3個光學特性殘奧表之間存在相互制約的關系。 在物鏡結構的復雜度大致相同的情況下，如果提高任意一方的光學特性，則必然會降低另外一方的光學特性。前蘇

9、聯(lián)的沃羅索夫研究了一些優(yōu)秀的物鏡后，用一個經驗式就可以表現(xiàn)出三個特性之間的關系。 該式根據視場角的大小，攝影物鏡為小視場物鏡：視場角為30度以下的中視場物鏡：視場角為30-60度之間的廣角物鏡：視場角為60-90度，攝影物鏡的三個光學特性殘奧表表示一個物鏡的性能指標它們的乘積： l是粗糙不變量，粗糙不變量可以表示一個物鏡的總性能指標，現(xiàn)代中等復雜度的攝影物鏡，其視角隨著相對口徑變小而增加的樣子如下表(焦距為100mm時):總體，5.3玻璃(Celor 光圈物鏡由一對對稱的雙分離消色差物鏡構成，通過采用雙分離型，能夠提供更多的參數(shù)，便于像差的校正。 對于一個結構完全對稱、倍率為-1的系統(tǒng)，彗形像

10、差、失真和垂直軸色差的左右兩半大小相等，符號相反而自動抵消，球面像差、像散、像面彎曲和軸向色差左右兩半重疊。 設定、修改對稱系統(tǒng)，可以從下半場開始。 透鏡后半部分有5個變量、4個曲率半徑、1個空氣間隔，可以補償系統(tǒng)的焦距、球面像差、像散、像面彎曲、軸上色像差。 對于功率的公式，對于兩組元系統(tǒng)，其功率公式，對于多組元系統(tǒng)，功率公式可以按以下順序導出：則在第二個方面：因此，將兩組元結構視為一個系統(tǒng)：因此： 可以從第一方程式獲得：如果將該方程式代入第二方程式，則可以從第三方程式獲得：因此該方程式為Celor方程式，其可以從Celor方程式求出放大率：根據具體的校正算例，第一透鏡為負透鏡的放大率的方程

11、式為： 可以求出兩個透鏡的曲率半徑：如果將上述半徑插入ZEMAX，將EPD10(f/10 )、視場(2w )設為5度，則可以在不對透鏡施加厚度的情況下得到：像差系數(shù)：在這種情況下，一邊校正球面像差、像散一邊將光圈設為第一手優(yōu)化結果和像差系數(shù)如下：初始結構也能夠根據一次球面像差和像散的式子求出，具體而言，在第三章中，當下式表示球面像差和彗形像差的光圈位于第一跟前的2.5個位置時，半視場為2.5度，入瞳直徑為10，間隔t=2.41，相關殘奧計如下將w的公式代入上述方程式而得到：其中，a1、a2等的系數(shù)與玻璃相關，選擇玻璃時為常數(shù)，選擇其前面的玻璃na=1.60562、va=43.93。 nb=1.

12、61272，vb=58.63，得到的：由半徑和形狀因子的關系可以求出相應的4個半徑：由一次像差理論求出的初始值接近用ZEMAX進行了優(yōu)化的結果。加上實際的厚度，用之前制作的優(yōu)化函數(shù)再次優(yōu)化： Celor鏡頭的前半部和后半部合并：前半部和后半部的合成后焦距和像差等發(fā)生變化，先將焦距校正為50，控制球面像差、像散、像面彎曲和軸上色像差，慧形象差為第一次優(yōu)化后的結果還不好，還有高級像差。 由于攝影物鏡通常用點圖或MTF來評價畫質，所以第二步的優(yōu)化采用點圖的優(yōu)化函數(shù)來操作：變量設定為第一正透鏡和兩透鏡的間隔，優(yōu)化結果如下：5.4三片型(Cook )物鏡設定修正，三片型物鏡薄有6個曲率半徑和2個間隔8個

13、變量，正好校正7種一次像差，滿足總焦距的要求。 縱向像差(球面像差、像面彎曲、像散、軸上色像差)重疊，橫向像差(彗形像差、畸變像差、縱軸色像差)抵消的3片型對稱物鏡。 因此，只需要考慮修正半部系的縱像差來進行修正。 在半結構中，由于變量只有4個，即3個曲率半徑和1個間隔，所以在半系統(tǒng)中，為了校正4種一次像差，滿足功率要求，必須將玻璃作為1個變量來考慮。 例：設定口徑1:4、焦距50mm、視野角40度的3枚式物鏡。 設定校正過程(1) :根據Celor方程式分配光焦度和透鏡間隔(半系的焦距為100 ) :設定校正攝影物鏡時，正透鏡應該盡可能采用折射率高色散低的玻璃。 正透鏡的折射率高是因為利用了

14、補正像面彎曲，色散低是因為有利于色差的補正。 負透鏡請使用折射率低、色散高的玻璃。 基于這樣的原則，在半部系統(tǒng)中，第一片透鏡為平凹面鏡，第二片透鏡為正透鏡，初始為平凸面鏡時，各自的面的曲率為：將上述數(shù)據插入ZEMAX :焦距： 99.65， Seidel加上可計算出的適當玻璃厚度可得到三片式物鏡的初始結構：入瞳直徑12.5，視野最大20度，其次優(yōu)化初始結構：優(yōu)化函數(shù)采用默認的光斑圖形式，結果如下：設定修正過程(2) : 根據Celor方程分配光焦度和透鏡間距(一半)的第一個透鏡是平面凹面鏡，形狀系數(shù)為X-1，可以通過實驗方法選擇玻璃。 也就是說，選擇一對玻璃，根據Celor方程式修正兩個鏡頭的

15、放大率和兩個鏡頭的間隔，根據球面像差和像散方程式修正兩個鏡頭的形狀系數(shù)。 第一個鏡頭的形狀系數(shù)接近-1時選擇在場曲、球面像差、像散均為0的條件下使用的玻璃組合，在選擇SF4、N-LAK33A的組合的情況下，正透鏡的折射率高，正負透鏡的色散比也大，有利于色差的校正，正負透鏡的折射率的絕對值也小，將上述結果設為ZZ 優(yōu)化初始結構：優(yōu)化函數(shù)采用默認的點圖形式，設定修正過程(3) :用半部結構修正的三板式物鏡也可以在以下過程中進行：1.根據下面的二式修正y及w :式中，如果給予玻璃， 從可以解y和w的4.q計算第二個透鏡的兩個半徑(這里，半焦距為1的半徑)，第一個透鏡為：以前面的例子為例，選擇玻璃為SF4:1.755201、27.579501和n-lak 33 a:1.77 前面用半部法求出的初始構造，僅在