镜头设计基础:光学参数、设计技巧、常用操作数

镜头设计基础:光学参数、设计技巧、常用操作数

一、关键的光学参数及其详解:

1、焦距(Focal Length):

定义:焦距是从镜头的中心点到焦平面上所形成的清晰影像之间的距离。

影响:焦距决定了视角的大小,进而影响拍摄的范围和画面构图。焦距越短,视角越大,拍摄范围越广;焦距越长,视角越小,能够放大远处的物体。

2、光圈(Aperture):

定义:光圈是镜头内部用于控制光线透过镜头进入机身内感光面的光量的装置。

表示:光圈的大小通常用F值来表示,F值越小,光圈越大;F值越大,光圈越小。

影响:光圈除了调节曝光量外,还影响景深。光圈越大,景深越浅,背景虚化效果越明显;光圈越小,景深越深,前后景物都较清晰。

3、景深(Depth of Field):

定义:景深是指在相机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。

影响因素:景深受到光圈大小、焦距长短和拍摄距离(物距)的共同影响。

4、视场角(Field of View):

定义:视场角是光学仪器中镜头为顶点,被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。

与焦距的关系:视场角与焦距成反比关系。焦距越短,视场角越大;焦距越长,视场角越小。

5、中心厚度和边缘厚度:

定义:中心厚度是光学元件中心部分的材料厚度,边缘厚度则是元件边缘的厚度。

影响:这些参数对光学元件的成像质量和稳定性有重要影响。

6、曲率半径(Radius of Curvature):

定义:曲率半径是指光学元件的顶点与曲率中心之间的距离。

影响:曲率半径决定了光线穿过透镜或反射镜的光学路径长度,进而影响成像质量。

7、像差(Aberration):

定义:像差是由于光学系统的不完善性导致的成像偏离理想状态的现象。

种类:包括球差、慧差、像散、场曲、畸变等。

校正:通过优化光学元件的参数和位置来校正像差,提高成像质量。

8、波长(Wavelength):

定义:波长是光的波动性质的一个重要参数,决定了光的颜色。

影响:在光学设计中,需要考虑不同波长光线对成像质量的影响,并进行相应的优化。

二、光学设计技巧

明确设计目标和需求:在设计之初,需要明确光学系统的用途、性能要求和限制条件。

选择合适的初始结构:根据设计目标和需求,选择合适的初始结构作为设计的起点。

优化像差:通过调整光学元件的参数和位置,进行像差校正和优化,以提高成像质量。

合理设置公差:在生产过程中,需要合理设置光学元件的公差范围,以确保产品的稳定性和一致性。

注重细节处理:如光学元件的材料选择、表面处理、装配精度等都会对成像质量产生影响,因此需要注重细节处理。

三、常用的操作数(以ZEMAX为例)

在ZEMAX等光学设计软件中,常用的操作数包括:

EFFL:有效焦距(Effective Focal Length)

AXCL:轴向色差(Axial Chromatic Aberration)

LACL:垂轴色差(Lateral Chromatic Aberration)

PIMH:规定波长的近轴像高(Paraxial Image Height at Specified Wavelength)

PMAG:近轴放大率(Paraxial Magnification)

AMAG:角放大率(Angular Magnification)

ETGT、ETVA、ETLT:分别表示边缘厚度的目标值、可变值和限制值

DMGT、DMVA、DMLT:分别表示直径的目标值、可变值和限制值

TTHI:两面之间的中心距离(Thickness Between Surfaces)

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