摘 要

广角大口径镜头，其最独特的优点就是视场角大，意味着在物空间，能够在像空间成像范围大，从而能在物空间搜捕到更多的信息，随着人们对于大视场镜头需求的增长，广角镜头被人们设计出来，但是广角镜头拥有大视场的优点其随之而来的就是畸变量大的缺陷。有时，这些畸变可能会带来意想不到的一些效果。这样既确保了镜头的成像质量，又达到了畸变控制在一个范围之内的要求。但是在很多情况下，不仅要求镜头在拥有大视场，而且畸变也要非常的小。所以，畸变小一直是设计人员的目标，采用ZEMAX的光学设计软件，通过优化函数和半径厚度的尺寸约束对镜头进行限制。并且利用ZEMAX软件对镜头进行优化设计。优化后的结果的光学参量为：焦距为13mm，全视场为60度，相对孔径为1/1.6。设计结果表明：镜头的最大畸变绝对值小于2%，最大场曲小于0.1。该镜头由10片球面镜组成，光学系统结构紧凑，易加工。

研究结果表明：广角大孔径的镜头可以通过ZEMAX仿真设计出来，通过优化改善成像质量，减小因为视场大而带来的畸变量的变大。

本文的特色在于：利用ZEMAX软件来设计镜头的各项参数和结构，一切设计仿真都在计算机上完成。

关键词：广角镜头；ZEMAX；大视场；小畸变

Abstract

Wide-angle large-aperture lens, the most unique advantage is that the angle of view is large, meaning that in the space, can be in the space like a large image range, which can be in the space to search for more information, as people for large field of view lens Demand growth, wide-angle lens was designed, but the wide-angle lens has a large field of view of the advantages of which is the distortion of the large defects. Sometimes, these distortions can bring unexpected results. This ensures both the image quality of the lens and the distortion control in a range of requirements. But in many cases, not only requires the lens in a large field of view, but also very small distortion. So, the distortion is always the goal of the designer, using ZEMAX optical design software, through the optimization function and the thickness of the size of the constraints on the lens limit. And the use of ZEMAX software to optimize the design of the lens. The optical parameters of the optimized results are: focal length of 13mm, full field of view of 60 degrees, the relative aperture of 1 / 1.6. The design results show that the absolute distortion of the lens is less than 2% and the maximum field is less than 0.1. The lens consists of 10 spherical mirrors, the optical system is compact, easy to process.

The results show that the wide - angle large - aperture lens can be designed by ZEMAX simulation, and the image quality can be improved by optimizing and the distortion due to the large field of view can be reduced.

The characteristics and advantages of this paper are: the use of ZEMAX software to design the lens of the parameters and structure, all the design and simulation are done on the computer.

Key words: wide-angle lens; ZEMAX; large field of view; small distortion

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 发展现状及前景 1

1.3 主要研究内容 3

第2章 基本原理 4

2.1 光学镜头设计概述 4

2.2 照相物镜的光学特性 4

2.3 基本类型和结构分析 6

2.3.1 广角镜头的结构研究 6

2.4 物镜的设计方法 8

2.4.1 初始结构形式的确定 8

2.4.2 像差的校正 8

第3章 光学系统的像差理论 9

3.1 像差 9

3.2 光学的像差分类和影响因素的分析 9

3.3 调制传递函数（MTF） 12

第4章 像质分析 15

4.1 设计指标要求 15

4.2 系统设计过程 15

4.2.1 初始结构 15

4.2.2 化优设计 17

4.3 优化结果及像质评价 18

第5章 结论与展望 24

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

在人类的发展史上，镜头的出现使得人类在社会生活中记录社会文明有了很大的帮助，随着科学技术的不断革新提升，人们对于摄影镜头的要求越来越高，广角大口径镜头由于拥有视场大的优点，在社会生活和国防科技各个领域的应用越来越广泛。人们对于广角大口径镜头的要求也更加倾向于镜头的高效性，轻便性，以及镜头的各项参数的合理性。广角大口径镜头视场角大的优点激发着人们对于它的研究兴趣与热情。对此，本次研究设计考虑利用ZEMAX软件仿真设计出一组拥有大视场角，畸变小的广角大口径镜头。

1.1 目的及意义

通常上讲，广角镜头定义为视场角能到达到70度的镜头。也正是因为广角镜头能够达到大视场，所以它焦距必须要很小。

利用广角镜头得到的图像，它的内容有很多独具一格的好处，第一，广角镜头的视场角大，广角镜头的视场角跟普通镜头相比较，普通镜头的视场角会小许多，其次，由于广角镜头几乎都是焦距比较短的光学系统，F数较大，所以广角镜头的景深较大。景深大说明广角镜头能够在一个很大的物空间范围内取得清楚的像。最后，广角镜头的畸变是固有的，不能通过任何设计方法消弭的。所以通过广角镜头获取的图像很难被矫正成理想像，而对于青睐摄影的人类来说，他们的目的是能够达到摄制的物与像一致。为了达到这样的目的，就要求通过一系列方法去使得畸变小到评价系统可以接受的范围之内。