三种镜头的设计差别解析

一、照相镜头
照相镜头的光学特性可由三个参数来表示，即照相镜头的焦距f'、相对孔径d/f'和视场角2ω'。其实就135 照相机而言，其标准画幅已确定为24mm x 36mm，则其对角线长度为2d=43.266。从下表我们可以得出照相机镜头的焦距f'和视场角ω'之间存在着以下关系： tgω'=d/f'
式中：2d——画幅的对角线长度；
f'——镜头的焦距。
照相机镜头的另一个最重要的光学特征指标是相对孔径。它表示镜头通过光线的能力，用d/f'表示。它定义为镜头的光孔直径（也称入瞳直径）d 与镜头焦距f'之比相对孔径的倒数称为镜头的光圈系数或光圈数，又称f 数，即f=f'/d。当焦距f'固定时，f 数与入瞳直径d 成反比。由于通光面积与d 的平方成正比，通光面积越大则镜头所能通过的光通量越大。因此当光圈数在最小数时，光孔最大，光通量也最大。随着光圈数的加大，光孔变小，光通量也随之减少。如果不考虑各种镜头透过率差异的影响，不管是多长焦距的镜头，也不管镜头的光孔直径有多大，只要光圈数值相同，它们的光通量都是一样的。对照相机镜头而言，f 数是个特别重要的参数，f 数越小，镜头的适用范围越广。与目视光学系统相比，照相物镜同时具有大相对孔径和大视场，因此，为了使整个象面都能看到清晰的并与物平面相似的象，差不多要校正所有七种象差。照相物镜的分辨率是相对孔径和象差残余量的综合反映。在相对孔径确定后，制定一个既满足使用要求，又易于实现的象差最佳校正方案。为方便起见，往往采用“弥散圆半径”来衡量象差的大小，最终则以光学传递函数对成象质量作出评价。
近年来兴起的数位相机镜头同上述的传统相机镜头的特性和设计评价上大同不异，其主要差别有：
1.相对孔径较传统相机大。
2.较短的焦距，使得景深范围增大。可根据视场角的大小算出相当传统相机镜头的焦距值f’=43.266/（2*tgω）。
3.较高的分辨率，根据光电器件的pixel 的大小，一般数位镜头光学设计要达到1/（2*pixel）线对。
二、投影镜头
投影物镜是将被照明的物成一明亮清晰的实像在屏幕上，一般讲，像距比焦距大的多，所以物平面在投影物镜物方焦平面外侧附近。
投影物镜的放大率是测量精度、孔径大小、观测范围和结构尺寸的的重要参数。
放大率愈大，测量精度愈高，物镜孔径愈大。当工作距离一定时，放大率愈大，共轭距愈大，投影系统结构尺寸越大。由于其是起放大作用，自光学知识可知，像面中心照度与相对孔径平方成正比，可用增大相对孔径的方法来增加象面照度。
液晶式投影机上所用的投影镜头同传统的投影物镜的区别：
1.相对孔径较大；
2.出瞳距长，即需要设计成近远心光路；
3.工作距离长；
4.解像力高；
5.畸变要求高。
以上几点，皆使得用于lcd 投影机上的投影物镜较传统的要复杂的多，一般要10 个镜片左右，而传统的一般只要3 个镜片就能达到。
三、扫描镜头
扫描物镜可用三个光学特性来表示，即相对孔径、放大率和共轭距。放大率是扫描物镜的一个重要指标，由于一般物体大小是固定的，故放大率愈小，意味着镜头的像面愈小，焦距也就愈短，相对来讲扫描系统结构可以做的更小，但同时要求镜头的解像力也愈高。共轭距是指物像之间的长度，对镜头来讲，一般希望其愈长愈好，共轭距愈短，意味着镜头愈难设计（视场角增大）。其原理图同照相物镜一样，是一个缩小的过程。
扫描物镜的设计特点：
1.扫描物镜属于小孔径小象差系统，要求的光学解像力较高。
2.由于光电器件的原因，不仅要校正白光（混合光）的象差，同时需要考虑r、g、b 三种独立波长的象差。
3.严格校正畸变象差。