高分辩率数码相机光学设计Word文档格式.docx
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由于厂商的不同市场定位，加上开发人员的不同理念，数码相机市场出了“百花争艳”的局面，但有一个共同的特点就是目前中高档以及专业级数码相机都在产品的高性能上下功夫，在设计追求拍摄的清晰度和色彩还原效果，甚至不惜使用价格昂贵的专业光学镜头，这类产品主要面向专业应用或者对摄影质量比较苛刻的用户。
主要表现是，在相机的分辨率上不停的向高数位挺进，家用型200万像素以上的以为数不少，专业型600万象素已进入实用阶段，个别配备数字后背的产品已高达2600万象素以上；
在色彩记录能力方面，目前投入市场的所有家用产品，全部具备24位以上记录能力，专业产品36位已成为基准；
在影像介质存储方面，是从专用卡、袖珍闪存卡向小型磁盘发展，一张盘上将可以存储更多更好的数字相片，在存储容量上变得越来越大。
1.2数码相机的定义、组成、原理
1:
数码相机的定义
数码相机也叫数字相机，它把光学技术、传感技术、微电子技术以及计算机技术融于一体，采用光电转换器件，把光信息转换成电信息，再以特定处理并进行存储，是一个典型的光、机、电一体化的产品，伴随计算机技术的不断发展，数码相机已经风靡了整个世界，成为最成熟的数字化的产品之一。
2:
数码相机的组成
数码相机是由镜头、图像传感器A/D（模数转换器）、MPU（微处理器）、内置存储器，LCD（液晶显示器）、PC卡（可移动存储器）、接口（计算机接口、电视机接口）等部分组成。
3．数码相机的镜头
镜头是数码相机的核心部件之一，他的作用是将被摄物体成像在CCD图象传感器上。
数码相机的镜头不仅需要材料非常考究，而且他的透镜结构和成像原理都比较复杂，他的好坏将直接影响相机的最后成像效果。
如果相机的镜头不好，不论采用的CCD多么先进，像素有多么高，都无济于事。
但是如果相机的镜头性能非常优良，它甚至可以弥补CCD性能的不足。
因此，相机镜头的重要性不言而喻。
目前，数码相机的镜头所采用的材质有磨光玻璃和透明塑料两种。
这两种材质都各有各的优缺点，磨光玻璃的透光程度略好，而透明塑料有重量轻的优势。
一般人可能认为选用玻璃材质作为镜头的数码相机一定会比透明塑料的镜头的数码相机投影更清晰，性能更优良。
其实不然，由于数码相机的镜头结构非常的复杂，因此所采用的透镜组合，设计方案和制作工艺才是镜头质量优劣的关键。
如果，制作工艺考究，磨光玻璃和透明塑料在透光性方面不会有什么差别。
虽从理论上讲，数码相机的CCD只需要一块透镜就可以，但在实际的应用中由于透镜的球差，色差等诸多因素会严重的影响成像质量。
为了提高成像的质量，在数码相机的镜头中需要设计有不用功能的透镜组合，但是如果透镜过多，就会影响景物投射到CCD上的清晰度。
所以说，透镜的制作工艺和透镜组合的设计方案十分重要。
除了材质方面的因素外，还要注意镜头其他方面的性能指标，例如焦距，变焦，光圈和快门。
1.3论文目的及内容
本文通过具体的设计题目―高分辩率数码相机光学系统的设计，研究照相物镜设计的一般方法。
通过评价大像差系统像质的光学传递函数和点列图重点介绍如何应用光学设计软件ZEMAX完成设计要求，并通过实际实践应用ZEMAX。
结合设计题目，了解数码相机和CCD的工作原理。
1.4技术指标
本文设计的照相物镜的技术指标为：
1.接收器:
1/2.5”CCD
2.焦距:
7.27mm
3.F数:
3.0
4.入瞳直径:
2.4mm
5.畸变:
<
2%
6.后截距:
4.66mm
7.相对照度:
64%
8.主光线出射角:
9.3°
9.视场角:
54°
10.最大像面圆尺寸:
Ф7.4mm
11.波长范围:
440～650nm
12.MTF要求：
0视场时，在180lps/mm处，MTF值>
0.25
0.5视场时，在150lps/mm处,MTF值>
0.8视场时，在100lps/mm处,MTF值>
13.光学结构:
≤7片
14.系统总长:
12.5mm
第二章数码相机的分辩率
2.1数码相机镜头
他的好坏将直接影响相机的最后成像效果。
因此，相机镜头的重要性不言而喻，对镜头的研究是十分有意义的。
2.2数码相机镜头与CCD的分辩率
镜头分辨率，是指镜头分辨细节的能力，一般使用lps/mm来表征。
CCD分辨率，是指感光元件对于细节的解析能力。
镜头作为CCD的成像的基础，两者之间的匹配应当考虑传函匹配而不是简单的像质或者分辨能力。
CCD的象素个数不是表征其成像能力的唯一标准。
相同成像面积内，象素个数越多，一定程度上解析力更强，但是代价是单位感光面积的减少，动态范围减小。
当然，目前的CCD技术采取了很多手段改善这个矛盾：
改变像元排列方法，将矩形像元改为六边形，甚至八边形；
例如富士公司推出的超级CCD第四代。
改善信号提取效率。
通过CCD驱动电路和信号提取电路，将信噪比提高；
也有后期图像处理方法，硬件或软件。
改善像元微棱镜结构，提高入光量效率。
实际上的CCD像元前端都有一个小的透镜，其目的是为了增加各个角度入射的进光量效率。
而且，由于你要求使用的照度环境不同，输出图像的对比度也不一样，这对于图像质量是关键因素。
在很多情况下，标准镜头就足够解决通光量问题。
但是日夜监控仪，数字望远镜，数码相机，摄像机，夜视仪器等等，都需要从镜头方解决增光量的问题。
因为镜头的入光量与其相对孔径平方成正比。
这些因素没有综合考虑，只考虑分辨率是没有意义的。
而且对于分辨率要求，也是按照中心分辨率、0.5视场、0.7视场、全视场等来进行要求的，空间的分辨率要求对于成像的清晰程度有直接的关系。
同时，准确的要求是MTF提出要求，因为它是一个综合了对比度、分辨率的概念，离开分辨率谈对比度是没有意义的；
离开对比度谈分辨率选择也意义不大。
因此，所要求的图像质量决定了CCD的选择，所要求的图像分辨率决定了CCD的分辨率，而CCD的分辨率决定了所选用的镜头的分辨率。
只不过，仅仅这么选择，所获得的性能价格比、质量未必和计划的一样。
所以应从整体上来选择两者的匹配，以使用的性能指标和成本控制来做为选配原则。
在考虑单纯的分辨能力要素之时，更加要考虑成像质量以及光通量等问题。
照相镜头对成像起着决定性的作用。
目前，由于缺乏全面、准确、客观的镜头质量评价标准，人们一般都是以镜头的分析线对数，即镜头的分辨率来认定镜头的优劣。
2.3数码相机中CCD尺寸的含义
数码相机的CCD尺寸是一个重要参数。
CCD器件分面CCD和扫描线性CCD两类，而数码相机的CCD全部都属于前者，即面阵CCD。
数码相机规格表中的CCD一栏经常写着“1/1.8英寸、1/2.5英寸、1/2.7英寸CCD”等。
这里的“XX英寸”是用来标示CCD尺寸的，它实际上是CCD对角线的长度，这个数值越大，那么表示显示器的面积也越大。
现有的数码相机一般采用1/2.7英寸、1/2.5英寸和1/1.8英寸这几种规格的CCD。
尺寸越小，镜头就可以设计得越小。
CCD参数与画质的关系:
CCD是受光元件（像素）的集合体，接收透过镜头的光并将其转换为电信号。
单个像素的面积越大，成像的效果就会越好，因此在总的像素数相同的情况下，CCD尺寸越大、那么单个像素的面积就越大，就可以收集更多的光线。
正因为如此，所以我们在理论上可以说CCD越大有利于提高画质。
但是，数码相机画质的好坏不仅是由CCD决定的。
现在，袖珍数码相机日趋小巧轻便，出于设计上的考虑，大多采用1/2.7英寸的小型CCD，而目前主流的卡片式数码相机，出于小巧和大屏幕的折中考虑，一般都采用1/2.5英寸的CCD屏幕，这样又可以维持相机的小巧精致、又兼顾了时尚一组对大屏幕的追随心情。
第三章照相物镜
3.1照相物镜的光学特性
照相机镜头是照相机的“眼睛”，被摄物体通过镜头后才能在底片/接收器上成像。
照相物镜的作用是把外界空间物体成像在感光片上的光学系统。
因此,镜头的好坏直接影响着成像的质量,对镜头的研究是十分有意义的。
为了正确判断镜头的质量，首先必须了解镜头的技术要求。
根据国家标准和实际的摄影要求，照相物镜的光学特性一般用焦距f'
相对孔径D/f'
视场角2ω表示:
一、焦距f'
焦距是镜头对光线聚焦能力的一种标志,焦距越短说明镜头的聚焦能力越强。
镜头的焦距一般都印在镜头的前压圈或外镜筒上。
比如镜头上有f50/2或f35/2.8就分别表示焦距为50mm和35mm,而标志上的数据2或2.8则表示镜头的光圈数。
由光学系统的放大率公式:
β=
=
对一般的照相物镜来说,物距
通常在1m以上
>
10
因此在像平面十分靠近照相物镜的像方焦平面上由
≈
所以有β≈
/
。
由此可见,物镜焦距的大小,决定了底片上的像和实际被摄物体之间的比例尺,在物距一定的情况下,欲得到大比例尺的照片,则必须增大物镜的焦距。
例如用于拍摄数千米甚至上万米的远距离照相机,为了获得足够大的比例尺,必须采用长焦距照相物镜,其焦距一般为数百毫米,甚至可达数米。
二、相对孔径（D/
）/光圈F
镜头的入瞳直径和焦距之比,成为镜头的相对孔径
相对孔径=D/
根据孔径的大小,相对孔径的取值:
表2-1照相物镜与相对孔径的关系
种类
相对孔径D/f'
弱光物镜
6.3以下
普通物镜
5.6～1:
3.5
强光物镜
2.8～1:
1.4
超强光物镜
1～1:
0.8
相对孔径的倒数称为镜头的光圈系数或光圈数,又称F数。
F=
/D
在焦距f'
固定时,F数就与入瞳直径D成反比。
由于通光面积与直径D的平方成正比,所以F数也就与通光面积的平方根成反比。
由于通光面积的大小直接反映出镜头所能通过的光通量,因此F数在计算通光量中很有意义。
为了使F数变化一档刚好与通光量改变一倍相对应,两个相邻的F数之间的比例就定义为
国家标准规定的光圈数系列为：
0.7,1,1.4,2,2.8,4,5.6,8,11,16,32,45,64,90。
F数越小（相对孔径越大）的镜头能在较暗的环境下工作,当光照条件较差又不允许用人工辅助光源又无高感光度的胶卷可用时,往往只有使用大口径的镜头才能完成拍摄任务。
此外，大口径的镜头还能满足运动物体的拍摄需要,因此这类镜头得到了较广泛的应用。
当然他们的价格也比较昂贵,尤其是F数小于2的镜头,价格接近于同类相机的机身。
三、视场角2ω
当镜头对无穷远物体调焦时，它在相机的底片/接收器上所能拍摄下来的景物范围称为该镜头的视场。
此时，通过镜头的光轴和底片/接收器的对角线作一个平面，在该平面上，底片/接收器对角线的两端点A，B与镜头的像方主点之间的夹角称为该镜头的视场角，用符号2ω表示，其中ω代表镜头的半视场角。
显然物平面的对角线上两端点与物方主点间的夹角也应该等于2ω。
照相物镜的视场角决定了被摄景物的范围，不同照相机画面尺寸是一定的。
例如：
16mm电影摄像机：
10.4×
7.5mm2
35mm电影摄像机:
22×
16mm2
135#照相机：
36×
24mm2
120#照相机：
55×
55mm2
1/2”CCD：
6.4×
4.8mm2
1/3”CCD：
4.8×
3.6mm2
照相机的视场角和画面尺寸之间的关系，可由无限远物体理想像高公式表示：
相机的画面尺寸一定，即y’一定，只要焦距f’一定，视场角2ω边随之而定。
由上式可看到，当相机幅面一定，f’越小，则ω越大，因此短焦距镜头，也就是大视场镜头。
根据视场角的大小，照相物镜可分为：
小视场镜头（2ω在40°
以下），标准镜头（2ω＝45°
～60°
），广角镜头（2ω＝70°
～100°
），超广角镜头（2ω在100°
以上）。
在一定成像质量要求下，照相物镜的上述三个光学特性参数之间，存在着相互制约的关系。
在物镜结构的复杂程度大致相同的情况下，提高其中任一一个光学特性，都必然导致其他光学特性降低。
要使各种光学性能都提高就要求照相物镜的结构更复杂化。
当然，我们应该根据使用要求，提出合理的光学性能指标，以设计照相物镜，而不应盲目提高要求。
3.2照相物镜的像差
像差指在光学系统中由透镜材料的特性或折射（或反射）表面的几何形状引起实际像与理想像的偏差。
理想像就是由理想光学系统所成的像。
实际的光学系统，只有在近轴区域以很小孔径角的光束所生成的像才是完善的。
但在实际应用中，需有一定大小的成像空间和光束孔径，同时还由于成像光束多是由不同颜色的光组成的，同一介质的折射率随颜色而异。
因此实际光学系统的成像具有一系列缺陷，这就是像差。
像差的大小反映了光学系统质量的优劣，它将使照片的质量受到不同程度的影响，常见的像差主要有：
1．球差
球差是球面像差的简称。
由光轴上的某一物点向镜头发出的单一颜色光线成像后，由于透镜球面的聚光能力不同，它不再会聚到同一像点，而是形成一个以光轴为中心的弥散斑，这个像差称为球差。
当孔径缩小时，可减少球差的影响。
2．彗差
轴外物点发出的单色光线，经镜头成像后，在像面上形成不对称的彗星状光斑，这种成像误差成为彗差。
3.像散
轴外物点发出的单色光线成像后，在理想平面不能成一个清晰像点，而是开成一个弥散光斑。
当前后移动像平面到某一位置时，影像变成径向线段，而移至另一位置时影像又变成切向线段，这种成像误差称为像散。
此时在上述两个成像位置之间可获得弥散光斑较小的成像平面。
4.场曲
与光轴垂直的线段成像后所产生的清晰的影像不在同一平面上，这种成像误差成为场曲。
此时镜头的最佳像面为曲面。
用场曲大的镜头摄影时，当调焦至画面中央清晰时，四周就模糊，四周清晰时，中央就模糊，而无法获得整个画面都清晰的影像。
5畸变
当镜头只存在畸变时，整个物面能够成一个清晰的像，但是像的大小与理想像高不等，引起像的变形。
畸变可分为枕形畸变和桶形畸变，在画面0.866和0.5两视场带测量，一般固定镜头的相对畸变应小于3％，变焦镜头的相对畸变应小于5％。
6色差
由于不同颜色的光线通过透镜时所发生的偏折程度不同，引起同一物点发出的不同色光，不能聚焦在一点而产生彩色弥散斑，这种现象称为色差，用不同的材料制造透镜组可以减少色差。
由于镜头中存在着以上像差，再加上生产过程中的制造误差，往往会使成像质量下降。
3.3照相物镜的结构特点
对于照相物镜来讲，它要求既有较大的相对孔径，还要有较大的视场。
为了得到较大的视场，除了消除位置色差、球差、彗差之外，对像散、场曲、畸变及倍率色差也必须特别注意。
照相物镜在结构上普遍具有以下几个特点：
（1）满足消场曲条件。
由于照相物镜的视场较大，若消像散后像面弯曲严重，将影响成像的清晰度，所以要求系统消场曲，满足∑SⅣ=0的条件。
由像差理论可知，在满足一定的光焦度要求的情况下，消场曲的方法有两种：
①采用正负分离的薄透镜结构，如图3.1所示。
两块的合成焦距φ合=φ1+φ2-dφ1φ2可以为正。
而场曲SⅣ=J2（φ1/n1+φ2/n2）,适当选择φ1、φ2、n1、n2,能使SⅣ=0。
图3.1正负分离的薄透镜结构
图3.2
②采用弯月形厚透镜的结构，如图3.2所示。
其中r1、r2全为正值，设r1>
r2，则根据
第一项第二项
式中（n-1）必为正值。
当r1>
r2时，第一项必为负值，但第二项为正值。
当d足够大时，有可能使φ厚为正值。
此时SⅣ=
，当r1>
r2时，SⅣ得负值。
当r1=r2时SⅣ=0。
其实，一块弯月形厚透镜实际相当于一块正透镜、一块负透镜中间夹一块平行平板。
（2）利用对称型消像差。
所谓对称型是指：
①结构参数r1、d、n对中心平面左右完全对称；
②物、像距完全对称；
③光阑居正中。
由像差理论可知，对称型物镜左右两半部的彗差、畸变、倍率色差等垂轴像差数值相等、符号相反，因此组合以后，这些像差自然为0，即∑SⅡ=0,∑SⅤ=0,∑CⅡ=0。
这样，在设计中只需对半部系统的球差、位置色差，像散、场曲进行校正。
（3）利用同心消像差。
采用对主光线同心的折射面（光阑在球心的面），这时ip=0,折射面只产生SⅠ、SⅤ和CⅠ，而不产生其他像差，但同心的条件不可能全保证，对于像差产生特别严重的面应考虑同心的原则。
3.4照相物镜的基本类型
照相物镜的结构形式很多，而且又不断出现新的类型。
选用照相物镜的原则很简单，既能满足光学性能和成像质量的要求，而结构又最简单。
本节简单介绍一些基本类型照相物镜和他们的复杂化的结构形式，以及它们所能达到的光学性能。
一、三片型照相物镜
如图3.3（a）所示的简单三片照相物镜，视场角2ω＝40°
～50°
，相对孔径D/
＝1/4～1/5，是具有中等光学特性中结构最简单像质较好的一种，被广泛使用在比较廉价的135#和120#相机中，这种相机进一步复杂化的目的大多是为了增大相对孔径，或提高视场边缘成像质量，如图3.3（b）。
图3.3（c）为加入两个胶合面的结构，它可以使像质进一步提高。
（a）（b）（c）
图3.3三片式照相物镜
二、双高斯型
双高斯型物镜是一种广泛应用于照相、电影摄影和复制等方面的照
相物镜，其典型结构型式如图3.4所示。
它属于对称型，光阑两边的透镜结构基本上是对称的，两边是单个正透镜，中间是胶合的负透镜。
双高斯物镜的特点是具有中等视场和大的相对孔径。
这类物镜的最初型式是相对孔径为1/4，视场50，以后经过不断地改进，相对孔径达1/2。
在结构进一步复杂化后相对孔径可达1/0.8，甚至更大。
一种复杂化的方法是把单个正透镜分裂成二个，如图3.5所示。
另一种复杂化的方法是把中间的负胶合透镜分开，如图3.6所示。
还有进一步复杂化的型式，如把两边的单透镜都分裂成两个，并加胶合面，把中间的两个胶合透镜都分开等。
图3.4
图3.5
图3.6
三、摄远及反摄远照相物镜
如图3.7（a）所示,摄远物镜由一个正的前组和负的后组构成。
这种透镜的特点是透镜组的长度L可缩短到焦距f'
的三分之二，视场角为20°
，相对孔径1：
8，多用作相对孔径小，视场不大的长焦距照相物镜。
为了校正畸变，用两个分离的薄透镜代替双胶合后组，可使视场角达到30°
反摄远照相物镜的结构如图3.7（b）所示，他有一个负的前组和正的后组组成。
这种物镜的工作特点是后工作距离比一搬物镜长的多，视场角2ω＝80°
，相对孔径
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