光学设计报告照相机镜头.docx

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光学设计报告照相机镜头

光学课程设计

专业班级：

2011级光信息科学与技术2班

学生学号：

20110259

学生姓名：

徐涛

指导教师：

一、课程设计的任务

设计一个成像物镜透镜组，照相物镜的技术指标要求：

设计一个固定焦距的照相物镜

（1）以学号的最后四位为焦距长度，单位为mm。

（2）图像传感器的大小为800*600；像素大小为学号最后一位+4微米。

（3）相对孔径分别为学号最好一位/10+1。

任务：

1、简述照相物镜的设计原理和类型；

2．确定照相物镜的基本性能要求，并确定恰当的初始结构；

3．输入镜头组数据，设置评价函数操作数，进行优化设计和像差结果分析；

4．给出像质评价报告，撰写课程设计论文

二、设计过程

2.1初始结构的选择

照相物镜属于大视场大孔径系统,因此需要校正的像差也大大增加,结构也比较复杂,所以照相物镜设计的初始结构一般都不采用初级像差求解的方法来确定,而是根据要求从手册、资料或专利文献中找出一个和设计要求比较接近的系统作为原始系统。

在选择初始结构时,不必一定找到和要求相近的焦距,一般在相对孔径和视场角达到要求时,我们就可以将此初始结构进行整体缩放得到要求的焦距值。

原设计要求：

（1）以学号的最后四位为焦距长度，单位为mm。

（2）图像传感器的大小为800*600；像素大小为学号最后一位+4微米。

（3）相对孔径分别为学号最好一位/10+1。

本人学号20110259，根据要求，算出参数如下：

图象传感器

分辨率800x600有效像素

像素大小13*13微米

像素面积10.4mm*7.8mm对角线13mm

物镜

焦距259mm

F数1.9

最大视场1.44

最大空间频率38线/毫米

照相物镜的视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器的空间范围,镜头所成的半像高y可用公式y=-ftanw计算,其中f为有效焦距,2w为视场角。

半像高y应稍大于图像传感器CCD或CMOS的有效成像面对角线半径,防止CMOS装调偏离光轴而形成暗角。

经过简单计算：

y’=sqrt（10.4^2+7.8^2）/2=6.5mm

w=atan（y’/f）≈1.432°

视场角2w=2.86°

已经确定F数和半视场后，打开codev软件，选择专利镜头。

通过比较，选择or00805镜头作为初步结构。

并设置参F数为1.9,视场添加如下3条光谱

初步结构如下：

缩放

选择光阑面至像面，进行比例操作，选择缩放有效焦距，比例值为259

可以看出焦距EFL和像高HT以满足要求。

到这里，初始结构及其参数已经完成。

误差分析

得到初始结构的MTF曲线可看出成像质量很差,因此需要校正像差。

快速像差曲线

在这里的自动缩放比例为0.51mm，510微米。

为了比较，艾利斑的直径（对于完美是衍射的点列图的大小）是2.44*波长*F/．

这个镜头还没有达到衍射极限，但是它的像差是艾利斑大小的六倍．

快速点列图

所有的视场的点的大小形状都不相同。

畸变

近轴像高是和视场角相关联的，h=f*tanθ。

如果真实的像高和近轴像高不一致的话，那么就是有畸变。

所以畸变是视场相关的像差，并且它经常和另外一种视场相关的像差：

像散画在一起。

一个畸变网格可能会使观察畸变变的更直观。

传感器的尺寸是10.4mm*7.8mm。

通过公式我们可以得到最大Y角度和X角度（1.15和0.86）。

通过放大可以发现有较小的畸变。

优化

优化的目的是在一定的物理的或其它的条件约束下产生一个可能达到的最好的光学系统。

这里的“最好”是以对误差函数而言的，它把像差数据合成一个数字，我们尝试把这个数字变的尽可能的小。

CODEV的已经预定义好了误差函数结构，可是您可以方便地加入各种控制或权重并可以随意地修改。

它也可以使用一个完全的自定义的误差函数，可是这个比较难事实上很少需要这么做。

方法规则

CODEV的优化功能称为自动设计，AUTO为缩略词。

AUTO使用最小阻尼二乘法来改变变量的值以改善系统。

约束对寻找最适合解确定了边界条件。

当需要的时候AUTO引入Lagrangian（拉格朗日）乘数来引入约束。

当误差函数本身不包括需要的约束的时候这允许强制约束，通常很快就会有结果，在约束的范围求解区域内收敛而得到一个最合适的解。

通过第一次优化，得到这组结，其误差为143（小于原先的177），并选择这组数据后再次进行优化。

（为了找出更多有潜力的数字，把焦距限定在258-260mm范围内，并非直接等于259mm）

多次优化后，得到这组，其误差为25.34。

可以看到自动缩放比例从0.51mm减小到0.031mm。

显示了这个方案具有一个比较好的MTF特性，大部分视场方位角的高频的锐度均达到了要求（MTF会随着不同的方向的改变而改变，通常只有两个互相垂直的方向的MTF被计算，就是径向和切向（TS））。

通过查询可知，最大误差函数成分是F3和F4的Y方向。

这些值对应的是比较低的MTF曲线。

下一步优化这两个量。

改变Y方向F3和F4权重，并得到更加平滑的曲线。

优化后：

点扩散图：

所需元件图：

心得体会：

通过这次照相机镜头设计，我深切体会到从理论到实际有一定难度。

还有自己的光学理论课学的不好，导致自己数据计算有问题，影响了镜头设计。

当然这次光学设计报告的完成离不开同学和老师的帮助，没有他们耐心的指导，我可能都糊里糊涂，即使做出来都不知道有什么用。

虽然设计过程有坎坷，但也促成我查资料，弄懂一些我原本不知道的东西。

虽然2个星期我失去了大部分娱乐时间，但我同样学会了使用一种软件，为将来就业打下一些基础。

总之，通过这次学习，我收获了一些东西，也能体会最后完成的自豪。