光学零件精磨加工工艺.doc

河南工业职业技术学院Henan Polytechnic Institute 毕 业 设 计题目 宽视场数码相机镜头设计 系别 光 电 工 程 系 专业 精 密 机 械 技 术 班级 精 密 0701 姓名 胡 重 阳 学号 1501100410 指导教师 黄 长 春 日期 2010年10月10 摘要 在数码相机中，有广角(wide)及远距两种镜头方式。与传统相机相同，数码相机镜头也有标准镜头、广角镜头、长焦镜头和变焦镜头之分。广角镜头(焦距小于35mm)是一种焦距短于标准镜头、视角大于标准镜头、焦距长于鱼眼镜头、视角小于鱼眼镜头的摄影镜头。当镜头焦距大于标准镜头焦距时，视场角减小，成像放大倍数增加，产生远方的物体被拉近的感觉，因此此类镜头常被称为望远镜头。当镜头焦距小于标准镜头焦距时，摄影视场角增大，因此常被称为广角镜头。一般标准镜头的视角范围在400 - 520之间，接近人眼正常的视角范围;广角镜头的视角范围在600 - 840之间;超广角镜头视角范围在940- 1180之间。关键字：数码相机,摄影视场角, 广角镜头, 视场角 AbstractIn a digital camera, a wide-angle (wide) and distance (z te lenses way. Traditional camera, digital camera lens standard lens, wide angle lens, telephoto lens and a zoom lens of the points. Wide-angle lens (focal lengthless than 35mm) is a short focal length standard lens, viewing angle is greater than the standard lens, the focal length is longer than the fish-eye lens, the viewing angle is smaller than the fisheye camera lens when the lens focal length is greater than the standard lens focal length, field of view angle decreasesimaging magnification increases, to produce distant objects closer to the feeling, such lens is often referred to as a telephoto lens when the lens is shorter than the standard lens focal length photographic field of view angle increases, so it is often referred to as the wide-angle lensthe general standard lens angle range of 400 - 520, nearly normal viewing angle range of the human eye; wide-angle lens viewing angle range between 600 - 840; ultra-wide-angle lens viewing angle range at 940 - 1180 between.Keywords: digital camera, photography FOV, wide-angle lens, the field of view angle第一章概述1.1数码镜头简述数码相机的镜头是集机光电于一体的部件。对于数码相机，镜头的好坏是影响成像质量的关键因素。虽然由于数码相机的CCD分辨率有限，原则上对镜头的光学分辨率要求较低;但另一方面，由于数码相机的成像面积较小(因为数码相机是成像在CCD上，而CCD的面积较传统35毫米相机的胶片小很多)，因而需要镜头保证一定的成像品质。 在数码相机中，有广角(wide)及远距两种镜头方式。与传统相机相同，数码相机镜头也有标准镜头、广角镜头、长焦镜头和变焦镜头之分。广角镜头(焦距小于35mm)是一种焦距短于标准镜头、视角大于标准镜头、焦距长于鱼眼镜头、视角小于鱼眼镜头的摄影镜头。当镜头焦距大于标准镜头焦距时，视场角减小，成像放大倍数增加，产生远方的物体被拉近的感觉，因此此类镜头常被称为望远镜头。当镜头焦距小于标准镜头焦距时，摄影视场角增大，因此常被称为广角镜头。一般标准镜头的视角范围在400 - 520之间，接近人眼正常的视角范围;广角镜头的视角范围在600 - 840之间;超广角镜头视角范围在940- 1180之间。由于广角镜头的焦距短，视角大，在较短的拍摄距离范围内，能拍摄到较大面积的景物，所以广泛用于大场面风景摄影作品的拍摄。在摄影创作中，使用广角镜头拍摄，能获得以下几个方面的效果:一是能增加摄影画面的空间纵深感;二是景深较长，能保证被摄主体的前后景物在画面上均可清晰的再现;三是镜头的涵盖面积大，拍摄的景物范围宽广;四是在相同的拍摄距离处所拍摄的景物，比使用标准镜头所拍摄的景物在画面中的影像小;五是在画面中容易出现透视变形和影像畸变的缺陷，镜头的焦距越短，拍摄的距离越近，这种缺陷就越明显。1.2镜头的设计现今的镜头约80%以上还是依赖玻璃完成组合与设计的(部分相机镜头采用塑料镜片)。与一般的玻璃不同的是，镜头所使用的材料是光学专用玻璃，原料中主要包含钡、铜和担的氧化物，可以提高折射率。用于制造相机镜头的光学玻璃其折射率一般不低于1.5，并具备低色散能力。现代镜头玻璃材料已大量使用稀土元素，如氧化铜、氧化担等。稀土技术的应用对改善镜头的强度及提高镜头的光学性能十分有效。利用不同类型的玻璃所产生的特定的折射率和色散(DispersivePower)，让光线偏向并集中强度和大小，成为镜头设计的最基本理论。折射率(RI)通常按光谱中段附近的光线波长(一般为590nm的黄绿光)进行测定。折射率越高，斜射进入玻璃的光线与人射方向偏折得越严重。玻璃的“色散率”是指红、蓝色光折射率之间的差异。这种差异越大，自然白光被分离成为的彩色光谱带就会越宽，类似三棱镜或小雨滴将口光色散为彩虹一样。由于被摄物体往往不是单一颜色，加上人造的各种混合波长照明光具的生产与使用，人眼所见到的物体色彩，不一定能100%的在底片或是CCD上表现出来，特别是光线本身再被镜头玻璃分色的话，色偏会更加严重。因此，色散性能也是考验镜头玻璃的一项重要指标。基本上，折射率和色散率没有关联性，所以两种不同玻璃的折射率可能相同，而色散率可能不同，反之亦然。因此，镜头设计者可以搭配不同性质的玻璃来取得最佳的折射效果。1.3镜头的缺陷理论上，透镜虽然可以有效的集中光线，但却也连带的产生一些问题。理想化的完美镜片至今尚未设计成功，主要的问题在于实际生产时，限于材料和条件因素，制造出来的光学镜片并不能达到完全理想的状态，多少存在像差(Aberration)现象。一般球面镜片的像差，可以分成下述的五种。1.3.1球面像差一个透镜理论上应能够将光线聚焦于一点，但实际上当不同高度的平行光线入射时，并不能真正汇集于一点(见图3-1-1黑色实线)，这个差异量，称为球面像差。球面像差将导致成像模糊。其最近端的对焦点与最远端对焦点的这个距离(箭头所示)，称为最小包围区(LSF。一般镜头设计者如果要消除这种像差，可以缩小镜头的光圈，而大口径的镜头则改用非球面镜。 图1-1球面像差示意图注：该图的www.digital.idv.tw能否去掉1.3.2像场弯曲平面的景物在焦点成像时，透过弯曲的镜片会将光线扭曲，造成像面不是平面，这种现像叫做像场弯曲。其结果是，得到的影像，如果对焦在中间，则周边不清楚;如果对焦在周边，则中间不清楚。这种像场弯曲，必须依靠修正镜片的像散来改变整体的成像质量。 图1-2像场弯曲示意图图不清楚1.3.3慧星像差慧星像差(Coma aberration)，指透镜的每一个圆环区域使相对透镜光轴不同位置离轴点所发出的光线聚焦成偏斜光线，其成像结果会形成如同慧星尾巴一样的光班。慧星像差是反应透镜在偏离光折型态下的一种球面像差。图1-3彗星像差示意图图不清楚1.3.4桶状和枕状形变平面的四方形测试图在拍摄后，影像形状与原来的样子不同，叫做影像形变。形变像差分为枕状和桶状两种。发生的原因是离轴光束与中心轴形成的角度太大，会将方形的影像拉长成弯曲的枕形。反之当角度太小时，则会变成桶形。图1-4桶装和枕状形变示意图图不清楚1.3.5.像散在偏离光轴的某一点处形成点状的影像时，相对于光轴的同心圆，像面按放射状方向分开，点不在点内，变成线状或椭圆状的像，这种现象叫做像散。一般镜头光圈大小对像散有一定的影响。图1-5像散示意图图不清楚这五种像差是针对单一波长的单色光线来对镜片进行测试所产生的结果。如果是自然阳光或其它混合色光，则又会因为波长不同，镜片折射率不一样，引起色像差。色像差主要产生于凸面镜的聚焦效果(见图1.6)，这个问题可以透过凹面镜加以分散修正。1.3.6色像差一般可分为两种:1） 光轴的色像差:镜片本身的材质影响进入镜片的光线，并造成各种颜色的色光折射率不同，让蓝色光系在离焦点较近处成像，红色系则在较远处。2） 倍率的色像差:倍率色像差，发生在镜片相互修正上，当凹面镜补偿了焦点位置的光轴色像差之后，整体产生的色光仍然不能一致。这是因为色光的波长不同，焦距亦不一样，所以产生的影像的倍率便因颜色而异，影像的大小会产生色偏移。图1-6色像差校正第二章数码相机的光学系统2.1数码相机与传统相机的差别数码相机的光学成像系统与传统照相机有许多相同和不同之处，相同之处是两者均需要将被摄客观景物清晰地成像在光学系统焦平面后的平面上，并能通过足够的光通量达到曝光目的;不同之处在于数码相机由CCD或CMOS取代了传统照相机的光化学乳胶片。因此，CCD或CMOS的成像特性给数码相机的光学系统提出了一些新的结构和性能的要求。注：该段内容过少，应加以补充2.2数码光学系统基本结构图2-1为一种最基本的数码相机成像光学系统，由位于前部的成像物镜和后部的低通滤波器所组成。成像物镜由若干光学透镜组成，达到校正光学像差并在CCD/CMOS器件表面成像目的;低通滤波器由两片双折射方向相互垂直的石英晶体薄板和红外滤光片组成，石英晶体的作用是过滤掉成像光束中的高频部分，防止图像产生低频干扰条纹，红外滤光片是为了拦截波长大于0.76m的光束，使参与成像的光束在人眼视觉光谱范围之内。 图2-1数码相机基本的成像光学系统和传统35mm照相机一样，数码相机镜头的设计中需要校正球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和放大色差。与传统的照相机物镜相比，数码相机的镜头结构比较复杂。传统35mm的基本柯克型三片物镜系统即可比较好地校正7种光学像差，为35mm普及型平视取景照相机所广泛采用。而数码相机由于需要较大的相对孔径、较短的焦距和较长的后截距，给像差的校正带来了一定的困难。镜头中的第一片负透镜的作用是使像方光学主面靠向光电成像器件表面，从而能够使镜头的后截距等于甚至大于镜头焦距，在空间上保证低通滤波器结构的存在。采用图1所示的结构，对用于1/3英寸成像器件的镜头，焦距范围在2.9一S . Smm之间，后截距均可大于 4.5mm，最大相对口径可以达到F1.8一F2.0，最近的成像物距可达200mm。对用于1/2英寸的成像器件的镜头，焦距范围在4.8一8mm之间，后截距就更可以得到保证。2.3低通滤波原理 由于数码相机是成像在二维光电阵列上，图像信息由离散的光电探测器获取。根据奈奎斯特定理，一个光电成像器件能够分辨的最高空间频率等于它的采样频率f。的一半。这个频率称为奈奎斯特频率fN(=fN/2)。光电阵列的分辨能力一般要小于成像物镜的分辨率，因此通常是成像光电阵列中像素的几何尺寸限制了整个系统的空间分辨率。过高的光学物镜分辨能力不仅不会增加系统的整体分辨能力，而且其中所产生的超过奈奎斯特空间频率极限的高频部分将被反射到基本频带中，与CCD/CMOS像素列阵的空间频率发生莫尔干涉效应。此时，图像将发生周期频谱交迭混淆，产生意想不到的低频干扰条纹，反而影响了图像质量。低通滤波片的作用是将对提高系统成像整体分辨率无贡献的高频部分过滤掉，使光学系统的调制传递函数曲线(MTF )呈现出如图2-2所示的状态。 图2-2传统相机与数码相机光学系统MTF的比较石英晶体具有双折射效应，带有同一目标图像信息的光束以一定的方向通过石英晶体后将被分成寻常光束(o光)和异常光束(e光)。光和e光相对错开一定的距离，可以达到降低空间频率的作用。如图3所示，设人射光和晶体光轴之间的夹角为B，寻常光速的折射率为nO，异常光束的折射率为ne，寻常光束和异常光束分开的距离为d，石英晶体的厚度为T,则存在如下的关系式: d=no2-ne2 tan no2+ne2T （2.1） 公式用公式编辑器，不要直接贴图当tg=ne/no 时，就可以得到最大的分开距离。近似地，当nenO时，=45，公式（2-1）可简化为： d=no2-ne2 no2-ne2 T (2.2) 图2-3光线通过石英晶体后的传播方向低通滤波器通常用两片石英晶体制成、第一块晶体的上表面镀有光学增透膜用于降低人射光能量的损耗，第二块晶体表面镀有红外滤光膜或加有红外滤光片，以减小红外辐射对光电探测器件的影响。两块晶体的光轴均与成像光轴成450，同时两块晶体的光轴分别处于两个相互垂直的平面中。每条成像光线通过第一片晶体后在一个方向上发生双折射产生o1光和e1光。当通过第二片晶体后，o1光和e1，光又在垂直于原先扩展的方向上，分别产生oo2光、oe2光、eo2光、ee2光，d的目的。由于d的数值很小(m级)因此双折射效应不会对低频的成像信号产生很大的影响。但双折射效应对于无助于提高系统分辨率并有可能产生莫尔干涉的高频部分具有过滤的作用。2.4焦距与视场镜头焦距是数码相机镜头的首要参数，通常用f表示。焦距的大小直接关系到视场角的大小。如图2-4所示，我们分别用H, V和h,，分别表示数码相机物方和像方视场的大小，则光学系统视场角2可表示为: 2=2tan-1h2+v22f=2tan-1H2+V22l （2.3）为半视场角；l为物距。目前常用的CCD/ CMOS面阵器件的尺寸有1英寸、2l3英寸、1/2英寸、1/3英寸和1/4英寸。对于一定大小的光电成像器件来说，焦距的增大意味着视场角的减小。 图2-4镜头焦距与视场的关系与传统照相机相同，数码镜头也有标准镜头、广角镜头、长焦望远镜头和变焦镜头之分。标准镜头的视场与人眼在正常情况下能看到的清晰范围视场相仿，在数值上，当镜头焦距与像方视场对角线近似相等时，则称该镜头为标准镜头。表i列出了35mm胶卷与各类光电成像器件标准镜头焦距的范围。当焦距大于标准镜头时，视场角减小，成像放大倍数增加，产生远方的物体被拉近的效果，因此常被称为望远镜头。当焦距小于标准镜头时，摄影视场角增大，因此常被称为广角镜头。一般，标准镜头的视角范围在40 - 53之间接近于人眼正常的视角范围;广角镜头的视角范围在60一84之间;超广角镜头的视角范围在94一118之间。许多数码相机的镜头标识中常采用等效焦距方法，即在摄影视场角相当的条件下，数码镜头等效于35mm传统照相机镜头的焦距。数码变焦相机有光学变焦和电子变焦之分。电子变焦是对己获得的数字图像信息通过数字图像处理，对其中的局部放大而获得。电子变焦可以放大图像，但不能够增加被放大部分的细节信息。图像细节的客观信息量被成像系统的等效分辨率所限定。光学变焦是真正能够改变成像系统的焦距，并在变焦过程中能够保证系统的等效分辨率水平。图2-5为一种用于1/4英寸CCD的变焦镜头光学结构。该系统由两组透镜组成，前级 图2-5一种数码相机的变焦镜头为负透镜组，后组为正透镜组。变焦过程中，两组透镜均按一定的相对规律运动，有效焦距可以从3 . 37mm(图2-5a)连续变焦到9.44mm(图2-5b)，视场角2m从短焦时的69.00变化到长焦时的26.80，最大相对孔径相应地从F2.4变到F3.3。该类镜头的设计关键是在变焦的过程中，将成像像面漂移控制在不影响系统等效分辨率的很小的范围之中。为达到良好的设计效果，变焦镜头中常有一片或数片非球面诱镜以校千像姜并减少球面透镜的数量。2.5光学变焦与数码变焦要解释光学变焦和数码变焦，就要先了解一下“镜头焦距”的概念。“镜头焦距”是相机镜头最重要的特性之一，为了让传统摄影者很容易地了解消费级数位相机的镜头焦距之意义，我们常常将其转换成 135 相机的等值焦距。“镜头焦距”指的是平行的光线穿过镜片后，所汇集的焦点至镜片间之距离。（镜头焦距请参考2.4焦距与视场） 基本上，若是被摄体的位置不变，镜头的焦距与物体的放大率会呈现正比的关系。即： 放大率影像尺寸 / 被摄体尺寸 (2.4)2.5.1光学变焦例如 Nikon CoolPix 990 数码相机的镜头，焦距为 38 mm - 115mm ( 相当于 135 相机 )，我们便说它是 3X 的光学变焦，意谓原始的镜头焦距为 38 mm，经过镜头系统的伸缩改变，最大可以将镜头焦距调整到 115mm。在相同的拍摄距离下，可以将被摄体放大三倍。2.5.2 数码变焦 今日的数码相机已经演进成小型的计算机一般，内部含有操作系统，可以执行既定的程序。透过韧体上程序的演算及光学系统的配合，我们可以将被摄体再做局部放大，以插补的方式仿真出光学变焦的效果。 “数码变焦”必然会损耗掉影像的品质，在一般的拍摄状况下，我们都不建议使用“数码变焦”的功能。但我们也知道“较差的相片”胜过“没有相片”，在某些特殊状况下，我们还是会动用“数码变焦”的功能。注：每章单起一页第三章 光学系统设计3.1光学系统设计的具体过程1.制定合理的技术参数制定合理的技术参数从光学系统羽使用要求满足程度出发，制定光学系统合理的技术参数。这是设计成功与否的前提条件。2.光学系统总体设计和布局光学系统总体设计的重点是确定光学原理方案和外形尺寸计算。为了设计出光学系统的原理圈。确定基本光学特性，使其满足给定的技术要求。首先耍确定放大率(或焦距)、线视场(或角视场)、数值孔径(或相对孔径)、共扼距、后工作距、光阑位置和外形尺寸等。因此，常把这个阶段称为外形尺寸计算阶段。一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算在上述计算时还要结合机械结构和电气系统/以防止这些理论计算在机械结构上无法实现。每项性能的确定一定要合理，过高的要求会使设计结果复杂，造成浪费;过低的要求会使设计不符合要求。因此，这一步必须慎重。3.光组的设计一般分为选型、确定初始结构参数、像差校正三个阶段。1) 选型光组的划分，一般以一对物像共辗面之阿的所有光学零件为一个光组，也可将其迸一步划心。现有的常用镜头可分为物镜和目镜两大类。目镜主要用于望远和显微系统，物镜可分为望远、显微和照相摄影物镜三大类。镜头在选型时首先应依据孔径、视场及焦距来选择镜头的类型，特别要注意各类镜头各自能承担的最大相对孔径。视场角。在大类型的选型上，应选择既能达到预定要求而又结构简单的一种。选型是光学系统设计的出发点，选型是否合理、适宜是设计成败的关键。 2）初始结构的计算和选择初始结构的确定常用以下两种方法:(1)解析法(代数法)H即根据初级像差理论求解初始结构。这种方法是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级像差理论来求解满足成像质量要求的初始结构，即确定系统各光学零件的曲率半径、透镜的厚度和间隔、玻璃的折射率和色散等，（2)缩放法三即根据对光组的要求/找出性能参数比较接近的已有结构，将其各尺寸乘以缩放比H，得到所要求的结构，并估计其像差的大心或变化趋势。3)像差校正、平衡与像质评价初始结构选好后，要在计算机上进行光路计算，或用像差自动校正程序迸行自动校正，然后根据计算结果画出像差曲线、分析像差，找出原因，再反复进行像差计算和乎衡，直到满足成像质量要求为止。4.长光路的拼接与统算以总体设计为依据，以像差产价为准绳，来进行长光路的拼接与统算若结果不合理，则应反复试算并调整各光组灼位置与结构，直到达到预期的目的为止。5.绘制光学系统图、部件图和零件图绘制各类图纸，包括确定各光学零件之间的相对位置，光学零件的实际大小和技术条件。这些图纸为光学零件加工、检验，部件的胶合、装配、校正，乃至整机的装调、测试提供依据。6.编写设计说明书设计说明书是进行光学设计整个过程的技术总结，是进行技术方案评审的主要依据。7.进行技术答辩必要时可以进行技术答辩。3.2光学设计的具体设计步骤光学设计就是选择和安排光学系统申各光学零件的材料、曲率和间隔，使得系统的成像性能符合应用要求。一般设计过程基本是减小像差到可以忽略不计的程度。光学设计可以概括为以下几个步骤:(1)选择系统的类型;(2)分配元件的光焦度和间隔;(3)校正初级像差;(4)减小残余像差(高级像差)。以上每个步骤可以包括几个环节，重复地循环这儿个步骤，最终会找到一个满意的结果。3.3仪器对光学系统性能和质量的要求任何一种光学仪器的用途和使用条件必然会对它的光学系统提出一定的要求。因此，在进行光学设计之前一定要了解对光学系统的要求。这些要求概括起来有以下几个方面。3.3.1光学系统的基本特性光学系统的基本特性有:数值孔径或相对孔径。线视场或视场角，系统的放大率或焦距。此外还有与这些基本特性有关的一些特性参数。如光瞳的大小和位置、后工作距、共轭距等。3.3.2系统外形的尺寸系统的外形尺寸，即系统的轴向尺寸和径向尺寸。在设计多光组的复杂光学系统时，如一些军用光学系统，外形尺寸计算以及各光组之间光瞳的衔接都是很重要的。3.3.3成像质量成像质量的要求和光学系统的用途有关。不同的光学系统按其用途可提出不同的成像质量要求。对于望远系统和一般的显微镜只要求中心视场有较好的成像质量;对于照相物镜则要求整个视场都要有较好的成像质量。3.3.4仪器的使用要求根据仪器的便用条件，要求光学系统具有一定的稳定性、抗振性、耐热性和耐寒性等，以保证仪器在特定的环境下能正常工作。在对光学系统提出使用要求时，一定要考虑在技术上和物理上实现的可能性。例如生物显微镜的视觉放大率,一定要按有效放大率的条件来选取，即满足500NA1000NA条件。过大的放大率是没有意义的，只有提高数值孔径(NA)才能提高有效放大率。对于望远镜的视觉放大率，一定要把望远系统的极限分辨率和眼睛的极限分辨率放在一起来考虑。在眼睛的极限分辨率为1时，望远镜的正常放大率应该是=D/2.3，式中D是入瞳直径。实际上，在多数情况下，按仪器用途所确定的放大率常大于正常放大率，这样可以减轻砚察者眼睛的疲劳度。对于一些手持的观察望远镜。它的实际放大率比正常放大率低，以便具备较大的出瞳直径，从而增加观察时的光强度。因此望远镜的工作放大率应按下式选取: 0.2D0.75D （3.1）有时对光学系统提出的要求是互相矛盾的。这时冲应进行深人分析，全面考虑，抓住主要矛盾，切忌提出不合理的要求。例如在设计照相物镜时，为了使相对孔径、视场角和焦距三者之间的选择更加合理，应该参照下列关系式来选择这三个参数: Dftanf100=Cm （3.2） 式中，Cm=0.220.26，称为物镜的质量因数。实际计算时，取Cm=0.24。当Cm0.24时，则光学系统的像差校正就不会发生困难;当Cm0.24时。则系统的像差很难校正，成像质量彼差。但是，随着高折射率玻璃酌出现、光学设计方法的完善，光学零件制造水平的提高以及装调工艺酌完善，Cm值也在逐渐提高。总之，对光学系统提出的要求要合理，保证在技术上和物理上均能够实现，并且要具有良好的工艺性和经济性。 第四章 宽视场数码镜头设计4.1 OSLO简介4.1一节放到第三章，作为光学设计软件介绍一节1OSLO 概述OSLO 是 Optics Software for Layout and Optimization 的缩写。 OSLO 主要用于照相机、通讯系统、军事/空间应用、科学仪器中的光学系统设计，特别当需要确定光学系统中光学元件的最佳大小和外形时，该软件能够体现出强大的优势。此外，OSLO也用于模拟光学系统的性能，并且能够作为一种开发软件去开发其他专用于光学设计、测试和制造的软件工具。 2OSLO 的设计能力 几乎任何一个涉及到光波传播的光学系统都可以使用OSLO进行设计，以下是一些典型的应用示例： 常规镜头Conventional Lenses 缩放镜头Zoom Lenses 高斯光束/激光腔Gaussian Beam/Laser Cavities 光纤耦合光学Fiber Coupling Optics 照明系统Illumination Systems 非连续传播系统Non-Sequential Propagation Systems 偏振光学Polarization-Sensitive Optics 高分辨率成像系统High-Resolution Imaging Systems 此外，OSLO还可以设计具有梯度折射率表面、非球面、衍射面和光学全息、透镜矩阵、干涉测量仪等光学系统。OSLO不适于波导设计，也不适于眼镜设计。 3OSLO 的主要特征 OSLO 是一个具有上千条内部命令和函数的非常大的程序，而且， OSLO的可执行模块能够被用户按规则进行修改和重新编译，因而，其功能非常强大。以下是OSLO的一些总体特征概括： 具有透镜和材质数据库Lens and Material Databases 具有特殊表面数据Special Surface Data 缩放和多配置系统Zoom and Multiconfiguration Systems 透镜矩阵和非连续组件Arrays and Non-Sequential Groups 特殊孔径Special Apertures 公差和元件数据Tolerance and Element Data 偏振和光学薄膜Polarization and Thin Film Coatings 光线追迹Ray tracing 衍射和部分相干Diffraction and Partial Coherence 优化方法Optimization Methods 误差分析Tolerance Analysis 激光、光纤和高斯光束Lasers, Fibers, and Gaussian Beams 照明系统Illumination Analysis 完美透镜Perfect Lenses and Eikonals 4OSLO 与其他软件的比较 尽管大多数光学设计软件具有一定的相似性，但是在功能上和设计方法上还是存在很大的差异。OSLO在光学设计的“竞争”中已经成为一个主流的光学设计软件。虽然OSLO 的历史可以追溯到二十世纪六十年代早期，但是它在本质上是一个面对对象的windows 程序，具有唯一的内置应用程序管理器/编译器，在桌面计算机上能够提供非常高的性能。 5OSLO 的主要优点 OSLO是以设计者为导向设计风格。OSLO 着重交互性的光学设计，在设计过程中，计算机向设计者提供容易理解的反馈信息。这使得设计者能够及时作出取舍决定，选择最佳的解决方案。OSLO 在使用交互性设计控制方面是独特的，这使得它的用户界面尽可能的直观。 OSLO功能强大并且精确度高。OSLO 使用先进的光学设计技术，包括多重优化和公差方法，高性能非连续光线追迹和随机的光源建模与分析。OSLO 是第一个出现在桌面计算机上使用的严格的光学设计软件，并且与其他软件相比更得到广阔的发展。OSLO 能够在世界范围内成为主导的设计工具的一个主要原因是，它很容易根据用户需要进行定制，并且能够将程序改编成特殊的需要。这是因为OSLO 使用先进的软件技术，将Windows 的功能带进技术计算领域。事实上，OSLO 提供的 CCL 语言相对于 Sun 公司的 Java 语言或Microsoft的 Visual Basic 以及其他光学设计软件的宏语言具有更好的灵活性。4.2实验的主要内容以及目标 第四章直接从这里开始CCD 在图像传感领域的迅速发展, 成为现代光电子学和测试技术中最为引人关注的研究热点之一。在科研领域, 由于CCD 具有灵敏度高、噪声低、成本低、小而轻等优点, 已成为研究宏观(如天体) 和微观(如生物细胞) 现象不可缺少的工具。在国防军事领域, CCD 成像技术在微光、夜视及遥感应用中发挥着巨大的作用。随着人们生活水平的提高，对影象拍照得要求越来越高，以CCD为感光元件的数码相机成为相机市场的主力军。在成像领域中, CCD已逐步取代了真空摄像管的成像系统。CCD 摄像机通过光学镜头将外界的景物成像在CCD 光敏面上, 因此镜头的成像质量是决定CCD 摄像机性能的关键因素之一。在数码相机应用中, 需要采用大视场光学镜头, 在保证成像质量的前提下, 还要将尽可能多的能量集中到CCD 光敏面上, 以提高系统的探测距离。本课题的目的是设计数码相机镜头，能够实现大视场成像，且成像质量满足设计要求。4.3宽视场数码镜头初始结构计算和选择宽视场镜头具有大于100的视场且为倒置望远设计。如此大的视场导致很大的畸变，大到我们实在不该如此引用畸变。宽视场镜组焦距长，但在考虑到大的畸变下也是无意义的。 Y 为像高（从光轴量到像的中心）以及Q 为半视角，然后在无畸变下对一远方物体Y=FtanQ 。在鱼眼透镜中，Y大约0.015F Q（Laikin, 1980）。也就是说，像高近乎为视场角的线性函数。在增加视场角之下，入射光瞳从透镜内移动到透镜前端。当检视将镜组，这光瞳的移动是非常明显的。在设计时要考虑到瞳孔像差，在不同视角下光线的起始数据必须时常重新调整。在分析与MTF 计算时，不同波长下的起始数据也必须调整。在初步的设计时间，计算起始的瞳孔偏移量是件苦差事。为此，我修正了一个光线追纵程序来追踪在某小视角下的主光线。在光圈上的横轴高度是用来计算（用简单的部分）在入射光瞳上的新值。在少量的重复下主光线被找到了。然后瞳孔偏移的数据被适配到一个三次方程式来预知下个视场角纵向偏移的起始值。通常用的是2的增加量。这些所有的计算会自动执行，所花费的时间只比打印该数据多一点。计算机程序应该要允许EFL 能随心所欲地改变，畸变能够忽略，且只保持不同视角的像高。由于焦距很短，轴上的第二色差就不是问题了。然而大的视角使得横向第二色差不能被忽略。大的畸变造就了唯一的问题；透镜像差对于物距变化敏感。为求方便，首先我设计了位于无限远共轭的投影镜头。然后为了最后几个计算机的运算，我引入了有限共轭与屏幕曲率。然而，接下来的例子全都描述无限共轭且对可见光范围作了修正。图9-1 显示一个100FOV， f / 2 照像镜头。这是设计用来拍摄35mmAcademy 型式底片（对角长1.069）。焦距为0.73。资料为表4-1。第一镜面到像距为7.399。从光线图中注意到这个镜组具有近乎的出射光瞳。对于照像镜头而言，这是无形的；然而如果该镜组是用来投影，必须在底片栅门与弧形光源间置入负透镜，以使弧形影像正确地定位或对于正确出射光瞳的正确位置来重新设计镜头。图4-1 100宽视场照像镜 图4-2 100宽视场照像镜组图4-1给出了入射光瞳的轴上位置。这个值表示光瞳沿着光轴朝向镜片前端偏移。压缩量是入射光瞳在切线方向上，以轴向大小为基准的比值。这个透镜最大的像差是第二色差。图4-2为镜头镜头组示意图。初始结构设计完成4.4象差校正和优化优化是光学系统设计过程中最重要的一步，一般来说初始结构的像质并不是很理想的，只有经过优化才能使光学系统的性能达到我们需要的状态。一般说来，光学系统的高级像差是无法校正的，我们只能把它降到允许的范围内，然后改变初级像差的符号和数量，把初级像差和高级像差降到最小，便系统达到尽可能好的成像质量。有时某一种像差无法校正，需要用其他像差来补偿，所有这些做法称为像差平衡。用哪一种初级像差和哪一种高级像差相平衡，它们在数量上应该改变多少，这些问题要根据具体结构、仪器的使用要求、系统的高级像差大小以及像差校正的可能性等因素决定，在像差平衡时，不一定把所有的像差部校正得很小(相对于高斯像面)，关键在于各种像差之间要配合好。不仅轴上点像差和轴外点像差要配合好，而且各个视场之间的像差也要互相配合好，各种像差的正负号要配合，这样才会便所有像差对一个统一像面达到最小，整个系统具有最佳成像质量。然后把高斯像面移到这个新的像面位置上，称为离焦。有时为了改善轴外点成像质量，把孔径边缘那部分像差较大的光线拦掉，这种做法称为拦光。所有这些处理万法称为计算结果处理。4.4.1像差校正方法像差的校正方法很多，最基本的方法有代数法、试验法和像差自动校正法。1代数法代数法是假定结构参数变化不大时，高级像差和透镜厚度影响很小，并认为是基本不变，而主要是初级像差在改变。开始先求出希望达到的像差目标值和由光路计算所得到的像差值之差，用Gk表示。然后对初级像差普遍表示式进行微分，并用有限增量代替微分，则得 Gk=f，ySk （4.1）式中，f，y是光线坐标的函数，Sk是已知量，是初级像差系数的增量。可根据Gk求出Sk。再根据Sk求出Pk、Wk，由Pk、Wk求出Uk，从而求出新的Uk。最后求出新的参数。这种方法实际上相当于重新计算初始结构，工作量是很大的。单对于视场和孔径都不大的光学系统，如双胶合、双分离、密接三透镜系统的像差校正是很有效的。2实验法试验法是研究和利用光学系统各个结构参数的变化和由它们引起的像差值变化之间的关系，并假设参数变化不大时，它们之间的关系是线性的。设计者在开始计算之前，先从专利文献等己有的资料中选择一个光学特性与所要求的尽可能接近的初始结构，然后在电子计算机上进行光路计算。连续改变每个结构参数 (每次改变量均为微变量“x”)计量出像差变化量表，从中可分析各结构参数对各种像差影响的小和方向然后决定变哪几个结构参数，变多少，向哪个方向变，再计算出新的像差结果和新的像差变化量表，再继续重复前面的工作，直到使整个系统的像质达到设计要求为止。这种方法的思路与华罗庚院士提出的“优选法”中的“瞎子爬山法”异曲同工。3像差自动校正法光学系统应据使用要求达到一定得像质要求，这些要求都与几何像差相联系。因此力求把光学系统的有关几何像差校正到尽可能小或取得最佳匹配，以便达到与像质要求一致。其实光学设计难，难就难在几何像差与光学系统的结构参数之间的非线性，更不能建立起确切的函数关系，因而无法从像差要求直接求得光学系统。自从用电子计算机辅助进行光路计算后，才便设计者从繁重的数值计算中解放出来，这是试验法的鼎盛年代。随着计算机技术与最优化理论和数值方法互相促进，迎来了光学设计CAD的新阶段光学自动设计(像差平衡计算)。其特点是根据系统的各个结构参数对像差的影响，同时修改对像差有校正作用的所有结构参数，使像差得到平衡。这就加快了设计速度并提高了设计质量;光学自动设计软件采用了几何像差、波像差、点列图，光学传递函数等多个评价指标，并以此多目标来评价设计结果，给设计者带来了很大的方便。值得指出的是，有些光学自动设计软件在设计权重时/有一个默认值酌权重。根据经验，采用这一权重是光学结构参数的平均先进水平的结果。如果用此权重达不到使用的要求，或迭代很多次后出现了一些奇怪的结果的话，就必须曲设计人员对设计过程进行人工干预(如改变权重，人为地改变一些结构参数);以获得好的结果。可见在光学自动设计中，设计者仍然需凭借自己对像差理论的掌握，并应用于设计的实践之中，才能高屋建瓴、水到渠成。像差自动平衡主要有阻尼最小二乘法、适应法、正交化法等，其中阻尼最小二乘法用得最为广泛。4.4.2像差校正的设计技巧 像差校正设计技巧主要有如下10个方面：各光组以至各面的像差分布耍合理。在考虑初始结构时，可将要校正的像差列成用P、W表示的方程组，这种方程组可能有多组精确解，也可能是病态的，或无解。若是前者，应选一合理的解;若是后者，应取最小二乘解。总之，有多种解方程组的算法可利用，在计算机上实现并不困难。然后，应尽量做到各个面上以较小的像差值相抵消，这样就不至于会有很大的高级像差。在此，各透镜组的光焦度分配、各个面的偏角负担要尽量合理，要力避免由个别面的大像差来抵消很多面的异号像差。相对孔径h/r或入射角很大的面一定要便其弯向光阑，以便主光线的偏角或ip角尽量小，以减少轴外像差。反之，背向光阑的面只能有较小的相对孔径。像差不可能校正到完美无缺的理想程度，最后的像差应有合理的匹配。这主要是指:轴上点像差与各个视场的轴外像差要尽可能一致，以便能在轴向离焦时使像质同时有所改善;轴上点或近轴点的像差与轴外点的像差不要有太大的差别，使整个视场内的像质比较均匀，至少应使0.7视场范围内的像质比较均匀。为确保0.7视场内有较好的质量，必要时宁愿放弃全视场的像质(让它有更大的像差)。因为在0.7视场以外己非成像的主要区域，当画幅为矩形时(如照相底片)，此区域仅是像面一角，其像质的相对重要性可以较低些。挑选对像差变化灵敏、像差贡献较大的表面改变其半径。当系统中有多个这样的面时，应挑选其中既能改良所要改的那种像差，又能兼顾其他像差的面来进行修改。在像差校正的最后阶段尚需对一两种像差作微量修改时，作单面修改也是能奏效的。若要求单色像差有较大变化而保持色差不变，可对某个透镜或透镜组作整体弯曲。这种做法对除色差和折以外的所有像差均有效。利用折射球面的反常区。在一个光学系统申，负的发散面或负透镜常是为校正正透镜的像差而设置的，它们只能是少数。因此，让正的会聚面处于反常区，使其在对光束起会聚作用的同时，产生与发散面同号的像差就显得特别有利。设计着应善于利用这一性质。利用透镜或透镜组处于特殊位置时的像差性质。例如，处于光阑位置或与光阑位置接近的透镜或透镜组，主要用于改变球差和蟹差佣整体弯曲方法);远离光阑位置的透镜或透镜组，主要用来改变像散、畸变和倍率色差。在像面或像面附近的场镜可以用来校正像面弯曲。对于对称型结构的光学系统，可以选择成对的对称参数进行修改。作对称性变化以改变轴向像差，作非对称性变化以改变垂轴像差。利用胶合面改变色差或其他像差，并在必要时调换玻璃。可以在原胶合透镜中更换等折射率不等色散的玻璃，也可在适当的单块透镜中加入一个等折射率不等色散的胶合面。胶合面还可用来校正其他像差，尤其是高级像差。此时，胶合面两边应有适当的折射率差，可根据像差的校正需要，使它起会聚或发散作用，半径也可正可负，从而在像差校正方面得到很大的灵活性。同时，在需要改变胶合面两边的折射率差以改变像差的性态、或微量控制某种高级像差，以及需要改变某透镜所承担的偏角等场合，都能通过调换玻璃而奏效。合理的拦截光束和选定光阑位置。孔径和视场都比较大的光学系统;轴外的宽光束常表现出很大的球差和慧差，使ytanU不要用图片，用公式编辑器特性曲线上下很不对称。原则上，应首先立足于把像差尽可能校正好，在确定无法把宽光束部分的像差校正好的情况下，可以把光束中y值变化大的外围部分光线拦去，以消除其对像质的有害影响，并在设计的最后阶段，根据像差校正需要最终确定光阑位置和各零件口径的大小。最后应指出，在像差校