理工科毕业论文模版

学校代码10672编 号贵州民族大学毕业设计（论文）题 目: CCD宽视场数码相机镜头设计 学 院: 机械电子工程学院 学生姓名: 黄 文 学 号: 201207040027 年 级: 2013 级 专 业: 光电信息科学与技术 指导教师: 葛一凡 职 称: 副教授 完成时间: 2017年5月25日 中国贵州贵阳成果声明本人的毕业论文是在 贵州民族大学机械电子工程学院学院 葛一凡 副教授的指导下独立撰写并完成的。毕业论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期：2017年5月25日目 录第1章 绪论11.1 相机的镜头和发展史11.2 研究目的和意义1第2章 光学系统的分析22.1 光学系统的像差22.2 七种赛尔德像差22.1.1 近轴区域的色差22.2.1 塞得区域内的五种单色像差22.3光学系统的组成52.3.1 单片透镜系统52.3.2 双片透镜系统6第3章 基于ZEMAX的镜头设计73.1 数码相机的基本结构73.2 设计过程和步骤8 3.2.1 初始结构的选择8 3.2.2 像差校正与平衡8 3.2.3 像质评价83.3 宽视场镜头的设计思路93.4 ZEMAX软件简介93.5 初始镜头模板103.6 镜头的结构调整133.7 镜头的参数调整14第4章 结论与展望194.1 结论194.2 展望19参考文献20附 录21致 谢22CCD数码相机宽视场光学镜头设计黄文摘 要：相机的镜头设计是一门有着悠久历史的实用技术，在计算机技术引入到相机的镜头设计工作中之前，要设计一款好的相机镜头需要经历大量繁重的计算和劳动。计算机技术的高速发展和相关光学设计软件的出现使得以往我们的部分工作能够通过计算机软件相对容易的去完成，利用建立起来的镜头数据库，能够帮助我们更快速的设计出一款新的镜头，计算机的计算精度的优势也使得镜头的各项设计指标得到很大的提升。目前主流的光学镜头设计软件主要有三种，OSLO，ZEMAX还有CODE V。本文的目的，是探索数码相机广视距镜头的设计，并利用ZEMAX软件进行模拟设计，来完成CCD宽视场数码相机镜头的设计。关键词：数码相机；宽视场镜头；ZEMAXDesign of wide - field optical lens for CCD digital cameraHuangwenAbstract： The lens design of the camera is a practical technology with a long history. Before designing computer technology into the lens design of the camera, it is necessary to design a good camera lens to experience a lot of heavy computing and labor.The rapid development of computer technology and the emergence of related optical design software in the past part of our work can be relatively easy to complete through the computer software,The use of established lens database, can help us more quickly design a new lens, the computers accuracy of computing also makes the lens of the design indicators have been greatly improved. At present, there are three main optical lens design software, OSLO, ZEMAX and CODE V. The purpose of this paper is to explore the design of digital camera wide-angle lens, and use ZEMAX software for analog design, to complete the CCD wide field of view digital camera lens design.Key words：Digital camera；Wide field of view lens；ZEMAX欢迎下载第1章 绪论1.1 相机和镜头的发展史 世界上的第一张黑白照片诞生于1827年，由法国人尼埃普斯所拍摄，至今已有接近两百年的历史，而第一张彩色胶片，是柯达公司在1936年所研发出来的柯达克罗姆反转片。最开始的相机的成像原理，是用镜头捕捉影像以后，在胶卷上曝光成像，然后经过一定的化学处理后最终成为一张记录了我们生活的完整照片。近代由于半导体产业的成熟，带动光学元器件的蓬勃发展，在CCD以及CMOS等感光元件问世以后，底片相机渐渐被数码相机所取代。而且随着技术的发展，半导体光学元件可以做的很小很小，随之被人们与手机结合，成为现代智能手机上的一个不可分割的重要功能。数码相机的主体结构与传统相机相比并没有什么不同，只是他的成像系统从一次性的“胶片”，变成了可以直接成感光像并且能够无数次使用的CCD或CMOS光学偶合元件，优点是省略了重装胶片和冲洗成像的步骤，同时马上就能在频幕上显示出你拍下来的人物和风景。并且拍照的数量也不受胶片多少的限制，以往的底片相机一个交卷只能拍几十张照片，而数码相机只需要一张小小的内存卡，就能够储存成千上万张图片。由于社交网络的发达，你拍摄出的美景还能立即通过网络分享给你的亲朋好友们，更不用担心年代久远了照片会褪色发黄。1.2 研究目的和意义无论相机如何发展，相机上的镜头好坏始终是一台相机能否拍出好的照片的保障，所以说镜头的发展史始终伴随着相机的发展史。从第一台相机的出现至今，无数款镜头被人们设计并使用，其中最著名的一家镜头设计公司叫莱卡（Leica）莱卡工程师在谈到镜头的设计工作时提到，目前的电脑软件还无法直接生成一款优秀镜头，镜头的设计灵感还是源于设计师本身对这项工作的热爱。广角镜头一般用于专业相机采景，或者用于全景相机。普通的相机镜头视角通常在70左右，而我在这次毕业设计中所设计的镜头视角为80100，目的是用较少的镜头来获取较大的视场。第2章 光学系统的分析2.1 光学系统的像差在宽视场镜头的设计中，由于自然光进入镜头的量大大提高，镜头边缘斜向射入的光线对相片的最终成像有着较大的影响这一点是必须考虑的。这些光线可分为两种，垂直于镜头面的切线光线和水平射入的径向光线，这一部分光线的光路需要用到一些特殊的函数来计算，以往我们想要通过手工来完成这项复杂的计算和大量的数据处理几乎是不可能的，而现代的电子计算机可以为我们提供一些帮助。我们在初高中的时候就学习过，无色的日光在经过三菱镜的折射后就会呈现出彩虹一般美丽的各色光线，这是因为组成日光的各色光子都有着不同的能量和波长，在通过不同的介质时它们的传播路径不尽相同，就会产生散射和色散等现象。在镜头的设计中我们要对这些不同光线的光路进行了解，并通过建立光学模型来量化部分光路，再通过一些特殊的三角函数来计算这些光线路径差，然后我们就可以利用不同的镜头组合来控制和减少这些光学现象的干扰下所形成的像差了。对于镜头设计者而言，如果你知道镜头中的某种像差是如何产生的，并且会对最终的成像造成何种影响。那么我们在设计过程中，就可以通过相对复杂的光组来对这些像差进行校正。 我们通常把像差分为七种像差，也叫赛尔德像差，虽然像差越小就意味着你的成像与真实的物体越接近，但越小的像差就意味着越大的设计难度和越昂贵的设计成本，想要完全消除赛尔德像差更是不可能的，由于镜头的商业运用，我们通常在设计中会根据成本来把像差控制在一定的范围内就可以了。2.2 七种赛尔德像差2.2.1 近轴区域的色差包括位置色差和倍率色差2.1.2 塞得区域内的五种单色像差球差；慧差；像散；像面弯曲；畸变表2-2-1 七种赛尔德像差球差（spherical aberration）本质沿着光轴的平行入射光不能完全聚焦，球差是轴上点唯一的单色像差。正负关系单正透镜产生负球差，单负透镜产生正球差相关成因焦距，相对孔径，透镜形状及折射率规律单透镜本身不能校正球差。慧差(comatic aberration)本质轴外点宽光束（垂轴像差），倾斜于光轴的平行入射光无法完全聚焦。尖端指向中心者为正慧差，反之为负慧差相关成因光束宽度，物体大小，光阑位置，光组内部结构有关规律对于大孔径系统影响较大。像散(astigmatism)本质轴外点细光束子午像点比弧矢像点更远离高斯像面，像散为负反之为正相关成因规律像散是物点远离光轴时的像差，且随视场的增大而迅速增大场曲(curvature of field)本质轴外光束，部分光线的聚焦面与我们期望的焦平面不一致。相关成因当系统还存在像散，即子午像面和弧矢像面的与理想像面的偏离。规律有像散必然存在场曲，但场曲存在时不一定有像散。畸变（distortion)本质垂轴放大率随视场的变化而产生（垂轴像差）枕形畸变为正（垂轴放大率随视场的增大而增大），桶形为负（增大而减小）相关成因主光线的光路引起像的畸变规律对于结构完全对称的光学系统，以-1倍的放大率成像，所有垂轴相差都能自动消除当光阑置于系统的中间，能很好的矫正畸变位置色差(congitudinal chromatic aberration)不同颜色的光有着不同的焦点。对3种或3种以上的色光校正位置色差或显著减小了2级光谱的光学系统成为复消色差物镜倍率色差(lateral chromatic aberration)使物体像的边缘呈现彩色，影响成像清晰度2.3 光学系统的组成一个看似复杂的光学系统，如果把它分解开来就可以看成是由许多个不同的透镜所组合成的。这些不同焦距，孔径和视场角的透镜组合起来，成为了典型光组。由于需要考虑的参数，规格相差校正的不同，透镜组合的方式也多种多样。透镜所使用的光学材料本身也会根据折射率和色散来分类运用。2.3.1 单片透镜系统2.3.1.1 消除反光玻璃表面上的光反射，不仅会使成像的入射光能量减少，也是造成重影和耀斑的原因。所以我们通过镀MgF膜，或者多层镀膜的方法使得镜头表面的光反射率下降到0.5%以下。2.3.1.2 消除球差球差的残量，随着玻璃的折射率的变大而减小，以n=1.5和n=2.0折射率的球面镜为例。当n=1.5时，（2-3-1）当n=2.0时， ， （2-3-2）2.3.1.3 消除像散类似于眼镜镜片的制作，要考虑消除像散，通常使用曲面透镜来消除，并且要让曲率半径平缓一些。2.3.1.4 消除色差 色差是由于色散所引起的，对于单片透镜而言可以选择色散较小的透镜来减少色差。2.3.2 双片透镜系统 双片透镜的主要功能是消除色差和减少相面的弯曲和畸变2.3.2.1 消除色差设双片透镜的焦距分别为f1，f2，成合焦距为f，则有下式成立。 （2-3-3）对于轴上的点色差来讲，若满足下试则可以消色差。 （2-3-4）其中V1，V2，分别是第1，第2透镜的阿贝数。2.3.2.2 减少弯曲和畸变对于一定结构形式的透镜，场曲的大小是由珀兹伐P所确定。校正场曲时，取P值为零并非正确，它可以任意取值，这里取零只是为了方便讨论和计算。 （2-3-5）结合（2-3-4）和(2-.3-5）两试得到 (2-3-6)n1，n2为折射率，v1，v2位阿贝数，当时，残留球差趋于增大，场曲减小。2.3.2.3 双片透镜的球差和慧差球差是通过对平行光轴的光线追迹求得的，其大小在最大相对孔径时的入射高度h处，即所谓完全校正，此外，在必要时应对34条不同高度的光线进行判断。 慧差的表示方法有两种，一种是用横向像差表示，一种是用纵向像差表示，通常多采用Berek所用的横向像差表示法。第3章 基于ZEMAX的镜头设计3.1 数码相机镜头的基本结构在了解了光学系统的组成和设计思路以后，我们就可以开始正式设计一款镜头了。图3-1-1是一个数码相机镜头的基本光组。前方的成像物镜是由五块光学透镜组成的光组，光线由最前方的物镜进入，经过后方的光组对像差进行一系列的校正，校正后的光线进入后方的低通滤波器，低通滤波器是由两片石英晶体和一片红外滤光片组成的，两片双折射方向相互垂直的石英晶体可以过滤掉成像光束中的高频部分，减少图像中的低频干扰条纹。红外滤光片是为了过滤掉人眼视觉范围外的不利光线，避免不必要的光干扰。图3-1-1 数码相机镜头的基本光组 在数码相机的镜头设计中需要对七种赛尔德像差进行不同程度的校正，这一点和传统相机的镜头设计工作是相似的。以往被传统的35MM胶片相机的镜头所广泛采用的是柯克（Cooke）型透镜系统，由三片分离透镜组成的柯克型镜头，其光阑位于透镜之间，这种光学结构型式是镜头像差能得以初步校正的最简单结构，象质基本上满足一般普及型相机的要求（镜头等级为23级），且价格比较低。近年来数码相机的快速发展，对镜头提出了越来越高的要求，人们对于相机镜头也不再满足于简单廉价的日常运用，更加专业的需求促使了镜头的发展。根据不同的需求，要求镜头能做到的工作更加多样化，镜头的结构也趋于复杂化，这就使得光学像差的校正也变得更加困难。3.2 设计过程和步骤3.2.1 初始结构的选择为了减少设计难度，我们可以从已有的数据库中选择一款镜头作为初始结构。在这个基础上对镜头的光学原理进行初步的了解之后，再根据我们的需要对镜头进行调整，确定新的镜头光组和各项参数。3.2.2 像差校正与平衡对于初始的镜头结构进行较大的改动会使得镜头产生较大的像差，这个时候我们就要运用ZEMAX软件查看新镜头的各项参数，然后根据各项数据和图表来进行像差的分析和校正，由于镜头结构相对复杂，需要反复的修改各项参数然后查看图表数值的变化，从这些变化中去寻找到一个合适的平衡点。3.2.3 像质评价最终的设计的镜头是否实用，是根据最后的成像质量来评价的，而成像的质量取决于我们在设计中是否对像差进行了很好的校正。就如前面所提到的一样，像差是无法被完全校正的，残留的像差的多少就决定了最后的成像质量。由于我只是个初学者，所以只能尽力把像差控制在人眼所能够接受的范围内就算完成了设计目标了。3.3 宽视场镜头的设计思路宽视场光学镜头一般采用的是“反远距型”光路结构，即由前后分开的2组透镜组成，而且负透镜在前组成不对称的光路结构。除了具有后工作距长的特点外，同一般的“高斯型”光路结构相比，由于其物方视场角W大于像方视场角w,因此“反远距型”光路结构像差相对容易校正，像面照度比较均匀。此类镜头典型结构形式如图3.1.2所示。图3-3-1 宽视场镜头结构示意图确定镜头组合以后，再通过镜头材料的选择，镀膜等方式，来消除镜头反光，色差，球差等因素。3.4 ZEMAX软件简介Zemax软件是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。是全功能的光学设计分析软件， 具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。3.5 初始镜头模板比起从零开始的设计，选择一个初始模板并对之进行改造和优化能够节省很多时间。下面我们选取一个普通相机镜头的模板。图3-5-1 镜头1结构在编辑（Editors）中我们可以查看其镜头参数，初始镜头一共由6块镜片组成。第一项曲率半径（radius），第二项镜片间距（thickness），第三项（glass）玻璃材质，也可以根据自己的需要调整玻璃的的折射率和透过率，第四项（semi-diameter）镜片孔径。图3-5-2 镜头1镜片参数在分析像差失真系数中，我们可以观察到每一片镜片的七种赛尔德系数SPHA（球差）COMA（慧差）ASTI（像差）FCUR（场曲）DIST（形变）&（色差）图3-5-3 镜头1赛尔德系数在分析特性曲线中查看光线像差图3-5-4镜头1光线像差在分析杂项中查镜头的场曲/失真看和横向色差 图3-5-5 镜头1场曲/失真 图3-5-6 横向色差3.6 镜头的结构调整以上几项指标将作为镜头设计前后的重要指标来进行对照，在初始镜头模板的基础上，我们利用文件插入功能来插入一块新的镜片，首先完成宽视场镜头的基本架构，如图所示。图3-6-1 镜头2结构第一步结构调整是为了实现更好的功能，如镜片1加大了镜头的视场，使得镜头获得更大的进光量。镜片4是一个双胶合镜片组，对于消除场曲有比较好的效果。5是电子快门，9表示CCD感光元件。3.7 镜头的参数调整由于基础结构发生了较大的改变，所以我们在查看这个镜头的赛尔德系数，像差，场曲/失真和色差参数的时候，会发现由于结构调整使得各项参数都产生很大的误差。所以第二步我们就需要根据赛尔德系数及各项图表对镜头数据进行参数调整。在观察赛尔德系数中，我们不必过于纠结于某一片镜片的某项系数，而是要从整体上来考虑，由于镜片数量的增加使得我们可以比较自由的进行调整，只要总的系数保持在误差范围内就可以了。调整参数过后的镜头结构如下镜头2的结构图3-7-1 镜头3结构然后观察其镜片的各项系数镜头2的镜片参数图3-7-2 镜头3参数镜头2的光线像差 如图所示的三组坐标图代表了我们所使用的三种不同波长的量化光路的像差，由于镜头视角的加大，导致边缘的进光量大大增加，这一部分的像差变得很难控制，从图中我们可以看出，中心区域的像差都控制在百分之2的范围内，而越靠近镜头边缘，像差变得越来越大。这一部分像差过大的图像我们可以通过软件截取掉，从而避免影响总的成像质量。图3-7-3 光线像差镜头2的场曲/失真图3-7-4 场曲/失真镜头2的纵向色差图3-7-5 纵向色差 如图所示中心区域的场曲和色差较小，越靠近镜头边缘场曲色差的增量越大。要减小场曲必然会引起色差的偏移，反之如是，所以需要在调整焦平面的过程中去寻找一个平衡点。 最后对各项指标进行分析和总结，并确认各项指标都在误差范围内，这样我们就完成了本次宽视场数码相机镜头的设计。第4章 结论与展望4.1 结论首先要感谢葛一凡老师从选题至今对我的关心和帮助，在设计过程中我学习了ZEMAX软件的运用，查看了许多透镜设计方面的书籍和论文，其中透镜设计技巧 （日）近藤文雄，这一书对我的帮助很大。虽然有了设计软件的帮助，但是在设计过程中对于参数的调整依然是一件繁琐的工作，因为你对每一项系数的调整都有可能牵一发而动其身，造成其他误差的产生，所以必须仔细观察和调整。4.2 展望 经过两个月的努力最终完成了此次设计，综合了大