zemax-课程设计

目 录第一章 引 言1第二章 镜头结构的设计指标22.1相关规格的确定22.2镜头总像素与COMS像素的匹配22.3透镜材料及结构的选择22.4材料的厚度32.5 设计指标3第三章 zemax软件33.1 zemax软件简介33.1.1软件特色43.2zemax软件界面介绍43.2.1 Lens Data Editor(LDE)43.2.2 Aperture（光圈）53.2.3 Wavelength Data(波长设定)53.3 zemax软件功能简介6第四章 500万像素手机镜头设计64.1初始结构选择64.1.1 500万像素手机镜头4P专利结构简介74.2设计结果74.2.1光路图74.2.2详细参数8第五章 结果分析，误差调试95.1误差调试95.2优化后的分析105.2.1场曲和畸变105.2.2球差105.2.3.色差115.2.4 RMS Radius（均方根半径）125.2.5 MTF（光学调制传递函数）135.2.6 本设计达到指标14第六章 结论15参考文献16第一章 引 言图1 手机镜头设计流程图COMS传感器规格的确定光学设计参数确认镜头中镜片数量、材料确定初始结构选择优化函数选择光学系统优化成像分析与性能评估从手机开始配备拍照功能以来，手机摄像头的像素以很快的速度上涨，从最初的10万像素到30万像素、100万像素、200万像素、300万像素、500万像素，再到现在的800万像素，1000万像素。09年6月三星推出了全球首款1200万像素手机Pixonl2(M8910)，采用1200万像素CMOS图像传感器及289mm广角镜头，提供了足以媲美数码相机的拍照等多项功能，可见手机大有将时尚卡片DC取而代之的劲头。不过据调查，虽然像素一直在涨，但是500万以上像素手机由于价格比较高，市场占有率很低，现在200万像素和300万像素仍是摄像手机市场主流，而500万像素的市场增长速度已显著增加。本文在合理选取初始结构的基础上，优化设计了一款500万像素的手机镜头，本设计流程图如图一。第二章 镜头结构的设计指标2.1相关规格的确定对于普通摄像手机镜头，光圈一般取2.8左右，视场通常大于。对于手机镜头，后工作距大于O.5 mm即可，光学总长越短越好。另外，手机镜头一般用CMOS作为传感器，CMOS器件对镜头出射面的主光线角度有一定的限制，不同规格的CMOS有不同的主光线角度要求，这个CMOS的厂家一般会提供。2.2镜头总像素与COMS像素的匹配由于手机的小型化体积，使得镜头总长有一定限制，一般要小于1 cm，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，镜头所成的半像高可用公式计算，其中为有效焦距，为视场角。防止CMOS装调偏离光轴而形成暗角，半像高应稍大于图像传感器CCD或CMOS的有效成像面对角线半径的一半。我们选择Aptina的一款型号为MT9P013的500万像素CMOS，尺寸为0.794 mm(1/3.2英寸)，每个感光单元的最小像素尺寸为1.75，对角线长5.68 mm，半像高应该不小于2.84mm。通过计算半像高约为2.887mm，与对角线长度基本吻合。2.3透镜材料及结构的选择摄像系统属于大视场大孔径系统，因此需要校正的像差也大大增加，结构也比较复杂为了保证成像质量，需要校正全部7种初级像差。500万像素手机镜头常用的结构有2G2P，1G3P或者4P，根据不同的组态和不同的材料可以设计出不同的结构。球面透镜从中心到边缘只有一个恒定的曲率，在设计过程中只有一个设计自由度，如果仅用球面透镜来校正像差，常常需要采用多个透镜组合的复杂结构。 非球面透镜镜头中心到边缘曲率连续发生变化，理论上说有无限个设计自由度，同时，非球面透镜可以校正球差、色差和彗差等诸多像差，可以减少镜头中镜片的数量，提高成像质量，使得镜头设计达到短小轻薄的目的。然而就透镜的材料而言，虽然玻璃非球面无论从折射、透光性和耐高温等性能方面还是成像质量方面都要比塑胶非球面镜片高得多，但其成本相对高很多，因此为了用低成本得到更好的成像质量，手机镜头大多采用塑料非球面透镜。因此在这里我们采用4P的结构的塑料非球面透镜组。2.4材料的厚度为了满足实际光学加工的需求，光学材料厚度不能太小，对于一般的塑料材料，中心和边缘厚度都应小于0.35mm，特殊材料可以做的更小，这与材料的性质有一定的关系。2.5 设计指标表1 设计指标视场角F/#光学总长总像素畸变场曲602.86mm500万2%）”按钮。如图4。图4 波长输入界面3.3zemax软件功能简介zemax可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序列性模式中和一个混合模式中，混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些元件是作用在非序列性方式的系统，是相当有用的。序列性系统需要定义视场角（field of view）、波长范围和表面资料。序列性设计的最重要参数之一，为系统孔径。系统孔径常指入射瞳或孔径光阑，它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。Zemax软件中有一些功能可以用来分析系统，包括光点图（spot diagrams）、光扇图（ray fan）和光程差图（OPD fan）等等，这些功能会在4.2节优化后的分析具体一一介绍。第四章 500万像素手机镜头设计4.1初始结构选择一个完美的设计通常从初始结构的选择开始，初始结构的选择好坏，关系到设计的成功与否。对于光学设计者来说，最好最快的办法是直接从专利中选取一个适当的结构作为初始结构，然后优化。如果靠设计者自己去建立一个初始结构是比较困难的，需要多年的设计经验和丰富的像差理论知识。本设计的初始结构采用了一个专利的雏形结构。选择初始结构的原则是视场和光圈与设计的要求相当，材料为四片，焦距通过缩放镜头的办法可以达到要求。4.1.1 500万像素手机镜头4P专利结构简介新型公开了一种500万像素手机摄像头光学镜头组件，包括镜筒，镜筒内自物方向像方共光轴依次安装有正屈光度的第一非球面塑胶镜片、负屈光度的第二非球面塑胶镜片、正屈光度的第三非球面塑胶镜片和负屈光度的第四非球面塑胶镜片，第二非球面塑胶镜片与第一非球面塑胶镜片、第三非球面塑胶镜片之间分别安装有第一光阑和第二光阑，第三非球面塑胶镜片和第四非球面塑胶镜片之间安装有隔圈，第四非球面塑胶镜片的外侧安装有压圈，其非球面次数达14阶，折射率达1.6以上，成像质量好、总厚度小、亮度高、视场角大，具有良好的耐热性及稳定性，适配于500万像素CCD、CCMOS等手机摄像头成像器件，能满足手机轻薄化、小型化的要求。4.2设计结果4.2.1光路图利用ZEMAX 工程光学设计软件对其进行了模拟设计和优化，其优化后的光学系统如图5所示。图5光学系统二维图4.2.2详细参数本设计详细参数如表2和表3所示表2 光学镜头参数这4片透镜均采用偶次非球面，最高阶数为12阶。非球面的面形公式可采用下式表示： (1)式中，Y为离非球面轴的径向距离,X为相应的垂直距离，C为顶点曲率,A为二次常数，B,D，H为非球面多项式系数。各非球面多项式系数表如表3.表3 各非球面多项式系数表第五章 结果分析，误差调试5.1误差调试Zemax中误差调试有多种方法，可供用户选择。在这里选用将成像面移至焦点处减小误差。 对于透镜的焦距，软件会自动根据使用者所设计的镜面自动算出。在软件功能表中选择【tool】-【miscellaneous】-【quick focus】，界面显示如图6图6 快速聚焦界面5.2优化后的分析5.2.1场曲和畸变畸变仅由主光线的光路决定，它只引起像的变形，对像的清晰度并无影响。因此对于一般的光学系统，只有感觉不出像的变形（光学畸变0.15， 而0.7视场以外的区域仅是像面一角，其像质的相对重要性可以低一些.如图，可以看出中心视场在285lp/mm时，MTF0.15,能够获得相对优质的像。图10 MTF（光学调制传递函数）5.2.6 本设计达到指标在本次设计中，视场角度数达到65，比预期的60要大。同时光学总长为5.682mm比预期值6mm要小很多，适应了手机镜头小巧化、轻便化的发展趋势。同时，本设计中选用了Aptina的一款型号为MT9P013的500万像素CMOS，最小像元R=1.75，即镜头的分辨率要达到285线对, 从MTF（光学调制传递函数）中可以看出中心视场在285lp/mm时，MTF0.15,能够获得相对优质的像。达到了500万像素的设计指标。畸变小于2%，不会使图像变形。综上，本次设计的手机镜头很好的达到了预定的指标，视场角比预定的角度更加宽广，而镜头本身更加灵巧。表4 本设计达到的指标视场角F/#光学总长总像素畸变场曲652.85.682mm500万2%0.05mm第六章 结论本次课程设计我所做的是助视仪的原理及应用，通过本次课程设计，我阅读的大量文献，设计500万像素的手机镜头，很好的锻炼了我独立思考的能力。此次课程设计中我受益匪浅。从理论到实践，在这段日子里，学到了很多实际应用可以用到的一些东西，不再是死读书，读死书了。通过学习光学设计软件ZEMAX，561页的中文简化教程，几乎是没日没夜反复在在看，一遍一遍的上机操作，从纯英文转变成到中文能够理解的过程，从对界面一概不知到能设计光路图的过程，都是一个个艰难的过程，花了很多心思和精力在上面，身边没有能够请教的人，唯有自己慢慢钻研，最后能手机出一个光路图让我很是惊喜，很多的努力没有白费掉。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性。只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正的学到东西，从而提高自己的实际操作能力和独立思考的能力。 这次设计中，有很多欠考虑的地方，感谢邢老师的指导，让我从片面的了解到更加深入的了解，直至最后做出成果。参考文献1 郁道银,谈恒英.工程光学. 机械工业出版社.20062 李林.现代光学设计方法.北京理工大学出版社.2009.93 沈常宇.ZEMAX光学辅助设计简明教程.中国计量学院光电子技术研究所4 王之江,顾培森.