CCD宽视场数码相机镜头设计-毕业论文

1、贵州民族大学本科生毕业论文（设计）5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：学号:年级:专业：光电信息科学与技术指导教师：职称：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 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：20

2、17年5月25日目 录第1章绪论错误！未定义书签。1.1相机的镜头和发展史错误！未定义书签。1.2研究目的和意义错误！未定义书签。第2章光学系统的分析2.2.1光学系统的像差2.2.2七种赛尔德像差2.2.1.1近轴区域的色差 2.2.2.1塞得区域内的五种单色像差22.3光学系统的组成5.2.3.1单片透镜系统5.2.3.2双片透镜系统6.第3章 基于ZEMAX的镜头设计 7.3.1数码相机的基本结构 7.3.2设计过程和步骤 错误！未定义书签。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8.3.3 宽视场镜头的设计思路 93.4 ZEMAX软件简介9.3.5

3、初始镜头模板 1.03.6镜头的结构调整1.33.7镜头的参数调整14第4章结论与展望1.94.1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

4、三种，OSLO ZEMAX还有CODV。本文的目的，是探索数码相机广视距镜头的设计，并利用 ZEMA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 cameraHuan gwe nAbstract: The lens desig n of the camera is a practical tech no logy with a long history.Before desig ning computer tech no logy into

5、 the lens desig n of the camera, it is n ecessary to desig n a good camera lens to experie nee a lot of heavy computi ng and labor.The rapid developme nt of computer tech no logy and the emerge nceof related optical design software in the past part of our work can be relatively easy to complete thro

6、ugh 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 desig n in dicators have bee n greatly improved.At present, there are three main optical lens design software, OSLO, ZEMAX and CO

7、DE V. The purpose of this paper is to explore the design of digital camera wide-a ngle lens, and use ZEMAX software for an alog desig n, to complete the CCD wide field of view digital camera lens design.Key words： Digital camera； Wide field of view lens ； ZEMAX贵州民族大学本科生毕业论文（设计）第1章绪论1.1相机和镜头的发展史世界上的第

8、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CC3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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、差球差(sphericalaberrati on)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(comaticaberrati on)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咼斯像面，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，

14、且随视场的增大而迅速增大场曲(curvatureof 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(con gitudi nal chromatic aber

15、rati on)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 aberrati on)使物体像的边缘呈现彩色，影响成像清晰度3贵州民族大学本科生毕业论文（设计）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231.1消除反

16、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,当n=2.0时,h2 h2f =-2f =-4.5y，匕=-1.17y (2-3-1)(2-3-2)h2 h2 f =-2f =-2 ，二：=-0.44 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

17、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。72.3.2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2.321消除色差设双片透镜的焦距分别为fl，f2，成合焦距为f ,贝U有下式成立。1 = 1.1(2-3-3)对于轴上的点色差来讲，若满足下试则可以消色差。 辱=0(2-3-4)v v?f2 fB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。n1f1n2f2(2-3-5)结合(2-3-4)和(2-35)

18、两试得到V1V2n1 n2(2-3-6)n1，n2为折射率，v1，v2位阿贝数，当nQn2Mv2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 =0，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

19、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。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交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

20、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。贵州民族大学本科生毕业论文（设计）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

21、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ZEMA）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

22、范围内就算完成了 设计目标了。113.3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 ZEMA嗽件简介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

23、、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。更新 UpdntcKU)设畫金亦少)打 ffl(PHnt)fP) SZrwindowJW)W(ZocmHZ)LAYOUTU,S,PATENT 4214B14; EXAMPLE 2 OF 3 THU MAY L1 2017TOTAL LENGTH157.08089 MMi 0.ZMXcdnfigurption L OF 2图3-5-1镜头1结构在编辑（Edito

24、rs）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（thick ness），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-diamete）镜片孔径。ZEMAX-EE -习 1 覷子世1 本- X文 tFileXF)躺SEdito2KE峯婉扬ygm tffyUialyiisJCA ZB(TddIsXT e |W矽L刖 | L3dfl曲Dpd Fi | 訥Htf | Fr | E“打 Hl TqI Gk | Lm |勵i巨垩战JW肓洽(卫化者:enger Huang ): Config 1/

25、2fts(Q)Surf :TypThickntsvC119SSeu-DieDBJStandazdInn.z t yInfInltyInfinxtiy1*SAid.ftEdss.soDoaoX1.179100l.p (1.aa.aimii口2*Stndjizrd-234.4S3U914.9991329r4&2?3-47.4425233.5Z37411.73p29-&459口沪St-Andazd-SI.LS9eA. 87 MM1.73,so.a打7*丫匸翻丸若吐-24.42SiOS肖5*S74L17 359S*St&idAfd-21.3：7L6tiS7Stl.fidAdIaSlait-yT3_70

26、37UPatent 4214814； Example 2 cf 3EFFLi 100丿苗WFNO： 2駝势5ENPO： 37143 TOTft 157.051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）翻11: Seidel Coefficients- XS(UpdateHU)Settings!HEO(PHntXP童匚(Window(W)Wavalengrt-h.a.53 |frAChief ay Slap RbjsEti Spaea0.2493Chin

27、f 5*y Slop-*,SptctOelBSSMtEgintil Say Slop* 0bcT Spact-0.0000Mgln34202Ck 0942 2-00110124-0.090294-0b09B319-01304 M-0,11597B-0.2894880-0166090.057079STO0.0000000.0000000OQOOOO0.000000O.OOQOOO0.0000000 0000006-o-ooiiie0002126-0,004037-0.135677265460017316-0-.08390373.S71298-0.16727O.D10BB20.33920-0.02

28、2B09-0.097B230a-2.E93314-0.D51417.JGD9B*0.327045*0.0DE26Sa.09915Ba.00172150.1191790-11E9B2011B7B50.&22B02.141353-a.00E372T_0062100.099B34-0,047914002SSSS0.123910-0.079723-0-.0337B70.01802111-0.00132S0.0049-0031S94-0-006622018fi64000O62S-0.030599120373907-0.04S479000&B4B0112B3-0.0157S76O44BB4a.005900

29、a0.000000O.OGOOOOQ20000a.qqoooo0.22GO000.3020000.OOISGOTOT0.0194000.02701-00541960.9D933B0.1123910.003B45-a” :;3 T 1图3-5-3镜头1赛尔德系数贵州民族大学本科生毕业论文（设计）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/失真看和横向色差嗣 1: Field Curv/Di?t 1 Data = -1.463, Field = 8.319- XI lfrUpdate)(12)ITlOtPHntJCEJ I Window)JWTerfJCD O3

30、rfZnom)(DFIEL口 CURVATUREDISTQRTrON23zr 161818 S4H7I .FIELD CURVATURE / DISTDRTIONEXAMPLE 2 OF 3.000 DEGREES0.5SB. 6S6*1 QrZMXCONFIGURATION 1 OF 2图3-5-5镜头1场曲/失真钏 3: LortpitudiinRl Abrrtion Z = -114, Pupil = X(Update)U)设目Settin 酮 FJBO(Print)(P) SC(Windcw)(W)立孝仃訥】山LDNGITUDHNH丄 FlBE良EFTTIONU.S.PATENT H2

31、IHS14: EXAMPLE 2 OF 3THU MAY 1 I 2QI 7WAVELENGTHS i 0.406,SbS0 . faS6 i .ZMX匚口NFICURATION 1 OF 2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。1; Laydul Z = 7436. = B.&03K*T(Updotc-MU) x8(cttingsHSj FJBl(Print)(Pll B Z (Wiindow)(W)i TFTitm ISnZao

32、m.HZ)239T7 84 561LAYOUTU.S,PRTENT H2IHS1H： EXAMPLE 2 OF THU MAY 1 2017TOTAL LENGTH 1183.30352 MM+ .ZMX匚DNFIGURATION 1 OP 2|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

33、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2: Layout 2更?f(UpdateXU)设去伍ettin卵)打印 1亦尔)側産口(Window)(W) T J* -LRGUTU.S.PATENT N21 HB14J EXAMPLE 2 OF 3 THU MAY 11 2017TOTAL LENGTH；99,7SB53 MM 2.Z

34、MXCONFIGURRTLDN 1 OF 2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M 超鞠密強欧化吉:enger Huang): Config 1/2RadiusThxcknasfliC1*IBSmi-Oii=ecEOBJSB.nda.EdInf ini & 7Infinity1*Standard112OO0ODO.0000001.53,4.33E.jaaaoou2*39.00000014.50000032 a000000：3*Szandd1C6.000000二电.000000L.2f62.3議2000000uSrandazd-lOa-ODODOO7,10000032

35、.00000QuStandard.0000005.2000DI31. G2P a 026.ooaaaouEStiUfedAEdl47.000D00io.agoooo21.BB4B13r坤160.000000自.000000L.E2hS9.4i4.000000uSxi.3idA.zd-500-0000000,0000004.000000uEndazd-5QO-OOSDOOs .aaosQo1.52,4.24-aaaQQu10*StarLdiazd-as .ooodoo2 .OOOOSO4.ooaaao廿STOStandardInf2 00000-00oooooau1J*Sz-Bnd&zdes.a

36、ooooo3,0000001.7：,S1,34.ooooaau13*4G.BOODDO丄s. aaoooD2.ooaaoQu14*Sxaadiazd4S _ OODDOO2.343B2B1.55,i.oooaaouIB*SzandardS . 0000001I.7SS1S71.72,.1.3S.000000uStandard-74.0000000.0000005,000000u17*Sia.ndi*rd-l 送圖5托11护 打印(Print(P) S3(Window)(W文臺仃 e：3rt(T) =S|Sl：ZDcm)(Z|PUPIL RADIUS:17.8571 AALDNGITLJOINRL ABERRATIONU. ShPHTEINT 42 401 H EXHMPLE 2 OF 3 THU MAY 1 2017WAVELENGTHS I O.MSfc0.5SB0 , bSbi 2.ZMXCONFICURRTIDN 1