本章将设计一个与VGA分辨率(640*480)匹配的定焦数码相机物镜. 使用New Lens Wizard确定一个合理的初始结构,然后通过调整分析和优化该光学系统,最终满足使用要求.通过整个设计会让你学会使用CODEV所需的绝大部分基本技巧.
2.1.在实践中学习
2.1.1.一个简单的数码相机物镜
最新的百万千万像素的数码相机有高清的CCD/CMOS阵列和复杂的光电子学. 但是今天的任务是设计一个简单的定焦数码相机物镜, 一个两片或三片同心透镜,并且玻璃或塑料折射原件即可.
本章的学习内容:
一个简单物镜总的设计要求
利用这些信息确定一个初始结构
修改初始设计,满足技术要求
完成基本分析,将分析结果与技术要求进行比较,确定优化方向.
在下一章将利用本章得到的结果作为初始设计结构完成下面的工作:
优化该物镜
为了挖掘潜力,用该设计确定可以进一步改进的问题
这些步骤将要求你在光学设计的各个阶段使用CODEV的许多特征.随着这些特征的引入,将会逐渐讲解.
2.1.2.设计技术条件
有时候某人会告诉你一个物镜的技术要求,并且要求把它输入到光学软件分析它优化它. 但是在另外的一些情况中,一个设计问题可能会来源于一个或一组技术要求, 要求该物镜必须实现的方式,并且根据这些技术条件,必须确定要给起始点,创立一种结构,分析并优化它.
一位消费产品制造商的问题:如果你希望为VGA设计一个低价位固定焦距的数码相机,那么该如何描述它的技术要求?
2.1.3.定焦距VGA数码相机物镜的技术条件
元件数少(1~3片),由普通玻璃或者塑料制造
图像传感器(参考Agilent FDCS-2020)
分辨率: 640*480 有效像素
像素尺寸: 7.4*7.4um
光敏面: 3.55*4.74(对角线6mm)
物镜
调焦: 固定焦距,景深0.75m~无穷远
焦距: 固定焦距6.0mm
几何畸变<4%
F/#: 固定孔径, F/3.5
锐度: 最佳焦面处的MTF(中心区域为CCD内3mm)
| 低频17LP/mm | >90%中心 | >85%边缘 |
| 高频51LP/mm | >30%中心 | >25%边缘 |
渐晕: 四个角落处的相对照度>60%
透过率: 仅仅对光学镜头而言在400~700nm波段>80%
红外滤光片: 1mm厚度SchottIR-638或Hoya CM500
2.1.4.该技术条件意味着什么?
首先它是一个很小的透镜系统.传感器的尺寸和透镜的焦距均为6mm.根据无穷远物距关系式h=f*tanθ或者
像高=EFL*tan(FOV/2)
传感器的尺寸和有效焦距决定了物镜的视场角(FOV).
本例中像高为3mm(传感器对角线的一半),EFL=6mm,可以解出半视场角为26.5°. 因为专利数据库是根据F/#和半视场角列表的,因此解出该值是有用的).已经知道是希望使用少量元件,这就是找到起始点所需的信息.
CodeV具有分析特征,允许对其它技术条件(畸变,MTF,相对照度,透过率)进行评价. 以后我们会介绍这些功能中的大部分,现在马上研究锐度整个术语. 锐度常常用MTF来定义,它将镜头形成图像信息的能力量化成空间频率的函数.最大锐度是MTF=1.0. 最小锐度(也就是没有信息)的MTF=0.
数码相机中的CCD阵列是由许多光电元件组成, 每个元件有三个彩色像素.这里简单认为是单一像素, 像素大小是7.4um2.按照一条线对覆盖2个像素考虑,可以计算出该阵列能分辨的最大空间频率1/(2*0.0074)=67.6LP/mm. 使用该CCD任何高于该空间频率的图像信息(也就是更精细的细节)将不能分辨.无论如何,光学系统在CCD截止频率之外的部分都必须有非零MTF. 所以一直到CCD的截止频率,包括光学物镜和探测器在内的组合系统的MTF都将会有一个可使用的对比度. 这就是上面关于清晰度技术条件表格中的意义.
光学知事隅 