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codev 设计实例 建立镜头 缩放镜头 像差曲线.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.04M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    数码相机现在已经很普通，最近的百万像素典范有高解析度的 CCD 阵 列和光电子学。但是不要担心，那些都不是您用 CODE V 的第一任务。 相反，你将设计一个还算简单的定焦的数码相机物镜。这仍需要一些光 学设计，但是它是一个相对简单的题目，一个两片或三片居中的玻璃或 是塑胶折射镜头组件。 这里是你将在本章所学的： 说明一个简单镜头的一般设计规格 利用这些信息来确定一个起始点 修改起始点来达到设计要求 做一个简单的分析，和规格进行比较确定一个优化指导性方向 在下一节您将利用本节所得到的结果作为起始点来： 优化镜头 确定设计中的问题，发掘潜力 设计规格 有时您会接到某人关于一个镜头的规格而且您需要输入到 CODE V 中，分析它，可能需要优化它。这些都是直截了当的。另外，一个设 计问题可能开始于一个规格，或一些说明信息，怎样完成镜头，形成一 个指导性的思想，你必需找到一个起始点，建立它，分析它并优化它。
    对于这个数码相机镜头，规格是来自于 CODE V 的消费者产品。 问题是：“如果你想做一个低价位，定焦的 VGA 数码相机，你将怎样描 述它？” 定焦数码 VGA 相机物镜规格 少数元件（1-3）普通光学玻璃或塑料 解析度 640X480 有效像素 像素大小 7.4X7.4microns 像面大小 3.55X4.74mm2(对角线 6mm) 图像传感器（基线是 Agilent FDCS-2020） 物镜 焦点 焦距 定焦，景深 0.75M~Infinity 定焦，6mm 几何畸变 <4% F/# 定孔径，F/3.5 锐度 MTF 离焦范围（中心区域为 CCD 内 3mm） 低频，17LP/m m (中心)>85%边缘高频，51LP/mm >中心)，>25%(边缘) 渐晕 角落相对照度>60%
    透过率 单镜片>80% 400~700nm IR 滤光片 1mm 厚肖特 IR-638 或 HOYA 的 CM500 以上规格的意义 首先，这些意味着它将是一个比较小的镜头系统，传感器的大小 和焦距的大小均为 6mm（大约 1/4 英寸）。传感器的大小和有效焦距 的大小就决定了视场角的大小（FOV），根据无穷远物距关系：h = f tan θ或像高=EFL*tan(semi-FOV) 在这个案子中，像高为 3mm(为传感器对角线的一半)，并且 EFL =6mm，所以可以解出 Semi-FOV 为 26.5°，假设你想用少量的组件， 这就是所有的起始点所需要的信息。 CODE V 拥有分析组件允许对其它规格进行评价（畸变、MTF、相 对照度、透过率）。我们将在稍后介绍这些功能，当它们需要时，但是 认为锐度是一瞬间的。锐度通常用 MTF 来表示，它将镜头对空间频率 的成像量化成函数。最大的锐度用 MTF 表示则其值为 1.0。最小锐度 出现时，其 MTF 为 0。高的空间频率代表了细节用每毫米有多少线对 来度量。我们将在稍后对 MTF 和其它的评价方法作更进一步的讨论。 一个数码相机中使用的 CCD 阵列是由许多很小的但是大小有限的 单元构成的，这些单元称之为像素（每个单元实际上是由三个有色像素 构成，但是出于设计考虑，我们认为每个单元是由一个像素构成的）。 规格上指出像素的大小为 7.4mm2,则阵列的最大的空间频率可以由２ 倍的像素大小的倒数来计算出来，1/（2*0.0074）=67.6LP/mm。
    用这块 CCD 阵列，则任何比这个高的空间频率将不能分辨。不管这些， 光学系统在 CCD 的截止频率时 MTF 不能为零。这就使合成的 MTF 与 CCD 的截止频率形成对应关系。这就是前面提到的锐度的意义。 新镜头向导 开始一个新镜头 新镜头向导是一个从已存在的设计（例子，专利，或是您自己保存的最 爱镜头）建立新光学系统模型或是从草图开始。它帮助您寻找适合的起 始点并定义相应的您所需要的规格的参数（如孔径大小，视场，波长等）。 运行 CODE V 并使用新镜头向导： 选择 File->New 菜单． 点击欢迎屏幕中的 Next 按钮． 选择 Patent Lens 并按 Next 按钮． 专利数据库 在用于演示ＣＯＤＥ Ｖ30 个例子镜头外，CODE V 还包含一个 拥有 2400 个过期专利的镜头数据库（主要是用于各种不同系统的轴对 称的光学系统）。您可以用新镜头向导或是专利搜索功能来访问和搜索 这个数据库，并可以使用过滤器指定您所需要的各种属性。在下面的过 程中当中，您将继续使用新镜头向导来选择一个专利镜头： 1．在新镜头向导中点击过滤器（FILTER）按钮。 在过滤器对话框出现，它可以缩小您的搜索起始点的范围。在这个 数码相机案例中，您需要一个相对比较快的（小的）Ｆ／＃和一个相对
    比较大的视场角（26.5 为半视场角，它对应 3mm 的 CCD 阵列的半 对角线高度）。您也需要它比较经济，所以它的元件数不能超过 3。您 可以在过滤器中填入这些条件开始搜索。适当地扩大范围是一个很好的 想法，因为您经常需要进行一些细微的修改和优化以达到您所需要的规 格。如果您使搜索的范围太过狭窄，那么您将错过一些有潜力的设计。 2．点击复选框并填入相应的 MIN/MAX · F/#（试着输入 1~4），目标为 3.5 · 视场角（实际上是半视场角，试着输入 20~33）,目标为 26.5 · 元件数目（试着输入 1~3）,目标是越少越好，越低成本 3．点击 OK。 新镜头向导将返回给您一个专利列表，这 12 个专利符合了您的需要。 您可以试用几个不同的起始点，但是要注意的是要扩大视场角是比较 困难的，所以稍大视场的起始点会比较好。镜头名称为 or02248 看上 去比较有潜力－它具有 27.5 的ＦＯＶ，小的Ｆ／＃并且比我们期望要 高（2.4，通常大一点的 F/#会使像质变的更好）。 4．点击专利列表中的名字为 or02248 的镜头。 5．点击 NEXT 按钮进入孔径光阑页。 定义系统数据 现在您已经通过新镜头向导完全地进入了镜头。下面的几个屏幕 将要问您一些关于如何使用这个镜头的问题，这些属性在 CODE V 中
    称之为系统数据（System Data）。注意这里的主要目的是获得一个 可以被修改并优化以达到最终规格要求的工作模型。将需要进行更进一 步的改变。 1．在新镜头向导中，您应该是在孔径光阑页里。从下拉列表中选取 I mage F/Number，并输入 3.5。 F/Number 是一个比值，当镜头被缩放时它将不会被改变（大多数情 况下镜头是需要被缩放的）。 2．点击 NEXT 按钮进入波长设定页，把绿光(589.0)的权重改为 2。 这将使该波长在后面的优化占更主要的地位。 3．点击 NEXT 按钮进入参考波长页，但是不要改变默认值。 这个波长是用来做近轴光和参考光线追迹，默认值是正好的。 4．点击 NEXT 按钮进入视场设定页。选中第二视场然后右键菜单点击 INSERT 插入一个新的视场角度，然后键入 0, 11, 19 和 26.5 作为四 个视场的 Y 方向角度。 这个镜头相对来讲是比较广角的，所以在多插入一个中间的视场是一个 比较好的想法，这为后来的优化和分析带来了便捷。一般的习惯是最少 要有 0,0.7 和全视场．多加入一个中间的视场对控制视场相关的带状像 差是有帮助的，如像散。 5．点击 NEXT 进入新镜头向导的最后一页。 6．点击完成（DONE）钮。 操作表面 镜头数据管理表格
    CODE V 的最基本的操作就是光线追迹-基本上所有的事情都是通 过追迹一条或更多条光线并对它们进行一些计算来完成的。在大多数系 统中，光线是按顺序地穿过您所定义的一系列光学表面。这些表面的属 性决定了光线如何被追迹的。这些和系统数据集成在一起就构成了光学 系统的模型。 由于表面是光学模型的核心，所以您得花大部分的时间在 LDM 表格上。它总是呈现在用户界面中（当您不想看它时，可以改变它的大 小或最小化，但是您不能关闭它）。 LDM 表格就像其它程序的数据表格一样，您可以改变它的行宽， 列宽，选择单元格或是合并单元格并可以在单元格中输入数据。注意一 些灰色的单元格不能被输入数据（因为它们所包含的数据是由程序计算 出来的不能被直接地改变）。您可以在除了灰色的单元格以外的其它的 任何单元格上使用右键单击来调出右键菜单。右键单击是一个很平常的 操作，它可以快速地访问一个单元格中可以用到的操作。 小技巧：要看任何显示数值的全部数值可以将鼠标指针停在该数 值上不动（不要单击）。要改变界面中数值显示的精度，可以选择 To ol>Customize 菜单进入用户定制对话框中的 Format Cell 选项卡（在 这本向导中的精度为小数点后五位）。您不能设定独立的单元格的数值 精度。 同样我们在下面的讨论也认为 LDM 窗口是针对旋转对称的光 学系统而言的。它可能隐藏了一些空的列（在单元格的表头右键）（如： 球面或折射；选择 Tools->Preferences 菜单进入参数选择对话框中的
    ＵＩ选项卡可以改变这些）。如果是非旋转对称的系统 LDM 将为几个 X 值或 Y 值增加相应的列。 表面的细节 任何镜头模型都是以物面开始像面（它只是最后一个面，因为并不是很 有的镜头模型都会在那里成像）结束。您可能也注意到总是有一个表面 被标记了 STOP，这个表面就是光阑面。是用来限制轴上光线的。,只 要您不加载主光线对准（这个只在少数不平常的情况下使用），那么任 何视场的主光线都会被重复地通过光阑面的中心（x=0,y=0）。 LDM 每一行都有一个表面编号（Surface Number）和表面名称(S urface Name)（可以是任意的，但是在比较复杂的系统中是很有用 的）。要选择一个实体表面（显示为一行），点击表面编号。下面一个 是表面类型，它是一个可以下拉的选单（双击它可以显示出一个表面类 型的列表），默认的是球面(Sphere)。Y Radius 是曲率半径，是曲率 的倒数。球面和其它旋转对称的表面都只有一个曲率，用 Y 方向的表示 （诸如环形表面具有 X，Y 两个曲率）。您也可以选择显示 Y 曲率（半 径的倒数，单位是 1/mm）。可以看下面的小技巧。 小技巧：您可以通过在 Edit->Use Radius Mode 左边打勾或不打 勾在用曲率半径或曲率之间切换。 厚度被定义为到下一表面之间的距离。通过当前表面 Z 方向来测 量（是共轴系统的光轴，如本系统）。注意表面 6 的厚度（空气间隔）
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