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一款小型化红外广角镜头的设计.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：8.02M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    ５５,０７０８０１(２０１８) 激光与光电子学进展 Laser&OptoelectronicsProgress ○C２０１８«中国激光»杂志社 一款小型化红外广角镜头的设计 朱佳巍,王旗,范俊辉,净晓东 中山市众盈光学有限公司,广东 中山５２８４４１ 摘要　为满足现代智能化设备和红外交互识别的 需 求,利 用CodeV 和Zemax光 学 设 计 软 件 设 计 了 一 款 小 型 化 红 外广角镜头.该镜头使用３片塑胶非球面镜片和１片红外带通滤光片,其光学结构形式为 负Ｇ正Ｇ正 的 结 构;该 镜 头 的F 数为２．２,全视场最大角度为１２９°,系统机械总长３．８mm.该 设 计 在１/２ 奈 奎 斯 特 频 率 处 各 个 视 场 的 调 制 传 递函数值均大于０．５.组装该镜头进行测试,其调制传递函数性能符合设计需求,可以较好地实现红外探测功能. 关键词　几何光学;红外广角镜头;CodeV 软件;Zemax软件;塑胶非球面 中图分类号　TB８５１．１;TN２１４　　　文献标识码　A doi:１０．３７８８/LOP５５．０７０８０１ DesignofaMiniaturizedInfrared WideＧAngleLens ZhuJiawei WangQi FanJunhui JingXiaodong ZhongshanZhongyingOpticalCo敭 Limited Zhongshan Guangdong５２８４４１ China Abstract　Inordertomeettherequirementsofmodernintelligentequipmentandinfraredinteractiveidentification wedesignaminiatureinfraredwideＧanglelensbyCodeVandZemaxopticaldesignsoftware敭Thelensisequipped withthreeplasticlensesandoneinfraredbandpassfilter敭ItsopticalstructureisnegativeＧpositiveＧpositive敭The designresultsshowthatFnumberis２敭２ themaximumviewingangleis１２９°andthemechanicaltotallengthis ３敭８mm敭Modulationtransferfunction MTF valueofallfieldsislargerthan０敭５at１ ２Nyquistfrequency敭The assembledlensistestedtoshowthatMTFperformancemeetsdesignrequirementsandtheinfrareddetection functioncanbeachieved敭 Keywords　geometricoptics infraredwideＧanglelens CodeVsoftware Zemaxsoftware plasticasphericsurface OCIScodes　０８０敭３６２０ １１０敭２９６０ １７０敭０１１０ １　引　　言 近年来,一 系 列 智 能 化 产 品 得 到 了 广 泛 应 用, 如:室内外遥控、安防系统、手势识别、人脸识别、眼 球跟踪等[１].红外广角镜头能够巧妙地利用近红外 波段的特点,更好地过滤杂光,减小其余波段杂光的 干扰,得到更精确的数据[２].因此,小型化红外广角 镜头的需求也越来越大. 调研目前小型化红外广角镜头后发现,已有的 相关专利中此类镜头主 要 存 在 以 下 两 种 缺 陷:１)为 了提升系统的分辨 率,该 类 红 外 镜 头 的 视 场 角 度 小 于９０°,无法满足１２０°以上大广角识别范围的需求, 如文献[３]中报道的美国专利 US２０１６/０２７４３３１A１ 产品;２)为 了 保 证１８０°以 上 超 广 角 的 特 性,镜 头 光 学总长在１２mm 以上,此光学系统无法满足小型化 　　收稿日期:２０１７Ｇ１２Ｇ１４;收到修改稿日期:２０１８Ｇ０１Ｇ０９ 的 需 求,如 文 献[４]中 提 及 的 美 国 专 利 US２０１７/ ０１３１５１９A１产品. 为了突破目前红外广角镜头的缺陷,减小镜头 尺寸,降 低 制 造 成 本,增 大 视 场 范 围,本 文 使 用 CodeV 和Zemax光学 设 计 软 件 设 计 了 一 款 小 型 化 红外广角镜头(主要应 用 在 智 能 行 李 箱 对 使 用 者 的 识别与跟踪 方 面),该 镜 头 采 用３ 片 塑 胶 非 球 面 镜 片,简化了光学系统,在保证视场角的情况下降低了 光学总长. ２　设计要点及初始结构的建立 ２．１　芯片匹配及主要设计指标 红外广角镜头通常以近红外光作为光源,搭配 互补金 属 氧 化 物 半 导 体(CMOS)或 电 荷 耦 合 器 件 (CCD)图像传感器.CMOS 感光器件 具 有 功 耗 低、 作者简介:朱佳巍(１９８９—),男,硕士,主要从事光学系统设计研究方面的工作.EＧmail:Jovi＠zenithpe．com ０７０８０１Ｇ１
    激光与光电子学进展 www．opticsjournal．net 图１ 两组元初始结构 Fig敭１ Initialstructureoftwoelements ５５,０７０８０１(２０１８) 集成度高、性价 比 高 等 显 著 优 势,应 用 非 常 广 泛[５]. 本设计采用８０８nm 激 光 光 源,有 利 于 实 现 窄 带 传 输,尽可能避免 其 他 光 谱 的 干 扰.与 镜 头 匹 配 的 感 光芯片为 豪 威 公 司 的 OV７７５０１/７．５inch(１in＝ ２．５４cm)CMOS 芯 片,该 芯 片 单 个 像 素 的 大 小 为 ３．０μm×３．０μm,分辨率为６４０pixel×４８０pixel,对 角线长度为２．４mm.表１ 列 出 了 自 行 设 计 的 小 型 化红外广角镜头的主要设计参数. Table１　MaindesignparametersofinfraredwideＧanglelens 表１　红外广角镜头的主要设计参数 Item Diagonalfieldofview/(°) Effectivefocallength/mm Fnumber Specification ≥１２０ ０．７Ｇ０．９ ＜２．４ ＜３０％ ８０８ ＞４０％ ≤４ ＜３０ ３００mmＧ５m Opticaldistortion Infraredwavelength/nm Relativeillumination Workingdistance Totallength/mm Lensstructure Chiefrayangle/(°) ２．２　初始结构光焦度的分配 首先对该系统前后组元进行拆分,根据校正场 曲的条件可知,当系 统 前 后 组 元 的 光 焦 度 互 为 相 反 数时,场曲刚好得到校正.校正场曲的条件为 ３Plastic＋IRpassfilter I＝１ SIV ＝J２ϕ∑k μ, (１) 式中:J 为 拉Ｇ赫 不 变 量;ϕ 为 薄 透 镜 组 的 光 焦 度; μ＝∑φ n/ϕj,其中n和φ分别为单个薄透镜的折射 率与光焦度[６]. 前后组元 光 焦 度 等 值 相 反 以 及 两 者 的 组 合 焦 距 为 本实验在光阑两侧采用负Ｇ正的结构形式,利用 ０．８mm作为主要约束条件,配合系统总长及像方主 光线入射角的限制,先在Zemax光学设计软件中建 立理想透镜系统,并进行初始结构的优化,优化后的 效 果 如 图 １ 所 示,此 时 前 后 组 元 焦 距 分 别 为 －１．５mm和１．５mm. 由于该系统属于大视场光学系统,只用２ 片镜 片不能得到良好的像质,现将前组拆分为２片镜片. 若前组均为负透镜,后组均为正透镜,则无法校正像 差,故将前组拆分为负Ｇ正结构,此时整个系统为负Ｇ 正Ｇ正结构[７]. 使用与第一次同样的优化方法进行调整,得到 了理想透镜的光路 形 式,如 图２ 所 示.此 时３ 片 镜 片的焦距分别为－０．９６,１．９８,１．３mm. 图２ 三组元初始结构 Fig敭２ Initialstructureofthreeelements ２．３　PW 法计算确定实体结构 由于该 镜 头 的 设 计 光 源 为８０８nm 的 近 红 外 光,此时可以近似忽略色差的影响,为了保证在不影 响性能的情况下尽 可 能 降 低 成 本,本 研 究 所 用３ 片 镜片均采用 APEL５０１４CL 塑胶材料,该材料具有较 高的折射率和透过率,且易于注塑成型. 在光学设计过程中应用的PWC 法是求解光学 系统初始结构的一 种 方 法,但 是 该 方 法 的 计 算 较 为 复 杂,且 计 算 量 大. 本 研 究 通 过 数 学 软 件 Mathematica来求解 像 差 方 程,以 提 高 计 算 速 度 和 精度.通过提 取 之 前 利 用Zemax 软 件 建 立 的 初 始 光路参数,应 用PWC 法 得 到 系 统 球 面 实 体 的 初 始 结构,如图３所示. ３　设计优化及评价 ３．１　优化设计 利用CodeV 软 件 中 拉 格 朗 日 因 子 算 法 的 先 进 性[８],对上述实体初始结构进行优化调整,主要的优 化控制条件如下: １)首先在初 始 球 面 实 体 结 构 上 逐 阶 添 加 各 镜 片的非球面阶数,并不断配合优化函数进行调整. ０７０８０１Ｇ２
    图３ 实体初始结构 Fig敭３ Initialstructureofentity ２)在优化函数中,系统结构参数的约束条件主 要用以控制光 学 总 长 小 于４mm,最 大 光 学 口 径 在 ４mm以内;控 制 语 句 分 别 为 OALS１．．I＜４ 和SD S１Z１＜４. ３)系统的一 阶 参 数 约 束 条 件 主 要 包 括 对 系 统 的 焦 距、像 高 进 行 控 制,焦 距 在 设 计 要 求 的 ０．７mm~０．９m范 围 即 可. 另 外,为 了 保 证 实 际 装 配中无暗角,像高需 要 在 芯 片 对 角 线 高 度 的 基 础 上 增大５％ 的余量,以确保量产性增大至８％,即最大 像面为２．６mm. 图４ 优化后的镜头结构 Fig敭４ Lensstructureafteroptimization 表２　镜头的结构参数 Table２　Structureparametersoflens Thickness/mm Radius/mm Glass SemiＧaperture/mm ５５,０７０８０１(２０１８) 激光与光电子学进展 www．opticsjournal．net 　　４)此类近似单一波长的系统,其色差的影响很 小,设计过程中重 点 需 要 调 整 球 差、慧 差、场 曲 和 像 散.另外,在CodeV 中以横向像差作为默认误差函 数,配合限约束的权重(WTC)以及各个视场的权重 (WTF)来获得更好的优化结果. ３．２　优化后的光学结构 优化后的光学系统如图４ 所示,从左向右分别 为镜片一、镜片二、孔径光阑、镜片三、红外带通滤光 片,表２为该镜头的结构参数. Surface Object １ ２ ３ ４ Stop ６ ７ ８ ９ Image Type Sphere Asphere Asphere Asphere Asphere Asphere Asphere Asphere Sphere Sphere Sphere ∞ ７．０９ ０．４３ ０．７５ ２．０２ ∞ ４．８５ －０．５５ ∞ ∞ ∞ ４００ ０．２８ ０．３２ ０．５２ ０．１４ ０．１０ ０．６６ ０．０６ １．００ ０．５８ ０ APEL５０１４CL APEL５０１４CL APEL５０１４CL HK９L １．４６ ０．７１１ ０．６５８ ０．３７６ ０．２６６ ０．４８４ ０．６３８ ０．８２１ １．０８９ １．３２３ 　　该光学系统的 设 计 参 数 如 表３ 所 示,与 设 计 指 标对比后可知,其完全符合设计需求. 表３　光学系统的设计参数 Table３　Designparametersofopticalsystem Specification Item Diagonalfieldofview/(°) Effectivefocallength/mm Fnumber Opticaldistortion Infraredwavelength/nm Relativeillumination Workingdistance Totallength/mm Lensstructure Chiefrayangle/(°) １２９ ０．７８ ２．２ ＜２８％ ８０８ ＞４８％ ３．８ ２７ １００mmＧinfinity ３Plastic＋IRpassfilter ３．３　像质评价 ３．３．１　调制传递函数(MTF) 由于该红外广角镜头主要应用在红外探测、交 互、识别等方 面,对 整 个 视 场 的 MTF 值 要 求 较 高, 需要各视场在１/２奈奎斯特频率下的 MTF 值均大 于０．５[９],且 还 需 要 满 足 较 大 的 景 深 范 围. 结 果 显 示,在４００mm 处对焦后,可以满足从１００mm 到无 穷远物距范围.图５为１００mm、４００mm 及无穷远 物距距离的 MTF 曲线图. ３．３．２　场曲、像散和畸变 场曲、像散和畸变分别反映了光学系统像面的 弯曲、弧失和子午焦点偏离的情况,对于一般的广角 ０７０８０１Ｇ３
    ５５,０７０８０１(２０１８) 激光与光电子学进展 www．opticsjournal．net 图５ 不同物距时奈奎斯特频率下的 MTF曲线图.(a)１００mm;(b)４００mm;(c)无穷远 Fig敭５ MTFcurvesatNyquistfrequencyanddifferentworkingdistances敭 a １００mm b ４００mm c infinity 类镜头而言,要求场曲和像散均小于０．１mm[１０],从 图６可 知 两 者 均 校 正 在０．０５mm以 内.另 外,图６ 中的畸变在最大视场处控制在２８％以内,可以满足 设计指标. 相对照度主要用来描述边缘视场的照度相对中 ３．３．３　相对照度 心视场衰减的情 况.对 于 红 外 广 角 镜 头 而 言,其 相 对照度需要控制在４０％以上才能不影响实际使用. 由图７可知,本研究设计产品的相对照度在４８％以 Fig敭６ a Fieldcurvatureand b distortion 上,符合使用要求. ４　镜头的公差及实测结果 ４．１　公差分析 为了使本设计方案能够满足实际加工、生产的 图６ (a)场曲和(b)畸变图 ０７０８０１Ｇ４
    ５５,０７０８０１(２０１８) 激光与光电子学进展 www．opticsjournal．net 前预测了生 产 的 良 率 情 况. 基 于 CodeV 软 件 得 到 的公差 干 扰 量 如 表４ 所 示.其 中:DLT 为 厚 度 误 差,DLR 为半径误 差,DLN 为 折 射 率 误 差,DLV 为 阿贝数误差,TRY 为Y方向楔形误差,BTY 为镜筒 倾斜误差;S１．．２为透镜一,S３．．４为透镜二,S６．．７为 透镜三. 本研究使 用 CodeV 公 差 分 析 中 的 MTF 分 析 方式,搭配表４所示的干扰量进行模拟,此时的公差 灵 敏 度 如 图 ８ 所 示,在 １/２ 奈 奎 斯 特 频 率 (８３lp/mm)下,MTF 数 值 均 可 以 大 于０．５,可 以 满 足实际生产的需求. 图７ 相对照度曲线 Fig敭７ RelativeIlluminationcurve 需 求,通 过 统 计 分 析CodeV软 件 产 生 的 扰 动 量,提 Number １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １１ １２ Type DLTS１ DLTS２ DLTS３ DLTS４ DLTS６ DLTS７ DLRS１ DLRS２ DLRS３ DLRS４ DLRS６ DLRS７ 表４　公差参数设置表 Table４　Toleranceparameters Number Value ０．００４ １３ ０．００４ １４ ０．００４ １５ １６ ０．００４ ０．００４ １７ ０．００４ １８ ０．００５ １９ ２０ ０．００５ ０．００５ ２１ ０．００５ ２２ ２３ ０．００５ ０．００５ ２４ 图８ 公差灵敏度曲线 Fig敭８ Differentialtoleranceanalysis ４．２　测试结果 该镜头产品如图９ 所示,使用深圳度信公司的 测试平台搭配 OV７７５０芯片在波长为８０８nm 的近 红外光源下进行实拍测试,在４００mm 处对焦后,分 别测试了１００,４００mm 以 及５m 距 离 时 的 实 拍 效 果,实拍 图 片 如 图１０ 所 示,实 拍 结 果 如 表５ 所 示. 测试结果表明,在检测频率为８３lp/mm 的条件下, MTF 值均 能 大 于０．５,其 中B０~B９ 分 别 代 表 其 在 图片中所占的区域. ０７０８０１Ｇ５ Type TRYS１ TRYS３ TRYS６ BTYS１．．２ BTYS３．．４ BTYS６．．７ DLNS１ DLNS３ DLNS６ DLVS１ DLVS３ DLVS６ Value ０．００２ ０．００２ ０．００２ ０．００３ ０．００３ ０．００３ ０．００２ ０．００２ ０．００２ ０．００８ ０．００５ ０．００８ 图９ 镜头产品图 Fig敭９ Pictureoflens 图１０ 测试图片 Fig敭１０ Testimage
    ５５,０７０８０１(２０１８) 激光与光电子学进展 表５　MTF测试结果 Table５　TestvalueofMTF Distance/ mm B０ B１ B２ B３ B４ B９ B６ B７ B８ １００ ０．７２０．６１ ０．６０ ０．６２０．６１０．６７０．６８０．６６０．６８ ４００ ０．７６０．６３ ０．６２ ０．６２０．６００．６９０．６８０．６７０．６８ ５０００ ０．７４０．６２ ０．６３ ０．６１０．６００．６９０．６９０．６８０．６８ ５　结　　论 利用两种光学设计软件CodeV 和Zemax各自 的特点,设计优 化 了 一 款 小 型 化 红 外 广 角 镜 头.该 镜头采用负Ｇ正Ｇ正的光学形式,结构紧凑,便于 集 成 在智能化设备上;其各项指标均能够满足设计要求; 将其组装后进行测试,在１/２奈奎斯特频率处,各个 视场 的 MTF 值 均 能 大 于 ０．５,符 合 红 外 应 用 的 要求. 参 考 文 献 １ 　SunA P Gong Y Y ChenZ etal敭Athermal design alargeＧaperture wideＧfield assisting pilot infraredlens J 敭Infrared Technology ２０１３ ３５ １０ ６１７Ｇ６２２敭 　　　孙爱平 龚杨云 陈 忠 等敭大 孔 径、大 视 场 辅 助 驾 驶仪红外镜头 无 热 化 设 计 J 敭红 外 技 术 ２０１３ ３５ １０ ６１７Ｇ６２２敭 ２ 　GaoYF ZhangB SongGH etal敭Opticaldesign ofirisrecognitionlens J 敭Laser& Optoelectronics Progress ２０１７ ５４ １ ０１２２０４敭 　　　高永锋 张变 宋光辉 等敭虹膜 识 别 镜 头 的 光 学 设 计 J 敭激光与光电子学进展 ２０１７ ５４ １ ０１２２０４敭 ３ 　Hsueh C C Chen W Y敭 Opticallens system imaging device and electronic device US２０１６ ０２７４３３１A１ P 敭２０１６Ｇ０９Ｇ２２敭 www．opticsjournal．net ４ 　HsiehTY ChenW Y敭Imagecapturingopticallens assembly image capturing device and electronic device US２０１７ ０１３１５１９A１ P 敭２０１７Ｇ０４Ｇ１１敭 ５ 　LiJJ Du Y G Zhang L H etal敭Research progresson CMOSimagesensors J 敭Laser & OptoelectronicsProgress ２００９ ５４ ４ ０１２２０４敭 　　　李继军 杜云刚 张丽华 等敭CMOS图像传感器的 研究进展 J 敭激 光 与 光 电 子 学 进 展 ２００９ ５４ ４ ０１２２０４敭 ６ 　ZhangY M敭Appliedoptics M 敭Beijing Beijing PublishingHouseofElectronicsIndustry ２００８ ４４１Ｇ ４４８敭 　　　张以谟敭应 用 光 学 M 敭北 京 电 子 工 业 出 版 社 ２００８ ４４１Ｇ４４８敭 ７ 　Wang Y Z敭Fisheyelens optics M 敭Beijing MachineIndustryPress ２００６ １９６Ｇ１９７敭 　　　王永仲敭鱼 眼 镜 头 光 学 M 敭北 京 科 技 出 版 社 ２００６ １９６Ｇ１９７敭 ８ 　Optical Research Association敭 CODEV １１敭０ introductory users guide M 敭 USA Optical ResearchAssociates ２０１７ ４４Ｇ４８敭 ９ 　LiuY HanM JuRB etal敭Designandinstanceof sport digital video fisheye lens J 敭 Laser & OptoelectronicsProgress ２０１６ ５３ ８ ０８２２０１敭 　　　刘言 韩敏 居荣兵 等敭运动数 码 摄 像 机 鱼 眼 镜 头 的设计与实例 J 敭激 光 与 光 电 子 学 进 展 ２０１６ ５３ ８ ０８２２０１敭 １０ 　WuH Q ZhaoXL LiTH etal敭Opticalsystem designofrefractive diffractiveinfraredfisheyelens J 敭ActaPhotonicaSinica ２０１０ ３９ ８ １５３３Ｇ１５３６ 　　　吴海清 超心亮 李 同 海 等敭折 射 衍 射 红 外 鱼 眼 镜头 光 学 系 统 设 计 J 敭光 子 学 报 ２０１０ ３９ ８ １５３３Ｇ１５３６敭 ０７０８０１Ｇ６
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