镜头光学设计
光学镜头项目方案设计
光学镜头项目方案设计引言：光学镜头是一种用于聚焦、调整光线的光学元件。
它在相机、望远镜、显微镜等领域中具有广泛的应用。
设计一种优秀的光学镜头方案对于提高成像质量、调整焦距、增强光学系统的功能非常重要。
本文将介绍一个光学镜头项目的方案设计。
项目概述：本项目旨在设计一种优秀的光学镜头，以提高成像质量、调整焦距，并增加光学系统的功能。
该光学镜头将应用于高清相机。
项目目标：1.提高成像质量：通过优化光学设计和采用高品质材料，实现更清晰、更鲜艳的图像。
2.调整焦距：设计一种可变焦距的光学镜头，实现远近距离的成像。
3.增加功能：在原有的成像功能基础上，增加更多的特殊功能，如红外线成像、夜视功能等。
方案设计：1.光学设计：采用计算机辅助光学设计软件，进行光学元件的设计和优化。
通过调整曲率、厚度、折射率等参数，优化光学系统的成像性能。
同时考虑透射率、反射率等参数，减少光学元件的能量损失。
2.材料选择：选择高品质的光学材料，如高透明度的玻璃、高折射率的材料等，以提高透光率和折射率。
同时考虑材料的机械强度、热稳定性等特性，确保光学系统的稳定性和耐用性。
3.可变焦距设计：设计一种可实现远焦、近焦调整的光学机构，通过调整镜头间距或镜头组合，实现不同焦距下的清晰成像。
可以采用机械调焦或电子调焦的方式，实现焦距的精细调整。
4.特殊功能设计：根据需求，设计一些特殊功能，如夜视功能。
可以采用红外滤光片或红外接收器等技术，实现在低光照条件下的成像。
同时，可以设计红外传感器或其他特殊传感器，增加更多的功能。
5.实验验证：设计完成后，进行实验验证。
通过光学测试仪器对光学镜头的成像性能进行评估，包括分辨率、畸变、光场曲率等参数。
同时，通过折射率测试、透光率测试等对材料进行验证。
根据实验结果，进行调整和改进，优化设计。
项目进度：本项目的进度安排如下：-第1个月：文献调研，了解光学镜头的基本原理和设计方法，学习光学设计软件的使用。
-第2-3个月：进行光学设计和优化，确定光学系统的参数。
光学镜头设计文献
以下是几篇光学镜头设计的文献：
1.《光学系统设计手册》（Handbook of Optics）：该书是光学设计领域的经典参考书，主要介绍了光学设计中的基础知识、数学模型、软件技术等内容，适合初学者和专业人士阅读。
2.《现代光学设计》（Modern Optical Engineering）：该书主要介绍了光学元件、光学仪器等方面的设计方法，讲解了几何光学、物理光学、自由曲面设计等内容，适合光学工程师和科技工作者阅读。
3.《数字光学系统设计》（Digital Optical System Design）：该书主要介绍了数字光学系统的设计方法和技术，从数字光学系统的基础知识、应用领域、设计步骤等方面进行了详细阐述，适合专业人士阅读。
4.《应用光学》（Applied Optics）：该期刊是一本权威的光学学术期刊，涵盖了各个领域的光学技术和光学应用方面的文献，包括光学镜头设计、天文光学、激光技术等，是研究光学设计和应用的重要参考。
5.《光学与精密工程》（Optics and Precision Engineering）：
该期刊是中国光学领域的一本国际性科技期刊，涵盖了光学、光电、光子学等领域的基础理论和应用技术方面的高水平论文，其中也包括了光学镜头设计等内容。
光学镜头设计开题报告
光学镜头设计开题报告一、课程设计的任务设计一个成像物镜透镜组，照相物镜的技术指标要求：设计一个固定焦距的照相物镜(1)以学号的最后四位为焦距长度，单位为mm。
(2)阁图像传感器的大小为800600：像茶大小为学号成后一位+4微米。
(3)相对孔径分别为学号最好·位/10+1。
任务：1、简述照相物镜的设计原理和类型；2确定照相物镜的基本性能要求，并确定恰当的初始结构；3输入镜头组数据，设置评价函数操作数，进行优化设计和像差结果分析：4给出像质评价报告，撰写课程设计论文二、设计过程初始结构的选择照相物镜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，所以照相物镜设计的初始结构一般都不采用初级像差求解的方法来确定，而是根据要求从手册、资料或专利文献中找出一个和设计要求比较接近的系统作为原始系统。
在选择初始结构时，不必一定找到和要求相近的焦距，一般在相对孔径和视场角达到要求时，我们就可以将此初始结构进行整体缩放得到要求的焦距值。
原设计要求：(1)以学号的最后四位为焦距长度，单位为mm。
(2)图像传感器的大小为800*600：像素大小为学号最后一位+4微米。
(3)相对孔径分别为学号最好一位/10+1。
2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问池围，镜头所成的半像高y可用公式计算，其中f为有效焦距，2w为视场角。
半像高y应稍大于图像传感器CCD或CMOS的有效成像面对角线半径，防止CMOS装调偏离光轴而形成暗角。
“三线一单”符合性1、生态保护红线:光学镜头项目用地性质为建设用地，不在主导生态功能区范围内，且不在当地饮用水水源区、风景区、自然保护区等生态保护区内，符合生态保护红线要求。
2、环境质量底线:该项目建设区域环境质量不低于项目所在地环境功能区划要求，有一定的环境容量，符合环境质量底线要求。
3、资源利用上线:项目营运过程消耗一定的电能、水，资源消耗量相对于区域资源利用总量较少，符合资源利用上线要求。
车载镜头光学设计流程
车载镜头光学设计流程Designing a camera lens for a car involves a complex process that encompasses various considerations to ensure optimal performance. 针对汽车设计摄像头镜头涉及到复杂的流程，需要考虑各种因素以确保最佳性能。
One of the primary factors to consider is the field of view required to capture a wide range of the road ahead, including both near and distant objects. 其中一个需要考虑的主要因素是所需的视野范围，以捕捉前方道路上广泛的物体，包括近处和远处的物体。
This requires careful consideration of the focal length and aperture of the lens to achieve the desired field of view while maintaining image clarity. 这需要仔细考虑镜头的焦距和光圈，以实现所需的视野范围，同时保持图像清晰度。
In addition to the field of view, considerations must also be made for the lighting conditions in which the camera will be used. 除了视野范围外，还必须考虑摄像头将使用的光照条件。
Daytime and nighttime driving conditions require different levels of light sensitivity and dynamic range to ensure clear and detailed images. 白天和夜晚的驾驶条件需要不同水平的光敏度和动态范围，以确保清晰和详细的图像。
简单光学镜头优化设计_——_-5倍显微物镜的优化设计解析
简单光学镜头优化设计设计任务（1）——-5×显微物镜的优化设计姓名：洪梅华学号：201028015926012培养单位：中国科学院微电子研究所专业：微电子学与固体电子学任务要求：-5×显微物镜的优化设计利用ZEMAX程序优化设计一个-5×显微物镜。
先依据初级像差理论解出初始结构，然后在计算机上进行优化，找到一个像质较优的解。
-5×显微物镜展开的光路如下简图 1-1 所示。
图1-1 -5×显微物镜展开光路简图具体设计任务的要求为：（1）焦距f' =23.6mm；数值孔径NA=0.15(u' =0.15rad)；线视场2y=15mm；按照计算光路的方向，横向放大率β= -1/ 5⨯；（2）光路中有一块棱镜，展开长度为d=38.63mm，材料是K9玻璃。
它离物平面24.19mm，即l1= -24.19mm；离物镜 92mm，即d2= 92mm；（3）镜头采用双胶结构，孔径光阑安放在物镜上；（4）镜头只消球差，彗差和位置色差；（5）像质按显微物镜像差允限要求；（6）该显微物镜用于目视观察，对d光消单色像差，对F光和C光消色差。
（7）用PW方法选出玻璃对，解出初始结构；（8）利用ZEMAX程序优化初始结构，使像质达到像差公差要求；（9）这个低倍显微物镜的相差公差是：A、球差：球差的公差有两部分构成，即全口径边缘轴向球差δL m'和剩余轴向球差δL'。
球差的公差为：δ L '≤λ= 0.026( mm) m n'u'2mδ L ' ≤6λ= 0.155( mm) n'u'2m上式中，λ是d光波长，n'和u m'分别是像方折射率和像方最大孔径角。
B、位置色差：由于不同波长（色光）的球差一般不同，所以光学系统中存在色球差。
对于双胶合这种结构简单的镜头，一般只要求在0.707孔径处得位置色差为：L '- L '≤λ= 0.026( mm)F C n'u'2mC、正弦差OSC'：正弦差OSC'的公差要求是：OSC' ≤0.0025设计步骤一：依据初级像差理论求解初始结构1、棱镜的初级像差数据计算：近轴情况下，按照计算光路，物方数值孔径为：u1= u '/γ= u 'β=0.15⨯(-1/ 5)= -0.03rad棱镜的等效空气为：d ' = d / n =38.63= 25.4753mm 1.51637物方视场角为：u p=y=7.5 =7.5 = -0.05294rad l1-d '-d2-24.19-25.4753-92 -141.6653由附录B提供的公式，计算出平行平板的有关像差系数如下：41-n2-5S= u d= -1.166 ⨯10mmn3Ip1S= u 3u1 d1-n2= -2.058 ⨯10-5mmIIp1pn3C= u2d (1- n)= -1.218 ⨯10-4mmν n2Ip1式中u1= -0 . 0 3r a d为物镜的物方孔径角；u p= -0 . 0 5 2 9r4a d为物方视场角；d =3 8 . 6 3m m为棱镜展开后平板的厚度； n =1.51637和ν=64.13分别是K9玻璃的折射率和阿贝数；像差系数的下标 p 表示该系数是属于棱镜的。
镜头结构设计
镜头结构设计镜头不是凭空设计的。
虽然我们现在有了很好的计算机辅助设计软件，但从头设计一个镜头，抛弃掉前人上百年的成果，仍然是不太现实的。
但是镜头设计师也不会从本来就很差的镜头处起步设计，他们总是选择比较好的镜头。
所以，在这一百多年的时间里，大浪淘沙加上市场选择，就出现6种影响特别大的光学设计。
现在的镜头都是从它们那里继承下来的。
这六种光学设计分别是Petzval人像镜头、快速直线镜头、双高斯镜头、望远镜头、反望远(后对焦)镜头和库克三片镜头。
1、Petzval镜头这就是Voigitlander发家的东西。
不过，他是从Petzval处偷来的设计。
发明于1850年之前。
虽然这个设计已经不太用了，但直到20世纪50年代，都是很广泛使用的。
比如投影机。
“放大头”是不是也是这种?2、快速直线镜头它的特点就是对称于光圈。
因为这个特点，它的变形、慧差和平面色差都处理得很好。
然后它比较容易有球差、场曲和像散。
快速直线镜头发明于1860年代。
因为它没有啥变形，所以非常适合建筑和风光摄影。
直到1900年代，都是很流行的。
我估计这也就是Eugene Atget用的镜头了。
它的传人很多。
最有名的就是蔡司Protar和后来的Tessar了。
Tessar之后又发展出了一堆好镜头，不过这是后话了。
在库克三片镜头的时候会涉及到。
3、双高斯镜头虽然叫“高斯”，但这个镜头设计其实是和高斯没多少关系的。
高斯只是计算和描述了这个概念，而且他还是针对望远镜说的。
这个镜头最早是1888年出现的，是在高斯死了30多年之后了。
双高斯的特点是对称于光圈(早期的镜头其实都是这么设计的，否则像差会不得了)，而且它还使用了全部弧形和分离的镜片(这点和快速直线镜头不同)，这使得它能做到很大的光圈，而且把场曲和色散的问题基本避免了。
不过它也容易产生像散和球差。
今天，基本上50mm的定焦镜头全都是这个设计的。
天才的蔡司设计师兰道夫博士在双高斯的基础上做了一些改进，就形成了Planar 结构。
光学镜头的结构设计与装配工艺
工作经验，以一个中倍显微物镜为例，简单地谈一下镜片的光学冷加工，结构设计，装配工艺。
光学冷加工：很多没进过光学冷加工车间的
朋友对光学透镜的加工技术很好奇，其实光学冷加工就是把像石头一样形状的光学玻璃原料，进行切割，粗磨，精磨，抛光，磨边，镀膜，胶合等一整套工艺，最终得到图纸要求精度的光学透
注：光学透镜的标注是需要进行严格的公差分析的，此处给出的是一般的加工精度，只作为
参考。另外，需要注意的是，公差标注的越紧，加工难度就越大，车间的报废率就会越高，对于需要考虑成本的镜头来说，这个是需要结合公差分析的结果，仔细权衡的。
123 下一页>
镜。
具体的光学冷加工工艺在这里就不详细说了，此处重点说一下目前国内光学透镜的一般加
工精度：
1.外径公差-0.02~0 左右；
2.中心厚度公差：ຫໍສະໝຸດ plusmn;0.02 左右；3.偏心：2′左右；
4.光圈：3 左右；
5.局部光圈：0.3 左右；
6.镀增透膜后的反射率：小于 0.5%左右。
镜头光学设计公差允许
光學設計公差允許一公差分配思路原準備用ODP841進行公差分配計算，但該軟件是用于幾何傳函的計算，對小象差系統計算的結果比Zemax中的MTFT好的多，這是因爲沒考慮衍射效應對象差的幹擾。
我們設計的系統鑒别率是很高的。
因此用ODP841計算偏差很大。
故采用Zemax計算。
首先介召公差計算的總體思路：在光學設計中給所有工藝允許的總公差是：使最差情況下的傳函由于工藝因素的總下降量不大于0.15 lp/mm（下降後的傳函仍有MTF=0.15，以便CCD仍能分辯它對應的空間頻率），對于本系統就是在F=1.23光圈、1H，0.7H口徑下允許鑒别率總下降量不大于0.15lp/mm。
公差分配的環節有：半徑、厚度1（透鏡厚度）、厚度2（透鏡氣隙）、玻璃折射率、玻璃色散、中心偏1（加工偏心）、中心偏2（裝配偏心）、餘量上面的公差餘量是爲了在實際的工藝實施中，由于工藝原因必需放寬公差時，總公差允許量不緻于超。
在計算公差時，先按經驗以工藝上最寬松的條件給出各結構參量的公差預定值，這樣作是爲了先考核最差情況對總公差的影響。
當總公差不超時，也不能以此作爲公差分配的最終結果，因爲在工藝允許的條件下，應盡量提高成象質量，因此應減少對總公差影響大的諸結構公差，這樣才能最有效的提高成象質量。
二公差分配1 思路對本樣例鏡頭，用Zemax公差計算功能時應遵循如下原則：（1）因爲F=2～8口徑均比F=1.2口徑的傳函高很多，因此應以F=1.2口徑傳函爲準考核傳函變化量。
（2）在F=1.2口徑的傳函中，應要求0W,0.7W的傳函，而0W傳函比0.7W傳函高很多，因此應以0.7W視場傳函爲準考核傳函變化量所允許的半徑公差。
（3）在計算傳函時，應以MTF=0.3爲基準考核傳函的空間頻率。
（4）正态分布的蒙特卡羅數應取20以上，我們取50（此數越大，得到的公差計算結果的可信度越高，但計算量就越大）。
（5）用傳函計算公差時，各結構變量公差預定值的給定，可參考“各結構公差計算時預定公差的給定原則”給出。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
7.94
4.54
4:3
8.47
4.80
4:3
9.41
5.37
4:3
10.16
5.76
4:3
12.70
6.40
4:3
14.11
7.20
4:3
16.93
8.80
4:3
25.4
12.80
4:3
33.87
17.40
3:2
45.72
23.70
3:2
n/a
36.00
Sensor Height (mm) Diagonal (mm)
Curtis
16
IR_CUT Filter_1
14:33:24
Curtis
IR_CUT Filter
IR_CUT Filter 1、反射式(Reflection type)：干涉鍍膜。 2、吸收式(Absorption type)：藍玻璃。
17
IR_CUT Filter_2
Curtis
規格標示例：650nm ±15nm @ T = 50％
9
F/#_3
．CCD靈敏度較CMOS為高。
response
不
線
飽
致
性
和
能
區பைடு நூலகம்
區
區
Curtis
exposure
MEMO：CCD所使用的F/#值較大(即光圈較小)。 如果使用過大的光圈，則會落於飽和區 使得成像品質不好。
10
MTF1
黑
白
Curtis
Bmin Bmax
Co ≡ (Bmax – Bmin) / (Bmax + Bmin)
FOV = 2 θ = 2 tan-1[ 5 / 2*3 ] = 79.6(度)
7
F/#_1
Curtis
sensor
D
I0≡Image Intensity 流明 ≡照度
f
F/#：決定光通量、影像的亮度。 F/# = f / D
I0 ∝ 1 / (F/#)2………(進光量與F/#平方成反比)。
MEMO：F/#數值愈小 → 設計上困難度愈高。 FOV愈大 → 設計上困難度愈高。
18
IR_CUT Filter_3
Curtis
．反射式IR_CUT Filter的Angle shift 問題 →入射角度增加，截止波長往短波長偏移。
．吸收式_(藍玻璃、綠玻璃)
→無Angle shift 問題
→但，材料特性為質軟、容易起化學變化，
容易吸水有潮解現象，耐候性不佳等問題。
19
CRA_1
3.00 3.42 3.60 4.04 4.29 4.80 5.35 6.60 9.60 13.10 15.70 24.00
5.00 5.68 6.00 6.72 7.18 8.00 9.00 11.00 16.00 21.78 28.40 43.27
Ratio Diameter / Diagonal
◎Chief Ray Angle(CRA)
θ
Curtis
Iθ CRA(α)
I0
A.S C.R.(30°)
Image plane
與CRA有關的參數： 1、cos4θ Law ： Iθ = I0cos4α
2、RI = Iθ / I0 (相對照度)
20
CRA_2
Curtis
．Sensor端會要求CRA 符合此角度→配合micro lens 的調整。(micro lens與sensor的距離，影響CRA需 求的大小)
8
F/#_2
Curtis
．F/2.8比F/4.0亮度亮兩倍。
例：F/#=2.8 & 4， 焦點距離f=50mm， 則入光大小為：
F/# = f / D；D = f / F/#
1、D(F/2.8) = 50 / 2.8 = 17.86 2、D(F/4.0) = 50 / 4.0 = 12.5
1、D(F/2.8) = 50 / 2.8 = 17.86 2、D(F/4.0) = 50 / 4.0 = 12.5．以圓面積計算公式計算 如下：( πR2 ) 1、3.14 * 17.862 ≒ 1002 2、3.14 * 12.52 ≒ 491 (面積F/2.8) ≒ 2 * (面積F/4.0)
Curtis
尺寸表
Type Name
1/3.6" 1/3.2" 1/3" 1/2.7" 1./2.5" 1/2" 1/1.8" 2/3"
1" 4/3" 1.8" 35mm film
Type Aspect Ratio
(W:H)
4:3
Diameter (mm) 7.06
Width (mm) 4.00
4:3
h=70% T61%/S74% @90LP/mm h=80% T59%/S69% @90LP/mm h=90% T58%/S63% @90LP/mm h=100% T59%/S72% @90LP/mm
f=4.87mm 1.494mm
<6mm 650±15nm @50％
未來發展
Curtis
3
基本光學系
25°
例：SENSOR的CRA要求希望α<25°， A、RI = 50％ at 30°(θ) B、RI = 55％ at 30°(θ) 誰優? 實裝上，A周邊光亮比B亮，為何?
→因為， A的CRA(α) = 25°； B的CRA(α) = 30° A比B能配合SENSOR，故A比B亮。
21
1.41 1.40 1.41 1.40 1.41 1.59 1.57 1.54 1.59 1.56 1.61 n/a
6
FOV
Curtis
θ FOV:
Field Of View
θ
sensor
D
FOV = 2 θ = 2 tan-1[ D / 2f ]
f
例：SENSOR對角線D=5mm， 焦點距離f=3mm， 則FOV為：
9
Distortion
10
MTF
11
EFL
12
Back Focus Length(BFL)
13
Optical Total Length
Curtis
2
SPEC.
Item Sensor Pixel Size Image Size Image Circle Lens Composition Field Of View F Number Relative illumination at 100% of Image Height Chief Ray Angle TV Distortion MTF Center
Curtis
0
fN
．Aliasing現象 False color Moire’ pattern
(lp/mm) 100
截止頻率
fN = Nyquist frequency = 1 / 2p
例：p = 3.2μm fN = 1 / (2*3.2*0.001) = 1000 / 6.4 = 156 (lp/mm)
Curtis BFL
4
sensor1
L D
W
Curtis
P
1、Image circle > sensor size(D)。
2、D + 0.4mm( Package 公差)。
P = Pixel size
MEMO：光學設計的考量，要從了解SENSOR開始。 光學設計需與SENSOR達到最佳配合。
5
sensor2
0
50
Co ：物
100%
→
(lp/mm) 100
截止頻率
Ci ：像
→
70%
Optical system
Non-perfect lens 因材料、加工、組立所產生的缺陷。
Curtis
12
MTF3
Curtis
S：Sagittal，弧矢面，放射狀。 T：Tangential，子午面，同心圓狀。
13
MTF4 1.0
主題
Curtis
鏡頭光學規格的介紹
1
內容大綱
1
Pixel Size
2
Image Size
3
Image Circle
4
Lens Composition
5
Field Of View(FOV)
6
F Number
7
Relative illumination (RI)
8
Chief Ray Angle(CRA)
MEMO：如何消除Aliasing?→利用“OLPF”。
14
OLPF1
1.0
1.0
Curtis
0
fN
(lp/mm) 0
(lp/mm)
fN
鏡頭MTF
OLPF_MTF
1.0
0
(lp/mm)
fN
OLPF： 1、雙折射式(Crystal、quartz) 2、繞射式(grating 光柵)
15
OLPF2
false colors
MI-XXXX，OV-XXXX 3.2 x 3.2μm
D:5.6 mm (H:4.48 V:3.36) φ5.9mm 1G3P
59.5゜(at SENSOR Diagonal) F/2.8
55% (at SENSOR Diagonal) D: 19.7゜ H: 20.6゜ V: 20.5゜
<1% Center 54% @ 180 LP/mm 50% @ 200 LP/mm