手機(jī)照相鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文手機(jī)照相鏡頭的光學(xué)設(shè)計(jì)摘要隨著市場(chǎng)的發(fā)展，可拍照手機(jī)逐漸取代普通手機(jī)，而手機(jī)的小型超薄化也是必然趨勢(shì)，手機(jī)的照相功能的提升和小型超薄化應(yīng)并進(jìn)，而二者又是相互制約的，因此盡量減小手機(jī)照相鏡頭的體積并提高其性能成為必然趨勢(shì)。本文后半部分運(yùn)用ZEMAX對(duì)所設(shè)計(jì)的鏡頭進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，用縮放法對(duì)初始模型反復(fù)調(diào)試和修改，并根據(jù)課題要求進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，最終得出了符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)果。最終設(shè)計(jì)結(jié)果為：鏡頭總長(zhǎng)：10.07mm,后焦距：1.27mm?；兎秶?1.07到1.76之間。中心視場(chǎng)MTF160lp/mm值為0.52。邊緣視場(chǎng)MTF120lp/mm值為0.53。 關(guān)鍵字：可拍照手機(jī) 鏡

2、頭 小型化 ZEMAX 優(yōu)化。 目錄摘要（）Abstract（）目錄（1）1 緒論（1）1.1 研究的目的和意義（1） 1.2 可拍照手機(jī)和鏡頭設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展 （1）1. 2. 1 可拍照手機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r（1）1.2.2 現(xiàn)今鏡頭設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r（2）2 手機(jī)照相鏡頭的成像原理介紹（3）2.1 可拍照手機(jī)照相原理 （3）2.2 感光元件簡(jiǎn)介 （3）2. 3 鏡頭結(jié)構(gòu)分類及選擇 （3）2.4手機(jī)鏡頭的性能指標(biāo)和相關(guān)術(shù)語(yǔ)（4）2.4.1鏡頭類型選擇的依據(jù)7（4）2.4.2數(shù)碼鏡頭鑒別率（4）2.4.3光圈范圍（4）2. 4. 4影響像質(zhì)的幾個(gè)因素（5）3光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（6）3.1光學(xué)設(shè)計(jì)軟件

3、簡(jiǎn)介（6）3.1.1 ZEMAX MTF函數(shù)（6）3.1.2缺省的評(píng)價(jià)函數(shù)及優(yōu)化（6）3. 1. 3歸一化的視場(chǎng)和光瞳坐標(biāo)（7）3.2設(shè)計(jì)要求及分析（7）3.3初始結(jié)構(gòu)的選擇（8）3. 3. 1 視場(chǎng)角的確定（10）3.3.2 F數(shù)的確定（10）3.3.3 工作波長(zhǎng)的選擇（10）3.3.4調(diào)制傳遞函數(shù)圖如下（11）3.3.5七種塞得像差分別為（11）3.3.6場(chǎng)曲和畸變圖（12）3.3.7點(diǎn)列圖如下（12）3.3.8光線特性曲線圖（13）3.4 像差的初步校正（13）3.4.1初步校正后的數(shù)據(jù)（13）3.4.2二維光路圖如下（15）3.4.3調(diào)制傳遞函數(shù)圖如下：（15）3.4.4場(chǎng)曲畸變圖（1

4、6）3.4.5點(diǎn)列圖（17）3.4.6光線特性曲線圖（17）3.5系統(tǒng)優(yōu)化（18）3.5.1優(yōu)化數(shù)據(jù)（18）3. 5. 2二維光路圖（19）3.5.3 點(diǎn)列圖（20）3.5.4場(chǎng)曲畸變示意圖（20）3.5.5 MTF分析圖（21）3.5.6光線特性曲線圖（23）3.6公差分析（24）3. 6. 1公差分析的一般過(guò)程（24）3.6.2公差分析方式介紹（24）3. 6. 3此課題所進(jìn)行的公差分析結(jié)果（25）3.7設(shè)計(jì)結(jié)果（27）4 結(jié)論（29）致謝（30）參考文獻(xiàn)（31）301 緒論1 緒論1.1 研究的目的和意義隨著手機(jī)鏡頭相關(guān)工藝的實(shí)踐，低端的數(shù)碼相機(jī)已逐步被可拍照手機(jī)所取代。手機(jī)正逐步成為集

5、通信、拍照、MP3、MP4等功能一體化的便捷式電子產(chǎn)品。由于現(xiàn)有的手機(jī)厚度較薄，限制了鏡頭的總長(zhǎng)，從而使得手機(jī)鏡頭的性能提高較難。本課題要求設(shè)計(jì)一個(gè)體積小，高像素的手機(jī)鏡頭，從而減小手機(jī)鏡頭所占空間，進(jìn)而提高手機(jī)的綜合性能。實(shí)現(xiàn)小型化和多功能化。1.2 可拍照手機(jī)和鏡頭設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展1.2.1 可拍照手機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r從諾基亞7650、松下GD88和NEC N8在中國(guó)掀起拍照風(fēng)潮以來(lái)，手機(jī)拍照在中國(guó)已經(jīng)歷了三年的發(fā)展，談到中國(guó)市場(chǎng)的可拍照手機(jī)，我們就躲不開(kāi)索愛(ài)的T68lie和T628這條線。T68作為愛(ài)立信在中國(guó)市場(chǎng)推出的第一款彩屏手機(jī)，在當(dāng)時(shí)可拍照手機(jī)還沒(méi)有開(kāi)始流行的時(shí)候，選擇了使用外置攝

6、像頭來(lái)增加拍照功能無(wú)疑是一個(gè)明智的選擇。而在愛(ài)立信和索尼合并之后，又推出了T68lie，且支持MMS功能。這兩款機(jī)型可以使用愛(ài)立信和索尼愛(ài)立信前后推出的多款外置攝像頭，雖然基本上沒(méi)有后期處理功能，拍照的效果也不佳，但畢竟是開(kāi)先河的第一次，也是可拍照手機(jī)在中國(guó)市場(chǎng)的探索者。后來(lái)索尼愛(ài)立信又推出了T618成為2003年最成功的可拍照手機(jī)，其內(nèi)置10萬(wàn)像素的攝像頭，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。在T618出世之前，可拍照手機(jī)市場(chǎng)幾乎是諾基亞的天下。中國(guó)市場(chǎng)上第一款30萬(wàn)像素的可拍照手機(jī)7650就是諾基亞的。和T68不同的是，7650使用的是內(nèi)置攝像頭，這也造就了7650碩大的身形。而在當(dāng)時(shí)的時(shí)代，擁有30萬(wàn)

7、像素的攝像頭效果是相當(dāng)不錯(cuò)的。在2004年NEC N830配置了130萬(wàn)像素的CCD攝像頭，有多種拍攝模式選擇，內(nèi)置閃光燈、最多9連拍功能、定時(shí)拍攝功能等。此攝像頭還具備了一般可拍攝手機(jī)并不具備的微距拍攝功能。在更高像素的手機(jī)出現(xiàn)以后，三菱M900，號(hào)稱200萬(wàn)像素的手機(jī)，采用的是富士的Super CCD，這種感光材料擁有比普通手機(jī)CCD更敏銳的成像效果。而三星震撼全球的500萬(wàn)像素手機(jī)SCH-S250，配備了光學(xué)變焦，這款手機(jī)實(shí)際上是在數(shù)碼相機(jī)的機(jī)身上加上了手機(jī)的功能。此外，大唐G20N、三菱M900等手機(jī)出現(xiàn)了微距拍攝功能，以及百萬(wàn)像素以上級(jí)別手機(jī)普遍支持的存儲(chǔ)卡功能。這些都預(yù)示著，未來(lái)的

8、拍照手機(jī)，將會(huì)使用更專業(yè)的鏡頭和更好的感光元件以得更好的成像質(zhì)量。西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文2004年3月，索尼愛(ài)立信在國(guó)內(nèi)推出首款具有130萬(wàn)像素的拍照手機(jī)S700。2004年6月，日本卡西歐公司已推出三款具有320萬(wàn)像素的拍照手機(jī)。2004年10月，三星在韓國(guó)漢城推出第一款500萬(wàn)像素拍照手機(jī)SCHS 250.2005年初，三星公司又在德國(guó)漢諾信息通訊展覽會(huì)上推出了一款700萬(wàn)像素拍照手機(jī)SCH-V770，配置了700萬(wàn)像素的CCD,160萬(wàn)色頂級(jí)TFT材質(zhì)屏幕，還具備3倍光學(xué)變焦、4倍數(shù)碼變焦功能。2 手機(jī)照相鏡頭的成像原理介紹拍照手機(jī)的像素?cái)?shù)從初始的10萬(wàn)飛躍到700萬(wàn)，僅僅經(jīng)過(guò)不到3年

9、的時(shí)間?？梢灶A(yù)言，隨著CMOS和CCD制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，高像素的拍照手機(jī)在不久的將來(lái)一定會(huì)成為大眾化的電子消費(fèi)產(chǎn)品。1.2.2 現(xiàn)今鏡頭設(shè)計(jì)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r現(xiàn)今的鏡頭設(shè)計(jì)是基于鏡頭的資料庫(kù)中的成千上萬(wàn)的設(shè)計(jì)專利的，并且有許多是公開(kāi)發(fā)表的。似乎可以從大致的設(shè)計(jì)構(gòu)思著手，然后利用高速的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為你的設(shè)計(jì)草圖進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到實(shí)際想要達(dá)到的目標(biāo)。但問(wèn)題是，計(jì)算機(jī)不能自動(dòng)生成一個(gè)優(yōu)秀的鏡頭設(shè)計(jì)。真正的設(shè)計(jì)其實(shí)是源自于人的大腦，就如導(dǎo)航儀器只能在給它指定明確的目標(biāo)之后才可以找到正確的航線一樣。商業(yè)鏡頭設(shè)計(jì)系統(tǒng)當(dāng)然可以優(yōu)化鏡頭設(shè)計(jì)，但如果設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)本身是不足的，那么是很難更正它的。在光學(xué)設(shè)計(jì)部門(mén)中目前大

10、量使用了計(jì)算機(jī)，但它也毫不例外地表明了計(jì)算機(jī)及其計(jì)算機(jī)程序本身是無(wú)法給出全部答案的。鏡頭設(shè)計(jì)是極具創(chuàng)造力的工作，它必須基于經(jīng)驗(yàn)和敏銳的洞察力來(lái)了解各種各樣光學(xué)象差的特性。任何鏡頭，不管是新的還是老的，都可以用“鏡頭描述”這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)區(qū)分鏡片的數(shù)量、玻璃的種類、鏡片的曲面半徑、鏡片的厚度、鏡片與鏡片之間的距離、以及每個(gè)鏡片的直徑等等。這些都是用來(lái)全面描述一個(gè)鏡頭的參數(shù)。當(dāng)發(fā)自于某個(gè)物體的光線穿過(guò)玻璃表面時(shí)，該束光線會(huì)被折射，就如物理知識(shí)所描述的那樣。光線折射量取決于玻璃的折射率。如果鏡頭設(shè)計(jì)者能知道光線射入鏡頭前鏡片時(shí)的確切入射位置以及入射角度，就可以通過(guò)光線理論系統(tǒng)精確地追蹤光路。角度和距離可以

11、通過(guò)三角函數(shù)的正弦和余弦算出來(lái)。因此通過(guò)簡(jiǎn)單的平面幾何，光線途經(jīng)的線路就可以被追蹤到。由于任何一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的能量都是散射的，并無(wú)任何方向行可言。只有部分能量通過(guò)鏡頭，假設(shè)通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)來(lái)計(jì)算通過(guò)鏡頭的能量(那些被視為一系列的各自獨(dú)立的光線)可以追蹤那些光線的路徑。鏡頭設(shè)計(jì)者首先從光軸上的某點(diǎn)開(kāi)始追蹤少量的光線。這里所假設(shè)的是每個(gè)物象點(diǎn)都會(huì)在膠片平面上形成于之相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，所以發(fā)自物體的光線都將被轉(zhuǎn)化為這樣的成相點(diǎn)，并且具有同樣的相對(duì)位置。這就是高斯成像(GaussianFiction)。對(duì)應(yīng)那些靠近光軸的點(diǎn)，可以有理由相信高斯成象是相當(dāng)精確的，這就是平行光軸光學(xué)(ParaxialOptics)

12、。盡管計(jì)算公式相當(dāng)簡(jiǎn)單(至少對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō))，但要求對(duì)于這些數(shù)字的計(jì)算精確到小數(shù)點(diǎn)后58位2。2 手機(jī)照相鏡頭的成像原理介紹2.1 可拍照手機(jī)照相原理拍照手機(jī)的照相原理與數(shù)碼相機(jī)的照相原理相似。傳統(tǒng)相機(jī)是把光學(xué)系統(tǒng)捕捉到的光打在膠卷上，然后可以通過(guò)一個(gè)化學(xué)過(guò)程對(duì)其進(jìn)行曝光和沖洗。而數(shù)碼相機(jī)或攝影手機(jī)的光要通過(guò)由多個(gè)單元鏡頭和一個(gè)鏡筒組成的光學(xué)系統(tǒng)，不同的是，現(xiàn)在光是打在由行和列組成的數(shù)字傳感器陣列上，這一陣列由幾百萬(wàn)個(gè)微小像素組成。當(dāng)光打在像素陣列上，它要通過(guò)彩色濾光片，確保只有藍(lán)、紅或綠色光到達(dá)每個(gè)像素上。在每個(gè)像素上，首先要生成一個(gè)模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)

13、字信號(hào)，然后再通過(guò)處理系統(tǒng)輸出圖像3。其實(shí)可拍照手機(jī)鏡頭就是數(shù)碼照相物鏡的一個(gè)微型化，是在有限的空間上實(shí)現(xiàn)照相功能。2.2 感光元件簡(jiǎn)介西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文市面上的拍照手機(jī)鏡頭一般上只有兩種：CMOS和CCD。無(wú)論是CCD還是CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一個(gè)感光二極管（photodiode），該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強(qiáng)度則與光照的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)?，F(xiàn)在的消費(fèi)級(jí)數(shù)碼產(chǎn)品使用的影像傳感器主要有2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四種。CCD/CMOS尺寸越大，感光面積越大，成像效果越好4。2.

14、3 鏡頭結(jié)構(gòu)分類及選擇鏡頭是指由不同的透鏡經(jīng)系統(tǒng)組合而成的整體?；窘Y(jié)構(gòu)包括四個(gè)部分: 透鏡、隔圈、鏡筒、壓圈5。隔圈結(jié)構(gòu)類型比較多, 它受前后透鏡直徑和通光孔徑的差別影響較大, 也受其它結(jié)構(gòu)要素影響。鏡筒結(jié)構(gòu)大體可以分為兩類: 直筒式和臺(tái)階式。壓圈的結(jié)構(gòu)形式包括外螺紋壓圈和內(nèi)螺紋壓圈, 在實(shí)際應(yīng)用中大多采用外螺紋壓圈,以鏡筒和壓圈的結(jié)構(gòu)形式組合就可以把鏡頭結(jié)構(gòu)分為以下六種形式：（如圖2.4所示）。 圖 2.4 鏡頭的結(jié)構(gòu)類型2.4手機(jī)鏡頭的性能指標(biāo)和相關(guān)術(shù)語(yǔ)鏡頭通常有兩個(gè)較為重要的指標(biāo)。一個(gè)是光圈，它是安裝在鏡頭上控制通過(guò)鏡頭到達(dá)傳感器的光線多少的裝置，除了控制通光量，光圈還具有控制景深的功

15、能，即光圈越大，則景深越小。另一個(gè)是焦距，它基本上就是從鏡頭的中心點(diǎn)到傳感器平面上所形成的清晰影像之間的距離，也就是相當(dāng)于物和像的比例尺。鏡頭的焦距決定了該鏡頭拍攝的物體在傳感器上所形成影像的大小。假設(shè)以相同的距離面對(duì)同一物體進(jìn)行拍攝，那么鏡頭的焦距越長(zhǎng)，則物體所形成的影像就越大，反之越小6。數(shù)碼產(chǎn)品的鏡頭由多片鏡片組成，材質(zhì)則分為玻璃與塑料兩類。2.4.1鏡頭類型選擇的依據(jù)71)孔徑：NA=nSin（數(shù)值孔徑） D/f（相對(duì)孔徑） f=1/D（F數(shù)） nSin= D/2f=1/（2F數(shù)）2)視場(chǎng)：角視場(chǎng)或線視場(chǎng)（直徑）3)焦距：焦點(diǎn)到后主面的距離，一般為鏡頭軸向中部2.4.2數(shù)碼鏡頭鑒別率數(shù)

16、碼相機(jī)鑒別率定義為在像面處鏡頭可鑒別的黑白線對(duì)數(shù)，單位為毫米。CMOS的分辨率是用像素總數(shù)表示的。在水平方向上鏡頭對(duì)線狀分辨率圖案的成像，其每個(gè)線寬恰好站用一個(gè)像素，我們就稱在水平方向上選用的CMOS與鏡頭在分辨率上是相配的; 在垂直方向上也可同樣理解之。這樣定義保證了CMOS在最少像素總數(shù)下，恰好能分辯清像的細(xì)節(jié)8。2.4.3光圈范圍光圈英文名稱為Aperture，光圈是一個(gè)用來(lái)控制光線透過(guò)鏡頭，進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面的光量的裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。我們平時(shí)所說(shuō)的光圈值F2.8、F8、F16等是光圈“系數(shù)”，是相對(duì)光圈，并非光圈的物理孔徑，與光圈的物理孔徑及鏡頭到感光器件（膠片或CCD或CMOS）

17、的距離有關(guān)。表達(dá)光圈大小我們是用F值。光圈F值 = 鏡頭的焦距/鏡頭口徑的直徑，從以上的公式可知要達(dá)到相同的光圈F值，長(zhǎng)焦距鏡頭的口徑要比短焦距鏡頭的口徑大。完整的光圈值系列如下： F1， F1.4， F2， F2.8， F4， F5.6， F8， F11， F16， F22， F32， F44， F64。這里值得一題的是光圈F值愈小，在同一單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)光量便愈多，而且上一級(jí)的進(jìn)光量剛是下一級(jí)的一倍，例如光圈從F8調(diào)整到F5.6，進(jìn)光量便多一倍，我們也說(shuō)光圈開(kāi)大了一級(jí)。多數(shù)非專業(yè)數(shù)碼相機(jī)鏡頭的焦距短、物理口徑很小，F(xiàn)8時(shí)光圈的物理孔徑已經(jīng)很小了，繼續(xù)縮小就會(huì)發(fā)生衍射之類的光學(xué)現(xiàn)象，影響成像。

18、所以一般非專業(yè)數(shù)碼相機(jī)的最小光圈都在F8至F11，而專業(yè)型數(shù)碼相機(jī)感光器件面積大，鏡頭距感光器件距離遠(yuǎn)，光圈值可以很小。對(duì)于消費(fèi)型數(shù)碼相機(jī)而言，光圈F值常常介于F2.8 - F16。此外許多數(shù)碼相機(jī)在調(diào)整光圈時(shí)，可以做1/3級(jí)的調(diào)整9。2.4.4影響像質(zhì)的幾個(gè)因素1).像素?cái)?shù) 拍照手機(jī)鏡頭的像素通常有三種表示方法：標(biāo)稱像素、有效像素、插值像素。插值像素是先把相鄰兩光學(xué)像素的真實(shí)數(shù)字影像信息取平均值，得到一新的虛擬影像信息，而后將此人為增加的新信息作為新像素插補(bǔ)在原來(lái)兩個(gè)真實(shí)像素之間，即通過(guò)軟件計(jì)算對(duì)原來(lái)數(shù)字影像信息進(jìn)行賦予人為增加之新虛擬信息的插補(bǔ)，以填補(bǔ)由于受影像傳感器總像素所限，而在拍攝時(shí)

19、可能缺失的信息。標(biāo)稱像素是手機(jī)廠家在廣告中所宣稱的總光學(xué)像素，它指作為影像傳感器的CCD或 CMOS所具有的理論總光學(xué)像素?cái)?shù)，又稱總像素。有效像素是該CCD或CMOS傳感器在攝影時(shí)真正參與成像工作的光學(xué)像素?cái)?shù)。由于受諸多因素的限制與影響，標(biāo)稱像素（即理論總光學(xué)像素?cái)?shù)）中的全部像素不可能均參與實(shí)際成像，故此有效像素一般比標(biāo)稱像素要小。2).感光元件（CMOS）的尺寸 感光元件越大，每個(gè)像素的尺寸就越大。像素尺寸越大，所能處理的數(shù)據(jù)量就會(huì)增加，從而就能夠區(qū)別微細(xì)光線的顏色和強(qiáng)度。也就是說(shuō)就能夠生成層次感豐富的照片。現(xiàn)有CMOS的尺寸有：2/3英寸、1/1.8英寸、1/2.7英寸、1/3.2英寸四種

20、。3).鏡頭的影響 一個(gè)好質(zhì)量的鏡頭是成像質(zhì)量好壞的至關(guān)重要的一個(gè)因素。 鏡頭的功能是將光線聚集到感光面上，它好比相機(jī)的“ 眼睛”。鏡頭越好，聚焦點(diǎn)越準(zhǔn)確，拍出的照片越清晰。如今拍照手機(jī)上衍生出各種多媒體一體，而其內(nèi)部空間十分有限且相當(dāng)一部分空間為顯示和通訊模板占用,因此手機(jī)照相鏡頭的裝配空間受到較大限制，尤其會(huì)造成手機(jī)厚度較大。隨著可拍照手機(jī)的市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，這一問(wèn)題急待解決。雖然可拍照手機(jī)的發(fā)展歷程很短，但其發(fā)展速度是相當(dāng)快的，主要是由于它有如下優(yōu)點(diǎn)：1）、可隨身攜帶2）、可隨時(shí)使用-無(wú)論白天或黑夜3）、信息傳輸迅速、快捷高效4）、畫(huà)面獲取方便、重塑性好當(dāng)然它也有如下缺點(diǎn)：1）、所拍攝

21、影像質(zhì)量尚較低2）、售價(jià)較貴 3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1光學(xué)設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介3.1.1 ZEMAX MTF函數(shù) 西安工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文ZEMAX是一個(gè)用來(lái)模擬、分析和輔助設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的程序。ZEMAX提供了十分強(qiáng)大的優(yōu)化功能，它有能力去改善那些給出一個(gè)合理的起始點(diǎn)和一系列可變量的鏡頭設(shè)計(jì)?？勺兞靠梢允乔?，厚度，玻璃，圓錐系數(shù)，參數(shù)數(shù)據(jù)，特殊數(shù)據(jù)，和一些多種結(jié)構(gòu)的數(shù)值數(shù)據(jù)。ZEMAX使用了有效的阻尼最小二乘法，這個(gè)運(yùn)算法則能夠優(yōu)化由加了權(quán)重的目標(biāo)值組成的評(píng)價(jià)函數(shù)，這些目標(biāo)值稱為“操作數(shù)”。調(diào)制傳遞函數(shù)MTF(Modulation Transfer Function)：實(shí)際像與理想像之間

22、調(diào)制度之比相對(duì)空間頻率的函數(shù)，稱為調(diào)制傳遞函數(shù)。它可清晰地表示出攝影鏡頭以怎樣的調(diào)制度，傳遞某一空間頻率12。攝影鏡頭把景物的調(diào)制度信息，傳遞到像平面處，變?yōu)閷?shí)際影像的調(diào)制度信息，在此傳遞過(guò)程中，該攝影鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)值為MTF值M/M，式中M為實(shí)際影像的調(diào)制度,M為理想像的調(diào)制度。調(diào)制傳遞函數(shù)值一般在1至0之間變化,評(píng)價(jià)函數(shù)是一個(gè)如何使一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)接近一組指定的目標(biāo)的數(shù)值表示。ZEMAX使用了一系列操作數(shù)，它們分別代表系統(tǒng)不同的約束條件和目標(biāo)。操作數(shù)所代表的目標(biāo)有像質(zhì)、焦距、放大率和其他很多指標(biāo)。3.1.2缺省的評(píng)價(jià)函數(shù)及優(yōu)化這些評(píng)價(jià)函數(shù)與列表中的每個(gè)操作數(shù)的目標(biāo)值和實(shí)際值之差平方的加權(quán)和

23、的平方根成比例。由于評(píng)價(jià)函數(shù)的這種定義，所以0值代表理想狀態(tài)。優(yōu)化算法將使這些函數(shù)值盡可能小，所以評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)該是理想系統(tǒng)達(dá)到的結(jié)果的一種表示。 優(yōu)化類型的選擇：ZEMAX可以使用幾種不同評(píng)價(jià)函數(shù)類型。缺省的評(píng)價(jià)函數(shù)通過(guò)使用四個(gè)基本選擇來(lái)構(gòu)建的，它們是：優(yōu)化類型，數(shù)據(jù)類型，參考點(diǎn)，和積分方法。PTV是波峰到波谷的簡(jiǎn)稱。在一些不常見(jiàn)的情況，RMS和誤差的最大范圍同樣不重要RMS是均方根的簡(jiǎn)稱。到目前為止，這種類型使用最為廣泛。RMS是所有單個(gè)誤差平方的平均值的平方根優(yōu)化步驟：優(yōu)化需要三個(gè)步驟：1）一個(gè)可以進(jìn)行光線追跡的合理光學(xué)系統(tǒng)；2）變量的設(shè)定；3）評(píng)價(jià)函數(shù)的設(shè)定。合理的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)比較模糊的

24、概念，它僅僅意味著通過(guò)優(yōu)化算法將一個(gè)缺乏考慮的設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化成一個(gè)優(yōu)秀的方案是不可能的（雖然有一些例外情況）。變量可在不同編輯界面中進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，在評(píng)價(jià)函數(shù)編輯界面中可以很容易地改變這些評(píng)價(jià)函數(shù)。3.1.3歸一化的視場(chǎng)和光瞳坐標(biāo)歸一化的視場(chǎng)和光瞳坐標(biāo)常常用在ZEMAX的程序和文件中，一共有四個(gè)Hx，Hy，Px和Py。Hx和Hy值是歸一化的視場(chǎng)坐標(biāo)；Px和Py值是歸一化的光瞳坐標(biāo)。歸一化的視場(chǎng)和光瞳坐標(biāo)代表了一個(gè)單位圓的點(diǎn)。視場(chǎng)的半徑尺寸（或當(dāng)視場(chǎng)用物高這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)表示時(shí)，其物體的高度）用來(lái)衡量歸一化視場(chǎng)坐標(biāo)，而入瞳半徑則用來(lái)衡量歸一化的光瞳半徑。例如，假設(shè)最大物高是10mm，經(jīng)常遇到的情況為：分別

25、在0，7和10 mm處定義了3個(gè)視場(chǎng)。坐標(biāo)（Hx=0，Hy=1）指的是一條從物體上邊緣點(diǎn)發(fā)出的光線即（x=0mm,y=10mm）。坐標(biāo)（Hx=-1，Hy=0）指的是一條從物平面（x=-10mm,y=0mm）處發(fā)出的光線。光瞳坐標(biāo)也用同樣的方式。使用歸一化坐標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是一組特定的光線有著相同的坐標(biāo)，它不隨著物體或入瞳的大小為質(zhì)的改變而改變。注意，歸一化坐標(biāo)總是在-1和1之間，而且有Hx2+Hy21, Px2+Py2113。3.2設(shè)計(jì)要求及分析具體設(shè)計(jì)過(guò)程是在了解光學(xué)設(shè)計(jì)基本思想的基礎(chǔ)上，結(jié)合題目要求選用合適的原始模型進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)學(xué)習(xí)ZEMAX軟件完成數(shù)據(jù)的優(yōu)化和調(diào)整，最終設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且?guī)в修D(zhuǎn)折

26、光路的手機(jī)照相鏡頭。主要內(nèi)容包括：（1） 光學(xué)設(shè)計(jì)基本原理的學(xué)習(xí)。（2） 基于手機(jī)照相鏡頭相應(yīng)要求的鏡頭組設(shè)計(jì)。（3） ZEMAX的應(yīng)用及對(duì)鏡頭的優(yōu)化調(diào)整。以下為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：物距：1000mmFNO : 4畸變q：2像高：5.9mm視場(chǎng)角：60中心視場(chǎng)MTF160LP/mm:0.30.7視場(chǎng)MTF120LP/mm:0.2對(duì)要求進(jìn)行分析：物距即最近拍攝距離。相對(duì)孔徑與F數(shù)互為倒數(shù)，F(xiàn)數(shù)即光圈數(shù)，可以決定系統(tǒng)光通量，像面照度與F數(shù)成反比，F(xiàn)數(shù)越大，通過(guò)系統(tǒng)的光線越少，像面照度越低，反之通過(guò)系統(tǒng)的光線越多，像面照度也越大；畸變僅由主光線決定，會(huì)引起像的變形，但并不影響像的清晰度；對(duì)于一般光學(xué)系統(tǒng)只

27、要眼睛感覺(jué)不出像的明顯變形(q4%)就行1。而對(duì)手機(jī)鏡頭來(lái)說(shuō)要控制在2%以內(nèi)；像高的大小是由感光元件的對(duì)角線尺寸決定；手機(jī)鏡頭與照相物鏡類似屬于大相對(duì)孔徑和大視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)；MTF的線對(duì)計(jì)算公式也就是截止頻率或極限分辨率2。截止頻率=1/2a a為感光元件（CCD或CMOS）像素尺寸的大小，單位：m 本課題所要做的工作就是設(shè)計(jì)出能夠滿足以上技術(shù)要求的手機(jī)照相鏡頭。 3.3初始結(jié)構(gòu)的選擇初始結(jié)構(gòu)的選擇很重要，只有初試結(jié)構(gòu)選取合適，后續(xù)工作才有意義。常無(wú)法一次選定最合適的結(jié)構(gòu)，被選定的結(jié)構(gòu)需經(jīng)一定的校正后確定是否可用。在實(shí)際選取過(guò)程中，是一個(gè)隨機(jī)挑選的過(guò)程，原則是選取一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能接近的照相鏡

28、頭。本課題所選初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：表3.1 手機(jī)照相鏡頭初始數(shù)據(jù)第1面：錐度：k=0.373514 非球面系數(shù): A1=-2.331589E-004,A2=1.254983E-006,A3=-1.053806E-007, A4=-9.95360E-009。第2面：錐度：k=3.065972 非球面系數(shù)：A4=-7.054476E-004,A6=-5.582690E-007, A8=2.676362E-007,A10=-4.420895E-008。第3面：錐度：k=-1.501935 非球面系數(shù)：A4=-8.974880E-004,A6=-1.262693E-006, A8=-1.959680E-

29、007,A10=-4.084736E-008。第4面：錐度：k=-1.213018 非球面系數(shù)：A4=-2.869360E-004,A6=-9.771874E-008, A8=-1.298983E-007,A10=2.661842E-009。第5面：錐度：k=-40.039110 非球面系數(shù)：A4=-1.530080E-004,A6=-1.670461E-007, A8=2.323546E-009,A10=5.852221E-011第6面：錐度：k=1.427486 非球面系數(shù)：A4=-2.329689E-004,A6=-9.305402E-007, A8=-1.709606E-009,A10

30、=3.353155E-012。 圖3.1 初始結(jié)構(gòu)二維光路圖從該初始二維光路圖可看到光線的聚焦性并不好,尤其是邊緣視場(chǎng)處，因此需要后期的像差初步校正和優(yōu)化。且總長(zhǎng)超過(guò)25mm,不適于應(yīng)用在手機(jī)上。因此還要通過(guò)后期調(diào)整和優(yōu)化盡量減小其長(zhǎng)度。該結(jié)構(gòu)中三片透鏡所用材料依次為丙烯酸樹(shù)脂，聚碳酸酯POLYCARB和非晶型聚烯烴ZEONEX，丙烯酸樹(shù)脂具有良好的耐腐蝕性，耐光性和耐水性，硬度適中，耐沖擊性好。聚碳酸酯沖擊韌性好、機(jī)械強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、不易變形；有優(yōu)良的耐熱耐寒性，可在60-130長(zhǎng)期使用；吸水性低、耐磨和耐化學(xué)腐蝕性能等也較好；透明度接近于有機(jī)玻璃15。非晶型聚烯烴有以下特點(diǎn)：密度小，

31、比聚碳酸脂約低10%，有利于制品輕量化；飽和吸水率?。挥捎诤袠O性和異向性小的單體，因而為非晶型透明材料，雙折射率??；屬高耐熱性透明樹(shù)脂，玻璃化溫度達(dá)140170，玻璃化溫度是非晶型聚合物的耐熱性指標(biāo)；容易注射成型；機(jī)械性能優(yōu)良，拉伸強(qiáng)度，彈性模量比聚碳酸脂高；優(yōu)良的復(fù)制性，故制品質(zhì)量高；介電常數(shù)低，特別是高頻性能好，是熱塑性塑料中介電性能最好的材料；耐擦傷性良好，耐擦傷性是光學(xué)材料的一個(gè)重要性能指標(biāo)；它為 綠色塑料，不純物含量極少；耐化學(xué)藥品性、耐酸性、耐堿性優(yōu)良16。3.3.1 視場(chǎng)角的確定視場(chǎng)角一般用度來(lái)表示，其測(cè)量一般依據(jù)近軸入瞳的位置。光軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的角是正的，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)形成

32、的角是負(fù)的。因而正的視場(chǎng)角其物體坐標(biāo)是負(fù)的，其光線斜率是正的。視場(chǎng)角作為鏡頭初始指標(biāo)，根據(jù)要求控制在60度，則半視場(chǎng)角為30度，本課題選取了三個(gè)視場(chǎng)，即中心視場(chǎng)，0.7視場(chǎng)和邊緣視場(chǎng)，反應(yīng)在Y-視場(chǎng)上就是30與0，0.7和1分別相乘的結(jié)果。如表3.3所示為半孔徑角對(duì)應(yīng)入瞳處的坐標(biāo)值。 圖3.2 視場(chǎng)坐標(biāo)3.3.2 F數(shù)的確定 F數(shù)的確定很簡(jiǎn)單，如下圖選擇光圈類型后輸入光圈數(shù)值即可。它是評(píng)價(jià)系統(tǒng)光通量的指標(biāo)，F(xiàn)數(shù)越小，光通量越大數(shù)，它在數(shù)值上是相對(duì)孔徑的倒數(shù)。題目要求的F數(shù)為4，因此在下圖所示的光圈數(shù)值處填入4即可。 圖3.3 F數(shù)的確定3.3.3 工作波長(zhǎng)的選擇工作波長(zhǎng)是可見(jiàn)光范圍，從380n

33、m到760nm.由于在系統(tǒng)模擬過(guò)程中只能使用定量，無(wú)法真正模擬實(shí)際情況，也就無(wú)法設(shè)定連續(xù)數(shù)值,只能選取幾個(gè)定值。具體確定過(guò)程如下圖所視。主波長(zhǎng)為圖中第2個(gè)波長(zhǎng)，值為0.58756180微米。ZEMAX在運(yùn)行時(shí)有時(shí)使用全部三種波長(zhǎng)，有時(shí)只使用主波長(zhǎng)。 圖3.4 工作波長(zhǎng)選擇3.3.4調(diào)制傳遞函數(shù)圖如下圖3.5 MTF圖該圖體現(xiàn)了除畸變外的所有像差的綜合情況。橫軸對(duì)應(yīng)的是物體空間頻率，縱軸對(duì)應(yīng)的某一頻率對(duì)應(yīng)的像方對(duì)比度與物方對(duì)比度之比，即對(duì)比度的衰減情況。 由此圖可見(jiàn)，調(diào)制傳遞函數(shù)所體現(xiàn)的系統(tǒng)頻率傳遞性很差，截止頻率很低。到80lp/mm時(shí)就基本衰減為零了。基本無(wú)法傳遞物體細(xì)節(jié)信息。需要大幅度地改

34、善，提高其高頻傳遞能力。3.3.5七種塞得像差分別為圖3.6 塞得像差由以上數(shù)據(jù)可知，軸向色差，橫向色差，場(chǎng)曲和慧差基本能夠滿足要求，而球差，像散較大，最嚴(yán)重的是畸變，而畸變是課題要求的重要指標(biāo)。因此需要進(jìn)一步減小。3.3.6場(chǎng)曲和畸變圖 圖3.7 場(chǎng)曲畸變圖由此圖可直觀地看到上面所列像差中畸變和場(chǎng)曲的情況。和上面論述的是相對(duì)應(yīng)的。左側(cè)為場(chǎng)曲圖，橫坐標(biāo)表示場(chǎng)曲量，縱坐標(biāo)表示視場(chǎng)坐標(biāo)，不同顏色表示不同的工作波長(zhǎng)。而其上方標(biāo)有T的表示子午場(chǎng)曲，標(biāo)有S的表示弧失場(chǎng)曲。一般用其平均值即平均場(chǎng)曲來(lái)評(píng)價(jià)綜合情況。圖中對(duì)應(yīng)的最大值已達(dá)2.5,會(huì)對(duì)成像質(zhì)量造成較大影響。右側(cè)為畸變，從圖中可見(jiàn)，畸變最大值達(dá)到4

35、.5%。和要求的小于2%有較大差距。3.3.7點(diǎn)列圖如下 圖3.8 點(diǎn)列圖通過(guò)此圖可直觀地看出光線經(jīng)系統(tǒng)追跡后情況，圖框中的數(shù)據(jù)中給出了主光線在像面的交點(diǎn)與所有光線在像面交點(diǎn)距離的均方根值，也給出了最大距離。均方根值(RMS RADIUS)為119.770,最大距離(GEO RADIUS)為572.890,都很大，需要減小。3.3.8光線特性曲線圖 圖3.9 光線特性曲線圖光線特性曲線反映了以光瞳坐標(biāo)為坐標(biāo)的任一光線與主光線在像面交點(diǎn)的偏差，和點(diǎn)列圖有類似的含義，只是表達(dá)方式不同而已。從此圖可見(jiàn)，邊緣視場(chǎng)的在光瞳縱坐標(biāo)端點(diǎn)處對(duì)應(yīng)光線與主光線在像面的交點(diǎn)位置距離最大，達(dá)到了-0.5.和點(diǎn)列圖所反

36、映的像差情況相同。需要減小。3.4 像差的初步校正3.4.1初步校正后的數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)比調(diào)整后的數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)之間的變化，得知第四面和第五面的曲率半徑大小對(duì)光路聚焦性有較大影響，且均隨其值的增大而改善。同時(shí)，通過(guò)減小第六面與像面的距離也對(duì)聚焦性有促進(jìn)作用。另外，離物面較近的面的非球面參數(shù)對(duì)聚焦性也有一定影響，全部非球面的錐度和離像面較近的非球面參數(shù)對(duì)聚焦性基本無(wú)影響。通過(guò)增大原數(shù)據(jù)中的第四面的曲率半徑，系統(tǒng)球差和畸變減小。通過(guò)增大第五面的曲率半徑，系統(tǒng)慧差和像散減小。在減小第六面到像面的距離后，未對(duì)像差造成影響，實(shí)現(xiàn)了整體長(zhǎng)度的減小。通過(guò)增大第一非球面系數(shù)的A1,A2和A4,少量減小了球差和慧差。

37、而調(diào)整了的第一面的A3,第二面的A1和第三面A2,A3和A4對(duì)后期的優(yōu)化有一定作用，在此并未對(duì)像差造成影響。 表3.2 校正后數(shù)據(jù) 初步像差校正后六個(gè)面仍全部為非球面，非球面參數(shù)如下：（錐度未變）第1面：錐度：k=0.373514 非球面系數(shù): A1=-1.131589E-004,A2=2.254983E-007,A3=-6.053806E-007, A4=-5.953600E-009。第2面：錐度：k=3.065972 非球面系數(shù)：A4=-5.054476E-004,A6=-5.582690E-008, A8=2.676362E-007,A10=-4.420895E-008。第3面：錐度：k

38、=-1.501935 非球面系數(shù)：A4=-8.974880E-004,A6=-2.262693E-006, A8=-2.959680E-007,A10=-2.084736E-008。第4面：錐度：k=-1.213018 非球面系數(shù)：A4=-2.869360E-004,A6=-9.771874E-008, A8=-1.298983E-007,A10=2.661842E-009。第5面：錐度：k=-40.039110 非球面系數(shù)：A4=-1.530080E-004,A6=-1.670461E-007, A8=2.323546E-009,A10=5.852221E-011第6面：錐度：k=1.427

39、486 非球面系數(shù)：A4=-2.329689E-004,A6=-9.305402E-007, A8=-1.709606E-009,A10=3.353155E-012。3.4.2二維光路圖如下 圖3.10 二維光路圖由此圖可見(jiàn)，光線經(jīng)系統(tǒng)的聚焦性大大改善，但整體長(zhǎng)度仍然很長(zhǎng)，六個(gè)面仍全部為非球面，不易實(shí)現(xiàn)，后期的優(yōu)化工作將以再次提高聚焦性，減小整體長(zhǎng)度和盡量減少非球面?zhèn)€數(shù)為目標(biāo)。3.4.3調(diào)制傳遞函數(shù)圖如下： 圖3.11 MTF圖該圖顯示的調(diào)制傳遞函數(shù)圖與初始圖相比改進(jìn)并不大，離課題要求也很遠(yuǎn)，這是由于手調(diào)本身有很大的局限性，無(wú)法對(duì)傳遞函數(shù)這種高級(jí)指標(biāo)直接控制。必須運(yùn)用ZEMAX的優(yōu)化功能來(lái)完成

40、這項(xiàng)工作。其中塞得像差為 表3.3 塞得像差從數(shù)據(jù)上看，畸變有較大程度減小。從-0.336426減小到-0.070681其它像差變化不大。因此后續(xù)優(yōu)化將盡量減小剩余的像差以及高級(jí)像差。3.4.4場(chǎng)曲畸變圖 圖3.12 場(chǎng)曲畸變圖從圖中可直觀地看到場(chǎng)曲和即變的情況，和像差數(shù)據(jù)所表示的是相符的?；?cè)?.5%以內(nèi)，和原畸變對(duì)比改善非常大，已達(dá)課題要求，但場(chǎng)曲仍很大，下一步將以減小場(chǎng)曲至不影響成像質(zhì)量為止，課題中沒(méi)有嚴(yán)格要求，約在0.1左右即可。3.4.5點(diǎn)列圖 圖3.13 點(diǎn)列圖和初始點(diǎn)列圖對(duì)比，RMS RADIUS從119.770減小為106.053。GEO RADIUS 從527.890減小到

41、220.537。前者減小的不多，后者減小的很多。3.4.6光線特性曲線圖 圖3.14 光線特性曲線圖光線特性曲線圖經(jīng)初步調(diào)整而改善，從圖中可直觀看到曲線圖基本不變，而坐標(biāo)范圍減小為原來(lái)的一半。但這還需要優(yōu)化來(lái)將其近一步改善。初步校正后的系統(tǒng)的各種像差都有一定程度的改善，但離總體目標(biāo)水平還有很大差距，傳遞函數(shù)并不理想，須用優(yōu)化功能進(jìn)行關(guān)鍵的調(diào)試。3.5系統(tǒng)優(yōu)化3.5.1優(yōu)化數(shù)據(jù)優(yōu)化過(guò)程涉及多個(gè)變量，包括曲率半徑，厚度，材料參數(shù)，非球面錐度和高階參數(shù)。優(yōu)化的對(duì)象很多，變量的選取和配合至關(guān)重要。系統(tǒng)參數(shù)是基于課題的指標(biāo)要求的，如果用物體或像的高度來(lái)描述視場(chǎng)點(diǎn)時(shí)，就要用透鏡長(zhǎng)度單位表示高度。當(dāng)像高被用

42、來(lái)描述視場(chǎng)時(shí)，是在光學(xué)系統(tǒng)的完善轉(zhuǎn)換的情況下實(shí)現(xiàn)的，即近軸情況。因?yàn)槿绻皇墙S情況，光學(xué)系統(tǒng)會(huì)有畸變，引起像的變形，造成物與像不相似，這種轉(zhuǎn)換就不完善。但畸變不大的情況下對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略，即物象相似度很大，可近似用像高描述視場(chǎng)。調(diào)節(jié)鏡片厚度可以平衡光線，使光線更集中。當(dāng)將玻璃設(shè)為變量進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選擇并確認(rèn)一個(gè)玻璃庫(kù)中與最優(yōu)值相近的玻璃17。本課題設(shè)計(jì)的是照相系統(tǒng)，屬大像差系統(tǒng)，須校正全部七種像差18，其中色差是靠改變材料的折射率和像散系數(shù)來(lái)校正的，而初始結(jié)構(gòu)中的光學(xué)材料各自有其良好的特性，所以在實(shí)際優(yōu)化中并未對(duì)透鏡材料進(jìn)行調(diào)整，但兩種色差均達(dá)到很小，滿足了設(shè)計(jì)要求。針對(duì)剩下的五

43、種像差（球差，彗差，像散，場(chǎng)曲，畸變），分別選取相應(yīng)的操作數(shù)進(jìn)行有目標(biāo)的優(yōu)化，它們依次分別是：SPHA,COMA,ASTI,FCUR,DIST。在操作數(shù)選定后，需要對(duì)變量進(jìn)行選取，變量包括曲率半徑，厚度，材料，非球面錐度和參數(shù)。操作數(shù)雖然是對(duì)優(yōu)化做貢獻(xiàn)的，但并不是越多越好。對(duì)它們的選取是一個(gè)不斷嘗試的過(guò)程，并不能很快選定合適的操作數(shù)。選擇何種操作數(shù)，多少操作數(shù)都是需要不斷嘗試來(lái)確定的。在每次選定若干操作數(shù)后，都要進(jìn)行優(yōu)化操作，根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果決定下一步操作數(shù)的修改，也可同時(shí)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，事實(shí)上，在本課題中，我發(fā)現(xiàn)手調(diào)和優(yōu)化的配合進(jìn)行比單純的優(yōu)化要好，可防止優(yōu)化本身走向極端，因?yàn)閮?yōu)化的目標(biāo)主要是傳

44、遞函數(shù)和相關(guān)的像差，并沒(méi)有設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)的合理話，因此優(yōu)化的同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)加以調(diào)整使其合理化是本次設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。本課題最終優(yōu)化結(jié)果如下：表3.4最終優(yōu)化數(shù)據(jù) 第3面：錐度：k=4.839520 非球面系數(shù)：A4=0.035960(V),A6=-2.262693E-006, A8=1.443025E-004(V),A10=5.626583E-004。第4面：錐度：k=-2.628929 非球面系數(shù)：A4=0.027055(V),A6=3.389939E-004(V), A8=-1.941095E-005(V),A10=2.661842E-009。第5面：錐度：k=-15.691499 非球面系數(shù)：A4

45、=-1.530080E-004,A6=-3.963644E-006(V), A8=2.323546E-009,A10=5.852221E-011第6面：錐度：k=-0.705559 非球面系數(shù)：A4=-9.650302E-004(V),A6=-9.305402E-007, A8=-1.849310E-006(V),A10=3.353155E-012。 前兩個(gè)面由原來(lái)的非球面改為球面，后四個(gè)面仍全部為非球面。標(biāo)有V的為優(yōu)化變量。3.5.2二維光路圖所選光線波長(zhǎng)為可見(jiàn)光范圍，分別為：0.486，0.5876，0.656，單位為m。其中把波長(zhǎng)為0.5876m的定為主波長(zhǎng)，而主光線是全視場(chǎng)入射，穿過(guò)入

46、瞳中心并落在像面上的光線。圖中光線為各視場(chǎng)的光錐。見(jiàn)圖3.11。 圖3.15 二維光路圖3.5.3 點(diǎn)列圖 點(diǎn)列圖中的點(diǎn)即艾里斑，它表征了同一視場(chǎng)光線偏離主光線的程度，和聚焦度相對(duì)應(yīng)。數(shù)據(jù)表示是通過(guò)艾里斑的中心到邊緣距離的均方根或最遠(yuǎn)兩點(diǎn)間距離來(lái)完成的。點(diǎn)列圖的點(diǎn)越小說(shuō)明光線聚焦性越好。從圖3.2中可以看到各個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)是不同的，說(shuō)明各個(gè)視場(chǎng)的光線在像面上偏離主光線的程度是不同的，中心視場(chǎng)偏離程度最小，視場(chǎng)越大，偏離程度越大19。這主要是由于基于球差的畸變，慧差等像差隨視場(chǎng)增大而增大。本圖點(diǎn)列尺寸能夠滿足要求。下圖中RMS RADIUS值為5.65。GEO RADIUS值為25.45,較優(yōu)化前有很

47、大程度地減小。 圖3.16 點(diǎn)列圖3.5.4場(chǎng)曲畸變示意圖畸變是課題要求的主要像差，會(huì)引起像的變形，并不影響清晰度,通常小于4%時(shí)即可不影響像質(zhì)，而對(duì)于本課題手機(jī)照相鏡頭要求小于2% 。而對(duì)于場(chǎng)曲并無(wú)嚴(yán)格要求，優(yōu)化后也已達(dá)很小值，滿足像差要求。如圖3.17所示。 圖3.17 場(chǎng)曲畸變圖從圖中可見(jiàn)子午場(chǎng)曲遠(yuǎn)大于弧失場(chǎng)曲，而子午場(chǎng)曲最大值為0.19。基本不影響像質(zhì)。畸變量為-1.07到1.76之間，滿足2%的要求。3.5.5 MTF分析圖調(diào)制傳遞函數(shù)作為照相鏡頭的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，表征了物體頻率信息的傳遞情況，而傳遞的對(duì)象是調(diào)制度，調(diào)制度指的是正弦強(qiáng)度分布函數(shù)的對(duì)比度（即振幅）。而系統(tǒng)對(duì)物體信息傳遞的

48、好壞就是靠振幅的衰減程度來(lái)評(píng)價(jià)的。當(dāng)某一頻率的振幅衰減為零時(shí)，該頻率被截止。如圖3.4為本課題最終系統(tǒng)MTF圖。 圖3.18 MTF分析圖由圖可見(jiàn)，中心視場(chǎng)，0.7視場(chǎng)和邊緣視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線從上到下依次排列，中心視場(chǎng)的子午和弧矢?jìng)骱€重合，說(shuō)明中心視場(chǎng)的子午面和弧矢面確定的像方相互垂直的兩個(gè)線視場(chǎng)上的對(duì)比度的傳遞水平無(wú)差異。而0.7視場(chǎng)和邊緣視場(chǎng)的差異都很明顯，且邊緣視場(chǎng)大于0.7視場(chǎng)。說(shuō)明這種差異會(huì)隨視場(chǎng)增大而增大。調(diào)試過(guò)程中我盡量使各曲線接近，但無(wú)法做到重合，最終仍然有明顯間距，但已滿足設(shè)計(jì)要求。攝影鏡頭在景物信息的傳遞過(guò)程中，一般存在著明顯的失真現(xiàn)象。用不同攝影鏡頭在相同情況下，

49、對(duì)同一空間頻率的景物成像時(shí)，由于各鏡頭對(duì)像差校正的程度不同，因而不同鏡頭的MTF值的大小一般不相同。對(duì)鏡頭像差校正得愈好者，則其MTF值愈高；反之MTF值愈低，這將會(huì)使該攝影鏡頭在信息傳遞過(guò)程中的失真變大。MTF能反映除畸變外的所有其它像差，因?yàn)榛兪遣挥绊懗上袂逦鹊摹＠硐胂竦腗TF曲線形狀，是一條MTF值為1的水平直線，即在各種空間頻率處MTF值均為1。表示信息完全無(wú)失真?zhèn)鬟f。而實(shí)際攝影鏡頭在傳遞信息的過(guò)程中，高頻部位的損失要遠(yuǎn)比低頻部位的損失大些，這將導(dǎo)致所攝影像的細(xì)部明銳度出現(xiàn)較大的損失。即MTF曲線不可能為水平直線20。圖3.5和3.6顯示了0.7視場(chǎng)和中心視場(chǎng)的MTF曲線。 圖3.

50、19 0.7視場(chǎng)的MTF圖由此圖可見(jiàn)，0.7視場(chǎng)的傳遞函數(shù)曲線的子午和弧矢偏差較小,物方空間頻率120lp/mm的MTF子午弧矢平均值為0.53,即在像方衰減為原來(lái)的0.53。大于0.2。滿足了設(shè)計(jì)要求。 圖3.20 中心視場(chǎng)的MTF圖由此圖可見(jiàn)，中心視場(chǎng)的MTF曲線圖的子午和弧失偏差為零。物方空間頻率160lp/mm的MTF值為0.52。大于0.3。滿足了設(shè)計(jì)要求。它是由以下像差綜合體現(xiàn)出來(lái)的。包括了塞得像差和波前差（高級(jí)像差）。表3.5 塞得像差和波前差3.5.6光線特性曲線圖光線特性曲線顯示的是作為光瞳坐標(biāo)的函數(shù)的光線像差。是評(píng)價(jià)鏡片好壞的工具，涉及色散，離焦和漸暈等現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的傾斜表示有離焦現(xiàn)象存在，這是因?yàn)榧?xì)光束錐照射在像面上時(shí)周圍光線與主光線的偏差存在，即無(wú)法完善聚焦21。該曲線無(wú)法描述所有像差，特別是像平面傾斜或系統(tǒng)為非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，只能判斷系統(tǒng)中有哪種像差。是對(duì)系統(tǒng)的不全面描述。本課題的光線特性曲線圖如圖3.21所示