用CODE V设计一个数码相机镜头.doc

用 CODE V 设计一个数码相机镜头目录[隐藏]  1 用 CODE V 设计一个数码相机镜头  o 2.1 一个简单的数码相机镜头 o 2.2 设计规格 o 2.3 定焦数码 VGA 相机物镜规格 3 新镜头向导 o 3.1 开始一个新镜头 o 3.2 专利数据库 o 3.3 定义系统数据 4 操作表面 o 4.1 镜头数据管理表格 o 4.2 表面的细节 o 4.3 改变并提交数据 o 4.4 画图 o 4.5 表面操作：缩放镜头 o 4.67．现在更新镜头图片窗口如下： o 4.7 新标题和开始：保存镜头 5 分析起始方案 o 5.1 快速像差曲线 o 5.2 快速点列图 o 5.3 畸变 o 5.4MTF（锐度） o 5.5 渐晕与照明 o 5.6 可行性分析 6 总结  7 关于优化 o 7.1 目的 o 7.2 方法规则 o 7.3 默认 o 7.4AUTO 过程 o 7.5 局部 VS.全局 8 游戏规则  9 变量 o 9.1 定义变量 o 9.2 使用 LDM o 9.3 虚拟玻璃 10 自动设计设置 o 10.1 一般性约束  10.1.1 一般厚度约束  10.1.2 玻璃图约束o 10.2 特殊约束 o 10.3 输出控制 o 10.4 误差函数定义和控制 o 10.5 保存您的设置并执行优化 11 理解自动设计的输出 o 11.1 误差函数 o 11.2AUTO 输出的标题 o 11.3AUTO 的每次循环的输出 o 11.4 约束贡献 12 分析结果并修改权重  13 最后的优化是注意事项  14 关于真实玻璃  15 关于焦深用 CODE V 设计一个数码相机镜头Doffery 2003-11-24一个简单的数码相机镜头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 4.74X3.55mm2(对角线 6mm)图像传感器（基线是 Agilent FDCS-2020）物镜 定焦，景深焦点 0.75M~Infinity焦距 定焦，6mm几何畸变 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% 400~700nmIR 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 Image F/Number，并输入3.5F/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 Tool>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(Surface 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）是灰色的，并且旁边还有一个小 S。