zemax专业课程设计专业资料.doc

目 录第一章 引 言1第二章 镜头构造设计指标22.1有关规格拟定22.2镜头总像素与COMS像素匹配22.3透镜材料及构造选取22.4材料厚度32.5 设计指标3第三章 zemax软件33.1 zemax软件简介33.1.1软件特色43.2zemax软件界面简介43.2.1 Lens Data Editor(LDE)43.2.2 Aperture（光圈）53.2.3 Wavelength Data(波长设定)53.3 zemax软件功能简介6第四章 500万像素手机镜头设计64.1初始构造选取64.1.1 500万像素手机镜头4P专利构造简介74.2设计成果74.2.1光路图74.2.2详细参数8第五章 成果分析，误差调试95.1误差调试95.2优化后分析105.2.1场曲和畸变105.2.2球差105.2.3.色差115.2.4 RMS Radius（均方根半径）125.2.5 MTF（光学调制传递函数）135.2.6 本设计达到指标14第六章 结论15参照文献16第一章 引 言图1 手机镜头设计流程图COMS传感器规格拟定光学设计参数确认镜头中镜片数量、材料拟定初始构造选取优化函数选取光学系统优化成像分析与性能评估从手机开始配备拍照功能以来，手机摄像头像素以很迅速度上涨，从最初10万像素到30万像素、100万像素、200万像素、300万像素、500万像素，再到当前800万像素，1000万像素。6月三星推出了全球首款1200万像素手机Pixonl2(M8910)，采用1200万像素CMOS图像传感器及289mm广角镜头，提供了足以媲美数码相机拍照等多项功能，可见手机大有将潮流卡片DC取而代之劲头。但是据调查，虽然像素始终在涨，但是500万以上像素手机由于价格比较高，市场占有率很低，当前200万像素和300万像素仍是摄像手机市场主流，而500万像素市场增长速度已明显增长。本文在合理选用初始构造基本上，优化设计了一款500万像素手机镜头，本设计流程图如图一。第二章 镜头构造设计指标2.1有关规格拟定对于普通摄像手机镜头，光圈普通取2.8左右，视场普通不不大于。对于手机镜头，后工作距不不大于O.5 mm即可，光学总长越短越好。此外，手机镜头普通用CMOS作为传感器，CMOS器件对镜头出射面主光线角度有一定限制，不同规格CMOS有不同主光线角度规定，这个CMOS厂家普通会提供。2.2镜头总像素与COMS像素匹配由于手机小型化体积，使得镜头总长有一定限制，普通要不大于1 cm，照相物镜视场角和有效焦距决定了摄入底片或图像传感器空间范畴，镜头所成半像高可用公式计算，其中为有效焦距，为视场角。防止CMOS装调偏离光轴而形成暗角，半像高应稍不不大于图像传感器CCD或CMOS有效成像面对角线半径一半。咱们选取Aptina一款型号为MT9P013500万像素CMOS，尺寸为0.794 mm(1/3.2英寸)，每个感光单元最小像素尺寸为1.75，对角线长5.68 mm，半像高应当不不大于2.84mm。通过计算半像高约为2.887mm，与对角线长度基本吻合。2.3透镜材料及构造选取摄像系统属于大视场大孔径系统，因而需要校正像差也大大增长，构造也比较复杂为了保证成像质量，需要校正所有7种初级像差。500万像素手机镜头惯用构造有2G2P，1G3P或者4P，依照不同组态和不同材料可以设计出不同构造。球面透镜从中心到边沿只有一种恒定曲率，在设计过程中只有一种设计自由度，如果仅用球面透镜来校正像差，经常需要采用各种透镜组合复杂构造。 非球面透镜镜头中心到边沿曲率持续发生变化，理论上说有无限个设计自由度，同步，非球面透镜可以校正球差、色差和彗差等诸多像差，可以减少镜头中镜片数量，提高成像质量，使得镜头设计达到短小轻薄目。然而就透镜材料而言，虽然玻璃非球面无论从折射、透光性和耐高温等性能方面还是成像质量方面都要比塑胶非球面镜片高得多，但其成本相对高诸多，因而为了用低成本得到更好成像质量，手机镜头大多采用塑料非球面透镜。因而在这里咱们采用4P构造塑料非球面透镜组。2.4材料厚度为了满足实际光学加工需求，光学材料厚度不能太小，对于普通塑料材料，中心和边沿厚度都应不大于0.35mm，特殊材料可以做更小，这与材料性质有一定关系。2.5 设计指标表1 设计指标视场角F/#光学总长总像素畸变场曲602.86mm500万2%）”按钮。如图4。图4 波长输入界面3.3zemax软件功能简介zemax可以用于一种完全序列性模式中、一种完全非序列性模式中和一种混合模式中，混合模式对分析具备大某些序列性而却有某些元件是作用在非序列性方式系统，是相称有用。序列性系统需要定义视场角（field of view）、波长范畴和表面资料。序列性设计最重要参数之一，为系统孔径。系统孔径常指入射瞳或孔径光阑，它限制可从已定义视场入射光学系统光线。Zemax软件中有某些功能可以用来分析系统，涉及光点图（spot diagrams）、光扇图（ray fan）和光程差图（OPD fan）等等，这些功能会在4.2节优化后分析详细一一简介。第四章 500万像素手机镜头设计4.1初始构造选取一种完美设计普通从初始构造选取开始，初始构造选取好坏，关系到设计成功与否。对于光学设计者来说，最佳最快办法是直接从专利中选用一种恰当构造作为初始构造，然后优化。如果靠设计者自己去建立一种初始构造是比较困难，需要近年设计经验和丰富像差理论知识。本设计初始构造采用了一种专利雏形构造。选取初始构造原则是视场和光圈与设计规定相称，材料为四片，焦距通过缩放镜头办法可以达到规定。4.1.1 500万像素手机镜头4P专利构造简介新型公开了一种500万像素手机摄像头光学镜头组件，涉及镜筒，镜筒内自物方向像方共光轴依次安装有正屈光度第一非球面塑胶镜片、负屈光度第二非球面塑胶镜片、正屈光度第三非球面塑胶镜片和负屈光度第四非球面塑胶镜片，第二非球面塑胶镜片与第一非球面塑胶镜片、第三非球面塑胶镜片之间分别安装有第一光阑和第二光阑，第三非球面塑胶镜片和第四非球面塑胶镜片之间安装有隔圈，第四非球面塑胶镜片外侧安装有压圈，其非球面次数达14阶，折射率达1.6以上，成像质量好、总厚度小、亮度高、视场角大，具备良好耐热性及稳定性，适配于500万像素CCD、CCMOS等手机摄像头成像器件，能满足手机轻薄化、小型化规定。4.2设计成果4.2.1光路图运用ZEMAX 工程光学设计软件对其进行了模仿设计和优化，其优化后光学系统如图5所示。图5光学系统二维图4.2.2详细参数本设计详细参数如表2和表3所示表2 光学镜头参数这4片透镜均采用偶次非球面，最高阶数为12阶。非球面面形公式可采用下式表达： (1)式中，Y为离非球面轴径向距离,X为相应垂直距离，C为顶点曲率,A为二次常数，B,D，H为非球面多项式系数。各非球面多项式系数表如表3.表3 各非球面多项式系数表第五章 成果分析，误差调试5.1误差调试Zemax中误差调试有各种办法，可供顾客选取。在这里选用将成像面移至焦点处减小误差。 对于透镜焦距，软件会自动依照使用者所设计镜面自动算出。在软件功能表中选取【tool】-【miscellaneous】-【quick focus】，界面显示如图6图6 迅速聚焦界面5.2优化后分析5.2.1场曲和畸变畸变仅由主光线光路决定，它只引起像变形，对像清晰度并无影响。因而对于普通光学系统，只有感觉不出像变形（光学畸变0.15， 而0.7视场以外区域仅是像面一角，其像质相对重要性可以低某些.如图，可以看出中心视场在285lp/mm时，MTF0.15,可以获得相对优质像。图10 MTF（光学调制传递函数）5.2.6 本设计达到指标在本次设计中，视场角度数达到65，比预期60要大。同步光学总长为5.682mm比预期值6mm要小诸多，适应了手机镜头小巧化、轻便化发展趋势。同步，本设计中选用了Aptina一款型号为MT9P013500万像素CMOS，最小像元R=1.75，即镜头辨别率要达到285线对，从MTF（光学调制传递函数）中可以看出中心视场在285lp/mm时，MTF0.15,可以获得相对优质像。达到了500万像素设计指标。畸变不大于2%，不会使图像变形。综上，本次设计手机镜头较好达到了预定指标，视场角比预定角度更加辽阔，而镜头自身更加机灵。表4 本设计达到指标视场角F/#光学总长总像素畸变场曲652.85.682mm500万2%0.05mm第六章 结论本次课程设计我所做是助视仪原理及应用，通过本次课程设计，我阅读大量文献，设计500万像素手机镜头，较好锻炼了我独立思考能力。本次课程设计中我受益匪浅。从理论到实践，在这段日子里，学到了诸多实际应用可以用到某些东西，不再是死读书，读死书了。通过学习光学设计软件ZEMAX，561页中文简化教程，几乎是没日没夜重复在在看，一遍一遍上机操作，从纯英文转变成到中文可以理解过程，从对界面一概不知到能设计光路图过程，都是一种个艰伤心程，花了诸多心思和精力在上面，身边没有可以请教人，唯有自己慢慢钻研，最后能手机出一种光路图让我很是惊喜，诸多努力没有白费掉。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合重要性。只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才干真正学到东西，从而提高自己实际操作能力和独立思考能力。 这次设计中，有诸多欠考虑地方，感谢邢教师指引，让我从片面理解到更加进一步理解，直至最后做出成果。参照文献1 郁道银,谈恒英.工程光学. 机械工业出版社.2 李林.当代光学设计办法.北京理工大学出版社.93 沈常宇.ZEMAX光学辅助设计简要教程.中华人民共和国计量学院光电子技术研究所4 王之江,顾培森. 实用光学技术手册M. 机械工业出版社,.01.5 徐德衍,王青,高志山. 现行光学元件检测与国际原则M.科学出版社,.07 6 文静500万像素手机镜头光学设计J激光与光电子学进展.4 7 刘茂超，张雷，刘沛沛300万像素手机镜头设计J应用光学. 8 张前平，邓冈锋，曾阳素照相镜头设计中非球面应用J邵阳学院学报. 9 刘茂超，张雷，刘沛沛，等300万像素手机镜头设计J应用光学，