zemax课程设计样本.doc

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目 录
第一章 引 言 1
第二章 镜头结构的设计指标 2
2.1相关规格的确定 2
2.2镜头总像素与COMS像素的匹配 2
2.3透镜材料及结构的选择 2
2.4材料的厚度 3
2.5 设计指标 3
第三章 zemax软件 3
3.1 zemax软件简介 3
3.1.1软件特色 4
3.2zemax软件界面介绍 4
3.2.1 Lens Data Editor(LDE) 4
3.2.2 Aperture( 光圈) 5
3.2.3 Wavelength Data(波长设定) 5
3.3 zemax软件功能简介 6
第四章 500万像素手机镜头设计 6
4.1初始结构选择 6
4.1.1 500万像素手机镜头4P专利结构简介 7
4.2设计结果 7
4.2.1光路图 7
4.2.2详细参数 8
第五章 结果分析, 误差调试 9
5.1误差调试 9
5.2优化后的分析 10
5.2.1场曲和畸变 10
5.2.2球差 10
5.2.3.色差 11
5.2.4 RMS Radius( 均方根半径) 12
5.2.5 MTF( 光学调制传递函数) 13
5.2.6 本设计达到指标 14
第六章 结论 15
参考文献 16

第一章 引 言
图1 手机镜头设计流程图
COMS传感器规格的确定
光学设计参数确认
镜头中镜片数量、 材料确定
初始结构选择
优化函数选择
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, 手机摄像头的像素以很快的速度上涨, 从最初的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, 再到现在的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的拍照等多项功能, 可见手机大有将时尚卡片DC取而代之的劲头。不过据调查, 虽然像素一直在涨, 可是500万以上像素手机由于价格比较高, 市场占有率很低, 现在200万像素和300万像素仍是摄像手机市场主流, 而500万像素的市场增长速度已显著增加。本文在合理选取初始结构的基础上, 优化设计了一款500万像素的手机镜头, 本设计流程图如图一。

第二章 镜头结构的设计指标
2.1相关规格的确定
对于普通摄像手机镜头, 光圈一般取2.8左右, 视场一般大于。对于手机镜头, 后工作距大于O.5 mm即可, 光学总长越短越好。另外, 手机镜头一般用CMOS作为传感器, CMOS器件对镜头出射面的主光线角度有一定的限制, 不同规格的CMOS有不同的主光线角度要求, 这个CMOS的厂家一般会提供。
2.2镜头总像素与COMS像素的匹配
由于手机的小型化体积, 使得镜头总长有一定限制, 一般要小于1 cm, 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间范围, 镜头所成的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, 半像高应稍大于图像传感器CCD或CMOS的有效成像面对角线半径的一半。我们选择Aptina的一款型号为MT9P013的500万像素CMOS, 尺寸为0.794 mm(1/3.2英寸), 每个感光单元的最小像素尺寸为1.75, 对角线长5.68 mm, 半像高应该不小于2.84mm。经过计算半像高约为2.887mm, 与对角线长度基本吻合。
2.3透镜材料及结构的选择
摄像系统属于大视场大孔径系统, 因此需要校正的像差也大大增加, 结构也比较复杂为了保证成像质量, 需要校正全部7种初级像差。500万像素手机镜头常见的结构有2G2P, 1G3P或者4P, 根据不同的组态和不同的材料能够设计出不同的结构。
球面透镜从中心到边缘只有一个恒定的曲率, 在设计过程中只有一个设计自由度, 如果仅用球面透镜来校正像差, 常常需要采用多个透镜组合的复杂结构。
非球面透镜镜头中心到边缘曲率连续发生变化, 理论上说有无限个设计自由度, 同时, 非球面透镜能够校正球差、 色差和彗差等诸多像差, 能够减少镜头中镜片的数量, 提高成像质量, 使得镜头设计达到短小轻薄的目的。
然而就透镜的材料而言, 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, 但其成本相对高很多, 因此为了用低成本得到更好的成像质量, 手机镜头大多采用塑料非球面透镜。因此在这里我们采用4P的结构的塑料非球面透镜组。
2.4材料的厚度
为了满足实际光学加工的需求, 光学材料厚度不能太小, 对于一般的塑料材料, 中心和边缘厚度都应小于0.35mm, 特殊材料能够做的更小, 这与材料的性质有一定的关系。
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
60
2.8
6mm
500万
<2%
<0.05mm

第三章 zemax软件
3.1 zemax软件简介
Zemax是一套综合性的光学设计模拟软件, 它将实际光学系统的设计概念、 优化、 分析、 公差及报表整合在一起。Zemax不只是透镜设计软件而已, 更是全功能的光学设计分析软件, 具有直观、 功能强大、 灵活、 快速、 容易使用等优点, 与其它软件不同的是zemax的CAD转换模式是双向的, 如IGES,STEP,SAT等格式都能够转入和转出。而且zemax能够模拟Sequential( 序列性) 和Non-Sequential(非序列性)的成像系统和非成像系统
3.1.1软件特色
※结合所有光学上的需求, 用一简单的操作界面来执行
※能够使用Sequential( 序列性) 和Non-Sequential(非序列性)模式运算
※表栏式表面输入及完整的表面资料库, 使编辑更加快速
※Solve指令功能, 帮助使用者设计
※完整的镜头及材质资料库
※多功能的分析图形
※多种优化方式供使用者设计
※对话窗式公差, 方便使用者分析公差
3.2zemax软件界面介绍
3.2.1 Lens Data Editor(LDE)
若要设计一个单镜片的光轴上使用, 首先zemax的lens data editor( LDE) 。如图1

图1 lens data editor( LDE)
在LDE 编辑器上, 能够看到3个不同的surface, 依次为OBJ, STO 及IMA。OBJ 就是发光物, 即光源; STO 即aperture stop( 孔径光阑) 的意思, STO 不一定是光照过来所遇到的第一个透镜, 在设计一组光学系统时, STO 可选在任一透镜上, 一般第一面镜就是STO, 若不是如此, 则可在STO 这一栏上按【Insert】键, 可前后加入所需要的镜片, 于是STO 就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane( 成像平面) 。而在STO 后面再插入的镜片, 编号为2, 一般OBJ为编号0, STO 为1, 而IMA 为3。( 如图2所示)
曲率半径
厚度
材质

图2 设计镜面编辑器
另外在STO列中的glass栏上, 能够选择所需的玻璃材质。在此, 曲率半径正负值遵守凡是圆心在镜面之右则为正值, 反之则为负值的原则。
3.2.2Aperture( 光圈)
光圈设置界面如图3。

图3 孔径值输入界面
3.2.3Wavelength Data(波长设定)
在主选单system下, 圈出wavelengths, 或者在视窗快捷键( wav) 点取, 然后键入所需的光波长, 可同时输入不同的波长。以入射可见光为例, 设置3个波长: 0.486, 0.587, 和0.656, 其中0.587为主波长( Primary wavelengths) 。这些步骤能够用一个操作来完成: 单击波长对话框底部的”选择( Select->) ”按钮。如图4。

图4 波长输入界面
3.3zemax软件功能简介
zemax能够用于一个完全序列性模式中、 一个完全非序列性模式中和一个混合模式中, 混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些元件是作用在非序列性方式的系统, 是相当有用的。
序列性系统需要定义视场角( field of view) 、 波长范围和表面资料。序列性设计的最重要参数之一, 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的光线。
Zemax软件中有一些功能能够用来分析系统, 包括光点图( spot diagrams) 、 光扇图( ray fan) 和光程差图( OPD fan) 等等, 这些功能会在4.2节优化后的分析具体一一介绍。
第四章 500万像素手机镜头设计
4.1初始结构选择
一个完美的设计一般从初始结构的选择开始, 初始结构的选择好坏, 关系到设计的成功与否。对于光学设计者来说, 最好最快的办法是直接从专利中选取一个适当的结构作为初始结构, 然后优化。如果靠设计者自己去建立一个初始结构是比较困难的, 需要多年的设计经验和丰富的像差理论知识。本设计的初始结构采用了一个专利的雏形结构。选择初始结构的原则是视场和光圈与设计的要求相当, 材料为四片, 焦距经过缩放镜头的办法能够达到要求。
4.1.1 500万像素手机镜头4P专利结构简介
新型公开了一种500万像素手机摄像头光学镜头组件, 包括镜筒, 镜筒内自物方向像方共光轴依次安装有正屈光度的第一非球面塑胶镜片、 负屈光度的第二非球面塑胶镜片、 正屈光度的第三非球面塑胶镜片和负屈光度的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的外侧安装有压圈, 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, 具有良好的耐热性及稳定性, 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、 小型化的要求。
4.2设计结果
4.2.1光路图
利用ZEMAX 工程光学设计软件对其进行了模拟设计和优化, 其优化后的光学系统如图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。非球面的面形公式可采用下式表示:
(1)
式中, Y为离非球面轴的径向距离,X为相应的垂直距离, 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 结果分析, 误差调试
5.1误差调试
Zemax中误差调试有多种方法, 可供用户选择。在这里选用将成像面移至焦点处减小误差。
对于透镜的焦距, 软件会自动根据使用者所设计的镜面自动算出。在软件功能表中选择【tool】--【miscellaneous】--【quick focus】, 界面显示如图6

图6 快速聚焦界面
5.2优化后的分析
5.2.1场曲和畸变
畸变仅由主光线的光路决定, 它只引起像的变形, 对像的清晰度并无影响。因此对于一般的光学系统, 只有感觉不出像的变形( 光学畸变<3%) ,这种像差就无妨, 如图7显示了本手机镜头的畸变和场曲。畸变控制在(-2%,2%)之内, 且场曲控制在( -0.05mm, 0.05mm) 之内, 显示这两种像差成像不影响。

图7 场曲和畸变
5.2.2球差
轴上点发出的同心光束经过光学系统后, 不再是同心光束, 不同入射高度的光线交光轴于不同位置, 相对近轴像点( 理想像点) 有不同程度的偏离, 这种偏离称为轴向球差, 简称球差。
由于单正透镜产生负球差, 单负透镜产生正球差, 因此本系统中, 经过正负透镜组合尽可能校正球差。图8给出了球差大小, 球差被控制在( -0.25mm, 0.25mm) 之内。

图8 球差
5.2.3.色差
光学材料对不同波长的色光有不同的折射率, 因此同一孔径不同色光的光线经光学系统后与光轴有不同的交点。不同孔径不同色光的光线与光轴的交点也不相同。在任何像面位置, 物点的像是一个彩色的弥散斑。各种色光之间成像位置和成像大小的差异称为色差。
轴上点两种色光成像位置的差异称为位置色差, 也叫轴向色差。本实验采用的CMOS尺寸为0.794 mm(1/3．2英寸), 每个感光单元的最小像素尺寸为1.75从图9中能够看出轴向色差小于0.6563, 完全小于一个像素1.75, 说明不会使画面色彩变晕。

图9 轴向色差
5.2.4 RMS Radius( 均方根半径)
从一点发出的许多光线经光学系统后, 因像差使其与像面的焦点不再集中于同一点, 而形成了一个散布在一定范围的弥散图形, 即点列图。使用RMS Radius和GEO Radius评价成像质量, RMS Radius均方根半径是弥散斑各个点坐标参考中心点进行坐标平方后除以点数的量, 然后开方的值, 这个值的半径能够近似反应弥散质量。然而点列图往往比实际效果好一些, 这是MTF曲线对像质的评价更为准确。弥散斑半径能够准确的反应大像差系统的像差分布大小, 如图10, 图中给出了5个视场: 0, 5,10,20,32.5, 能够看出均方根半径都小于艾里斑半径, 说明像质很好。
同时, 由于成像都在艾里斑半径内, 衍射产生的像差远远小于几何光学的像差, 在此不予考虑。

图10 RMS Radius( 均方根半径)
5.2.5 MTF( 光学调制传递函数)
MTF( 光学调制传递函数) 是对镜头分辨率的直接评价。频率主要由CMOS的最小像元大小决定, 本设计中选择的CMOS最小像元R=1.75, 因此由公式f=1/2R能够算出频率为285线对, 即镜头的分辨率要达到285线对。像差不能校正到完美无缺的理想程度。对于摄像镜头, 一般要求0.7视场以内能够分辨清楚就能够了, 即要求中心视场的MTF>0.15, 而0.7视场以外的区域仅是像面一角, 其像质的相对重要性能够低一些.如图, 能够看出中心视场在285lp/mm时, MTF>0.15,能够获得相对优质的像。

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, 比预期的60要大。同时光学总长为5.682mm比预期值6mm要小很多, 适应了手机镜头小巧化、 轻便化的发展趋势。同时, 本设计中选用了Aptina的一款型号为MT9P013的500万像素CMOS, 最小像元R=1.75, 即镜头的分辨率要达到285线对, 从MTF( 光学调制传递函数) 中能够看出中心视场在285lp/mm时, MTF>0.15,能够获得相对优质的像。达到了500万像素的设计指标。畸变小于2%, 不会使图像变形。
综上, 本次设计的手机镜头很好的达到了预定的指标, 视场角比预定的角度更加宽广, 而镜头本身更加灵巧。
表4 本设计达到的指标
视场角
F/#
光学总长
总像素
畸变
场曲
65
2.8
5.682mm
500万
<2%
<0.05mm
第六章 结论
本次课程设计我所做的是助视仪的原理及应用, 经过本次课程设计, 我阅读的大量文献, 设计500万像素的手机镜头, 很好的锻炼了我独立思考的能力。
此次课程设计中我受益匪浅。从理论到实践, 在这段日子里, 学到了很多实际应用能够用到的一些东西, 不再是死读书, 读死书了。经过学习光学设计软件ZEMAX, 561页的中文简化教程, 几乎是没日没夜重复在在看, 一遍一遍的上机操作, 从纯英文转变成到中文能够理解的过程, 从对界面一概不知到能设计光路图的过程, 都是一个个艰难的过程, 花了很多心思和精力在上面, 身边没有能够请教的人, 唯有自己慢慢钻研, 最后能手机出一个光路图让我很是惊喜, 很多的努力没有白费掉。经过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性。只有理论知识是远远不够的, 只有把所学的理论知识与实践相结合起来, 从理论中得出结论, 才能真正的学到东西, 从而提高自己的实际操作能力和独立思考的能力。
这次设计中, 有很多欠考虑的地方, 感谢邢老师的指导, 让我从片面的了解到更加深入的了解, 直至最后做出成果。

参考文献
[1] 郁道银,谈恒英.工程光学. 机械工业出版社.
[2] 李林.现代光学设计方法.北京理工大学出版社. .9
[3] 沈常宇.ZEMAX光学辅助设计简明教程.中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标准[M].科学出版社, .07
[6] 文静．500万像素手机镜头的光学设计[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的应用[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,