数码相机镜头设计例

用CODE V设计一个数码相机镜头主要内容：∙镜头设计的一般要求∙根据要求确定一个初始结构∙修改初始结构来达到设计要求∙做一个简单的分析和像质评价一、设计规格要求1、数码相机物镜设计要求图像传感器规格：说明：一个数码相机中使用的CCD阵列是由许多很小的单元构成的，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）。

物镜规格：2、视场角和工作频率首先，数码相机镜头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。

传感器的大小和有效焦距的大小决定了视场角的大小（ω），根据'，可求得ω＝26.50。

y⨯'=tg)(ωf规格上给出的像素大小为7.4μm2,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（奈奎斯特频率），1/（2×0.0074）=67.6LP/mm。

二、建立初始结构利用CODE V的专利数据库建立初始结构。

1、开始一个新镜头运行CODE V并使用新镜头向导：选择File->New菜单，或工具栏的新镜头按钮，点击欢迎屏幕中的Next按钮．选择Patent Lens 并按Next按钮．进入专利数据库。

2、专利数据库除用于演示ＣＯＤＥＶ30个例子镜头外，CODE V 包含了一个拥有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）。

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，也可以使用过滤器指定所需要的各种属性。

1．在新镜头向导中点击过滤器（FILTER）按钮。

根据要求，指定搜索范围。

2．点击复选框并填入相应的MIN/MAX∙F/#（输入1~4），目标为3.5∙视场角（输入20~33）,目标为26.5∙元件数目（输入1~3）,目标是越少越好，越少成本就越低3．点击OK。

新镜头向导将给出一个符合输入条件的专利列表，共有12个。

选择比较有潜力的起点，通常选择视场和F#都比较大的，所以选镜头名称为or02248的结构，它的视场角为27.5度，F#为2.369。

4．点击专利列表中的名字为or02248的镜头。

5．点击NEXT按钮进入孔径光栏页。

3、定义系统的光学性能参数有了结构数据，就要开始定义系统的光学性能参数。

这些属性在CODE V中称之为系统数据（System Data）。

1．在孔径光栏页里。

从下拉列表中选取Image F/Number，并输入3.5。

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 在第二行前面插入一个新的视场，然后键入0, 11, 19和26.5作为四个视场的Y方向角度。

注意：一定要在原第二个视场前插入新的视场，因为专利已经对后两个视场设置了渐晕系数。

5.在视场对话框中选择物方视场角选项。

这个镜头相对来讲视场角比较大，所以在中间多插入了一个视场，可以为后来的优化和分析带来了方便。

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轴外像差是有帮助的，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）钮完成。

三、操作界面1、镜头数据管理器（LDM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。

首先要面对的就是LDM表格。

LDM表格就像其它程序的数据表格一样，可以在单元格中输入数据、修改数据、删除数据，可以任意插入行和删除行，还可以在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所有操作。

2、表面的细节任何镜头模型都是从物面开始到像面结束。

并且总是有一个表面被标记了STOP，这个表面就是光栏面。

可以使用右键任意设置光栏面。

LDM每一行都有一个表面编号（Surface Number）和表面名称(Surface Name)。

接下来是表面类型，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，可以选择半径模式或曲率模式。

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。

像距可以采用求解功能。

用一个小S 表示。

通常用优化来得到最佳的离焦位置。

玻璃（Glass）单元格表示该表面之后的材料的名称，如果为空则表示为空气。

有几种玻璃名字的形式：1、玻璃制造商提供的玻璃名字，2、为自己镜头使用而自定义的（私有玻璃），3、虚拟玻璃。

折射方式(Refract Mode)决定了表面是折射的还是反射的，双击该单元格可以进行选择。

最后一列标记为Y方向半孔径（Y Semi-Aperture）代表该表面的光学有效通光口径大小（包括轴外光）。

默认是轴对称的，是通过程序计算出所有视场的参考光线和所有的ZOOM位置通过光线的孔径。

可以通过以下几种方法来自定义通光孔的形状：最简单的方法就是通过右键选择菜单项中的Change to …选项。

3、改变并提交数据在LDM中修改数据是很简单的，只要在非灰色的单元格中单击然后键入新的数值即可。

也可以双击单元格来编辑整个数值。

如果改错了可以使用Edit->Undo菜单来恢复，只适用于当前窗口。

要改变单元格的状态（如设为变量、拾取、求解等），可使用右键来完成。

在右键菜单中都有一个Surface Properties（表面属性）项。

选取该项时将会打开一个大的窗口，它可以直接访问表面的所有的属性，也包括任何没有在LDM数据表格中出现过的。

4、画图通常一幅图片胜过上千个数字。

很多问题都可以在镜头图片中比较容易地发现。

当对数据做了一些改变时，可以点击图片窗口左上角的执行按钮重新绘出镜头的图片。

5、缩放镜头在分析计算镜头之前，最好先把它缩放到需要的焦距（EFL），即有效焦距为6mm。

1．选择Display→List Lens Data→First Order Data菜单，可以查看现有的焦距值。

当前焦距值是0.9528mm。

这与我们所期望的是不相符的，所以需要进行焦距的缩放。

2．选择Edit→Scale菜单打开对话框，输入表面范围是从第一面至最后一面。

3．点中标记为Scale Effective Focal Length，然后在标记为Scale Value 区域输入6.0。

5．点击OK 来缩放镜头。

6．重新查看系统焦距值，此时为6.0mm，近轴像高（Paraxial image Height）也变成了2.99mm（跟期望的3.0mm已经很接近了）。

7．现在更新镜头图片窗口如下：6、保存镜头至此，得到了基本的初始结构参数，需要保存数据等待优化。

选择Lens->System Data菜单并点选系统数据窗口中导航树中System Settings，这里可以设置光学系统所使用的单位（毫米、厘米、英寸）等。

在系统数据窗口（Lens->System Data）中可以对大部分非表面相关的数据进行察看和修改，如光瞳、波长、视场、理想透镜焦距、设计者、使用的温度、压力、参考球面位置等。

最基本的系统数据在新镜头向导中已经定义好了，可以通过系统数据对话框来察看和修改。

选择File->Save Lens As菜单并键入一个像smxj.len的文件名，然后点击保存。

四、初始结构分析在CODE V设计程序中有许多分析功能，通常只需要一小部分就可以确定是否符合设计要求。

一阶要求（近轴光学），如焦距和像高等畸变（场曲和/或网格畸变）传函（衍射MTF或几何MTF）渐晕/照度（透过率分析）另外还有快速分析功能作为参考（点列图和光线像差（垂轴像差）曲线）。

还有一些技术上比较复杂的可行性分析。

其中之一就是公差分析，这关系到如何加工制造和装配而保持其质量。

1、快速光线像差曲线观察光线像差曲线可以看出像差产生的原因，即存在何种像差，便于进一步校正。

如不同波长的光线是分开的表示有色差。

还可以看出球差、像散、场曲、彗差、离焦等。

使用快速像差曲线工具栏（或Analysis>Diagnostics>Ray Aberration Curve菜单）。

为了比较艾利斑的直径（衍射斑的大小是2.44λF#）,对于F/3.5来说大约为0.004mm．显然还没有达到衍射极限（也不一定要达到）。

2、快速点列图点列图可以直观的看出镜头的成像质量。

每个视场点发出许多光线通过系统，在入瞳处形成一个方形的网格．在像面上形成一个散开的光线位置的图形，每个图形代表一个视场，用颜色编码代表各波长，给出了一个理想的彩色像差。

使用快速点列图按钮（或：Analysis>Geometrical>Spot Diagram菜单）。

3、畸变、场曲和像散畸变是与视场相关的像差，y=f×tgω。

并且它经常和另外一种视场相关的像差：场曲和像散画在一起。

使用工具栏（或选择Analysis>Diagnostics>Field Curves菜单）来显示。

有时用畸变网格可能会使观察畸变更为直观。

因为畸变是按角度定义的，所以应将CCD 的水平和垂直的尺寸按公式y=f ×tan ω换算成两个方向的视场角度（焦距是6mm ）。

从规格中可知传感器的尺寸是3.55mm ×4.74mm 。

通过公式可以得到最大Y 角度和X 角度，︒=⨯=48.16)6255.3(arctg x ω，︒=⨯=55.21)6274.4(arctg y ω。

1．选择Analysis>Diagnostics>Distortion Grid 菜单。

2．在X FOV Semi-field 中输入21.55，在Y FOV Semi-field 中输入16.48。

并选择Outline Only(边框)作为参考网格。

然后点击执行（Excute ）。

可以看出畸变非常小，参考网格代表了近轴光线的位置。

4、传函MTF不管是什么系统，真正关心的是它的像质如传函MTF或分辨率。

1．选择Analysis>Diffraction>MTF菜单。

注意在快速MTF中，不能设定想要的空间频率，通常使用菜单的MTF。

2．在Frequecy/Calculation（频率/计算）选项卡，输入68作为最大频率（Maximum frequency）和17作为频率增量（Increment in frequency）。