理工科毕业论文模版

毕业设计（论文）

题目:CCD宽视场数码相机镜头设计

学院:机械电子工程学院

学生姓名:黄文

学号: 201207040027

年级:2013级

专业:光电信息科学与技术

指导教师:葛一凡职称:副教授

完成时间: 2017年5月25日

中国·贵州·贵阳

成果声明

本人的毕业论文是在贵州民族大学机械电子工程学院学院葛一凡副教授的指导下独立撰写并完成的。毕业论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名：

日期：2017年5月25日

目录

第1章绪论.................................................................................. 错误！未定义书签。

1.1 相机的镜头和发展史.................................................... 错误！未定义书签。

1.2 研究目的和意义............................................................ 错误！未定义书签。第2章光学系统的分析 (2)

2.1 光学系统的像差 (2)

2.2 七种赛尔德像差 (2)

2.1.1 近轴区域的色差 (2)

2.2.1 塞得区域内的五种单色像差 (2)

2.3光学系统的组成 (5)

2.3.1 单片透镜系统 (5)

2.3.2双片透镜系统 (6)

第3章基于ZEMAX的镜头设计 (7)

3.1 数码相机的基本结构 (7)

3.2设计过程和步骤............................................................. 错误！未定义书签。

3.2.1初始结构的选择 (8)

3.2.2像差校正与平衡 (8)

3.2.3像质评价 (8)

3.3宽视场镜头的设计思路 (9)

3.4 ZEMAX软件简介 (9)

3.5初始镜头模板 (10)

3.6镜头的结构调整 (13)

3.7镜头的参数调整 (14)

第4章结论与展望 (19)

4.1 结论 (19)

4.2 展望 (19)

参考文献 (20)

附录 (21)

致谢 (22)

CCD数码相机宽视场光学镜头设计

黄文

摘要：相机的镜头设计是一门有着悠久历史的实用技术，在计算机技术引入到相机的镜头设计工作中之前，要设计一款好的相机镜头需要经历大量繁重的计算和劳动。计算机技术的高速发展和相关光学设计软件的出现使得以往我们的部分工作能够通过计算机软件相对容易的去完成，利用建立起来的镜头数据库，能够帮助我们更快速的设计出一款新的镜头，计算机的计算精度的优势也使得镜头的各项设计指标得到很大的提升。

目前主流的光学镜头设计软件主要有三种，OSLO，ZEMAX还有CODE V。本文的目的，是探索数码相机广视距镜头的设计，并利用ZEMAX软件进行模拟设计，来完成CCD宽视场数码相机镜头的设计。

关键词：数码相机；宽视场镜头；ZEMAX

Design of wide - field optical lens for CCD digital camera

Huangwen

Abstract：The lens design of the camera is a practical technology with a long history. Before designing computer technology into the lens design of the camera, it is necessary to design a good camera lens to experience a lot of heavy computing and labor.The rapid development of computer technology and the emergence of related optical design software in the past part of our work can be relatively easy to complete through the computer software,The use of established lens database, can help us more quickly design a new lens, the computer's accuracy of computing also makes the lens of the design indicators have been greatly improved.

At present, there are three main optical lens design software, OSLO, ZEMAX and CODE V. The purpose of this paper is to explore the design of digital camera wide-angle lens, and use ZEMAX software for analog design, to complete the CCD wide field of view digital camera lens design.

Key words：Digital camera；Wide field of view lens；ZEMAX

第1章绪论

1.1相机和镜头的发展史

世界上的第一张黑白照片诞生于1827年，由法国人尼埃普斯所拍摄，至今已有接近两百年的历史，而第一张彩色胶片，是柯达公司在1936年所研发出来的柯达克罗姆反转片。最开始的相机的成像原理，是用镜头捕捉影像以后，在胶卷上曝光成像，然后经过一定的化学处理后最终成为一张记录了我们生活的完整照片。

近代由于半导体产业的成熟，带动光学元器件的蓬勃发展，在CCD以及CMOS 等感光元件问世以后，底片相机渐渐被数码相机所取代。而且随着技术的发展，半导体光学元件可以做的很小很小，随之被人们与手机结合，成为现代智能手机上的一个不可分割的重要功能。

数码相机的主体结构与传统相机相比并没有什么不同，只是他的成像系统从一次性的“胶片”，变成了可以直接成感光像并且能够无数次使用的CCD或CMOS 光学偶合元件，优点是省略了重装胶片和冲洗成像的步骤，同时马上就能在频幕上显示出你拍下来的人物和风景。并且拍照的数量也不受胶片多少的限制，以往的底片相机一个交卷只能拍几十张照片，而数码相机只需要一张小小的内存卡，就能够储存成千上万张图片。由于社交网络的发达，你拍摄出的美景还能立即通过网络分享给你的亲朋好友们，更不用担心年代久远了照片会褪色发黄。

1.2研究目的和意义

无论相机如何发展，相机上的镜头好坏始终是一台相机能否拍出好的照片的保障，所以说镜头的发展史始终伴随着相机的发展史。从第一台相机的出现至今，无数款镜头被人们设计并使用，其中最著名的一家镜头设计公司叫莱卡（Leica）莱卡工程师在谈到镜头的设计工作时提到，目前的电脑软件还无法直接生成一款优秀镜头，镜头的设计灵感还是源于设计师本身对这项工作的热爱。

广角镜头一般用于专业相机采景，或者用于全景相机。普通的相机镜头视角通常在70°左右，而我在这次毕业设计中所设计的镜头视角为80~100°，目的是用较少的镜头来获取较大的视场。

第2章光学系统的分析

2.1光学系统的像差

在宽视场镜头的设计中，由于自然光进入镜头的量大大提高，镜头边缘斜向射入的光线对相片的最终成像有着较大的影响这一点是必须考虑的。这些光线可分为两种，垂直于镜头面的切线光线和水平射入的径向光线，这一部分光线的光路需要用到一些特殊的函数来计算，以往我们想要通过手工来完成这项复杂的计算和大量的数据处理几乎是不可能的，而现代的电子计算机可以为我们提供一些帮助。

我们在初高中的时候就学习过，无色的日光在经过三菱镜的折射后就会呈现出彩虹一般美丽的各色光线，这是因为组成日光的各色光子都有着不同的能量和波长，在通过不同的介质时它们的传播路径不尽相同，就会产生散射和色散等现象。在镜头的设计中我们要对这些不同光线的光路进行了解，并通过建立光学模型来量化部分光路，再通过一些特殊的三角函数来计算这些光线路径差，然后我们就可以利用不同的镜头组合来控制和减少这些光学现象的干扰下所形成的像差了。

对于镜头设计者而言，如果你知道镜头中的某种像差是如何产生的，并且会对最终的成像造成何种影响。那么我们在设计过程中，就可以通过相对复杂的光组来对这些像差进行校正。

我们通常把像差分为七种像差，也叫赛尔德像差，虽然像差越小就意味着你的成像与真实的物体越接近，但越小的像差就意味着越大的设计难度和越昂贵的设计成本，想要完全消除赛尔德像差更是不可能的，由于镜头的商业运用，我们通常在设计中会根据成本来把像差控制在一定的范围内就可以了。

2.2七种赛尔德像差

2.2.1近轴区域的色差

包括位置色差和倍率色差

2.1.2塞得区域内的五种单色像差

球差；慧差；像散；像面弯曲；畸变

表2-2-1七种赛尔德像差

2.3光学系统的组成

一个看似复杂的光学系统，如果把它分解开来就可以看成是由许多个不同的透镜所组合成的。这些不同焦距，孔径和视场角的透镜组合起来，成为了典型光组。由于需要考虑的参数，规格相差校正的不同，透镜组合的方式也多种多样。透镜所使用的光学材料本身也会根据折射率和色散来分类运用。

2.3.1单片透镜系统

2.3.1.1消除反光

玻璃表面上的光反射，不仅会使成像的入射光能量减少，也是造成重影和耀斑的原因。所以我们通过镀MgF 膜，或者多层镀膜的方法使得镜头表面的光反射率下降到0.5%以下。

2.3.1.2消除球差

球差的残量，随着玻璃的折射率的变大而减小，以n=1.5和n=2.0折射率的球面镜为例。

当n=1.5时，f h 5.4-f 2-f 2==?，f

h 17.1-2

=?∞（2-3-1） 当n=2.0时，f h 2-f 2-f 2==? ，f

h .440-2

=?∞ （2-3-2） 2.3.1.3消除像散

类似于眼镜镜片的制作，要考虑消除像散，通常使用曲面透镜来消除，并且要让曲率半径平缓一些。

2.3.1.4消除色差

色差是由于色散所引起的，对于单片透镜而言可以选择色散较小的透镜来减少色差。

2.3.2双片透镜系统

双片透镜的主要功能是消除色差和减少相面的弯曲和畸变

2.3.2.1消除色差

设双片透镜的焦距分别为f1，f2，成合焦距为f ，则有下式成立。

2

1f 1f 1f 1+= （2-3-3） 对于轴上的点色差来讲，若满足下试则可以消色差。

0f f f v 1f v 1R B

2211==+B δ （2-3-4） 其中V1，V2，分别是第1，第2透镜的阿贝数。

2.3.2.2减少弯曲和畸变

对于一定结构形式的透镜，场曲的大小是由珀兹伐P 所确定。校正场曲时，取P 值为零并非正确，它可以任意取值，这里取零只是为了方便讨论和计算。

0f n 1f n 12

211==+P （2-3-5） 结合（2-3-4）和(2-.3-5）两试得到

2

211n v n v = (2-3-6) n1，n2为折射率，v1，v2位阿贝数，当2121v v n n ＞＞，时，残留球差趋于增大，场曲减小。

2.3.2.3双片透镜的球差和慧差

球差是通过对平行光轴的光线追迹求得的，其大小在最大相对孔径时的入射高度h 处0h =S δ，即所谓完全校正，此外，在必要时应对3~4条不同高度的光线进行判断。

慧差的表示方法有两种，一种是用横向像差表示，一种是用纵向像差表示，通常多采用Berek 所用的横向像差表示法。

第3章基于ZEMAX的镜头设计

3.1数码相机镜头的基本结构

在了解了光学系统的组成和设计思路以后，我们就可以开始正式设计一款镜头了。

图3-1-1是一个数码相机镜头的基本光组。前方的成像物镜是由五块光学透镜组成的光组，光线由最前方的物镜进入，经过后方的光组对像差进行一系列的校正，校正后的光线进入后方的低通滤波器，低通滤波器是由两片石英晶体和一片红外滤光片组成的，两片双折射方向相互垂直的石英晶体可以过滤掉成像光束中的高频部分，减少图像中的低频干扰条纹。红外滤光片是为了过滤掉人眼视觉范围外的不利光线，避免不必要的光干扰。

图3-1-1数码相机镜头的基本光组

在数码相机的镜头设计中需要对七种赛尔德像差进行不同程度的校正，这一点和传统相机的镜头设计工作是相似的。以往被传统的35MM胶片相机的镜头所广泛采用的是柯克（Cooke）型透镜系统，由三片分离透镜组成的柯克型镜头，其光阑位于透镜之间，这种光学结构型式是镜头像差能得以初步校正的最简单结构，象质基本上满足一般普及型相机的要求（镜头等级为2～3级），且价格比较低。近年来数码相机的快速发展，对镜头提出了越来越高的要求，人们对于相机镜头也不再满足于简单廉价的日常运用，更加专业的需求促使了镜头的发展。根据不同的需求，要求镜头能做到的工作更加多样化，镜头的结构也趋于复杂化，这就使得光学像差的校正也变得更加困难。

3.2设计过程和步骤

3.2.1初始结构的选择

为了减少设计难度，我们可以从已有的数据库中选择一款镜头作为初始结构。在这个基础上对镜头的光学原理进行初步的了解之后，再根据我们的需要对镜头进行调整，确定新的镜头光组和各项参数。

3.2.2像差校正与平衡

对于初始的镜头结构进行较大的改动会使得镜头产生较大的像差，这个时候我们就要运用ZEMAX软件查看新镜头的各项参数，然后根据各项数据和图表来进行像差的分析和校正，由于镜头结构相对复杂，需要反复的修改各项参数然后查看图表数值的变化，从这些变化中去寻找到一个合适的平衡点。

3.2.3像质评价

最终的设计的镜头是否实用，是根据最后的成像质量来评价的，而成像的质量取决于我们在设计中是否对像差进行了很好的校正。就如前面所提到的一样，像差是无法被完全校正的，残留的像差的多少就决定了最后的成像质量。由于我只是个初学者，所以只能尽力把像差控制在人眼所能够接受的范围内就算完成了设计目标了。

3.3宽视场镜头的设计思路

宽视场光学镜头一般采用的是“反远距型”光路结构，即由前后分开的2组透镜组成，而且负透镜在前组成不对称的光路结构。除了具有后工作距长的特点外，同一般的“高斯型”光路结构相比，由于其物方视场角W大于像方视场角w′,因此“反远距型”光路结构像差相对容易校正，像面照度比较均匀。此类镜头典型结构形式如图3.1.2所示。

图3-3-1宽视场镜头结构示意图

确定镜头组合以后，再通过镜头材料的选择，镀膜等方式，来消除镜头反光，色差，球差等因素。

3.4ZEMAX软件简介

Zemax软件是一套综合性的光学设计仿真软件，它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。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。

3.5初始镜头模板

比起从零开始的设计，选择一个初始模板并对之进行改造和优化能够节省很多时间。

下面我们选取一个普通相机镜头的模板。

图3-5-1镜头1结构

在编辑（Editors）中我们可以查看其镜头参数，初始镜头一共由6块镜片组成。

第一项曲率半径（radius），第二项镜片间距（thickness），第三项（glass）玻璃材质，也可以根据自己的需要调整玻璃的的折射率和透过率，第四项（semi-diameter）镜片孔径。

图3-5-2镜头1镜片参数

在分析>像差失真系数中，我们可以观察到每一片镜片的七种赛尔德系数SPHA（球差）COMA（慧差）ASTI（像差）FCUR（场曲）DIST（形变）&（色差）

图3-5-3镜头1赛尔德系数

在分析>特性曲线中查看光线像差

图3-5-4镜头1光线像差在分析>杂项中查镜头的场曲/失真看和横向色差

图3-5-5镜头1场曲/失真

图3-5-6横向色差

3.6镜头的结构调整

以上几项指标将作为镜头设计前后的重要指标来进行对照，在初始镜头模板的基础上，我们利用文件>插入功能来插入一块新的镜片，首先完成宽视场镜头的基本架构，如图所示。

图3-6-1镜头2结构

第一步结构调整是为了实现更好的功能，如镜片1加大了镜头的视场，，使得镜头获得更大的进光量。镜片4是一个双胶合镜片组，对于消除场曲有比较好的效果。5是电子快门，9表示CCD感光元件。

3.7镜头的参数调整

由于基础结构发生了较大的改变，所以我们在查看这个镜头的赛尔德系数，像差，场曲/失真和色差参数的时候，会发现由于结构调整使得各项参数都产生很大的误差。所以第二步我们就需要根据赛尔德系数及各项图表对镜头数据进行参数调整。

在观察赛尔德系数中，我们不必过于纠结于某一片镜片的某项系数，而是要从整体上来考虑，由于镜片数量的增加使得我们可以比较自由的进行调整，只要总的系数保持在误差范围内就可以了。

调整参数过后的镜头结构如下

镜头2的结构

图3-7-1镜头3结构