3.8-16mm变焦镜头的设计
张育武
前言
bC[TLsh7{2 本文从设计角度全面解读
光学镜头的设计,以本人设计的一款3.8mm-16mm变焦成像镜头为例。全文分为上,下两部分。其中上部分为
光学设计,下部分为机械结构设计。文中所有设计均为本人持有,转载前请与本人联系。
+@:$7m(V 8|\0\Wd;vu 上部分:光学设计
NS^(5g 设计镜头的光学特性指标
QH_0U`3 焦距:3.8mm-16mm
l?_h(Cq< 光圈:F1.5-F2.7
OK=lp4X 设计
波长:486nm-850nm (日夜齐焦)
"X\|!Mxh 像面尺寸:1/1.8英寸 CS -mount
T?p'R 成像像素:1200万像素
s n|q
EH a!`b`r-4 一,光路图
(WW*yv.J aY/msplC 广角端
&}TfJ=gj \
2cI=Qf 长焦端
M"q]jeaM 设计选用二组10片,前组为调焦组后组为变焦组。其中选用玻璃为国产光明玻璃库。在保证成像要求下,设计未使用非球面。设计中所有玻璃为球面玻璃。除一片高折射材质玻璃和两片超低色散玻璃外,均为光明常用玻璃系列。
zjyj,jP $OE~0Z\0
部分系统数据
^uU'Qc4S= A5d(L4Q]a( 二,成像像质分析
%?o@YwBo^E R@h@@lSf 光学传递函数(MTF) (20度 1大气压)
'f+g`t? 广角部分
l7rGz2:? (-V=&F_ 低频段
~:65e 8K
中频段
x#mZSSd
高频段
gq$]jWtCD
200lp频率下的MTF
Yl65|=ne b4_"dg~gK 长焦部分
\ 2Jr(?U ;%Z%]nIS %h"+J 低频段
[+=h[DC
中频段
_g%Wx?K9
高频段
Ek!$Ary
200Lp频率下的MTF
>[4;K&$B 弥散斑图(SPOT DIAGRAM)
Y,v8eOo45S ?}QHEk:H bLx70$ 4:!KtpR[O 照度曲线
!fFmQ\|)4S #}^kMD > 3I)!.N[m 三,日夜齐焦分析
mp_(ke XxW~4<r 对850nm波段的传函分析
jV_Eyi3
广角IR
0:(`t~
长焦IR
}2sc|K^ 四,环境温差效应分析
O5PCR6U kcH?l 设计参考的标准温度为20摄氏度,并对-20摄氏度到60摄氏度范围内,进行温度变化引起的像面漂移的校正。
NT~L=xsY Hv>C#U 广角端 温度变化引起的传函变化(-20度 20度 60度)
AT^?PD_ =2VM(GtK> 'bP-pgc 长焦端 温度变化引起的传函变化(-20度 20度 60度)
)t
G`a ; RRaGc )B s[:e '#^ 通过设计校正,可以看出随着环境温度的变化,成像质量(MTF)不会发生本质变化。
\h6_m)*H4 U8?%Dq%i 五,公差分析
Or&TGwo I 在给定公差表下对光学设计进行公差分析
mw<LNnT{8 给定以下公差表:
@DT${,.49 光圈 7N
YQ>M&lnQ< 光学间隙及厚度偏差 0.05
6:i(<7 面偏心 0.02
9:^SnHAa 轴心偏差 60 秒
Y_&D W4 (o_w[jv 公差分析为敏感度分析,参考为波前(RMS WAVEFRONT)
PTe8,cD> 得到敏感度分析公差表,以及蒙特卡洛(MONTE CARLO)分析结果如下:
=@b/Gl
运算百次传函图
%WrUu|xj>_
MONTE CARLO分析结果
,R=Mr}@u 经公差分析可知,
光学系统稳定性较好。通过公差分析结果,可以选取较为敏感项目优先控制。
~={8b 六,浅谈
优化 R9gK> }>Y X:\ r ) 光学系统优化是光学设计中较为重要的环节,也是初级光学工作者的难点所在,结合本人实际工作经验,浅谈优化心得。
vukI`(# 1,明确硬指标
'+BcPB?E 优化前明确哪些指标是不能让步的,这类指标需要给予严格控制。比如镜片的结构如最小厚度(MNCG)最大厚度(MXCG)。以视角作为视场的成像像面大小控制。多重结构中哪些量应该变化,哪些量不应该变化等。
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