用CODE V设计一个数码相机镜头(4)

一个畸变网格可能会使观察畸变变的更直观。在这个案例中，您可以看到矩形的网格代表了理想（近轴）像高，而畸变网格则迭加在其之上。由于这个镜头的视场被定义为角度，所以您需要将CCD的水平和垂直的尺寸按公式h=f*tanθ换算成视场角度（我们用3mm的角落定义为最大的视场，但是在这里我们想看一下真正的视场的格式）。从规格中我们回想一下传感器的尺寸是3.55mm*4.74mm。

通过公式我们可以得到最大Y角度和X角度（16.48和21.55）。

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Fiducial Marks Only

作为参考网格。然后点击执行（Excute）。

这个畸变非常小，所以您需要放大一个区域来察看，基准网格标记代表了近轴光线的位置。因此在畸

变较小的看上去会有一点儿混乱。

MTF（锐度）

对于任何类型的相机，我们所关心的是它的质量如锐度或分辨率。光学设计者把这些质量与MTF或调制传递函数关联。调制能力本质上说是对比度，用1.0代表理想的对比度（完全的黑和白，没有中间灰度）。对于大的特征（低的空间频率），即使一个很差的镜头也具有好的对比度，但是对于高的空间频率（精确的细节），由于像差或衍射等使亮的地方和暗的地方混在一起了。如果您想看一下并绘出对于所有视场及全范围内的空间频率的关系，您就可以用一个非常紧凑的表格来定义一个镜头的

锐度了。

1．选择Analysis>Diffraction>MTF菜单。

注意这里有一个快速MTF按钮，但是我们想要详细的空间频率，而快速版本并不支持。 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）。

注意当您改变了选项卡中的一个值时，一个红色的星号*（叫做改变指示器）会出现在该选项卡标题

的旁边。

3．在图形选项卡（Graphics）中输入68作为最大绘图频率（Maximum Plot frequency），然后点

OK。

回想一下CCD阵列具有的最大分辨频率大约为67LP/mm，结合17和68（4*17）可以使这个分析工

作做的更好。

小技巧：您可以用画线或文本工具在任何窗口中添加注释来帮助您读懂或解释图形。添加到图形上的东西会在重绘时消失，但是如果您想将注释的图形保存下来，您可以选择File>Save Windows As菜

单。

它显示了这个起始方案具有一个很好的MTF特性，所有视场的所有方位角的高频的锐度均达到了要求（MTF会随着不同的方向的改变而改变，通常只有两个互相垂直的方向的MTF被计算，就是径向

和切向（TS））。

在MTF0.25处的水平线是通过使用直线工具手工绘上去的。注意我们还没有考核景深，就是需要镜头在物距为750mm时的MTF规格和现在的“INFINITY”时的MTF一样好，我们将在第三章里讨论，

在优化中被覆盖。

渐晕与照明

规格中要求在视场的角落里的相对照度最小为60%（系统数据里的全视场）。这包含了渐晕的影响（离轴光线在通过光学表面时被光阑面以外的其它表的通光所拦掉）和角度的影响（余弦四次方定律是众所周知的相对照度与角度的关系）。本程序将建立瞳孔大小（或F/#），表面通光，还有所谓的

渐晕因子这间的关系。

系统处理这些是比较灵活的，但是稍复杂的将在第十章中更详细的解释。这里是比较简明的。渐晕因子决定了参考的光束，又因此决定了缺省的通光。这些也决定了参与MTF或其它的计算所用的光束。您可以直接改变渐晕因子来扩展或缩小离轴的光束，因而缺省的通光也被随之调整。在这个专利中，

Y全视场的上渐晕和下渐晕分别为0.21和0.11。那么是怎样处理相对照度的呢？

这里有两种途径可以查看，其中一个已经做好了。

点击您在上一节里建立的MTF输出窗口的TEXT选项页，滚到输出表中的最后一个视场（0.0,26.5度）。

注意在每个视场的表格排列的MTF数据以外还有另外的附加信息。在这里尤其是相对照度很有用，它是58.4%，只是比规格要求的60%低了一点（注意(cos26.5**4=0.64)。您可以试着摆弄一下渐晕因子（在系统数据窗口的视场/渐晕页）看一看是不是能提高这个值，但是由于这个和规格比较接近

了，所以您也可以放下渐晕，看是不是能在优化的过程中提高它。

另外一个可以查看照度的地方是Transmission Analysis选项（Analysis>system 菜单），那里可以提供更详细的照度信息，可以包括镀膜产生的影响或者更多。CODE V假设每个表面都镀了1/4λ的减反

膜，除非您删除这些镀膜或是用自己定义的膜层。

可行性分析

考虑到您只是根据一些要求来找了一个老的专利，然后把它缩放了一下，这个镜头看上去很不错了。您是不是已经完成了呢？考虑一下元件的大小和厚度吧。虽然制作和装配非常小的镜头元件是可能

的，但是这些元件实在是太小了。

原始的专利可能出于专利的目的（它可能是一个比较大的镜头，如35MM相机，对于这个视场角，有43mm的焦距）而被缩放成了焦距单位1mm。在EFL=6时，中间的元间外径为1.5而厚度只有0.126—126微米（在43mm时，这个元件有0.9mm厚）。为了给您一个视觉是的印像下面是大概实

际比例的图形：

为了使其可以被处理加工，您需要合理的中心厚度和边缘厚度，或许中心厚度为0.9mm,边缘厚度为0.8mm。这意味着尽管这个设计看上去不错了，但是您的任务还是没有完成。您需要利用约束优化（自

动设计或AUTO选项）来重新设计这个镜头以使它达到所有的要求。

这里有一个实际性的问题，就是玻璃的选择。在专利中的三个虚拟玻璃都具有高的折射率（1.786，1.717，1.835）。太高或太低的折射率（如 >1.65或<1.45）比中间范围折射率玻璃要贵许多。您可以利用glassfit.seq宏来将这些玻璃转换成实际接近的等价玻璃（选择Tools>Macro菜单，然后运行glassfit.seq,可以在Sample Macros/Material Information中找到）。这个宏在命令窗口中运行时是交

互的（问答形式）。选择SCHOTT玻璃然后自动替代，您将得到以下结果：

注意只有SF1是首选的（普通）玻璃，而NLASF41是查询的（特种）。LAFN28列出了价格为$315/磅（$693/Kg）,是最普能的玻璃BK7的19倍。这些对于一个低成本的数码相机来说不是最好的选择，尽管这些元件都很小（注意您可以用COST选项来计算玻璃的重量和估价；选择Analysis>Fabrication Support>Cost Analysis菜单）。当然我们可以想到试着约束玻璃使其在低的折射率和便宜的玻璃图区

域。这个在AUTO里面可以做到。

总结

ü 现将本章您所学到的东西罗列如下： ü 解释了一个数码相机镜头的设计规格

ü 用新镜头向导在过期的专利数据库中找一个合适的起始解

ü 为了应用缩放镜头

ü 通过分析起始解来决定优化的策略

如果您还没有保存您的工作，现在应该做一下。它可以在这个向导的随后的章节中用到。选择File>Save Lens As菜单并给文件起一个名字如DigCamStart.len。在下一章我们将用这个起始解来优

化并使它达到可以接受的光学性能还有可加工性。