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1、精品文档 . 光学基础学习报告 一、教学内容： 光电镜头是用来作为光电接收器（CCD,CMOS ）的光学传感器元件。 光学特性参数： 1、 焦距 EFL（学名 f ） 是指主面到相应焦点的距离（如图1.1） QQ F F 图1.1 f 每个镜片都有前后两个主面前主面和后主面（放大率为1 的共轭面）。相应的也有两 个焦点前焦和后焦。 凸透镜：双凸；平凸；正弯月（如图1.1） 图 1.2 凹透镜：双凹；平凹；负弯月 Q QQ Q QQ 双凹 两主面 Q,Q 在镜片内 平凹 两主面 Q,Q 一在镜片内 一与凹面切 负弯月 两主面 Q,Q 在镜片外 Q QQQQQ 双凸 两主面 Q,Q 在镜片内 平凸
2、 两主面 Q,Q 一在镜片内 一与凸面切 正弯月 两主面 Q,Q 在镜片外 精品文档 . 图 1.3 折射率实际反映的是光在物质中传播速度与真空中速度的比值关系。 薄透镜：) 1 () 1 ()1( 1 21 RR n f 透镜光焦距； f 焦距； n折射率； R1,R2两球面曲率半径 厚透镜： 21 2 21 )1( ) 1 () 1 ()1( 1 RnR dn RR n f d中心厚度 干涉仪与光距座可以量测f ,R1,R2,d利用上述的公式可以计算出n 值，从而来确定所 用材料。 A、EFL 增加， TOTR （光学总长）增加；要降低TOTR 就必须降低EFL，但 EFL 降低， 像高就
3、要降低 B、EFL 与某些象差相关 C、EFL 上升将使 F/NO 增大 D、EFL，FOV （视场角）和IMA （像高）三者间有关系 tanFOVEFLIMA 铁三角关系 EFL 的增大（减小）会使像高变大（小），为了保持像高，就必须要增大（减小）FOV ， 然而 FOV 的增大会使得REL（相对照度）的数值增大。 2、 BFL 后焦距（学名后截距） BFL F 图 2.1 3、 F 数（ F/NO ） D f NOF / f FEL D入入瞳直径 入瞳为光阑经其前方光学镜片所成的像，反映进入光学系统的光线 A、与 MTF 相关， F/NO，则 MTF ；反之下降 B、与景深相关，F/NO
4、，则景深，反之下降 C、与象差相关，F/NO ，则象差，反之增加 精品文档 . D、与光通量相关，F/NO，则光通量，反之增加 对于光电镜头，F/NO 最大在 2.83.5 之间（经验值）允许有5%的误差，在物方有照 明时， F 数可根据照明的照度情况来增大 4、 视场角 FOV（2） ，半视场角FOC/2（） 物镜在其接收元件上成像的空间范围称为视场角。其一半为半视角，最佳在55（经 验值）左右。 y f tan A、FOV 与象差相关，FOV ，轴外象差，MTF （变得很差） B、FOV 与相对照度REL 相关， FOV ，相对照度REL C、FOV 与主光线角度相关，FOV ，主光线角度
5、要变大 D、FOV 与 EFL,TOTR 和 IMA 相关 E、FOV 与 DIST 畸变相关， FOV ，畸变迅速增大 5、 像高（ IMA ）,半像高（ IMA/2 ） 像高由 sensor对角线的长度来决定（如图5.1） OA=OB=IMA/2 AB=IMA A、 像高与 EFL,FOV 有关；sensor确定之后， IMA 就确定 了，根据铁三角关系公式EFL 和 FOV 只能给定一个， 如果 SPEC 图给定的数值不符合铁三角关系，工程师不 可能按 SPEC 完成设计工作， 即使勉强完成结果也不理 想。 B、IMA 与光线角度相关 C、IMA 与 TOTR 相关 6、 光学总长TOT
6、R: TOTR F 图 6.1 光学系统的最佳光学总长：TOTR=2535mm,TOTR越短越难控制，相差越大 手机： TOTR7mm DSC：TOTR1012mm 7、 相对照度： E=E 轴cos4=E轴 cos4（ FOV/2） A、 REL 与 FOV 相关 B、REL 与主光线角度相关 C、REL 与 EFL,TOTR 和 IMA 间接相关 要提高 E 就要增大轴外相差从而使得光照均衡 主光线角： 主光线是物发出经过孔径光阑轴心的光线，有无数条。 此光线与光轴的夹角 O A B I M A 图 5.1 精品文档 . 即为主光线角。如图7.1 中是两条边缘主光线，为主光线角。 A B
7、CCD 要求物边缘在象场与光轴夹角越小，为了达到这种目的，要将光学系统设计成为象方 远心光路， 即光阑前面是负透镜组，后面正透镜。 为了平衡正组的相差光阑放置在正组透镜 的前焦点上。 8、 光学透镜结构（图8.1） 孔径光阑 低通滤波 IR保护玻璃 CCD 镜组 图 8.1 孔径光阑：限制进入光学系统的光通量， 低通滤波片：低频光完全通过，高频光截止 IR：红外截止，一般采用晶体制作 需要指出的就是：对于非球面 1)通过调节解决球差 2)在一定条件下，解决象散 一定条件是指和光阑位置配合地好，近光阑解决轴上象差，远处光阑解决轴外象差 9、 新技术技术发展趋势 1)二元光学：可以消除色差和球差，相对照度在视场重100， MTF值也提高，不过制 造的成本比较高 2)液体透镜： 通过对特殊材料做成地液体通电，使得液体外型发生改变，效果就实现类似眼睛的调节方式。 二、心得体会： 温故而知新， 通过张教授生动的授课强化了我在学校中学习的光学基础知识，加上张教 授联系实际深入浅出的解释，让我了解到了光学知识与现实之间的关系。我本身虽学习过整 个光学体系，但比较理论化，加上张教授的写实版授课，能帮助我更快的进入工作角色，更 快地学以致用。 我的工作发展方向是模具设计，但光学理论可以帮助我更好地完成平时的工 图 7.1 精品文档 . 作。