光学基础学习报告

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）

f'FQQ'图1.1

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）

F'QQ'双凸 两主面Q,Q’在镜片内 QQ'平凸 两主面Q,Q’一在镜片内 一与凸面切 图1.2

正弯月 Q两主面Q,Q’在镜片外 Q'

凹透镜：双凹；平凹；负弯月

QQ'双凹 两主面Q,Q’在镜片内 QQ'平凹 两主面Q,Q’一在镜片内 一与凹面切 图1.3

Q负弯月 Q'两主面Q,Q’在镜片外

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：??111?(n?1)?[()?()] f'R1R2?—透镜光焦距；

f’—焦距； n—折射率；

R1,R2－两球面曲率半径

111(n?1)2d厚透镜：?? ?(n?1)?[()?()]?f'R1R2nR1R2d－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

－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）

IMA?EFL?tanFOVFBFL

图2.1

3、 F数（F/NO）

F/NO?f' Df’－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↑，则景深↑，反之下降 C、 与象差相关，F/NO↑，则象差↓，反之增加 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2.8～3.5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（2ω），半视场角FOC/2（ω）

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’×tanω

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 图5.1 C、 IMA与TOTR相关 6、 光学总长TOTR:

IMABAOFTOTR 图6.1

光学系统的最佳光学总长：TOTR=25~35mm,TOTR越短越难控制，相差越大 手机：TOTR<7mm DSC：TOTR<10~12mm 7、 相对照度：

E=E轴×cos4ω=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即为主光线角。如图7.1中是两条边缘主光线，θ为主光线角。

ABθCCD图7.1

要求物边缘在象场与光轴夹角θ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）

孔径光阑镜组低通滤波IRCCD保护玻璃

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作。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bxsp.html