光学基础知识98149

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）

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）

图1.2

凹透镜：双凹；平凹；负弯月

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('12

1R R n f -⨯-==

Φ Φ—透镜光焦距；

f ’—焦距； n —折射率；

R 1,R 2－两球面曲率半径

厚透镜：2

1221)1()]1()1[()1('1R nR d

n R R n f -+

-⨯-==Φ 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

tanFOV ⨯=EFL IMA －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）

图2.1

3、 F 数（F/NO ）

D

f NO F '/=

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 ↑，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

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TOTR:

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。

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）

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。

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