光学基础知识

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'

Q Q'

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）

个焦点一前焦和后焦。

凸透镜：双凸；平凸；正弯月（如图 1.1）

凹透镜：双凹；平凹；负弯月

Q Q'

双凹 两主面Q,Q 在镜片内

Q Q'

双凸 两主面Q,Q 在镜片内

Q Q'

Q Q'

平凸

正弯月 两主面Q,Q '

两主面Q,Q '

一在镜片内

在镜片外

一与凸面切

图1.2

相应的也有两

Q Q'

负弯月 两主面Q,Q ' 在镜片外

两主面Q,Q 一在镜片内 一与凹面切

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。

—透镜光焦距；

f ‘一焦距；

n —折射率；R1,R2-两球面曲率半径

d —中心厚度

干涉仪与光距座可以量测f ',R1,R2,d T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

IMA EFL tanFOl-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。

3、F 数（F/NO ）

f '

F / NO -

D

fFEL

D入一入瞳直径

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 f,贝U MTF f;反之下降

B、与景深相关，F/NO f,则景深f,反之下降

C、与象差相关，F/NO f,则象差J,反之增加

薄透镜:

1

（n 1）

临）

（

1

R2

）］

厚透镜:

1

(n 1)[(—)(

R1

1

R2

）］

(n 1)2d

n R|R2

图2.1

D 、 与光通量相关，F/NO f,则光通量J,反之增加

对于光电镜头，F/NO 最大在2.8〜3.5之间（经验值）允许有土 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 3）,半视场角FOC/2（3）

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 'x tan 3

A 、 FOV 与象差相关，FOV f,轴外象差f, MTF J （变得很差）

B 、 FOV 与相对照度 REL 相关，FOV f,相对照度 REL J

C 、 FOV 与主光线角度相关，FOV f,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 f,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 x cos 4 3 =E 轴 x cos 4 （ 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

图5.1

rA

角。如图7.1中是两条边缘主光线，B为主光线角。

要求物边缘在象场与光轴夹角B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：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。