數(shù)碼相機鏡頭

1、數(shù)碼鏡頭設計原理第一節(jié) 分辯率問題_數(shù)碼鏡頭鑒別率與面陣CCD象素的匹配 盡管這個問題資料介召較多，但絕大多數(shù)是范范而談，沒有接觸實質(zhì)，如霧里看花一般不能令人信服。可是它卻是數(shù)碼光學產(chǎn)品的重要環(huán)結，不能等閑視之。為澄清疑惑，特從基本概念上加以介召，希望對大家有所幫助。1 數(shù)碼鏡頭鑒別率概念數(shù)碼相機鑒別率定義為在象面處鏡頭在單位毫米上可鑒別的黑白線對數(shù)，如下圖所示：圖1 鑒別率與線寬的計算兩黑線中心距.(2d)=1(線對/毫米)-(1)鑒別率上算式有兩個用途：1 根據(jù)鏡頭對分辯率的設計要求，計算出檢校儀分劃板的要求由公式（1）可根據(jù)鏡頭的鑒別率要求，解出線寬d來。例如：圖1中的鑒別率是15線對/

2、毫米，那么線寬=1/（2*15）=0.03333（毫米/每個線寬）。則分畫板最小線寬應安此刻劃。2 在仿型設計中，根據(jù)檢校儀上可分辯的線條寬度，提出設計鏡頭的分辯率要求 只需將（1）式變換成鑒別率用分劃最小間隔表示的函數(shù)式進行計算，即可得到鏡頭設計時鑒別率應達到值。注意：上兩條都是對所涉計到的鏡頭，在其象方成象面上對分辯率的計算。如果所知數(shù)據(jù)不在成象面上，一定要轉換計算到象面后，才能用（1）式處理。2 CCD分辯率CCD的分辯率是用象素總數(shù)表示的。設在水平方向上CCD感光有效長度是M毫米，在垂直方向上CCD感光有效長度是N毫米。如果象素（最小感光單元稱之為象素）的尺寸是m2 * n2，那么在水

3、平方向上的象素總數(shù)=M/m2，在垂直方向上的象素總數(shù)=N/n2,最后可用下式算出CCD的整個感光面上的象素總數(shù)：3 數(shù)碼鏡頭分辯率與CCD分辯率的匹配在水平方向上數(shù)碼鏡頭對線狀分辯率圖案的成象，其每個線寬恰好站用一個象素，我們就稱在水平方向上選用的CCD與數(shù)碼鏡頭在分辯率上是相配的; 在垂直方向上也可同樣理解之。這樣定義保正了CCD在最少象素總數(shù)下，恰好能分辯清象的細節(jié)?？梢娺@種定義是合理的。看圖2，就可理解相配的含義，也可用以數(shù)碼鏡頭對CCD象素總數(shù)要求的計算。圖2 CCD象素總數(shù)計算（最小方格為一最小感光單元：8象素）由圖2和（2）式可計算出圖中CCD的象素總數(shù)：設CCD的 M=1mm，

4、N=1mm。鏡頭象方分辯力=15線對/毫米，現(xiàn)計算其象素總數(shù)如下：由（1）式有：d=1/(2*鏡頭象方分辯力)=1/30=0.03333(毫米/每黑白線對) 可見與該鏡頭相配的CCD最小感光單元象素尺寸m2*n2=0.03333*0.03333毫米 由（2）式有：CCD象素總數(shù)=1/(0.03333)*1/(0.03333)=900象素如果鏡頭鑒別率是150線對/毫米，CCD感光面M=4.8mm，N=3.6mm。由（1）式有：d=1/(2*鏡頭象方分辯力)=1/300=0.003333(毫米/每黑白線對) 由（2）式有：CCD象素總數(shù)=4.8/(0.003333)*3.6/(0.003333)

5、= 1920000象素。這就是說分辯率是150線對/毫米的鏡頭，可配1/3英寸200萬象素的CCD。 由上面的計算可知，為使攝象頭與CCD相配，需知道CCD的感光面尺寸，由“CCD應用技術”一書的168頁表8-3有各種規(guī)格的CCD感光面尺寸如下表1表1 CCD感光面尺寸由表1就可查出各種規(guī)格的CCD感光面尺寸：M和N值。4 CCD最小象素單元尺寸在上面我們計算了150線對/毫米鑒別率的鏡頭，它可匹配200萬象素的CCD。實際上由于最小感光單元受工藝水平的限制，一般情況下（指有較大規(guī)模經(jīng)濟情況下）是很難制出0.003尺寸的CCD來，因此應根據(jù)工藝允許的CCD最小感光單元尺寸計算相配的鏡頭分辯率。

6、現(xiàn)在市場上1/3英寸的CCD最多也只達到150萬象素。為了給工藝加工和裝配上留有余地，150萬象素的CCD配200萬象素的鏡頭還是合適的。我們測繪了南函的一個鏡頭，中心鑒別率是600線對/毫米，0.7視場的是150線對/毫米。那么這個鏡頭與CCD相配其鑒別率應算多少呢？這個問題可以這樣考率：0.7視場以內(nèi)是主要成象區(qū)，應以在此區(qū)間內(nèi)鏡頭能達到的最低鑒別率為準來評價該鏡頭的鑒別率。注意：由于CCD分辯率的限制，光電系統(tǒng)對視場中心也只能達到150萬象素的水平，反算鏡頭在視場中心的有效鑒別率也只能達到120線對/毫米（估算）。這就是說，中心視場鏡頭鑒別率沒有必要太高，太高了CCD也分辯不清。一般中心

7、視場是0.7視場的1.5倍就可以了。這與膠片為接收器的情況是不同的（膠片的分辯率比鏡頭的分辯率高很多，不能過多犧牲中心視場的鑒別率以獲得提高0.7視常場的校正潛力）。由上面知道CCD的感光單元的最小尺寸受到工藝的限制，1/3英寸的CCD其真實鑒別率（在最小象元間用軟件插值的方法獲得的高象素水平，并不能提高整個光電系統(tǒng)分辯物體細節(jié)的能力。這個道理與數(shù)碼變焦不能提高系統(tǒng)分辯本領的道理是一樣的。插值增加象素的作法有它一定的極積一面，當數(shù)碼影象放大時，不會出現(xiàn)碼賽克現(xiàn)象，圖象圖素間有光滑的過度，使象看起來揉合）只能到150萬的水平，1/3英寸的數(shù)碼象機標榜200萬以上的象素水平，多數(shù)是采用了軟件插值，

8、除非采用了昂貴的CCD芯片。為了獲的更多的圖象細節(jié)方面的信息，需增多CCD象元總數(shù)，只能統(tǒng)過增大CCD尺寸來達到。例如選1/2英寸或2/3英寸的CCD。第二節(jié) 視場問題1 CCD有效光接收面的對角線在第一節(jié)的3中曾介召過各種規(guī)格CCD的尺寸如下：2 CCD全視場角計算有了CCD有校光接受面尺寸和數(shù)碼鏡頭焦距后，就可用（3）式計算數(shù)碼鏡頭全視場角。由mathematica 4算式有：解出全視場角是實際上象差設計到80度就可以了，多出的視場可用多種方法去除，如用軟件的方法去除。由上計算可知當焦距小于mm，視場角要求大于度時（短焦廣角的清況），所采用的是英寸的。上面介召了數(shù)碼鏡頭視場角與感光面的匹配

9、問題，可作為鏡頭設計或選用的參考。3 各種規(guī)格CCD的最大分辯力現(xiàn)在以英寸的可分辯萬象素為例，來計算最小象元尺寸如下?，F(xiàn)將（）式抄錄如下：則有1500000=4.8/(m2)*3.6/(N2) M2*N2=0.00001152設最小感光單元為正方形，有：最小感光單元邊長.0034 mm.當其為.時，對應分辯力為（用式算）：萬。從計算結果看，英寸的作到萬象素水平，最小感光單元線尺寸只有.0034 mm ，這在工藝上是很難的。而萬象素則是可能的。所以說當分辯率超出萬時，就應選以上尺寸的，例如：英寸的。當然也可用軟件插值增加象素總數(shù)，但感光單元總數(shù)并不會增多，即鏡頭的真實鑒別率不會增加。最好是以.

10、mm 的最小感光單元邊長尺寸，用（）式計算英寸的最大分辯率，作為選用和設計鏡頭的參考：表 各種規(guī)格的CCD最大有效象素總數(shù)上表最大有效象素總數(shù)是以最小感光單元邊長尺寸取0.004 mm 時計算的。 現(xiàn)以為例進行計算，其他情況可仿此計算。（這是mathematica 4算式，可直接粘貼到該軟件中進行計算，只需改變m,n值就可計算出以上各種情況。）說明：英寸的情況很少用，其它情況在選用時，不應超出上表給定的最大有效象素總數(shù),鏡頭分辯率也應匹配。為了在各種情況下，鏡頭與匹配，它應能分辯.mm線寬，由（）式：兩黑線中心距.(2d)=1(線對/毫米)-(1)鑒別率即所設計鏡頭在.視場以內(nèi)不低于120線對

11、毫米的分辯率，才能達到與的匹配，當然這是指所選的其分辯力達到工藝極限時的情況。 鏡頭與36mm鏡頭系列視場關系CCD鏡頭的接受面尺寸設為M*N，對角線尺寸則為：L=SQR（M2+N2）,對物鏡中心張角W=2*atg L / (2*f ) 。當CCD鏡頭的全視場角W與36mm鏡頭系列全視場角相等時，其拍攝的視場效果是一樣的。我們稱此時CCD鏡頭與135鏡頭相當。已知135鏡頭接受器為膠片，其尺寸為：24 * 36，對角線尺寸為：l=SQR（242+362）=43.27，對物鏡中心張角=2* atg（ 21.64 / f ）。廣角：F 6mm，標準：8mm，,10mm，12mm，攝遠：F16mm5

12、 CCD鏡頭與36mm鏡頭系列鑒別率關系現(xiàn)在看看CCD鏡頭與36mm鏡頭系列鑒別率關系。如果CCD鏡頭要達到36 mm鏡頭系列同樣的分辯效果，那么當CCD鏡頭的成象放大到36mm鏡頭系列成象尺寸時，應有相同的分辯率?，F(xiàn)以上表中心最差的鑒別率情況，來計算CCD鏡頭達到同等象質(zhì)時的分辯率要求： 36mm鏡頭系列中心鑒別率為22 ln/mm 時，其最小感光單元分辯率方向上線尺寸為：1/（2*22）=0.02273mm，在CCD鏡頭象面上要達到同樣成象質(zhì)量（指象面放大到35mm鏡頭系列成象水平），則其最小象元線尺寸= 0.02273*4.8/36=0.00303mm,對應鏡頭分辯率=1/2*0.003

13、03=165 ln/mm。 數(shù)碼鏡頭和所選的參數(shù)匹配實例上面是由網(wǎng)上下載的一組實例。由上例可見在短焦超廣角的時候，并沒有選英寸的。而是選了英寸的。這樣作沒有什么不可以的，最多是全視場沒有包絡全整個感光面，超出視場的部分可以用其它方法處理。如用軟件限制其有效視窗的大小。第三節(jié) 光譜與亮度問題解決這個問題，要有CCD的光譜靈敏度和白光積分靈敏度數(shù)據(jù)。我在網(wǎng)上找到了一篇介召CCD性能較好的文件，由于篇幅限制，只能摘錄如下。由上資料可見，為了使從光學系統(tǒng)中采集更多的能量，應使光學系統(tǒng)透過光的能量，其峰值在納米處。我們測過杭照所的一個鏡頭，有個濾波片是透黃綠光的。說明了其透光峰值點選在納米處。由上資料可

14、見，的白光積分靈敏度的包容量是很大的。其線性區(qū)要求照度在x以內(nèi)。當用于計量時，應注意在線性區(qū)使用它。另外還可據(jù)此提出光電接口的能量轉換數(shù)據(jù)。為了能進一步了解的一些性能，特將資料中有關部分摘錄如下：CCD的主要參量1）轉移效率和損耗率電荷包從一個勢阱向另一個勢阱中轉移，不是立即的和全部的，而是有一個過程。為了描述電荷包轉移的不完全性，引入轉移效率的概念。在一定的時鐘脈沖驅(qū)動下，設電荷包的原電量為Q0，轉移到下一個勢阱時電荷包的電量為Q1，則轉移效率定義為=Q1/Q0表示殘留于原勢阱中的電量與原電量之比，故=1-如果線陣列CCD共有n個極板，則總效率為n。引起電荷包轉移不完全的主要原因是表面態(tài)對電

15、子的俘獲和時鐘頻率過高，所以表面溝道CCD在使用時，為了減少損耗，提高轉移效率，常采用偏置電荷技術，即在接收信息電荷之前，就先給每個勢阱都輸入一定量的背景電荷，使表面態(tài)填滿。這樣，即使是零信息，勢阱中也有一定量的電荷。因此，也稱這種技術為“胖零（fat zero）”技術。另外，體內(nèi)溝道CCD采取體內(nèi)溝道的傳輸形式，有效避免了表面態(tài)俘獲，提高了轉移效率和速度。2）時鐘頻率的上、下限CCD是利用極板下半導體表面勢阱的變化來儲存和轉移信息電荷的，所以它必須工作于非熱平衡態(tài)。時鐘頻率過低，熱生載流子就會混入到信息電荷包中去而引起失真，時鐘頻率過高，電荷包來不及完全轉移，勢阱形狀就變了，這樣，殘留于原勢

16、阱中的電荷就必然多，損耗率就必然大。因此，使用時，對時種頻率的上、下限要有一個大致的估計。（a）時鐘頻率的下限f下f下決定于非平衡載流子的平均壽命，一般為毫秒量級。電荷包在相鄰兩電極之間的轉移時間t，應小于，對于三相CCD，電荷包從前一個勢阱轉移到后一個勢阱所需的時間為T/3，所以f下1/3對于二相CCD，f下1/2（b）時鐘頻率的上限f上f上決定于電荷包轉移的損耗率，就是說，電荷包的轉移要有足夠的時間，電荷包轉移所需的時間應使之小于所允許的值。時鐘頻率上限f上可作如下估算，設D為CCD勢阱中電量因熱擴散作用衰減的時間常數(shù)，與材料和極板的結構有關，一般為10-8s級。若使不大于要求的0值，則對

17、于三相CCD有f上-1/(3Dln0)對于二相CCD有f上-1/(2Dln0)3）光譜特性 （見上）第四節(jié) 仿形設計問題_設計思路仿形設計是光路設計中最行之有效的方法。在10年前，絕大多數(shù)的光學鏡頭都可在各種鏡頭專利中找到相近的樣例。在此基礎上就可以通過縮放，自動設計找到最終解。但現(xiàn)在隨著科學技術的發(fā)展，鏡頭已向超小型，高象質(zhì)的情況演變?？趶?，尤其是視場的加大，焦距的超短焦化，使得光學鏡頭的設計變的更復雜。加上市場竟爭的激烈化，使可借助的資料越來越少。就是用三級象差理論進行設計引導，也因為透鏡厚度相對焦距過大（焦距超段焦化引起的），使建立在薄透鏡基礎上的初級象差的引導設計變的面目全非了。更有甚

18、者，既使想進行三級象差的初始設計，由于資料奇缺，使設計無從下手。針對種種困難，迫使人們現(xiàn)在多從仿型設計入手來解決光路設計問題?，F(xiàn)在仿形設計的重要方法之一，就是測繪樣機，找出光學設計的近似解，再導以自動設計來完成。應該還有一種方法，就是對從網(wǎng)上查到的不完整資料出發(fā)（由于保密的原因），進行近似解的尋找。網(wǎng)上所給的個人設計成功的資料，往往只給了光學結構的圖形，典型光線走向圖形（用國外大型軟件設計的成果多以這種方式給出），而沒有半徑，間格，材料等數(shù)據(jù)。能否有辦法找出來，答案是肯定的。盡管這種方法有點不入流，但抓住老鼠就是好貓，我就在此談談自己的看法（下步將安此思路編程來解決這一辣手問題）。手機數(shù)碼相機

19、鏡頭可說是現(xiàn)在最關心的問題，下面就是從某網(wǎng)站下載的樣例圖:MTF:1 光學系統(tǒng)外形尺寸的近似確定看了這個圖，大家一定很感興趣。想只從上面這點信息就找出近似解，真有點天方夜談，我就“天方夜談一下吧”。首先將第一圖粘到AutoCAD中，然后將其描出（在視窗放得很大時，描繪精度是很高的）。描繪好后測一下邊緣最薄的正透鏡的邊厚，中心最薄的負透的中心厚。對光學系統(tǒng)圖進行縮放，縮放后的正透鏡邊厚，負透鏡中心厚都應略大于工藝加工所允許的厚度。這時光學系統(tǒng)的各幾何尺寸就已得到了?，F(xiàn)在看看這個確定幾何尺寸的方法，再結合光路自動設計中的縮放原理，大家就一定明白了，就這么簡單。2 D光者射率的確定要解決這個問題，看

20、起來無從下手，其實并不難。只需編一個小程序就可以解決了。編程原理如下：這理有4個透鏡，每個透鏡在現(xiàn)有玻璃中取全各種可能值。為了使計算快速，并不一定非從玻璃庫中查找，而是給一個折射率范維進行計算。具體說就是：n1=1.412.0,n2=1.412.0,n3=1.412.0,n4=1.412.0循環(huán)計算所有可能的玻璃組合下的系統(tǒng)象距和D光最大口徑球差值，給定公差，在公差內(nèi)的輸出玻璃組合。這樣的計算要進行多少次呢？設每層循環(huán)步長為0.01(這個步長初選玻璃已經(jīng)夠了)，那么需進行60的4次方，即1300萬次。所以這一步選玻璃必需每個循環(huán)的計算內(nèi)容越少越好。因此只計算象距和D光最大口徑球差值，而且不查玻

21、璃庫。為了使程序有廣范的適應性，可設循環(huán)層數(shù)為20。在這個循環(huán)內(nèi)，大概需近幾個小時的計算量。3 根據(jù)1的輸出，自動從玻璃庫中選出適合的組合現(xiàn)在給出從玻璃庫中選玻璃時，玻璃庫中材料的D光折射率與組合循環(huán)給定的折射率的偏差允許值，小于的玻璃材料組合輸出。這個操作可編個小程序解決。4 色光選玻璃上面沒有考慮色光的問題。根據(jù)色差要求，在3中所選出的玻璃庫中進行所有玻璃的組合循環(huán)，計算系統(tǒng)的色差，小于允許值的玻理組合輸出。5 慧差選玻璃在4中輸出的玻璃組合中，進行慧差計算，小于給定公差的輸出。6 至此玻璃組合就有幾種。全面計算象差，從中選出可做為自動設計的初始結構。 看了以上介召，應該相信這個方法是可行的。這個方法如果只看到這方面的應用，真是太小看它了。實際上在測繪仿型設計中也可大展拳腳。測繪仿型時，可測出透鏡的外形尺寸，焦截距。故可反算出D光折射率，我們把反算的D光折射率做為上面2的輸出，就可接著往下進行仿型設計了。以上所述的仿型設計程序準備在近期開發(fā)出來，到時請同行指教。第五節(jié) 仿形設計問題_光學系統(tǒng)外形尺寸的近似確定現(xiàn)在以第四節(jié)的手機樣例做為“光學系統(tǒng)外形尺寸的近似確定”的實例。先將下圖粘到AutoCAD中，在里面進行縮放操作?？s放操作時注意兩點：1 上圖是以位圖的方式載入的，在其上描繪