第十一届“宇瞳杯”光学设计大赛赛题2“视讯会议镜头”设计思路

摘要

本文介绍了针对特定参数要求的光学镜头设计案例。系统为ftanθ广角系统，初始选择双高斯构型但难以满足边缘视场相对照度要求，后采用反远摄构型并通过缩放、优化得到满足焦距、总长、畸变等关键参数的设计。设计过程中注重边缘视场主光线出射角度和相对照度的控制，最终通过替换玻璃、增加非球面透镜等措施满足所有要求。文章展示了优化后的设计结果，为类似光学设计提供了参考。

正文

设计要求：

1）焦距：2.9mm ± 0.1mm；

2）靶面：1/2.7” (H5.376 V3.888 D6.635)；最大像面：≥6.9mm；

3）FNO. : 1.8 ± 5%；

4）光学后焦：≥4.5mm（包含 Filter+CG）；

5）CRA: ≤20°（φ6.635mm 范围内）;

6）Filter+CG : 0.7mm（H-k9L）;

7）光学总长: ≤20mm;

8）参考波长权重设置如下；

波长 (μm） 权重

0.436 1

0.546 1

0.656 1

9）光学畸变：-5%~1%；

10）Rel: ≥40%（φ6.635mm）；≥35%（φ6.9mm）；

11）解像标准:MTF 在 180lp/mm 时，中心视场至 0.8 视场高于 0.3（按像高φ6.9mm 计算视场）；

12）进行公差分析。

13）进行鬼像分析，150°范围内的灯光，鬼像相对能量小于 1*10e-6

看到这个要求后，分析系统的参数，系统的焦距较短，像面较大，而且畸变为-5%~1%，所以这个只能是一个ftanθ系统。视场角大概在100°左右，所以这个系统为一个广角系统。

常见的广角系统构型有双高斯和反远摄构型。

双高斯构型

反远摄构型

以上两种构型都能实现大视场，短焦距的要求。但是从图上也可以看出，双高斯的边缘视场的主光线出射角较大，而反远摄的较小，其原因在于双高斯构型是对称的形式，所以主光线的出射角度和入射角度大小差不多大。因此双高斯构型的边缘视场的相对照度也会较低。根据以下公式可以得出。

当出射角度增大时，边缘视场的照度相对于中心视场的照度会降低很多。因此本系统使用双高斯构型设计很难满足需求。

对于反远射构型，也是双高斯的一种变形，从双高斯发展而来。主要组成部分为前端的负光焦度元件和后端的具有正光焦度元件。对于轴外的大视场的入射光经过前端的负组发散，进入后端的入射角度变小，因此到像面的入射角也随之变小。更容易满足要求。

下面会根据要求，做一个完整的设计实例，最终的效果满足设计需求。

以上是对光学初始构型的分析，具体设计我的想法是先找个反远摄的初始结构，然后在其基础上修改参数即可。

对于视讯镜头，网上也有很多专利可以参考，如CN116184630A和CN 111708144 A等，可以参考他们的专利进行设计。

专利1

第一个专利采用的是9片玻塑混合设计，光圈F数为2.1，系统焦距4 .35mm≤f≤4.46mm，视场角为90度，总长小于31，相对照度大于40%。

第二个专利采用的是8片玻塑混合设计，光圈F数为2.4，系统焦距为1.87mm，视场角为125度，总长小于24.05mm。

根据以上两个专利分析，两个都可以作为初始结构作为起点往后设计，但是对于我个人而言，更倾向于后者，镜片更少一些且视场大于我们要用到视场，总长也比较接近目标长度。

在这里，我并不用以上的初始结构作为起点，而是在codev的镜头专利库中选择一个初始结构作为起点，选取的标准如下：

选取了以上专利作为初始构型

系统总共9片透镜，且都为球面透镜，且初始结构的焦距为100mm，全视场为84度。总长为385mm。这个距离我们的需求还差的很远，因此需要对此系统进行缩放处理。缩放比例选择0.03，且需要缩放系统参数。缩放后系统总长11.56。

缩放后的和缩放前的无差，接下来就需要对这个系统进行优化调整。将半径和厚度作为变量进行初始优化。主要要控制系统的焦距和总长。经过几轮优化后可以得到以下结果。

目前视场还未达到要求，而且后截距也较短，接下来在此基础上继续优化，在设置上，由于视场较大，使用广角模式进行优化。

此时并没有控制畸变，视场也不满足要求，接下来控制畸变并且一点点增大视场。优化后的畸变如下。

视场还差一点满足要求，接下来增大视场，且要控制相对照度。视场增大到50度，照度和二维图如下。

照度图

目前照度还没有达到要求，造成照度不满足的原因主要有边缘视场渐晕较大，或者是边缘视场主光线出射角太大。因此需要优化一下边缘视场主光线出射角度，约束小于20度。

由于系统存在畸变，入射为90度的时候像高也只有3.2mm，因此将系统的视场设置为真实像高，并将最大视场设置为3.45mm。继续优化。

目前主要矛盾都已经解决，视场，长度，出射角，畸变等都差不多满足系统要求，接下来就是把系统原始的虚拟玻璃换成实际玻璃，并运行玻璃专家进行替换。玻璃替换后如下图所示。

接下来增加非球面，选择最后一片透镜作为非球面，继续优化，误差函数也降到了3.6，如下图所示。

再进行玻璃专家替换玻璃，这次将玻璃和塑料放在一起替换。优化后将第一片透镜设置为非球面，继续优化。

这时，相对照度还不够，需要控制一下相对照度，再继续优化，结果如下，基本要求已经全部满足。

二维图

MTF

相对照度

畸变

设计到这里，大概的初始构型已经设计好了，接下来可以增加非球面或者减少镜片，做进一步优化。