—種用于3D成像的光學(xué)系統(tǒng)摘要：隨著激光照明技術(shù)以及3D體感交互技術(shù)的發(fā)展，近紅外光源及近紅外鏡頭的需求及應(yīng)用越來(lái)越廣泛。為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展和市場(chǎng)需求，利用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)一款大視場(chǎng)、大光圈、小畸變、消熱差的3D成像近紅外鏡頭。該鏡頭由8片全玻璃球面構(gòu)成。鏡頭視場(chǎng)角2W為87度，光圈值為1.0,焦距為3.33mm，光學(xué)畸變小于-5%，后工作距大于1.1mm。采用TexasInstruments公司像素為QVGA的深度傳感器，最大分辨率為320*240，單個(gè)像素大小為15um*15um。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示：中心視場(chǎng)的MTF值在30lp/mm時(shí)達(dá)到0.5以上，0.85視場(chǎng)以內(nèi)的MTF值在30lp/mm時(shí)均達(dá)到0.3以上。關(guān)鍵詞：近紅外鏡頭；3D成像技術(shù)，光學(xué)設(shè)計(jì)Anopticalsystemfor3DimagingtechnologyLIUHonghai1(1.GuangdongHongjingOptoelectronicTechnologyInc.,R&DDepartment,Zhongshan528437,China;)Abstract:Alongwiththedevelopmentoflaserilluminationtechnologyandtheinteractionbetween3D,therequirementandapplicationofnearinfraredlightsourceandnearinfraredlensarebecomingmoreandmorepopular.Inordertoadapttothesocialdevelopmentandmarketdemands,theuseofZEMAXopticaldesignsoftwaretodesignalargefieldofview,largeaperture,smalldistortion,firedifferentialthermal3Dimagingnearinfraredcameralens.Thelensconsistsof8piecesofallglassspheres.Fieldofview2Wis87degrees,theapertureis1.0,thefocallengthis3.33mm,theopticaldistortionislessthan-5%,andthebackworkingdistanceisgreaterthan1.1mm.TheInstrumentsTexascompanysensorisaQVGAdepthsensorwithamaximumresolutionof320*240,asinglepixelsizeof15um*15um.DesignresultsshowthattheMTFvalueofthecenterofthefieldofviewismorethan0.5,andtheMTFvalueofthe0.85fieldofviewismorethan0.3in30lp/mm.Keywords:Nearinfraredlens;3Dimagingtechnology,opticaldesign引言近年來(lái)，隨著激光照明技術(shù)及3D體感交互技術(shù)的應(yīng)用，近紅外光源及近紅外鏡頭的需求及應(yīng)用越來(lái)越廣泛。尤其在20世紀(jì)90年代，光電子學(xué)的兩大熱門(mén)領(lǐng)域（基于TOF技術(shù)的距離測(cè)量和具有特殊功能的深度傳感器）首次結(jié)合到一起,誕生了第一代的TOF相機(jī)。隨后PMD、MESA、Optrima和微軟等各大廠家均推出了眾多型號(hào)的3D相機(jī)。而3D相機(jī)均采用了大光圈小畸變近紅外鏡頭。鑒于此，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于3D成像技術(shù)的近紅外鏡頭顯得十分必要[1-3]1感光器件的選取由于3D成像技術(shù)是基于帶有特殊功能的CMOS傳感器，即該傳感器不同于以往的感光器件，它可以通過(guò)測(cè)量激光光源發(fā)出的脈沖光信號(hào)和物體反射回來(lái)的脈沖光信號(hào)之間的時(shí)間間隔，進(jìn)而通過(guò)時(shí)間*光速而得到物體的深度（距離）信息，最終勾勒出一幅拍攝物體的3D信息圖。而能生產(chǎn)這種傳感芯片的只有PrimeSense、TexasInstruments、Infineon等幾家國(guó)外廠商。本文采用的是TexasInstruments公司的OPT8141深度傳感器，該款傳感器可以感應(yīng)850nm波長(zhǎng)脈沖光信號(hào)，芯片大小為1/3”，像素為QVGA，最大分辨率為320*240,單個(gè)像素大小15um*15um，根據(jù)數(shù)字元取樣原理，影像檢測(cè)器所能顯示的最大空間頻率受Nyquist（奈奎斯特）采樣頻率的限制，即一個(gè)空間周期至少有2個(gè)像素，故該芯片所配鏡頭的極限頻率為1/（2*15um）=33lp/mm。2設(shè)計(jì)指標(biāo)市場(chǎng)上主流的大視場(chǎng)近紅外鏡頭基本為安防監(jiān)控類(lèi)的日夜型鏡頭，此類(lèi)鏡頭的畸變普遍都很大（基本在25%左右），而且光圈一般也較?。ɑ?.0左右）能收集的光信號(hào)太弱，因此并不適合用于3D成像。本鏡頭的畸變?cè)O(shè)計(jì)小于5%,光圈更是達(dá)到1.0，完全滿足大光圈小畸變的要求［4-。6］具體參數(shù)見(jiàn)表1.表1光學(xué)系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1Opticaldesignparameters焦距 <3.5mmTOC\o"1-5"\h\z最大視場(chǎng)角 87°光圈 1.0工作波長(zhǎng) 850nm畸變 <5%光學(xué)總長(zhǎng) <25.00mm3光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1構(gòu)型的選擇光學(xué)設(shè)計(jì)的初始選型一般有兩種方式,一種是設(shè)計(jì)者通過(guò)高斯光學(xué)理論創(chuàng)造出一個(gè)原始結(jié)構(gòu),不過(guò)這種方法計(jì)算繁瑣且對(duì)設(shè)計(jì)者的像差理論知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求非常高；另一種方法也設(shè)計(jì)者通常的做法,就是通過(guò)查閱手冊(cè)或過(guò)期專(zhuān)利來(lái)篩選初始結(jié)構(gòu)，這種方法較簡(jiǎn)單且能較快速地選出初始結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)是通過(guò)后一種方法實(shí)現(xiàn)的。光學(xué)材料一般有玻璃和塑料兩種，光學(xué)玻璃具有高透明性、高折射率和低色散特性，同時(shí)光學(xué)玻璃對(duì)高低溫的適應(yīng)性較強(qiáng)，長(zhǎng)久使用不易磨損；光學(xué)塑料則具有質(zhì)量輕、成本低、可塑性強(qiáng)，但易于老化，在高低溫環(huán)境下折射率變化較大表面硬度低易劃痕等特點(diǎn)。光學(xué)玻璃材料一般又有玻璃球面和玻璃非球面兩種，球面冷加工成本相對(duì)較低、技術(shù)成熟，非球面則模壓成本高昂，技術(shù)也掌握在少數(shù)幾家日本等國(guó)外光學(xué)玻璃廠商手中。而光學(xué)塑料通常是非球面注塑成型，這種技術(shù)也非常成熟，只是前期模具費(fèi)用較貴，制作周期較長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)為了節(jié)省成本同時(shí)保證鏡頭的環(huán)境適應(yīng)性，因此采用了全玻璃球面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［7-。8］光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Thestructureofopticalsystem3.2設(shè)計(jì)過(guò)程本設(shè)計(jì)只針對(duì)850nm近紅外光成像設(shè)計(jì)，因此可不用考慮可見(jiàn)復(fù)合光的色差問(wèn)題。通過(guò)對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單優(yōu)化，可得結(jié)構(gòu)模型。由于深度傳感器的有效像素是320*240,單個(gè)像素的大小是15um*15um，所以所配鏡頭的極限分辨率為1/（2*15um）=33lp/mm。由于未采用非球面，系統(tǒng)的自由度較少，因此為了盡可能減小畸變，則需要增加鏡片的數(shù)量，本設(shè)計(jì)采用了8片玻璃球面鏡片組合。具體優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟可分為以下4步：把初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入到Zemax鏡頭數(shù)據(jù)表中，然后輸入視場(chǎng)（最大半視場(chǎng)43.5度）、光圈（像空間F/#=1.0）、波長(zhǎng)（850nm）等參數(shù)田-】嘰2.把所有透鏡的半徑、厚度、空氣間隔設(shè)為可變量，然后在評(píng)價(jià)函數(shù)中加入焦距、后焦、光學(xué)總長(zhǎng)、畸變、相對(duì)照度、主光線入射角及Zemax默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)（評(píng)價(jià)函數(shù)選擇PTV-Wavefront-ChiefRay）等約束，進(jìn)行初步優(yōu)化。3.通過(guò)改變各約束的權(quán)重并加入其它像差約束可得到更好的像質(zhì)，或者通過(guò)更換玻璃材料來(lái)優(yōu)化。4.最后也可以在評(píng)價(jià)函數(shù)中加入MTFS和MTFT約束來(lái)進(jìn)一步提升系統(tǒng)的MTF值[11-13]。Fig.2MTFdiagrambeforeoptimization3.3設(shè)計(jì)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)后鏡頭的結(jié)構(gòu)如圖3所示。焦距3.33mm，光圈1.0,最大半視場(chǎng)角43.5度，光學(xué)總長(zhǎng)22.70mm，光學(xué)后焦1.8mm，最大半像高3.15mm（略大于傳感器的半對(duì)角線3.00mm），主光線出射角11度，滿足CMOS芯片要求。

圖3優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3SystemstructureafteroptimizationMTF（ModulationTransferFunction調(diào)制傳遞函數(shù)）是評(píng)價(jià)鏡頭成像質(zhì)量的方法之一，單位是“線對(duì)/毫米"（lp/mm,line-pairs/mm）。此鏡頭的極限分辨率要求是33lp/mm，對(duì)于成像鏡頭來(lái)說(shuō)，0.85視場(chǎng)（半視場(chǎng)37度）以內(nèi)的區(qū)域是主要成像區(qū)域，對(duì)于0.85視場(chǎng)（半視場(chǎng)37度）以外的視場(chǎng)區(qū)域像質(zhì)可允許一定程度的下降。如圖4所示，在30lp/mm處，0.85視場(chǎng)（半視場(chǎng)37度）以內(nèi)的MTF值都大于0.3,中心視場(chǎng)更是高達(dá)0.5。完全滿足成像質(zhì)量的要求。圖4優(yōu)化后的MTF圖Fig.4MTFdiagramafteroptimization畸變雖然對(duì)鏡頭的成像質(zhì)量沒(méi)有影響，但對(duì)用戶的視覺(jué)效果產(chǎn)生影響，因此畸變矯正也是非常重要的。如下圖5所示，畸變控制在5%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。DI5T口MEOM-5.DE g.BD S.S0FERCENT圖5畸變圖Fig.5Distortiondiagram相對(duì)照度是鏡頭成像面邊緣亮度相對(duì)于中心位置的歸一化。一般相對(duì)照度越大越好，但對(duì)于大視場(chǎng)鏡頭而言，隨著視場(chǎng)的增大，出射主光線的角度也越大，相對(duì)照度將會(huì)越低。對(duì)于成像系統(tǒng)的相對(duì)照度一般大于50%即可。本設(shè)計(jì)中相對(duì)照度為47%，因?yàn)槭谴蠊馊ο到y(tǒng)，所以基本滿足成像需要，如下圖6所示。0.酣 31.YE 啊B￥FIELDIHEEEfiEEB圖6相對(duì)照度圖Fig.6RelativeIllumination公差分析和熱分析是光學(xué)設(shè)計(jì)中最后必不可少的一步。寬容的公差往往帶來(lái)良好的組裝良率，考慮現(xiàn)有的加工水平和結(jié)構(gòu)工藝，鏡片中心厚度公差可以做到±0.02mm，鏡片外徑公差可以做到土0.01mm。金屬鏡筒的同軸度也可以做到0.02mm。通過(guò)Zemax軟件的公差分析可知該設(shè)計(jì)具有較好的公差寬容度，具有量產(chǎn)性。由于本設(shè)計(jì)采用的是全玻璃結(jié)構(gòu)，整體對(duì)溫度并不敏感，通過(guò)Zemax軟件模擬可知，本設(shè)計(jì)鏡頭在-40°C到+85°C的環(huán)境中，成像質(zhì)量并不會(huì)有明顯變化，完全達(dá)到消熱差要求。4結(jié)論通過(guò)本設(shè)計(jì)優(yōu)化鏡頭，得到一款具有大視場(chǎng)、大光圈、小畸變和消熱差的近紅外鏡頭。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工難度低，具有的大視場(chǎng)可拍攝較寬的視野，具有的大光圈可大大提升鏡頭的通光量，減小攝像機(jī)對(duì)激光光源的要求，具有的小畸變很好的還原了拍攝物體原型，同時(shí)良好的溫差控制大大提升了鏡頭的環(huán)境適應(yīng)性，擁有更多的應(yīng)用場(chǎng)所?？傮w來(lái)說(shuō)，此款鏡頭滿足了市場(chǎng)需要及生產(chǎn)要求，具有很大的市場(chǎng)前景。參考文獻(xiàn)李廣，汪建業(yè)，張燕，800萬(wàn)像素手機(jī)鏡頭的設(shè)計(jì)，應(yīng)用光學(xué)，2011）郁道銀，工程光學(xué)[M],北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1999王之江，現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)：下冊(cè)[M],北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2010Zemax中文使用手冊(cè)[M],上海，訊技光電科技（上海）有限公司，2005澤新,工程光學(xué)設(shè)計(jì)[M],北京，電子工業(yè)出版社，2007胡玉禧，安連生，應(yīng)用光學(xué)[M],合肥,中國(guó)科技大學(xué)出版社,2006李林，現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計(jì)方法，北京理