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ZEMAX光学设计实例（136）---一个水下超广角物镜的设计

2021-12-20 10:36| 发布者：Davis| 查看：4852| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了使用ZEMAX软件设计水下超广角物镜的实例，包括像差校正、数字图像处理、球差、色差等方面。同时也探讨了水下光学成像技术的特点和问题，并提出了解决方法。

引言：

水下目标检测，特别是超大视场水下目标检测是比较热门的研究课题。

广角物镜多采用大弯月透镜，朝向物镜中心的光阑弯曲，使得光缆前后的透镜组视场角变小，以便校正像差。

物镜的第一片透镜的前表面浸没在水中，在ZEMAX的LDE中，物空间（OBJ）对应的材料要设定为（1.33，54.0），这正是水的折射率和阿贝数。

广角物镜的物距通常远大于像距，在初始结构中，可以将物距设为无限远。

随着视场角的增大，图形的欠校正畸变也会非线性地增大。由于图形探测器芯片为矩形，所以拍摄到的场景是枕形，呈现高度的非线性。超大视场物镜的剩余畸变可以由数字图像处理系统进行后续补偿。

设计水下物镜，还要确保物镜整体的密封性。

与大气光学成像技术相比，水下光学成像技术深受水体光吸收和散射的影响，可见光在水体中传播的波长依赖性使得水下图像呈现蓝绿色调，水体中的杂质微粒对光的散射导致图像细节模糊以及表面雾化。为解决上述问题，研究人员提出了大量水下图像预处理算法，分为基于非物理模型的图像增强方法和基于物理模型的复原方法

设计指标：

设计一个水下超广角物镜：

波段/um	F	ρ/mm		2ω_H/°	f`/mm	BFL/mm
VIS	3.0	5.1		156	2.9	7

注：ρ为半对角线长度。

设计仿真：

首先输入系统特性参数，如下：

在系统通用对话框中设置孔径。

在孔径类型中选择“Paraxial Working F/#”，并根据设计要求输入“3.0”；

对于超广角物镜，通常的处理方法是取对角线上0.85处为最大视场，即可去除归一化像高大于0.85的区域，该处理称为“0.85视场配置”（0.85 FOV Allocation）。

该实例中，ρ_0.85=5.1mm。

在Gen\Ray Aiming（光阑像差纠正）中选择Real，确保大视场主光线通过光阑。

在视场设定对话框中选择“Real Image Height”，如下图：

在波长设定对话框中，设置F,d.C(Visible)三个波长，如下图：

LDE的参数如下图：

查看2D Layout，如下图：

该物镜的前组由三片ZK系列的弯月透镜构成，由于水的折射率和玻璃接近，视场角做得特别大。

在MFE中的操作数，如下图：

在MFE中，“HORIZONTAL& VERTICAL ANGLE FIELD”模块用来计算并控制水平视场角2ω_H。

注意，不能同时控制垂直视场角2ω_V，它是计算出来的。

第6、7行的水平视场角归一化坐标H_X=0.94，是芯片半宽度a/2(9.6/2=4.8)与ρ0.85(5.1)之比。

第6行，REAX操作数，水平归一化视场H_X=0.94，物面上实际光线的x分量。

第7行，REAY操作数，水平归一化视场H_X=0.94，物面上实际光线的y分量。

第9行，RANG操作数，水平归一化视场H_X=0.94，物面上实际光线的与z轴的夹角，单位是弧度。

第10行，PROD操作数，第9行×第3行，将弧度换算成角度。

第11行，PROD操作数，第10行×第4行，将半角换算成全角。

第13、14行的垂直视场角归一化坐标H_Y=0.71，是芯片半高度b/2(7.2/2=3.6)与ρ0.85(5.1)之比。

第13行，REAX操作数，水平归一化视场H_Y=0.71，物面上实际光线的x分量。

第14行，REAY操作数，水平归一化视场H_Y=0.71，物面上实际光线的y分量。

第16行，RANG操作数，水平归一化视场H_Y=0.71，物面上实际光线的与z轴的夹角，单位是弧度。

第17行，PROD操作数，第16行×第3行，将弧度换算成角度。

第18行，PROD操作数，第17行×第4行，将半角换算成全角。

查看点列图：

弥散斑RMS Radius在6um以内，像质较好。

查看Ray Fan：

查看球差-色差曲线：

从球差-色差曲线可以看出，在可见光波段的球差、色差曲线一致收敛，达到较高的分辨率。

查看畸变：

查看相对照度：

像面相对照度相当均匀。

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