一种大视场镜头保护玻璃设计方法与流程

1.本发明涉及光学系统设计、光学成像设备技术领域，具体涉及一种大视场镜头保护玻璃设计方法。


背景技术：

2.大视场广角成像镜头被广泛应用于国防和民用的诸多领域，如安防、监控、民用、军用车辆等。通常，大视场镜头的全视场2ω＞100
°
。由于大视场镜头的光阑像差很大，不同视场角入射的光线并不交汇于一点，对该类系统，使用传统的平面或球面保护玻璃，会严重改变系统的设计参数，如视场，焦距，同时会增加畸变，严重降低像质。
3.因此，目前亟需一种针对大视场镜头的保护方法，能够避免大视场镜头的损坏，进一步提高成像质量。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种大视场镜头保护玻璃设计方法，能够通过软件设计一种保护玻璃，解决大视场镜头的光学畸变、像质下降和参数偏移的问题。
5.为实现本发明目的，采用的技术方案为：
6.一种大视场镜头保护玻璃设计方法，本方法针对的大视场镜头的全视场不小于100
°
，在大视场镜头前放置保护玻璃，保护玻璃为曲面透镜，前弧面为凸面，后弧面为凹面，具体步骤包括：
7.步骤一、获取大视场镜头的半视场，根据半视场的值计算保护玻璃的前弧面离散点的坐标和后弧面的离散点的坐标。
8.步骤二、根据离散点的坐标，采用偶次多项式拟合的方式得到前弧面和后弧面的面形方程，并根据面形方程得到保护玻璃的面形参数。
9.步骤三、对保护玻璃和大视场镜头组成的光学系统进行优化，得到用于加工的保护玻璃的面形参数。
10.根据半视场的值计算保护玻璃的前弧面离散点的坐标和后弧面的离散点的坐标，具体方法为：
11.第k个离散点的横坐标xk公式为：
[0012][0013]
第k个离散点的纵坐标yk公式为：
[0014][0015]
其中，k＝1,2,3,
…
,n，n为离散点的对数；为第k-1个离散点的半视场，为第k个离散点的半视场，lk第k个离散点的弧面距离，为的正切值，是
的正切值。
[0016]
利用上述公式进行迭代，分别计算出前弧面和后弧面上所有散射点的横纵坐标，其中，在计算前弧面上所有散射点的横纵坐标时，轴向距离其中，在计算前弧面上所有散射点的横纵坐标时，轴向距离在计算后弧面上所有散射点的横纵坐标时，轴向距离d为保护玻璃表面与光学镜头的第一面的轴向距离，d0为保护玻璃的轴向厚度。
[0017]
其中，x轴为光轴，y轴为垂直光轴，原点为保护玻璃的前弧面顶点。
[0018]
进一步的，采用偶次多项式拟合的方式得到前弧面和后弧面的面型方程，具体方法为：
[0019]
构建偶次球面的面形表达式，并设置拟合目标函数e为面形表达式的拟合值和实际值之差；输入离散点的横坐标和纵坐标，当拟合目标函数e最小时，此时保护玻璃的面形参数为所求；将面形参数代入面形方程。
[0020]
进一步的，拟合目标函数e的公式e＝∑i(f(xi)-yi)2，f(xi)为面形表达式，xi为第i个离散点的横坐标，yi为第i个离散点的纵坐标。
[0021]
进一步的，对保护玻璃和大视场镜头组成的光学系统进行优化，具体方法为：
[0022]
用误差目标函数f对保护玻璃的面形参数进行优化，当误差目标函数f最小时，ai为所求的用于加工的保护玻璃的面形参数；根据面形参数ai和预设的厚度d0，对保护玻璃进行设计。
[0023]
进一步的，采用包括zemax和codev的光学设计平台，完成对大视场镜头的保护玻璃的设计。
[0024]
有益效果：本发明提供了一种大视场镜头保护玻璃设计方法，在读取大视场镜头的半视场后，根据半视场的值计算保护玻璃的前弧面离散点对坐标和后弧面的离散点坐标。输入离散点的坐标，采用偶次多项式拟合的方式得到前弧面和后弧面的面型方程，并根据面形方程得到保护玻璃的面型参数。对保护玻璃和大视场镜头组成的光学系统进行优化，得到用于加工的保护玻璃的面形参数。按照该方法设计得到的大视场镜头保护玻璃，可以有效的避免传统面型保护玻璃造成的大视场成像系统像质降低，参数变化严重等问题，提高了成像的精确度和质量。
附图说明
[0025]
图1为本发明与光学系统的配合简图。
[0026]
图2为本发明方法流程图。
[0027]
其中，1-保护玻璃，2-大视场镜头。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0029]
在大视场镜头2前放置保护玻璃1，保护玻璃1为曲面透镜，前弧面为凸面，后弧面为凹面。对于如图1所示的光学系统，本发明提供了一种如图2所示的大视场镜头2保护玻璃1设计方法，具体步骤包括：
[0030]
步骤一、获取大视场镜头2的半视场，根据半视场的值计算保护玻璃1的前弧面离散点的坐标和后弧面的离散点的坐标。其中，x轴为光轴，y轴垂直光轴，原点为保护玻璃1的前弧面顶点。
[0031]
以保护玻璃1的前弧面为例，根据半视场的值计算保护玻璃1的前弧面离散点的坐标和后弧面的离散点的坐标，具体方法为：
[0032]
第k个离散点的横坐标xk公式为：
[0033][0034]
第k个离散点的纵坐标yk公式为：
[0035][0036]
其中，k＝1,2,3,
…
,n，n为离散点的对数；为第k-1个离散点的半视场，为第k个离散点的半视场，lk第k个离散点的弧面距离，为的正切值，是的正切值。离散点通常选取10-100对，本发明实施例中取n为30，即前弧面和和后弧面上分别取30个离散点。
[0037]
其中，半视场ω是大视场镜头2的半视场。
[0038]
其中，lk是光学系统的第一面与前弧面的轴向距离，d为保护玻璃表面与光学镜头的第一面的轴向距离。
[0039]
对于保护玻璃1的后弧面，将d替换为d
′
再次进行上述迭代计算，得到保护玻璃1的后弧面的一系列离散点的坐标。其中，d
′
＝d-d0。d0为保护玻璃1的轴向厚度，在设计时根据实际情况取定。本发明实施例中，轴向厚度取5mm。
[0040]
步骤二、根据离散点的坐标，采用偶次多项式拟合的方式得到前弧面和后弧面的面形方程，并根据面形方程得到保护玻璃1的面形参数。
[0041]
采用偶次多项式拟合的方式得到前弧面和后弧面的面形方程，具体方法为：设目标函数为e，输入离散点的横坐标和纵坐标，当目标函数最小时，此时保护玻璃1的面形参数ai为所求；将ai代入面形方程，i是阶数。
[0042]
前弧面和后弧面的面形表达式均为f(x)＝∑ai×
x
2i
。其中，x为离散点的横坐标，ai为面形参数，i是阶数。
[0043]
步骤三、对保护玻璃1和大视场镜头2组成的光学系统进行优化，得到用于加工的保护玻璃1的面形参数，具体方法为：用误差目标函数f对保护玻璃1的面形参数进行优化，当误差目标函数f最小时，ai为所求的用于加工的保护玻璃1的面形参数；根据面形参数ai和预设的厚度d0，对保护玻璃1进行设计。
[0044]
本发明实施例中，f是由光学设计平台，如zemax，codev等经过光线追迹，数值求解得到的对于整个光学系统成像光斑方均根半径、像差、色差，照度分布等指标的评价数值。
[0045]
其中，fn为对应每个保护玻璃1面型参数ai和广角镜头光学参数rj，nj，lj的误差目标函数，j为大视场光学镜头参数的编号，为误差目标函数的目标值。本发明实施例中，取为0.01。
[0046]
本发明实施例中，采用包括zemax和codev的光学设计平台，完成对大视场镜头2的保护玻璃1的设计。
[0047]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种大视场镜头保护玻璃设计方法，本方法针对的大视场镜头的全视场不小于100
°
，其特征在于，在大视场镜头前放置保护玻璃，保护玻璃为曲面透镜，前弧面为凸面，后弧面为凹面，具体步骤包括：步骤一、获取大视场镜头的半视场，根据半视场的值计算保护玻璃的前弧面离散点的坐标和后弧面的离散点的坐标；步骤二、根据离散点的坐标，采用偶次多项式拟合的方式得到前弧面和后弧面的面形方程，并根据面形方程得到保护玻璃的面形参数；步骤三、对保护玻璃和大视场镜头组成的光学系统进行优化，得到用于加工的保护玻璃的面形参数；所述根据半视场的值计算保护玻璃的前弧面离散点的坐标和后弧面的离散点的坐标，具体方法为：第k个离散点的横坐标x
k
公式为：第k个离散点的纵坐标y
k
公式为：其中，k＝1,2,3,
…
,n，n为离散点的对数；为第k-1个离散点的半视场，为第k个离散点的半视场，l
k
第k个离散点的弧面距离，为的正切值，是的正切值；利用上述公式进行迭代，分别计算出前弧面和后弧面上所有散射点的横纵坐标，其中，在计算前弧面上所有散射点的横纵坐标时，轴向距离在计算前弧面上所有散射点的横纵坐标时，轴向距离在计算后弧面上所有散射点的横纵坐标时，轴向距离d为保护玻璃表面与光学镜头的第一面的轴向距离，d0为保护玻璃的轴向厚度；其中，x轴为光轴，y轴为垂直光轴，原点为保护玻璃的前弧面顶点。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用偶次多项式拟合的方式得到前弧面和后弧面的面型方程，具体方法为：构建偶次球面的面形表达式，并设置拟合目标函数e为面形表达式的拟合值和实际值之差；输入离散点的横坐标和纵坐标，当拟合目标函数e最小时，此时保护玻璃的面形参数为所求；将面形参数代入面形方程。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述拟合目标函数e的公式e＝∑
i
(f(x
i
)-y
i
)2，f(x
i
)为面形表达式，x
i
为第i个离散点的横坐标，y
i
为第i个离散点的纵坐标。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对保护玻璃和大视场镜头组成的光学系统进行优化，具体方法为：用误差目标函数f对保护玻璃的面形参数进行优化，当误差目标函数f最小时，a
i
为所求的用于加工的保护玻璃的面形参数；根据面形参数a
i
和预设的厚度d0，对所述保护玻璃进行
设计。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用包括zemax和codev的光学设计平台，完成对大视场镜头的保护玻璃的设计。

技术总结
本发明提供了一种大视场镜头保护玻璃设计方法，读取大视场镜头的半视场，根据半视场的值计算保护玻璃的前弧面离散点对坐标和后弧面的离散点坐标。首先，输入离散点的坐标，采用偶次多项式拟合的方式得到前弧面和后弧面的面形方程，并根据面形方程得到保护玻璃的面形参数。保护玻璃和大视场镜头组成的光学系统进行优化，得到用于加工的保护玻璃的面形参数。按照该方法设计得到的大视场镜头保护玻璃，可以有效的避免传统面形保护玻璃造成的大视场成像系统像质降低，参数变化严重等问题，提高了成像的精确度和质量。提高了成像的精确度和质量。提高了成像的精确度和质量。


技术研发人员：朱巍巍 郝小健 郭小虎 朱东 田继文
受保护的技术使用者：中国北方车辆研究所
技术研发日：2022.02.11
技术公布日：2022/5/25