CN111025633B

CN111025633B - 一种基于奇次多项式的镜头设计方法、装置及存储介质

Info

Publication number: CN111025633B
Application number: CN201911401296.7A
Authority: CN
Inventors: 赵健; 温源
Original assignee: Guangzhou Jinghe Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Guangzhou Jinghe Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN111025633A

Abstract

本发明公开了一种本发明实施例提供了一种基于奇次多项式的镜头设计方法、装置及存储介质，所述方法首先获取基于非球面方程设计的镜头的镜头数据，然后基于奇次多项是方程对镜头的各光学面进行初次优化，优化时控制各光学面的曲率半径绝对值小于等于9mm，二次曲线系数绝对值小于50。初次优化后，以各光学面的奇次多项式方程中3阶单项式系数作为变量，进行调整。最后再调整除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数，对各所述光学面进行优化。与现有技术相比采用奇次多项式对镜头进行进一步的优化，能够提高镜头解像水平。

Description

一种基于奇次多项式的镜头设计方法、装置及存储介质

技术领域

本发明涉及镜头设计领域，尤其涉及一种基于奇次多项式的镜头设计方法及装置。

背景技术

现有的镜头设计是基于非球面方程进行设计优化，其中非球面方程的表达式如下：

上述公式中，z为近轴方向的矢高，c为曲率半径，k为二次曲线系数，当k＝0时且A,B,C,D,E,F,G,H,J同时为零时z为球面方程，当k不为0且A,B,C,D,E,F,G,H,J同时为零时z为二次曲线系方程。

但是基于非球面方程设计出来的镜头，其光学系统MTF(调整传递函数)在高空间频率时不够高，离焦曲线较差，解像水平较低。

发明内容

本发明实施例提供一种奇次多项式的镜头设计方法及装置，能提高镜头的解像水平。

本发明一实施例提供一种基于奇次多项式的镜头设计方法，包括：获取基于非球面方程设计的镜头的镜头数据；其中，所述镜头包括若干镜片，每一所述镜片包括两个光学面；

根据所述镜头数据通过奇次多项式方程对各所述光学面进行初次优化，生成各所述光学面对应的奇次多项式方程的方程参数以及各所述光学面对应的第一MTF曲线图；其中，所述方程参数包括：曲率半径、二次曲线系数以及所述奇次多项式方程的各阶单项式系数；其中，在对各所述光学面进行初次优化时控制所述曲率半径绝对值小于等于9mm，并控制所述二次曲线系数绝对值小于50；

调整各所述奇次多项式方程中3阶单项式系数，并控制各所述奇次多项式方程中其余方程参数不变，对各所述光学面进行优化，直至各所述光学面对应的MTF曲线图符合第一预设条件；

调整各所述奇次多项式方程中，除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数，对各所述光学面进行优化，将优化完成后的各光学面对应的方程参数输出，以使制造人员根据所输出的各光学面对应的方程参数制造镜片并组装镜头。

进一步的，在对对各所述光学面进行初次优化时，去除各奇次多项式方程中阶数为20阶以上的单项式。

进一步的，所述调整各所述奇次多项式方程中3阶单项式系数，并控制各所述奇次多项式方程中其余方程参数不变，对各所述光学面进行优化，具体包括：

控制各所述奇次多项式方程中其余方程参数不变，并按第一数值调整方向及预设数值大小，调整各所述奇次多项式方程3阶单项式系数，并生成调整后的各光学面的第二MTF曲线图；

将所述第一MTF曲线图与第二MTF曲线图进行比对；

若各光学面的第一MTF曲线图在焦点位置处的MTF值大于各光学面的第二MTF曲线图，则将各所述奇次多项式方程3阶单项式系数根据所述预设数值大小按第二数值调节方向进行调整；

若各光学面的第一MTF曲线图在焦点位置处的MTF值小于各光学面的第二MTF曲线图，则将各所述奇次多项式方程3阶单项式系数继续根据所述预设数值大小按第一数值调节方向调节；其中，所述第二数值调节方向与所述第一数值调节方向相反。

在上述方法项实施例的基础上，本发明对应提供了装置项实施例；

本发明一实施例提供了一种基于奇次多项式的镜头设计装置，包括数据获取模块，第一优化模块、第二优化模块和第三优化模块；

所述数据获取模块，用于获取基于非球面方程设计的镜头的镜头数据；其中，所述镜头包括若干镜片，每一所述镜片包括两个光学面；

所述第一优化模块，用于根据所述镜头数据通过奇次多项式方程对各所述光学面进行初次优化，生成各所述光学面对应的奇次多项式方程的方程参数以及各所述光学面对应的第一MTF曲线图；其中，所述方程参数包括：曲率半径、二次曲线系数以及所述奇次多项式方程的各阶单项式系数；其中，在对各所述光学面进行初次优化时控制所述曲率半径绝对值小于等于9mm，并控制所述二次曲线系数绝对值小于50；

所述第二优化模块，用于调整各所述奇次多项式方程中3阶单项式系数，并控制各所述奇次多项式方程中其余方程参数不变，对各所述光学面进行优化，直至各所述光学面对应的MTF曲线图符合第一预设条件；

所述第三优化模块，用于调整各所述奇次多项式方程中，除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数，对各所述光学面进行优化，将优化完成后的各光学面对应的方程参数输出，以使制造人员根据所输出的各光学面对应的方程参数制造镜片并组装镜头。

在上述方法项实施例的基础上，本发明提供了另一实施例；

本发明另一实施例提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述存储介质所在设备执行上述发明实施例所述的基于奇次多项式的镜头设计方法。

通过实施本发明的实施例具有如下有益效果：

本发明实施例提供了一种基于奇次多项式的镜头设计方法、装置及存储介质，所述方法首先获取基于非球面方程设计的镜头的镜头数据，然后基于奇次多项是方程对镜头的各光学面进行初次优化，优化时控制各光学面的曲率半径绝对值小于等于9mm，二次曲线系数绝对值小于50，原因在于曲率半径绝对值大过9mm会使得现有设备无法精确测量其几何偏心。由于几何偏心是高精度镜头品质控制的重要要素所以曲率半径绝对值要小于等于9mm。此外当二次曲线系数k值绝对值太大的时候对于光学设计软件中优化函数的收敛性有严重干扰，因此需要控制在50以内。初次优化后，以各光学面奇次多项式方程中3阶单项式系数，作为变量，进行调整。因为中3阶单项式系数变动会使得MTF曲线图发生较大的改变，因此需要首先确定奇次多项式方程中3阶单项式系数值使各镜片的结构形状和光线基本定向，最后再调整除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数，对各所述光学面进行优化。与现有技术相比，采用奇次多项式对镜头进行进一步的优化，能够提高镜头的解像水平。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的一种基于奇次多项式的镜头设计方法的流程示意图。

图2是本发明一实施例提供的一种基于奇次多项式的镜头设计装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，本发明实施例提供了一种基于奇次多项式的镜头设计方法，包括：

步骤S101:获取基于非球面方程设计的镜头的镜头数据；其中，所述镜头包括若干镜片，每一所述镜片包括两个光学面

步骤S102:根据所述镜头数据通过奇次多项式方程对各所述光学面进行初次优化，生成各所述光学面对应的奇次多项式方程的方程参数以及各所述光学面对应的第一MTF曲线图；其中，所述方程参数包括：曲率半径、二次曲线系数以及所述奇次多项式方程的各阶单项式系数；其中，在对各所述光学面进行初次优化时控制所述曲率半径绝对值小于等于9mm，并控制所述二次曲线系数绝对值小于50；

步骤S103：调整各所述奇次多项式方程中3阶单项式系数，并控制各所述奇次多项式方程中其余方程参数不变，对各所述光学面进行优化，直至各所述光学面对应的MTF曲线图符合第一预设条件；

步骤S104:调整各所述奇次多项式方程中，除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数，对各所述光学面进行优化，将优化完成后的各光学面对应的方程参数输出，以使制造人员根据所输出的各光学面对应的方程参数制造镜片并组装镜头。

对于步骤S101:首先根据用户的需求数据通过现有的光学设计软件，如zemax，或Code V，基于非球面方程设计镜头，生成基于非球面方程得到的镜头的镜头数据。优选的用户的需求数据包括：Model Feature(CCD尺寸,像素大小，)、EFL(有效焦距)、Max ImageCircle(最大成像圆大小)、Lens Constr(结构)、Fov(D)(视场角)Relative lllumination(周边光亮)、CRA(MAX)(最大主光角)、TTL(Barrel top to image)(总长)、BFL(光学后焦)、FBL(机械后焦)、IR Cut Filter(IR片大小)、Lens Dimension(镜头外形尺寸)将上述全部或部分的用户需求数据，输入到现有的光学设计软件zemax，或Code V，则会自动生成多个光学系统模型，然后将符合条件的一光学系统模型作为后续进行优化的模型，此处所提及的符合条件指的是，各项镜头数据的数据值分别达到预设值的光学模型，将其对应的的镜头数据，作为本发明上述的基于非球面方程设计的镜头的镜头数据。这里的镜头数据指的是调用现有的光学软件例如zemax，根据用户需求数据生成光学系统后，光学系统的镜头数据，具体数据项包括以下任意一项或其组合：Model Feature(CCD尺寸,像素大小)、EFL(有效焦距)、Max Image Circle(最大成像圆大小)、Lens Constr(结构)、Fov(D)(视场角)Relative lllumination(周边光亮)、CRA(MAX)(最大主光角)、TTL(Barrel top to image)(总长)、BFL(光学后焦)、FBL(机械后焦)、IR Cut Filter(IR片大小)、Lens Dimension(镜头外形尺寸)。需要说明的是，根据用户的需求数据，基于非球面方程进行优化，生成生成基于非球面方程的镜头的镜头数据，通过现有的光学设计软件如zemax即可实现，属于现有技术在此不再赘述。

对于步骤S102:首先对奇次多项式方程进行说明，奇次多项式方程的数学表达式如下：

z为在近轴方向的矢高、c是曲率半径、k为二次曲线系数、AR1、AR2、AR3、AR4、AR5、AR6、AR7、AR8 AR9、AR10、AR11、AR12、AR13、AR14、AR15、AR16、AR17、AR18、AR19、AR21、AR20、AR21、AR22、AR23、AR24、AR25、AR26、AR27、AR28、AR29、AR30、为奇次多项时中各阶单项式的系数。需要说明的AR1，AR2为0；

由于奇次多项式时在现有光学软件Code V中有定义，因此在步骤S102中，控制曲率半径绝对值小于等于9mm，并控制所述二次曲线系数绝对值小于50，以步骤S101获得的镜头数据为基础数据，然后调用现有的Code V，基于奇次多项式对镜头各个光学面进行初次优化(Code V中设有优化函数，能够进行优化这个是现有的)，生成各光学面对应的奇次多项式方程的方程参数，包括曲率半径C，二次曲线系数K，以及各阶单项式的系数即：AR3、AR4、AR5、AR6、AR7、AR8 AR9、AR10、AR11、AR12、AR13、AR14、AR15、AR16、AR17、AR18、AR19、AR21、AR20、、、、的值；以及各光学面对应的MTF曲线图(即上述第一MTF曲线图)由于曲率半径绝对值大过9mm会使得现有设备无法精确测量其几何偏心。而几何偏心又是高精度镜头品质控制的重要要素所以曲率半径绝对值要小于等于9mm。此外当二次曲线系数k值绝对值太大的时候对于光学设计软件中优化函数的收敛性有严重干扰，因此需要控制在50以内。优选的，在对对各所述光学面进行初次优化时，去除各奇次多项式方程中阶数为20阶以上的单项式。及生成的各光学面对应的奇次多项时方程，仅仅不包括AR21r²¹、AR22r²²、AR23r²³、AR24r²⁴、AR25r²⁵、AR26r²⁶、AR27r²⁷、AR28r²⁸、AR29r²⁹、AR30r³⁰、这几个单项式，这是由于现有的超精密车床(金刚石单点车床)能支持奇次多项式的数学表达式，只不过只支持到高次项为20次项。若包含了20次项以上的参数，以现有的仪器是无法对镜头进行加工生产的。

对于步骤S103,由于3阶单项式的系数即上述AR3对光学面的影响较大，一旦3阶单项式系数改变各光学面对应MTF曲线图也会出现较大的变化，因此需要首先调整好3阶单项式系数，调整方式为控制奇次多项式方程中其余方程参数不变，对各所述光学面进行优化，直至各所述光学面对应的MTF曲线图符合第一预设条件；第一预设条件指的是，MTF曲线图在焦点位置的MTF值达到了，在只调整3阶单项式这一情况下所能得到的最大值；

具体的，在一个优选的实施例中，整各所述奇次多项式方程中3阶单项式系数，并控制各所述奇次多项式方程中其余方程参数不变，对各所述光学面进行优化，包括：

将所述第一MTF曲线图与第二MTF曲线图进行比对；

上述第一数值调整方向和第二调数值调整方向，可以是参数值增大的方向或参数值减小的方向；两个数值调整方向是相反的，如果第一数值调整方向是参数值增大的方向，那么第二数值调整方向就是参数值减小的方向；如果第一数值调整方向是参数值减小的方向，那么第二数值调整方向就是参数值增大的方向。

以下例举一个光学面调整的实例：假设现在预设数值为A，第一数值调整方向为参数值增大的方向，第二数值调整方向为参数值减小的方向，那么此时开始调整时，将一光学面的3阶单项式系数增加A,然后生成曲线图(第二MTF曲线图)，将第二MTF曲线图与该光学面在步骤S102中初次优化后得到的第一MTF曲线图进行比对，如果第一MTF曲线图在焦点位置处的MTF值大于第二MTF曲线图，则说明光学面的质量变差了，此时需要向反方向调节即沿第二数值调整方向，将3阶单项式系数减少A,然后在生成第二MTF曲线图，然后与第一MTF曲线图比对；反之如果第一MTF曲线图在焦点位置处的MTF值小于第二MTF曲线图，则说明光学面的质量变好了，此处则继续沿第一数值调整方向调整，即将3阶单项式系数增加2A，然后继续比对；最后当光学面对应的MTF曲线图在焦点位置的MTF值达到第一预设值，或则MTF曲线图在焦点位置的MTF值，达到了在只调节3阶单项式系数的情况下的最大值，则停止调整，确定调整后的3阶单项式系数。

对于步骤S104:当3阶单项式系数即AR3确认后，保持3阶单项式系数、曲率半径、二次曲线系数，以及偶次阶单项式系数(AR4、AR6、AR8、AR10、A12、AR14、AR16、AR18和AR20)不变，逐一调整其余奇次阶单项式系数(AR5、AR7、AR9、AR11、A13、AR15、AR17和AR19)，在对其余奇次阶单项式系数调整时没有顺序先后之分，对其余每一奇次阶单项式系数调整的方式和步骤S103中对3阶单向式调整的方式相似，每次调整后都将生成的MTF曲线图与前一次的光学面的MTF曲线图作比对，若效果更好则继续沿同一数值调整方向调整，若效果差了就沿相反方向调整，直至MTF曲线图在焦点位置的MTF值达到了，在只调整该参数的这一情况下所能得到的最大值，然后对下一个参数进行调整。

调整完毕后，将各个光学面对应的方程参数输出使制造人员根据所输出的各光学面对应的方程参数制造镜头。

下表是采用非球面方程设计(原方法)的镜头以及通过本发明实施例所提供的方法设计(本方法)的镜头，之间的数据比对。

从上表可以看出在保证镜头的结构尺寸参数不变且性能参数不降低的情况下采用本实施例提供的方式，使得镜头的工作光圈F No.从1.88提升到1.82。此改善可以使得镜头的进光量增大7％。是一个显著的进步，在手机摄像头越来越追求大光圈高进光量的趋势下其市场竞争优势愈发显著。并且中心解像力MTF(调制传递函数)在110线对每毫米的MTF从0.67提升到0.74。使得镜头中心的解像水平有10％的显著提升。

在上述方法项实施例的基础上，对应提供了装置项实施例：

如图2所示，本发明另一实施例提供了一种基于奇次多项式的镜头设计装置，包括数据获取模块，第一优化模块、第二优化模块和第三优化模块；

所述第三优化模块，用于调整各所述奇次多项次方程中，除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数，对各所述光学面进行优化，将优化完成后的各光学面对应的方程参数输出，以使制造人员根据所输出的各光学面对应的方程参数制造镜片并组装镜头。

可以理解的是，上述装置项实施例是与本发明方法项实施例相对应的，其可以实现本发明上述任意一项方法项实施例提供的基于奇次多项式的镜头设计方法。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。所述示意图仅仅是基于奇次多项式的镜头设计装置的示例，并不构成对基于奇次多项式的镜头设计装置的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件。

在上述方法项实施例的基础上，对应提供了存储介质项实施例；

本发明一实施例提供了一种存储介质，包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行本发明任意一项方法项实施例所述的基于奇次多项式的镜头设计方法。

上述存储介质为计算机可读存储介质，所述基于奇次多项式的镜头装置如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于奇次多项式的镜头设计方法，其特征在于，包括：

获取基于非球面方程设计的镜头的镜头数据；其中，所述镜头包括若干镜片，每一所述镜片包括两个光学面；

调整各所述奇次多项式方程中3阶单项式系数，并控制各所述奇次多项式方程中其余方程参数不变，对各所述光学面进行优化，直至各所述光学面对应的MTF曲线图符合第一预设条件；其中，所述第一预设条件为在只调整所述3阶单项式的情况下，MTF曲线图在焦点位置的MTF值达到了最大值；

调整各所述奇次多项式方程中，除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数，对各所述光学面进行优化，将优化完成后的各光学面对应的方程参数输出，以使制造人员根据所输出的各光学面对应的方程参数制造镜片并组装成镜头；

其中，所述调整各所述奇次多项式方程中，除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数，对各所述光学面进行优化，具体包括：

任意选定一所述奇次多项式方程，逐一对所选定的奇次多项式方程中，除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数进行调整；在每次对所选定的奇次多项式方程中的一选定的奇次阶单项式系数进行调整时，在只调整所选定的奇次阶单项式系数的情况下，所生成的光学面的MTF曲线图在焦点位置的MTF值达到了最大值，则停止对所选定的奇次阶单项式系数的调整，并重新选定一奇次阶单项式系数进行调整；

在所选定的奇次多项式方程中，除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数均调整完毕后，重新选定一奇次多项式方程进行调整直至各所述奇次多项式方程除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数均调整完毕。

2.如权利要求1所述的基于奇次多项式的镜头设计方法，其特征在于，在对对各所述光学面进行初次优化时，去除各奇次多项式方程中阶数为20阶以上的单项式。

3.如权利要求1所述的基于奇次多项式的镜头设计方法，其特征在于，所述调整各所述奇次多项式方程中3阶单项式系数，并控制各所述奇次多项式方程中其余方程参数不变，对各所述光学面进行优化，具体包括：

将所述第一MTF曲线图与第二MTF曲线图进行比对;

4.一种基于奇次多项式的镜头设计装置，其特征在于，包括数据获取模块，第一优化模块、第二优化模块和第三优化模块；

所述第二优化模块，用于调整各所述奇次多项式方程中3阶单项式系数，并控制各所述奇次多项式方程中其余方程参数不变，对各所述光学面进行优化，直至各所述光学面对应的MTF曲线图符合第一预设条件；其中，所述第一预设条件为在只调整所述3阶单项式的情况下，MTF曲线图在焦点位置的MTF值达到了最大值；所述第三优化模块，用于调整各所述奇次多项式方程中，除3阶单项式系数之外的其余奇次阶单项式系数，对各所述光学面进行优化，将优化完成后的各光学面对应的方程参数输出，以使制造人员根据所输出的各光学面对应的方程参数制造镜片并组装成镜头；

5.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行如权利要求1-3任意一项所述的基于奇次多项式的镜头设计方法。