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陈塑淏, 吕博, 刘伟奇

陈塑淏, 吕博, 刘伟奇. 亿博体育登陆官网平台[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0155
引用本文: 陈塑淏, 吕博, 刘伟奇. 亿博体育登陆官网平台[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0155
CHEN Su-hao, LV Bo, LIU Wei-qi. 亿博体育登陆app下载中心[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0155
Citation: CHEN Su-hao, LV Bo, LIU Wei-qi. 亿博体育登陆app下载中心[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0155

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doi: 10.37188/CO.2023-0155
基金项目:高分专项装备预研项目 (No. GFZX0403260206)
详细信息
    作者简介:

    陈塑淏(1993—),男,湖南长沙人,博士研究生,2015年于南开大学获得学士学位,主要从事光学系统设计以及色度学方面的研究。E-mail:[email protected]

    吕 博(1986—),男,吉林长春人,博士,副研究员,2015年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光学系统设计方面的研究。E-mail:[email protected]

    刘伟奇(1958-),男,吉林长春人,硕士,研究员,1988年于中国科学院长春光学精密机械研究所获得硕士学位,主要从事空间目标成像,激光显示等方面的研究。E-mail: [email protected]

  • 中图分类号:O432.3;O435.2

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Funds:Supported by Equipment Pre-research of GF Project (No. GFZX0403260206)
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  • 摘要:

    针对彩色数字相机高成像质量以及高色准的需求,本文研究了基于Philips棱镜的3CMOS相机的光学系统设计以及相机光谱优化方法。通过对Philips棱镜进行光路建模,优化了棱镜的结构参数。在保证全内反射以及出射窗口大小的条件下,减小了系统的体积,并由此设计了Philips棱镜3CMOS相机光学系统。其视场角为45°,相对孔径1/2.8,在110 lp/mm的奈奎斯特采样频率下,系统的MTF全视场全波段均大于0.4。之后,基于色度学基本原理建立了Philips棱镜相机的矢量成像模型,分析了由光线入射角度变化造成的薄膜光谱偏移,提出了宽光束下光谱偏移的修正模型。利用该模型设计并优化了相机中的4组光学薄膜。通过光路仿真实验以及色差分析,基于优化后的相机光学系统的平均色差降低了15.8%,像面颜色不均匀性降低了60%。结果表明:本文设计的光学系统拥有良好的成像质量,优化后的相机光谱实现了良好的颜色性能以及颜色均匀性。

  • 图 1 3CMOS相机光学系统

    Figure 1. Optical system of 3CMOS camera

    图 2 Philips棱镜结构示意图

    Figure 2. Schematic diagram Philips prism structure

    图 3 镜头光路

    Figure 3. Lens optical path

    图 4 各通道MTF值

    Figure 4. MTF of each channel

    图 5 (a)垂轴色差和(b)畸变网格

    Figure 5. (a)Lateral color difference and (b)distortion grid

    图 6 3CMOS相机光路

    Figure 6. 3CMOS camera optical path

    图 7 蒙特卡洛光线追迹及4组薄膜位置

    Figure 7. Monte Carlo ray tracing and four sets of film positions

    图 8 简化的宽光束薄膜光谱计算模型

    Figure 8. Simplified broad beam thin film spectral calculation model

    图 9 优化中使用到的(a)24色卡样本、(b)样本反射率、(c)光源光谱以及(d)颜色匹配函数

    Figure 9. (a) 24 color checker samples, (b) sample reflectance, (c) light source spectrum, and (d) color matching functions used in optimization

    图 10 优化得到的(a)理想薄膜透过率以及(b)相机光谱

    Figure 10. Optimized (a) ideal film transmittance and (b) camera spectra

    图 11 (a)设计得到的基础薄膜光谱;(b)优化后的薄膜光谱

    Figure 11. (a) Designed basic thin film spectrum and (b) optimized thin film spectrum

    图 12 简化模型计算的(a)优化前和(b)优化后的相机光谱;蒙特卡洛光线追迹得到(c)优化前和(d)优化后的相机光谱

    Figure 12. Camera spectra obtained from simplified model (a) before and (b) after optimization; camera spectra obtained from Monte Carlo ray tracing (c) before and (d) after optimization

    表  1 光学系统设计指标

    Table  1. Parameters of optical system

    Parameter Value
    Field of view: 2ω 45°
    Focal length 35.5 mm
    F# <3
    Distortion <1%
    Incident angle <6 degree
    MTF@110 lp/mm >0.3
    下载: 导出CSV

    表  2 Philips棱镜参数

    Table  2. Philips prism parameters

    Parameter Value
    α 25.1 mm
    β 12.9 mm
    L 1 10.6 mm
    L 2 8.1 mm
    L 44 mm
    θ B 50.2°
    θ R 50.9°
    D B 22.17 mm
    D R 22.15 mm
    D 1 1.62 mm
    D 2D G 0.53 mm
    下载: 导出CSV

    表  3 4组相机光谱的色差值

    Table  3. Color errors of four sets of camera spectra

    ΔE 0 ΔE 1 ΔE 2 $\Delta {E'_{01}} $ $\Delta {E'_{02}} $ $\Delta {E'_{12}} $ ε
    Basic film,
    Simplified
    Avg 0.248 0.460 0.777 0.457 0.673 1.105 1.017
    Max 1.245 1.526 4.190 1.537 3.051 4.553
    Basic film,
    Monte Carlo
    Avg 0.238 0.501 0.678 0.372 0.709 1.038 0.967
    Max 0.865 1.471 4.557 1.149 3.937 4.992
    Optimized film,
    Simplified
    Avg 0.387 0.431 0.431 0.222 0.212 0.360 0.601
    Max 1.577 1.667 1.579 0.851 0.804 1.299
    Optimized film,
    Monte Carlo
    Avg 0.417 0.466 0.311 0.239 0.278 0.329 0.595
    Max 1.522 1.629 1.401 0.987 1.111 1.152
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期: 2023-08-31
  • 录用日期: 2023-10-30
  • 网络出版日期: 2023-11-17

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