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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

光学成像在人们的日常生活及工作中扮演了越来越重要的角色，一个光学镜头的视场角越大,意味着其成像范围越大,能捕捉到更多的信息。随着人们需求的增长,出现了广角物镜这类视场很大的光学镜头。但是，广角镜头有一个很大的缺陷，就是其畸变都很大。作为摄影镜头时,这种畸变可能会带来一些意想不到的艺术效果,为了保证镜头的成像质量,可以适当放宽对畸变的要求。但在很多领域中,在要求镜头有较大视场的同时,还要求把畸变控制在一个非常小的范围内,保证能够与原物完全一致。超大广角镜头的突出优点在于其超大的视场角,在全景拍摄、视频群组会议、视频监控、智能交通系统、机器人导航等领域得到广泛的应用。但是超大广角所带来的弊端就是拍摄的图像具有非常严重的畸变,这不符合人们习惯的视觉感受。所以,当进一步利用这些具有畸变的图像时,校正为人们习惯的透视投影图像就显得尤为重要。因此,对超大广角照相机光学系统的设计就是一个很有研究意义的课题。

国内外研究现状

2004 年，相机界硝烟弥漫，热闹异常。就在佳能、卡西 欧、索尼、奥林巴斯等厂家在1/1.8英寸影像传感器上大做文章，为提高像素决斗得难分难解之时，善于后发制人的尼康 公司却另辟蹊径，于下半年出其不意地推出了一款使用2/3英寸800 万像素ccd 影像传感器和6.1~21.6mm3.5 倍光学变 焦高素质镜头（相当于135 画幅的24~85mm ）的家用数码 照相机coolpix8400，令业界和广大消费者大感震惊。尼康coolpix8400 的造型，秉承了coolpix5000 和coolpix5400 的风格，通体黑色，没有过多的棱角，制作得稳 重大方。该机机身同样采用了金属合金材料，坚固结实，而机身表面则覆盖了软质橡胶，加上大大的手柄，使握持手感极 佳。但若将这三台相机放到一起比较，你会看到，coolpix8400 的造型更加诱人。coolpix5000设计得有点不成比例，高度有 余，宽度不足，虽然手感不错，但从美学角度上去审视，实在说不上好看。相比之下，coolpix5400的高、宽比例比较适中， 却也稍显单薄。而coolpix8400则犹如一个标准的男子汉，长、高、厚比例设计协调，透出一种剽悍的气度。在coolpix8400 身上，各种按键分布合理，尤其那1.8 英寸、13.4 万像素可以任意反转的高清晰度显示屏，给取景 带来了极大的方便。用完之后将显示屏反过来扣到机身上，则保护屏幕表面不受磨损。这是一个非常经典、实用的设计，借鉴于大部分家用小型数码摄像机。该功能一问世，就受到了消费者普遍的欢迎。当然，尼康coolpix8400 的最大优点，还在于在全球首次使用了24mm超广角变焦头。可以说，在不可更换镜头的 高端的数码相机中，24mm 广角开了一个先河，它将成为dc 界一件具有里程碑意义的突破而被载入史册。大家知道，在传统 35mm 相机时代，50mm 标准镜头曾 经历过一段不短的岁月，以后才慢慢被35~70mm 变焦镜头所代替。那时候，尽管广角端只扩展到 35mm，但它的实用 性却大大增强，成为一个了不起的创新，被誉为“变焦机器 人” 。从那以后，人们开始认识到了变焦镜头的优越性。但是，任何新生事物的萌芽期，都难免遭受到各种各样的非议和磨难，变焦镜头的问世也不例外。不少人以变焦镜 头成像质量存在缺陷为口实，抱残守缺，说长道短。但不管 怎么说，新生事物飞速成长的脚步终究是不可遏止的，随着高科技的不断进步，变焦镜头成像质量越来越高，各种各样 的长枪短炮纷纷出笼。然而广角端扩展到28mm 后，似乎遇到了“瓶颈”，由于技术难度的原因，曾停滞了相当长一段时 间，直到前几年才找到了突破口。这一来，犹如火山迸发， 24~85mm 、24~105mm 、24~135mm 甚至延伸到 24~200mm。同时，视角更加广阔的19~24mm、17~35mm、 17~40mm、16~30mm 等镜头，也如雨后春笋般问世。从此 以后，传统的广角变焦头，往超广角端的发展突飞猛进。　自从数码相机搅扰了人们的清梦以后，由于影像传感器 面积的局限，数码相机的镜头曾在 34mm 端一度徘徊不前， 即使向广角端扩展1mm，也成了人们关注的一件大事。几年前，当尼康coolpix5000 型和美能达d7 的带28mm 广角的 变焦数码相机推出以后，曾一度引起轰动。现在，尽管尼康 coolpix5000 早已停产，但它那宽广的视野和优秀的成像素 质，仍为不少尼康迷津津乐道。后来，奥林巴斯c － 5060 推向市场，以其27mm 的广 角镜头赢得了人们的青睐。一时间，在摄影爱好者之中， 27mm 超广角成了热门话题。因此，当24~85mm、800 万像素的尼康coolpix8400 推出以后引起广大影友侧目，就是情理之中的事情了。该镜头为1 0 片7 组结构，内含2 片ed 超低色散镜片， 用于提高影像锐度和反差，减轻色散对成像的不良影响。从镜头的光学结构看，尼康的这三款数码相机真是越做越精 彩。最早于2001 年10 月推出coolpix5000 型为9 片7 组， 使用了3 片非球面镜片。到2003 年5 月推出coolpix5400， 采用了9 片8 组结构，减少了1 片非球面镜片，却增加了1 片价格昂贵的ed 镜片。而刚刚推出的coolpix8400，不但镜片数量有所增加，还将ed 镜片增加为2 片。凡用过前两款相机的人，都无不被该镜头的成像质量所折服。

2. 研究的基本内容

在摄像系统中光学系统是一个极为重要的组成部分,其结构型式的优劣和各项性能参数的合适与否是影响测量精度的重要因素。本文采用最优化的方法, 对光学系统进行设计。在设计中,以测量精度为目标，建立测量系统精度与系统有关参数之间的函数关系，并考虑各种限制条件，建立最优化的数学模型，选择最优化方法，在计算机上求得最优解，以获得满足要求的最佳光学系统。

主要研究内容包括：合理选择初始结构，设计优化函数，逐步对初始结构进行优化，得到一款广角照相机镜头，基于solidworks开展光机结构设计，绘制主要零件图纸。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

本文在合理选择初始结构基础上，对初始结构进行一定程度的修改，优化得到一款广角照相机镜头，

（1）首先，对广角照相机光学系统建立模型，从理论上论证他的可行性。

（2）重点分析一些基础设计案例，结合zemax，参考《zemax光学设计 超级学习手册》设计基础系统模型。

4. 参考文献

[1] 李航, 颜昌翔. 800万像素手机广角镜头设计[j]. 中国光学, 2014, 7(3):456-461.

[2] 张弼光, 毛静华, 黄咏梅, 等. ccd摄象光学系统的优化设计[j]. 中国计量学院学报, 1991(1):8-14.

[3] 张海峰, 李飞. 超广角'黑马'尼康coolpix 8400数码照相机[j]. 照相机, 2005(3):24-25.