简述:采用现成透镜设计光路,可压缩开发周期,节约资金成本。然而,采用已有镜片设计光学系统,设计难度较大,对设计师理论及经验要求较高。本文针对此类设计需要的理论知识进行讲解,并分享设计中的操作经验和小窍门。 oT|m1aGE 2PSTGG8JV 光学透镜加工工艺复杂、周期较长(约6-8周),且造价高昂。若能采用已有镜片设计光路,将节约时间和成本。 "MiD8wX- 图 1:透镜加工工艺一
图 2:透镜加工工艺二
h.whjiCFa 然而,采用已有镜片设计光学系统,设计难度较大,对设计师理论及经验要求较高。除了对光学设计像差基本理论的掌握之外,需要设计师对镜片形状及摆放方向引起的像差变化有进一步的、更深入的了解;也需要设计师多查阅专利文件,观察、分析各经典设计的透镜摆放次序、方向,并进行设计练习。 !1uzX
Kb 很多光学设计相关书籍,对像差理论有详细论述,请查阅。 ~-F?Mc 此处,仅对透镜弯曲和像差的关系,略作介绍。如图示: b]]N{: I 当物距较远时,光线平行入射,采用整体形状向右侧弯曲的透镜,像差较小; C6&( c 当物像距接近时,光线发散入射,采用对称的双凸透镜,像差较小; WIh@y2&R 当物距较近时,光线发散角度持续增大,采用整体形状向左侧弯曲的透镜,像差较小。 `$z)$VuP 也就是说,光线以哪种方式入射(平行、发散、汇聚),透镜弯曲方向如何,均会影响到光路的像差、光斑大小、清晰度。 i`OrMzL G(1 K9{i$
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图3、物距及透镜弯曲对像差的影响
swpnuuC- 图 4 、透镜组的弯曲方向
YJ2ro-X 图 5 高斯物镜中透镜组的弯曲方向
pyW u9 图4、图5中,从简单的风景物镜、到逐渐复杂化的普罗塔镜头,再到消像散镜头和各类双高斯镜头,透镜组整体都趋向于弯向光阑。在查阅其他专利时,也会发现类似的规律,尤其是视场较大的系统。 \T-~JQVj J%dJw} 枯燥的理论讲完,开始较为有乐趣的设计。 S9Yt 1qb 先从最简单的光路开始。 chAan~r[* 比如,设计一个准直透镜组: M>_ = "atI 图6、准直透镜设计
I*1S/o_xI 采用单片透镜时,像差较大。此时可以采用两片或两片以上透镜,组合出像差较小的光路。平行光入射时,透镜需采用向右弯曲的形式。 D(r:}pyU 又比如,设计一个拉姆斯登目镜 wy4q[$.4v 图7、单镜片放大镜弯曲取向
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!45Z 图7,采用单镜片,作为放大镜时,人眼位置不同,镜片的弯曲方向不同。 @5}gsC 直观来看,人眼靠近镜片时,视角较大,需保证整个视野的清晰度和像面平直,即校正像面弯曲和象散,此时,为了照顾大视场的像质和像差校正,透镜采用向眼睛弯曲的形式,降低大视场主光线在透镜表面上的入射角度。 J^I7BsZ 人眼远离镜片时,视角较小,重点校正中心区域视场像质即可。此时,采用背向眼睛的弯曲方式。 dA#{Cn; 以上两种方式的组合,即为一种经典的目镜结构形式:拉姆斯登目镜。 Ls:=A6AGM 拉姆斯登目镜靠近眼睛的镜片,弯曲向眼睛,远离眼睛的镜片,弯曲向物体。此时,像面平直。当同样的平凸透镜,改变摆放方向时,场曲严重,大视场像质严重下降。 wTpD1"_R 在采用现有透镜设计光路时,此类问题,需特别关注。 )XVh&'(r 图 8:透镜弯曲方向对拉姆斯登目镜像质的影响
{(vOt ' 图9、拉姆斯登目镜各形式及复杂化
z*.v_Mx 选取现成透镜后,可在软件里设置厚度变量及约束条件,优化光路,以获得像质更好的结果。为了校正拉姆斯登目镜的色差,可将单片替换为双胶合透镜。 WSI
Xj5R 采用现有镜片,还能组合出各种各样的简单的光路:小视场转向镜系统,大视场转像系统、扩束镜等等。 =p\Xy* 图10、(a)小视场大孔径转像镜(b)大视场小孔径转像镜
=wA5P@ 图11、扩束镜
B2hfD-h,> 那么,是否采用现有透镜,就只能设计出较为简单的光路、复杂的光路是否可以实现呢? ^&:'NR 图12、采用现成透镜设计复杂光路
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%"I0 在采用现有透镜,设计较为复杂的光路时,需结合设计软件的优化功能,逐步修改。设计之初,先不采用已有镜片,而是像设计其他光路一样,选择合理的初始结构,优化镜片,在光路符合设计要求之后,逐步修改镜片形状,逐步接近现有镜片,最终替换为已有镜片。 %N~;{!![p 大部分已有镜片,为双凸、双凹、平凸、平凹透镜。因此,在设计光路的后期,应逐步将透镜修改为以上形状。 +(ny|r[# 现成的双胶合透镜,在设计较为复杂的透镜组时,不建议过多采用。因为大部分现有双胶合透镜,将球差和彗差校正至极小值。这类透镜,无法通过光阑移动,产生出足够的衍生彗差、像散,不利于整个光路最终的像差平衡。 KP~-$NR 关于衍生像差的问题,可参阅光学设计理论书籍。 vO$ra5Z 经过修改和优化,仍然无法将设计光路中透镜替换为已有透镜的,可以对透镜进行拆分,比如,将弯月厚透镜拆分为一个平凹透镜和一个平凸透镜的组合形式。 }~*rx7p 图 13:将镜片拆分为货架产品
w6EI{ 现成透镜,从哪里获取呢? qB JRS'6'9 Thorlabs、北京欧普特、长春金龙等光学镜片超市,均有供应。 E8tD)=1 YIDg'a+z 有关 子在川上光学 z/vDgH!s 子在川上光学,致力于提供专业的光学解决方案及光学设计方法的推广,可提供光学产品研发、生产,以及光学设计、培训、咨询技术服务。 aW@oE
~` 子在川上光学坚持创新,勇于挑战。关于光学产品,您的奇思妙想,我们帮您实现。 AA7#c7 对光学设计方法的推广不倦怠; V<