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    [原创]采用现成光学器件(Off-the-shelf Optics)设计光路 [复制链接]

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    离线phoenixzqy
     
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    只看楼主 正序阅读 楼主  发表于: 08-19
    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。 6&/n/g  
    ``KimeA~  
    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。
    0.C[/u[  
    图 1:透镜加工工艺一
    图 2:透镜加工工艺二
    6cH.s+  
    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。 !\w@b`Iv8  
    很多光学设计相关书籍,对像差理论有详细论述,请查阅。 ' k[d&sR  
    此处,仅对透镜弯曲和像差的关系,略作介绍。如图示: `Mx&,;x  
    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; E wDFUK  
    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; F;$z[z  
    当物距较近时,光线发散角度持续增大,采用整体形状向左侧弯曲的透镜,像差较小。 t@(S=i7}-  
    也就是说,光线以哪种方式入射(平行、发散、汇聚),透镜弯曲方向如何,均会影响到光路的像差、光斑大小、清晰度。 2k}~"!e1  
    KY 085Fvs  
    t Dn{;ED<  
    3、物距及透镜弯曲对像差的影响
    W&>ONo6ki  
    图 4 、透镜组的弯曲方向
    %GS^=Qr  
    图 5 高斯物镜中透镜组的弯曲方向
    nv>|,&;  
    4、图5中,从简单的风景物镜、到逐渐复杂化的普罗塔镜头,再到消像散镜头和各类双高斯镜头,透镜组整体都趋向于弯向光阑。在查阅其他专利时,也会发现类似的规律,尤其是视场较大的系统。 uFPJ}m[>5  
    _"Yi>.{]  
    枯燥的理论讲完,开始较为有乐趣的设计。  1t7vP;  
    先从最简单的光路开始。 2;X{ZLo  
    比如,设计一个准直透镜组:
    :uwB)G  
    图6、准直透镜设计
    5n,?&+*L  
    采用单片透镜时,像差较大。此时可以采用两片或两片以上透镜,组合出像差较小的光路。平行光入射时,透镜需采用向右弯曲的形式。 O6JH)Ka"S  
    又比如,设计一个拉姆斯登目镜
    a&oz<4oT  
    图7、单镜片放大镜弯曲取向
    17IT:T,'  
    7,采用单镜片,作为放大镜时,人眼位置不同,镜片的弯曲方向不同。 Z,~Bz@5`"  
    直观来看,人眼靠近镜片时,视角较大,需保证整个视野的清晰度和像面平直,即校正像面弯曲和象散,此时,为了照顾大视场的像质和像差校正,透镜采用向眼睛弯曲的形式,降低大视场主光线在透镜表面上的入射角度。 4rkj$  
    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。 n?uVq6c  
    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。 @hC,J  
    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。 n:QFwwQ`Q;  
    在采用现有透镜设计光路时,此类问题,需特别关注。
    fCg"tckE  
    图 8:透镜弯曲方向对拉姆斯登目镜像质的影响
    eru2.(1  
    9、拉姆斯登目镜各形式及复杂化
    5X"y46i,H  
    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。 qz]b8rX  
    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。
    =e\E{K'f@  
    10、(a)小视场大孔径转像镜b)大视场小孔径转像镜
    |ci1P[y  
    11、扩束镜
    l6o?(!:!%  
    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?
    jm~(OLg  
    12、采用现成透镜设计复杂光路
    @N^?I*|u  
    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。 }t.J;(ff:  
    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。 gZkjh{rQ  
    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。 bWp40&vx  
    关于衍生像差的问题,可参阅光学设计理论书籍。 4-ijuqjN  
    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。
    \~j6}4XS1.  
    13:将镜片拆分为货架产品
    Wk3R6 V  
    现成透镜,从哪里获取呢? 2@!Ou$W  
    Thorlabs、北京欧普特、长春金龙等光学镜片超市,均有供应。 !{On_>` ,  
    .4I "[$?Q  
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    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。 Hz A+Oi  
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    成像光学设计培训(北京)10月17-19日;成像光学设计培训(上海)12月19-21日
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    只看该作者 17楼 发表于: 09-25
    非常值得参考的资料 ,谢谢楼主
    离线phoenixzqy
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    只看该作者 16楼 发表于: 09-25
    回 mam07 的帖子
    mam07:是的,怎么说都是你有道理。 (2019-09-23 11:31)  `2 vv8cg^  
    `0]kRA8=  
    现成的透镜,弯曲形状比较单一。实际上是不利于校正像差的。难度稍微高一点儿的光学系统,用现成透镜拼出来的可能性,微乎其微。
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    只看该作者 15楼 发表于: 09-23
    回 phoenixzqy 的帖子
    phoenixzqy:这种方法,针对的就是大学、研究所做实验验证原理、为了压缩周期、降低成本时采用的。
    实际开发大批量生产的镜头,谁会傻到非要用现有镜片呢? (2019-09-23 09:00)  [OH9/ "  
    1>JUI5 {  
    是的,怎么说都是你有道理。
    离线phoenixzqy
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    只看该作者 14楼 发表于: 09-23
    回 mam07 的帖子
    mam07:前期用现有镜片这种场合,只使用于很小的,用量非常少的比如实验室demo之类的小众场合。 PcXz4?Q$  
    商用的镜头比如相机镜头,这种开发思路是不对的;开样板的成本相对于性能的折衷可以忽略不计,而且随着产量上升,一套样板也是不够的,。早期的别人用过的样板磨损了,光圈不准了怎么办?加 .. (2019-09-11 22:51)  S4/CL4=  
    [.M<h^xrB  
    这种方法,针对的就是大学、研究所做实验验证原理、为了压缩周期、降低成本时采用的。 ,KXS6:1%5Y  
    }9w?[hXW"  
    实际开发大批量生产的镜头,谁会傻到非要用现有镜片呢?
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    离线刘书楠123
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    只看该作者 13楼 发表于: 09-20
    谢谢楼主,瞧瞧
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    只看该作者 12楼 发表于: 09-19
    好东西,谢谢楼主
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    只看该作者 11楼 发表于: 09-11
    前期用现有镜片这种场合,只使用于很小的,用量非常少的比如实验室demo之类的小众场合。 WCK;r{p%I  
    商用的镜头比如相机镜头,这种开发思路是不对的;开样板的成本相对于性能的折衷可以忽略不计,而且随着产量上升,一套样板也是不够的,。早期的别人用过的样板磨损了,光圈不准了怎么办?加工技术进步了,开样板的成本也大大下降了。
    离线phoenixzqy
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    只看该作者 10楼 发表于: 09-11
    回 mam07 的帖子
    mam07:曲率半径很少有不敏感的~ EbG`q!C  
    如果不敏感,这一片可以修掉了; [I XX#^F  
    实际对于相机镜头,性能和体积是第一位的,公差只要良率能做出来就可;GOPRO这种镜头,公差松,但是镜头比竞品长一大截是没用的。 (2019-09-02 10:25)  etcpto=Mo  
    !(%^Tg=  
    好的设计,和差的设计,区别就在于公差是否严格。 &]d-R  
    曲率半径加工公差5个圈,这种就比较松了,按照此种加工公差,设计得当的光路,依然能够实现加工和装配,获得像质很好的镜头。 dV~d60jOF  
    #kmZS/"  
    公差不严格的镜片,就能去除掉吗?哈哈哈! oRp;9   
    ;+86q"&n  
    去掉一个镜片之后,其他镜片要承担此镜片对光线的偏折,有可能就造成公差过严了。 #b^x!lR  
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    离线phoenixzqy
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    只看该作者 9楼 发表于: 09-11
    回 mam07 的帖子
    mam07:曲率半径很少有不敏感的~ 9rd7l6$R"  
    如果不敏感,这一片可以修掉了; qi ;X_\v  
    实际对于相机镜头,性能和体积是第一位的,公差只要良率能做出来就可;GOPRO这种镜头,公差松,但是镜头比竞品长一大截是没用的。 (2019-09-02 10:25)  7GyJmzEE  
    ,hggmzA~  
    我觉得我们探讨的根本不是一个问题。 _ +"V5z  
    \Y?ByY  
    大部分要求严格的光路,都不会采用现有镜片来设计。 zG[GyyAQ  
    但是很多情况下,前期验证理论的光路,镜片全部用设计打样的镜片,成本很高。这种只适合一部分,并不适合所有光路。 dHAI4Yf4U  
    ?6m6 4{M  
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