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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 倒序阅读 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。 ga0W;Vq&X  
    &U!@l)<  
    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。
    m8#+w0p)  
    图 1:透镜加工工艺一
    图 2:透镜加工工艺二
    |Kh#\d  
    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。 J!~?}Fq/z  
    很多光学设计相关书籍,对像差理论有详细论述,请查阅。 pv;}Sv$ ]-  
    此处,仅对透镜弯曲和像差的关系,略作介绍。如图示: `TBau:ElI  
    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; [iB`- dE,  
    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; Qgf\gTF$r+  
    当物距较近时,光线发散角度持续增大,采用整体形状向左侧弯曲的透镜,像差较小。 P]1`=-  
    也就是说,光线以哪种方式入射(平行、发散、汇聚),透镜弯曲方向如何,均会影响到光路的像差、光斑大小、清晰度。 PG+ICg  
    "=N[g  
    FNtcI7  
    3、物距及透镜弯曲对像差的影响
    /a(xUm@.  
    图 4 、透镜组的弯曲方向
    e%u1O -*  
    图 5 高斯物镜中透镜组的弯曲方向
    `pOiv&>  
    4、图5中,从简单的风景物镜、到逐渐复杂化的普罗塔镜头,再到消像散镜头和各类双高斯镜头,透镜组整体都趋向于弯向光阑。在查阅其他专利时,也会发现类似的规律,尤其是视场较大的系统。 S3A OT  
    ="JLUq*]s  
    枯燥的理论讲完,开始较为有乐趣的设计。 CZuV{Oh}?  
    先从最简单的光路开始。 Ws{2+G~  
    比如,设计一个准直透镜组:
    d>VerZZU  
    图6、准直透镜设计
    xOp8[6Ga'  
    采用单片透镜时,像差较大。此时可以采用两片或两片以上透镜,组合出像差较小的光路。平行光入射时,透镜需采用向右弯曲的形式。 BMgiXdv.B  
    又比如,设计一个拉姆斯登目镜
    Vd1.g{yPV  
    图7、单镜片放大镜弯曲取向
    t,)` Zu$  
    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。 $ nx&(V  
    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。 3mIVNT@S9  
    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。 BRhAL1  
    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。 cL?FloPc*  
    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。 7 &DhEI ^  
    在采用现有透镜设计光路时,此类问题,需特别关注。
    L*"Q5NzB]  
    图 8:透镜弯曲方向对拉姆斯登目镜像质的影响
    ]9pK^<  
    9、拉姆斯登目镜各形式及复杂化
    \,+act"v  
    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。 pA&CBXio  
    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。
    A|Up >`QH  
    10、(a)小视场大孔径转像镜b)大视场小孔径转像镜
    hWP$U  
    11、扩束镜
    Wz`MEyj  
    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?
    NnRR"'  
    12、采用现成透镜设计复杂光路
    n3SCiSr  
    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。 ep>*]'  
    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。 tg_v\n  
    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。 j,?>Q4G  
    关于衍生像差的问题,可参阅光学设计理论书籍。 .BuXg<`  
    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。
    /J")S?. [u  
    13:将镜片拆分为货架产品
    z^;*&J   
    现成透镜,从哪里获取呢? :<=A1>&8  
    Thorlabs、北京欧普特、长春金龙等光学镜片超市,均有供应。 N<}{oIsZ+  
    IV]s!  
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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。 mR\rK&'6  
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    cyqdesign 光币 +20 - 08-19
    mang2004 光币 +20 原创内容,奖励! 08-19
     
    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
    QQ:2831610750;280523909。
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    只看该作者 1楼 发表于: 08-19
    原创内容,奖励!
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    只看该作者 2楼 发表于: 08-19
    作为COTS的拥趸者,赞楼主。 |_7nvck  
    离线眼浊
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    只看该作者 3楼 发表于: 08-19
    厉害!
    离线phoenixzqy
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    只看该作者 4楼 发表于: 08-19
    回 mang2004 的帖子
    mang2004:原创内容,奖励! (2019-08-19 01:35)  GiBq1U-Q  
    E&k{ubcT  
    哈哈,多谢。 rn1FCJ<;H  
    采用货架产品设计,有些要求特别高的光路还是做不出来的。不过大部分实验性质的光路,都可以这么来搞。
    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
    QQ:2831610750;280523909。
    离线phoenixzqy
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    只看该作者 5楼 发表于: 08-21
    回 眼浊 的帖子
    眼浊:[表情] [表情] 厉害! (2019-08-19 08:51)  vE?qF9I{$0  
    oq]KOj[  
    一般般啦,相互学习。
    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
    QQ:2831610750;280523909。
    离线mam07
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    只看该作者 6楼 发表于: 08-26
    像差平衡关系稍微复杂点的镜头这样做就得不偿失了;性能要求严格的,连样板都不靠的。
    离线phoenixzqy
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    只看该作者 7楼 发表于: 09-01
    回 mam07 的帖子
    mam07:像差平衡关系稍微复杂点的镜头这样做就得不偿失了;性能要求严格的,连样板都不靠的。 (2019-08-26 17:17)  ?Cu#(  
    ]s, T` (&  
    那是自然,任何方法都是有局限性的。 2~]c`/M3  
    8CEy#%7]}  
    不要说像差要求有多严格,光谱宽的,色差要求稍高的,就没办法用这种方法设计。 M5)6|T  
    5@ ZD'  
    一个光路设计完成之后,样板是可以不靠的。现在样板制作比以前快多了。可以重新制作新的样板。不过,在靠样板过程中,如果一个表面,曲率半径稍微修改一点儿,像差情况就变化很大的,说明这个表面的公差太严格了。在一个光路中,这样的表面很多的话,就要重新评估是否能加工得出来了。
    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
    QQ:2831610750;280523909。
    离线mam07
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    只看该作者 8楼 发表于: 09-02
    曲率半径很少有不敏感的~ @69q// #B  
    如果不敏感,这一片可以修掉了; "sHD8TUX  
    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。
    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~ 6LUB3;g7  
    如果不敏感,这一片可以修掉了; J/ 4kS<c  
    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)  V>z8 *28S.  
    ;B!&( 50e  
    我觉得我们探讨的根本不是一个问题。 nww,y  
    !WAbO(l  
    大部分要求严格的光路,都不会采用现有镜片来设计。 O-q [#P  
    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。 BK6oW3wD/  
    h\:"k_u#  
    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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