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

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。 }6To(*  
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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。 t=IM"ZgfL  
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。 C]a iu  
很多光学设计相关书籍，对像差理论有详细论述，请查阅。 8;i
'dF:)  
此处，仅对透镜弯曲和像差的关系，略作介绍。如图示： af_bG;  
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； "lA8CA  
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； QE6L_\l  
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。 R[W'LRh~: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。 kS62]v]  
b"(bT6XO!  
/Py`a1  
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。 chur(@Af  
#]2,1dJ  
枯燥的理论讲完，开始较为有乐趣的设计。 TOsHb+Uv  
先从最简单的光路开始。 _#yd0E  
比如，设计一个准直透镜组： V9;O1  
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。 &4m;9<8\  
又比如，设计一个拉姆斯登目镜 i9^m;Y)^I  
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。 }g"K\x:Z  
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。 oz'^.+uvE  
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。 m^;A]
0h+  
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。 |?LUt@r;  
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。 OSkBBo]~z  
在采用现有透镜设计光路时，此类问题，需特别关注。 s x)x7  
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。 @rlL'|&X*  
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。 SXRND;-W8  
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？ l)qGG$7$  
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。 aFDCVm%U|  
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。 pbNW l/|4  
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。 {\5-b:#_  
关于衍生像差的问题，可参阅光学设计理论书籍。 S %(R9N|  
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。 oI9-jW  
现成透镜，从哪里获取呢？ &\Yd)#B/  
Thorlabs、北京欧普特、长春金龙等光学镜片超市，均有供应。 fj[tm  
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原创内容，奖励！

作为COTS的拥趸者，赞楼主。 "6%vVi6  

厉害！

mang2004:原创内容，奖励！ (2019-08-19 01:35)  #G.3a]p}"  

2,&lGyV#  
哈哈，多谢。 *!9/`zW  
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。

眼浊:[表情] [表情] 厉害！ (2019-08-19 08:51)  Q?a"uei[  

=` i 7?  
一般般啦，相互学习。

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。

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)  U(N$6{i_  

)/Xrhhx  
那是自然，任何方法都是有局限性的。 |+:ZO5FaO  
Gx!RaZ1  
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。 5dp#\J@  
Mdrv/x{  
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。

曲率半径很少有不敏感的~ $JB:rozE  
如果不敏感，这一片可以修掉了； dO4#BDn"=  
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。

mam07:曲率半径很少有不敏感的~ {.D2ON  
如果不敏感，这一片可以修掉了； YTjuSV  
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)  G2+)R^FSC  

8P<UO  
我觉得我们探讨的根本不是一个问题。 YV3TxvXMR  
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大部分要求严格的光路，都不会采用现有镜片来设计。 <#p|z`N  
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。 .FbZVYc]  
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