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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。 B{1yMJA M!\6Fl{ b 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。 2{L[D9c/6 图 1:透镜加工工艺一 图 2:透镜加工工艺二 I>>X-} 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。 k6_OP] 很多光学设计相关书籍,对像差理论有详细论述,请查阅。 /IC]}0kkp 此处,仅对透镜弯曲和像差的关系,略作介绍。如图示: LM".]f!, 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; Vb~;"WABo 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; PS??wlp7 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。 )KY U[ 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。 77G4E ,] mS]soYTQ
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图3、物距及透镜弯曲对像差的影响 4Y@q.QP 图 4 、透镜组的弯曲方向 JWQ.Efe 图 5 高斯物镜中透镜组的弯曲方向 SxM5'KQ 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。 Zg >!5{T sAPYQ 枯燥的理论讲完,开始较为有乐趣的设计。 JRw)~Tg @ 先从最简单的光路开始。 LeMo")dk\ 比如,设计一个准直透镜组: {^K&9sz 图6、准直透镜设计 w{Y:p[} 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。 @ds.)sKA> 又比如,设计一个拉姆斯登目镜 ]@sLX ek 图7、单镜片放大镜弯曲取向 ~G~:R 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。 2>inyn)S 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。 Y-*]6:{E 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。 $60]RCu 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。 d^XRkB:h 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。 |JCn=v@ 在采用现有透镜设计光路时,此类问题,需特别关注。 g0RfvR 图 8:透镜弯曲方向对拉姆斯登目镜像质的影响 < |