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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: 2019-08-19
    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。 & g$rrpTzv  
    AAo0M/U'  
    光学透镜加工工艺复杂、周期较长（约6-8周），且造价高昂。若能采用已有镜片设计光路，将节约时间和成本。
    ONfyYM?  
    图 1：透镜加工工艺一
    图 2：透镜加工工艺二
    j%WY ,2P  
    然而，采用已有镜片设计光学系统，设计难度较大，对设计师理论及经验要求较高。除了对光学设计像差基本理论的掌握之外，需要设计师对镜片形状及摆放方向引起的像差变化有进一步的、更深入的了解；也需要设计师多查阅专利文件，观察、分析各经典设计的透镜摆放次序、方向，并进行设计练习。 UFf,+4q  
    很多光学设计相关书籍，对像差理论有详细论述，请查阅。 > Y ] _K  
    此处，仅对透镜弯曲和像差的关系，略作介绍。如图示： PkO!'X  
    当物距较远时，光线平行入射，采用整体形状向右侧弯曲的透镜，像差较小； ^Et ,TF\  
    当物像距接近时，光线发散入射，采用对称的双凸透镜，像差较小； +4HlRGH  
    当物距较近时，光线发散角度持续增大，采用整体形状向左侧弯曲的透镜，像差较小。 H:{?3gk.P3  
    也就是说，光线以哪种方式入射（平行、发散、汇聚），透镜弯曲方向如何，均会影响到光路的像差、光斑大小、清晰度。 C5;wf3  
    5zVQ;;9  
    }H2#H7!H  
    图3、物距及透镜弯曲对像差的影响
    s>r ^r%uK  
    图 4 、透镜组的弯曲方向
    ~QCA -Yud  
    图 5 高斯物镜中透镜组的弯曲方向
    xU:4Y0y8  
    图4、图5中，从简单的风景物镜、到逐渐复杂化的普罗塔镜头，再到消像散镜头和各类双高斯镜头，透镜组整体都趋向于弯向光阑。在查阅其他专利时，也会发现类似的规律，尤其是视场较大的系统。 ;AJ< LC  
    v8  
    枯燥的理论讲完，开始较为有乐趣的设计。 #<]Iz'\`  
    先从最简单的光路开始。 m_$JWv\|\  
    比如，设计一个准直透镜组：
    s-%J 5_d f  
    图6、准直透镜设计
    7*MU2gb  
    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。 vzcz<i )  
    又比如，设计一个拉姆斯登目镜
    0O[l?e4,8{  
    图7、单镜片放大镜弯曲取向
    >j:|3atb  
    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。 k% NrL@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。 m3luhGn  
    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。 3>M.]w6{  
    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。 *F|+2?a:$  
    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。 BCBUb  
    在采用现有透镜设计光路时，此类问题，需特别关注。
    gw J}]Tf  
    图 8：透镜弯曲方向对拉姆斯登目镜像质的影响
    z'*ml ?  
    图9、拉姆斯登目镜各形式及复杂化
    4]EvT=Ro  
    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。 71*>L}H  
    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。
    zuMO1s  
    图10、（a）小视场大孔径转像镜（b）大视场小孔径转像镜
    3; A$<s  
    图11、扩束镜
    {KsVK4\r  
    那么，是否采用现有透镜，就只能设计出较为简单的光路、复杂的光路是否可以实现呢？
    %z2oDAjX  
    图12、采用现成透镜设计复杂光路
    PU"S;4m  
    在采用现有透镜，设计较为复杂的光路时，需结合设计软件的优化功能，逐步修改。设计之初，先不采用已有镜片，而是像设计其他光路一样，选择合理的初始结构，优化镜片，在光路符合设计要求之后，逐步修改镜片形状，逐步接近现有镜片，最终替换为已有镜片。 WAv@F[  
    大部分已有镜片，为双凸、双凹、平凸、平凹透镜。因此，在设计光路的后期，应逐步将透镜修改为以上形状。 0$l&i=L  
    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。 ,# eO&  
    关于衍生像差的问题，可参阅光学设计理论书籍。 s&0*'^'O[S  
    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。
    2^J/6R$  
    图 13：将镜片拆分为货架产品
    U1jSUkqb  
    现成透镜，从哪里获取呢？ GZS{&w!  
    Thorlabs、北京欧普特、长春金龙等光学镜片超市，均有供应。 [WYJrk.  
    wR(ttwxK3  
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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。 ~T7\8K+ $  
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    cyqdesign 光币 +20 - 2019-08-19
    mang2004 光币 +20 原创内容，奖励！ 2019-08-19
     
    2024年6月28-30日于上海组织线下成像光学设计培训，欢迎报名参加。请关注子在川上光学公众号。详细内容请咨询13661915143（同微信号）
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    离线ronehwa
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    只看该作者 20楼 发表于: 2024-09-01
    USEFUL INFO, PUSH THIS GOOD STUFF.
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    离线zycxjl
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    只看该作者 19楼 发表于: 2019-11-29
    ，不错，先看看。
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    离线phoenixzqy
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    只看该作者 18楼 发表于: 2019-11-26
    回 remylltudy5713 的帖子
    remylltudy5713:非常值得参考的资料 ，谢谢楼主 (2019-09-25 17:13)  zN 729wK  
    ^0 ,&R\e+  
    不客气。常来。
    2024年6月28-30日于上海组织线下成像光学设计培训，欢迎报名参加。请关注子在川上光学公众号。详细内容请咨询13661915143（同微信号）
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    离线Optic_Stud
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    只看该作者 17楼 发表于: 2019-09-25
    非常值得参考的资料 ，谢谢楼主
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    离线phoenixzqy
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    只看该作者 16楼 发表于: 2019-09-25
    回 mam07 的帖子
    mam07:是的，怎么说都是你有道理。 (2019-09-23 11:31)  DDCQAf  
    LkbvA  
    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。
    2024年6月28-30日于上海组织线下成像光学设计培训，欢迎报名参加。请关注子在川上光学公众号。详细内容请咨询13661915143（同微信号）
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    离线mam07
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    只看该作者 15楼 发表于: 2019-09-23
    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)  Z6@J-<u  
    [t) i\ }V  
    是的，怎么说都是你有道理。
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    离线phoenixzqy
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    只看该作者 14楼 发表于: 2019-09-23
    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。 D IN PAyY  
    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)  DUr1s]+P  
    hNy S  
    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。 )' #(1 ,1k  
    cpVi9]  
    实际开发大批量生产的镜头，谁会傻到非要用现有镜片呢？
    2024年6月28-30日于上海组织线下成像光学设计培训，欢迎报名参加。请关注子在川上光学公众号。详细内容请咨询13661915143（同微信号）
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    离线刘书楠123
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    只看该作者 13楼 发表于: 2019-09-20
    谢谢楼主,瞧瞧
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    离线mmttxiaoxiao
    高级工程师
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    只看该作者 12楼 发表于: 2019-09-19
    好东西，谢谢楼主
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