[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。 a4{~.Mp  
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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。 8G3CQ]G  
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。 jR1t&UD3Y  
很多光学设计相关书籍，对像差理论有详细论述，请查阅。 .Z?@;2<l  
此处，仅对透镜弯曲和像差的关系，略作介绍。如图示： |p_\pa1&  
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； 1'Sr0 oEd3  
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； C.]\4e  
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。 J34/rL/s  
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。 H#/ #yVw  
E3hql3=  
-nK\+bTL}  
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。 ({&\~"  
lB)%s~P:s  
枯燥的理论讲完，开始较为有乐趣的设计。 =bKz$ _W  
先从最简单的光路开始。 Y["aw&;#O\  
比如，设计一个准直透镜组： LK>AC9ak<  
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。 x)}.@\&%  
又比如，设计一个拉姆斯登目镜 W0-KFo.'  
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。 E^s<5BC;  
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。 &[yW}uV<7  
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。 xxy (#j$  
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。 P55Q
E+B  
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。 *C~$<VYI  
在采用现有透镜设计光路时，此类问题，需特别关注。 ]`+J!G,  
选取现成透镜后，可在软件里设置厚度变量及约束条件，优化光路，以获得像质更好的结果。为了校正拉姆斯登目镜的色差，可将单片替换为双胶合透镜。 t/$:g9V%FA  
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。 Sgp1p}  
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？ C}'Tmi  
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。 l@W1bS  
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。 kO3N.t@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。 (_0r'{`  
关于衍生像差的问题，可参阅光学设计理论书籍。
/}\Uw  
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。 {,X}Btnwp  
现成透镜，从哪里获取呢？ 2%Mgg,/~  
Thorlabs、北京欧普特、长春金龙等光学镜片超市，均有供应。 j+eto'  
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原创内容，奖励！

作为COTS的拥趸者，赞楼主。 `|`Qrv4}  

厉害！

mang2004:原创内容，奖励！ (2019-08-19 01:35)  /2'l=R5#  

m*.+9 6  
哈哈，多谢。 :$*@S=8O  
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)  3YJ"[$w='(  

SF`(`h0e  
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)  !t^DN\\#  

qh:Bc$S  
那是自然，任何方法都是有局限性的。 Aeb(b+=  
sVK?sBs]  
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。 USEb} M`  
iN[x *A|h  
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~ motK}G
 
如果不敏感，这一片可以修掉了； +cfEyiub  
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~ HwUaaK   
如果不敏感，这一片可以修掉了； E#$Jg|e  
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)  L ;L:  

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我觉得我们探讨的根本不是一个问题。 'J,UKK\5  
L4>14D\  
大部分要求严格的光路，都不会采用现有镜片来设计。 o,*m,Qc  
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。 qGk.7wf%  
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