采用现成光学器件（Off-the-shelf Optics）设计光路
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。 "^?|=sQ
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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。[attachment=95173] /m#!<t7
图 1：透镜加工工艺一 [attachment=95174] 图 2：透镜加工工艺二 [+7 Nu
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。 `{1` >5
很多光学设计相关书籍，对像差理论有详细论述，请查阅。 2oL~N*^C
此处，仅对透镜弯曲和像差的关系，略作介绍。如图示： 2R W^Nqc9
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； f+A!w8E
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； HI+87f_Q
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。 uLr 9*nxd
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。 aX`@WXK
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[attachment=95175] fK-tvP0}*
图3、物距及透镜弯曲对像差的影响 [attachment=95176] t?bc$,S"\(
图 4 、透镜组的弯曲方向 [attachment=95177] ^uG^XY&ItC
图 5 高斯物镜中透镜组的弯曲方向 J})#43P
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。 ' j6)5WL$
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枯燥的理论讲完，开始较为有乐趣的设计。 YG AB2`!U
先从最简单的光路开始。 [):&R1 U
比如，设计一个准直透镜组：[attachment=95178] ' pnkm0=`
图6、准直透镜设计 QY$Z,#V)
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。 X9:4oMux7
又比如，设计一个拉姆斯登目镜[attachment=95179] -wA^ao
图7、单镜片放大镜弯曲取向 ?U}Ml]0~
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。
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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。 ry99R|/d1
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。 o>3g<- ul
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。 MXQ S6F#
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。 . W[[Z;D
在采用现有透镜设计光路时，此类问题，需特别关注。[attachment=95180] nMz~.^Q-
图 8：透镜弯曲方向对拉姆斯登目镜像质的影响 [attachment=95181] ]g }Tqf/N%
图9、拉姆斯登目镜各形式及复杂化 /3] b!lFZZ
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。 P:`tL)W_
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。[attachment=95182] d5b \kR r
图10、（a）小视场大孔径转像镜（b）大视场小孔径转像镜 [attachment=95183] Yh^~4S?
图11、扩束镜 y2XeD=_'
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？[attachment=95184] +y}4^3Vx^
图12、采用现成透镜设计复杂光路 ~\0uy3%
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。 @|7Ma/8v
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。 0O_acO 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。 x+mf QcSD&
关于衍生像差的问题，可参阅光学设计理论书籍。 \&|zD"*
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。[attachment=95185] i2h,=NHJh?
图 13：将镜片拆分为货架产品 rXortK#\%
现成透镜，从哪里获取呢？ 4 nIs+
Thorlabs、北京欧普特、长春金龙等光学镜片超市，均有供应。 $}9.4` F>
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