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phoenixzqy 2019-08-19 00:33

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。 IH&|Tcf\  
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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] x0D*U?A  
图 1：透镜加工工艺一
[attachment=95174]
图 2：透镜加工工艺二
Y>T-af49  
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。 6|%?tex  
很多光学设计相关书籍，对像差理论有详细论述，请查阅。 m@F`!qY~Y\  
此处，仅对透镜弯曲和像差的关系，略作介绍。如图示： EHIF>@TZ  
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； Y%aCMP9j~9  
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； @|m/djN5x  
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。 FP`b>E qOH  
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。 !bx;Ta.  
Y;Dp3v !  
[attachment=95175] =tn)}Y.<e  
图3、物距及透镜弯曲对像差的影响
[attachment=95176] z}9(x.I  
图 4 、透镜组的弯曲方向
[attachment=95177] (k)v!O-  
图 5 高斯物镜中透镜组的弯曲方向
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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。 M}-Rzc  
2'\H\|  
枯燥的理论讲完，开始较为有乐趣的设计。 oj<gD  
先从最简单的光路开始。 SrJGTuXg  
比如，设计一个准直透镜组：
[attachment=95178] HTS0s\R$  
图6、准直透镜设计
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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。 NiK4d{E&  
又比如，设计一个拉姆斯登目镜
[attachment=95179] OU.6bmWy|  
图7、单镜片放大镜弯曲取向
Tc:)- z[o  
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。 mh #a#<  
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。 mb3"U"ohs  
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。 IGQFtO/x  
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。 yNo0ubY  
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。 >J?fl8  
在采用现有透镜设计光路时，此类问题，需特别关注。
[attachment=95180] `r':by0M  
图 8：透镜弯曲方向对拉姆斯登目镜像质的影响
[attachment=95181] EU;9 *W<  
图9、拉姆斯登目镜各形式及复杂化
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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。 LEf^cM=>  
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] u@M,qo`  
图10、（a）小视场大孔径转像镜（b）大视场小孔径转像镜
[attachment=95183] 5`  ~JPt  
图11、扩束镜
n\'4  
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] ] vsz, 0  
图12、采用现成透镜设计复杂光路
@ioJ] $o7  
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。 g%I"U>!2  
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。 $6 9&O  
现成的双胶合透镜，在设计较为复杂的透镜组时，不建议过多采用。因为大部分现有双胶合透镜，将球差和彗差校正至极小值。这类透镜，无法通过光阑移动，产生出足够的衍生彗差、像散，不利于整个光路最终的像差平衡。 k5e;fA/w  
关于衍生像差的问题，可参阅光学设计理论书籍。  KC6.Fr{  
经过修改和优化，仍然无法将设计光路中透镜替换为已有透镜的，可以对透镜进行拆分，比如，将弯月厚透镜拆分为一个平凹透镜和一个平凸透镜的组合形式。
[attachment=95185] wv1iSfW  
图 13：将镜片拆分为货架产品
69NeQ$](  
现成透镜，从哪里获取呢？ Vwf$JdK%&l  
Thorlabs、北京欧普特、长春金龙等光学镜片超市，均有供应。  A,<E\  
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mang2004 2019-08-19 01:35
原创内容，奖励！
mang2004 2019-08-19 01:39
作为COTS的拥趸者，赞楼主。 G>}255qY  
眼浊 2019-08-19 08:51
厉害！
phoenixzqy 2019-08-19 23:52
mang2004:原创内容，奖励！ (2019-08-19 01:35)  f+!(k)GWd  
F JyT+  
哈哈，多谢。 } q8ASYNc  
采用货架产品设计，有些要求特别高的光路还是做不出来的。不过大部分实验性质的光路，都可以这么来搞。
phoenixzqy 2019-08-21 08:59
眼浊:[表情] [表情] 厉害！ (2019-08-19 08:51)  BI@[\aRLQ  
RViAwTvY  
一般般啦，相互学习。
mam07 2019-08-26 17:17
像差平衡关系稍微复杂点的镜头这样做就得不偿失了；性能要求严格的，连样板都不靠的。
phoenixzqy 2019-09-01 09:09
mam07:像差平衡关系稍微复杂点的镜头这样做就得不偿失了；性能要求严格的，连样板都不靠的。 (2019-08-26 17:17)  -UT}/:a  
;dhQN }7  
那是自然，任何方法都是有局限性的。 *Pg2c(Vg  
=2x^nW  
不要说像差要求有多严格，光谱宽的，色差要求稍高的，就没办法用这种方法设计。 ,2ar7 5Va  
poFg 1  
一个光路设计完成之后，样板是可以不靠的。现在样板制作比以前快多了。可以重新制作新的样板。不过，在靠样板过程中，如果一个表面，曲率半径稍微修改一点儿，像差情况就变化很大的，说明这个表面的公差太严格了。在一个光路中，这样的表面很多的话，就要重新评估是否能加工得出来了。
mam07 2019-09-02 10:25
曲率半径很少有不敏感的~ kG*~ |ma  
如果不敏感，这一片可以修掉了； kU`r)=1"  
实际对于相机镜头，性能和体积是第一位的，公差只要良率能做出来就可；GOPRO这种镜头，公差松，但是镜头比竞品长一大截是没用的。
phoenixzqy 2019-09-11 14:49
mam07:曲率半径很少有不敏感的~ POR\e|hRT]  
如果不敏感，这一片可以修掉了； Xn\jO>[Ef  
实际对于相机镜头，性能和体积是第一位的，公差只要良率能做出来就可；GOPRO这种镜头，公差松，但是镜头比竞品长一大截是没用的。 (2019-09-02 10:25)  0qT%!ku&  
wec)Ctj+  
我觉得我们探讨的根本不是一个问题。 %u5]>]M+  
^sg,\zD 'X  
大部分要求严格的光路，都不会采用现有镜片来设计。 "C3/T&F  
但是很多情况下，前期验证理论的光路，镜片全部用设计打样的镜片，成本很高。这种只适合一部分，并不适合所有光路。 6S\8$  
^zgo#J 5O  
phoenixzqy 2019-09-11 14:52
mam07:曲率半径很少有不敏感的~ h3@v+Z<}  
如果不敏感，这一片可以修掉了； Y:)e(c"A  
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)   1ZB"EQ  
S`m]f5u|  
好的设计，和差的设计，区别就在于公差是否严格。 8qu6.  
曲率半径加工公差5个圈，这种就比较松了，按照此种加工公差，设计得当的光路，依然能够实现加工和装配，获得像质很好的镜头。 5.J.RE"M  
vEz"xz1j!]  
公差不严格的镜片，就能去除掉吗？哈哈哈! 2T[9f;jM'  
t5IEQ2  
去掉一个镜片之后，其他镜片要承担此镜片对光线的偏折，有可能就造成公差过严了。 SOvF[,+  
mam07 2019-09-11 22:51
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。 %BB%pC  
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？加工技术进步了，开样板的成本也大大下降了。
mmttxiaoxiao 2019-09-19 15:36
好东西，谢谢楼主
刘书楠123 2019-09-20 20:13
谢谢楼主,瞧瞧
phoenixzqy 2019-09-23 09:00
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。 kt$jm)UI~l  
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)  [Hh9a;.*}h  
lQkQ9##*   
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。 p0<\G  
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实际开发大批量生产的镜头，谁会傻到非要用现有镜片呢？
mam07 2019-09-23 11:31
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。 )+t0:GwP`:  
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)  _Qi&J.U>  
^\&e:Nkh  
是的，怎么说都是你有道理。
phoenixzqy 2019-09-25 15:13
mam07:是的，怎么说都是你有道理。 (2019-09-23 11:31)  ly_HWuFJ3  
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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。
Optic_Stud 2019-09-25 17:13
非常值得参考的资料 ，谢谢楼主
phoenixzqy 2019-11-26 10:07
remylltudy5713:非常值得参考的资料 ，谢谢楼主 (2019-09-25 17:13)  yvH A7eq*"  
J1I ;Jgql(  
不客气。常来。
zycxjl 2019-11-29 13:15
，不错，先看看。
ronehwa 2024-09-01 23:03
USEFUL INFO, PUSH THIS GOOD STUFF.
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