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。 FX"% -L4AM%(9 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] K h9 $
图 1:透镜加工工艺一 [attachment=95174] 图 2:透镜加工工艺二 "-y\F}TE 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。 &+-ZXN 很多光学设计相关书籍,对像差理论有详细论述,请查阅。 Tv<iHHp 此处,仅对透镜弯曲和像差的关系,略作介绍。如图示: %Yg;s'F>#q 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; t@1e9uR 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; )^uLZMNaI 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。 F_!6C-z 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。 X-! yi Jp.Sow
[attachment=95175] kx'ncxN~
图3、物距及透镜弯曲对像差的影响 [attachment=95176] v#.FK:u}
图 4 、透镜组的弯曲方向 [attachment=95177] zh'TR$+\hO
图 5 高斯物镜中透镜组的弯曲方向 .
({aPtSt! 图4、图5中,从简单的风景物镜、到逐渐复杂化的普罗塔镜头,再到消像散镜头和各类双高斯镜头,透镜组整体都趋向于弯向光阑。在查阅其他专利时,也会发现类似的规律,尤其是视场较大的系统。 YH^_d3A; sJX/YGHt 枯燥的理论讲完,开始较为有乐趣的设计。 V-CPq 先从最简单的光路开始。 5j`"@C5;O 比如,设计一个准直透镜组:[attachment=95178] +~=>72/r
图6、准直透镜设计 g/so3F%v
. 采用单片透镜时,像差较大。此时可以采用两片或两片以上透镜,组合出像差较小的光路。平行光入射时,透镜需采用向右弯曲的形式。 rd\mFz-SB 又比如,设计一个拉姆斯登目镜[attachment=95179] _> .TB\
图7、单镜片放大镜弯曲取向 t'4hWNR'
图7,采用单镜片,作为放大镜时,人眼位置不同,镜片的弯曲方向不同。 !&TbE@Xk 直观来看,人眼靠近镜片时,视角较大,需保证整个视野的清晰度和像面平直,即校正像面弯曲和象散,此时,为了照顾大视场的像质和像差校正,透镜采用向眼睛弯曲的形式,降低大视场主光线在透镜表面上的入射角度。 &-+qB
>SK> 人眼远离镜片时,视角较小,重点校正中心区域视场像质即可。此时,采用背向眼睛的弯曲方式。 {o7ibw=E) 以上两种方式的组合,即为一种经典的目镜结构形式:拉姆斯登目镜。 A6}M F 拉姆斯登目镜靠近眼睛的镜片,弯曲向眼睛,远离眼睛的镜片,弯曲向物体。此时,像面平直。当同样的平凸透镜,改变摆放方向时,场曲严重,大视场像质严重下降。 C81+nR 在采用现有透镜设计光路时,此类问题,需特别关注。[attachment=95180] T1;yw1/m5\
图 8:透镜弯曲方向对拉姆斯登目镜像质的影响 [attachment=95181] A\ze3fmV
图9、拉姆斯登目镜各形式及复杂化 3=)/-l 选取现成透镜后,可在软件里设置厚度变量及约束条件,优化光路,以获得像质更好的结果。为了校正拉姆斯登目镜的色差,可将单片替换为双胶合透镜。 ?]f+)tCMs 采用现有镜片,还能组合出各种各样的简单的光路:小视场转向镜系统,大视场转像系统、扩束镜等等。[attachment=95182] C ^Tc9
图10、(a)小视场大孔径转像镜(b)大视场小孔径转像镜 [attachment=95183] *#Hi W)
图11、扩束镜 n.67f 那么,是否采用现有透镜,就只能设计出较为简单的光路、复杂的光路是否可以实现呢?[attachment=95184] +H_Jr'/
图12、采用现成透镜设计复杂光路 F&;g<
SD 在采用现有透镜,设计较为复杂的光路时,需结合设计软件的优化功能,逐步修改。设计之初,先不采用已有镜片,而是像设计其他光路一样,选择合理的初始结构,优化镜片,在光路符合设计要求之后,逐步修改镜片形状,逐步接近现有镜片,最终替换为已有镜片。 SxC$EQgL 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。 [X)+(-J 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。 LLg ']9 关于衍生像差的问题,可参阅光学设计理论书籍。 P6S^wjk 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] p*W4^2(d
图 13:将镜片拆分为货架产品 WDKj)f9cy 现成透镜,从哪里获取呢? e>1^i;f Thorlabs、北京欧普特、长春金龙等光学镜片超市,均有供应。 |]DZc/ 9M~EH?>+[ 有关 子在川上光学 eGvHU ;@ 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。 mT5d[lz 子在川上光学坚持创新,勇于挑战。关于光学产品,您的奇思妙想,我们帮您实现。 Vlce^\s; 对光学设计方法的推广不倦怠; J'Yj_ 对光学产品品质的追求无止境。 o&g=Z4jj< ):&A\nb 如何分享给小伙伴? )qD%5} t 点右上角→分享到朋友圈 b.h~QyI/W 如何加入我们? H0
km*5Sn 点击文章标题下方的子在川上光学→关注 kJ>l,AD/ 或搜索【zzcsoptics】 Vfp{7I$#6" 子在川上光学网站:www.shzzcs.com ;%]Q%7
|