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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。 7p hf  
>_xuXEslUz  
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] g1?9ge 1  
图 1:透镜加工工艺一
[attachment=95174]
图 2:透镜加工工艺二
9R2"(.U  
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。 O) TS$  
很多光学设计相关书籍,对像差理论有详细论述,请查阅。 tHo|8c~ [  
此处,仅对透镜弯曲和像差的关系,略作介绍。如图示: !zm;C@}ln  
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; j#2E Q  
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; _yUYEq<`  
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。 _~MX~M3MB  
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。 5 2 Qr  
122s 7A  
[attachment=95175] }#u #m.  
3、物距及透镜弯曲对像差的影响
[attachment=95176] ~".@;Q  
图 4 、透镜组的弯曲方向
[attachment=95177] Ef?hkq7X<  
图 5 高斯物镜中透镜组的弯曲方向
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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。 YvcV801Go  
$i6z)]rjg  
枯燥的理论讲完,开始较为有乐趣的设计。 },#7  
先从最简单的光路开始。 UKZ )Boo  
比如,设计一个准直透镜组:
[attachment=95178] ;@Fb>l BhX  
图6、准直透镜设计
M2w'cdHk  
采用单片透镜时,像差较大。此时可以采用两片或两片以上透镜,组合出像差较小的光路。平行光入射时,透镜需采用向右弯曲的形式。 0ug&HEl_w  
又比如,设计一个拉姆斯登目镜
[attachment=95179] JKfJ%yy |  
图7、单镜片放大镜弯曲取向
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7,采用单镜片,作为放大镜时,人眼位置不同,镜片的弯曲方向不同。 fqY'Uq$=  
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。 4oH ,_sr  
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。 })P!7t  
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。 1AN$s  
拉姆斯登目镜靠近眼睛的镜片,弯曲向眼睛,远离眼睛的镜片,弯曲向物体。此时,像面平直。当同样的平凸透镜,改变摆放方向时,场曲严重,大视场像质严重下降。 Eyjsbj8  
在采用现有透镜设计光路时,此类问题,需特别关注。
[attachment=95180] PZJ9f8 V  
图 8:透镜弯曲方向对拉姆斯登目镜像质的影响
[attachment=95181] __Ksn^I   
9、拉姆斯登目镜各形式及复杂化
{+7FBdxVB  
选取现成透镜后,可在软件里设置厚度变量及约束条件,优化光路,以获得像质更好的结果。为了校正拉姆斯登目镜的色差,可将单片替换为双胶合透镜。 ls&H oJ7  
采用现有镜片,还能组合出各种各样的简单的光路:小视场转向镜系统,大视场转像系统、扩束镜等等。
[attachment=95182] T}=^D=  
10、(a)小视场大孔径转像镜b)大视场小孔径转像镜
[attachment=95183] DBB&6~;?  
11、扩束镜
r~h#  
那么,是否采用现有透镜,就只能设计出较为简单的光路、复杂的光路是否可以实现呢?
[attachment=95184] (DY[OIHI  
12、采用现成透镜设计复杂光路
^iJyo&I  
在采用现有透镜,设计较为复杂的光路时,需结合设计软件的优化功能,逐步修改。设计之初,先不采用已有镜片,而是像设计其他光路一样,选择合理的初始结构,优化镜片,在光路符合设计要求之后,逐步修改镜片形状,逐步接近现有镜片,最终替换为已有镜片。 ^d{5GK'  
大部分已有镜片,为双凸、双凹、平凸、平凹透镜。因此,在设计光路的后期,应逐步将透镜修改为以上形状。 wiZ  
现成的双胶合透镜,在设计较为复杂的透镜组时,不建议过多采用。因为大部分现有双胶合透镜,将球差和彗差校正至极小值。这类透镜,无法通过光阑移动,产生出足够的衍生彗差、像散,不利于整个光路最终的像差平衡。 pv sa?z;rP  
关于衍生像差的问题,可参阅光学设计理论书籍。 prN+{N8YC  
经过修改和优化,仍然无法将设计光路中透镜替换为已有透镜的,可以对透镜进行拆分,比如,将弯月厚透镜拆分为一个平凹透镜和一个平凸透镜的组合形式。
[attachment=95185] Dqii60  
13:将镜片拆分为货架产品
DE/SIy?  
现成透镜,从哪里获取呢? <7F-WR/2n  
Thorlabs、北京欧普特、长春金龙等光学镜片超市,均有供应。 aK - x{  
1S!}su,uH  
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mang2004 2019-08-19 01:35
原创内容,奖励!
mang2004 2019-08-19 01:39
作为COTS的拥趸者,赞楼主。 Wy7w zt  
眼浊 2019-08-19 08:51
厉害!
phoenixzqy 2019-08-19 23:52
mang2004:原创内容,奖励! (2019-08-19 01:35)  y]jx-w c3O  
! *sXLlS  
哈哈,多谢。 .Od:#(aq  
采用货架产品设计,有些要求特别高的光路还是做不出来的。不过大部分实验性质的光路,都可以这么来搞。
phoenixzqy 2019-08-21 08:59
眼浊:[表情] [表情] 厉害! (2019-08-19 08:51)  \;0pjxq=  
`?$-T5Rr  
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)  9'p| [?]v  
waC i9  
那是自然,任何方法都是有局限性的。 8i "CU:(  
9ls1y=M8J  
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。 D7pQWlN\  
> U3>I^Y  
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~ MkVv5C  
如果不敏感,这一片可以修掉了; Q']'KU.  
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~ ([JFX@  
如果不敏感,这一片可以修掉了; LCRWC`%&  
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)  'lC=k7@x  
#/(L.5d[  
我觉得我们探讨的根本不是一个问题。 1jSmTI d  
f3,Xb ]h  
大部分要求严格的光路,都不会采用现有镜片来设计。 Y,n8co^  
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。 -[=@'N P  
'#K~hep  
phoenixzqy 2019-09-11 14:52
mam07:曲率半径很少有不敏感的~ )/v`k>E  
如果不敏感,这一片可以修掉了; d/?0xLW  
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)  '(:R-u!pp  
RCGpZyl  
好的设计,和差的设计,区别就在于公差是否严格。 VDy_s8Z#  
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。 /3`fO^39Ta  
\cAifU  
公差不严格的镜片,就能去除掉吗?哈哈哈! ^6 ,}*@  
kb*b|pWlO  
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。 >F!X'#Iv  
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。 P6ugbq[x#e  
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。 'ZQR@~G  
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)  X6c['Zrc  
EY 9N{  
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。  'x\{sv  
~Aq$GH4  
实际开发大批量生产的镜头,谁会傻到非要用现有镜片呢?
mam07 2019-09-23 11:31
phoenixzqy:这种方法,针对的就是大学、研究所做实验验证原理、为了压缩周期、降低成本时采用的。 SLG3u;Ab  
实际开发大批量生产的镜头,谁会傻到非要用现有镜片呢? (2019-09-23 09:00)  HJu;4O($  
PXYo@^ 3  
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)  YrR}55V,  
rtz%(4aS  
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)  eA>O<Z1>  
<dzE5]%\  
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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