锥光镜头的探索与设计

前阵子偶然发现今年的【2020年第五届Zemax 光学镜头应用设计大赛】是关于锥光镜头的，正好之前对锥光镜头略有耳闻，于是对该镜头进行了一些调研和初步研究，探索性地设计了一下。鉴于官方报名截止日期是2020年8月10日23:59:59pm前，投稿还未结束，为了不影响参赛人员和比赛事项，因此对于设计结果只做粗略的展示。大赛详情及具体指标要求参见官网2020 Zemax Cup赛题（链接：http://www.cioe.cn/Zemax.html）

1.首先，咱们了解一下什么是锥光镜头？

锥光镜头主要用于成像光度计和色度计上，可同时测量多个角度光源分布的色度、亮度和对比度，让平板显示器（FPD）制造商能够快速、精确地实时采集显示器的视角性能测量数据。
锥光镜头可测量平板显示器（FPD）和显示器部件的色度、亮度（照度）和对比度的角度分布。锥光镜头能够在大视角下通过单次测量采集完整锥体的视角数据，快速提供精确的测量结果，使得该系统成为了各种研发项目和线上生产质量控制应用的理想选择。该镜头非常适合广泛的显示器类型，包括基于LCD和OLED技术的显示器以及背光显示器。

将从单个点发出的定向分布光线转变为横向分布光线，能够在单一的焦面上采集整个可见的角度光线椎体，即将角度信息转换为长度信息。使用傅里叶光学元件（锥光镜头等效于傅里叶光学元件），将发光点映射到CCD成像仪，以便每个像素对应于不同的发光角度。图1中的Aperture为孔径光阑，位于系统最前端，它与Lens的距离为透镜的焦距，同时也为工作距离。入射光为平行光。Lens为锥光透镜，Focal Plane为CCD面。

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图1.系统简略原理图

复杂化的锥光镜头光学系统结构如图2所示，主要包括了前组和后组，前组为大视场目镜，后组为物镜（个人理解，也可以理解中继镜）。个人觉得中间像对于商业产品是十分必要的，不过比赛要求好像是没有特别强调，大家不必紧张。

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图2.复杂化的锥光镜头系统图

介绍完了原理，接下来来看看它到底长什么样吧！它的庐山真面目就是图3所示，红色方框内的就是锥光镜头了，从外观上看，它的前端是一个锥子形状，侧面开了一个圆孔，光线可以从这里进去，中间区域是整颗镜头外径最大的地方，慢慢靠后，口径逐渐变小。

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图3.锥光镜头实物图

2.商用锥光镜头的参数
锥光镜头的有光阑大学、视场、靶面尺寸、像素等等，重点介绍视场和像素这两项。
2.1 视场角
目前了解到，商用锥光镜头的视角范围2017年是±60度， 2018年是±70度，到了现在2020年这个指标可能已经设计的更高了。

2.2 像素
Imaging Photometer1600万像素、2900万像素、4300万像素

锥光透镜提供每CCD像素0.05度的角分辨率。配合ProMetric®I色度计（1600万像素或2900万像素CCD传感器选项）或Y光度计（1600万像素，2900万像素或4300万像素CCD传感器选项），锥光镜可以测量亮度，亮度，角度对比度，CIE色度坐标和相关色温（CCT），在每个视角都具有高精度。

由此可以大致推测商用锥光镜头MTF应该至少是150线对以上。

3.锥光镜头的光学设计
本文的优化思路是整体化思想，选取图4所示的初始结构，将前组和后组一起的带入到ZEMAX，对透镜进行适当的删减、增加与评价函数的调整，经过大致一周左右的奋战，最终得到光路结构图5所示，三维光线图6所示。光线走向丝滑顺畅，公差不会差到哪里去。

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图4.初始结构

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图5.光路结构图

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图6.三维光线图

设计波长从400-700nm范围，MTF曲线如6所示，在奈奎斯特频率处85%的视场MTF值>0.4，边缘视场MTF值也>0.2，像元大小仅为2.5um，其成像质量可以到2000万像素。

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图7.MTF曲线图

4 总结
距离真正的商用，还有很多细节的地方需要改善与提高，本文只是抛砖引玉，光路结构、成像质量、像差校正等等都还没有做到最佳，纯粹地探索了下锥光镜头的指标参数与性能表现。非常期待大家九月份后续的百花齐放，匠心独运与奇思妙想。

沙突兀	2020-08-08 20:22
像这种镜头实用的话，是不是还会要求全视场的像质和mtf起伏不大 [HYr\|T

jsmcu	2020-08-09 17:34
沙突兀:像这种镜头实用的话，是不是还会要求全视场的像质和mtf起伏不大 9(TGkz(NA (2020-08-08 20:22) o0C&ol_ fYUV[Gm 如果能做到，那是好的

ka2012	2020-08-09 21:56
好贴，期待更多这样的原创内容！

jsmcu	2020-08-10 23:23
感谢支持

jsmcu	2020-08-10 23:24
ka2012:好贴，期待更多这样的原创内容！ (2020-08-09 21:56) \|HK:\)L% 4 ThFC 感谢支持

猫爷爷不吃鱼	2020-08-18 13:47
请问这个初始结构是自己搭建的吗？

未来天气	2020-08-19 16:28
好复杂的系统啊

jsmcu	2020-08-22 21:15
猫爷爷不吃鱼:请问这个初始结构是自己搭建的吗？ (2020-08-18 13:47) t7+A!7b{ eTuqK23 这样的系统，建议自己搭初始结构，不然要绕弯路

jsmcu	2020-08-22 21:16
未来天气:好复杂的系统啊 (2020-08-19 16:28) d#ir=+o{h gYKz,$ 是啊，锥光镜头本身比较复杂，要是再花些时间应该可以再简单一些

猫爷爷不吃鱼	2020-08-25 09:14
jsmcu:这样的系统，建议自己搭初始结构，不然要绕弯路 (2020-08-22 21:15) F@w; .e! kxn&f(5 嗯嗯好的谢谢~

a3768170	2020-08-25 16:01
感谢分享！

不开心的开心果	2020-08-30 09:42
您好，请问您这边初始结构是怎么确定的呢？如果方便的话，能不能分享一下初始结构。

1534888268	2020-09-07 16:54
可以分享一下初始结构吗

fxzszu	2020-09-15 10:09
不错，学习了。

k0184990	2020-09-20 21:27
第一次聽到錐光鏡頭, 感謝清楚解說. 是否方便分享架構?

光电meow	2020-10-07 15:51
从简单的系统到后面复杂的，对镜面的删减要遵循什么原则或者建议呢，只是依靠经验吗 wQkM:=t5

晕晕	2024-12-02 16:30
请问这个中间像如果和后面镜片的位置有交叉会不会对最终成像造成影响，请指教！ ()3\(d5e

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