光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐

定義應(yīng)用

解決任何光學(xué)問題的第一步是評(píng)估應(yīng)用。我想完成什么？對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)，首先確定您需要成像系統(tǒng)還是非成像系統(tǒng)是很重要的，因?yàn)槊糠N類型的性能要求不同。 ?

成像系統(tǒng)

成像系統(tǒng)將物體的表示傳輸?shù)?a target="_blank">檢測(cè)器，如相機(jī)或眼睛。成像系統(tǒng)的一些例子有：用于檢查的電子成像、圖像投影系統(tǒng)和中繼系統(tǒng)。成像系統(tǒng)的目標(biāo)是提供足夠的圖像質(zhì)量以使得能夠從圖像中提取關(guān)于對(duì)象的期望信息。注意，對(duì)于一個(gè)應(yīng)用來說可能是足夠的圖像質(zhì)量在另一個(gè)應(yīng)用中可能被證明是不夠的。成像質(zhì)量的一些組成部分是分辨率、圖像對(duì)比度、透視誤差、幾何誤差（如失真）和景深。

非成像系統(tǒng)

非成像系統(tǒng)收集、分散、調(diào)整大小、聚焦或準(zhǔn)直光線。非成像系統(tǒng)的一些例子是：照明投影、光纖耦合和激光投影。非成像系統(tǒng)的性能可以通過其吞吐量、場(chǎng)效率、光斑大?。ň劢瓜到y(tǒng)）和角分辨率來量化。吞吐量是通過透鏡系統(tǒng)傳輸?shù)哪芰康牧慷?。?chǎng)效率是系統(tǒng)適應(yīng)大探測(cè)器面積或源尺寸的能力。角分辨率通常用于指定兩個(gè)物體之間所需的最小角距，以便透鏡系統(tǒng)分辨它們。光斑大小用于評(píng)估聚焦透鏡的性能。

下一步是確定系統(tǒng)的主要參數(shù)。然后，您可以開始為您的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)表單。下面是定義的主要參數(shù)。

共軛距離

從透鏡到物體/源的距離（物距）和從透鏡到檢測(cè)器/圖像的距離（像距）。例如，在無限共軛設(shè)計(jì)中，這些距離中的一個(gè)接近無窮大。

共軛大小

對(duì)象/源的尺寸（對(duì)象尺寸）和檢測(cè)器/圖像平面的尺寸（圖像尺寸）。例如，在具有無限共軛的系統(tǒng)中，共軛“大小”可以表示為角度。

數(shù)值孔徑（NA）和光圈數(shù)（f/#）

測(cè)量透鏡系統(tǒng)接收或發(fā)射的光錐。

分辨率和光斑大小

在成像系統(tǒng)術(shù)語中，這是指系統(tǒng)可區(qū)分的對(duì)象的最小特征。（該值可以是放大限制或衍射限制）。在非成像系統(tǒng)中，光斑大小是表征所需性能的一種方式。無限共軛系統(tǒng)通常用角分辨率來定義。

解決方案形式

大多數(shù)應(yīng)用解決方案可以分為三種類型的設(shè)計(jì)：有限/有限共軛，無限/無限共軛，或無限/有限共軛。有限/有限共軛設(shè)計(jì)是指來自光源（不是無限遠(yuǎn)）的光被聚焦到一個(gè)點(diǎn)。大多數(shù)視頻鏡頭都是為這種情況而設(shè)計(jì)的，它們?cè)谟邢蘧嚯x外拍攝物體的圖像，并將其聚焦到傳感器上。無限/無限共軛應(yīng)用采用入射的準(zhǔn)直（平行）光，根據(jù)放大率改變光束直徑，并發(fā)射準(zhǔn)直光。無限/有限共軛設(shè)計(jì)通過將放置在無限遠(yuǎn)處的光源聚焦到一個(gè)小點(diǎn)來結(jié)合這兩個(gè)概念。 ?

為了選擇合適的設(shè)計(jì)，最好從“近軸解決方案”開始。近軸解決方案允許設(shè)計(jì)者近似一階性質(zhì)，例如共軛距離、圖像和物體高度、放大率等。近軸計(jì)算利用近軸元件-理論上完美的透鏡，不會(huì)引入與透鏡厚度、曲率半徑、玻璃類型和色散效應(yīng)相關(guān)的系統(tǒng)像差。注：近軸透鏡的唯一規(guī)格是其相對(duì)于像平面和物平面的位置、透鏡直徑和焦距。找到近軸解決方案后，您可以開始為您的應(yīng)用選擇最佳的真實(shí)透鏡解決方案，考慮透鏡厚度、色散效應(yīng)等。在你的計(jì)算中。由于實(shí)際透鏡解決方案的計(jì)算可能冗長(zhǎng)乏味，因此光學(xué)設(shè)計(jì)軟件可幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將光學(xué)器件集成到其應(yīng)用中，并了解其性能。常見的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件包包括ZEMAX的OpticStudio和Synopsis的CodeV。

下面的每種設(shè)計(jì)形式都說明了不同的透鏡組合及其相關(guān)性能。請(qǐng)注意，您不僅限于這些鏡頭組合。以下是用于解決方案示例的變量列表。

符號(hào)規(guī)定

正值：以下量表示為正值：光軸上方的高度、參考點(diǎn)右側(cè)的測(cè)量距離、聚焦透鏡的焦距以及從光軸逆時(shí)針方向測(cè)量的角度。

負(fù)值：上述數(shù)量的對(duì)立面表示為負(fù)值。（即-在光軸上方測(cè)量的高度表示為正值，而在光軸下方測(cè)量的高度則表示為負(fù)值）。

給定方程的參考點(diǎn)：透鏡位置

>>>圖表圖例

在不同配置下，用于評(píng)估每種類型鏡片的符號(hào)如下：

?=差到????=優(yōu)秀

低f/#：透鏡在低f/#（即大入射光直徑或高NA）下工作的能力。低f/#應(yīng)用應(yīng)使用具有（????）等級(jí)的鏡片。

多色：透鏡在白光照明下保持性能的能力（與激光或某些LED等單色光源相反）。具有寬帶照明和無濾波的應(yīng)用應(yīng)使用具有（????）等級(jí)的透鏡。

確定性場(chǎng)效率：透鏡適應(yīng)大傳感器（圖像）、光源（物體）或角視場(chǎng)（在無焦系統(tǒng)中）的能力。圖像/物體較大的應(yīng)用應(yīng)使用評(píng)級(jí)為（????）的鏡片。

成本：這是對(duì)每種配置的成本的比較（即考慮該配置中的元素?cái)?shù)量）。成本非常低$，高成本-$$$$$。

情況1：精細(xì)/精細(xì)連接

常見應(yīng)用：電子成像、中繼系統(tǒng)和圖像投影

單個(gè)元件：有限/有限共軛系統(tǒng)的最簡(jiǎn)單形式是具有單個(gè)元件的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)的有效焦距等于單個(gè)透鏡的焦距。這種設(shè)計(jì)的一些優(yōu)點(diǎn)是其成本效益和設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性。以下方程確定了單個(gè)透鏡的一階光學(xué)特性。

雙元素：您可以組合元素以實(shí)現(xiàn)不同的有效焦距，同時(shí)大幅提高系統(tǒng)的圖像性能。設(shè)計(jì)變得有點(diǎn)復(fù)雜，盡管簡(jiǎn)化它的一種方法是將物體放置在物鏡的焦點(diǎn)處，將圖像放置在圖像透鏡的焦點(diǎn)處。

真實(shí)鏡頭解決方案：對(duì)于成像應(yīng)用，通常使用消色差器，以便通過單個(gè)元素獲得更好的圖像質(zhì)量。單體（PCX或DCX）通常用于不需要高分辨率的基于照明的繼電器中。

情況2：無限/無限共軛

常見應(yīng)用：望遠(yuǎn)鏡和激光擴(kuò)束器

一個(gè)正元件和一個(gè)負(fù)元件：大多數(shù)高功率激光應(yīng)用都利用這種形式進(jìn)行光束擴(kuò)展。這種形式的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在保持直立圖像的同時(shí)大大縮短了系統(tǒng)長(zhǎng)度。

兩個(gè)正元素：使用兩個(gè)正元件可以生成中間圖像，這對(duì)于需要使用十字線或其他類型的標(biāo)線片的應(yīng)用非常有用。使用兩個(gè)正元件將導(dǎo)致負(fù)放大率，從而需要棱鏡豎立器或中間中繼透鏡來觀看豎立圖像。

真實(shí)透鏡解決方案：消色差透鏡通常用于提高場(chǎng)效率。

注意：目鏡設(shè)計(jì)可以用作成像鏡頭，以提高性能。

一個(gè)陽性，一個(gè)陰性兩個(gè)陽性。

情況3：無限/有限共軛

常見應(yīng)用：自準(zhǔn)直儀、光探測(cè)和無限校正物鏡

單元素：除了在無限校正物鏡的情況下，這種解決方案通常不需要使用多個(gè)元素，并且可以在透鏡的焦點(diǎn)處找到圖像。無限/有限共軛系統(tǒng)的一個(gè)重要函數(shù)是探測(cè)器看到的通量（單位輻射或亮度的通量）。以下傍軸方程可用于估計(jì)透鏡系統(tǒng)產(chǎn)生的吞吐量。

真實(shí)透鏡解決方案：對(duì)于大多數(shù)將擴(kuò)展光源聚焦在探測(cè)器上的應(yīng)用，單重透鏡將提供足夠的結(jié)果。

>>>應(yīng)用示例：有限/有限共軛 ? ? 典型的有限/有限共軛應(yīng)用是引線接合檢查。首先，我們將定義必要的參數(shù)。所需視野（物體尺寸）為5mm。成像傳感器是一個(gè)?”格式的CCD，水平傳感距離為6.4mm。不幸的是，由于探針的尺寸，物體距離必須大于等于50mm。圖像和物體距離都不是無窮大，因此可以使用有限/有限共軛設(shè)計(jì)形式來解決此示例。 ? ?

? 下一步是找到一個(gè)真正的鏡頭，以滿足您的應(yīng)用需求?；谖覀兩厦娴慕鉀Q方案，我們需要一個(gè)焦距為28.07mm的鏡頭。由于這是一個(gè)成像應(yīng)用，消色差可以用來提高圖像質(zhì)量?？紤]到28.07mm的焦距沒有現(xiàn)成的，一個(gè)好的鏡頭選擇是使用直徑25mm、焦距30mm的消色差片（#45-211消色差雙色片）。將此鏡頭插入到鏡頭設(shè)計(jì)軟件中，我們可以很容易地找到我們必須將鏡頭定位的實(shí)際物體和圖像距離（即真實(shí)的鏡頭解決方案）。下面是近軸鏡頭解決方案的示意圖。下表總結(jié)了近軸和真實(shí)透鏡解決方案之間的差異。旁軸方程引導(dǎo)我們朝著正確的方向前進(jìn)，并有助于縮小鏡頭的選擇范圍，同時(shí)插入真實(shí)的鏡頭可以精確地計(jì)算圖像和物距。

由于與實(shí)際透鏡相關(guān)的像差，設(shè)計(jì)軟件為給定配置中的單個(gè)25mm直徑x30mmFL消色差儀提供了0.9mm的最小光斑尺寸（見圖3）。插入消色差對(duì)（#55-280）可將光斑尺寸減小到0.3mm，這相當(dāng)于分辨率的提高（參考圖2和圖4）?？梢栽趦蓚€(gè)消色差片之間插入一個(gè)光圈，以進(jìn)一步提高性能。這是一個(gè)典型的例子，說明了旁軸知識(shí)以及OpticStudio或CODEV等軟件如何幫助改進(jìn)您的成像解決方案。 ?

>>>機(jī)械集成 ? ?

一旦定義了光學(xué)布局，就需要將其集成到機(jī)械外殼中。在這樣做的過程中，盡管有凹陷的影響，但必須保持透鏡間距。一旦確定了每個(gè)表面的下垂度，就可以設(shè)計(jì)墊片和支座，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)?a target="_blank">中心到中心透鏡間距。

垂度

垂度是安裝邊與曲面頂點(diǎn)之間的距離（請(qǐng)參見下圖）。只有當(dāng)表面具有曲率時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)凹陷，因?yàn)閴|片或底座的內(nèi)徑?jīng)Q定了頂點(diǎn)位置。

護(hù)圈與墊片

三種常見的鏡頭安裝技術(shù)是：固定環(huán)、墊片及其組合。固定器通常對(duì)元件的位置、傾斜和定心提供更嚴(yán)格的控制，因?yàn)橥哥R位于沉孔座上。保持器可能是昂貴的，并且在小型組件中有時(shí)是不實(shí)用的。墊片是小型組件的理想選擇，并且具有成本效益，盡管它們比固定環(huán)產(chǎn)生更寬松的透鏡間距公差。

聚焦/調(diào)整

所有的光學(xué)設(shè)計(jì)都需要一些聚焦或調(diào)整。常見的聚焦技術(shù)是移動(dòng)圖像（傳感器）、物體或透鏡元件。

公差

公差影響生產(chǎn)透鏡的產(chǎn)量。因?yàn)槊總€(gè)尺寸都有相關(guān)的公差，所以成品率小于100%。疊加公差的傳統(tǒng)方法往往會(huì)導(dǎo)致公差過大（且定價(jià)過高）的設(shè)計(jì)。相反，通過組合每個(gè)概率曲線，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鏡片的%成品率。了解公差的概率性質(zhì)對(duì)于降低大型生產(chǎn)運(yùn)行中的單件成本至關(guān)重要。

>>>測(cè)試和評(píng)估 ? ? 一旦組裝好系統(tǒng)，就必須對(duì)其參數(shù)進(jìn)行量化，以確定是否滿足了應(yīng)用要求。在原型制作過程中，通常會(huì)對(duì)原始設(shè)計(jì)進(jìn)行輕微修改，以適應(yīng)組件的限制。 ?

基本參數(shù)

每個(gè)應(yīng)用都有一階要求（例如共軛距離、放大倍數(shù)）。不考慮玻璃特性（分散度、厚度等）的傍軸計(jì)算可能需要調(diào)整以滿足一階要求。

設(shè)計(jì)性能

由于近軸計(jì)算無法指示真實(shí)世界的性能，因此應(yīng)測(cè)試部件的圖像質(zhì)量。存在用于確定成像系統(tǒng)的質(zhì)量的各種目標(biāo)。非成像系統(tǒng)可能需要更多涉及的干涉測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)試。

分辨率和對(duì)比度：可以分別使用USAF和EIA灰度目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。透視誤差可以通過測(cè)量景深上的放大率變化來確定。

吞吐量：可以用光電二極管測(cè)量功率。CCD分析光斑大小和光束輪廓。準(zhǔn)直器測(cè)量角度分辨率。

經(jīng)驗(yàn)法則

牢記應(yīng)用程序進(jìn)行測(cè)試：不要測(cè)試超出應(yīng)用要求的性能。只測(cè)試關(guān)鍵參數(shù)以降低成本。

與測(cè)試相關(guān)的成本：測(cè)試增加了大量成本。大批量生產(chǎn)保證了額外的測(cè)試資源，盡管低批量生產(chǎn)并不能證明這一點(diǎn)。

目視測(cè)試

基于視覺觀察的測(cè)試是主觀的，缺乏可重復(fù)性。由于人眼可以推斷出缺失的信息，因此視覺測(cè)試需要對(duì)人為錯(cuò)誤不敏感（例如，利用USAF分辨率目標(biāo)上的線形函數(shù)來確定可分辨的實(shí)際組和元素）

審核編輯：黃飛

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