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光学设计日记

2012.03.14 , , 光学设计日记已关闭评论 , 2,445 views

<节选自许正光和胡绘珠的聊天纪录>

<文章有些零散,尚未整理,请读者谅解>

光学设计有三个阶段:

1、结构选择,确保高级像差能够满足要求;

2、整体上像质满足要求。结构稳定。易于加工;

3、工程化阶段。我说的第三个阶段,就是解决“加工难度”、“工程公差”、“成本控制”的问题。

镜片加工的过程,要考虑镜片的形状,胶合难易程度,装卡等等。所以设计的时候就要工程师想到。所以说,精密结构设计是光学人员必须掌握的知识之一。

我认为:设计过程中避免几种常见的情形是必要的。

1、镜片厚薄问题。例如边缘锋利。中间太薄。这是有国家标准的。

2、镜面曲率,由加工成本的问题。镜片曲率太小,加工难度高,加工难度高,造成误差概率也就大;且从光学设计角度来说,曲率小的面一般敏感度增加,这样造成的像质损坏也就大。一般而言,我们都要避开工厂能够加工的最小的曲率半径。当然特别大,例如动辄1000以上曲率也不对,到了那个程度你就干脆修改成为平面。

3、镜片的形状选择和设计中,要尽量减少同心镜片,曲率太小、太大的镜面。像差平衡过程中尽量使得镜片的敏感度均匀化。空气厚度、玻璃厚度的敏感性也要均匀化。否则,某一个地方的误差会导致成品率下降。

4、玻璃选择的考虑。光学玻璃是镜头的主要成本之一。当我们在成本、像质之间犹豫不决的时候,有的时候必须做出经验性的偏好选择。通常的做法是,宁可增加一个镜片也不要采用高折射率、异常相对色散的非常用玻璃。

常用的玻璃体系就是国家标准中给出的黑色加黑的推荐玻璃。这些玻璃之所以推荐使用,是因为生产批量大,工艺性能好,稳定性强,更为成熟,因此:物理化学性能都是可靠的,成本也是最便宜的。

我说的设计三原则:1、满足设计要求;2、性能价格比;3、加工装调可行性。我说的三个阶段,三个原则,要贯穿始终哦。每个阶段都要遵循三个原则,每个阶段工作重心不一样。

胶合镜片的成本比单个镜片大,所以不需要使用胶合的时候就不要使用胶合。你要明白为什么要使用胶合或者非用不可的时候才用。这样考虑兼顾了成本、工艺和设计要求。

NLAF10 首先:镧系玻璃,镧是一种稀土金属,本身就带有同位素,同位素是一种放射性金属;此外,火石玻璃都是含一定比例氧化铅的硅酸盐系玻璃。铅是有毒重金属。这种玻璃能够说是环保玻璃?我说的环保型是指符合欧盟最新环保电子仪器产品要求的RoSH指令。

光学设计笔记()

:RMS和GEO具体物理上是什么意思?在用来评价设计系统像质的时候如何使用?

:GEO大概是指若干个抽样光线经过镜头后落在像面上,形成了如敢离散点的分布,这个分布的最小外接圆半径。

RMS是指按照计算质心的方法先计算一个重心位置,然后以此位置作为坐标原点,按照平方和的方法将所有的抽样点进行计算,然后求方根。这样得到的半径。从这个半径我们可以了解光线的集中程度。

其实,RMS的数学概念就表明了该参数优化的目标是使得各个抽样点在像面上的分布为以重心为中心的紧密圆。它对非对称像差是比较敏感的,例如慧差,像散。而GEO相当于使得光线靠近真实像点。

这和Centroid参数以及Chief ray参数是相互关联的。在像差校正的后阶段,(初级像差基本满足要求)运用两者反复修正,有的时候效果是很不错的,不小心就跳过了高级像差导致的局部极小值。

:对于1/3inch的CCD芯片,虽然说0.7视场按对角线来算是2.1,也就是你说的内接圆的半径,但是认为应该按1.8来作为内切圆的半径,因为按你说的算圆的面积,再除以 CCD的面积,得到的结果有些牵强啊! 因为有一部分圆的的面积根本就没有显示到CCD上啊?

许:这不过是一个指导思想。也正就是说,安防镜头0.7视场覆盖,在垂直视场上已经覆盖全部高度4.2>3.6;而在水平视场上,已经覆盖87.5%。(2.1/2.4)。

至于四个角上,都不是我们平常监视的主要位置。这就是镜头检测都主要以这个视场为权衡的原因。大概是不能够过于较真的。主要是理解其思想。

其实,更为优秀的镜头也不过关注到0.85视场。下面计算一下0.85视场的比重。在水平视场、垂直视场上,0.85视场已经完全覆盖。只剩下小小的四个角。所以,如果不是复制用的镜头,也不是需要高保真的镜头。实际上,按照0.85去检测安防镜头,已经算是高品质或者说没有必要了。当然设计的时候你可以对自己提这个要求。下面做一个小结。

安防镜头设计一些总结

由此,安防镜头设计的思想可以归纳一下了:对于像质评价而言。一般重要关心中心视场,边缘视场一般关注到0.707左右,最多不超过0.85。设计人员要追求这个范围内的设计质量。

为什么这么做呢?一个因素,这是和使用特点相符合的;二个因素呢,因为设计人员追求的是最低成本、最简单结构,因此常常手中拥有的变量不会太多。那么在像差设计的时候,就会要有所偏重。

此外,对于图像畸变的看法。图像畸变不影响图像的清晰程度,因此并不影响安防监视。通常的照相镜头对畸变要求是非常严格的。安防镜头的行业标准并未统一建立起来。公安部第一研究所的标准认为:在40度视场下,边缘视场畸变不允许超过5%,每增加10度视场,允许畸变增加1%左右。实际上,允许畸变增加的范围在1.5%左右也没有关系,而且当视场增加到100度附近,有的时候畸变在12%~15%左右也是允许的。并未要求那么严格。这就给设计人员对初始结构的选择范围增加了,关注的像差放宽了很多。其实,归功到底,我们可以看得出来,光学设计思想就是“服务于使用目的,权衡使用要求”。仅仅坐在电脑旁边设计,不去生产一线看看加工和装配、不和客户了解一下需求,不愿意把理论基础打牢固。是不可能成为真正优秀的光学工程师的。

数码相机基础知识之镜头焦距

2012.03.13 , , 数码相机基础知识之镜头焦距已关闭评论 , 1,990 views

与人类的眼睛一样,数码照相机通过镜头来摄取世界万物,人类的眼睛如果焦距出现误差(近视眼),则会出现无法正确的分辨事物,同样作为数码相机的镜头,其最主要的特性也是镜头的焦距值。镜头的焦距不同,能拍摄的景物广阔程度就不同,照片效果也迥然相异。如果您经常使用普通的35毫米相机,对相机的镜头焦距应该会有基本的认识,比如一般使用35毫米左右的镜头拍摄风景、纪念照,而用80毫米左右的镜头拍证件照所需要的“大头像”。与传统的相机相比,由于数码相机使用CCD感光器件,因而其镜头上标明的焦距通常是5.0毫米、10毫米等等,在普通的35毫米相机上一般都使用超广角或鱼眼镜头了,而数码相机厂家一般使用的镜头只是相当于35毫米相机的小广角镜头。我们不难看出,对于相同的成像面积,镜头焦距越短视角就越大;而对于同样焦距的镜头而言,成像面积越小,镜头的视角也越小。35毫米相机的成像面积等于135胶卷的感光面积———标准的36×24毫米,数码相机使用CCD传感器代替了传统相机中胶卷的位置,它的面积却有好几种规格,从高档专业相机的18.4×27.6毫米到普通数码相机的2/3、1/2、1/3甚至1/4英寸各不相同。也就是说,同样的镜头,在有的数码相机上是广角效果,但在别的相机上可能就变成了标准镜头。看来,我们要依靠焦距值来区分数码相机镜头的视角是很不方便的,所以数码相机厂家通常都会提供一个容易比较的相对值,也就是标出与数码相机镜头视角相同的35毫米相机镜头焦距,这样的对应焦距值我们就很容易理解了。像富士 MX-500的镜头焦距是7.6毫米,对角线视角70度,相当于35毫米镜头,是个小广角;富士的MX-600装有相当于35-105毫米的小广角变焦镜头。我们在评价与选购数码相机时,也只要参考换算到35毫米相机的镜头焦距就可以了,镜头具体的实际焦距是多少,与我们基本无关,您也无法去具体核算,其实数码相机得光学变焦的倍数就基本上能够反应这个指标,虽然不同型号的数码相机会有一定的差别,但差别不会太大,如果您不是很刻意的追求具体的相当于35 毫米相机的对应焦距,参照数码相机的光学变焦的倍数,一般就可以了。也许有的用户对数码相机的镜头的实际焦距还是不很理解,因为如果是35毫米相机上的 7.6毫米焦距,就属于极为罕见的鱼眼镜头,必然是体积庞大、价格不菲,而且拍出的照片畸变严重,有很强烈的透视感。但数码相机上的7.6毫米镜头也就是拇指大小,加上整个数码相机也比传统镜头便宜得多,虽说成像只用了中心的一小块,但一联想起夸张的鱼眼效果就让人对它的画质心里打鼓。实际上这种担心是不必的,35毫米相机的镜头口径很大,是为了保证画面周边的成像质量,而CCD的面积远小于胶片,要实现小面积的优质成像,只要很小的透镜尺寸就足够了。而且,实际上决定镜头结构的是它的有效视角,而不是简单的焦距值,数码相机上的7.6毫米镜头采用的是传统相机上35毫米小广角镜头的设计,而不是7.6毫米鱼眼镜头的结构。因此,数码相机镜头的焦距值与实际成像效果并无直接联系。由于透镜的体积小了,相对成本也降低了,反而可以轻松地实现较高的成像质量.
数码相机基础知识之CCD

各类镜头的设计差别

2012.03.13 , , 各类镜头的设计差别已关闭评论 , 2,199 views

一、照相镜头
照相镜头的光学特性可由三个参数来表示,即照相镜头的焦距f'、相对孔径D/f'和视场角2ω'。其实就135 照相机而言,其标准画幅已确定为24mm X 36mm,则其对角线长度为2D=43.266。从下表我们可以得出照相机镜头的焦距f'和视场角ω'之间存在着以下关系: tgω'=D/f'
式中:2D——画幅的对角线长度;
f'——镜头的焦距。
照相机镜头的另一个最重要的光学特征指标是相对孔径。它表示镜头通过光线的能力,用D/f'表示。它定义为镜头的光孔直径(也称入瞳直径)D 与镜头焦距f'之比相对孔径的倒数称为镜头的光圈系数或光圈数,又称F 数,即F=f'/D。当焦距f'固定时,F 数与入瞳直径D 成反比。由于通光面积与D 的平方成正比,通光面积越大则镜头所能通过的光通量越大。因此当光圈数在最小数时,光孔最大,光通量也最大。随着光圈数的加大,光孔变小,光通量也随之减少。如果不考虑各种镜头透过率差异的影响,不管是多长焦距的镜头,也不管镜头的光孔直径有多大,只要光圈数值相同,它们的光通量都是一样的。对照相机镜头而言,F 数是个特别重要的参数,F 数越小,镜头的适用范围越广。与目视光学系统相比,照相物镜同时具有大相对孔径和大视场,因此,为了使整个象面都能看到清晰的并与物平面相似的象,差不多要校正所有七种象差。照相物镜的分辨率是相对孔径和象差残余量的综合反映。在相对孔径确定后,制定一个既满足使用要求,又易于实现的象差最佳校正方案。为方便起见,往往采用“弥散圆半径”来衡量象差的大小,最终则以光学传递函数对成象质量作出评价。
近年来兴起的数位相机镜头同上述的传统相机镜头的特性和设计评价上大同
不异,其主要差别有:
1.相对孔径较传统相机大。
2.较短的焦距,使得景深范围增大。可根据视场角的大小算出相当传统相机镜
头的焦距值F’=43.266/(2*tgω)。
3.较高的分辨率,根据光电器件的PIXEL 的大小,一般数位镜头光学设计要达
到1/(2*PIXEL)线对。
二、投影镜头
投影物镜是将被照明的物成一明亮清晰的实像在屏幕上,一般讲,像距比焦距
大的多,所以物平面在投影物镜物方焦平面外侧附近。
投影物镜的放大率是测量精度、孔径大小、观测范围和结构尺寸的的重要参数。
放大率愈大,测量精度愈高,物镜孔径愈大。当工作距离一定时,放大率愈大,共轭距愈大,投影系统结构尺寸越大。由于其是起放大作用,自光学知识可知,像面中心照度与相对孔径平方成正比,可用增大相对孔径的方法来增加象面照度。
液晶式投影机上所用的投影镜头同传统的投影物镜的区别:
1.相对孔径较大。
2.出瞳距长,即需要设计成近远心光路。
3.工作距离长。
4.解像力高.
5.畸变要求高.
以上几点,皆使得用于LCD 投影机上的投影物镜较传统的要复杂的多,一般要
10 个镜片左右,而传统的一般只要3 个镜片就能达到。
三、扫描镜头
扫描物镜可用三个光学特性来表示,即相对孔径、放大率和共轭距。放大率是
扫描物镜的一个重要指标,由于一般物体大小是固定的,故放大率愈小,意味着镜头的像面愈小,焦距也就愈短,相对来讲扫描系统结构可以做的更小,但同时要求镜头的解像力也愈高。共轭距是指物像之间的长度,对镜头来讲,一般希望其愈长愈好,共轭距愈短,意味着镜头愈难设计(视场角增大)。其原理图同照相物镜一样,是一个缩小的过程。
扫描物镜的设计特点:
1.扫描物镜属于小孔径小象差系统,要求的光学解像力较高。
2.由于光电器件的原因,不仅要校正白光(混合光)的象差,同时需要考虑R、G、B 三种独立波长的象差。
3.严格校正畸变象差。