请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版

光学社区

 找回密码
 注册
会员须知
会员须知
实用帮助
实用帮助
查看: 5409|回复: 23

投影镜头设计(1)-架构分析及对焦考量

    [复制链接]

12

主题

290

帖子

86

积分

版主

Rank: 3Rank: 3Rank: 3

积分
86
发表于 2020-6-14 20:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 海绵宝宝 于 2020-6-15 08:09 编辑

    该贴主题:
       1、讨论投影镜头(反远距)的架构特点;
       2、对焦方式的考量。
    反远距镜头作为一类经典,这里就投影镜头切入,只是管中窥豹,难免挂一漏万,观点方面仅抛砖引玉。
    以以下帖子开篇:
       2D LAYOUT如下图所示
1、光焦度分布和像差校正
    光焦度分布
    投影镜头视场角一般在±35°以上,芯片一侧有棱镜,故后焦距较长,普遍比焦距大,同时希望相对照度高。这几个要求使得反远距镜头作为投影镜头几乎是惟一的选择。所以在光焦度的分布上,前组为负光焦度,后组为正光焦度。
在这个大的前提下,镜头前组可以做一系列的复杂化,比如把单个负透镜分裂成两个负透镜来承担光焦度,也可以引入正透镜并与负透镜拉开一定距离来校正场曲,在镜片数量充足的情况下,还可以增加胶合透镜减少前组的色差。
后组一般由胶合透镜和单正透镜构成。后组正光焦度主要是由单正透镜负担,胶合透镜主要作用是校正色差。胶合透镜可以是双胶合,也可以是三胶合,但是三胶合工艺性相对较难,公差稍敏感,使用需谨慎。
    像差校正
    在球差、彗差、像散、场曲、畸变、垂轴色差和轴向色差这7种初级像差中,彗差、像散、畸变这三者牵扯的参数比较多,与透镜弯向光阑或者背向光阑有关,很少有明确的、固定的形态。不过有一点,对于畸变,前组负透镜弯向光阑的表面(如图中的透镜①的右表面)的圆锥系数对畸变的校正极为有效。
    球差的校正主要依赖于正透镜的分裂,深究一下,则是与光线入射角度和半径变量的多少有关。入射角度越为平缓,表面半径越多,对球差的校正越有利。当然,这里所说的入射角度平缓并不是球差校正的充分必要条件。入射角度平缓可以有效校正球差是基于系统没有高级像差这个前提假设的。如果系统中含有高级像差,那么很有可能存在这样的情况:一个正透镜具有很低的折射率以及很大的光线入射和出射角度,当你采用高折射率材质来增大半径以减小光线角度或者直接分裂透镜的方式之后,系统的像质反而变得更差了。一个大概率的可能是,大的光线角度可以产生本征高级像差,本征高级像差经过后面系统的传播之后可以产生衍射高级像差,正是这些高级像差与系统本身初级像差平衡,才使得系统可以具有较高的像质和较少的镜片数量。高级像差是一把双刃剑,在挽大厦之将倾的同时,也为敏感的公差埋下了伏笔。这可以解释密接正负双透镜的出现,也可以说明天塞镜头像质比三片式优异的原因【天塞镜头中含有胶合面,而胶合面的半径较小,光线角度较大,可以产生高级像差】。由于高级像差的存在,球差校正的方式不一而足,本例中的三胶合透镜也产生了高级像差,为像质的平衡助力。
    色差的校正从形式上来说,通常就是胶合透镜。但其实双分离透镜也是可以校正色差的,但是二级光谱会变得严重。具体可参考以下贴子:
    场曲的校正方案在很多应用光学或者工程光学的书籍上出现过,其重点是正负光焦度分离并且光线高度在正透镜上高于负透镜。涉及到具体的透镜形式,则是具有一定距离的正负透镜以及弯月厚透镜。
    原理如下:镜头可以校正场曲并且保证整体具有正光焦度需满足以下要求:
    单个透镜的光焦度由本身的φ决定,但是当单个透镜融入到一个系统时,那么这个单透镜对系统这个整体的光焦度贡献则由轴上边缘光线在该透镜上的光线高度h以及该透镜本身的光焦度φ的乘积来决定。举例之,当具有等大异号光焦度的一正一负的透镜组(φ1= - φ2φ10)相距d组成一个系统时,这个系统的光焦度不为零,而是
φ=h1*φ1+h2*φ2=(h1-h2)*φ1
    如果我们使得正透镜φ1的光线高度h1大于h2,那么就相当于增加了正透镜对系统整体的光焦度贡献,系统的光焦度就可以为正。正负透镜分离这个操作本质上与场曲的校正无关,但为校正场曲而内耗牺牲的正负光焦度透镜赋予了意义,如果没有h1h2的高度差,校正了场曲的系统只能是一个无光焦度系统,无法成像。
    这个镜头形式上的合理之处在于:
    透镜①为偶次非球面透镜,主要作用是校正畸变以及承担部分光线偏角,使得光线以较小的入射角进入到后续的系统,减小像差;
    透镜②除了承担大的光线偏角之外,更重要的功能是与其后的③④正透镜一起校正场曲。从校正场曲这个角度看,根据理论,负透镜应该具有较低的折射率,正透镜③和④应当具有较高的折射率,如果折射率异常,一方面可能是优化陷入了局部极小值,另一方面也有可能是该系统的视场不大,场曲并没有很严重,优化时透镜折射率并没有完全遵循场曲校正最优的原则。镜头复杂化的时候,前组的这两个负透镜可以变成弯月负透镜+弯月负透镜+双凹负透镜。当然如果镜片数量不限的话,①&②之间还可以插入正透镜,一方面可以减小色差,另一方面是在前组没有非球面的时候,正透镜实际上是参与了畸变的校正。
    透镜③&④往往是密接的正透镜。密接的主要原因是保证正光焦度表面(③的右表面和④的左表面)的光线高度较高。有时会发现透镜③或者④的厚度较厚,这往往是为了形成厚的弯月透镜,其目的还是校正场曲。提醒一句,如果优化的时候③和④分裂成了3个正透镜,其中有一个大概率是锦上添花的。
    透镜⑤⑥⑦为三胶合透镜,其作用并不单单校正色差,同时还产生高级像差,辅助像差的平衡。基本上有胶合的地方就会有高级像差,不产生高级像差的胶合透镜不是一个性价比高的透镜。具体还是参考以下贴子
    如果把这里的三胶合透镜展开成单透镜+双胶合透镜或者双胶合透镜+双胶合透镜的形式,往往会产生很细的空气间隙,这个空气间隙同样是为高级像差而生。
    透镜⑧主要功能就是承担光焦度。
2、调焦方式对像质的影响
    对于不同投影距离,镜头需要重新对焦或者说调焦,对焦的方式一般是整个镜头沿轴线前后移动。
    这种对焦方式的结构设计简单,镜头保持一体,公差容易保证,但是如果单纯从调焦的效果来看,这种方式未必是最优的。
    从定性的角度分析,投影物距从5m缩短到1.5m,镜头的后焦距变化可能只有0.1mm,这是4个数量级水平的差异。当投影距离发生变化的时候,光线进入镜头的主光线角度以及光束的锥角是会发生变化的,投影距离越近,这种变化越是明显,可以参考下图理解。上图是轴上光束,下图是轴外光束,物距12,则光束锥角θ1→θ2,光线入射到透镜表面的角度也是有差异的。
    整体对焦本质上镜头结构没有发生变化,可以这样理解,同一个镜头,在不同物距时,只能通过移动像面位置来获取清晰的像。在不同的物距时,每一片镜片承担的像差都是在变化的,要镜头保证兼容不同物距时对应的像差搭配,这其实是比较困难的。
    要减轻不同物距所带来的像差对系统兼容性的压力,最好的办法是增加变量,允许镜头的某一部分自由移动,以平衡不同物距引起的像差差异。
    假如把镜头分为前组(靠近物体)和后组(靠近DMD),为了保证公差,只能移动一组,则应该选择后组。
    先从必要性来讨论这个问题。
    在物距从5m变化到1.5m时,后焦距的变化量在0.1mm以内,不管前组可不可以发生移动,后组是必须移动补偿后焦变化的,因为后组的焦深一般在0.04mm附近,0.1mm已是不能承受之重。
    当然,前组的移动也可以改变焦点的轴向位置,但这个改变是间接的,需要后组作为中介。后组本身可以直截了当做到的事情,就没有必要通过前组拐弯抹角来实现。因为间接控制是需要付出额外成本的,一定会伴随着资源的浪费。
    我们也可以从像差的角度来解读后组移动的合理之处。
    不管是前组还是后组,对焦时的移动量都是毫米级别的。毫米级别的距离变化相对于1.5m5m的物距变化几乎可以忽略不计,前组是否移动,其实几乎不改变光线在前组的高度和张角情况,也就是前组的像差分布没有变化。
    那么在物面移动的过程中,哪些像差发生了变化呢?
    《几何光学.像差.光学设计》在12.7节描述了初级像差系数与物面位置的关系。结论是,当物面移动时,光阑球差对各种像差都有影响,因此,对需要在不同物距或倍率下使用的系统,在设计时须设法校正光阑球差。【所谓光阑像差就是把光瞳面看成是物面,把原来的物面看成是光瞳面所算得的像差】
    由上面的描述来看,物距变化时,前组还是后组移动对焦,应该看哪一组的移动可以对光阑球差起到更好的校正作用。
    从投影镜头的架构来看,球差明显与后组关系更为密切,所以最适合的还是移动后组。这一点,有兴趣的坛友可以自行优化确认效果。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册

x

评分

参与人数 3威望 +2 金币 +9 贡献值 +2 收起 理由
wsqa123 + 3 赞一个!
goontwin + 1 + 3 + 1 很给力!
烧饼 + 1 + 3 + 1

查看全部评分

发帖求助前要善用【论坛搜索】功能,那里可能会有你要找的答案;
回复

使用道具 举报

51

主题

185

帖子

6

积分

小白

Rank: 1

积分
6
发表于 2020-6-15 09:13 | 显示全部楼层
楼主深厚的光学功底令人十分佩服,我都有研究过你的每篇专业性文章,有些太深奥了,目前还理解不了。同时建议版主考虑将楼主建一个专家栏目,便于国内光学同仁方便查阅。
发帖求助前要善用【论坛搜索】功能,那里可能会有你要找的答案;
回复

使用道具 举报

3

主题

38

帖子

10

积分

小白

Rank: 1

积分
10
发表于 2020-6-15 09:51 | 显示全部楼层
关于调焦方式的考量,投影也分内调焦和外调焦
内调焦可以有后组移动和前组第二,三镜片移动等;外调焦一般为前组移动
之前做投影时候见的比较多的是前组外调焦,后组移动(后焦变化)的反而比较少,可能楼主做的比较多的是定焦镜头?(定焦确实可以采用后焦变化补偿调焦)  
以前做的较多的变焦镜头的后焦是尽量不变动的,为了保证长短焦像质的一致
大家可以探讨一下

评分

参与人数 1金币 +4 收起 理由
天空很蓝 + 4

查看全部评分

好热啊
回复

使用道具 举报

12

主题

290

帖子

86

积分

版主

Rank: 3Rank: 3Rank: 3

积分
86
 楼主| 发表于 2020-6-15 11:20 | 显示全部楼层
viamo21 发表于 2020-6-15 09:51
关于调焦方式的考量,投影也分内调焦和外调焦
内调焦可以有后组移动和前组第二,三镜片移动等;外调焦一般 ...

是的,你说得很对,以上的对焦方式是针对定焦镜头的。如果是变焦镜头,调整焦距的话,往往是前组和中部在运动,后面作为后固定组一般是不动的,像陶纯堪的《变焦距光学系统设计》一书中也有比较系统的论述。

发帖求助前要善用【论坛搜索】功能,那里可能会有你要找的答案;
回复

使用道具 举报

12

主题

290

帖子

86

积分

版主

Rank: 3Rank: 3Rank: 3

积分
86
 楼主| 发表于 2020-6-15 11:28 | 显示全部楼层
rzyp 发表于 2020-6-15 09:13
楼主深厚的光学功底令人十分佩服,我都有研究过你的每篇专业性文章,有些太深奥了,目前还理解不了。同 ...


这个评价过高了,帖子的内容很大程度上是个人的心得总结和部分实践经验,具有主观性,同时由于行业的限制,很多结论可能只是在投影镜头中是比较客观的,不能放之四海而皆准。其他类型的镜头设计在使用或参考的时候应该保持警惕。另外一个是,个人能力有限,知识体系也不够系统,还是要多学习,不能误人子弟了。
发帖求助前要善用【论坛搜索】功能,那里可能会有你要找的答案;
回复

使用道具 举报

18

主题

38

帖子

0

积分

小白

Rank: 1

积分
0
发表于 2020-6-15 13:34 | 显示全部楼层
正透镜③和④透镜材质选择不一样,请问有什么特殊的作用吗?
发帖求助前要善用【论坛搜索】功能,那里可能会有你要找的答案;
回复

使用道具 举报

12

主题

290

帖子

86

积分

版主

Rank: 3Rank: 3Rank: 3

积分
86
 楼主| 发表于 2020-6-15 14:12 | 显示全部楼层
starkkcc 发表于 2020-6-15 13:34
正透镜③和④透镜材质选择不一样,请问有什么特殊的作用吗?

透镜③④的折射率和阿贝数在实际优化的时候没有做特别控制,不过这种不一样是比较正常的,虽然单独看③④感觉是比较对称的两个透镜,位置也基本一样,但是看整体的话,③左侧结构和④右侧结构是完全不同的,所以这两个透镜的材质不一样是可以理解的,毕竟这不是左右对称的系统。
发帖求助前要善用【论坛搜索】功能,那里可能会有你要找的答案;
回复

使用道具 举报

0

主题

89

帖子

24

积分

新手

Rank: 2Rank: 2

积分
24
发表于 2020-7-29 08:36 | 显示全部楼层
请问垂轴色差有没有好的优化方法?
发帖求助前要善用【论坛搜索】功能,那里可能会有你要找的答案;
回复

使用道具 举报

12

主题

290

帖子

86

积分

版主

Rank: 3Rank: 3Rank: 3

积分
86
 楼主| 发表于 2020-7-29 09:16 | 显示全部楼层
惠更斯 发表于 2020-7-29 08:36
请问垂轴色差有没有好的优化方法?

根据垂轴色差定义,用操作数控制,透镜材质设置为变量或者使用锤形优化。
发帖求助前要善用【论坛搜索】功能,那里可能会有你要找的答案;
回复

使用道具 举报

1

主题

4

帖子

0

积分

小白

Rank: 1

积分
0
发表于 2022-7-8 13:54 | 显示全部楼层
楼主的文章非常赞,有利于提高光学设计能力
发帖求助前要善用【论坛搜索】功能,那里可能会有你要找的答案;
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

联系我们|本论坛只支持PC端注册|手机版|小黑屋|光学社区 ( 粤ICP备15067533号 )

GMT+8, 2022-8-10 10:08 , Processed in 0.171875 second(s), 22 queries .

Powered by Discuz! X3.4

© 2001-2017 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表