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光学系统设计
发布时间:2020-08-05浏览次数:128

任何光学镜头,不论是新的还是旧的,都可以用“镜头描述”这个术语来区分镜片的数量,玻璃的种类,镜片的曲面半径,镜片的厚度,镜片与镜片之间的距离,以及每个镜片的直径,等等。当发自于某个物体的光线穿过玻璃表面时,该束光线会被折射,就如我们在中学物理课本中学到的物理知识所描述的那样:光线折射量取决于玻璃的折射率。如果镜头设计者能知道光线射入镜头前镜片时的确切入射位置,以及入射角度,他就可以通过光线理论系统精确地追踪光路。角度和距离可以通过三角函数的正弦和余弦算出来。因此通过简单的平面几何,光线途经的线路就可以被追踪到。

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一、光学镜头的设计原理

为了获得一个较理想的光学镜头,光学设计人员首先要清晰明确地了解使用要求、使用效果和设计结果。在设计要求方面,设计人员对镜头所要求的焦距、孔径、视场、最近成像距离等光学特性参数和分辨率、畸变、光学传递函数等成像质量特性参数都应熟悉。光学镜头设计者首先要从光轴上的某点开始追踪少量的光线,这里所假设的是每个物象点都会在胶片平面上形成与之相对应的点,所以发自物体的光线都将被转化为这样的成像点,并且具有同样的相对位置。光线是由不同波长的、有颜色光波组成的,而且当光线进入镜头时不同波长的光波具有其独特的光学路径,而且理想的光线不可避免地会被镜片所干扰而产生象差。镜头设计的第一要素就是对这些象差进行了解和控制。通过三角几何函数可以计算出校正的光线路径和现实的偏移量,这两者之差被称为光线路径差,使用来控制象差的依据。典型的象差有球面象差,晕光和失光。

更多的镜片给设计者带来了更大的自由度,由于有更多的镜片进行表面处理设计,设计者就可以在更大程度上控制象差。但是更多的镜片也意味着更高的造价,也更加趋于更小的生产宽容度。现在对新镜头的设计要求也越来越高。新的SummiluxR1.4/50要求到达2个设计目标:收缩光圈后像质的显著提高和全开光圈时整个画面要达到非常好的像质,这两项要求都是它们的前代们所未能达到的。目前光学设计部门大量使用了计算机,计算机及其计算机程序本身是无法找到全部答案的,也就是说设计者是不可能随心所欲地来操纵镜头的诸多变量的。但是借助于现代计算机的强大能力和对光学理论的进一步研究,光学设计人员对5级赛德尔(Seidel)象差的了解已经扩展到包含有60多种各种各样的象差。现代计算机可以做到每秒钟追踪计算200?郯000条光线,各种参数的数量也在增加,对于一个6片镜片的设计,计算机需要进行许多年的计算才能找到全部可能的结果,而所需的时间是天文数字――以1开头,后面有99个0。

光学镜头设计的特点是在镜头设计的两大制约因素――机械精度和可接受的成本――之中寻求更加优异的光学设计。现代镜头的设计是用来挑战胶片颗粒的极限的。如果说有什么设计知道原则的话,那这个原则就是:对低频空间频率的极高的反差表现和对高频空间频率的高反差表现。这样的表现本身就不是容易达到的,而且有全开光圈时候对于象场的大部分区域要有如此的表现。

二、光学镜头的设计和使用必须紧密结合

评价光学镜头的好坏直接涉及使用、设计和制造三个方面,它们之间的关系极为密切。光学镜头的设计人员必须深入实践,克服与使用者的沟通障碍,能够站在他们的角度考虑设计思路。这一个过程,实际上就是将使用者的“设计要求”正确变成“设计指标”进而变成“设计结果”的过程。当设计人员完整地清楚了使用者的设计要求后,才能确定可行的设计方法,并按照象差设计规律确定各种象差的平衡方案,进而进行优化设计,最终达到符合使用要求的设计结果。然而,如何评价优化设计的结果达到了设计要求呢?实际上这里提出了“设计结果”如何体现“设计要求”的问题。光学设计阶段的成像质量评价原则,是基于长期光学设计和加工实践反复摸索、总结规律而产生的理论。但是,根据这些评价原则对镜头进行评价,并不能代替未来产品的实际成像质量,最终的成像质量评价有待于产品生产制造出来后对产品通过各种仪器进行测试和实际使用效果进行检验。一般而言,根据使用要求所进行的设计,总是预示着加工成产品之后的使用效果,两者之间是有机联系着的,有相对的一致性,存在着“变成”和“体现”的关系。在实际设计当中“最好的”、“成像质量最优化的”未必就是实际工程实现“最合适”的系统。从工程设计的角度看,一个成功的设计系统往往并不是选用最高精尖的技术手段和材质完成系统设计,而是以能够完成设计要求、成本最低为指导原则的。设计结果体现使用要求的成像质量评价问题极为重要,它需要设计人员不断摸索实践,涉猎相关边缘学科,培养系统工程思维。

总而言之,光学镜头是由一系列透镜单元组合而成的,其设计是极具创造力的工作,设计人员必须基于经验和敏锐的洞察力来了解各种各样光学象差的特性。据了解,现代光学镜头的设计是可以用来挑战胶片颗粒的极限的。透镜从理论上讲可以有效地集中光线,可以制成完美无缺的光学镜片,但理想化的完美镜片实际上至今尚未被设计成功,因为在实际生产时,限于材料和条件因素,制造出来的光学镜片并不能达到完全理想的状态,多少会存在偏差现象。

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