混合优化在镜头设计中的用途

In: 镜头知识 On: Thursday, December 19, 2019 Hit: 935

导读:为了设计具有近乎完美性能的镜头,最简单的办法就是固定放大倍率、工作距离和传感器大小,然后对其进行优化。这样设计出来的镜头可最大程度地降低像差效果并实现最高性能。然而这种不能更换使用条件(倍率、工作距、传感器)的镜头几乎只能出现在定制的情况下,那么一般情况下,要怎样从设计上去考虑镜头的使用范围?

     为每种应用设计个性化的定制镜片既不合算,也不实用。取而代之的是,大多数镜头被设计可用于不同的工作距离和光圈大小,还能支持不同像面大小,这样的镜头既具有成本效益,又能够满足许多应用的需求。当然,这样做的后果就是牺牲部分像质。很明显:一颗镜头不可能在所有视场,工作距离和传感器上同时能达到最佳性能。在相机技术和精度要求都不高时,镜头的设计相对简单,但是,随着相机像元越做越小、相机靶面越做越大,对镜头的分辨率要求也不断提高,这就必须要寻求其他方法最大化系统性能。  

      为了使系统性能最大化,有必要了解哪些因素会对镜头像质产生负面影响。在为多种应用而设计的镜头中,像差在一定的工作距离和放大倍率范围内是平衡的。尽管这些镜头不能超过针对特定工作距离和放大倍率设计的镜头的性能,但它们可以在较大的范围内正常工作。

      针对非单个工作距离和放大倍率进行镜头的设计,事实上已经开发出了很多种镜头混合优化方法。常见的产品有:定焦镜头、变焦镜头。可以在工作距离定下来后通过对焦、调焦等方式来完成成像。原理就是通过调整元件之间或元件组之间的间距,以便稍微更改设计就可以针对所需的放大倍率和工作距离提高性能。例如,下图为一颗0.33X的线扫描镜头,支持60mm靶面的线扫描相机。

1 0.33倍线扫描镜头(支持60mm像面)

      可以通过参考其MTF曲线来分析镜头性能,图2显示了该镜头在0.33X放大倍率下的相关MTF曲线。此处显示的曲线限制为100 lp / mm,反映了具有5μm像素的12k线扫描传感器的分辨率。

2 0.33X时的MTF曲线(180mm视场)

3 0.5X时的MTF性能曲线(120mm视场)

4 1.0X时的MTF性能曲线(60mm视场)

      现在我们需要更大的倍率,减小工作距并将镜头重新对焦,得到图3和图4所示的MTF曲线。在0.5倍(120毫米视场)和1.0倍(60毫米视场)的放大倍率下,画质大大降低。为了克服这个问题,可以调整透镜之间的间距,以优化不同放大倍率下的性能。图5为重新优化的同一镜头系统的光学布局。

5调整透镜间距后的结构(红色为调整部分)

6标称放大倍率的1.0倍优化镜头的MTF性能曲线

      图6为更改间距后的镜头在0.1X下的MTF曲线。请注意,图6和图4之间在性能上存在极大差异。虽然两个镜头都使用相同的玻璃元件,但是更改间距会导致性能上的巨大差异。常见的光学成像软件也都有这样的功能,比如ZEMAX中的多重结构,CODE V中的变焦系统。通过若干镜片的移动,可以实现在不同条件下成像清晰。
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