球面透镜的光学特性篇1

关键词：光学玻璃；非球面透镜；精密模压

中图分类号：F062.4 文献标识码：B 文章编号：1008-4428（2012）02-111 -03

一、前言

玻璃精密模压制造技术特别适用于批量生产各种具有特殊结构的高精度中小口径透镜，尤其是那些用传统加工手段难以实现的光学玻璃元件，如小口径薄型透镜、高次非球面镜片、微透镜阵列、衍射光学元件和自由曲面光学元件等由于精密模压技术能够大批量直接模压成型精密的非球面或自由曲面光学零件，使得非球面玻璃光学零件被广泛使用成为可能。因而给光学系统设计带来了新的变化和发展，不仅简化光学系统结构、缩小体积、减轻重量、节省材料、减少了光学零件镀膜和工件装配的工作量从而降低成本，而且还改善了光学系统的性能，提高了光学成像的质量。这项技术的普及推广应用是光学行业在光学玻璃零件加工方面的重大革命。

二、精密模压制造技术的工艺特点以及与传统工艺的比较

作为成本相对较高的精密模压技术，其最大的优势在于批量制造非球面透镜。非球面透镜的主要应用有光纤耦合，DVD读取头，手机镜头，数码相机镜头等。在很多情况下，光学设计采用非球面，能够得到球面光学零件难以达到的光学性能，如提高系统的相对孔径，增大视场角，改进像质，改善光照度均匀性，缩短工作距离，减少镜片数量等，从而简化光学系统结构，减轻重量。因此，非球面常常应用于大视场，大孔径，像差要求高，结构要求简单的光学系统中。非球面光学零件因其优良的光学性能而日益成为一类非常重要的光学元件。

非球面零件可分为回转对称非球面，非回转对称非球面，无对称中心非球面，阵列表面四类。其中最常用的回转对称非球面。它是一条二次曲线或高次曲线，绕曲线自己的对称轴旋转所形成的回转曲面。

设一条直线z为回转轴，z轴也是光轴，非球面上任意一点到光轴的距离为r，非球面定点在z=0处，则回转对称非球面方程为：

式中，第一项是这个非球面的基面，它表达了一个二次去面；后面各项是这个非球面的高此项，它是偏离二次去面的表面特征，既非球面是在二次去面的基础上作一些微小的表面变形，可以达到校正相差的目的，由于一个非球面可以有多个量可以选择，和球面仅有一个c两选择相比，非球面有很好的作用，可以有一个非球面产生几个球面结构的作用。

玻璃精密模压制造技术大体上可以分为3个部分：精密模具设计与制造、热压成形工艺和模压玻璃。其中模压玻璃包括预型片设计与制造以及模压后玻璃光学性能的变化两部分。模压透镜的光学精度与这3个部分紧密相关。不同于材料去除型加工方式，精密模压制造技术首先在无氧环境中将置于高精度模具内的玻璃预型片加热到适合模压的温度，经由模芯表面施压转移面形，继而保压退火去除压力分模，最终只需一道工序即可得到模压透镜，工艺流程简单，生产效率高。由于在制造过程中，不需要对镜片进行装夹固定以及局部接触施加压力铣磨抛光，因此不会产生传统加工方法中难以避免的薄型镜片因机械应力而变形的问题。只要模压条件正确设置，工艺稳定，模压镜片的面形和结构将具有良好的精度和一致性。

采用玻璃精密模压方法进行透镜加工，与传统的加工工艺相比具有如下优点（见图2.1, 图2.2） ：

（1）一般只需一道模压工序即可得到最终的光学元件，不需要传统的粗磨、精磨、抛光等工序，即可使光学元件达到较高的尺寸精度、面形精度和表面光洁度。

（2）能够节省大量的生产设备、工装辅料、厂房面积和熟练的技术工人，使一个小型车间就可具备很高的生产力。

（3）可很容易经济的实现精密非球面光学零件的批量生产。

（4）只要精确地控制模压成型过程中的温度和压力等工艺参数，就能保证模压成型光学零件的尺寸精度和重复精度。

（5）可以模压小型非球面透镜阵列。

（6）光学零件和安装基准件可以制成一个整体，结构更加紧凑。

（7）因为不使用研磨液和抛光粉等颗粒材料，且玻璃预制片不会产生加工去除废料，是一种环保技术。

目前批量生产的模压成型非球面光学零件的直径为2～35mm，直径公差为±0.01mm ；厚度为0.4～25mm，厚度公差为±0.01mm；曲率半径可达5mm；面形精度为1.5λ，表面粗糙度符合美国军标为60/40。

三、精密型料成形技术与模压技术介绍

玻璃光学零件模压成型技术是一项综合技术，需要设计专用的模压机器，采用高质量的模具和选用合理的工艺参数。成型的方法，玻璃的种类和型料，模具材料与模具制作，都是玻璃模压成型中的关键技术。

精密型料成形技术早已成熟，各光学玻璃厂已用于批量制造。Matsushita电器公司和Sumita光学玻璃公司1994年的专利叙述了一种制造精密型料的方法 。基本原理示于图3.1。玻璃配合料在铂坩埚1中熔化、澄清、均化后从流料管9流Ltl。流料管温度由加热器8控制。模具10置于轨道12上，由传动机构带动在各工序之间移动。加热器11用于模具10的加热。流料管流出的玻璃置于模具10上，达到设定的质量时，模具10快速下降，玻璃料滴与流料管分离，形成类似于火焰抛光的自由表面，表面张力保持玻璃表面光洁。玻璃冷却到一定温度后，由加压机构2、模具6加压成所需的尺寸。设计不同形状的模具以得到不同规格的型料。加压后的玻璃由取出机构3、5取出。整套装置密闭，可通AtB氧化性保护气体以保护模具表面。

成型方法：由于热压成形工艺特别是退火速率对玻璃材料的折射率和色散系数有较大影响，因此，对玻璃光学性能有较高要求的模压透镜．需要在设计之前初步确定热压成形工艺．通过预估或试验来获得玻璃折射率和色散系数的变化量，优化光学设计，从而保证模压后透镜材料特性的实际值满足设计公差要求。然后根据最终的透镜设计完成精密模具和玻璃预型片的设计与制作。

玻璃之所以能够精密模压成型，主要是因为使用了与高温软化的玻璃不发生粘连的模具材料。原来的玻璃透镜模压成型法，是将熔融状态的光学玻璃液倒入高于玻璃转化点50℃以上的低温模具中加压成形。这种方法不仅容易发生玻璃粘连在模具上，而且产品还容易产生气孔和冷模痕迹（皱纹），不易获得理想的形状和面形精度。后来，采用特殊材料精密加工成的压型模具，在无氧气氛中，将玻璃和模具一起加热升温至玻璃的软化点附近，利用模具对玻璃施压（见图3.2）。接下来，在保持压力的状态下，一边冷却模具，使其温度降至玻璃的转化点以下（玻璃的软化点时的玻璃粘度约为107.6泊，玻璃的转化点时的玻璃粘度约为1013.4泊）。这种将玻璃与模具一起实施等温加压的办法叫等温加压法，是一种比较容易将模具形状表面精密复制的方法。这种方法缺点是：加热升温、冷却降温都需要很长的时间，因此生产速度很慢。为了解决这个问题，于是对此方法进行了卓有成效的改进，即在一个模具装置中使用数个模具，以提高生产效率（见图3.3）。然而非球面模具的造价很高，采用多个模具势必造成成本过高。针对这种情况，进一步研究开发出与原来的透镜毛坯成型条件比较相近一点的非等温加压法，借以提高每一个模具的生产速度和模具的使用寿命。另外，还有人正在研究开发把由熔融炉中流出来的玻璃直接精密成型的方法。

现在最有代表性的模具材料是：以超硬合金做基体，表面镀有贵金属合金和氮化钛等薄膜；以碳化硅和超硬合金做基体，表面镀有硬质碳、金刚石状碳等碳系薄膜；以及Cr2O-ZrO2-TiO2系新型陶瓷。模具材料需要具备如下特征：（1）表面无疵病，能够研磨成无气孔、光滑的光学镜面；（2）在高温环境条件下具有很高的耐氧化性能，而且结构等不发生变化，表面质量稳定，面形精度和光洁度保持不变；（3）不与玻璃起反应、发生粘连现象，脱模性能好；（4）在高温条件下具有很高的硬度和强度等。

四、光学非球面透镜应用

目前光学玻璃透镜模压成型技术,已经用来批量生产精密的非球面透镜。归纳起来，使用非球面透镜可以取得的效果， 大体上有以下几个方面：第一可以提高成像质量等光学性能；第二可以实现大口径等高规格镜头；第三可以减少构成镜头的镜片数；第四可以减少镜头全长，利于镜头的小型化。

其应用主要用于制造军用和民用光学仪器中使用的球面和非球面光学零件，如各透镜、棱镜、以及滤光片等；在光通信方面如光纤耦合器中的应用；在光盘机、光纤耦合装置以及条形码扫描器 等一些产业规模很大的光电仪器中的应用；制造照相机取景器非球面透镜、电影放映机和照相机镜头的非球面透镜等。

五、结论

非球面玻璃透镜模压在日本，韩国及台湾地区经过多年的探索，目前已经用于大规模批量生产。目前我国在玻璃透镜模压的开发处于起步阶段，虽然在低熔点玻璃的开发通过与日本玻璃生产厂商的合作近几年发展很快，不断有新的牌号填充空白领域，但在非球面透镜精密模压大规模生产方面与国外差距较大，压型设备及模具还受制于进口。国内少数几家公司已经开始探索批量生产模压非球面透镜，但由于模具需要整套进口，所以成本较高， 而且生产的透镜良率较低。鉴于这项技术本身具有很高的经济和军事价值，因此我国深入开展此方面的研究具有十分重要的现实意义。

参考文献：

[1]Yi A Y.Jain A Compression molding of aspherical glass lenses― a combined expefimentfl and numerical analysis[J].Journal of the American Ceramic Society，2005，88(3)：579―586．

[2]Firestone G，Yi A Y.Precision compression molding of glass microlenses and microlens arrays―an expedmental study[J].Applied Optics，2005，44(29)：6115-6122．

[3] R.Jaschek, C. Klein, C. Schenk, K. Schneider, J. Freund, S. Ritter, “Development of a new process for manufacturing precision gobs out of new developed low Tg optical glasses for precise pressing of aspherical lenses”, Proc. SPIE Vol. TD03, pp. 50-52, 2005.

[4] KatsukiI M.Transferability of glass lens molding [C].SPIE，2006，6149：61490M ．

作者简介：

球面透镜的光学特性篇2

关键词：变焦距镜头；高斯；光学设计；新方法

引言

由于光信息和光通讯科技快速的进步与广泛的应用，使得光电方面的产品不断的推陈出新，并迅速成为市场上需求庞大的消费性产品，例如激光打印机、扫描仪、投影电视、摄录放影机、数码相机、望眼镜、显微镜、光纤通讯等产品，因而近年来光电相关产业的发展十分蓬勃，在国内也是极有发展远景的明星产业。居于关键性地位的光电零部件，将是影响产业发展的最重要因素，也是革新走向的风向标，尤其是光学透镜可说是光信息与光电系统中不可或缺的关键性零部件。光学变焦能力取决于光学设计与机构设计，光学设计限制了变焦机构的选择空间。一般运动机构不外乎齿轮、凸轮、螺旋与连杆等机构，又以凸轮机构为主，而且可经由机械补偿来修正焦点的误差。而光学变焦就是经由直流马达带动减速齿轮组，让凸轮传动机构转动，借助两组镜群间距离改变达到变焦的动作。

传统的光学变焦系统必须以为数颇多的球面镜片组合而成，才能达到预期的效果，这样非但所制成的产品十分笨重，制作成本也高。相对的，非球面镜片一方面可提高光学变焦系统的性能，另一方面可以减少镜片的数目，并使产品轻量化。因此，非球面光学系统有下列优点：有效的消除像差，提高影像光学品质；简化复杂的多元结构，系统元件数量和尺寸灭少，重量减轻；使光学产品的应用范围加大；制造成本降低。因此，非球面设计势必会取代现存的大部分光学元件的球面设计。在几何上，球面只要用到曲率一个参数便可表示或说明清楚。但非球面的表示可能要用到无穷级数来表达，因此有无限参数的可能，这在计算的处理上便很困难。由此可知，一般可以处理的非球面相当有限，而光学界面更局限在抛物面一类的二次曲面（Quadraticsurface）之中，文章的目的是探讨高聚焦的非球面变焦距镜头的光学设计。

1 变焦距镜头高斯光学设计的新方法

1.1 非球面通用方程式的透镜设计

首先固定投射透镜的折射率与相关的几何参数，在变焦距镜头其中，常被应用到的透镜材质多为玻璃、压克力或PC（Polycarbonate），其中投射透镜一般为玻璃材质，所以取折射率为1.58，投射透镜的口径约为72mm，并取顶点曲率半径R=36mm。通过非球面的通用方程式中参数的改变，便可得到各种非球面透镜的几何外形，再借助折射定律、数学计算推导及电脑程序设计模拟平行光束通过透镜的光迹路径，分析聚焦情形及一系列完整的测试，以设计出能将球差现象减到最低的透镜几何外形。

在设计之后，还需要注重变焦镜头组装。根据非球面通用方程式进行的设计，变焦镜头系统组装主要分为两部分，一为气压回路组装，另一为变焦镜头组装，最后将两系统结合即为气压控制变焦镜头系统。变焦镜头组装过程首先将气压接头缠上止泄带并锁在外套筒上，接着将非球面镜片置入外套筒内侧，套入内部支撑套环固定，然后套上O形环并装配BK7玻璃镜片。O形环功能主要是协助固定玻璃镜片及避免漏气，接着锁上固定套环将BK7玻璃镜片固定，最后组装外部保护镜片及光阑。气压系统分为两部分，分为变焦系统进气端与排气端，进气端包含气压帮浦、调压阀与进气开关，最后将变焦镜头一端接上进气端另一端接上排气端，所有气压控制非球面变焦镜头系统即完成。

1.2 高聚焦的透镜设计

从聚焦情形方面来看，平行入射光经球面透镜后，距离光轴越远的平行光束聚焦越近，距离光轴越近的光束聚焦越远，而平行光束经抛物面透镜则有相反的趋势，这对于寻找高聚焦的透镜设计提供一个思考的方向，也即曲面外形若介于球面与抛物面之间便可能有折衷效应，使得平行光束经此透镜后不论离光轴远近的光束皆可在光轴上汇聚于一点。因此，可建立如下的球面方程式：

其中第一项为抛物面方程式，意即球面方程式可视为抛物面方程式再加上高次项，因此文章提出的高聚焦非球面变焦距镜头设计方程式为：

其中Coef为可调整的系数，Coef=0时为抛物面，而Coef=1时接近球面，所以本方程式设计出来的透镜的几何外形将可介于球面与抛物面之间。经过一系列测试得知当Coef=0.54时对于光束的会聚效果最好，其光轴上最大的球差值仅0.5mm，比椭圆面透镜的聚焦能力要好。将其几何外形与各种二次圆锥面进行比较可知，曲面外形确实介于球面与抛物面之间，所以曲面透镜也有很好的聚焦能力。

进而可以测试透镜的顶点曲率半径R大小改变时对于像差现象的影响，可取R=72mm，而投射透镜的折射率与口径均可不变。实验操作中，球面透镜与抛物面透镜的厚度分别变为9.6mm与9mm，可见R变大导致透镜厚度减小而更能符合薄透镜的假设，所以各种透镜的球差现象均可获改进，但焦距变大。其中，双曲面透镜的k值仍取-1.5，椭圆面透镜的k=-0.61才能得到最佳的光束集中，光轴上最大的球差值仅0.2mm。文章提出的曲面透镜的Coef=0.42，光轴上最大的球差值仅0.lmm，由此也可知R变动时，K及Coef值也需重新调整以获得最佳的球差改进。因此，文章认为在设计使用上，以曲面透镜最好、椭圆面次之、抛物面再次之、双曲面与球面则排在最后。

2 结束语

文章提出了高聚焦变焦距透镜的高斯光学设计方程式，由于本曲面几何外形介于球面与抛物面之间，因而具有该两曲面光学特性的折衷优点。由一系列结果证实，借助非球面通式设计出的各种二次圆锥面透镜及高次曲面透镜为最好，现将各种曲面透镜设计的参数探讨、聚焦测试结果与比较情形简述如下：二次圆锥面中以椭圆面的聚焦效果最好；非球面通用方程式中的高次曲面透镜未能优于椭圆面透镜的聚焦能力；在投射透镜的口径固定下，当透镜的顶点曲率半径R越大时聚光效果越好但焦距变长；当透镜的口径或厚度改变时，文章提出的曲面透镜调整系数Coef或椭圆面透镜的圆锥常数k均须重新寻找以获得最佳的聚焦结果；各种曲面透镜的聚焦能力分别为曲面透镜>椭圆面透镜>抛物面透镜>双曲面透镜>球面透镜。

参考文献

[1]梁来顺.变焦距系统设计的快速求解[J].应用光学，2004（01）.

球面透镜的光学特性篇3

关键词： 透镜像差 图示分析 消除方法

各种透镜的成像都或多或少地存在像差。这是由于制造镜头的材料的缺陷，制造工艺，以及光线本身某些特性，使透镜上存在不同程度的像差现象。因此，在一些高级的相机镜头对像差问题做了最大限度的消除，但仍然不能做到完全消除各种像差。透镜的像差主要有色像差、球面像差、横向色差、慧形像差、畸变、像散和像场弯曲等七种。

1.色像差

产生色像差的原因是透镜对不同的波长的色光具有不同的折射率，当白光透过透镜后就会发生色散，不同的颜色焦点距离透镜的远近不同，便在成像面上形成色像差。紫蓝色焦点在前面，黄色焦点在中间，红色焦点在后，如下图。色像差的特点是白光点经透镜成像后不能会聚成一个白光点，而形成一个彩色的光环。

消除方法：使用具有不同折射率和色散率凸凹透镜相互配合，可不同程度地消除或减少色像差。

2.球面像差

产生这种像差的原因是透镜的球面折射使具有一定商度的平行沉鱼落雁束不能在一点上聚焦所致。而球面像差的种类也很多，分类方法不一，在度量上可分为横向球面差和纵球面差两种；在形式上可分为正球面像差和负球面像差两种。

球面像差的消除方法主要有两种：一是采用多片透镜组合，使各透镜正、负球面像差相互抵消，相机中的多数摄影镜头采用这种方法，但其校正球面像差的缺陷并不十分彻底；二是采用非球面透镜和曲镜，这种透镜可改变透镜两球面的曲率半径（又称配曲调正）以减小单透镜的球差，也可用渐变折射率的材料制作透镜，以消除球差。

3.横向色差

横向色像差是色像差的一种。由于光学玻璃对各种不同波长色光具有不同的折射率，色差的大小也以镜头对各种色光焦距不同而异，当白光点斜射穿过透镜，形成的影像一面有红色环边，而另一面有比红色要宽的深蓝色环边。其特点是离主光轴越远越明显。

横向色差将具有不同折射率和色散率的透镜相配合才能得到很好的校正，例如采用荧石镜片的镜头就能很好地消除横向色像差。

4.彗形像差

产生彗形像差的原因是球面透镜各光区成像的放大率不一致，各光区的焦点不同。在边区一带光线形成亮度较低，虚散的大环形，主光轴一带光线形成高亮度清晰的小环形。重叠后呈现梨状圆形。彗形像差的种类有多种，根据彗形亮端朝向来分，可分为外向彗形像差和内向彗形像差两种；根据产生方式来分，可分为初级彗形像差和高级彗形像差两种。

如果镜片是用作相机的镜头，存在彗形像差的摄影镜头，将严重影响像的清晰度。校正彗形像差的办法主要有以下两种：一是在设计制造镜头时，可用不同曲率透镜的组合加以校正；二是对校正不良，尚存彗形像差的镜头，可采用缩小光圈的办法减少彗形像差的影响。

5.畸变

是指因为影像各部分相对比例关系与被摄体实际比例关系不一致而出现的一种变形现象。例如使用这种透镜作相机镜头拍摄有横直线条的方形物体，其结果是影像的直线部分变成向内定或向外弯曲的线。向内弯曲的为桶形畸变，向外弯曲的为枕形畸变。

产生畸变的主要原因是由于光学系统对共轭面不同高度的物体有不同的垂轴放大率所引起的。新月形、平凸形单透镜更容易出现影像畸变，当凹面或平面向外，光圈在前时，所会聚影像呈凸出状，愈接近边缘，弯曲现象就愈明显，这种现象为桶形畸变；当凸面向外，光圈在后，所结成的影像呈凹状，纵横线都向内弯曲，这种现象为枕形畸变。有些应用领域的镜头是不允许有畸变的，如测绘和航空测量用的摄影镜头。摄影镜头的畸变只有改善镜头的结构才能得以消除。

6.像散

像散是单色性像差的一种。它产生的原因是：与主光轴垂直的平面，其影像位于两个不同的表面上，一个表面上仅有水平线条，而另一具表面上则只有垂直子午线条，当这两个表面不能相重合时，便宜产生了像散。有像散的透阄或透镜组，对同一垂直面内垂直线条和水平线条不能同时准确成像。在透镜主光轴以外的点状物体，其影像在任何处均不是一个点，而是随着聚焦屏位置的变化而改变，人弧矢直线变为切向直线。

对于透镜像散的校正通常采用折射率较高、色散率较低的光学玻璃制造透镜，并配制各种曲率的表面互相抵消。

7.像场弯曲

透镜对平面物体能够结成的双重影像，主像面为横切线焦面，副像面为辐射线焦面。如果两个像面不相重合就会发生像散现象；当两个像面重合而形成一曲面、即为像场弯曲。像场变曲与像散同时产生，校正像散之后同，像场弯曲仍可单独存在。因此在设计和制造透镜时，采用两组适当折射击率的透镜组配合，如果是应用在相机上，即在距离较长的中间安放光圈，就可以校正透镜的像场弯曲。

参考文献：

[1]姚启钧.华东师大《光学》教材编写组改编.高教出版社，1981：246-249.

球面透镜的光学特性篇4

关键词： 非成像光学设计；菲涅耳反射器；椭流线法；LED射灯

中图分类号： O 435文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.008

引言

LED光源因其具有节能环保、长寿命和高显色性等优点而成为照明产业的一颗新星，在大屏幕显示、液晶显示、路灯照明和工业照明等领域得到广泛应用，但由于LED具有独特的朗伯型发光特性，传统光学设计方法不适合LED照明设计，通常需要有针对性的进行二次配光设计，以达到特定的照明要求[13]。

LED系统设计中二次配光设计的理论基础是非成像光学原理，其目的是将LED光源能量合理分配和高效利用。LED照明系统的二次配光设计主要分为三类：折射型、反射型和折反混合型。一般而言，折射型配光透镜具有体积小和效果好的优点，如自由曲面透镜已经在大功率LED路灯照明中得到广泛的应用，但也存在色散问题和设计难度大的不足；反射型配光器件具有高光效，可以避免色散问题的引入，从而降低设计难度。折反混合型是非成像光学设计的一个重要发展方向，可以兼具两者的优点[410]。

文中应用一种基于均分配焦椭流线法设计的菲涅耳反射器对朗伯型LED进行二次配光，取得良好的配光效果。菲涅耳透镜的本质是用一系列的环带球面透镜代替完整球面透镜，并实现球面透镜的光学效果。将菲涅耳透镜的环带曲面进一步拓展到反射曲面上，结合非成像光学椭流线理论，构建一系列独立的环带椭流面，应用到LED射灯的二次配光设计中，实现指定区域的均匀照明。经光学仿真软件的模拟表明：所设计的反射器具有投光效果好、均匀度高（>0.93）、眩光低和无色散等优点。

1设计原理

1.1边光原理

边光原理在非成像光学设计中一定程度上可以起到降维作用，即将二维区域问题简化成一维边界问题，为二次配光设计带来了简便。边光原理是指一束光线，其边界上的光线不管经过多少连续光滑的单调凸（或凹）光学界面的反射（或折射），最终仍将对应落在目标面上光强分布区域的边界处。同时，光束边界内的所有光线也将对应全部落在目标面照度分布区域内。

1.2流线理论基础

流线理论是非成像光学设计中的重要理论之一，可以为LED照明设计提供理论依据。由流线可以构成流面，流面为光学设计带来三个方便：（1）变换光源位置；（2）改变光源发散或会聚等特性；（3）调整配光特性。在非成像光学的二次配光设计中常引入二次流线，如椭流线、双曲流线和抛物流线。在传统聚光灯具的光学设计多采用抛物流线，而在LED照明设计中更多采用的是椭流线。文中引入了正源和负源概念，或称实焦和虚焦。光线从正源发出，汇聚到负源。由两个正源发出的光线构成的流线为双曲流线，一对正负源则构成椭流线。

由于LED面源的尺寸通常比灯具尺寸小很多而作点源近似处理，因此将LED作为正源，而负源则落在目标面上特定的离散点。负源的数目由实际设计需要而定，LED与每一个负源构成一对正负源（虚实焦），而每一对正负源可生成相应的椭流线簇。设计过程的实质就是利用边光原理和椭流线性质，为每个负源确定一条合适的椭流线及区间长度以保证通过特定的光学扩展量，并沿对称轴旋转形成相应的椭流面带，从而确定菲涅耳反射体的结构。

2菲涅耳反射器设计

设计目的是利用椭流线法设计出菲涅耳反射器，使单个大功率LED朗伯型光源发出的光能均匀反射到目标圆面上。所选LED具有如图1所示的辐射特性，根据预设定的菲涅耳反射器的高度（H）等结构参数计算出相应的流线簇，进而形成反射流面，交叉叠加投射原理如图2所示。

3数值模拟与性能分析

3.1数值模拟

设定菲涅耳反射器的高度H为62 mm，按上述设计流程运算可得面型数据，其中，采用交叉顺序投射方法的反射器直径为300 mm；采用交叉叠加投射的反射器直径为230 mm。光源选用直径为2 mm，功率为1 W的LED，配套散热基板直径BB′为20 mm。考虑到LED与菲涅耳反射器的契合情况以及散热等诸多因素，将LED置于菲涅耳反射器中心轴上距离中心点62 mm处的出射面AA′上，目标面置于反射器中心轴上距离中心点3 062 mm处。由几何关系可知，采用交叉叠加投射可在光源平面AA′上为散热基板预留直径为20 mm的安装区域。由以上相关数据可绘制出菲涅耳反射器面形，并导入三维软件，建立三维模型。其反射器上各点的斜率分布如图3，虚线为从中心到边缘（即SA）顺序投射时面型数据的斜率，而交叉叠加投射后的面型数据斜率如实线所示，由于交叉叠加（即AA′）顺序投射需要跨越目标面的中心点，等面积均分造成中心环直径最大，所以会出现斜率值的不连续。

3.2投射效果分析

分别根据优化前后的菲涅耳反射镜的相关结构参数进行光学建模，并导入光学设计软件，设定各表面的光学属性，模拟光线数为200万条，光源功率1 W。光线追迹完成后，其目标平面上照度分布如图4所示。虚线b为顺序投射模型在目标平面上的照度分布曲线，由于无法避免反射器末尾数环造成的的光线发散问题，所以目标面中心形成一个暗斑，降低了均匀度；经交叉叠加投射法优化后，使反射器各环的照度反向叠加，相互弥补，实现了在目标面上照度分布曲线如实线a所示，平顶宽约为1 000 mm，光线基本均匀地分布在设定的投射区域内，均匀度约为0.95，并且有效缩小了反射器的尺寸。

3.3安全性分析

光线在照明系统投射的立体区域内如果过度集中，与周围区域的对比度过大，便会产生眩光，对人的视觉系统造成一定的损伤。为此，分别对投射立体区域内的多个垂直截面进行了照度分布考察，其结果如图5所示。从图5中可以看出，随着照射距离的增大，投射区域也近似线性增大，照度同步减小，不同垂直截面内照度分布基本保持均匀，不存在光线过于集中的情况，因此设计方案是安全的。

3.4机械公差分析

在模型的实际机械加工过程中，由于温度、震动等诸多干扰因素的影响，致使成品模型与理论计算值之间存在一定的公差，从而影响投光效果，因此有必要对机械公差进行考察。考察方法是对菲涅耳反射器的面型数据加入一定模拟公差，其精度可根据精密机械加工公差约为2 μm确定，得到带有模拟公差的菲涅耳反射器，将其导入光学设计软件中进行光线追迹，并与不带公差的仿真结果进行比较，如图6所示。图中a为不带公差仿真结果，b是带有模拟公差的结果。可以看出模拟公差的加入对照度分布产生了一定的影响，均匀度略微下降，但是总体均匀度不低于0.937，因而该菲涅耳反射器的设计方案是实际可行的。

4结论

基于以LED为光源的照明系统设计，提出一种利用菲涅耳反射器对LED进行二次配光的设计方法，并利用光学软件对其进行了相关的理论验证。仿真结果表明，设计取得了良好的照度均匀度（其值约为0.95），避免了色散现象的引入，具有低眩光和安全可靠的特性，并且交叉叠加投射方法设计步骤规范、简单，降低了光学设计的难度。文中菲涅耳反射器的设计方法也适用于LED投影仪，LED路灯，LED广告牌，以及LED车辆照明系统等众多应用场合，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]WINSTON R，MINANO J C，BENITEZ P.Nonimaging optics[M].California：Elsevier Academic Press，2005：99-105.

[2]JULIO C.Introduction to nonimaging optics[M].New York：CRC Press，2008：474.

[3]余桂英，金骥，倪晓武，等.基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计[J].光学学报，2009，29（8）：2227-2231.

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[7]李海峰，刘旭，顾培夫.投影显示中的光学薄膜元件[J].激光与光电子学进展，2009，46（7）：18-19.

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[9]闫兴涛，杨建峰，张国琦，等.基于经纬划分和切面迭代的自由曲面LED透镜设计[J].激光与光电子学进展，2011，48（2）：58-60.

球面透镜的光学特性篇5

【关键词】手机镜头；光学设计；ZEMAX

【Abstract】A mobile phone lens assembly composed of 4 plastic aspheric lenses and an IR filter was designed by use of ZEMAX （ optical engineering software）. The F-number and FOV（ field-of-view ）of the camera are 2.08 and 60° respectively. The effective focal length and back focal length are 2.10 mm and 0.33 mm respectively. The total lens length is 3.26mm. The MTF value is more than 0.6 in the center fields of view at 192lp/ mm . Distortion is less than 0.5%.

【Key words】Lens of mobile phone； Optical design； ZEMAX

0 引言

自从手机具备拍照功能以来，人们就在提高手机像素，减小相机体积等提高手机拍照水平领域不断探索，尤其是智能手机出现以后，人们对手机照相的要求更是越来越高。随着手机镜头制造技术的迅猛发展，手机像素日益增高，低像素的手机镜头已被高像素镜头所取代，而且体积也越来越小[1]。高端像素的要求作为手机众多功能中最重要的一环已经被日常化，但是市场上的镜头像素到发展到目前为止脚步有所放缓，这就需要在画质上继续有所突破，才能占有一定的市场份额，提高产品的竞争力，所以本次设计基于目前市场800万像素镜头的标准的基础上，扩大镜头的视场角、优化镜头整体的长度，在保证相对照度稳定的基础上，积极改善800万像素镜头的像质质量，积极配合生产工艺的要求，设计一款良品率较高的可行性产品。

1 设计思路

1.1 设计规格

现在市场上，手机镜头的视场在60°左右，F/#约为2.8，由于手机的小型化体积使得镜头总长有一定限制，一般要小于1cm[2]。具体参数如表1 所示。

1.2 初始结构选取

一个好的镜头离不开一个合适的初始结构，如果初始结构选择不当，再经验丰富的设计者也完成不了设计任务。初始结构的选择有好多种，可以通过设计者的经验利用高斯光学原理创造一个初始结构，但这种方法计算繁琐并且对设计者的像差理论知识和经验要求较高，除此之外也可以通过查阅手册或者查询相关专利来获取初始结构，这种方法比较简单方便，而且能达到理想的设计需求[3]。

根据所要设计镜头的视场、光圈、镜片数目及材质选取美国一个专利的雏形结构，并对其部分参数进行修改，得到一个基本符合要求的初始结构[4]。该初始镜头的光圈值为F=2.85，视场2k=60°，由5片镜片组成，前四个透镜都是由塑料材质制成的非球面透镜，第五片镜片是一片玻璃材质的红外滤光片。第一个透镜材料是N-LAK34，具有正折射率，入射面和出射面均为凸面；第二个透镜采用聚碳酸酯（POLYCARB），折射率为负值，入射面和出射面均是凹面；第三片透镜材料选择ZEONEX公司的E48R，折射率为正值，物方一侧的镜面是凹面，像方一侧的曲面是凸面；第四片透镜选用聚碳酸酯（POLYCARB），具有负折射率，入射面为凸面，出射面为凹面。第五片透镜是滤光片，采用玻璃BK7。光阑位于第一片透镜和第二个透镜之间。

1.3 优化

（1）把所有透镜的曲率半径，厚度，间隔，非球面系数设置为可变量，在Zemax 中加入焦距，系统结构长度限制条件，各个初级像差，主光线出射角和Zemax 默认的优化函数等限制参数，进行初步优化。

用操作数EFFL控制手机镜头的有效焦距，用操作数TOTR将整个镜头的长度控制在5mm之内；同时用LONA和SPHA控制轴向球差，用COMA、TRAY操作数等控制系统慧差，用ASTI控制指定面的像散贡献值，用FCG T和FCGS分别控制指定视场的子午场曲和弧失场曲，用DIST和DIMX控制系统的光学畸变，LACL、REAY操作数来控制系统色差，用RELI控制相对照度；用 MNCA、MNEA、MXCA、MNCG 、MNEG、MXCG等控制最小空气厚度、最小玻璃厚度等[5]。

（2）通过改变各个参数的权重并加入高级像差参数可得到更好的像质，减少高级像差，如果高级像差不能矫正，则可以尝试换其他的玻璃来优化，也可以通过手动微调来反复优化，这样有可能得到更优质的结构。

（3）最后把一些像差的权重设置为0，最好只加入结构限制的参数和默认的优化函数进行优化，也可以通过加入MTFS、MTFT 参数等使MTF（调制传递函数）进一步提高，最终达到各个像差平衡。

2 设计结果

优化后镜头结构如图1所示。F/#是2.077，光学总长度为3.258mm，焦距为2.098mm，视场为60°，后焦距0.327mm。

2.1 点列图

由一点发出的许多光线经过光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成一个散布在一定范围的弥散图形，而且点的分布能近似地代表点像的能量分布，因此点列图中点的密集程度可以衡量系统成像质量的优劣。从图2的点列图中可以看出本手机镜头模型的弥散斑较小，基本满足设计要求。

2.2 横向特性曲线

系统的横向特性曲线可以很好的描述系统的整体像差情况，如图3所示。

图3中的10个曲线图分别表示5个不同视场下的光线像差，每个视场下分别对应X （子午）和Y（弧失）方向的情况，其中，每个曲线图的横轴表示归一化的光瞳坐标PX和PY，纵轴表示光线像差的X或Y分量的大小，可以看出，前5个视场 的像差很小，全视场时在边缘口径处出现少量的高阶像差，但控制在50μm之内。

2.3 光学调制传递函数

MTF（调制传递函数）是一个能全面评估光学系统成像质量的函数，它计算所有视场位置的衍射调制传递函数值，反映了光学系统对物体不同频率部分的传递能力。摄影镜头在景物信息的传递过程中，一般存在着明显的失真现象。用不同摄影镜头在相同情况下，对同一空间频率的景物成像时，由于各镜头对像差校正的程度不同，因而不同镜头的MTF值的大小一般并不相同。对镜头像差校正得愈好者，则其MTF值愈高。反之MTF值愈低，则说明该摄影镜头在信息传递过程中的失真将愈大，景物中陡直的矩形波将变为平缓的正弦波，且振幅明显减小。MTF能反映除畸变外的所有其它像差。

理想像的MTF曲线形状，是一条MTF值为1的水平直线，即在各种空间频率处MTF值均为1。摄影镜头在传递信息的过程中，高频部位的损失要远比低频部位的损失大些，这将导致所摄影像的细部明锐度出现较大的损失。

由图4可以看出，中心视场下在192lp/ mm 处，MTF值大于0.6，在480lp/ mm处的MTF 值都大于0.25，满足照相系统的MTF阈值。

2.4 场曲和畸变

图5是手机镜头的场曲和畸变曲线，该镜头像差不超出范围0-0.07mm，畸变范围为-2.5%―0.5%。场曲是反映镜头成像质量的又一个衡量标准，它反映整个像面的弯曲情况。

对于手机镜头，场曲要求在0.lmm内。从图5可以看出这个镜头的场曲小于0.07mm完全满足要求。手机镜头的畸变一般要求在5%以内，从图5可以看出这个镜头畸变小于1%。

2.5 色差和球差

图6是该手机镜头的垂轴色差，由图可知色差小于2μm，在极限范围内，基本达到约束高级像差的要求。

3 结论

通过ZEMAX光学软件对初始镜头优化设计，得到了一款成像质量较高的手机镜头。由于该镜头采用了非球面设计，成像质量高，且整体尺寸短，便于在手机上集成。该镜头焦距为2.098mm，后焦距0.327mm，光学总长度为3.258mm，光圈值为2.08，视场为60°，畸变小于1%。综合来说，此镜头体积小，成像质量较高，满足实际生产要求。

【参考文献】

[1]刘宵婵.变焦手机镜头的设计[D].吉林长市：长春理工大学，2009.

[2]李广，汪建业，张燕.800 万像素手机镜头的设计[J].应用光学，2011，32（3）：420-424.

[3]张萍，王诚，宋东[，李小俊.500万像素手机镜头设计[J].应用光学，2009，30（6）： 934-938.

[4]尹志东.800万像素手机镜头的光学设计与制造[D].吉林长春：长春理工大学，2014.

球面透镜的光学特性篇6

关键词：光学制造；制造公差；几何量；计量

中图分类号： O43 文献标识码： A 文章编号：

随着更小、更快、更高度集成的光学和电子设备的需求日益增加，存在许多具有挑战性的问题，在制造光学零件，例如，大尺寸，高数值孔径，大型非球面零件，对表面粗糙度、表面结构等要严格控制制造公差。三维测量不仅保证了光学产品的质量，也为制造过程的监测/控制提供了保障，是一项实用的技术。

1、微/纳米结构的三维测量

有多种技术可用于测量微/纳米结构，包括成像方法和非成象方法。每种方法都有其优点一方面，但也有缺点在另一方面。光学显微镜作为最经典的方法，具有快速和容易使用的特点。其中有些是可以执行具有高垂直分辨率的三维测量。然而，由于光的衍射性质，光学显微镜的横向分辨率也是有限的。使用高孔径物镜和光源更短的波长是一种有效的方式，以提高其横向分辨率。扫描电子显微镜具有很高的分辨率，在下降到1.5时，使用的电子能量小于1千电子伏。但是，它必须在真空中进行，也缺乏三维测量能力，有时还具有破坏性。电子光学测量系统由低电压的扫描电子显微镜中一个大的真空室和一个300毫米x-y定位阶段控制的真空激光干涉建立起来的，早在1998年就已经出现。散射测量能够快速用于直接测量，但是，它需要先进的数学建模工具和数据评估系统，以解决其存在的问题，其中的几何形状的三维结构是必备的知识。系统的概念是可变的和通用的，所以，可以执行许多不同类型的测量，例如，经典的散射仪，椭偏散射仪等。扫描探针显微镜技术允许直接测量三维形状的纳米结构，既具有高的横向和垂直分辨率，也不具有非破坏性。

1.1计量大范围显微镜

SPM通常有一个小的扫描范围内，一般为几十微米。这一方面极大地限制了其进一步的应用。为了延长测量量，以及提高校准能力，计量大范围原子力显微镜的出现使测量体积达到25mm×25mm×5mm。将待测量的样品沿z轴方向放置在2μm的z压电阶段。z压电阶段的延伸是由嵌入的电容式传感器具有亚纳米分辨率进行测量的。机械地安装在一个三维（3D）机械定位阶段的运动平台的z压电阶段，简称为纳米测量机。NMM的运动平台包括三个高精度的彼此正交的平面镜和一个反射镜角。三个嵌入式零差干涉仪是用来测量运动平台的位置相计量帧的，分辨率为0.08 nm。自制一种新的原子力显微镜头，被机械的固定在微晶玻璃柱上。三个干涉仪的测量光束的交点处位于悬臂尖端位置。在这种方式，测量原理得到满足。在NMM的z压电阶段的详细描述中也介绍了其他方面。

1.2层厚度的测量

涂层是一个重要的光学部件的制造过程。光层的厚度和均匀性，需要精确地测量/控制中。有多种技术可用于层厚度的测量，包括光学显微镜，反射计和椭圆仪。其中，椭偏仪的主要应用的方法之一是能够表征薄膜厚度的单层或复杂的多层。它可以实现极高的测量稳定性。然而，它的测量不确定度大，对系统会产生一定的误差，因此该仪器的校准是一个关键问题。

1.3侧壁结构的测量

光学结构的侧壁特性，可能会影响光学部件的性能。例如，在光波导和菲涅尔透镜，大型侧壁的粗糙度将导致高光散射造成的损失。侧壁结构的测量是比较困难的。尽管目前由多种显微技术弧测量微纳米结构，但是几乎所有的技术在侧壁测量时都会遇到问题。如图1示例，原子力显微镜（AFM）和触针的探针通常有一个尖与锥体或圆锥形状，在图1（a）中，触针永远不会靠近侧壁。在光学显微镜和电子显微镜下，图7（b）中由于在侧壁或侧壁之间存在多重反射的反射差导致测量比较困难。在以往，通常采用破坏性切割来测量结构的侧壁。

（a）原子显微镜和轮廓仪（b）光学显微镜和电子显微镜

图1 传统测量技术在测量侧壁中的遇到的问题

1.4未来纳米结构的三维测量

虽然大多数原子力显微镜结构提供完美的3D视图，但它们不是真正的3D测量仪器，这是由多种因素引起的。首先，几乎所有的原子力显微镜探针具有圆锥形或锥体形状，具有陡峭的侧壁，这是不能够测量三维形状的结构，如图1（a）所示。其次，正常的原子力显微镜适用于沿z轴的伺服回路保持的前端样品相互作用常数。在测量时可能会遇到困难，例如，垂直结构。第三，正常的原子力显微镜测量表面像素平等的横向距离。

2、形状计量

光学部件的形状误差的对光学系统的性能有着显著的影响作用。由于对光学系统对性能要求非常高，也使得光学部件的几何量计量变得越来越有难度。例如，在先进的光刻机或同步反射镜透镜的制造中，制造公差变低，甚至下降到纳米级。在这些光学制造过程中，越来越多的是减少光学像差和减少光学元件的数量，而不是球面透镜的非球面镜片强度。

在多种可计量形式中，光学干涉是最常用的计量方法之一。在它的配置中，从测量表面反射的波阵面与从参考反射镜反射的波阵面进行干涉。波阵面的差异也就是参考和测量表面的形式之间的差异，通过内插的干涉条纹可确定。迈克尔逊干涉仪或菲佐型强麦都比较适用。光学干涉有诸多的优点，如可以结合而为城乡对测量速度进行提高，不确定性低，操作简单等。采用2D光学干涉测量非球面结构时，如直接采用计算机产生全息图的剖面是，是一种广泛使用的仪器，用于测量光学零件的轮廓和形式。许多不同种类的传感器，包括非接触式光学传感器和手写笔传感器与干涉轮廓仪相比更加灵活，能够适用与不同形式的测量。

3、结束语

三维测量技术在实际应用过程中不仅保证了光学产品的质量，也为相关制造过程提供的监测/控制依据。本文介绍了一些三维测量的研究，以支持光学制造。计量大范围原子力显微镜，真正的3D原子力显微镜适用于多功能三维测量微/纳米结构。

参考文献

[1]曹利波.谈谈基准面的选择在几何量计量中的重要作用[J].计量与测试技术,2009(11).

[2]崔柏慧,席岷,孙卓,李艳.双几何量测量中的思维转换[J].计量与测试技术,2010(3).

球面透镜的光学特性篇7

投影机显示技术公认的有LCD、DLP、LCOS。LCOS也可视为LCD的一种，但是技术却为独立一类。LCD投影机是利用光源穿过LCD作控制显示，属于穿透式，而LCOS投影机中是利用反射的结构，光源发射出来的光并不会穿透LCOS面板，属于反射式。LCOS面板是以CMOS芯片为电路基板及反射层，然后再涂布液晶层后，以玻璃平板封装。不要以为仅此区别而已，反射式显示技术还可以避免LCD由于光源长时间的照射温升而导致LCD面板局部灼伤的问题。这样才能保持久的色彩保真。

LCOS微型器件把液晶层放在一个透明的薄膜晶体管（TFT）和一个硅半导体之间，而不是像LCD那样把液晶放在两片极化面板之间。这个半导体具有能够反射光线的表面。由灯泡发出的光透过一个偏振滤光器，投射到微型器件上。而液晶起着像门或阀那样的作用，控制到达反射面的光线的数量。当然一般LCOS光线投射效率高达80%，LCD通常为60%。而做得最好的CANON公司开口率已达96%。由于LCOS是长在硅晶上，集成的液晶控制电路及接口电极都可以巧妙地制作于硅基板内，位于反射面之下，甚至将散热片直接集成在组件上，见图1、图2，LCD最麻烦的问题全部解决掉了。

LCOS投影机与LCD投影机的主要结构在导光及分光合光部分的设计大同小异，只是LCOS用的是反射面板。入射光和反射光同在一个光路上，自然会产生问题。采用离轴设计，虽然避免了光路碰撞，但需要使用昂贵的非球面镜头。另一种办法，就用光的偏极化分光镜PBS（Polarization Beam Spliter；PBS）来将入射LCOS面板的光束与反射后的光束分开。也有采用偏振膜来提高对比度的方式。另外，PBS也改善了自然光源照射液晶引起的折射光效率。PBS一般都是有机材料制作。但是，像CANON新的产品系列就采用无机材料。提高了热环境下的系统稳定性，当然也增加了工艺难度和成本的投入。

基于上述LCOS投影机显示原理和基板、电路的合理设置。芯片的像素分辨率可以做得很高。0.55英寸LCOS面板都可以高效地做到SXGA+。所以你才会看到为什么会出现LCOS面板的2K、4K和8K高清电影放映机。3LCD和DLP技术目前还无法实现最高的分辨率。这也是大家充分地认识到LCOS的高分辨率技术特征。高开口率使得图像质量不会出现像LED那样“纱窗效应”。稍远距离似乎不太在意明显的背景网格，但是，图像高透亮的质感，你是永远无法拒绝的。开口率告诉我们：图像形觉质量不仅仅关注分辨率（同画面尺寸的像素间距），同样还要关注像素颗粒的占比。

市场格局

在LCOS技术研发阵营中，JVC Kenwood有着8K和消费类（民品）产品。SONY为了避免与左手专利技术的LCD市场冲撞，右手LCOS携SXRD光圈技术发力于电影和家庭影院产品。3M也是最早的研发厂家之一，目前更关注于LCOS微投影。后来者LG也在努力试水消费类市场。CANON凭借着自己多年的光学技术经验沉淀以及精密制造技术优势，直接面对专业工程及固定安装市场。总之，LCOS改变了投影行业的格局。

在3DLP和3LCD之间竞争的LCOS，如何体现自己优势的同时减少商业上的火并。各个厂家会根据自身技术特点，结合LCOS品质创新出市场具有竞争力的差异化产品。由于照相技术与投影机技术在光电原理上，只是技术反向应用的相同性。作为照相机技术行业翘楚的CANON公司，充分利用光学及机电一体化的优势，将LCOS推向了更加高端的应用领域。在基础LCOS组件研发使开口率已达96%极限的基础上，全新开发的AISYS 5.0光学系统带来真实色彩的品质享受。CANON采用在专业的广播级镜头技术，专为LCOS投影机开发的最佳高画质可换镜头。采用高分辨率、低失真度、低色差及高性能的色差功能，明亮生动地表现LCOS的完美画面。

在投影机行业采用专业广播级镜头技术的厂家少之又少。商业市场永远会为“拿来技术”的成本和获得利润做出适当的选择。有多少投影厂家会用非球面镜片（Aspherical Lens）、低色散莹石技术镜头、恒定光圈镜头？图像显示分辨率和真实色彩中，没有高分辨率及优质色彩还原镜头的贡献，不可能有高品质图像的呈现。镜头已经成为一个成像场景的独特诠释者，可对所展示图像的个别属性实现精细的光学控制。精心优选的镜头能够与所期待成像效果相匹配。拥有光学专利技术有自主研发生产，将成本压缩到对手无法竞争的地步，这些恰好是CANON公司的优势。

理论上球面镜片存在着无法将并行光线以完整的形状聚集在一个点上的问题，因此，在影像表现力方面，必然具有一定的局限性。为了解决大光圈镜头的球面像差补偿、超广角镜头的影像扭曲补偿、变焦镜头的小型化这三大问题，CANON在60年代中期开始进行非球面镜片技术的研发，确定了设计理念以及精密加工、精密测试的技术。非球面透镜的镜片从透镜中心到周边曲率作连续变化，这可以使通过镜片中心附近的光束和边缘附近的光束在同一点成像。充分利用非球面镜片的这个特性，既能够大幅度提高高规格产品的光学性能，同时又可以减少透镜片数，有利于镜头实现小型化。

CANON在生产非球面镜片时，采用独有的具有0.02微米研磨精度的批量生产加工技术。在1978年，还实现了高精度塑料成型的小光圈非球面镜片的生产。随后，推出了大光圈玻璃成型非球面镜片，并且，还确立了在球面镜片的表面形成一种紫外线硬化树脂覆膜的复制非球面技术。

所谓色散，指的是由于不同颜色的光线的折射率不同所造成的现象。相对来说，由于广角镜头的视角宽，广角入射角度变化大，所以非球面镜片在广角镜头中被大量采用。如果说广角镜头容易产生球面像差，那么长焦镜头则容易产生色散和色差。萤石这种氟化钙（CaF2）晶体具有超低的折射和散射率，伴有异常的局部散射特性，与玻璃镜片并用时能够近乎理想地修正镜头色散，令长焦镜头成像质量有了长足的提高，并减小了镜头的长度。然而，不论是天然还是人造萤石镜片，成本对于消费者来说都太高了。所以CANON又研发萤石镜片的替代品。这些由光学玻璃混合专利氧化物制造的镜片被称为超低色散镜片，有着和萤石镜片相近的光学性能和相对较低的成本。采用这些镜片的镜头具有很强的抗色散能力，成像清晰度高，色差小。

色彩亮度

我们都知道，标称值的定义是“用以标志或识别元件、器件或设备的适当近似值 ”，而GB28037-2011和ISO/IEC 21118：2005（E）定义的投影机标称参数并不能完全诠释应用的实际价值。比如我们所熟悉的“亮度”，只是“白色亮度”指标，并没有体现色彩表现的任何信息。虽然色彩表现对于投影机画质至关重要，但是，只有很少的厂商提供关于投影机色彩亮度（CLO）的信息。由国际信息显示协会（SID）管理下的国际显示计量委员会ICDM负责编写的《信息显示测量标准》当中，就说明了测量投影机CLO或色彩亮度的程序、色彩亮度的测量的方法。

CANON认为与色彩亮度相等的彩色图像亮度尤其重要。其产品投射的彩色图像亮度与全白亮度相同（使用标准变焦镜头时）。而其他公司相同等级的单芯片DLP投影机与全白亮度的亮度差40%左右（演示模式）。此时还保证了低失真率（电视失真低于0.1%）。同样，标称亮度是在最大光圈下的亮度值，从标准变焦镜头更换为其他镜头时，亮度通常会降低，但是佳能采用了先进的镜头技术，将可交换镜头之间的亮度差别大大降低到7%以内。特别是长焦变焦镜头，实现了与标准变焦镜头相同的亮度。

CANON并未就此止步，今年佳能又推出了世界首批恒定F2.8光圈的投影机――WUX450和WX520。“恒定光圈”的镜头结构比较复杂，而且成本不轻。恒定光圈变焦镜头也可称之为无级变焦镜头，其设计要求很高，镜头可调节的最大焦距决定了透镜直径。但采用大孔径的透镜又带来了像差的质量下降，为控制像差的质量，既采取高焦强又保持高质量的成像效果，在相反焦距（下端广角，上端长焦）时的像差控制要求精度很高，必须找到其最佳平衡点。这样一来，设计上所需要的光学系统变得庞大而复杂，透镜的制造成本必然大大增加。另外，调节光圈时的分辨率特性，基本的亚波长衍射现象造成的分辨率限制也仍然存在。最终结果将是镜头光圈连续缩小（光圈逐渐关闭）时图6中的黑色直线所示。分辨率会逐渐下降。在同一光圈设置下，这一情形在实际中的高清和标清镜头上表现更为突出。（镜头的对比度再现性能转换为交替黑白线条细节的精细程度的函数称之为“调制传递函数”或“MTF”。）

普通投影机，如果标注的是4，500流明，其前提条件是投影机安装在离屏幕最近的地方。因为这时候，镜头的光圈最大，光通量也最大，亮度才能达到标称值。

如果将投影机安装在最远端，镜头的光圈最小，光通量也最小，那亮度也会随之下降。通常亮度损失在30%-40%。在安装条件无限制的情况下，这种光圈的变化可能不明显。但如果条件所限，必须装在比较远的地方，那用户所得到的实际亮度，就会大打折扣。

恒定光圈的优势

CANON新款WUX450、WX520，采用的是恒定光圈，最近、最远，其亮度都可达到标称值。而其最大的优势，就是可以在会议室随意安装了。不再考虑常规的投影机尽量往前安装，以减小光损失的问题。

当然，利用恒定光圈，将投影机吊在最远端，只是这两款投影机最基础的应用。而恒定F2.8光圈，最大的应用，应该是模拟仿真等弧幕的应用场合，因为它可以提供清晰的景深。

作为普通投影机，为了追求亮度，镜头的最大光圈一般都在F1.6-1.8左右。大光圈的优势是亮度高，但劣势是焦平面太小，景深太浅。作为平面屏幕，大光圈无任何不妥；但作为弧幕的应用，则会出现无法整屏清晰聚焦问题。恒定光圈镜头，不会像浮动镜头那样，因焦距的变化而带来光圈的变化再带来景深的变化。我们可以根据环境，随意不等距地安装投影拼接系统。

如图10所示：大光圈的镜头，景深为蓝色部分，超出蓝色部分，聚焦无法清晰。而F2.8光圈，能提供近半米的景深，可适应绝大多数弧度。这对弧幕的设计者而言，将是巨大福音，因为他们不必再需要去考虑，因为弧度问题，需要将亮度提高多少来满足屏前亮度。这意味着成本的大幅度降低。

除了恒定光圈，佳能新款投影机具备“4点梯形校正”，配合F2.8光圈，在现场施工中，就可以做到“随心所欲”了。

很多情况下，因为现场环境制约，投影机可能不能垂直屏幕摆放，如果要斜着摆放，是否能调成正方形？四角的聚焦是否都能清晰？这考验的不但是投影机的性能，更会考验现场工程师的技术能力。

CANON新机型，不但可以通过四个角进行随意调整，而且因为F2.8的光圈，可在很大角度内实现整屏的清晰聚焦。这意味着，如上图所示的弧形显示将成为可能。CANON凭借着技术实力和真诚，为用户设计了追求完美有品质的产品。

球面透镜的光学特性篇8

关键词：

微型投影； 杂散光； 硅基液晶（LCoS）； TracePro； 光线追迹

中图分类号： O 439 文献标识码： A

引 言

微型投影技术又称便携式投影技术、超微投影技术、“皮口”投影技术，利用此技术开发的产品也被形象地称为掌上投影机、口袋投影机。相对传统的电视等显示技术，携带方便是微型投影技术的最大优势。微型投影机的迅猛发展，给经常移动演示的商务人士以解放。2005年至今，微型投影技术在市场需求的驱动下，发展极为迅速。发展至今，微型投影技术一共衍生出了LCD、LCoS、DLP三种主流技术，分别对应三种微显示芯片：LCD（liquid crystal devise，液晶显示器）、LCoS（liquid crystal on silicon，硅基液晶）、DMD（digital micromirror devices，数字微反射镜阵列）。LCoS是2000年以后发展起来的最新液晶投影技术[1]，相对LCD技术与DLP（digital light processing，数字光处理）技术，LCoS技术具有高分辨力、高开口率、色域广、成本低等优势，文中以LCoS微投影显示系统为对象。

光学系统的杂散光可理解为设计者不希望到达像面或探测面的那部分光线。杂散光对光学系统（特别是空间光学系统[2]）的成像质量有严重影响，由于杂散光的存在会降低系统对比度、信噪比和成像质量，严重者会导致设计失败，因此抑制杂散光是相当重要的课题[3]。光学系统杂散光依其来源可分为两大类：（1）非成像光束在像平面产生的亮斑，这主要是由于没有对视场外光线进行有效的遮拦或机械结构缝隙的漏光导致；（2）光学系统因为散射、衍射、多次反射等产生的非定向杂散光，这部分杂散光主要包括透射光学表面和镜筒内壁等非光学表面的多次反射，以及由于光学表面擦伤等光学表面质量问题产生的散射光。第一类杂散光具有一定的方向性；第二类则强度较低，其方向杂乱无章。

蒙特卡罗方法是以概率统计为基础，使用随机数来解决问题的一种算法。使用Tracepro进行杂散光分析，按不同的表面属性，每条光线在分界面的吸收、反射、透射、散射等传播都由服从概率分布的随机数决定。文中利用TracePro软件对LCoS微型光引擎的杂散光进行了模拟仿真，找到了系统杂散光的来源，提出了增加挡光装置、对关键面进行处理等抑制杂散光的方法。

1 基于LCoS的投影光学系统

现研究的投影光学系统总体结构如图1所示。光源为大功率白光LED。LED具有体积小、寿命长、发光效率高、光谱中无紫外及红外成分等优点，适合作为微型投影机的光源使用。空间光调制器为color-filter LCoS显示芯片。LCoS即