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【視覺知識(shí)】工業(yè)鏡頭設(shè)計(jì)之球面鏡和非球面鏡
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作者：
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來源：光虎光電科技（天津）有限公司
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訪問量：1795
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發(fā)布時(shí)間：2023-05-08 09:39:54
所謂球面和非球面，主要是針對(duì)鏡片的幾何形狀而言，即球面鏡片與非球面鏡片。二者在幾何形狀上的差別決定了它們在平行的入射光的折射方向上產(chǎn)生差異，從而影響工業(yè)鏡頭成像效果的好壞。
1.球面鏡片
球面鏡片其鏡片呈球面的弧度，其橫切面亦呈弧狀。當(dāng)不同波長的光線，以平行光軸入射在鏡片上不同的位置時(shí)，在像方焦平面上不能聚焦成一點(diǎn)，而形成像差的問題（如圖1）
影響工業(yè)鏡頭成像的性能，例如出現(xiàn)清晰度下降和變形等現(xiàn)象。一般普通鏡頭是采用球面鏡片組成的，為解決這一成像問題，可以通過增加鏡片對(duì)像差進(jìn)行矯正，但此舉也可能會(huì)引起反效果，進(jìn)一步削弱成像性能；額外的鏡片，不僅會(huì)增加光線在鏡筒內(nèi)反射的機(jī)會(huì)，引起耀光現(xiàn)象，亦會(huì)增加鏡頭的體積和重量。球面透鏡在近軸區(qū)域成像質(zhì)量是比較好的，但是對(duì)于離軸區(qū)域，其成像質(zhì)量就迅速變差，這就叫做像差。而在五種初級(jí)像差中，四種都與球差有關(guān)，因此在工業(yè)鏡頭設(shè)計(jì)中，球差是要努力平衡的。
2.非球面鏡
平衡球差的方法有很多，比如采用多片不同的凹凸球面鏡片，讓鏡片之間的像差能夠互相抵消。但既然球差是由于球面無法完美成像帶來的，那么使用一種能夠完美成像的表面就可以了。因此這就有了非球面透鏡。
然而就像前面所提像差只能平衡，沒有一個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)θ臻g完美成像無像差，所以只能根據(jù)使用的場合，采用不同的透鏡和不同形狀的非球面進(jìn)行結(jié)合，盡可能地減小各種像差。使用非球面鏡片能夠減少像差，并減少使用的鏡片數(shù)量，也給設(shè)計(jì)上帶來了更大的自由度。
球面鏡與非球面鏡在于設(shè)計(jì)中的區(qū)別前文已經(jīng)提及，而主要影響設(shè)計(jì)者選擇的還是成本問題，球面透鏡由于容易批量穩(wěn)定地制造，因此成本比較低；而非球面透鏡制造困難，工藝要求高，成本也高。但是成本問題不能一概而論，非球面透鏡允許光學(xué)元件設(shè)計(jì)者使用比傳統(tǒng)球面元件更少的光學(xué)元件數(shù)量來校正像差，因?yàn)榍罢邽樗麄兯峁┑南癫钚Ｕ嘤诤笳呤褂枚鄠€(gè)表面所能提供的像差校正。例如，一般使用十個(gè)或更多透鏡元件的變焦工業(yè)鏡頭，可以使用一兩個(gè)非球面透鏡來替換五六個(gè)球面透鏡，并可以實(shí)現(xiàn)相同或更高的光學(xué)效果、降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也降低系統(tǒng)的大小。
運(yùn)用更多光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)光學(xué)和機(jī)械參數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響，因而帶來更昂貴的機(jī)械公差、額外的校準(zhǔn)步驟，以及更多的增透膜要求。以上所有的這些結(jié)果最終都會(huì)降低系統(tǒng)的整體實(shí)用性。因此，是否在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入非球面透鏡，還是要看實(shí)際的設(shè)計(jì)需求及對(duì)兩種方案的考量平衡。
【來源：光虎光學(xué)內(nèi)部培訓(xùn)資料】
球面與非球面的成像比較
1.球面鏡片
球面鏡片其鏡片呈球面的弧度，其橫切面亦呈弧狀。當(dāng)不同波長的光線，以平行光軸入射在鏡片上不同的位置時(shí)，在像方焦平面上不能聚焦成一點(diǎn)，而形成像差的問題（如圖1）
影響工業(yè)鏡頭成像的性能，例如出現(xiàn)清晰度下降和變形等現(xiàn)象。一般普通鏡頭是采用球面鏡片組成的，為解決這一成像問題，可以通過增加鏡片對(duì)像差進(jìn)行矯正，但此舉也可能會(huì)引起反效果，進(jìn)一步削弱成像性能；額外的鏡片，不僅會(huì)增加光線在鏡筒內(nèi)反射的機(jī)會(huì)，引起耀光現(xiàn)象，亦會(huì)增加鏡頭的體積和重量。球面透鏡在近軸區(qū)域成像質(zhì)量是比較好的，但是對(duì)于離軸區(qū)域，其成像質(zhì)量就迅速變差，這就叫做像差。而在五種初級(jí)像差中，四種都與球差有關(guān)，因此在工業(yè)鏡頭設(shè)計(jì)中，球差是要努力平衡的。
2.非球面鏡
平衡球差的方法有很多，比如采用多片不同的凹凸球面鏡片，讓鏡片之間的像差能夠互相抵消。但既然球差是由于球面無法完美成像帶來的，那么使用一種能夠完美成像的表面就可以了。因此這就有了非球面透鏡。
然而就像前面所提像差只能平衡，沒有一個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)θ臻g完美成像無像差，所以只能根據(jù)使用的場合，采用不同的透鏡和不同形狀的非球面進(jìn)行結(jié)合，盡可能地減小各種像差。使用非球面鏡片能夠減少像差，并減少使用的鏡片數(shù)量，也給設(shè)計(jì)上帶來了更大的自由度。
球面與非球面的選擇
球面鏡與非球面鏡在于設(shè)計(jì)中的區(qū)別前文已經(jīng)提及，而主要影響設(shè)計(jì)者選擇的還是成本問題，球面透鏡由于容易批量穩(wěn)定地制造，因此成本比較低；而非球面透鏡制造困難，工藝要求高，成本也高。但是成本問題不能一概而論，非球面透鏡允許光學(xué)元件設(shè)計(jì)者使用比傳統(tǒng)球面元件更少的光學(xué)元件數(shù)量來校正像差，因?yàn)榍罢邽樗麄兯峁┑南癫钚Ｕ嘤诤笳呤褂枚鄠€(gè)表面所能提供的像差校正。例如，一般使用十個(gè)或更多透鏡元件的變焦工業(yè)鏡頭，可以使用一兩個(gè)非球面透鏡來替換五六個(gè)球面透鏡，并可以實(shí)現(xiàn)相同或更高的光學(xué)效果、降低生產(chǎn)成本，同時(shí)也降低系統(tǒng)的大小。
運(yùn)用更多光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)光學(xué)和機(jī)械參數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響，因而帶來更昂貴的機(jī)械公差、額外的校準(zhǔn)步驟，以及更多的增透膜要求。以上所有的這些結(jié)果最終都會(huì)降低系統(tǒng)的整體實(shí)用性。因此，是否在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入非球面透鏡，還是要看實(shí)際的設(shè)計(jì)需求及對(duì)兩種方案的考量平衡。
【來源：光虎光學(xué)內(nèi)部培訓(xùn)資料】
光虎光學(xué)專業(yè)生產(chǎn)由德國設(shè)計(jì)的工業(yè)鏡頭。
以高精度雙遠(yuǎn)心鏡頭為核心，涵蓋高性能FA定焦鏡頭、變倍鏡頭等產(chǎn)品。
可實(shí)現(xiàn)為客戶定制化研發(fā)生產(chǎn)。光虎光學(xué)還代理歐美日機(jī)器視覺全系列產(chǎn)品。
如面陣與線掃工業(yè)相機(jī)、智能相機(jī)、3D相機(jī)、紅外與紫外相機(jī)、光源、圖像采集卡、機(jī)器視覺軟件及其他周邊產(chǎn)品。
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