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【視覺(jué)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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來(lái)源：光虎光電科技（天津）有限公司
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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?cè)谄叫械娜肷涔獾恼凵浞较蛏袭a(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(zhǎng)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(wèn)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(wèn)題，可以通過(guò)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(wú)法完美成像帶來(lái)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。
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然而就像前面所提像差只能平衡，沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)θ臻g完美成像無(wú)像差，所以只能根據(jù)使用的場(chǎng)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(lái)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(wèn)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(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(zhǎng)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(wèn)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(wèn)題，可以通過(guò)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(wú)法完美成像帶來(lái)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(méi)有一個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)θ臻g完美成像無(wú)像差，所以只能根據(jù)使用的場(chǎng)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(lái)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(wèn)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(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(guó)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(jué)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(jué)軟件及其他周邊產(chǎn)品。
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