前陣子偶然發(fā)現(xiàn)今年的【2020年第五屆Zemax 光學鏡頭應用設計大賽】是關于錐光鏡頭的，正好之前對錐光鏡頭略有耳聞，于是對該鏡頭進行了一些調研和初步研究，探索性地設計了一下。鑒于官方報名截止日期是2020年8月10日23:59:59pm前，投稿還未結束，為了不影響參賽人員和比賽事項，因此對于設計結果只做粗略的展示。大賽詳情及具體指標要求參見官網(wǎng)2020 Zemax Cup賽題（鏈接：http://www.cioe.cn/Zemax.html） eC-nV)]I9  
/J'dG%  
1.首先，咱們了解一下什么是錐光鏡頭？ 3yIC@>&y(8  
0N3S@l#,\A  
錐光鏡頭主要用于成像光度計和色度計上，可同時測量多個角度光源分布的色度、亮度和對比度，讓平板顯示器（FPD）制造商能夠快速、精確地實時采集顯示器的視角性能測量數(shù)據(jù)。 [u`9R<>c"U  
錐光鏡頭可測量平板顯示器（FPD）和顯示器部件的色度、亮度（照度）和對比度的角度分布。錐光鏡頭能夠在大視角下通過單次測量采集完整錐體的視角數(shù)據(jù)，快速提供精確的測量結果，使得該系統(tǒng)成為了各種研發(fā)項目和線上生產(chǎn)質量控制應用的理想選擇。該鏡頭非常適合廣泛的顯示器類型，包括基于LCD和OLED技術的顯示器以及背光顯示器。 w5}2$r  
.e2K\o  
將從單個點發(fā)出的定向分布光線轉變?yōu)闄M向分布光線，能夠在單一的焦面上采集整個可見的角度光線椎體，即將角度信息轉換為長度信息。使用傅里葉光學元件（錐光鏡頭等效于傅里葉光學元件），將發(fā)光點映射到CCD成像儀，以便每個像素對應于不同的發(fā)光角度。圖1中的Aperture為孔徑光闌，位于系統(tǒng)最前端，它與Lens的距離為透鏡的焦距，同時也為工作距離。入射光為平行光。Lens為錐光透鏡，F(xiàn)ocal Plane為CCD面。 \J^|H@;(@  
[es-&X07<  
]ipltR7k  
復雜化的錐光鏡頭光學系統(tǒng)結構如圖2所示，主要包括了前組和后組，前組為大視場目鏡，后組為物鏡（個人理解，也可以理解中繼鏡）。個人覺得中間像對于商業(yè)產(chǎn)品是十分必要的，不過比賽要求好像是沒有特別強調，大家不必緊張。 0)3*E)g{  
( j~trpe,  
N @sVA%L.  
7ip(-0  
w~=@+U$f  
介紹完了原理，接下來來看看它到底長什么樣吧！它的廬山真面目就是圖3所示，紅色方框內的就是錐光鏡頭了，從外觀上看，它的前端是一個錐子形狀，側面開了一個圓孔，光線可以從這里進去，中間區(qū)域是整顆鏡頭外徑最大的地方，慢慢靠后，口徑逐漸變小。 y'pX/5R0  
'D;'Pr]  
2.商用錐光鏡頭的參數(shù) gw9:1S  
錐光鏡頭的有光闌大學、視場、靶面尺寸、像素等等，重點介紹視場和像素這兩項。 ^<O:`c6_  
2.1 視場角 `F1 ( v  
目前了解到，商用錐光鏡頭的視角范圍2017年是±60度， 2018年是±70度，到了現(xiàn)在2020年這個指標可能已經(jīng)設計的更高了。 -* ;`~5  
oGi{d5  
2.2 像素 @Y2&v956  
Imaging Photometer1600萬像素、2900萬像素、4300萬像素 })}-K7v1+  
G!IJ#|D:~  
錐光透鏡提供每CCD像素0.05度的角分辨率。 配合ProMetric®I色度計（1600萬像素或2900萬像素CCD傳感器選項）或Y光度計（1600萬像素，2900萬像素或4300萬像素CCD傳感器選項），錐光鏡可以測量亮度，亮度 ，角度對比度，CIE色度坐標和相關色溫（CCT），在每個視角都具有高精度。 O}_Z"y  
zos#B30  
由此可以大致推測商用錐光鏡頭MTF應該至少是150線對以上。  ~WG#Zci-  
dq ~=P>  
3.錐光鏡頭的光學設計 IT0*~WMZ  
本文的優(yōu)化思路是整體化思想，選取圖4所示的初始結構，將前組和后組一起的帶入到ZEMAX，對透鏡進行適當?shù)膭h減、增加與評價函數(shù)的調整，經(jīng)過大致一周左右的奮戰(zhàn)，最終得到光路結構圖5所示，三維光線圖6所示。光線走向絲滑順暢，公差不會差到哪里去。
L1E\^)  
4d0<uB&v'  
nANoy6z:  
+EBoFeeIG  
Px))O&w{  
設計波長從400-700nm范圍，MTF曲線如6所示，在奈奎斯特頻率處85%的視場MTF值>0.4，邊緣視場MTF值也>0.2，像元大小僅為2.5um，其成像質量可以到2000萬像素。 hkL[hD