前陣子偶然發(fā)現(xiàn)今年的【2020年第五屆
Zemax 光學(xué)鏡頭應(yīng)用設(shè)計大賽】是關(guān)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(jìn)行了一些調(diào)研和初步研究，探索性地設(shè)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(jié)束，為了不影響參賽人員和比賽事項，因此對于設(shè)計結(jié)果只做粗略的展示。大賽詳情及具體指標(biāo)要求參見官網(wǎng)2020 Zemax Cup賽題（鏈接：
http://www.cioe.cn/Zemax.html）
l1-FL-1 p5ihuV, 1.首先，咱們了解一下什么是錐光鏡頭？ \U8Vsx1tl *a4eL [ 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)。
Z]CH8GS~< 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(jié)果，使得該系統(tǒng)成為了各種研發(fā)項目和線上生產(chǎn)質(zhì)量控制應(yīng)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(shù)的顯示器以及背光顯示器。
UNa e&Zir iddT. 將從單個點發(fā)出的定向分布光線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為長度信息。使用傅里葉光學(xué)元件（錐光鏡頭等效于傅里葉光學(xué)元件），將發(fā)光點映射到CCD成像儀，以便每個像素對應(yīng)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。
eA_4,"{ 9IMcp~zX 圖1.系統(tǒng)簡略原理圖
D=$<E x^p 復(fù)雜化的錐光鏡頭
光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(qiáng)調(diào)，大家不必緊張。
Q2uE_w`B 1-fz564 Uyh #g^r 圖2.復(fù)雜化的錐光鏡頭系統(tǒng)圖
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,+ 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(nèi)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(cè)面開了一個圓孔，光線可以從這里進(jìn)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。
圖3.錐光鏡頭實物圖
3lqhjA ?u|g2!{ _ 2.商用錐光鏡頭的參數(shù) TgLlmU*qMU 錐光鏡頭的有光闌大學(xué)、視場、靶面尺寸、像素等等，重點介紹視場和像素這兩項。
nEYJ?_55 2.1 視場角
#SmWF|/ 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(biāo)可能已經(jīng)設(shè)計的更高了。
O WzIea@ uVocl,?.L 2.2 像素
lAQ&PPQ Imaging Photometer1600萬像素、2900萬像素、4300萬像素
FdD'Hp+ K.SHY!U} 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(biāo)和相關(guān)色溫（CCT），在每個視角都具有高精度。
zc#`qa:0 kW9STN 由此可以大致推測商用錐光鏡頭MTF應(yīng)該至少是150線對以上。
P:+:Cm< @\a- = 3.錐光鏡頭的光學(xué)設(shè)計 `:&{ /|uP7 本文的優(yōu)化思路是整體化思想，選取圖4所示的初始結(jié)構(gòu)，將前組和后組一起的帶入到ZEMAX，對透鏡進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭h減、增加與評價函數(shù)的調(diào)整，經(jīng)過大致一周左右的奮戰(zhàn)，最終得到光路結(jié)構(gòu)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。
圖4.初始結(jié)構(gòu)
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9UZX+@[F 圖5.光路結(jié)構(gòu)圖
圖6.三維光線圖
$A ,=z ]z,?{S 設(shè)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(zhì)量可以到2000萬像素。
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#"|Ey6& 圖7.MTF曲線圖
R;%iu0 a)e2WgVB/E 4 總結(jié) /"U<0jot 距離真正的商用，還有很多細(xì)節(jié)的地方需要改善與提高，本文只是拋磚引玉，光路結(jié)構(gòu)、成像質(zhì)量、像差校正等等都還沒有做到最佳，純粹地探索了下錐光鏡頭的指標(biāo)參數(shù)與性能表現(xiàn)。非常期待大家九月份后續(xù)的百花齊放，匠心獨運與奇思妙想。
