Conoscope Lens Design （锥光镜头光学性能探索与设计）

发表于2020-8-7 礼拜五

前阵子偶然发现今年的Zemax 光学设计赛题是关于锥光镜头，感觉挺有意思的，于是对此系统进行了一些初步研究，试着设计了一下。

2020年第五届Zemax 光学镜头应用设计大赛
大赛详情及具体指标要求参见官网2020 Zemax Cup赛题

对于参赛者而言，对赛题的解读和理解是非常重要的，想取得高分就必须把赛题和评分规则研究透彻，才能获得高分独秀一枝，因此对于指标的取舍极为重要，毕竟这是比赛，不是投产！

由于本文不是冲着比赛去的，主要从实用性和产品性出发，因此对指标的考虑也不尽相同，尽量综合考量光学指标要求与工程化可行性。

鉴于报名截止日期是2020年8月10日23:59:59pm前，投稿还未结束。因此只做纯粹的学术交流，尽量不影响参赛人员。

1 首先，咱们了解一下什么是锥光镜头？

将从单个点发出的定向分布光线转变为横向分布光线，即将角度信息转换为长度信息。
能够在单一的焦面上采集整个可见的角度光线椎体。
使用傅里叶光学元件（锥光镜头等效于傅里叶变化），将发光点映射到CCD成像仪，以便每个像素对应于不同的发光角度

图1.1 原理图

复杂化的锥光镜头的光学系统结构如下图所示，主要包括了前组和后组。个人认为中间像对于商业化是十分有必要的（但是比赛估计可以忽略，看过zemax官方给的探索光路图，是没有考率这个的，或者说是弱化了）

图1.2 实复杂化的锥光镜头原理图

2 商用锥光镜头实物

商用产品实物如下图所示，外形结构是前端是一个椎体，口径由小到大，再到小

图2.1 商用锥光镜头实物图

View Angle Performance Measurement Solution for Displays

图2.2 商用产品整机实物图

3 商用锥光镜头的参数

视场角：
目前了解到，商用锥光镜头的视角范围2017年是±60度， 2018年是±70度，到了现在2020年这个指标可能已经设计的更高了。

靶面尺寸：
关于商用传感器靶面尺寸网上没有给出明确的介绍（要是小伙伴有知道的可以告知）。

像素：
Imaging Photometer 1600万像素、2900万像素、4300万像素
由此可知它的MTF应该是要有150线对以上

锥光透镜提供每CCD像素0.05度的角分辨率。 配合ProMetric®I色度计（1600万像素或2900万像素CCD传感器选项）或Y光度计（1600万像素，2900万像素或4300万像素CCD传感器选项），锥光镜可以测量亮度，亮度 ，角度对比度，CIE色度坐标和相关色温（CCT），在每个视角都具有高精度。

4 锥光镜头的主要用途
成像光度计、色度计

可同时测量多个角度光源分布的色度、亮度和对比度，让平板显示器（FPD）制造商能够快速、精确地实时采集显示器的视角性能测量数据。

锥光镜头可测量平板显示器（FPD）和显示器部件的色度、亮度（照度）和对比度的角度分布。锥光镜头能够在±70°视角下通过单次测量采集完整锥体的视角数据，快速提供精确的测量结果，使得该系统成为了各种研发项目和线上生产质量控制应用的理想选择。该镜头非常适合广泛的显示器类型，包括基于LCD和OLED技术的显示器以及背光显示器。

5 锥光镜头的设计

本文的思路是整体化思想，将前组和后组一起带入zemax优化，经过大致一周的奋战，最终得到如下光路结构：

图5.1 光路设计图

图5.2 三维图

图5.3 渲染图

其成像质量可以达到20MP像素，像元大小仅有2.5um。

奈奎斯特频率处 中心视场大于0.4

边缘视场大于0.2 MTF图如下图所示

图5.4 MTF曲线图

距离真正的商用，还有很多地方需要改善与提高，本文只是抛砖引玉，光路结构、成像质量、像差校正等等均未做到最佳。

如果有关于锥光镜头的理论资料和数学原理欢迎补充和指导，如果是英文就再好不过了。