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光学设计

光学设计优化方法

时间:2024/1/12 22:06:01   作者:郑士利   来源:正势利   阅读:288   评论:0
内容摘要:1.常规方法在设计的初期,ZEMAX优化时不需要追迹所有具有不同视场和波长的光线,这可以节省计算时间。对权重设置为0的视场或波长不进行追迹。使用视场点平衡,尽量用求解功能代替变量。尽可能用缺省优化函数,使用边界条件控制操作数。查看无用的变量,要搞清楚哪些量在变,用较好的初始结构。具体操作如下。1)使用视场点平衡选择适当...

1.常规方法

在设计的初期,ZEMAX优化时不需要追迹所有具有不同视场和波长的光线,这可以节省计算时间。对权重设置为0的视场或波长不进行追迹。使用视场点平衡,尽量用求解功能代替变量。尽可能用缺省优化函数,使用边界条件控制操作数。查看无用的变量,要搞清楚哪些量在变,用较好的初始结构。具体操作如下。


1)使用视场点平衡

选择适当的视场点数目,使视场划分为等面积的圆环。对于比较小的视场,用0、1两个视场;对于中等视场(小于20°),用0、0.7和1三个视场;对于大视场,用0、0.577、0.816和1四个视场。


2)使用求解功能

尽量使用求解功能,例如,用两种方法去控制边界条件:①使所有的量都为变量,然后评价函数中加入操作数;②去掉一个没用的变量,用求解功能代替。例如,在曲率半径上缘光线角或F数(F#)求解功能控制F数及有效焦距;在厚度上用边缘光线高度求解功能制焦点位置;用拾取求解功能使不同面的对应量之间保持联系;用位置求解功能控制长度。


3)尽可能用缺省优化函数

对入瞳为圆形(或者是考虑渐晕因子的椭圆形)的系统,用高斯求积法。如果光学系统接近衍射极限,则用RMS波前优化法,否则用RMS光斑半径优化法。(用质心作为参考点比)主光线要好一些,通常可以先用不同的优化函数进行优化,再看看哪一个设计结果最好。


4)知道哪些量在变化

如果不知道哪里有问题,就无法去解决它。要想了解像差与系统的联系,及其对系统的影响,就要看Ray Fan图。有些图,如MTF曲线和包围圆能量曲线会告诉你系统的好坏,但不能告诉你哪些变化可以使系统更好。一旦知道了需要确定哪些量,就要用相应的工具去优化:①如果要校正球差,可以在入瞳面附近增加非球面、二元面和渐变梯度折射率;②如果要校正视场像差,可以考虑移动光阑;③如果要校正色差,可使用新玻璃;④如果要校正场曲,如匹兹伐尔场曲等,可更换玻璃。


2.像差的选择和控制

    (1)在ZEMAX软件中,光线追迹的结果通常为横向像差,或者为波像差,横向像差是波像差的一阶微分。如果优化函数包含横向像差和波像差,则波像差给定的权因子应较大。但在ZEMAX优化设计中,二者只能选一种。对于大视场、大孔径的镜头,最好用横向像差;对于小视场、小孔径的镜头,最好用波像差


    (2)不要尝试校正共轴球面系统目镜的畸变、冉斯登目镜的色差、双胶合物镜的像散等像差。


3.边界条件限制

(1)透镜的边界限制

    光学玻璃不能太薄,否则在装配机械时,应力可能会损坏镜片。另外,空气间隔必须是正值。在设计初期,不要同时设定多个玻璃和空气间隔作为设计变量,否则会出现程序对边界限制的失控。玻璃最小与最大中心厚度要根据光学系统中元件的口径按经验或参考文献给定。

    为了限制系统的筒长或某些透镜的厚度,可以将每个厚度、间隔的最大值作为边界限制。若对某个厚度或间隔没有限制,则可以给定一个很大的数,但所给数据的个数和顺序不能改变。


(2)玻璃材料的边界限制

    在光学自动设计中,如果把玻璃材料作为自变量加入校正,则说明ZEMAX允许折射率和色散在一定范围内的连续变化,因此校正得到的结果是理想的折射率和色散,此时必须用相近的实际玻璃来代替。但在自动选玻璃时,要求折射率和色散的变化不得越出规定的玻璃三角形,这就是玻璃光学常数的限制。根据像差理论,提高光学材料的折射率将改善光学系统的球差和场曲,但对像散、彗差和畸变的影响很小。当孔径光阑与薄透镜重合时,单薄透镜的像散与透镜的折射率无关,因此在优化设计中,通常不把玻璃作为变量,否则会降低所设计的镜头的性价比。


4.ZEMAX优化步骤

    在ZEMAX文件中,按要求输入光学系统的半径、间隔、材料、视场、波长、入瞳等参数后,可按照以下步骤进行自动优化设计。


    (1)在设计初始阶段,应根据光学系统对像差的要求和各面对像差的贡献逐步选择变量,并根据像差分析中的赛德尔系数选择变量。在镜头数据编辑窗口中,在需要设置变量。单击“优化”按钮中的“评价函数编辑器”,选择控制优化操作数,如EFFL、TOTR,以及它们的目标、权重等。如何选择控制优化操作数,取决于所设计镜头的特性。


    (2)根据设计要求,给出玻璃厚度的边界限制和空气间隔的边界限制


    (3)迭代次数(优化循环周期),尽可能不用无限圈,而选择5圈或10圈等,以便知道如何控制程序到有效的方向。当评价函数值下降时,若MTF的像质有所改善,则继续优化。


    (4)若在ZEMAX中优化玻璃,则需要在对应的玻璃旁选择“替代”,并在系统选项的材料库中选择玻璃库,如China、Schott等库,单击“锤形优化”按钮进行优化。




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