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  • 使用CODE V的2D-Q自由曲面设计光学系统(1)

    作者:薛金娜 来源:欧熠光电 时间:2021-07-23 13:13 阅读:4543 [投稿]
    为了说明如何使用它,我们将展示一个非对称、全反射的设计案例。该系统可以服务于一种轻型、紧凑、头戴式显示设备(HMD),用于增强现实(AR)。

    CODE V中使用了2D-Q自由曲面的系统性能优化

    我们已经建立了一个初始设计,接下来我们将要设置系统的优化。CODE V中的2D-Q自由曲面使这类非对称设计的快速优化成为可能。下图显示了如何在CODE V中设置自由曲面。


    自由曲面的非球面项如何被添加到二次曲面基面的示意图,支持X,Y偏移

    这些自由曲面的非球面项可以帮助纠正视场由于系统折叠、偏心导致的非旋转对称像差。设计者可以在X和Y方向上应用相对于局部坐标的位置偏移。对于这个设计案例,我们选择使用三个自由曲面。2D-Q可以实现具有高达38阶的径向阶,供设计师在他们的工作中使用。在实际设计中,设计师应该将项限制在满足其特定设计要求所需的阶数和方向上。

    在这个案例中,我们允许自由曲面具有第5、第8和第9组的系数。我们可以设置非球面相对于每个基本二次曲面顶点在X, Y方向上的偏移量,并保持二次曲面常数接近零。X, Y的偏移量也被限制在较小的值上,从而产生具有合理斜率的曲面。为了实现具有良好成像性能的优化设计,我们允许反射镜的α和β角(关于局部坐标系X和Y轴的倾斜)和它们相对于光轴的位置发生变化。我们使用64毫米瞳距的约束匹配一个普通的成年男性头部。所有这些,再加上镜面空气间隙和曲率,为设计提供了全方位的优化变量。

    使用这些变量,并考虑了封装约束,我们可以使用CODE V的Macro-PLUS™编程语言创建一个优化脚本。在CODE V中,基于脚本的优化可以便捷地与用户图形界面(GUI)交互优化相结合,为设计师提供他们需要的最有效的灵活性。通过优化脚本,我们能够快速改善系统误差函数的成像分量和约束分量。CODE V为设计人员提供了指定的误差函数中不包含且仅在需要时才加入精确约束的能力,或者可以根据其特定的项目需求,相对于误差函数的畸变部分来加权约束。在下面的图中,您可以看到误差函数的不同组成部分,以便在光学设计的某个阶段中方便地查看。


    总误差函数(红色),像差分量(绿色),和约束分量(蓝色)Vs.优化周期的示意图

    如同在任何项目中一样,工程师必须利用他们的判断力来决定何时停止纸上设计,何时转向封装和生产的最终设计。CODE V也提供了许多工具来帮助完成这项工作,我们将在下一节中描述这些工具。

    未完待续......

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