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    [原创]光学设计,枯燥中的乐趣 [复制链接]

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    离线phoenixzqy
     
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    20109
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 03-31
    光学设计,枯燥中的乐趣
    Zr`:A$  
    光学设计是很枯燥的工作。”
    5?QR  
    确实,很枯燥。刚入行时,我也这么认为。
    4j/8Otn  
    软件的关系,一直很拧巴。本应该是左膀右臂的光学设计软件,成了我们斗争的对象:不断的设置繁琐的像差控制参数,命令软件优化、再优化,却眼瞅着优化评价数值完全静止,毫无变化……
    h(>4%hF  
    死盯着屏幕,沉寂中蕴藏着涌动。
    r] 2}S=[  
    很多时候,特别想把电脑砸个稀烂吧?
    H]YPMG<  
    优化了很久很久……能不能获得好的结果,也只能听天由命。
    c>I^SY(r%  
    我曾如此枯燥的做了好多年光学设计:某像差不符合设计要求时,只知道添加像差控制操作数,设置巨大无比的权重,优化结果却不尽人意:此像差或许确实有提高,但整个光学系统却基本崩溃掉了。
    zX(p\NU  
    枯燥的工作状态持续了很久。否极泰来也好,撞大运也好,黑暗中出现了一线光明:偶尔能设计出比较满意的光路了。
    m\j'7mZ1  
    随着工作经验的积累和对光学设计工作认知提升,逐渐从最初抱怨软件功能不够强大,转变为愿意花更多的时间去思考:无法获得较好的光学设计结果的原因是什么?
    1J^{h5?lU  
    思考结果如下:
    K47W7zR  
    (1)光学设计原理认知不深;
    Io| 72W}rg  
    (2)光学设计经验欠缺;
    ~GMlnA]6  
    (3)对软件优化算法缺乏了解。
    voCQ_~*)9  
    !x|Ok'izDL  
    1、光学设计原理
    .|cQ0:B[  
    以色差校正原理为例,色差校正的关键点在于玻璃的选择。其选取规律如下:
    '%kk&&3'  
    (1)合适的玻璃对,比如K系列和F系列,可以用来消除色差;
    /)6<`S(  
    (2)旧的玻璃对组合,透镜在消除色差的条件下,可获得小的球差和小的彗差,但同时匹兹伐和会明显增大,比相同焦距的单透镜的匹兹伐和还要大;
    d&t |Y:,8  
    (3)新的玻璃对组合,即:高折射率低色散为正片,低折射率高色散的玻璃为负片的胶合透镜组,可降低匹兹伐和,获得较平的像面,然而球差将处于欠校正状态。
    C 2FewsRz  
    Q-(twh  
    图1、三透镜焦距相同,均为f
    "5]GEzM3O  
    (a)透镜为K9材料,其匹兹伐半径为-1.52f
    &rk /ya[  
    (b)旧玻璃对组合,正透镜为K9,负透镜SF1,其匹兹伐半径为-1.37f
    4mUQVzV  
    (c)新玻璃对组合,正透镜为SSKN5,负透镜LF5,其匹兹伐半径为-2.19f
    k.?b2]@$  
    (4)消除二级光谱,实现复消色差,需选择合适玻璃对,需挑选特种色散玻璃。应选取如图2示中,偏离正常玻璃线的材料,比如FK61,CaF2等。
    D@&0 P&  
    TDA+ rl  
    图2、局部色散图
    $Y 7q2  
    了解以上原理,在设计光学系统时,就不会犯原则性错误:仅使用一片薄透镜,妄图获取消色差目的;为实现色差、球差、匹兹伐和的最优设计,而不适时的调整玻璃对组合;为实现复消色差,却仅采用普通玻璃……
    HLa|yc B%  
    光学设计的原理还有其他方面,以上仅仅以色差校正和玻璃选择为例,论述了光学原理在设计过程中的作用:规避低级的、原理性的错误。
    :*#I1nb$  
    2、光学设计经验
    Fb VtyQz  
    仍以玻璃选择为例,讲述光学设计过程中,经验对设计工作造成的影响。
    PWx2<t<;9  
    以三片镜为例:玻璃的折射率,对三片镜光学系统整体性能影响很大,比较三片镜各个专利,不难发现:相似结构,采用K系列玻璃为正透镜的系统,与采用LAK系列玻璃为透镜的系统,获得的光学性能差距巨大。
    L<*wzl2Go  
    有经验的设计师,以某三片镜专利为基础,不增加透镜数量的情况下,为获得更好的像质,必然会调整透镜的材料选取,或者放开透镜材质的限定,通过软件优化、挑选合适玻璃。
     !3}vl Y1  
    那么,在采用软件优化功能挑选合适玻璃材料时,是将正透镜设置为变量,还是把负透镜设计为变量呢?有经验的设计师,一般会选取玻璃图左上方(即:高折射率低色散)的玻璃作为正透镜,并固定下来,将负透镜设置为变量优化。
    jbGP`b1_  
    为什么选取负透镜为变量进行优化呢?原因有二:
    o|(-0mWBQA  
    (1)优化过程中积累的经验告诉我们:优化负透镜,软件一般会选取高折射率低色散的玻璃作为负透镜。此种玻璃为ZF系列,非常常规的玻璃,价格较低,而选择正透镜材料作为变量优化时,软件一般会挑选低色散玻璃,此类玻璃为特殊色散玻璃,价格昂贵;
    ma vc$!y  
    (2)通过观察玻璃图可以看出,F系列玻璃数量,远大于K系列玻璃,选择负透镜的材料作为优化对象,有更多的玻璃牌号供挑选。
    } 5FdX3YR  
    5 J61PuH   
    M+9G^o)u  
    图3、玻璃材料图
    8E ^yHd4Y  
    以上,仅为选择玻璃时的一些经验。
    #8QQZdC8`  
    3、软件优化算法
    RT4ns+J1  
    为提升三片镜或者天塞的光学性能,比如:降低球差,可采用将第一片正透镜分裂为两片透镜、增加透镜数量的方式实现。在操作过程中,如果仅仅以如图4示形式分裂镜片,并利用软件优化,其结果是令人费解的:分裂镜片后,软件优化许久,优化结果居然与原设计效果相差无几。
    Jah~h44&  
    v 4DF #O  
    图4、无效分裂镜片形式
    RL SP?o2J  
    NAlYfbp  
    :dLfM)8}  
    图5、正确分裂镜片形式
    7xz|u\?_2  
    这是为什么呢?
    AMGb6enl  
    优化软件中,三片镜系统的像差评价函数,已经到达局部最小值(分列前,是全局最小;采用如图4的分裂方式后,是局部最小),虽然增加了变量的数量,软件并不能从评价函数局部最小的低谷中走出,翻越山峰,寻找全局最低点。
    A#\NVN8sk  
    无法逃离局部最小,是软件优化算法局限性的最突出体现。
    `c ^2  
    软件算法基于逐步微调光路,实现光路优化。算法的基础和特性,决定了优化软件在外界干预下,很难跨越局部最小值。
    wZ5 + H%x  
    0Ou`& u  
    图6、局部最小与全局最小示意
    gyondcF  
    A90o X1l  
    光学设计师出手干预优化软件的时候到了!手动修改分裂的两片透镜形状:第一片近似平凸,第二片近似弯月的形状,并观察像差变化,手动微调形状,使前两片分裂镜片接近球差最小状态(两片分裂透镜组合接近球差最小状态,而非整个三片镜光学系统,此时,三片镜光学系统还未优化,分裂的两透镜欠校正球差减小后,光学系统的球差是增大的,为较大的过校正球差),将透镜曲率设置为变量,重新优化,此时,设计软件将成功跨越局部最小,我们会发现,通过优化后,分裂镜片的三片镜系统的带球差将会变小。
    oyiEOC  
    以上,为了讲明白一些道理,却引入了更多的琐碎的概念,反倒让大家看得更糊涂了吧?或许会让大家觉得光学设计需要掌握很多基本原理,需要积累很多经验。
    Re0ma%~LP  
    实际上并非如此。对光学设计原理融汇贯通后会发现:光学设计原理的基本理念少的可怜,也非常很容易掌握。而且光学设计的基本原理,几十年未发生本质性的变化,它就在那里。在做了十多年光学设计后,有那么一瞬间,会觉得:光学设计原理,很像老子所说的“道”。就在那里,简单,而遵照此原理,却能衍生出不同的光学系统……
    swntz  
    如果能通过不断的练习,在工作中遵循光学设计基本规律,是否可以真能达到“以无厚入有间,恢恢乎其于游刃必有余地矣”的境界呢?
    wWQv]c%  
    若如此,光学设计工作,也可以成为一件乐事。
    HE,# pj(D  
    诗有云:高山仰止,景行行止,虽不能至,然心向往之。
    ,nD:W  
    即使不能达到如此境界,向往一下,也是好的。
    " +'E  
    |x3.r t  
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    cyqdesign 光币 +20 原创内容,奖励! 04-01
    mang2004 光币 +20 - 04-01
     
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    离线phoenixzqy
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    只看该作者 1楼 发表于: 03-31
    诗有云:高山仰止,景行行止,虽不能至,然心向往之。
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    mang2004 光币 +6 - 04-01
    2021年成像光学设计培训    上海   4月8-10日;8月19-21日;11月11-13日;详细内容请咨询13661915143(同微信号)
    离线sid20
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    只看该作者 2楼 发表于: 04-01
    谢谢前辈的分享。
    离线shliant
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    只看该作者 3楼 发表于: 04-01
    好文章,很有意思  ^AS*X2y  
    我现在做光学设计最大的感想是电脑配置上去了,很多问题可以靠反复尝试解决,不像以前优化一次等半天。。。
    离线glacie
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    只看该作者 4楼 发表于: 04-01
    谢谢分享
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    只看该作者 5楼 发表于: 04-01
    大神之作,非常感谢!
    离线daite1978
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    只看该作者 6楼 发表于: 04-02
    谢谢前辈的分享。
    离线budam
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    只看该作者 7楼 发表于: 04-04
    想快速入门,看起来不容易啊
    离线dinguoanbang
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    只看该作者 8楼 发表于: 04-05
    很中肯,谢谢楼主
    离线谭健
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    只看该作者 9楼 发表于: 04-06
    不错不错 !!! M =Pn8<h~