问题背景
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= Phke`3tth 国际
光学设计会议（IODC）以前称为国际
镜头设计会议，从上世纪60年代起，几乎每四年都会举行一次。在每次会议上，会议组织方都会假设一个设计问题，由参与者来进行求解。这些问题通常都比较晦涩难懂，以至于难以实现商业应用，故此而避开专利或者所有权的问题。
@9"J|} AF%@VLf 2002年镜头设计问题
L`24 ?Y{ Ø 设计一个折射镜头，具有类似全息元件的轴向色差
^#sU*trr Ø 光谱从400到750nm，共15个
波长 #B\" '8# Ø 零视场（只有轴上视场）
rEF0oJ. Ø 所有
光谱范围后
焦距大于0
4]E3c AJ Ø 在中心波长575nm
cb}[S:&| ■ F数为8
s~Te ■ 焦距100mm
rvw)-=qR[ ■ 几何RMS点列图最小
s)pbS}L Ø 只能使用肖特
玻璃和球面
9 yfJVg ~sXcnxLz 求解过程
O6OP =K!t: CODE V建模
}I>tO9M 两种可行方案
S;-
LIv 1) 变焦镜头，15个波长和变焦位置
L+i(TM= 变焦参考波长和权重
>:b Q 可以使用变焦的近轴像面求解
p fI"36]F 绘图复杂等
aca=yDs2 2) 非变焦镜头，除了参考波长575，其它所有波长权重为零
3p'I5, } 只要可以计算所有波长的后焦距就行
5^x1cUB] 最终选择第二方案
Ct>GYk$ 评价函数
% oo2 /aF 规定的评价函数是575波长的RMS点列图半径和相对于全息元件的近轴焦移RMS的加权RMS
<.? jc% 指定波长λ的焦移由下式给出
<Sr [BFL(λ)-BFL(575)]-100(575/λ-1)
O`<KwU x ! 所有对应的15个波长数据平方和后开根号即得到RMS值
SBS3?hw
计算此评价函数的理想方式是使用宏程序
\7'+h5a 1) RMS点列图半径:
Bf8jPa / 以NRD 100运行SPO，将文本输出捕获到Buffer中，得到显示的RMS点列点直径，除以2即得到半径值
?pd8w#O 2) 每个波长^W的焦移值:-(hmy si w^w)/(umy si w^w)-100*(575/(WL W^w)-1)色差校正
:n-]>Q>5=k 单个的玻璃元件蓝光聚焦短而红光聚焦长，而对于普通的消色差双镜片，单个元件的光焦度要比总光焦度要大，以使两个波长相遇。在这个镜头中，这两个颜色不只是要相遇，更要相交以使红光聚焦短而蓝光聚焦长。因此，我们需要光焦度非常大的元件，同时，二阶或更高阶色差也很重要，这样我们可以达到全息元件的色散曲线。
Uw7h=UQh 色差校正公式
mV pMh#zw 对于N个接触薄
透镜，总光焦度仅仅是单个透镜的光焦度之和
\vO,E e~#W Ф=ΣΦk
b"{'T]"*j 每个透镜的光焦度是波长的函数Φj,k=ck(nj,k-1)
k1D@fiz 因此每个波长的总光焦度为Фj=ΣΦck(nj,k-1)
p|p l 薄透镜求解
6g)G Y"49 如果使每个波长的总光焦度Фj等于全息元件的光焦度，并且波长数与元件数相等，那么薄透镜的解则是如下的一个线性方程组的解100×575/λj=ΣΦck(nj,k-1)
=aTv! 8</ 这样便很容易生成起始设计结构和考虑玻璃类型。
m * kl 求解线性方程组
2V#>)R#k CODE V并没有提供直接的宏或者宏函数用来求解线性方程组，但是我们有一个奇异值分解SVD的宏，我们在一本著名的“数值方法”书中发现了利用SVD进行线性方程组求解的方法
N <Xq]!
K- 寻找合适的玻璃组合
m+T;O/lG0{ 通过一个玻璃列表文件和线性方程组求解方法，编写宏程序分别产生三个、四个和五个元件的薄透镜解，该宏遍历所有可能的玻璃组合。 最终结果
7](KV" %V Ø RMS焦移图有6个节点
u@cYw:-C Ø 20个元件，11个胶合面
Z '7 Ø 受17阶球差限制
L bmawi^ Ø 经过彗差校正，因此是真正的f/8
^0 \ Ø 总长125mm
j=r P:# Ø 评价函数0.00044
/x
p|
JAem0jPC8
1 P!Yxeh 最终设计的焦点位移图结论
)`O~f_pIC Ø 详细的进行近轴分析准备会很有帮助
QvKh,rBFVG Ø 宏程序对评估玻璃组合和重复计算都非常便利
) u` [6,d Ø 文中的设计在40个作品中位列第8，更好的设计其尺寸都相当长，胜出的作品长达1km，同样使用CODE V完成
=h5H~G5AT Ø 建议近轴解的元件之间彼此远离，这会比较有用，但是这些方程是非线性的，会更难求解
o9dY9o+Z Ø 在确定玻璃类型后，使用全局
优化可能会有帮助
SS WP~
t 0i\M,TNf* （原文链接：http://www.cybernet.sh.cn/solution/s63.html，来自莎益博工程
系统开发（上海）有限公司官方网站）
