问题背景
{Z~VO Hd@T8 D*A 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。
k3|9U'r!c W!9f'Yn 2002年镜头设计问题
zZ"')+7q&% Ø 设计一个折射镜头，具有类似全息元件的轴向色差
1p5q}">z Ø 光谱从400到750nm，共15个
波长 6`$z*C2{ Ø 零视场（只有轴上视场）
;7og Ø 所有
光谱范围后
焦距大于0
Z_ *ZUN?B Ø 在中心波长575nm
Z Y O/'YW ■ F数为8
Fb4S /_
V ■ 焦距100mm
^~k FC/tQ ■ 几何RMS点列图最小
[`n yq ) Ø 只能使用肖特
玻璃和球面
Q ]koj!mMl nv|y@! ( 求解过程
^J=txsx CODE V建模
i~PZvxt 两种可行方案
,4I6Rw B. 1) 变焦镜头，15个波长和变焦位置
Hn2Q1lF-ip 变焦参考波长和权重
%;XuA*e 可以使用变焦的近轴像面求解
` ];[T= 绘图复杂等
/ z>8XM& 2) 非变焦镜头，除了参考波长575，其它所有波长权重为零
#S74C*'8 只要可以计算所有波长的后焦距就行
-`<N, 最终选择第二方案
VQJ5 $4a& 评价函数
Qz90 mb 规定的评价函数是575波长的RMS点列图半径和相对于全息元件的近轴焦移RMS的加权RMS
oM7-1O 指定波长λ的焦移由下式给出
kR|Dz B7 [BFL(λ)-BFL(575)]-100(575/λ-1)
k5\
zGsol 所有对应的15个波长数据平方和后开根号即得到RMS值
/|^ ^v DL 计算此评价函数的理想方式是使用宏程序
SxQDqoA~ 1) RMS点列图半径:
.3SjkC4I 以NRD 100运行SPO，将文本输出捕获到Buffer中，得到显示的RMS点列点直径，除以2即得到半径值
n7<-lQRaxZ 2) 每个波长^W的焦移值:-(hmy si w^w)/(umy si w^w)-100*(575/(WL W^w)-1)色差校正
~bQ:gArk 单个的玻璃元件蓝光聚焦短而红光聚焦长，而对于普通的消色差双镜片，单个元件的光焦度要比总光焦度要大，以使两个波长相遇。在这个镜头中，这两个颜色不只是要相遇，更要相交以使红光聚焦短而蓝光聚焦长。因此，我们需要光焦度非常大的元件，同时，二阶或更高阶色差也很重要，这样我们可以达到全息元件的色散曲线。
@)B5^[4(; 色差校正公式
BP><G^ 对于N个接触薄
透镜，总光焦度仅仅是单个透镜的光焦度之和
*wl_8Sis} Ф=ΣΦk
-P uVI5L< 每个透镜的光焦度是波长的函数Φj,k=ck(nj,k-1)
fC:\Gh5 因此每个波长的总光焦度为Фj=ΣΦck(nj,k-1)
3gXUfv2ID 薄透镜求解
6h"? 3w 如果使每个波长的总光焦度Фj等于全息元件的光焦度，并且波长数与元件数相等，那么薄透镜的解则是如下的一个线性方程组的解100×575/λj=ΣΦck(nj,k-1)
e"09b<69 这样便很容易生成起始设计结构和考虑玻璃类型。
6q7 Y`%j 求解线性方程组
T>?1+mruM CODE V并没有提供直接的宏或者宏函数用来求解线性方程组，但是我们有一个奇异值分解SVD的宏，我们在一本著名的“数值方法”书中发现了利用SVD进行线性方程组求解的方法
wY)GX
寻找合适的玻璃组合
Hd}t=6 通过一个玻璃列表文件和线性方程组求解方法，编写宏程序分别产生三个、四个和五个元件的薄透镜解，该宏遍历所有可能的玻璃组合。 最终结果
q "vT]=Y}: Ø RMS焦移图有6个节点
rMx_ <tX X Ø 20个元件，11个胶合面
C8SNSeg Ø 受17阶球差限制
BbhdGFG1 Ø 经过彗差校正，因此是真正的f/8
J8[Xl. Ø 总长125mm
Yhdt8[ 2 Ø 评价函数0.00044
P=i |{vv(
3Sb%]f5(
3Q6#m3AWY 最终设计的焦点位移图结论
F= lj$?4{ Ø 详细的进行近轴分析准备会很有帮助
Q 7?4GxMj Ø 宏程序对评估玻璃组合和重复计算都非常便利
O~1p]j 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
D7oV&vXg 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
Lg53
Ms% Ø 在确定玻璃类型后，使用全局
优化可能会有帮助
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（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）
