可能很多人都觉得光学设计是很枯燥的工作。 WE*L=_zDS
或许因为一直在和软件作斗争,不断的设置像差控制参数、优化。 >OLKaghV.5
能不能获得好的结果大部分时间也是靠运气。 {#_CzI.0f
看到某像差不合适的时候,就去用像差控制操作数,设置操作数,添加巨大的权重,优化结果却很差,此像差或许确实有提高,整个光学系统却基本崩溃掉了。 RI[=N:C^
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这样做,确实很枯燥。 <*/IV<
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我们崩溃,软件也很崩溃. \|gE=5!Am=
巧妇难为无米之炊: &&daQg4Ha
在设置操作数、优化系统之前,有没有去想过,正在优化的这个光学系统,是否有足够的能力满足我们提出的所有要求呢?是否设置了相互矛盾的要求(比如用两个分离的薄透镜同时校正轴向色差、垂轴色差)?设置变量的时候,哪些应该固定,哪些应当放开,交给软件优化呢?包括玻璃折射率、阿贝数应该固定,还是设置为变量?等等。 c&mLK1A6
得不到要的效果,原因很多,但大多是因为对光学设计原理的不了解造成的。 NR6wNz&81
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光学设计,以及软件使用,其实是很有讲究的,是需要设计理论作支撑的。 (qbL=R"
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就拿玻璃的选择来说吧,大家都知道: D"z3SLFW{
合适的玻璃对,比如K系列和F系列,可以用来消除色差;并且也知道:旧的玻璃对组合,可以使透镜在消除像差的时候,同时获得小的球差和小的彗差,但同时会增大Petzval和,比同焦距单透镜的还要大;也可以根据实际要求,选择不同的折射率、阿贝数组合,使球差较小时,有大的彗差,彗差为正或者为负,均可实现;新的玻璃对组合:高折低色散为正片,低折高色散的玻璃为负片的胶合片,可降低Petzval和,但是球差会是欠校正的,孔径增大时,或许还会带来更高级的像差。 Z"pCDW)
以上这些,以及选择合适玻璃组消除二级光谱,这些大家应该都非常了解了。 /TndB7l"3
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以上并不是玻璃选择对光学系统影响的全部作用。 J\@W+/#dF
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玻璃的选择在一些光学系统中,有其他方面的作用:玻璃的选择,会影响到透镜长度(在这里,指:第一片玻璃到最后一片距离)、视场角,相对孔径等等,或者说,为了达到某一设计要求,要尽量选择这样的玻璃组合。 @CTSvTt$
以三片镜为例,这个比较典型:玻璃的折射率,对三片镜光学系统整体性能影响很大,大家可以对三片镜的个专利比较一下,相似结构,采用K9和ZK或者LAK系列的玻璃,获得的光学性能差距很大。在设计三片镜时,正透镜最好选择玻璃图左上方的玻璃。负透镜可以设置为变量优化,或者直接按照其他光学要求、经验选取,尽量不要把正片的材料当做变量来优化(负片优化,一般能获得普通F或者ZF玻璃)。选择高折射率的玻璃作为正透镜,有利于提升三片镜的整体光学性能。 b4R;#rm
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另:设计一个视场角较大的三片镜,三片镜间距将缩小,尤其是第一片与第二片间距,此时,两片透镜的V差将会减小。 `B A'a" $
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所以在设计这类光学系统的时候,比如我们手头有一个视场角较小的三片镜结构,没有找到合适视场的系统(实际中专利很多,应该是能找得到的,在这里只是以此为例,能说明问题就好)。那么,在逐步增大三片镜视场的优化过程里,间距以及玻璃,都应当适时的设置为变量,而不是固定不变。也可以根据经验,手动修改负片的V值,或者正片V值以及透镜之间的间距(一般是减小正片V值,减小间距)。再让软件逐步优化,可以相信,了解三片镜的光学特性之后,用软件优化会更有效率,软件和设计者,崩溃的次数会降低,获得成就感的机会也会提高不少。 AbExJ~JV\g
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为提升三片镜或者天塞的光学性能,比如,提高球差的校正情况。有些设计会把第一片正片分裂为两片,增加变量。如果直接让程序优化,有时候优化结果是让人十分崩溃的,分裂之后,优化很多圈,和原来的设计效果差不多。为什么呢?因为程序此时的评价函数已经到一个局部最小值了(分裂前后,都是局部最小),虽然增加了变量的数量,但是软件并不能从这个低谷走出,翻越山峰,去寻找全局最低点。这个时候,就需要设计师干预程序了:将分裂出来的两片透镜,第一片近似平凸,第二片近似弯月的形状,看一下像差变化,稍微手动调整一下形状,使前两片组合接近球差最小状态(他们两个的组合接近球差最小状态,而不是整个光学系统,这个时候整个光学系统还没优化呢,说不定这俩透镜欠校正球差小了之后,整个光学系统的球差已经变成很大的过校正了。),然后把透镜曲率设置为变量,重新优化,这时,应该就会发现,整个系统的带球差将会变小。 q^ w@l
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另外还有一些大孔径的系统,喜欢使用空气间隔,有时会用一个控制面,让其产生高级像差,去抵消掉过校正或者校正不足。大部分高级像差产生面,都是可以通过光线走向及在这个面上的入射角,看出来的,对这些面型的认识、了解应该说,不是很难。松纳物镜里的控制面很明显,大家可以看一下这方面专利。 {O=PVW2S
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前面提到的反常胶合,也就是新的胶合透镜,在普罗塔物镜、天塞物镜,以及很多高斯物镜里都有使用。这个大家可以看一下专利,比较分析一下其作用。很明显的一点是对降低Petzval和有好处。 Ct<]('Hm(
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透镜弯曲、光焦度分配校正像差的理论和方法,在实际设计中也会经常用到。以畸变为例,假如一高斯物镜,畸变4%,想做到2%,这个时候,用光焦度分配或者说转移,效果就会比较明显了。将高斯物镜的光阑前面单片正透镜和后面单正透镜,光焦度做少量转移,转移之前分析一下移动放下,别搞反了。桶形畸变,边缘的像比中心的缩小了,那就要把光阑后的光焦度稍微转移到前面。然后再让程序优化,以平衡手动修改带来的其他像差改变。也可让软件自动优化,不手动调整,但尽量不要固定各镜片光焦度。 z|$M,?r'
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以上仅提及了部分光学设计原理。还有很多未提及。 +L,V_z
但所有的光学设计的原理加起来也并不多,大家掌握起来也不难。这些原理的应用,在专利里都可以找得到,可以通过分析专利,逐步掌握。 JE*d-
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