具有精密公差的塑料（和玻璃）非球面模制透鏡繼續(xù)實(shí)現(xiàn)更加雄心勃勃的（移動(dòng)相機(jī)）緊湊型非球面設(shè)計(jì)。因此，讓我們討論一下緊湊型非球面透鏡設(shè)計(jì)的一些技巧。

球面通常用于經(jīng)典透鏡設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈円子谥圃?。然而，球面表面有局限性，其中一個(gè)限制是球面像差，這是一種光學(xué)效應(yīng)，在形成圖像時(shí)會(huì)導(dǎo)致入射光線(xiàn)聚焦在不同點(diǎn)。這種效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)中的圖像不太完美。另一方面，非球面表面將光線(xiàn)聚焦到一個(gè)小點(diǎn)，相對(duì)沒(méi)有模糊并提高圖像質(zhì)量。

雖然具有球形的表面更容易制作，但與非球面表面相比，通常需要更多球形表面來(lái)減少圖像模糊。這意味著非球面透鏡可用于取代多個(gè)球面透鏡，從而創(chuàng)建更小、更輕且生產(chǎn)成本更低的設(shè)備。

隨著透鏡系統(tǒng)變得越來(lái)越緊湊和復(fù)雜，圖像分辨率變得越來(lái)越重要，光學(xué)系統(tǒng)中的非球面表面變得越來(lái)越重要。不幸的是，傳統(tǒng)的非球面設(shè)計(jì)方法在制造和測(cè)試這些組件時(shí)存在固有的復(fù)雜性。要加強(qiáng)非球面透鏡設(shè)計(jì)并提高工作效率，請(qǐng)嘗試這些 CODE V 設(shè)計(jì)和分析技巧。

結(jié)合玻璃和塑料元件，以校正鏡頭焦點(diǎn)隨溫度的變化

許多光學(xué)系統(tǒng)需要在很寬的溫度范圍內(nèi)工作。例如，同一個(gè)手機(jī)攝像頭模塊需要在芝加哥的嚴(yán)冬和死亡谷的灼熱夏季產(chǎn)生卓越的圖像，死亡谷的溫差約為90華氏度。用于軍事和航空航天應(yīng)用的光學(xué)系統(tǒng)有望在更廣泛的溫度環(huán)境中表現(xiàn)良好。溫度變化會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)的許多參數(shù)，包括元件半徑、元件厚度、折射率和空域厚度。為較大的溫?cái)[設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。設(shè)計(jì)這種光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)技巧是結(jié)合玻璃和塑料元件。

玻璃和塑料元件具有不同的熱性能，使設(shè)計(jì)能夠在一定溫度范圍內(nèi)保持焦點(diǎn)。使用 CODE V 微距功能@MTF_PEAKFOC來(lái)評(píng)估鏡頭焦點(diǎn)隨溫度的變化（熱焦距偏移）。

樣品鏡頭的規(guī)格如下：

20°C時(shí)最佳對(duì)焦：-1.4微米

45C 時(shí)最佳對(duì)焦：0.0 um

70C 時(shí)最佳對(duì)焦：1.1 um

熱焦距偏移

= [（+1.1微米） – （-1.4微米）]/[70C-20攝氏度]= 0.05微米/度

在代碼 V 中使用宏 PLUS 實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)可視化

緊湊的非球面設(shè)計(jì)通常有一百多個(gè)變量，并且性能可能具有復(fù)雜的瞳孔和場(chǎng)依賴(lài)性。分析設(shè)計(jì)需要對(duì)場(chǎng)和瞳孔進(jìn)行精細(xì)采樣。CODE V Macro-PLUS為數(shù)據(jù)可視化提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具，用于研究這些設(shè)計(jì)的行為。

使用宏觀(guān)加提取感興趣的數(shù)據(jù)

由于緊湊的非球面設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，理解分析結(jié)果可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。例如，由 CODE V 生成的通過(guò)焦點(diǎn) MTF 圖總共包含 30 條曲線(xiàn)，如下圖所示。很難從呈現(xiàn)的大量曲線(xiàn)中觀(guān)察到峰值焦點(diǎn)與場(chǎng)之間的關(guān)系。在這種情況下，我們可以使用宏根據(jù)通過(guò)焦點(diǎn)MTF數(shù)據(jù)繪制峰值MTF焦點(diǎn)與場(chǎng)的關(guān)系，如右圖所示。使用 Macro-PLUS 生成提煉的表示形式可提供更清晰的數(shù)據(jù)可視化。

Macro-PLUS 的另一個(gè)重要應(yīng)用是匯總公差分析結(jié)果。公差分析生成累積概率圖。當(dāng)需要許多場(chǎng)時(shí)，例如對(duì)于緊湊的非球面設(shè)計(jì)，很難將性能與場(chǎng)相關(guān)聯(lián)。例如，包含 11 個(gè)字段的蒙特卡洛矢狀和切向容差分析 （TOLMONTE） 的結(jié)果如下所示。

要提高數(shù)據(jù)的可解釋性，可以使用 Macro-PLUS 繪制選定的累積概率與字段的關(guān)系。下圖將 TOLMONTE 的結(jié)果提煉為 70% 累積概率與相對(duì)字段之間的簡(jiǎn)單關(guān)系。

對(duì)齊峰焦點(diǎn)以改善焦深

對(duì)于經(jīng)典的鏡頭設(shè)計(jì)形式，最佳焦點(diǎn)通常位于由Petzval曲率定義的曲面上。相反，對(duì)于緊湊的非球面設(shè)計(jì)，最好的焦點(diǎn)可能位于高度非球面的表面上。在優(yōu)化文件中包括函數(shù)@MTF_PEAKFOC以將峰值焦點(diǎn)限制在平面上將改善設(shè)計(jì)焦點(diǎn)深度。通常，針對(duì)更大的焦深進(jìn)行設(shè)計(jì)可以提高竣工性能，還可以提高熱性能。

使用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)執(zhí)行快速蒙特卡羅分析

蒙特卡羅分析允許您在優(yōu)化期間密切關(guān)注竣工性能。然而，光線(xiàn)追蹤緊湊的非球面系統(tǒng)比經(jīng)典系統(tǒng)需要更長(zhǎng)的時(shí)間，蒙特卡羅公差也需要更長(zhǎng)的時(shí)間。在這種情況下，您可以執(zhí)行快速蒙特卡羅分析，其中蒙特卡羅運(yùn)行較少，然后使用 Macro-PLUS 腳本計(jì)算蒙特卡羅結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。這樣，您可以使用最少的試驗(yàn)次數(shù)最大化獲得的信息。即使只有五項(xiàng)試驗(yàn)可以提供有用的信息，如下圖所示（例如：快速統(tǒng)計(jì)蒙特卡羅研究）。

評(píng)估全視場(chǎng)熱焦位移

對(duì)于緊湊的非球面設(shè)計(jì)，由于此類(lèi)系統(tǒng)復(fù)雜的場(chǎng)依賴(lài)性，最佳焦點(diǎn)可能會(huì)因場(chǎng)而異。熱焦距偏移也可能在視場(chǎng)范圍內(nèi)發(fā)生顯著變化。如左圖所示，標(biāo)稱(chēng)設(shè)計(jì)在整個(gè)熱范圍內(nèi)可能具有良好的MTF，但在大視場(chǎng)角下具有明顯的熱焦距偏移，如右圖所示。熱焦點(diǎn)偏移將降低整個(gè)溫度范圍內(nèi)的竣工設(shè)計(jì)性能。評(píng)估整個(gè)視場(chǎng)的熱焦距偏移可以減少這種差異。

總結(jié)

CODE V 提供設(shè)計(jì)和分析功能，使光學(xué)工程師能夠利用非球面設(shè)計(jì)提供的獨(dú)特圖像質(zhì)量和成本效益。

審核編輯：郭婷