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镜头优化设计


鏡頭優化設計

班級:碩光材二甲 姓名:黃景煥 學號:19766147

1.優化的目的: 為了設計和製造出成像質量我們利用優化 同時也滿足是先給定 的一組物理的和其他的限制條件。用一個誤差函數來計量,誤差 函數把圖像的誤差數據組合成一個單一的數字,並力圖使該數字 盡可能的小。雖然,各種控制和權重可以比較

容易和大量進行修 改,但是,在 CODE V 的基本架構中已經預先定義了誤差函數。 2.優化方式: AUTO 使用一種加速阻尼二乘法(DLS)算法使可以改變系統成像質 量的變量發生變化。如果需要,AUTO 會使用 Lagrangian 乘數強 行加入約束條件。這就可以對約束條件進行精準的控制,而不要 求限制條件被包括在誤差函數本身中,通常會在限定的求解區內 比較快和比較平穩地收斂到一個最優化的鏡頭。

3.自動設計過程:

4.局部優化和全局部優化 如果把誤差函數想像為一座有多座山峰和山谷組成的空間,那麼 優化的目標就是要找到有可能是最低的山谷。在局部優化中,將 會找到距起始點最近的山谷。全局優化會在搜尋最深的山谷過程 中從起始點向更遠處探測山谷,或者稱為全局最佳。CODE V 的全 局綜合(GS)(Global Synthesis)是一個極好的全局優化屬性,他 可以從任何一個實際的起始得到多個解。 5.操作規則:

優化一個透鏡所需要的程序規則 除了變量是在 LDM 中設定確定 。 , 分析檢查是在 MTF 和 FILED 選項中完成外,在此敘述的步驟都將 在 Automatic Design 選項對話框中執行(Optimization 選項):

把所有曲率半徑、厚度和虛擬玻璃都設為變量,然後保存修改過 後的起始點。
確保所有的玻璃元件都有足夠厚度(General Constraints列表)。 確保所有玻璃的折射率不會太高(General Constraints列表)。 限制有效焦距(EFL)等於目前的6mm(Specific Constraints列表)。 在每一次優化循環後都匯出透鏡視圖(Output Control列表) 使用Default的光班尺寸(光線的橫向像差)誤差函數,但是在網格中追跡更 多光線(Error Function Definitions and Controls列表)。

通過再次運行前面使用的評價準則來分析透鏡(點選視窗的最新資料,主要 是VIEW,MTF和FIELD選項)。 修改AUTO設置,改善優化結果(Error Function Weights列表)。 A. 使用 LDM 變化在 LDM 被確定,所有的亮在一開始時都是被凍結的。為了改變一個半徑 或者厚度,在 Lens Date Manager 視窗中將游標移到參數上面,右擊,並從 快捷選單中選擇 Vary 一個小 V 符號,表示他是一個變量,假使變量設錯, 為了刪除 V,在參數上右擊,並從快捷選單上選擇 Freeze。 1.選擇 File>Open 選項,找出上一章中所建立的透鏡檔,後 OK。 2.LDM 數據列表中,拖移選擇表面 1 至表面 6 的 Y Radius 的值。 3.右擊一個選中的單元格,並且選取 Vary,如圖所示。

4.對於厚度,重複同樣的操作(表面1至表面5選擇厚度,並設為變量,然後選取 像面厚度,並單獨變化它;沒有包含表面6,因為這將會刪除該表面的PIM解出的 值) B.虛擬玻璃: 由於玻璃的折射率和色散兩種性質都可以變,可變化的玻璃要額外考慮一些 問題,可能會增加一些步驟。為了在 AUTO 中被用作變量,必須確認一個材 料作為虛擬玻璃。如果選擇一種目錄玻璃作為變量,它就會被轉換成等效的 虛擬玻璃(一個最終設計裡,使用者需要用最接近的真實玻璃替代優化過的 虛擬玻璃)。虛擬玻璃有一種專門的形式。對於折射率(587.6nm)為 1.62, Abbe 值(即倒色散)或者 V 值為 60.3 的一種玻璃,虛擬玻璃的名字為 620.603(該句號告訴程序這是一塊虛擬玻璃)。另外一種形式 1.620:60.3 也被 CODE V 接受,並允許輸入 n>2.0 且 V>100 的玻璃。 1. 為了變化表面1的玻璃,右擊LDM視窗中的玻璃名稱,並從快捷選單中選取 Vary。

2. 左擊表面1玻璃的V(或者右擊,並且選擇coupling)。顯示一個耦合編輯對話 框。耦合是將變量連接在一起的一種方式,但是在變玻璃中,可以理解為折射率 和色散變量。 3. 雙擊表面1的Index and Dispersion單元格。

4.點選Cancel。 5.右擊表面3和表面5的玻璃,並且從快捷選單中選擇Vary。 當完成這些設定後,就會看到LDM視窗如圖所示。

C.自動設計的設置 : 現在,準備進行自動設計,並且,確定一些對透鏡的優化有 指導意義的設置。 選擇Optimization>Automatic Design選項,打開Automatic Design(AUTO) 對話框。 在點選OK,運行AUTO之前,一直都變化幾種列表中得設置。如果你錯誤點選OK, 不用擔心;為了恢復到透鏡的初始狀態,選擇Edit>Undo選項,然後,在AUTO輸出 視窗中點選Settings鍵,重新開始。 AUTO具有許多種設置類型的屬性,這些設 置被分散在輸入對話框九種列表中。

大多數設置是確定諸如權重這些參數,或者具有某些特殊性 質的標記,例如繪出每次優化循環後的透鏡圖。兩種設置是確定邊界或者約束條 件的。 1. 第一類邊界條件被稱為General Constraints(一般約束), 這些是一般邊界條件,是控制厚度值和玻璃多邊形的邊界條件,幫助設計者 避免不現實的設計。厚度約束可以保證不會出現負邊緣厚度。玻璃邊界可以 防止程序選擇不實際的折射率或色散值。一般約束條件總是對所有變焦位置 中的所有表面都會適當施加限制。也可以為這些設定一些值,或者跳過被選 定的一般約束,從而對每一個表面給出特定的限制。 2. 第二類邊界條件是 Specific Constraints(特殊約束)。 只有在使用者輸入設置才應用特殊約束。許多限制都是以某表面為基礎的, 與某種物理特性或者光學性能有關的約束。其他的約束應於整個系統或者一 組表面。特殊約束允許設計者更詳細地確定本人要求。但是必須小心不要過

分地約束系統,因為這樣做,有可能會不利於潛力的發揮 3. 一般約束(厚度的一般約束) 對於小孔徑透鏡,必須保證元件有足夠的厚度,方便於加工和處理。根據加工 專家的意見,這裡推薦的值是合理的,盡管有可能該孔徑下元件的厚度會是 0.5mm。這就是一般厚度約束給出的最佳控制。另外,上一節注意到,專利中 的玻璃都是高折射率玻璃。玻璃多邊形邊界約束可以被用來將優化後的玻璃限 制在玻璃多邊形中低折射率,低成本的區域內。假設已經打開 AUTO 對話框: 1.點選General Constraints列表 2.在Minimum Center Thickness(最小中心厚度)輸入0.9 3.在 Minimum Edge Thickness(最小邊緣厚度)輸入 0.8

4.玻璃多邊形約束
在 AUTO 中使用的玻璃多邊形(或者稱為玻璃三角形)圖是一條 Nd 與(NF-NC) 曲線圖。下面顯示的曲線圖是從在線 CODE V Reference Manual 第三章(自 動設計)中摘錄出來的。他表示一個缺省的四邊形的玻璃邊界,是一個可以 使用的,有很高折射率的區域。注意,對於某些 Schott 牌號的特殊玻璃被 表示危險標記的點,而缺省的玻璃邊界範圍包含了最普通,實用的玻璃。然 而,很重要的是要注意到,AUTO 只能是連續第變化玻璃-而不能查找離散的 真實玻璃。優化之後,為了分析最終的性能和加工的可能性,必須將虛擬玻 璃轉換成真時玻璃(使用 glassfir.seq 指令)

實際上,玻璃約束多邊形可以有 3-5 個編,一次標記為 A-E(它必須是一個 凸的多邊形,更詳細的查閱 Reference Manual)。似乎 SF2 確定了玻璃三角 形區域的一個頂點,在這個範圍,最大的折射率會低於 1.6(希望是在優化 後能夠得到比較便宜的玻璃)。玻璃多邊形邊界的變化將會應用於所有的表 面,也可以對每一個表面單獨定義一個玻璃多邊形。

5.特殊約束

當需要確定優化的邊界條件時,有許多項目需要加以約束。他們包括實際的 漢光學的特性(總長、焦距、畸形、真實光線的屬性、近軸光線的屬性等) 1. 在Automatic Design對話框中,點選Specific Constraint 列表。 2. 點選位於對話框的底部的Insert Specific Constrain 鍵。顯示Edit Constraint對話框,Effective Focal length(有效焦距)作為Default約束。 事實上,對於這種情況你只需要點選OK就可以了。但是首先要注意,可以從 左上方的列表中選擇類別,在右上方每種類別都有自己的約束條件列表,有 效焦距是Optical Definition(光學定義)中的首項。 3. 在Constraints Target區域中點選 輸入10.0(注意 這是一個錯誤的值, , , 然而,這裡只是一個演示,因為需要的值是6)。 4. 點選Calculate Default Target鍵,注意,數值6出現。 這個按鍵認為當前的約束值是一個適合的值,你不需要保留它,但是在這裡 它是正確的。

5. 點選OK,輸入這個約束值。 6. 輸出控制
對於由許多表面組成的透鏡,你可能會希望限制與表面有關的輸出項的數量。 也可能希望查看一下變量表。在這種情況下,可以接受這些項的 Default 值, 但是每次循環後查看一下透鏡的視圖會很有幫助 仍然是修改 AUTO 設置 1. 。 。 在 Automatic Design 對話框裡,點選 Output Controls 列表。 2.點選標有 Drew system at each cycle 的欄位

7. 誤差函數的定義和控制
Error Function Definitions and Controls列表是首先出現在Automatic Design 對話框中由於Default值設置而計算出的一種表。在這裡,可以設置一般的方式 和一些控制值。 1. 在Automatic Design對話框裡,點選Error Function Definitions and Controls列表。 2. 在Ray Grid Control欄,輸入0.22作為Ray interval的值。

8. 保存設置,運行AUTO

只要 AUTO 視窗打開著,就應當允許多次修改設置和重新運行 AUTO,為此, 在 CODE V 工作期間,Automatic Design 對話框中的設置將一直被保存。但 是,為了在未來的 CODE V 工作時還可以使用這些設置,需要保存它們。 1.點選 Automatic Design 對話框左下角的 Option Set 鍵。 2.點選 Save As 鍵。 3.為要保存的 AUTO 設置鍵入一個名字,點選 OK。 4.在 Option Set 對話框中點選 Close 鍵。

9. AUTO的輸出
點選OK鍵後,AUTO開始運行,顯示出列表式的輸出視窗(TOW) 和一個帶有STOP 鍵的控制對話框。

10. 誤差函數
誤差函數是在AUTO運行時所產生的最有用的一個訊息。這個 數值代表了透鏡的成像質量 數字零代表一個無像差透鏡 為了計算誤差函數 , 。 , CODE V對每一個確定的視場,變焦位置,一種波長追跡一組光線網格。網格是 這樣被定義的:假設入瞳的半徑是1(規化值),光線之間的間隔被認為是瞳孔上 用小數表示的光線間隔(命令:DEL)。有一個指令(AUTO.SEQ,可以在 Tools>Macro選單中找到,並且被列在Sample Macro/Optimization條目下面) 可以用來檢查具體的DEL值的光線分佈圖。這次優化中所選取的DEL值是0.22, 光線分佈圖案如下圖所示。

9. AUTO的輸出 點選OK鍵後,AUTO開始運行,顯示出列表式的輸出視窗(TOW) 和一個帶有 STOP 鍵的控制對話框。 10. 誤差函數 誤差函數是在AUTO運行時所產生的最有用的一個訊息。這個 數值代表了透鏡的成像質量,數字零代表一個無像差透鏡。為了計算誤差函 數,CODE V 對每一個確定的視場,變焦位置,一種波長追跡一組光線網格。 網格是這樣被定義的:假設入瞳的半徑是 1(規化值),光線之間的間隔被認 為是瞳孔上用小數表示的光線間隔(命令:DEL)。有一個指令(AUTO.SEQ,可 以在 Tools>Macro 選單中找到,並且被列在 Sample Macro/Optimization 條目下面)可以用來檢查具體的 DEL 值的光線分佈圖。這次優化中所選取的 DEL 值是 0.22,光線分佈圖案如下圖所示。

11. AUTO輸出的標題 現在讓我們看一下AUTO的文件輸出,輸出首先是顯示計算中 用的輸入數據和Default值 這部分被稱為輸出標題 主要以命令形式給出。 , 。 通過顯示由你的設置(EFL,DEL等)所產生的命令開始輸出標題。然後在FEL 情況下,會列出可能使用的特殊約定。“可能使用”就意味著AUTO將動態地 決定每次循環時是否需要一種約束,為了控制像差,要盡可能多 釋放一些 變量。

Error Function Construction(誤差函數結構)顯示出不同項目的權重,以 及光線追跡網格中使用的 DEL 值。Convergence Control(收斂控制)顯示了 退出的條件(MXC 是最大的循環次數,MNC 是最小的循環次數,TAR 是誤差函 數的目標值,IMP 是每一個循環實現的目標值提高的部分)。這個例子中, Output Control 僅僅包括透鏡的繪圖命令(DRA)。緊接著是變量的數目,該 例子中是 18 個變量(6 個半徑,6 個厚度,6 個玻璃變量,每個玻璃都有折 射率,色散兩個變量)。

12. AUTO每次循環的輸出 每一次循環的開始和結尾都是誤差函數值,標記為 ERR.F。隨後顯示的是每 個視場的 XY 分量,雖然總的誤差函數值也包括含有權重因子(例如,如果 WTX F4 的權重值小,那麼第四個視場中一個大的 X 分量也不可能會有太大 的貢獻)。但是,可以使設計者看出哪一個視場或分量對誤差函數的作用最 大。接著列出了表面的數據,和系統的初級基本屬性(EFL,縮小倍率 REDU, 近軸像距 PIM,總長度 OAL,入瞳/出瞳距 EM/EX PUP)。最後,有一個 Active Constrants(有效約束)表(在這個具體的循環裡為 10)。首先列出 EFL,有目 標值,當前值和它們的差值。

13. 分析結果和修改權重 在確定數位相機物鏡時,曾經使用過分析視窗。如果該視窗 仍然是打開著的話,更新這些視窗,查看優化的效果就是一件簡單的事情。 1.從前面的分析中找到MTF輸出視窗。 2.用滑鼠拖動該曲線標記,完成原始MTF曲線的複製。 3.點選MTF視窗中的Execute(執行)鍵,重新運算。

注意,最大的誤差函數分量是F3和F4 的X值,以及F3的Y 值。它們與最低的MTF 曲線相對應。由於該問題與具體的視場和X分量有關,所以在優化過程中,可以 修改AUTO的設置來增加這些地方的權重。 1.點選AUTO輸出視窗中的Modify Setting (修改設置)鍵。

2.點選AUTO對話框中Error Function Weights列表。Default 的視場權來自LDM的數據,正如在System Data 視窗 (Lens>System Data選單)的Fields/Vignetting頁可以看到的,權重值全是1.0。 也可以增加視場F3和F4X分量的權重,例如:增加為1.2。

3.在標記有X-Aberration Weights Only的數據表的第一行中點取,然後雙擊第 一個單元格,選擇視場3(F3)。 4.在這一行的Value欄內輸入1.2。 5.點選空白行,並列第4個視場(F4)重複上面的操作。 6.點選OK,重新運行含有新權因子的AUTO。 7.在MTF視窗中點選Executc(執行)鍵,重新運算。

14. 最終優化成果 在幾次詴算後,就可以找到一組滿足MTF和其它技術要求的 權重(WTX,WTY)。一組這樣的權重顯示如下(在前面的章節中已經顯示過, 對初始 Default 權首先進行優化,然後再進行詴算,每次詴算都使用 Undo 返回到相同的起始點)。 由於與使用的權重和起始點有關,所以,不可能完全會得到 同樣的解,但是,得到的解應該具有相似的性能。得到一個好的解時,應該 設置一個新標題,並且,保存該透鏡文件(選擇 File>Save Lens As 選單)。 下面的圖形顯示了最後玻璃透鏡的基本 Quick 2D 視圖,MTF 和 LDM 數據。


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