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超短焦镜头优化

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发表于 2022-3-5 21:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 海绵宝宝 于 2022-3-5 21:54 编辑

超短焦镜头优化
初始结构见帖子:
优化目标是尽量减少非球面透镜和球面透镜。
1、翻转系统
该镜头在设计时,大部分厚度都是负值,并且以投影面的像高作为视场物高。从个人使用习惯角度出发,先将系统翻转,以芯片尺寸为物高,系统孔径由像方F#修改为物方空间NA。翻转后的系统如图1所示。Layout的外形与原文档无异。
1翻转后的镜头Layout
为简单起见,直接选取源文档像面S33的半口径10.6mm作为芯片的物高。由于OFFSET的存在,按照比例换算,物高的起点为10.6mm*240/1879.5=1.35mm,故物高范围为1.35mm~10.6mm。以上计算受到系统畸变的影响,会有些误差,但影响不大。
像空间F#=2.38,转换为物方NA约为0.21
像高取整定义为1880mm
MTF的观察线对为78LP/(1880/10.6)=0.44LP
可以根据线对数来计算投影面的像素尺寸。1/像素尺寸/2=线对,像素尺寸单位为mm。因此,投影面处像素的尺寸为1/(0.44*2)=1.136mm
暂不修改切趾类型和TCE设置,其他指标参照源文档。
但翻转镜头之后,大视场的光线像差图和MTF均有很大的差异。但未找到原因。各位站友若有兴趣,也可以帮忙找找看。
2和图3是原设计文档的,图4和图5是翻转后的。
优化先撇开差异的原因,继续往下走。
2 原设计文档的光线像差图(plot scale10μm)
3 原设计文档的衍射MTF
4 镜头翻转后的光线像差图(plot scale1773μm))
5 镜头翻转后的MTF
2、初步优化
优化之前,先做一个大胆的尝试,将其中两个直接使用球面替代。被替代的非球面透镜如图6红色框内所示。
并非说这两个非球面透镜的位置不好,只是不同的设计人员优化的习惯不同,评价函数设定也有差异,在长期的优化中,设计的走向会产生分歧,分歧之后,现有的非球面的位置或者形状并不一定还合适。先删除,然后再根据实际情况在合适的位置添加非球面,这种做法的性价比往往可以更高。
6被球面化的两个非球面透镜
那为何是这两个非球面透镜球面化?因为另外两个非球面元件我尝试过,效果很不好。
保留下来的3个偶次非球面转化为Q型非球面,主要是因为Q型非球面的正交性以及其系数的数量级适合,理论上可以提升优化速度和避免很多局部极小值。
球面化后,评价函数中对投影像高、系统总长、远心度、畸变、玻璃和空气间隔进行控制,使用RMS优化。锤形优化后,获得图7的镜头结构、图8MTF以及图9的垂轴色差。为清楚地看到镜头的轮廓,图3只保留了小视场和边缘视场的光线。
从图4可以看出,中小视场区域像散比较严重,物高为3.18mm4.24mm以及5.30mm位置处,弧矢MTF均比较糟糕。
各视场的垂轴色差一般需要控制在半个像素的宽度,根据线对计算,投影面的像素大小为1000μm/0.44/2=1137μm,半像素宽度为1137μm/2=568μm,从图9可以看出,最大的垂轴色差约820μm,目标是控制在568μm之内。
7 删减两个非球面透镜优化后的Layout
8 7镜头的几何MTF
9 7镜头的垂轴色差
3、针对像散和垂轴色差优化
谈不上像差校正的技巧,只需要用GMTS拉高弧矢MTF,根据垂轴色差定义,利用REAY作差求得不同波长的垂轴高度差异,然后控制在某一范围即可。
优化后的镜头LAYOUT如图10所示,对应MTF和垂轴色差分别如图11和图12所示。
10 改善MTF和垂轴色差后的镜头架构
11 10镜头的几何MTF
12 10镜头的垂轴色差
4、引入非球面透镜和简化系统
MTF来看,镜头显然未达到指标,需要进一步复杂化。
观察到,镜头靠近棱镜的两个正透镜材质分别为H-LAF6LA(1.757/47.714)H-FK61(1.497/81.595),折射率并不高,可以考虑使用一个高折射率球面透镜或一个玻璃非球面透镜来代替。考虑到像质问题,显然是使用玻璃非球面更为合适。材质选择较为便宜的D-K9
其次是镜头中部的弱光焦度透镜可以考虑删除。
优化后的镜头LAYOUT如图13所示。对应的MTF如图14所示,垂轴色差已得到控制,从篇幅考虑,后续过程中不再展示。
13 引入非球面透镜和简化后的镜头
14 13镜头的几何MTF
看起来整个镜头已经比较完美,但这并未结束,随着锤形优化的进行,镜头中又出现了一个弱光焦度透镜,将其删除,再优化,可获得图15所示镜头。指标与上一版类似。
15 简化版镜头
5、低折射率透镜的合并
15的镜头还可以尝试挖掘的地方有两处:
①玻璃非球面透镜D-K9,使用折射率更高的透镜材质,可以平坦表面,压缩透镜厚度,间接地减小后焦压力。但折射率的增大往往会导致阿贝数的下降,阿贝数的下降与色差校正有关,但三胶合透镜对色差的强大校正作用或许可以弥补阿贝数引起的色差差异。
②镜头中部的正透镜H-K9LH-ZK5的折射率并不高,或许可以尝试使用一个高折射率的材质替代。
综上,将玻璃非球面透镜的材质D-K9改成D-ZK3,删除材质为H-K9L的正透镜,将材质H-ZK5改为H-ZLAF50E,作为初始结构开始优化。
优化后的镜头如图16所示。
16 两个低折射率透镜合并成一个高折射率透镜
6、三胶合透镜的拆解
观察到,图16的镜头中,靠近棱镜的三胶合透镜和双凹负透镜H-ZLAF52A十分靠近,靠近的两个表面半径也相近,有胶合的趋势。可以尝试将三胶合透镜和双凹负透镜重新组合成两个双胶合透镜。组合后的材质搭配为:H-FK61/H-ZF7LA以及H-FK61/H-ZLAF52A。依此为初始结构优化。优化后可获得图17的镜头架构。
17 三胶合透镜拆解后的镜头
18 17镜头的几何MTF
19 17镜头的RMS
20 17镜头的垂轴色差
21 17镜头的畸变
22 17镜头的相对照度
观察图21的光学畸变,其实不太好,但如果只是观察网格畸变,则尚可。
就像质而言,三胶合透镜被拆解并非是有利可图的一个操作。但从加工、热稳定性和可靠性而言,双胶合透镜都是优于三胶合透镜的。公差方面则是因架构而异,并无定论。
至此,优化基本完成。但这并不意味着这是最终的结果。最起码,尚未对不同投影距离进行优化,这将极大地限制镜头的使用场合。
附件中附带了图15所对应的镜头架构,有兴趣的站友可以尝试优化,以得到图16和图17的镜头架构。

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发表于 2022-3-5 23:23 | 显示全部楼层
可以给一下初始结构的zemax文件吗?初始链接需要贡献值才能看。
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 楼主| 发表于 2022-3-6 08:10 | 显示全部楼层
周刘 发表于 2022-3-5 23:23
可以给一下初始结构的zemax文件吗?初始链接需要贡献值才能看。

初始结构的zemax文件所有权不属于我,既然原作者有贡献值要求,我觉得应当理解和尊重。
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发表于 2022-3-6 17:48 | 显示全部楼层
设计指标参数中的离焦MTF也很关键,超短焦镜头做好之后经常会出现大场曲,整机的表现就是要么左上角不清晰,要么右上角不清晰。
原文档确实镜片比较多,不过最大的问题还是公差,可以尝试做一下公差分析。
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 楼主| 发表于 2022-3-6 18:04 | 显示全部楼层
bit_lzg 发表于 2022-3-6 17:48
设计指标参数中的离焦MTF也很关键,超短焦镜头做好之后经常会出现大场曲,整机的表现就是要么左上角不清晰 ...

离焦MTF确实是量产过程中非常重要的一个指标。如果有余力,是要把这个参数提升。
从之前有限的开模经验来看,超短焦的场曲现象与非球面透镜的面型以及反射碗的面型有关,这也会影响左右上角的共焦程度。
超短焦镜头的公差也确实是一个令人头疼的问题,之前有见过理光的一款超短焦镜头需要调镜片的偏心,这种操作量产起来就十分困难。
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发表于 2022-3-7 11:05 | 显示全部楼层
非常好得资料,但是畸变如何评价呢,在这个系统中。另外非球面反射镜的装配和测试公差如何进行分析呢 ?
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 楼主| 发表于 2022-3-7 13:12 | 显示全部楼层
opmeman2016 发表于 2022-3-7 11:05
非常好得资料,但是畸变如何评价呢,在这个系统中。另外非球面反射镜的装配和测试公差如何进行分析呢 ?

畸变看有效区的网格畸变会比较合理一些。
非球面反射镜的装配我目前知道的主要是做多维的结构调整。
非球面的公差并不好分析,其中一个原因是分析时的面型与开模出来的往往不一致。
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发表于 2022-3-7 14:28 | 显示全部楼层
之前根据这个链接里的初始结构,优化了一款TR0.33 的超短焦镜头,新设计像面变小了,F数变成了1.7,一直没时间上传论坛。回头传上来,希望海绵宝宝大大能赏脸帮忙审一审啊哈哈~

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小白

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发表于 2022-3-7 15:24 | 显示全部楼层
我翻转镜片之后也发现性能有很大变化,后来找到原因是忘了删掉原本的多重结构。还有就是翻转透镜后圆锥系数不变,非球面系数手动乘上“-1”
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 楼主| 发表于 2022-3-7 15:31 | 显示全部楼层
叫我子龙吧 发表于 2022-3-7 15:24
我翻转镜片之后也发现性能有很大变化,后来找到原因是忘了删掉原本的多重结构。还有就是翻转透镜后圆锥系数 ...

正常翻转过来的像质是能对应得上的。但是链接那个,小视场是对应得上的,大视场就有问题,没弄明白。
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