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一个7片镜片镜头光学设计和公差分析的手把手教学

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小白

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发表于 2022-5-12 14:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
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设计要求:
物方视场大小:14 mm
像方视场大小:15.86mm
物方工作距离:  60mm
像方工作距离:25mm
物方NA0.08
镜片数量:7
镜片材质:成都光明的玻璃材料
镜片面形:均为球面
MTF:接近衍射极限的MTF

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1步:在zemax的实例中,找到一个接近7片的镜头示例,此处,我们以Double Gauss 28 degree field为例,该示例为一个双高斯镜头的结构,共有6片镜片,与要求的7片非常接近,后面可以在这个例子的基础上加一枚镜片。

图1

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第二步:修改材料。由于要求用成都光明的材料,因此需要将材料都替换掉,具体做法为将材料的求解类型由固定修改为模型,修改前如图2所示,修改后如图3所示。示例中使用的是SCHOTT玻璃库,如图4所示,将其修改为成都光明玻璃的材料库CDGM-ZEMAX201904,如图5所示。然后再将玻璃材料的求解模型由模型改成固定,如图6所示。Zemax软件默认安装时,里面是不含成都光明的材料库,需要自己添加,具体方法为:打开电脑-文档-Zemax-Glasscat,将成都光明的材料库复制在该文件夹下即可。如图7所示。为了方便入门者不会操作,我将添加成都光明材料库后的Glasscat文件夹共享了,下载后,可以直接将Glasscat文件夹替换原有的文件夹Glasscat即可。至此,材料替换工作就完成了,替换后的玻璃和之前的玻璃在折射率和阿贝数会有所差别,但通常不会大,在优化之初,可以忽略此影响,毕竟后面都需要做详细优化。

图2

图3

图4

图5

图6

图7

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3步:正式开始我们的优化工作了,首先,根据设计要求,设置一些初始参数:(1)将系统孔径中的孔径类型设置为物方空间NA,孔径值设置为0.03,如图8所示。NA的目标值是0.08,此处设置为0.03,是为了方便快速获得一个比较好的优化结果。另外,物面的厚度由无限修改为60;(2)设定物方视场,要求为14mm,此处设置半视场7mm,以0.7mm作为视场间隔设置,如图9所示;(3)波长设置为FdC光,如图10所示;(4)将光线瞄准设置下,如图11所示。

图8

图9

图10

图11

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4步:添加一个镜片,然后将厚度设置为变量,正式开启优化,如图12所示。优化评价函数参数设置如图13所示。优化前和优化后的结果如图1415所示。从图中可以看出,优化前MTF很差,优化后基本接近衍射极限。不过此时的NA比较小,为0.03。如果一开始就将NA设置为0.08,结构优化,很难一次性就达到比较好的结果。接下来我们开始增加物方NA值,进行优化。

图12

图13

图14

图15

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5步:增加物方NA值,进行优化,将NA修改为0.05,其MTF的值如图16所示,继续优化,优化后的结果如图17所示。第4步和第5步都很容易达到衍射极限,说明我们的结构是对的。

图16

图17

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6步:增加物方NA值,进行优化,将NA修改为0.065,其MTF的值如图18所示,继续优化,优化后的结果如图19所示。从图18和图19中可以看出,优化后得到结果比较接近衍射极限,接下来继续增加NA值,不过不要像之前那样增加幅度那么大。

图18

图19

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7步:增加物方NA值,进行优化,将NA修改为0.073,其MTF的值如图20所示,继续优化,优化后的结果如图21所示。

图20

图21

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8步:增加物方NA值,进行优化,将NA修改为0.08,达到目标值,其MTF的值如图22所示,继续优化,优化后的结果如图23所示。从这几步的优化可以看出,优化效果虽然越来越好,但是优化能力越来越弱,这非常正常,毕竟第4步到第8步这几步优化,我们仅使用了默认的优化函数,没有添加任何其他的优化操作数。从一开始的双高斯模型结构到第8步的优化结果,这部分工作,实际过程只有5分钟左右,时间非常短。

图22

图23


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9步:前面的优化过程中,物方工作距离基本满足要求,像方工作距离还有些差距,我们先将这个距离优化到目标值附近的范围,如图24所示。此时的MTF距离衍射极限还有些差距。第9步的优化结果可以作为我们这个镜头的初解。接下来开始真正的优化了。
图24

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10步:为了将MTF拉上去,采用极限的思想解决这个问题,具体思路是:(1)将优化函数选择为对比度(如果MTF150线对处的模值为0.3,频率通常设置为75附近)或是波前(PV值),并将权重缩放设置一个非常大的值。(2)将厚度全部设置为非变量。(3)将畸变(DIMX操作数)设置为一个较小值,比如0.1或是0.2,这个操作数也取一个比较大的权重。(4)开始优化,对于大部分情况,MTF都能达到一个比较好的结果,但还是不会特别理想,然后将厚度全部设置为变量,再进行优化,优化结果会更好。通常这种情况下,MTF都能达到衍射极限,但是镜片厚度和空气间隔会出现负数的情况,然后将比较小的值先优化到正数。此处注意一个问题,比如有5个值出现负数,我们一个一个的优化为正数,不要同时优化为正数,同时优化为正数的时候,MTF会偏离衍射极限的位置,一个一个的优化,MTF通常会保持衍射极限位置不动。(5)如果以上操作达不到目的的话,最可能的原因是镜片材料的问题,解决这个问题的方法是将所有镜片材料的求解类型设置为替代,设置完成后,材料后面会出现S,进行锤行优化一晚上,通常都会解决问题,因为此时软件给的材料配置比我们预先设置的更加合理。
对于我们的这个示例,我进行了优化,按照上面的思路(1)(2)(3)(4)的操作,优化向导中操作数设置和将厚度设置为非变量,如图25和26所示。优化后,发现MTF达不到衍射极限的要求,优化结果如图27所示。此外,增加了对比度或是波前操作数的权重,也没有改善,就是说,无论对比度或波前的权重设置为多大,都不能达到要求,为此,果断放弃继续优化,忙其他工作去了,等到下班的时候,我将第9步得到的初解中各个材料的求解模型设置为替代,锤行优化一晚上,第二天上班看结果,结果如图28所示。从图28种可以看出,MTF达到衍射极限,光斑半径都在艾里斑范围内,光学设计参数都满足要求。
以上实例只用了锤行优化就解决问题了,还没有用上第10步提到的方法就能得到很好的结果。通常锤行优化是得不到如此好的优化结果,尤其是镜头里面镜片数(大于10片)较多的情况,此时,可以尝试用第10步提到的方法,通常会比较快的解决问题。


图25

图26

图27

图28

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11步:公差分析。镜头设计完成后,公差是不是满足要求,需要在软件里面做好公差分析,公差的参数设置可以参考图29。公差参数里面主要包括镜片的加工误差和镜头的组装误差,镜头设计的好,公差分析出来的结果会比较好。通常来说,完成第10步以后的光学设计,只完成整个设计工作的30%左右,后面需要根据公差分析的结果,对敏感镜片降敏。此处,敏感镜片是指对整个光学系统影响较大的镜片。根据公差分析结果去优化光学设计这部分工作非常重要,复杂点的镜头,这部分工作占很大比重。我们这个实例镜头比较简单,公差分析这部分工作花费时间较少。公差分析的参数设置如图30-33。公差分析结果如图34和图35所示。公差分析的结果中,主要看最坏偏离结果的内容,通过这里的结果可以看出哪些镜片是敏感镜片,另外看看最终的公差分析结果,如图35种红色框框的内容,通常90%大于0.15就可以了。

图29

图30

图31

图32

图33

图34

图35

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12步:镜片加工难度和等级介绍,可参考魏向阳在光学社区的帖子,http://www.optzmx.com/thread-21717-1-1.html。其结果如图36所示。镜头设计完成后,也需要综合考虑制造成本,加工难度和等级越高,加工费用自然越贵,可根据公差分析结果收放镜片加工公差。比如本示例中,有90%的情况MTF大于0.22,如上文介绍,MTF大于0.15就可以,这个时候就可以在原有基础上,将镜片加工公差放大,满足要求即可,这样可以降低制造成本。在一些特殊应用场景中,对镜头成像质量要求较高,生产成本排其次的情况下,还是要按照等级高的标准去加工。

图36

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发表于 2022-5-12 15:49 | 显示全部楼层
您真的很值得点赞,顺便请教下这种7片镜子是用在什么系统里的呢?
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发表于 2022-5-12 15:54 | 显示全部楼层

作为一个新人(但看着不像新人),整个设计流程已经很全了,很难得。

但还有点小瑕疵,就是没有涉及镜片的可制造性分析和控制,比如最终的这个结构中有两个镜片看着可加工性不是很好(下图红框所示)



不过瑕不掩瑜,楼主的分享精神很值得鼓励!赞一个!

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 楼主| 发表于 2022-5-12 16:07 来自手机 | 显示全部楼层
谢谢您的意见,这个镜片加工性不是很好我是知道的,这个帖子主要是介绍优化思路和方法,后面准备再出一个帖子,介绍光学图纸怎么出和加工镜片的相关的事情。
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 楼主| 发表于 2022-5-12 16:25 来自手机 | 显示全部楼层
SZU小徐 发表于 2022-5-12 15:49
您真的很值得点赞,顺便请教下这种7片镜子是用在什么系统里的呢?

这个镜头可以用在PCR芯片阅读仪里面,镜头的倍率不高,只有不到1.2倍。通常来说,这个倍率的镜头NA在0.05左右,这里是0.08,如果再进行优化,同样是7枚镜片,NA达到0.1以上是没有问题的。
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发表于 2022-5-13 09:19 | 显示全部楼层
本帖最后由 xiaobaiwenlu 于 2022-5-13 09:25 编辑

很感谢您的分享,有一点想请教一下:像高在操作数中没有控制,但为什么也能达到要求呢?另外我在尝试过程中,F数要比你大很多,而在楼主的设计过程中也没有进行相关的控制,造成这样差别的原因是什么呢?
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 楼主| 发表于 2022-5-13 10:35 | 显示全部楼层
xiaobaiwenlu 发表于 2022-5-13 09:19
很感谢您的分享,有一点想请教一下:像高在操作数中没有控制,但为什么也能达到要求呢?另外我在尝试过程中 ...

像高是通过放大倍率这个操作数PMAG来控制的,优化评价函数第一个就是。这个操作数是控制近轴放大赔率的,不是特别准,一开始这个值可以简单计算-15.86/14。实际结果可以查看光斑半径处的值确认。就是11视场,像面是7.946mm,理论上是7.93mm。F数这个问题,我不清楚为什么您的和我的不一样。
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发表于 2022-5-13 10:52 | 显示全部楼层
本帖最后由 陈大强 于 2022-5-13 10:55 编辑

楼主请教你两个问题:
1.为什么如果MTF在150线对处的模值为0.3,频率通常设置为75附近。意思是截至频率要在150lp/mm时,这边设置为75对么?这个要怎么理解。
2.权重缩放是怎么理解,放这么大。我试了下权重放大时候,优化效果很明显。
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 楼主| 发表于 2022-5-13 11:16 | 显示全部楼层
陈大强 发表于 2022-5-13 10:52
楼主请教你两个问题:
1.为什么如果MTF在150线对处的模值为0.3,频率通常设置为75附近。意思是截至频率要 ...

对于我个人而言,我比较喜欢看MTF=0.3处的位置的频率,后面的我通常不看。然后频率就选了个中间值而已,实际优化过程中,根据个人喜好,可任意设置啊。您可以多试试,选择不同频率,对您的优化有什么影响。
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发表于 2022-5-13 11:31 | 显示全部楼层
这个镜片的光洁度在哪里设置呢
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