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一种投影镜头的优化

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    发表于 2024-6-5 00:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
    本帖最后由 海绵宝宝 于 2024-6-5 00:26 编辑



    一种投影镜头的优化
    优化指标要求:
    像高/mm
    7.9
    投射比@1m
    1.2
    F#
    1.7
    MTF@93lp/mm
    0.45
    畸变/%
    ≤0.5
    工作距离/m
    1~3
    RMS尺寸/μm
    ≤4.3
    垂轴色差/μm
    ≤2.7
    相对照度
    ≥75%
    远心度
    ≤1.0
    镜头与棱镜间距/mm
    ≥2.5
    玻璃球面镜片数量
    ≤8
    非球面透镜数量
    ≤2
    系统总长/mm
    ≤115
    初始结构
    1
    2
    3
    调整方向
    1、像高由7.85mm调整为7.9mm
    2、投影距离由3250mm调整为1000mm。优化的时候,近工作距离的成像质量更难控制一些,因为不同视场发出的光束NA更大。
    3、重新设置渐晕。视场渐晕有不合理指出,物理上无法实现,以视场6的光线layout为例,尤其是下边缘光线,所有透镜的孔径均大于光束的口径,实际上没有其他的物理阻挡可以限制视场6的光束充满光阑,这大概率是人为给定了不合理的渐晕系数。或者说,在给定渐晕的时候是合理的,优化了一段时间之后,视场给定的渐晕与透镜的孔径脱节,引起其不合理之处,这种情况是特别常见的。
    4
    以下是设置渐晕的一种方式:
    A.以光阑为界,在镜头前组和后组各选取光束口径最大的透镜表面(S7S17),根据光线像差图两侧对称的方式自定义孔径;
    B.在视场编辑器中自动设置所有渐晕系数;
    C.取消镜头数据表格中的自定义口径;
    D.后续根据相对照度适时重新设置渐晕。

    5
    6
    7
    8
    4、根据材质价格自定义玻璃库。
    5、对评价函数的调整:
    ①先放开对同心透镜的限制,以免限制优秀的局部极小值;
    ②对比度优化改为波前+PTV优化,可以节省操作数,提升优化效率,优化后期可以再做调整;
    ③增加对物高的控制。根据投射比计算出1m处的幅面大小,计算放大倍率,可获得理论物高;
    ④对大的入射角度或者出射角度控制。
    6、偶次非球面调整为Q型非球面,系数的正交化减小了不同非球面系数之间的联系,系统的非线性会削弱。
    7、透镜的厚度以及空气间隔不作为变量,减小变量有利于简化变量所构成的拓扑结构,简化解空间,有利于提升优化效率。
    以上步骤优化后可以得到以下架构:
    9

    10
    11
    靠近棱镜的非球面透镜反曲严重,光焦度为负。靠近成像面端的透镜光焦度为负时,多少有些场镜的味道,其主要作用是校正镜头的场曲以及球差。
    为了避免非球面的反曲,需要给非球面透镜增加光焦度,最直接的办法是删掉左侧的正透镜,目的是将这个正透镜的光焦度转移到非球面透镜上。
    在优化过程中,再根据实际优化状态调整光阑位置,调整相对照度,可以获得下面的镜头架构:
    12
    13
    14
    从图12来看,靠近棱镜的非球面透镜光焦度不强,对像差起到的作用貌似不大,有两种尝试方案来提升镜头的性价比。
    方案一:将后组的这个非球面改成球面透镜;
    方案二:将后组的球面单透镜删除,只保留一个玻璃非球面透镜。
    方案一优化结果来看,MTF只有0.3,就不再展示。
    方案二的优化结果如下所示:
    15
    16
    17
    删除了一个后组的球面正透镜之后,镜头的MTF有所下降,可以考虑在镜头中插入一个球面透镜来补偿MTF
    插入透镜考虑如下:
    镜头光阑左侧的透镜光焦度分布为“负----正”。连续使用的负透镜或者正透镜可以看做是通过透镜分裂来减少像差的产生。双凹负透镜在锤形优化的过程中一致保持低折射率材质,并没有往高折射率变化的,这意味着,透镜本身并不需要通过提高自身折射率来使得表面更为平坦,并不需要减小光线的入射角度,并不需要产生更少的像差,反而,双凹负透镜更有可能是通过保持低的折射率,增大光线角度,增加异号像差以补偿镜头其他组分。因此两个负透镜处不适合再增加负透镜。
    至于连续使用了三个正透镜的前组更没有必要再进行透镜分裂。
    比较有可能的是光阑左侧的胶合透镜的正透镜。胶合透镜的正透镜为弯月形,可以在中间劈开,获得一个平凸透镜和一个平凹透镜。正负光焦度的组合往往对像差具有明显的校正作用。
    依照以上思路,在图15的基础上分裂胶合正透镜,并依实际优化情况调整光阑位置,可获得以下镜头架构:
    18
    19
    20
    以上镜头模型距离实际开模还有距离,后续优化仍需努力:
    1、工作距离只是优化了1m位置,还有其他工作距离需要兼容;
    2、镜头第一片镜片为塑料材质,在不同温度下估计会有比较明显的温漂现象,需要进行热优化;
    3、波段优化从460nm开始,可能会有轻微紫边;
    4、公差分析以及量产工艺性尚未进行。







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    小白

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    发表于 2024-6-12 09:30 | 显示全部楼层
    题主写的很好,让我从中学到了很多新的知识点和设计方法,其中说一个我看到的小瑕疵,光栏和前面胶合件的距离lay看着很近,感觉是0.1左右,这个如果在实际生产过程是否需要再拉开一些
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     楼主| 发表于 2024-6-12 10:16 | 显示全部楼层
    加油学光设 发表于 2024-6-12 09:30
    题主写的很好,让我从中学到了很多新的知识点和设计方法,其中说一个我看到的小瑕疵,光栏和前面胶合件的距 ...

    一般来说是要拉开一些,当时是想着如果把胶合的正透镜靠近光阑的表面做成平面,光阑结构件往上一靠就可以了,那样的话这个间隔就可以给零。
    另外一点,投影镜头和照相物镜的光阑孔重要性不太一样。投影镜头是出光系统,哪些光线可以出来不仅仅是镜头决定的,照明也决定了,如果照明光束本身有F#的限制,镜头的光阑孔在实际加工时有些偏差就不太重要,光阑孔于对比度(FOFO或ANSI)的重要性要大过成像质量。
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