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CODE V微信简报:CODE V使用示例——紧凑型镜头设计教程(一)

CODE V提供了一套全面的工具来帮助您设计最先进的成像系统。这些工具可以帮助您跟踪重要的系统规格,找到初始设计模型,选择最有效的非球面,并根据性能、成本、重量等选择玻璃。这个设计是一个小型数码相机,可以用于遥控无人机或户外数码记录仪上。本设计的主要目的是为用户介绍CODE V中的一些关键光学设计选项工具。本例使用的是天塞镜头模型,设计规格如下所示;

  • f/2.5

  • 焦距(EFL)=25mm

  • 半视场角25°

  • 镜头到像面总长<30mm

  • 镜头最大直径<15mm

  • MTF>0.4,20cycles/mm,average of 0⁰ and 90⁰azimuths

  • 全视场相对照度大于60%


1. 建立规格&目标表格

首先,我们可以通过SpecBuilder生成目标规格列表,用来跟踪目标规格在整个设计流程中的表现,下图是用CODE V 的SpecBuilder工具根据本例建立的规格&目标表格

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图1:规格&目标表格


2. 创建镜头模型并进行评估

我们通过新建镜头向导来建立镜头模型,并使用CODE V软件的专利镜头数据库选择初始模型并进行修改。经修改后,我们可以得到如下镜头模型:

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图2:初始设计模型


从上图的yz平面结构图上大致可以看出这个设计模型的性能相对较差,因为光线没有在像面上收敛为一个致密点。因此下一步我们可以使用CODE V的性能评估工具来分析一下当前光学系统的性能。

光线像差曲线可以显示很多关于镜头成像性能的信息。使用CODE V的光线像差曲线分析工具后,如下图所示,您将看到此例中镜头的三个视场绘制的光线像差曲线,垂轴的刻度大约为0.22 mm(请记住这一数据,后做对比之用)。

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图3:初始设计模型的光线像差曲线


从上面的光线像差图中看出,像场边缘的图像点的直径约为0.5毫米。下面我们使用CODE V的点列图分析工具来证实这一点。

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图4:初始设计模型点列图


如上图所示,确实最大半视场点(0.000、25.00⁰)在像面上的光线分布点的大小是0.505毫米。这不是一个校正得很好的镜头。下面我们还可以用CODE V的MTF分析工具,分析此系统的MTF性能,如下图所示:

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图5:初始设计模型MTF


另外,可以用CODE V的SpecEvaluator工具评估我们之前建立的规格和目标表格,评估结果如下图所示,标红的单元格表示目前设计阶段还未满足目标的规格:

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图6:初始设计模型规格评估结果


综上所述,我们的初始光学系统的性能较差,镜头需要进一步改进。


3. 优化初始设计

我们需要对该模型进行优化,以满足目标规格,并得到更好的性能。我们将首先为优化设置变量,镜头参数(厚度、曲率、玻璃等参数以及后来的非球面参数)可设置为变量,以改善镜头。然后我们需要在优化窗口中指定误差函数,设置约束条件,定义退出条件等。对于优化,您可使用CODE V的自动设计选项工具,要访问此选项,请在“CODE V”窗口中选择“优化>自动设计”。

误差函数是一个度量标准,用于确定镜头满足系统所选性能度量的程度。默认的误差函数类型为横向光线像差,它将所有视场在像面上光线的RMS光斑最小化。要了解更多CODE V中的误差函数,请参阅CODE V优化参考手册。对于本例,我们将使用默认的误差函数。默认的误差函数适用于很多设计,CODE V也有其他可选误差函数,例如波前误差偏差,MTF等,以及用户自定义误差函数。

CODE V的约束定义了光学系统的机械和性能指标。约束是镜头改变必须遵循的规则(例如,成本和重量、整体长度、厚度或元件直径)。这些细节构成了创建一个真实镜头的基础,满足光学系统的性能需求。在CODE V中,约束可以是加权的或非加权的。权的约束或惩罚约束在偏离期望值时对误差函数有贡献,当离输入条件越远,对优化误差函数的惩罚越大。设计人员可以指定应于模型表面的一般约束例如,可以将边缘度目标设置大于1.0 mm。除此之外,还有一些特定约束,比如一个特定表面的中心厚度,这些约束特别适用于某一个的表面。一般约束应用于整个系统以及所有镜头表面,然而特定约束,正如他们的名字一,应用于特定的表面。

本例我们需要对最小元件边缘厚度,最小空气中心厚度,最小空气边缘厚度,元件中心厚度最小值和最大值等一般约束进行设置,并添加有效焦距(EFL)和总长(OAL)等特定约束。注意,设置好相关优化选项后,要保存优化序列,在后面的非球面专家和玻璃专家过程中会用到优化序列。

经过快速的优化过程后,在优化窗口的选项卡上的每个绘图页的底部可以查看误差函数值的变化过程。在这个例子中,误差函数开始于1300左右,然后降低到130多一点。

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图7:优化后设计结构


优化后的镜头可以看到厚度变化,空气间隙和曲率的变化。您还可以看到现在光线在像面上有更小的汇聚点。这时我们可以用优化前使用过的评估工具对当前光学系统进行评估。

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图8:优化前的点列图(左图)与优化后的点列图(右图)的对比


如你所见,优化后的成像效果比之前更好。在相同比例尺下,与优化前的结构相比,聚焦点在像平面上要小得多。类似地,您可以查看快速光线像差、点列图和MTF -衍射来评估性能,这里就不一一比对了。


(未完待续...)

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 更新时间:2020-1-8 21:07:04  【打印此页】  【关闭

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