CODE V：初始设计，成像模拟，鬼像分析

图1：CODE V成像光学设计软件

        CODE V 是按照顺序追迹光线的软件，据此优化和分析成像系统。

        虽然 CODE V 没有能力分析非成像表面的杂光，但是它有三种强大的工具分析鬼像：

– 鬼像 (GHO) 分析

– ghost_view.seq 宏

– @GHOST 函数

       前面两种工具提供鬼像的图表数据和可视化图形

– 分析迅速，可以让用户非常容易找到有问题的表面对，以便进一步进行分析和优化控制

       @GHOST 函数让用户在优化的时候可以控制鬼像的光斑尺寸

– 用户指定一对问题表面

图2：镜头设计

       为了说明杂光分析的过程，我们使用CODE V设计一个中等视场角度的镜头，感光器件是 .” CMOS芯片，设计要求如下：

– Number of Elements: 6

– Focal Length: 6.4mm

– Aperture: F/3.5

– FOV: 32o half-field at the corners

– OAL: 27.75mm

– Max Distortion: 0.41% (full field)

– Relative Illumination: 74% (full field)

– MTF: >25% @ 100 cycles/mm

– Design Wavelengths: 656nm, 589nm, 434nm

– Detector Size: 6.4mm x 4.8mm (1/2” Active Pixel Sensor CMOS)

– Detector Pixels: 1280 x 960 (5mm x 5mm)

图3：镜头模型

图4：重要性能

       CODE V 提供了计算选项 GHO 来列出两次反射形成的像的属性

– GHO 数据是基于轴上中央视场光线的一阶分析( @GHOST也是)，因此对于高次非球面或者离轴系统准确度可能不是太高

       包含下列信息:

– Surface Pair 产生反射的表面对

– Delta Back Focal Length (DBFL): 从鬼像到实际像平面的距离。接近零的数值表示鬼像靠近像平面聚焦

– Effective Focal Length (EFL): 此焦距值让你计算鬼像的大小

– Disc Semi-Diameter (DISC): 反射光束在实际像平面上的光斑半径

– Pupil Ratio: 鬼像光瞳和光阑的比值。大于 1 说明会被光阑削弱

– Magnification: 鬼像平面上的鬼像尺寸和实际像面上实际像尺寸的比值

图5：鬼像分析

       @GHOST 函数可以存取任何由 GHO 选项计算出来的数据(两次反射的数据)

– 只计算轴上中央视场近轴光线

       在优化中可以自定义一个限制条件来控制某一对表面之间的鬼像的尺寸

       优点:

– 非常快

– 多个表面对之间非常容易建立优化限制

– 对于中等F数的球面光学元件有非常好的准确度

       缺点

– 近轴

– 只有轴上视场

– 非球面或者大口径系统准确度可能有问题(有时候非常快)

       在 Tools> Macro Manager 有 ghost_view.seq 宏

– 具体位置在 Sample Macros> Geometrical Analysis下面

       可以让用户迅速 看见表面对之间的鬼像

       基于实际光线追迹，因此对于轴外视场和非球面也是准确的

备注:

– 一些表面会自动转换为非顺序表面以绘图

– 运行前先把口径固定为圆形口径，然后只设置一个你要分析的视场，以帮助您获得清晰的图形

图6：Ghost_View.seq 宏

      在这个例子里可以看见一对表面间的反射鬼像比较严重

– 表面 5 和表面 1

– 较小的 DBFL 值显示鬼像在离实际像平面非常近的地方聚焦

– 因此光斑尺寸DISC非常小

– 好的一面是Pupil Ratio 比较大，(~3.5 左右) 因此鬼像的渐晕会非常大

图7：GHO, Ghost_View 

一些反射面之间视场角为 10° 的鬼像图形

图8：Ghost_View 10 °视场角输出

一些反射面之间视场角为 25°的鬼像图形

图9：Ghost_View 25°视场角输出

       感光器本身可以是一个反射平面，而且通常需要特殊注意

– 感光器反射的光重新进入镜头表面

– 感光器表面的反射率通常远高于一个镀膜的光学表面，有时可以达到 36% 的反射率

       在 GHO 和 Ghost_View 宏的分析中可以加入感光器像平面，在像平面前插入一个非常薄的光学平面元件 (~1micron)，它和像平面的距离为零，分析时包括这个元件的前表面即可。

       只能模拟镜面反射，不能模拟感光器微结构的散射效果

图10：问题平面

未完待续...