光学设计,枯燥中的乐趣
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光学设计是很枯燥的工作。”
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确实,很枯燥。刚入行时,我也这么认为。
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8 和
软件的关系,一直很拧巴。本应该是左膀右臂的光学设计软件,成了我们斗争的对象:不断的设置繁琐的像差控制
参数,命令软件
优化、再优化,却眼瞅着优化评价数值完全静止,毫无变化……
/:<.Cn>- 死盯着屏幕,沉寂中蕴藏着涌动。
rM{3]v{~ 很多时候,特别想把电脑砸个稀烂吧?
z?b[ 6DLV; 优化了很久很久……能不能获得好的结果,也只能听天由命。
y4^w8'%MC 我曾如此枯燥的做了好多年光学设计:某像差不符合设计要求时,只知道添加像差控制操作数,设置巨大无比的权重,优化结果却不尽人意:此像差或许确实有提高,但整个
光学系统却基本崩溃掉了。
%T_4n^beFQ 枯燥的工作状态持续了很久。否极泰来也好,撞大运也好,黑暗中出现了一线光明:偶尔能设计出比较满意的光路了。
7H,p/G?]k 随着工作经验的积累和对光学设计工作认知提升,逐渐从最初抱怨软件功能不够强大,转变为愿意花更多的时间去思考:无法获得较好的光学设计结果的原因是什么?
.q!U@}k. 思考结果如下:
o3s ME2 (1)光学设计原理认知不深;
[~%\:of70n (2)光学设计经验欠缺;
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(3)对软件优化算法缺乏了解。
r )pg9}+ N:_U2[V^d 1、光学设计原理
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以色差校正原理为例,色差校正的关键点在于玻璃的选择。其选取规律如下:
;Wo\MN (1)合适的玻璃对,比如K系列和F系列,可以用来消除色差;
Os9;;^k (2)旧的玻璃对组合,
透镜在消除色差的条件下,可获得小的球差和小的彗差,但同时匹兹伐和会明显增大,比相同
焦距的单透镜的匹兹伐和还要大;
D09/(%4j (3)新的玻璃对组合,即:高折射率低色散为正片,低折射率高色散的玻璃为负片的胶合透镜组,可降低匹兹伐和,获得较平的像面,然而球差将处于欠校正状态。
v ?9 t%B ,ATW 图1、三透镜焦距相同,均为f
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u (a)透镜为K9材料,其匹兹伐半径为-1.52f
ec$kcD! (b)旧玻璃对组合,正透镜为K9,负透镜SF1,其匹兹伐半径为-1.37f
8/tvS8I#y (c)新玻璃对组合,正透镜为SSKN5,负透镜LF5,其匹兹伐半径为-2.19f
5os(. (4)消除二级
光谱,实现复消色差,需选择合适玻璃对,需挑选特种色散玻璃。应选取如图2示中,偏离正常玻璃线的材料,比如FK61,CaF2等。
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P 图2、局部色散图
xe=/T#% 了解以上原理,在设计光学系统时,就不会犯原则性错误:仅使用一片薄透镜,妄图获取消色差目的;为实现色差、球差、匹兹伐和的最优设计,而不适时的调整玻璃对组合;为实现复消色差,却仅采用普通玻璃……
b }^ylm 光学设计的原理还有其他方面,以上仅仅以色差校正和玻璃选择为例,论述了光学原理在设计过程中的作用:规避低级的、原理性的错误。
qMHI-h_A 2、光学设计经验
IM^K]$q$47 仍以玻璃选择为例,讲述光学设计过程中,经验对设计工作造成的影响。
xDJs0P4 以三片镜为例:玻璃的折射率,对三片镜光学系统整体性能影响很大,比较三片镜各个专利,不难发现:相似结构,采用K系列玻璃为正透镜的系统,与采用LAK系列玻璃为透镜的系统,获得的光学性能差距巨大。
cyQ&w>' 有经验的设计师,以某三片镜专利为基础,不增加透镜数量的情况下,为获得更好的像质,必然会调整透镜的材料选取,或者放开透镜材质的限定,通过软件优化、挑选合适玻璃。
<8'-azpJ6< 那么,在采用软件优化功能挑选合适玻璃材料时,是将正透镜设置为变量,还是把负透镜设计为变量呢?有经验的设计师,一般会选取玻璃图左上方(即:高折射率低色散)的玻璃作为正透镜,并固定下来,将负透镜设置为变量优化。
RCgn\ 为什么选取负透镜为变量进行优化呢?原因有二:
++Z,U (1)优化过程中积累的经验告诉我们:优化负透镜,软件一般会选取高折射率低色散的玻璃作为负透镜。此种玻璃为ZF系列,非常常规的玻璃,价格较低,而选择正透镜材料作为变量优化时,软件一般会挑选低色散玻璃,此类玻璃为特殊色散玻璃,价格昂贵;
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