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    [原创]利用初级像差理论设计的一个简单例子 [复制链接]

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    离线strategy
     
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2015-12-18
    这里想展示一个如何用初级像差设计物镜头的一个过程,PWC方法结合现代设计软件和其强大的编程能力,其潜力可能超过很多人的想象。下面这个设计非常简单,但是只靠软件那也是白搭。 9AQMB1D*v4  
    KDD_WXGt~  
    设计要求: U_!Wg|  
    L|hsGm\  
    对一个单模光纤出射的激光进行准直,波长为632nm,NA=0.15,芯径10um,出射光束口径为18mm,性能达到衍射极限。 *3 .+19Q  
    [_W#8{  
    其实这就是实现一个焦距为60mm的聚焦镜头;大家都知道,对于单片透镜是无法矫正球差,对于这个案例,至少需要2片;尽管这个设计很简单,但如果完全交个软件做,看它会产生什么结果,用收敛速度最快的CodeV实验下,直接对2块BK7平板进行优化,控制系统总长在80mm以内。 3 D<s #  
    FJ]BB4 K  
    图1 光瞳及边界条件
    图2
    图3 layout
    默认评价函数N次优化后直到跑到软件极限,得如下结果
      
          
    图4 软件自己优化结果
    从结果来看,软件还是很傻的,这么多变量,竟然一个初级球差都矫正不了,当然有很多手段稍微添加点约束,就可以领软件跑向康庄大道直奔目标;下面我用OSLO展示下如何在短短几分钟之内,如何快速利用初级像差理论快速完成这个设计,为什么用OSLO呢,因为我的算法都在它里面实现了,因为它的编程语言C我太熟悉了。
    还是从2块平板出发,系统NA为0.15,我们约束第一块透镜的第一近轴出射角度为-0.22,这样的目的很明确,第二片负透镜就是用来补偿第一片的欠矫正球差,此为+-结构,为什么不采用-+结构,因为这样对于物方无穷远的负透镜来说,要贡献足够量的过矫正球差,其透镜形状会弯曲的很厉害,这种结构尽量避免,但要为了增大后工作距离就另当别论了。
    O/EI8Qvm  
    图5两块初始薄平板
    26n+v(re  
    首先通过命令getextremelen 1 S1使得第一片的SA3极小,得如下结果
    w6ZyMR,T  
    图6正元件初级球差极小
    4LY kK/:  
    由图6可见,效果还是相当明显的,下面再来补偿其剩余初级球差,贡献同样量的过矫正球差,负透镜一般会有两种结构,我们选择曲率半径比较大的,如下图
    [|{2&830  
    图7矫正初级球差
    经过上面简单的两步,我们已经得到了很不错的初始结构,由上图明显看出系统的高级球差,为了效率起见,下面直接用软件的默认评价函数对其进行综合优化,即将所谓的像差平衡交给软件去搞,并使薄透镜变为实际的厚透镜,得如下结果。
    LRNgpjE}  
    图8综合优化后
    @&!`.Y oy  
    衍射极限的结果就这么出来了,但该设计的公差肯定也比较紧,为了让负透镜能贡献足够的过矫正量,正透镜承担的光焦度比较大了,可以对这片透镜进行分裂来放松公差,以这为基础,下面就很easy了。 ^~iu),gu  
    -P"9KnsO  
    以上,完毕。
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    cyqdesign 光币 +20 原创内容,奖励! 2015-12-18
     
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    离线光杆司令
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    只看该作者 1楼 发表于: 2015-12-19
    非常厉害
    离线strategy
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    只看该作者 2楼 发表于: 2015-12-19
    回 光杆司令 的帖子
    光杆司令:非常厉害[表情]  (2015-12-19 15:32)  AKKp-I5  
    Ch3{q/-g  
    好像感兴趣的人少哎  顶一个
    离线vurtne_000
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    只看该作者 3楼 发表于: 2015-12-19
    支持一下
    离线strategy
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    只看该作者 4楼 发表于: 2015-12-19
    回 vurtne_000 的帖子
    vurtne_000:tai mafan  (2015-12-19 21:12)  l r16*2.  
    ^lI>&I&1  
    简单的过程写出来确实麻烦费劲 /t4#-vz  
    但实际操作起来,时间是极短的,呵呵
    离线yu-xuegang
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    只看该作者 5楼 发表于: 2015-12-19
    1 如果你用codev 的全局优化,这个结构也马上就出来了。 2你用pw必然是先知道结构的,起码是大致的结构。
    离线strategy
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    只看该作者 6楼 发表于: 2015-12-20
    回 yu-xuegang 的帖子
    yu-xuegang:1 如果你用codev 的全局优化,这个结构也马上就出来了。                 2你用pw必然是先知道结构的,起码是大致的结构。                            (2015-12-19 23:56)  (G#QRSXc\  
    1P '_EJ]M  
    1.这里主要是为了说明设计思想问题,而不是软件算法问题,另外,软件的全局优化对简单的系统也许会有效果,但对复杂的系统,是个鸡肋。2.这个逻辑关系反了,用PW法不是必先知道系统的结构,而是利用像差理论和系统需求能推出系统的大概结构。
    在线zcp12121212
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    只看该作者 7楼 发表于: 2015-12-22
    顶一下~~~~
    离线strategy
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    只看该作者 8楼 发表于: 2015-12-22
    回 zcp12121212 的帖子
    zcp12121212:顶一下~~~~ (2015-12-22 10:03)  |_ u  
    ;I5u"MDHGI  
    再顶.....
    离线wenshou
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    只看该作者 9楼 发表于: 2015-12-22
    这个帖子必须顶  看来楼主是一个很赞成事先计算系统初始结构 焦距分配 甚至有可能具体到透镜具体细节的人  一般来说 很多大牛 前辈  都说光学设计参考现有的结构 从现有的结构出发 对于楼主这种手算 尤其是以PWC求解往往嗤之以鼻。不可否认,从现有结构出发的确更快,但我一直有所疑问。如果不能像楼主那种从光焦度分配开始全局谋划,从现有结构来做,是否很容易陷于原始结构的束缚,而且如果能用数学的方式量化结构,那么于我个人感觉而言,应该是一种更脱离经验的方式。技术基于经验积累,应该又不局限于经验。这是我个人看法。轻拍。