光学工程师需知

本文从DON的书中翻译。

这是每个镜头设计师应该意识到并遵循的概念和实践的列表。鼓励那些想更深入地探讨这些主题的人阅读有关这个主题的近期的书籍，这些书建立了这些概念背后的数学理论。在我们看来，一个实践设计师不需要研究的那么深。
1. 透镜是通过观察“光线”的路径而设计的，它并不真正存在，但有用而且非常精确，只要不用光波长相比拟的尺寸检查细节。
2. 复杂透镜的性能取决于每个单片透镜的像差贡献。正和负透镜对像差的贡献符号相反，因此通常需要光焦度的组合。
3. 像差会在三种情况下出现：
a) 相对于表面法线的陡的光线入射角有助于高阶像差，因为折射定律更强烈地偏离近轴版本。这样的角度通常是需要避免的。这些像差更难以校正，需要更复杂的透镜去平衡它们。有时它们是无法避免的，然后必须努力平衡许多像差。这通常需要许多透镜元件。
b) 单片透镜的弯曲影响了Abbe正弦条件是否满足，并且是校正许多像差的有用变量。
c) 玻璃的色散产生并且可以用来校正色差。
4. 如果镜头显示在孔径上变化但在视场上相对恒定的像差，用光瞳或光阑附近的透镜来校正它们。
5. 如果像差随视场角而强烈变化，而不随光阑位置变化，则用像平面附近的透镜校正它们。
6. 上述两种情况都可以通过自动透镜插入（AEI）功能来检测和处理。
7. 如果你的透镜性能良好，有时可以删除一个元件，并且几乎无像质损失。自动元素删除（AED）功能可以测试这种可能性。
8. 有时可以通过反复运行AEI和AED来改善透镜，从而逐步改变透镜结构。
9. 如果一片透镜是强弯曲的，有时可以通过翻转弯曲来找到不同的求解区域。弯曲翻转优化（BFO）功能可以自动做到这一点。
10. 如果你的透镜中的每一片透镜都造成大量的像差，即使最终图像看起来很好，你也可能会得到严格的公差，因为即使这样的设计中的一个小的错位也会造成失衡。需要公差脱敏技术。只要满足成像目标，就希望元件的像差影响尽可能弱。THIRD CPLOT命令将显示每个表面的三阶像差贡献，并且可以看到它们最大的位置。如在第10章和第13章中讨论的，评价函数中的脱敏目标常常可以放宽公差。
11. 用不太接近于光阑的元件校正畸变，如上面的第5条所述。
12. 如果可能的话，尝试使用DSEARCH或ZSEARCH。这些功能是能够快速和良好的寻找透镜结构。（除非你已经有了一个好的结构，那么问题就很简单。）
13. 如果问题的几何特性允许的话，目标是具有某种对称性的透镜。这将使许多视场像差更容易校正。
14. 如果二次色差是一个问题，尝试第12章和第34章中描述的玻璃类型。搜索有时会自动找到这些组合，并且可以按照这些章节中的指导来控制这个过程。
15. 忘记早期文章所建议的内容。其中一个是在开始设计时首先选择玻璃类型。今天，让程序用GLM变量或搜索找到玻璃库的最佳区域，然后在最后一步给设计赋予真实玻璃。另外有文章说，在设计四片式透镜时，应该设计两个双透镜，分别校正它们，然后组合它们。这是胡说八道。DSEARCH可以自行设计透镜，效果会更好。
16. 如果需要或接近衍射极限的性能，请确保您的评价函数包含OPD目标。有时，用OPD和TAP目标的组合来获得最好的结果。有时GO2目标将产生比GNO更好的图像。这个选项的目标是OPD的平方，它倾向于忽略小误差并集中处理较大的误差上。谁也无法预测哪种方法最好，你只需尝试一下。
17. 为了在一个给定的MTF频率上实现性能峰值，首先应该使设计尽可能接近OPD像差，然后使用GSHEAR射线栅格选项。当MTF非常接近目标时，可以切换到MTF像差，看看情况是否有所改善。GSHEAR以光瞳中分离点的OPD差为目标，这个差在截止频率上控制MTF。
18. 不要尝试将三阶像差校正为零；你需要它们来平衡更高阶像差。有时可以通过减少给定元件或组的像差贡献来减少间距和对准灵敏度，但是要小心，因为像差平衡可能被丢弃。
19. 如果在设计中允许使用非球面，逐步增长他们。使用自动非球面分配（AAA）来确定哪个表面应该是非球面的。该功能将添加一个圆锥常数到最佳位置，然后可以运行自动G变量测试（AGT）来确定哪个非球面系数在那个表面上是最有用的。例如，使用高阶非球面项来校正离焦是没有意义的，所以只有当透镜在没有非球面已经尽可能好时添加非球面。设计塑胶元件是例外，塑胶元件在早期通常是非球面，但即使如此，开始仅用几个高阶项，当需要时添加更多高阶项。
20. 评价函数应该包含一个完整的问题描述，这包括机械要求以及光学需求。一些设计者只想要在MF中的图像质量，但是如果透镜不满足需求，获得一个完美的图像是没有意义的。如果程序知道你所有的目标，它会倾向于满足这些目标的设计。这正是你想要的。
21. 人们无法总是预测一个给定的优化运行的结果，并且通常会出现一个事先没有预料到的新的问题。透镜设计的过程主要包括当发现缺陷时根据需要修改MF。所以改变MF并继续前进。如果你走进一条死胡同，什么也不起作用，是时候尝试不同的搜索结果了。
22. 经常使用检查点，并保存你的透镜的中间版本，只要你有实质性的改进。如果以后版本中出现了意想不到的问题，你可能希望再回到那个版本。
23. 除非你做完一张公差表，否则你的工作还没有完成。我们知道一个专家设计师把他的设计发送给客户——期望客户计算预估公差。这是不专业的。如果可以通过适当改变设计来放松公差，那就是你的工作。顾客不知道怎么做。BTOL是在大多数情况下使用的工具。
24. 熟悉加工工厂实践是个好主意。观看装配师制作精确的表面使设计师虚心。然后，设计师可能对他送去加工工厂的设计中固有的挑战更加敏感。设计师应了解他们什么容易加工，什么加工困难，并尽量减少他们加工的困难地方。例如非常薄的边缘，这对透镜制造商提出了挑战，即使优化程序本身没有问题。观察半月板透镜，其中两个边缘的曲率中心彼此非常接近。这种透镜很难制造，因为用于消除楔形误差的方法不能很好地工作，如第50章所解释的那样。AMS监控器可以帮助这种情况。如果表面几乎是平的，使它完全平坦。如果一片透镜具有两个几乎相等的半径，使它们完全相等。然后没有机会将镜头插入到装配组中。
25. 如果你的DSEARCH或者ZSEARCH运行的结果不是你想要的，是时候改变一些输入的参数了。即使是很小的变化可以产生极大的效果。需要考虑的内容包括
光阑固定STOP FIX或者自由Free
RSTAR值，可能多于一个值
TSTART值
ASTART值
RT值
包括OPD，TOPD，OPSHEAR，或者 TOSHEAR
FOVs的数目
视场的权重
网格内的光线数量
迭代次数
打开或者关闭QUICK模式
模拟退火迭代次数
尝试改变开关95和67。他们通常有不同的路径。
考虑探索这些参数的所有潜在组合似乎令人怯步，但你不应该这么做。在我们的经验中，大多数组合返回优秀的起点，而尝试其他的目的是给你更多的选择。我们通常从一次到第四次尝试获得优异的结果。

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