CODE V 2002IODC镜头设计问题求解
问题背景 `dG;SM$T,
uJ
-$i
国际光学设计会议（IODC）以前称为国际镜头设计会议，从上世纪60年代起，几乎每四年都会举行一次。在每次会议上，会议组织方都会假设一个设计问题，由参与者来进行求解。这些问题通常都比较晦涩难懂，以至于难以实现商业应用，故此而避开专利或者所有权的问题。 ?L7DVwVa,I
e4SS'0|
2002年镜头设计问题 2O
Ur">_
Ø 设计一个折射镜头，具有类似全息元件的轴向色差 _!qD/ [/
Ø 光谱从400到750nm，共15个波长 \
*[Ht!y
Ø 零视场（只有轴上视场） qb=2J5su
Ø 所有光谱范围后焦距大于0 GI/NouaNfm
Ø 在中心波长575nm x@Z{5w_a
■ F数为8 )Bn
}|6`
■ 焦距100mm Q| h$D~
■ 几何RMS点列图最小 K+!e1
'
Ø 只能使用肖特玻璃和球面 X+N5iT
`| ?<KF164
求解过程 (b//Yyq N
CODE V建模 XV]xym~
两种可行方案
_$c o Y
1) 变焦镜头，15个波长和变焦位置 ||QK)$"
变焦参考波长和权重 x0 J W
可以使用变焦的近轴像面求解 1b3k|s4
绘图复杂等 1g{}O^ul
2) 非变焦镜头，除了参考波长575，其它所有波长权重为零 [;Lgb gt3f
只要可以计算所有波长的后焦距就行 4~h 0/H"
最终选择第二方案 {{Ox %Zm
评价函数 mI,lW| /l,
规定的评价函数是575波长的RMS点列图半径和相对于全息元件的近轴焦移RMS的加权RMS y!P!Fif'
指定波长λ的焦移由下式给出 h >D;QY
[BFL(λ)-BFL(575)]-100(575/λ-1) *cXq=/s 所有对应的15个波长数据平方和后开根号即得到RMS值 XdCP!iq*8 计算此评价函数的理想方式是使用宏程序 C{85#`z` 1) RMS点列图半径: 5 ["3[h 以NRD 100运行SPO，将文本输出捕获到Buffer中，得到显示的RMS点列点直径，除以2即得到半径值 2A~o)7JaZ 2) 每个波长^W的焦移值:-(hmy si w^w)/(umy si w^w)-100*(575/(WL W^w)-1)色差校正 r/'!#7dLG- 单个的玻璃元件蓝光聚焦短而红光聚焦长，而对于普通的消色差双镜片，单个元件的光焦度要比总光焦度要大，以使两个波长相遇。在这个镜头中，这两个颜色不只是要相遇，更要相交以使红光聚焦短而蓝光聚焦长。因此，我们需要光焦度非常大的元件，同时，二阶或更高阶色差也很重要，这样我们可以达到全息元件的色散曲线。 }i"[5 : 色差校正公式 1gkpK`u(B 对于N个接触薄透镜，总光焦度仅仅是单个透镜的光焦度之和 4x[_lsj Ф=ΣΦk 7:?\1 a 每个透镜的光焦度是波长的函数Φj,k=ck(nj,k-1) ]VKQm(,0 因此每个波长的总光焦度为Фj=ΣΦck(nj,k-1) j
[ l S.Lb 薄透镜求解 ZN $%\,< 如果使每个波长的总光焦度Фj等于全息元件的光焦度，并且波长数与元件数相等，那么薄透镜的解则是如下的一个线性方程组的解100×575/λj=ΣΦck(nj,k-1) L}rZ1wV 6 这样便很容易生成起始设计结构和考虑玻璃类型。 HP]5"ziA 求解线性方程组 -`X S2 CODE V并没有提供直接的宏或者宏函数用来求解线性方程组，但是我们有一个奇异值分解SVD的宏，我们在一本著名的“数值方法”书中发现了利用SVD进行线性方程组求解的方法 : Q("
寻找合适的玻璃组合 F ><_gIT 通过一个玻璃列表文件和线性方程组求解方法，编写宏程序分别产生三个、四个和五个元件的薄透镜解，该宏遍历所有可能的玻璃组合。 最终结果 we` BqZV Ø RMS焦移图有6个节点 /}~=)QHH Ø 20个元件，11个胶合面 -fFtHw:kHh Ø 受17阶球差限制 bpZA% {GS Ø 经过彗差校正，因此是真正的f/8 U&B Cd$ Ø 总长125mm PY7H0\S) Ø 评价函数0.00044 [attachment=49141] KF+r25uy[+
[attachment=49142] @,.D]43
GD.Ss9_h1 最终设计的焦点位移图结论 |;~ =^a3?q Ø 详细的进行近轴分析准备会很有帮助 qH4|k 2Lm Ø 宏程序对评估玻璃组合和重复计算都非常便利 \;~Nj# Ø 文中的设计在40个作品中位列第8，更好的设计其尺寸都相当长，胜出的作品长达1km，同样使用CODE V完成 jdJT OT Ø 建议近轴解的元件之间彼此远离，这会比较有用，但是这些方程是非线性的，会更难求解 ;LP3 Ø 在确定玻璃类型后，使用全局优化可能会有帮助 ) dk|S\ i;9X_?QF （原文链接：http://www.cybernet.sh.cn/solution/s63.html，来自莎益博工程系统开发（上海）有限公司官方网站）
|