光學設計,枯燥中的樂趣
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光學設計是很枯燥的工作!
!\%JOf} 確實,很枯燥。剛入行時,我也這么認為。
4+d(d 和
軟件的關系,一直很擰巴。本應該是左膀右臂的光學設計軟件,成了我們斗爭的對象:不斷的設置繁瑣的像差控制
參數,命令軟件
優(yōu)化、再優(yōu)化,卻眼瞅著優(yōu)化評價數值完全靜止,毫無變化……
.Er+*j;&w 死盯著屏幕,沉寂中蘊藏著涌動。
D60quEe3% 很多時候,特別想把電腦砸個稀爛吧?
{{P 3Z[ 優(yōu)化了很久很久……能不能獲得好的結果,也只能聽天由命。
s,[I_IiPf 我曾如此枯燥的做了好多年光學設計:某像差不符合設計要求時,只知道添加像差控制操作數,設置巨大無比的權重,優(yōu)化結果卻不盡人意:此像差或許確實有提高,但整個
光學系統(tǒng)卻基本崩潰掉了。
8i73iTg( 枯燥的工作狀態(tài)持續(xù)了很久。否極泰來也好,撞大運也好,黑暗中出現了一線光明:偶爾能設計出比較滿意的光路了。
CStNCBZ|\ 隨著工作經驗的積累和對光學設計工作認知提升,逐漸從最初抱怨軟件功能不夠強大,轉變?yōu)樵敢饣ǜ嗟臅r間去思考:無法獲得較好的光學設計結果的原因是什么?
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-d 思考結果如下:
b~>@x{ (1)光學設計原理認知不深;
HiK+}?I (2)光學設計經驗欠缺;
CT|0KB& (3)對軟件優(yōu)化算法缺乏了解。
5TuwXz1v 9x4z m 1、光學設計原理
y,&[OrCm^\ 以色差校正原理為例,色差校正的關鍵點在于玻璃的選擇。其選取規(guī)律如下:
lc5(^~ (1)合適的玻璃對,比如K系列和F系列,可以用來消除色差;
{4vWSb (2)舊的玻璃對組合,
透鏡在消除色差的條件下,可獲得小的球差和小的彗差,但同時匹茲伐和會明顯增大,比相同
焦距的單透鏡的匹茲伐和還要大;
jA:'P~`Hj (3)新的玻璃對組合,即:高折射率低色散為正片,低折射率高色散的玻璃為負片的膠合透鏡組,可降低匹茲伐和,獲得較平的像面,然而球差將處于欠校正狀態(tài)。
m)<+?Bv y (oy@j{G)c6 圖1、三透鏡焦距相同,均為f
=d5;F`m (a)透鏡為K9材料,其匹茲伐半徑為-1.52f
DpmAB. (b)舊玻璃對組合,正透鏡為K9,負透鏡SF1,其匹茲伐半徑為-1.37f
Z*q&^/N (c)新玻璃對組合,正透鏡為SSKN5,負透鏡LF5,其匹茲伐半徑為-2.19f
JLWm9c+UTG (4)消除二級
光譜,實現復消色差,需選擇合適玻璃對,需挑選特種色散玻璃。應選取如圖2示中,偏離正常玻璃線的材料,比如FK61,CaF2等。
a6z0p%sIZ !0zcS7&P 圖2、局部色散圖
3)=ix. wW 了解以上原理,在設計光學系統(tǒng)時,就不會犯原則性錯誤:僅使用一片薄透鏡,妄圖獲取消色差目的;為實現色差、球差、匹茲伐和的最優(yōu)設計,而不適時的調整玻璃對組合;為實現復消色差,卻僅采用普通玻璃……
O_2o/ 光學設計的原理還有其他方面,以上僅僅以色差校正和玻璃選擇為例,論述了光學原理在設計過程中的作用:規(guī)避低級的、原理性的錯誤。
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))`U,Gm 2、光學設計經驗
Z D"*fr 仍以玻璃選擇為例,講述光學設計過程中,經驗對設計工作造成的影響。
lbovwj 以三片鏡為例:玻璃的折射率,對三片鏡光學系統(tǒng)整體性能影響很大,比較三片鏡各個專利,不難發(fā)現:相似結構,采用K系列玻璃為正透鏡的系統(tǒng),與采用LAK系列玻璃為透鏡的系統(tǒng),獲得的光學性能差距巨大。
UJL'4 t/ 有經驗的設計師,以某三片鏡專利為基礎,不增加透鏡數量的情況下,為獲得更好的像質,必然會調整透鏡的材料選取,或者放開透鏡材質的限定,通過軟件優(yōu)化、挑選合適玻璃。