首先我们看优化好的透镜结构是否合理,打开3D Layout图:
从上图中可以明显看出,优化出来的透镜变的非常厚,已经成为了一个圆柱形,这对实际加工来说是不合理的。这也说明我们在设置优化目标时没有对透镜的厚度进行限制,导致很厚或很薄的镜片产生。那们我们先来修正评价目标,将透镜厚度边界条件加入到评价函数中。设置透镜最小中心和边缘厚度为2mm,最大中心厚度为10mm:
重新优化后:
在透镜结构合理后,我们来看单透镜的成像效果,打开光斑图,快捷键Spt:
可以看到三个视场的RMS光斑分别为:14um,52um,92um,从光斑逐渐变大的趋势来看,可以想像到我们的像面位置应该处于第一个视场聚焦点,由于场曲存在,使第二,第三视场的光斑越来越大。为了改善这种情况,我们来分析我们的系统,在一开始初始结构设置时,我们使用了一个边缘光线高度求解类型,这就限制了像面位置只能在近轴焦平面处,所以极大地限制了光斑的优化。
我们将光标置于第二表面的厚度栏上,按下键盘上的Ctrl+Z键,将求解类型改为变量,再重新优化后光斑变为35um,14um,47um,有了稍微的提高:
在前面的技术文章中我们讲过光学设计基础像差的表示形式及解决办法。从上面光斑图中可以明显看出这个单透镜系统具有的两种主导性像差:像散和场曲。(提示:第三视场光斑椭圆形状,三个视场光斑大小差距)
这种情况下系统像质能不能提高?这时我们应针对占主导的像差来分析。想继续提高单透镜的成像光斑效果,需减小系统的像散和场曲。像散和场曲是与什么因素相关呢?视场!在这个单透镜的初始结构中默认的光阑位于透镜的前表面。我们可以通过改变视场来改变外视场的像差,当然系统设定的视场角度是不能改变的,但我们可以改变光阑的位置来改变不同视场的光线与透镜的高度。
在第一个表面前面插入一个新的表面,在新的表面最左边一栏中点右键打开表面属性对话框,将这个表面设置为新的光阑面,将这个表面的厚度设置为变量:
这样就把视场光阑移到了镜片的外部,通过再次优化,不同视场在透镜上的高度被重新分配,从而可以较好的校正轴外视场的像差:
优化后三个视场的光斑大小变为:16um,13um,21um,相比之前的35um,14um,47um有了较大的提高。但此时透镜比之前的口径变大了。另外,光阑远离透镜还会引入较大的畸变,目前的系统变化前后畸变相差10倍左右。
我们使用像模拟功能给大家展示光阑在透镜面上与光阑在透镜外的两种成像效果,请大家仔细分辨两幅图的区别:
由于单透镜可优化的变量有限,仅有一个有效的曲率半径和一个光阑位置变量是难以达到更高的成像效果。透镜厚度变量是一个弱变量,它在优化时不能有效改变评价函数结果。所以单透镜的设计到目前为止就结束了。想进一步提高像质,可增加镜片或使用非球面,这些我们将在以后的技术文章中逐渐讲解。