具有精密公差的塑料（和玻璃）非球面模制透鏡繼續(xù)實現(xiàn)更加雄心勃勃的（移動相機）緊湊型非球面設計。因此，讓我們討論一下緊湊型非球面透鏡設計的一些技巧。

球面通常用于經(jīng)典透鏡設計，因為它們易于制造。然而，球面表面有局限性，其中一個限制是球面像差，這是一種光學效應，在形成圖像時會導致入射光線聚焦在不同點。這種效應會導致光學系統(tǒng)中的圖像不太完美。另一方面，非球面表面將光線聚焦到一個小點，相對沒有模糊并提高圖像質量。

雖然具有球形的表面更容易制作，但與非球面表面相比，通常需要更多球形表面來減少圖像模糊。這意味著非球面透鏡可用于取代多個球面透鏡，從而創(chuàng)建更小、更輕且生產(chǎn)成本更低的設備。

隨著透鏡系統(tǒng)變得越來越緊湊和復雜，圖像分辨率變得越來越重要，光學系統(tǒng)中的非球面表面變得越來越重要。不幸的是，傳統(tǒng)的非球面設計方法在制造和測試這些組件時存在固有的復雜性。要加強非球面透鏡設計并提高工作效率，請嘗試這些 CODE V 設計和分析技巧。

結合玻璃和塑料元件，以校正鏡頭焦點隨溫度的變化

許多光學系統(tǒng)需要在很寬的溫度范圍內(nèi)工作。例如，同一個手機攝像頭模塊需要在芝加哥的嚴冬和死亡谷的灼熱夏季產(chǎn)生卓越的圖像，死亡谷的溫差約為90華氏度。用于軍事和航空航天應用的光學系統(tǒng)有望在更廣泛的溫度環(huán)境中表現(xiàn)良好。溫度變化會影響光學系統(tǒng)的許多參數(shù)，包括元件半徑、元件厚度、折射率和空域厚度。為較大的溫擺設計光學系統(tǒng)是一項復雜的任務。設計這種光學系統(tǒng)的一個技巧是結合玻璃和塑料元件。

玻璃和塑料元件具有不同的熱性能，使設計能夠在一定溫度范圍內(nèi)保持焦點。使用 CODE V 微距功能@MTF_PEAKFOC來評估鏡頭焦點隨溫度的變化（熱焦距偏移）。

樣品鏡頭的規(guī)格如下：

20°C時最佳對焦：-1.4微米

45C 時最佳對焦：0.0 um

70C 時最佳對焦：1.1 um

熱焦距偏移

= [（+1.1微米） – （-1.4微米）]/[70C-20攝氏度]= 0.05微米/度

在代碼 V 中使用宏 PLUS 實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)可視化

緊湊的非球面設計通常有一百多個變量，并且性能可能具有復雜的瞳孔和場依賴性。分析設計需要對場和瞳孔進行精細采樣。CODE V Macro-PLUS為數(shù)據(jù)可視化提供了一個強大的工具，用于研究這些設計的行為。

使用宏觀加提取感興趣的數(shù)據(jù)

由于緊湊的非球面設計的復雜性，理解分析結果可能是一項艱巨的任務。例如，由 CODE V 生成的通過焦點 MTF 圖總共包含 30 條曲線，如下圖所示。很難從呈現(xiàn)的大量曲線中觀察到峰值焦點與場之間的關系。在這種情況下，我們可以使用宏根據(jù)通過焦點MTF數(shù)據(jù)繪制峰值MTF焦點與場的關系，如右圖所示。使用 Macro-PLUS 生成提煉的表示形式可提供更清晰的數(shù)據(jù)可視化。

Macro-PLUS 的另一個重要應用是匯總公差分析結果。公差分析生成累積概率圖。當需要許多場時，例如對于緊湊的非球面設計，很難將性能與場相關聯(lián)。例如，包含 11 個字段的蒙特卡洛矢狀和切向容差分析 （TOLMONTE） 的結果如下所示。

要提高數(shù)據(jù)的可解釋性，可以使用 Macro-PLUS 繪制選定的累積概率與字段的關系。下圖將 TOLMONTE 的結果提煉為 70% 累積概率與相對字段之間的簡單關系。

對齊峰焦點以改善焦深

對于經(jīng)典的鏡頭設計形式，最佳焦點通常位于由Petzval曲率定義的曲面上。相反，對于緊湊的非球面設計，最好的焦點可能位于高度非球面的表面上。在優(yōu)化文件中包括函數(shù)@MTF_PEAKFOC以將峰值焦點限制在平面上將改善設計焦點深度。通常，針對更大的焦深進行設計可以提高竣工性能，還可以提高熱性能。

使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)執(zhí)行快速蒙特卡羅分析

蒙特卡羅分析允許您在優(yōu)化期間密切關注竣工性能。然而，光線追蹤緊湊的非球面系統(tǒng)比經(jīng)典系統(tǒng)需要更長的時間，蒙特卡羅公差也需要更長的時間。在這種情況下，您可以執(zhí)行快速蒙特卡羅分析，其中蒙特卡羅運行較少，然后使用 Macro-PLUS 腳本計算蒙特卡羅結果的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這樣，您可以使用最少的試驗次數(shù)最大化獲得的信息。即使只有五項試驗可以提供有用的信息，如下圖所示（例如：快速統(tǒng)計蒙特卡羅研究）。

評估全視場熱焦位移

對于緊湊的非球面設計，由于此類系統(tǒng)復雜的場依賴性，最佳焦點可能會因場而異。熱焦距偏移也可能在視場范圍內(nèi)發(fā)生顯著變化。如左圖所示，標稱設計在整個熱范圍內(nèi)可能具有良好的MTF，但在大視場角下具有明顯的熱焦距偏移，如右圖所示。熱焦點偏移將降低整個溫度范圍內(nèi)的竣工設計性能。評估整個視場的熱焦距偏移可以減少這種差異。

總結

CODE V 提供設計和分析功能，使光學工程師能夠利用非球面設計提供的獨特圖像質量和成本效益。

審核編輯：郭婷