理论分析在镜头设计中的指导意义（实例）

ccxz

海绵宝宝 发表于 2024-9-28 23:08
1、大佬，删除透镜一般是删除弱光焦度透镜，为什么删除后组右二的正透镜呢？相比其它透镜，它的光焦度不 ...

多谢大佬回复，我再去试一试

ccxz

  大佬，这是我进一步优化的结果。我是这样子分析的结构：
  左1的作用是减小入射角，同时配合左2实现消除场曲。左3意义不明。、双胶合透镜实现消除色差。右2的厚透镜消场曲，最后一片意义不明，个人认为是抬高出射角。
  这样子理解正确吗？感觉对结构的分析不是很清晰。
  赛德尔图中显示残留大量负球差，应该添加负透镜进行补偿。但在左2、3透镜处光束快速会聚，发生了较大的偏折，应该增加正透镜来分担偏角，这里产生了矛盾。
  您有什么建议吗？

海绵宝宝

ccxz 发表于 2024-9-29 20:16
大佬，这是我进一步优化的结果。我是这样子分析的结构：
  左1的作用是减小入射角，同时配合左2实现消除 ...

1、左1是负透镜，确实有减小视场角的作用。左2和左3可以看做一个整体，与左1搭配实现场曲的校正。

2、左2和左3的透镜材料折射率和阿贝数都比较接近，并且同为正透镜，可以认为是通过透镜分裂减少像差的产生。

3、双胶合透镜几乎没有消色差的作用，材料搭配为负透镜H-ZF72A(1.9229,18.896)+正透镜F7(1.6364,35.386)，虽然两种材料的阿贝数有一定的差异，但分类上来看，两者都属于火石玻璃，色差校正作用很弱。正常消色差组合应该是高折射率高色散材料搭配低折射率低色散材质。

4、右2的厚透镜应该是有一定的场曲校正作用，但多的可能是对球差、彗差和像散的校正折中。场曲分类上属于视场像差，视场像差的校正应该在各视场光束分离比较明显的地方，右2的厚透镜处，各视场光束重叠明显，各视场的主光线在校正过程中是很容易互相掣肘的。相比右2，右1透镜的场曲校正作用更为明显，右1显然可以在轴外视场引入比轴上视场更多的负光焦度，有利于将轴外视场的会聚点推向更远的地方，从而实现平场效果。

5、右1透镜的光束斜向上实际上是在减小孔径像差。可以想象，假如像面是远心的，主光线是垂直入射到像面的，那么右1透镜的孔径肯定是要大于像面尺寸的（目前右1透镜的孔径小于像面尺寸），孔径的增加，会直接导致孔径像差的增加。

6、赛德尔图中的像差只是表征了初级像差，我们并不知道高级像差是否对初级像差有所补偿，因此，不好直接下结论判断。

7、有留意到，评价函数中有用到GMTT和GMTS，频率为145线对。这个阶段尚不建议使用GMTT和GMTS之类的操作数拉高MTF。

从MTF图可以看到，边缘视场9的子午MTF的第一触点在79线对左右，之后的都属于伪分辨率，是不作数的。如果评价函数中加入了GMTT去控制145线对的MTF，那么软件优化的方向很有可能被误导，它会把第一触点的位置往低线对移动，使得145线对处的MTF提升，即使这种提升是虚假无意义的。优化也会因此更容易陷入局部极小值。

综上，建议如下：

1、取消GMTT和GMTS的控制，对系统材质进行锤形优化；

2、锤形优化至胶合透镜的材质符合“高折射率高色散材料搭配低折射率低色散材质”的特征，再做下一步打算。

ccxz

海绵宝宝 发表于 2024-9-29 22:48
1、左1是负透镜，确实有减小视场角的作用。左2和左3可以看做一个整体，与左1搭配实现场曲的校正。2、左2 ...

  确实如您所料，在这个结构中双胶合透镜以及右2透镜作用不明显。



  更换双胶合透镜材料后进行优化，发现左2透镜变成大光焦度厚透镜，将其分裂后再优化，得到如下结构。

  有一点不懂，左3和4两片折射率和阿贝系数差别不大，也就是一片透镜分裂，那么它的作用是什么呢？
  我的理解：分担光焦度，减小入射角，减小像差的产生。但在4透镜入射出射光线有明显高度差，所以主要作用还是校正场曲。
  最后就是右1和右2透镜。为什么右1负前凸效果会比凹的效果好呀？如果使用前凹的话，光线入射角出射角都相较于前凸小，产生的像差应该会小一些。




下面这个是反转后的结果，发先结构好多都是围绕校正场曲展开的，如果想进一步提高，是不是依然是围绕场曲校正入手呀？

海绵宝宝

ccxz 发表于 2024-9-30 11:24
确实如您所料，在这个结构中双胶合透镜以及右2透镜作用不明显。

有一点不懂，左3和4两片折射率和阿贝系数差别不大，也就是一片透镜分裂，那么它的作用是什么呢？
  我的理解：分担光焦度，减小入射角，减小像差的产生。但在4透镜入射出射光线有明显高度差，所以主要作用还是校正场曲。

==我觉得校正场曲只是一个方面，可能还不是主要方面。在像差校正中，只有场曲和色差的校正对应的透镜形态是最为明显的。如果觉得它没有明显的特征，大概和彗差和像散的校正有关。
最后就是右1和右2透镜。为什么右1负前凸效果会比凹的效果好呀？如果使用前凹的话，光线入射角出射角都相较于前凸小，产生的像差应该会小一些。

==比较文件2和文件3的结构，差异最大的是右1透镜。可以看到，文件3的右1透镜背向光阑，光束经过透镜表面时光线的偏折显然要更严重，这意味着文件3在该透镜上产生了高级像差，这种高级像差是镜头系统所需要的，这样才好解释MTF的拉升。可以看到，文件3的右1透镜，边缘视场光束的上下边缘光线，出现了明显的不对称偏折，这种非对称的光线路径是彗差和像散校正的特征。这意味着是非对称像差彗差和像散限制了文件2的成像质量。并非所有的高级像差都是不好的，很多时候它有利于系统对初级像差的补偿，高级像差很多时候只是对公差不友好。




建议：
1、分裂厚的弯月透镜，在分裂优化的过程中如果遇到弱光焦度的透镜，适时删除。
2、比较相同透镜数量下不同镜头形态的指标以及量产性效果。

ccxz

大佬，我仔细对比了您的结果和我的结果，如下图所示。上为您的结构，下为我的结构。



      


主要区别在左2、右1的光焦度上。
您左2是弱正光焦度，而右1为强负光焦度。我的结构中，皆为弱负光焦度。您的结构中像质基本满足，只是焦距需要改进。而我的结构中只能满足fft、弥散斑。
1、有点好奇是什么因素导致了看似相似的结构但是有如此大的差别？那只能是光焦度分配了吧。那么这种分配区别源起何处？

2、从光路走势来看，您的光路更平缓，按理来说像质更好，但fft和弥散斑却没有明显优势。

3、我结构中左4厚透镜作用不明，它是大光焦度厚透镜，有向平凸或弯月发展的趋势。那么在此处主要功能是什么？
     我觉得应该是校正畸变吧，因为它的第二面几乎是平面，光线偏角主要由第二面承担，可以产生比较大的畸变。

4、关于透镜分裂的操作。我已经对左4进行分裂，左3为其分裂出来的部分。但左4结构没有发生大的变动，它始终保持较大光焦度。
     难道是我的分裂操作有问题吗？还是此处存在光焦度需求需要校正某像差？
     操作如下：先等光焦度进行分裂，然后对全部半径、厚度进行优化。之后将分裂后的两块透镜材料、半径、厚度以及整个结构全部半径进行锤型优化。


5、由于右2是一个大折射率，大光焦度透镜，所以对他进行了分裂。先将其变成两块相对的平凸透镜，分担偏角。然后进行优化。
     结果发现，生成一个负透镜右3，右1、2光焦度更大，折射率也更大，向着事与愿违的方向发展了。
     不过场曲和畸变得到了一点校正，而且左4透镜也变薄了，这算是应证了第二点中，左4透镜对畸变的矫正吗？



6、我觉得目前应该没有什么透镜可以分裂了，只有光阑右侧存在大的空隙，而且前组缺少色差校正模块。所以我觉得应该是在光阑左侧插入双胶合透镜吧，于是进行了如下尝试。
    初始时想同光阑右侧的双胶合透镜形成对称，但复制材料优化后会出现一个很弱的负透镜，而且胶合面也为平面。将其删除后重新优化，发现畸变得到了很好的校正，满足了要求。但这也堵死接下来优化的头绪。
     结构中已经存在很多负透镜了，唯一能入手的就是左3、4、5这三片连续的正透镜了。
     此外，结构中fft目前有牺牲空间。可惜不知该如何操作，只能放低操作数中的权重。


     

海绵宝宝

ccxz 发表于 2024-10-7 11:10
大佬，我仔细对比了您的结果和我的结果，如下图所示。上为您的结构，下为我的结构。

主要区别在左2、右1的光焦度上。
您左2是弱正光焦度，而右1为强负光焦度。我的结构中，皆为弱负光焦度。您的结构中像质基本满足，只是焦距需要改进。而我的结构中只能满足fft、弥散斑。
1、有点好奇是什么因素导致了看似相似的结构但是有如此大的差别？那只能是光焦度分配了吧。那么这种分配区别源起何处？
我觉得光焦度分配不是主要原因。不同的人设计时侧重点有所不同，效果上有差异本是正常情况。我觉得您的设计也是很好的。

个人认为，光焦度的分配以及镜头的架构很多时候不是因而是果，是评价函数、锤形优化以及设计者的主动引导的结果。锤型优化的随机性影响最大的我认为是材料的变化，尤其是阿贝数的变化。阿贝数的变化很容易引起色差的变化，色差补偿量的变化会引导系统对单色像差校正和色差校正的权重变化，这种权重的倾斜很容易引起透镜形态以及光焦度分布的改变，因此认为光焦度的分布是果。

时代不同，以前算力不足时，需要优先定义初始结构，然后做比较小的调整，那时光焦度分布确实是因，只是现在预设光焦度分布意义已经不大了。

若说区别，从阿贝数来看，两个设计的胶合透镜材料组成不同，H-ZF52&H-ZPK1A以及H-ZF72&H-BAF3，两者的色差校正能力有些差异，右一透镜一个是H-QK1一个是H-ZLAF89LA，一个是冕玻璃，一个是火石玻璃，但它们都是负透镜，所引入的色差是异号的。这两点的区别是比较大的。厚弯月透镜对材质要求相对要低，因此对材质的选取相对宽容，在这里不作为主要的研究对象。

2、从光路走势来看，您的光路更平缓，按理来说像质更好，但fft和弥散斑却没有明显优势。
光路平缓我认为是公差不敏感以及高级像差少的特征。要使得光路平缓，在相同的光束起点和终点的情况下，意味着透镜数量要增加，因为光线在折射面前后是直线传播，镜头整体来看是“折线”形态，只有增加了足够多的透镜，增加折射面，才可以让光束路径近似是“曲线”形态，因此，光路平缓意味着透镜数量多，透镜数量多，像质就很容易变得更好。

但是这个镜头不同，透镜数量是不足的，不应该用光路平缓与否来评价。这种镜头要获得较好的像差校正效果是需要引入高级像差的，与高级像差对应的光线形态是大的折射角度和突变。

3、我结构中左4厚透镜作用不明，它是大光焦度厚透镜，有向平凸或弯月发展的趋势。那么在此处主要功能是什么？
我觉得应该是校正畸变吧，因为它的第二面几乎是平面，光线偏角主要由第二面承担，可以产生比较大的畸变。
主要功能不明确。但如果说它校正畸变，给出的理由有点站不住脚，如果说光线偏角主要由第二面承担，那么除了主光线以外的孔径边缘光线也同样有偏折，那对球差也有比较大的校正作用呢。
4、关于透镜分裂的操作。我已经对左4进行分裂，左3为其分裂出来的部分。但左4结构没有发生大的变动，它始终保持较大光焦度。
难道是我的分裂操作有问题吗？还是此处存在光焦度需求需要校正某像差？
操作如下：先等光焦度进行分裂，然后对全部半径、厚度进行优化。之后将分裂后的两块透镜材料、半径、厚度以及整个结构全部半径进行锤型优化。
分裂操作麻烦了一点，一般来说厚弯月透镜直接分裂成一个平凸和一个平凹透镜就可以接着优化了，不需要等光焦度。但经过锤形优化之后操作过程对最终结果影响不大。

“此处存在光焦度需求需要校正某像差”这种猜测我觉得是合理的。
5、由于右2是一个大折射率，大光焦度透镜，所以对他进行了分裂。先将其变成两块相对的平凸透镜，分担偏角。然后进行优化。
结果发现，生成一个负透镜右3，右1、2光焦度更大，折射率也更大，向着事与愿违的方向发展了。
不过场曲和畸变得到了一点校正，而且左4透镜也变薄了，这算是应证了第二点中，左4透镜对畸变的矫正吗？
右2透镜是高折射率大光焦度平凸正透镜，不太符合透镜分裂的要求，就是性价比不高，如果说这个透镜是高折射率大光焦度双凸正透镜，建议分裂。原因描述详见

http://www.optzmx.com/thread-35534-1-1.html

P102页

场曲和畸变的校正不能直接说明“左4透镜对畸变的矫正”。像差校正是个有机过程，有没有一种可能是，场曲和畸变是通过折中其他指标实现的。

我觉得比较直观的结论是，光阑右侧更适合通过“正负光焦度组合”而不是“透镜分裂”的方式校正像差，前者更多用于像差已经产生的场合，后者则往往用于像差起源处的校正。

6、我觉得目前应该没有什么透镜可以分裂了，只有光阑右侧存在大的空隙，而且前组缺少色差校正模块。所以我觉得应该是在光阑左侧插入双胶合透镜吧，于是进行了如下尝试。
初始时想同光阑右侧的双胶合透镜形成对称，但复制材料优化后会出现一个很弱的负透镜，而且胶合面也为平面。将其删除后重新优化，发现畸变得到了很好的校正，满足了要求。但这也堵死接下来优化的头绪。
结构中已经存在很多负透镜了，唯一能入手的就是左3、4、5这三片连续的正透镜了。
此外，结构中fft目前有牺牲空间。可惜不知该如何操作，只能放低操作数中的权重。
建议把目前的8透镜系统通过将弯月透镜分裂的方式增加到11透镜系统，再简化成8透镜~9透镜的样子。通过这样的方式对镜头架构进行一个比较大的调整。优化过程中控制一下透镜的成本以及加工工艺。

ccxz

  大佬，我又进行了分裂，生成了左3和左4透镜。修改评价函数后各项指标基本满足了。
  这是我划分的特征组，左5透镜比较尴尬，不知道该如何划分。
  1、因此有个问题，当透镜组中出现两个及以上厚透镜时，如何解读他们的功能？


  2、目前主要问题就是焦距和像面、畸变之间的互相制约，只能满足一个，要么焦距达标，要么像面和畸变达标。从光焦度来看负透镜或处于比较低的位置，或光焦度很弱，不知道为什么还是满足不了要求。


  3、相对照度的控制是不是最后环节再加入也行？因为发现如果评价函数中加入此部分的话，锤型优化会换不动材料。
  4、您对畸变操作数编写有什么建议吗？我评价函数中畸变控制写的很复杂。

海绵宝宝

ccxz 发表于 2024-10-15 17:06
大佬，我又进行了分裂，生成了左3和左4透镜。修改评价函数后各项指标基本满足了。
  这是我划分的特征组 ...

1、因此有个问题，当透镜组中出现两个及以上厚透镜时，如何解读他们的功能？

不好解读，尤其是视场和孔径都不是很极端的那种情况。每一个透镜大概率都在折中视场像差和孔径像差。

比如左一的透镜，轴外视场像差的校正是主要的，因此采用了弯向光阑的弯月形以顺应轴外光束的走向，为了达到最佳的效果，折射率应是越高越好，但它选择了H-ZLAF69，折射率只有1.816，阿贝数是46.549，折射率是偏低的。他没有选择折射率1.946的H-ZF88，大概率是对色差的让步。H-ZLAF69几乎是折射率和阿贝数的最佳折中材质。

对透镜功能的解读，往往只能局限在镜头的一头一尾，中间区域的透镜对孔径像差和视场像差折中太多，特征已经不明显的。比较明显的就只剩下胶合透镜了。

2、目前主要问题就是焦距和像面、畸变之间的互相制约，只能满足一个，要么焦距达标，要么像面和畸变达标。从光焦度来看负透镜或处于比较低的位置，或光焦度很弱，不知道为什么还是满足不了要求。
我觉得并不是镜头的布局或者光线的形态满足设计者的想象就理应满足规格要求。规格是人定的，具有很强的主观性并且不见得就是合理的，没有说多少个镜片或者怎样的体积就一定就能满足规格要求。
很多时候我们的目的是超过同行，而不是完全满足规格指标。
  3、相对照度的控制是不是最后环节再加入也行？因为发现如果评价函数中加入此部分的话，锤型优化会换不动材料。

我一般在优化中期加入相对照度的控制，相对照度与CRA和边缘视场的NA有关，边缘视场的NA与渐晕有关，渐晕与轴外视场需要校正的像差种类和校正量有关，这两点是容易影响到镜头架构的。

如果在优化的末期再加入相对照度的控制，有可能错过最佳性价比的镜头架构。软件需要一个优化过程来折中各项指标。
  4、您对畸变操作数编写有什么建议吗？我评价函数中畸变控制写的很复杂。

①可以控制中等视场和大视场的畸变，放弃小视场；

②控制R和B波段的畸变，G一般居中，不需要额外控制。

您评价函数里面的写法是比较保险的，多写几句其实也不太影响优化速度，看个人取舍了。

ccxz

大佬，这个视场是不是计算有问题呀？焦距12mm，半像高6mm，不考虑畸变半视场应该是26.5°吧？我按照25°做一直出不来