为什么在加入非球面再优化后系统性能变差？

ljzoptics

本人光学设计小白，在最近在学习实践中设计了一个红外系统。参数是入瞳直径19mm，F数为1.2，2w=12°，波段在8-12微米，系统总长为35mm，材料选取参考的别人的产品。用zemax直接随机优化出以下结果

对应的性能指标如下：

然后使用软件里面的find best asphere功能，搜索结果如下：

所以就直接将surface1变为even asphere继续优化，得到以下结果：

不太理解的地方是：为什么加入非球面之后进行优化反而会使效果变差，是哪里设置得有问题吗？之前也进行过类似的随机优化，加入非球面继续优化的时候各项指标都会提高。
除此之外想请教的地方是：发现玻璃和空气的边界限制对优化的结果影响很大，这方面的设置有什么经验吗？

光吗？

你这个也没有发球面的指标对比，从你透镜参数可以看到，首先，你把光阑面上的透镜面设成了非球面，你这个是背离理论的，一般非球面使用在远离光阑的面上。其次，一般偶次非球面阶数不从2阶开始，你从4阶开始试试。最后，非球面玻璃和空气的边界限制对优化的结果的确影响很大，所以阶数一步一步设为变量，不要一次性全部设为变量，还有优化是看到哪里厚度越来越近以至于重叠，把这个厚度设为固定值，不要让重合就行。希望对你有帮助

光学小白1

软件中的寻找最佳非球面不一定是最好的，是按照你设置的评价函数找到，要是操作数设置不对就会处出现这种结果。

cshlovech

光吗？ 发表于 2021-12-23 22:04
你这个也没有发球面的指标对比，从你透镜参数可以看到，首先，你把光阑面上的透镜面设成了非球面，你这个是 ...

请问一下，为什么非球面要在远离光阑的位置？这是有什么理论指导吗？

Misszy

首先反驳楼上，对于选择非球面不一定在远离光阑的面上，假设你原先系统性能以及加工性还OK的基础上，如果该系统fov角很大，第一片为了收光以及提高解像就是比较好的选择。如果光阑中置的系统当然远离越好。
其次，你设计的镜片从第二片开始都是前后表面差不多曲率的同心圆，
不知道你说的性能不好是什么性能，你的解像已经接近衍射极限了，如果是spot大小那第一片确实不是最好的选择，你可以选择第四片试试，

ljzoptics

光吗？ 发表于 2021-12-23 22:04
你这个也没有发球面的指标对比，从你透镜参数可以看到，首先，你把光阑面上的透镜面设成了非球面，你这个是 ...

      非常抱歉不太会使用论坛的发帖功能，有些图片没有上传上来现在补上了，但是不知道为甚清晰度下降了好多。有看到过书里面有描述是：非球面远离光阑是校正轴外像差，接近时校正轴上像差，那不知道是这样吗？还是如您所说单纯地非球面就应该远离光阑？
      另外就是因为现在自己设计经验几乎没有，不知道如何一步一步推进设计，也就是像差理论不够无法指导自己的设计（当然现在也在不断学习相关理论）。所以就一次全设为变量了，有时也能得到看起来合适的结构。
      感谢您的建议和指正。

ljzoptics

光学小白1 发表于 2021-12-24 08:28
软件中的寻找最佳非球面不一定是最好的，是按照你设置的评价函数找到，要是操作数设置不对就会处出现这种结 ...

我使用的默认评价函数，仅仅加入了一个TOTR小于35的限制，默认的merit function也会让非球面的优化出现问题吗？
谢谢你的建议

cigarbiubiubiu

也有可能是镜头 F#等规格略微上去了

shishenlaoba

你这个红外系统两块镜片就够了吧，从左往右数第3片基本上没看出啥作用，第4片非球面又用力过猛，光线路径不美观

ljzoptics

Misszy 发表于 2021-12-24 08:55
首先反驳楼上，对于选择非球面不一定在远离光阑的面上，假设你原先系统性能以及加工性还OK的基础上，如果该 ...

       我尝试过好几次用4个镜片优化同一个结构，发现zemax随机优化的结构好像都有类似的特点：前三个镜片都是形状相似并且接近同心圆，最后一个镜片都距离像面很近而且起一个校正场曲的作用。自己也有意识到前面的透镜可能作用有重叠的部分而没有发挥出每一片透镜的全部功能，尝试删减合并但是效果都很不好。不知道在这个减少透镜的过程中有没有一些需要特别注意的步骤呢？
      从mtf来说像质确实可以说还不错，但是我做这个设计是仿照的公司一个现有产品来做的，在它的mtf中所有视场的曲线都是紧贴衍射极限，与它的结果对比而言还是有差距。但是它有两个非球面而且镜片结构明显有提前规划的痕迹。然而我现在还不具备这个能力，所以现在想做就是的在一个随机优化好的结构上结合理论做出修改，期待能提升系统的性能，或者是用更少的成本（镜片数量、非球面数量）、更合适的结构（镜片的中心、边缘厚度）达到同样的效果。
      最近发现在随机优化产生初始结构的过程中，默认的评价函数中对玻璃中心、边缘厚度的限制，对空气中心、边缘厚度的限制对结果影响很大，在这方面的设置有没有什么经验呢？
     谢谢您的建议和指正