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------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 设计要求： 物方视场大小：14 mm 像方视场大小：15.86mm 物方工作距离: 60mm 像方工作距离：25mm 物方NA：0.08 镜片数量：7片 镜片材质：成都光明的玻璃材料 镜片面形：均为球面 MTF：接近衍射极限的MTF值
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第1步：在zemax的实例中，找到一个接近7片的镜头示例，此处，我们以Double Gauss 28 degree field为例，该示例为一个双高斯镜头的结构，共有6片镜片，与要求的7片非常接近，后面可以在这个例子的基础上加一枚镜片。
图1
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第二步：修改材料。由于要求用成都光明的材料，因此需要将材料都替换掉，具体做法为将材料的求解类型由固定修改为模型，修改前如图2所示，修改后如图3所示。示例中使用的是SCHOTT玻璃库，如图4所示，将其修改为成都光明玻璃的材料库CDGM-ZEMAX201904，如图5所示。然后再将玻璃材料的求解模型由模型改成固定，如图6所示。Zemax软件默认安装时，里面是不含成都光明的材料库，需要自己添加，具体方法为：打开电脑-文档-Zemax-Glasscat，将成都光明的材料库复制在该文件夹下即可。如图7所示。为了方便入门者不会操作，我将添加成都光明材料库后的Glasscat文件夹共享了，下载后，可以直接将Glasscat文件夹替换原有的文件夹Glasscat即可。至此，材料替换工作就完成了，替换后的玻璃和之前的玻璃在折射率和阿贝数会有所差别，但通常不会大，在优化之初，可以忽略此影响，毕竟后面都需要做详细优化。
图2
图3
图4
图5
图6
图7
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第3步：正式开始我们的优化工作了，首先，根据设计要求，设置一些初始参数：（1）将系统孔径中的孔径类型设置为物方空间NA，孔径值设置为0.03，如图8所示。NA的目标值是0.08，此处设置为0.03，是为了方便快速获得一个比较好的优化结果。另外，物面的厚度由无限修改为60；（2）设定物方视场，要求为14mm，此处设置半视场7mm，以0.7mm作为视场间隔设置，如图9所示；（3）波长设置为FdC光，如图10所示；（4）将光线瞄准设置下，如图11所示。
图8
图9
图10
图11
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第4步：添加一个镜片，然后将厚度设置为变量，正式开启优化，如图12所示。优化评价函数参数设置如图13所示。优化前和优化后的结果如图14和15所示。从图中可以看出，优化前MTF很差，优化后基本接近衍射极限。不过此时的NA比较小，为0.03。如果一开始就将NA设置为0.08，结构优化，很难一次性就达到比较好的结果。接下来我们开始增加物方NA值，进行优化。
图12
图13
图14
图15
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第5步：增加物方NA值，进行优化，将NA修改为0.05，其MTF的值如图16所示，继续优化，优化后的结果如图17所示。第4步和第5步都很容易达到衍射极限，说明我们的结构是对的。
图16
图17
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第6步：增加物方NA值，进行优化，将NA修改为0.065，其MTF的值如图18所示，继续优化，优化后的结果如图19所示。从图18和图19中可以看出，优化后得到结果比较接近衍射极限，接下来继续增加NA值，不过不要像之前那样增加幅度那么大。
图18
图19
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第7步：增加物方NA值，进行优化，将NA修改为0.073，其MTF的值如图20所示，继续优化，优化后的结果如图21所示。
图20
图21
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第8步：增加物方NA值，进行优化，将NA修改为0.08，达到目标值，其MTF的值如图22所示，继续优化，优化后的结果如图23所示。从这几步的优化可以看出，优化效果虽然越来越好，但是优化能力越来越弱，这非常正常，毕竟第4步到第8步这几步优化，我们仅使用了默认的优化函数，没有添加任何其他的优化操作数。从一开始的双高斯模型结构到第8步的优化结果，这部分工作，实际过程只有5分钟左右，时间非常短。
图22
图23
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第9步：前面的优化过程中，物方工作距离基本满足要求，像方工作距离还有些差距，我们先将这个距离优化到目标值附近的范围，如图24所示。此时的MTF距离衍射极限还有些差距。第9步的优化结果可以作为我们这个镜头的初解。接下来开始真正的优化了。 图24
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第10步：为了将MTF拉上去，采用极限的思想解决这个问题，具体思路是：（1）将优化函数选择为对比度（如果MTF在150线对处的模值为0.3，频率通常设置为75附近）或是波前（PV值），并将权重缩放设置一个非常大的值。（2）将厚度全部设置为非变量。（3）将畸变（DIMX操作数）设置为一个较小值，比如0.1或是0.2，这个操作数也取一个比较大的权重。（4）开始优化，对于大部分情况，MTF都能达到一个比较好的结果，但还是不会特别理想，然后将厚度全部设置为变量，再进行优化，优化结果会更好。通常这种情况下，MTF都能达到衍射极限，但是镜片厚度和空气间隔会出现负数的情况，然后将比较小的值先优化到正数。此处注意一个问题，比如有5个值出现负数，我们一个一个的优化为正数，不要同时优化为正数，同时优化为正数的时候，MTF会偏离衍射极限的位置，一个一个的优化，MTF通常会保持衍射极限位置不动。（5）如果以上操作达不到目的的话，最可能的原因是镜片材料的问题，解决这个问题的方法是将所有镜片材料的求解类型设置为替代，设置完成后，材料后面会出现S，进行锤行优化一晚上，通常都会解决问题，因为此时软件给的材料配置比我们预先设置的更加合理。 对于我们的这个示例，我进行了优化，按照上面的思路（1）（2）（3）（4）的操作，优化向导中操作数设置和将厚度设置为非变量，如图25和26所示。优化后，发现MTF达不到衍射极限的要求，优化结果如图27所示。此外，增加了对比度或是波前操作数的权重，也没有改善，就是说，无论对比度或波前的权重设置为多大，都不能达到要求，为此，果断放弃继续优化，忙其他工作去了，等到下班的时候，我将第9步得到的初解中各个材料的求解模型设置为替代，锤行优化一晚上，第二天上班看结果，结果如图28所示。从图28种可以看出，MTF达到衍射极限，光斑半径都在艾里斑范围内， 光学设计参数都满足要求。 以上实例只用了锤行优化就解决问题了，还没有用上第10步提到的方法就能得到很好的结果。通常锤行优化是得不到如此好的优化结果，尤其是镜头里面镜片数（大于10片）较多的情况，此时，可以尝试用第10步提到的方法，通常会比较快的解决问题。
图25
图26
图27
图28
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第11步：公差分析。镜头设计完成后，公差是不是满足要求，需要在软件里面做好公差分析，公差的参数设置可以参考图29。公差参数里面主要包括镜片的加工误差和镜头的组装误差，镜头设计的好，公差分析出来的结果会比较好。通常来说，完成第10步以后的光学设计，只完成整个设计工作的30%左右，后面需要根据公差分析的结果，对敏感镜片降敏。此处，敏感镜片是指对整个光学系统影响较大的镜片。根据公差分析结果去优化光学设计这部分工作非常重要，复杂点的镜头，这部分工作占很大比重。我们这个实例镜头比较简单，公差分析这部分工作花费时间较少。公差分析的参数设置如图30-图33。公差分析结果如图34和图35所示。公差分析的结果中，主要看最坏偏离结果的内容，通过这里的结果可以看出哪些镜片是敏感镜片，另外看看最终的公差分析结果，如图35种红色框框的内容，通常90%大于0.15就可以了。
图29
图30
图31
图32
图33
图34
图35
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第12步：镜片加工难度和等级介绍，可参考魏向阳在光学社区的帖子，http://www.optzmx.com/thread-21717-1-1.html。其结果如图36所示。镜头设计完成后，也需要综合考虑制造成本，加工难度和等级越高，加工费用自然越贵，可根据公差分析结果收放镜片加工公差。比如本示例中，有90%的情况MTF大于0.22，如上文介绍，MTF大于0.15就可以，这个时候就可以在原有基础上，将镜片加工公差放大，满足要求即可，这样可以降低制造成本。在一些特殊应用场景中，对镜头成像质量要求较高，生产成本排其次的情况下，还是要按照等级高的标准去加工。
图36
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发表于 2022-5-12 14:23
），整个设计流程已经很全了，很难得。
