架构法计算镜头初始结构

dengjian5128

        在镜头设计时，如果找不到合适的初始结构时，可以利用本贴介绍的架构法，快速计算镜头的初始结构。本贴以之前发表帖子的设计为例，即：光学镜片加工可行性分析，链接为：http://www.optzmx.com/thread-23046-1-1.html，其结构如图1所示。原始设计参数见帖子：一个7片镜片镜头光学设计和公差分析的手把手教学，链接为：http://www.optzmx.com/thread-23021-1-1.html 。


                                                                            图1


第一步：如果将双胶合透镜看做一个整体，图1的结构包括5个镜片。我们用5个理想透镜（近轴面）来进行结构优化，得到镜头的初始架构。将厚度和焦距作为优化变量进行优化，其结果如图2所示。设计文件见附件：架构优化.zmx


                                                                             图2

第二步：架构实体化。我们需要将第一步得到的架构数据实体化，即将每一个理想透镜还原为真实的透镜。具体操作如下：从图2中，可以得到每一个镜片的入瞳直径和焦距，利用这两个数据，然后再自定义镜片的材料和厚度，即可计算每一个理想透镜的实体化透镜的曲率半径。如图3-图7所示。设计文件见附件：lens_1.zmx-lens_5.zmx。

                                                                        图3


                                                                           图4


                                                                    图5


                                                                    图6


                                                                           图7

第三步：将实体化的透镜组合起来，如图8所示。设计文件见附件：实体化组合.zmx。

                                                                       图8

第四步：因为架构法得到的空气间隔是相对于理想透镜的，实体化后，将空气间隔设置为优化变量，如图9所示，对第三步得到的结果进行优化，优化结果如图10所示，设计文件见附件：实体化组合-空气间隔优化.zmx。

                                                                             图9


                                                                            图10

第五步：将透镜的曲率半径作为优化变量一起进行优化，如图11所示，其结果如图12所示。该结构仅花费了40多秒就得到了一个不错的结果。设计文件见附件：实体化组合-优化1.zmx。

                                                                        图11


                                                                        图12

至此，利用架构方法就计算初始结构完成了。在现有结构的基础上，后续可通过帖子“一个7片镜片镜头光学设计和公差分析的手把手教学”中介绍的优化方法，优化出最终符合要求的光学设计。

atang0

这种架构法和我经常用的设计方法很相似，我一般叫先进行理论设计，后进行光学设计。理论设计是用《应用光学》的知识去设计系统，光学设计是使用《光学设计》的知识去实现各个子系统的性能指标。帖子写的很好，思路清晰，赞！

silence唯爱

atang0 发表于 2023-8-9 11:41
这种架构法和我经常用的设计方法很相似，我一般叫先进行理论设计，后进行光学设计。理论设计是用《应用光学 ...

你好，请问，如果镜片较少这样还行，如果镜片比较多情况，比如我做的结构复杂，可能镜片数量达到12片或更多，如何再搭建这种架构呢？谢谢指导

dengjian5128

silence唯爱 发表于 2023-8-9 13:31
你好，请问，如果镜片较少这样还行，如果镜片比较多情况，比如我做的结构复杂，可能镜片数量达到12片或更 ...

镜片数量在12片的话，第一，你可以先大致规划一下，光阑放在哪个位置，用多少片双胶合，多少片单透镜，这样先确定用多少片理想透镜；第二，优化后，你注意一下每个镜片的光焦度，光焦度不宜太大，换句话说，你看看光线走势，比较平缓就比较好，如果走势不平缓，可以通过更改厚度（理想透镜之间的距离）和焦距实现，这一步非常关键；第三，实体化时，材料是自定义随意设置的，镜片材料你可以用2片H-FK95N,和2片H-TF5；第四，优化时，操作数尽量少些操作数，非必要不要用。试试这些，你看看能不能出好一点的结果。如果实在不行，可以找我。

silence唯爱

dengjian5128 发表于 2023-8-9 14:13
镜片数量在12片的话，第一，你可以先大致规划一下，光阑放在哪个位置，用多少片双胶合，多少片单透镜，这 ...

谢谢邓老师回答，最近在搞一款高na的物镜，看了专利的内容，个人感觉有点难

dengjian5128

silence唯爱 发表于 2023-8-10 10:22
谢谢邓老师回答，最近在搞一款高na的物镜，看了专利的内容，个人感觉有点难

我之前优化一个显微镜头，NA0.75，20倍，用了15个镜片。不知道你那边的设计参数是怎样的

silence唯爱

dengjian5128 发表于 2023-8-10 11:07
我之前优化一个显微镜头，NA0.75，20倍，用了15个镜片。不知道你那边的设计参数是怎样的

我的也是显微，目标的na是0.9，放大倍率100，齐焦距离是45，搭配莱卡200的管镜使用，现在已经加到了17片，参数还没有达到要求，就想着看看，是不是我的结构上有什么问题

dengjian5128

你的物方视场大小是多少，搭配莱卡200的管镜，那焦距就是2mm咯

3万岁

请教下，这种方法是不是对于大NA的或者大孔径的系统不是很好用，或者说什么系统比较适用于这种方法

dengjian5128

3万岁 发表于 2023-8-10 16:12
请教下，这种方法是不是对于大NA的或者大孔径的系统不是很好用，或者说什么系统比较适用于这种方法

这种方法对于镜片数量10以内的应该没有问题，镜片数量多的可以10片左右的好结构往上慢慢加镜片。比如10片可以实现NA0.5的设计，目标NA0.75，需要15片。可以慢慢增加NA，从0.5-0.75，期间根据优化结果，慢慢的将镜片从10片增加到15片。