如何設計一個單透鏡 第一部分:設置

2023年12月30日發(作者：畢業歌曲)

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如何設計一個單透鏡 第一部分：設置

概述

本系列共三篇文章，旨在介紹如何使用OpticStudio序列模式界面進行操作。本文以單透鏡為例，介紹了設計透鏡的基本過程，包括構建系統(第1部分)、分析其性能(第2部分)，以及根據所需的指標參數和設計約束對其進行優化(第3部分)。

引言

單透鏡為OpticStudio中建模最簡單的成像系統。盡管如此，這個簡單的成像系統的設計可以幫助您了解OpticStudio的界面，了解基本的設計概念和策略，并演示如何使用一些基本的分析功能來優化和確定光學性能。

這是由三篇文章組成的系列文章的第1部分。首先介紹OpticStudio用戶界面的序列模式(Sequential mode)，然后重點介紹如何使用系統選項(System Explorer)和鏡頭數據編輯器(Lens Data Editor)正確設置單透鏡。它還解釋了如何使用求解(Solves)來強制設計約束。

在第2部分中，我們將討論一些可用于評估系統性能的分析。在第3部分中，我們將討論如何優化單透鏡，使其在設計約束下獲得更好的性能。

鏡頭分類參數和設計約束

在這個練習中，我們將設計和優化一個玻璃材料為N-BK7， F數為4的單透鏡。最終設計方案應滿足以下規格和約束條件：

使用給定OpticStudio的用戶界面和可用的工具，可以很容易地建模和優化單透鏡！

鏡頭數據編輯器

在計算機輔助序列透鏡設計中，光線按其排列的順序從一個表面追跡到下一個表面。為此，OpticStudio使用一種名為鏡頭數據編輯器(LDE)的電子表格。

打開OpticStudio后，OpticStudio主窗口（工作區）中將出現一個空白的鏡頭數據編輯器。除了工作區中的鏡頭數據編輯器，您還將看到一個標題欄，其中指定打開的窗口的類型；一個菜單(Ribbon)欄，其中提供對OpticStudio所有特性的訪問；以及窗口頂部的一個快速訪問工具欄(Quick Access Toolbar)。在左邊，您將看到系統選項(System Explorer)，其中包含有關當前設計的特定系統信息。在序列模式下，鏡頭數據編輯器是主要的電子表格，其中輸入了大部分鏡頭數據。部分主要輸入項包括：

鏡頭數據編輯器中的每一行表示一個表面。在OpticStudio序列模式中，每個光學系統從物面(OBJ)開始，到像面(IMA)結束。除了物面和像面外，剩余表面中的一個表面必須定義為光闌(STOP)。

通過在高亮單元格中鍵入所需的值，可以將數據輸入到鏡頭數據編輯器中。光標鍵或鼠標可以將高亮欄移動到所需的任何一欄。

定義系統設置

大多數情況下，系統孔徑是開始新設計時定義的第一個參數。系統孔徑不僅決定了OpticStudio將通過光學系統光線追跡的光束的大小，還決定了物面上每個視場點發出光線的初始方向余弦。系統孔徑可由多種類型定義，包括入瞳直徑(EPD)、像方空間F/#、物方空間NA、光闌尺寸浮動(Float By Stop Size)等。每種類型都在OpticStudio幫助文件對應部分有更詳細的定義:“設置選項卡(The Setup Tab)>系統組(System Group)>系統選項(System Explorer)>系統孔徑(Aperture)”。

入瞳直徑可能是最常用的系統孔徑類型，也是當前示例中最方便的定義。在OpticStudio中，入瞳直徑被定義為從物空間看到的光瞳直徑，以鏡頭單位為單位。

我們可以很容易地確定單透鏡所需的入瞳直徑。如前所述，單透鏡的F/#必須等于4，有效焦距為100mm。由于F/#為無限共軛的近軸有效焦距與近軸入瞳直徑之比，因此入瞳直徑為25mm:

這個值是在哪里輸入到OpticStudio的呢?系統孔徑以及其它系統特定設置都由系統選項(System Explorer)設置。通常，系統資源管理器已經打開，但如果不是，您可以通過打開設置(Setup)> 系統選項(System Explorer)訪問它:

一旦打開系統選項，我們就可以為當前的設計輸入合適的系統孔徑類型和值。在系統選項的系統孔徑 (Aperture) 選項卡下，選擇入瞳直徑(Entrance Pupil

Diameter)作為孔徑類型(Aperture Type)，輸入孔徑值(Aperture Value):25.0：

孔徑值(The Aperture Value)是用鏡頭單位定義的，在OpticStudio的大多數電子表格編輯器中，鏡頭單位定義了尺寸的度量單位。這些尺寸包括諸如曲率半徑、厚度、入瞳直徑和OpticStudio中的大多數其它參數。在開始設計之前定義系統單位是非常重要的。始終檢查以驗證系統鏡頭單位是否為您所期望的。

OpticStudio的鏡頭單位有四種選擇:毫米、厘米、英寸或米。就本設計而言，將使用毫米。在系統選項(System Explorer)>單位(Units)，選擇鏡頭單位(Lens

Units):毫米。

目前，其它系統設置可以保留為默認選項。

在OpticStudio中定義視場

OpticStudio中的視場在系統選項中的視場數據(Field Data)對話框中定義。要訪問視場數據對話框，請在系統選項中選擇視場(Fields)，打開視場數據編輯器(Open Field Data Editor):

您還應該看到這些數據填充在系統選項(System Explorer)的視場(Fields)部分。您現在可以選擇是否關閉視場數據編輯器(Field Data Editor)。

設置波長

將波長數據輸入到OpticStudio中的操作與輸入視場數據類似，只是波長數據輸入到波長數據(Wavelength Data)對話框內。您可以通過選擇系統選項(System

Explorer)訪問波長(Wavelength)，再雙擊設置(Settings)。

此單透鏡設計是純單色的（使用單一波長）。從最初的設計參數來看，使用的波長為0.6328 mm（HeNe激光器的波長）。

將這個波長輸入波長數據(Wavelength Data)對話框，也可以在波長數據對話框底部的下拉菜單中選擇一個預先編輯好的的波長選項來輸入。默認情況下，F、d、C（可見光）是第一個選項。首先，從下拉菜單中選擇HeNe(.6328)，然后按下“選為當前(Select Pret)” 選擇當前設計波長。OpticStudio將自動將這個波長放入第一項。

請注意，OpticStudio中的波長總是以微米為單位輸入的，而不考慮系統的鏡頭單位！也支持對單個波長進行加權，但是在這個設計中，我們將保持所有的權重統一。按下窗口右上角的“X”鍵關閉波長數據對話框。

插入表面

一旦確定了系統設置，就可以將每個表面的特定信息輸入鏡頭數據編輯器(Lens

Data Editor)。重申一下，鏡頭數據編輯器中的每一行表示一個表面。因此，由玻璃分隔的兩個表面組成一個單獨的元件。因此，對于單透鏡，總共需要4個表面:

1、物面(OBJ):光線發出的位置。

2、透鏡的前表面:光線進入透鏡的地方。對于這個設計，這里也是光闌(STO)。

3、透鏡的后表面:光線從后表面射入空氣。

4、像面(IMA):光線追跡停止的位置（始終是最后一個表面）。

默認情況下，鏡頭數據編輯器中只包含三個表面。可以通過按鍵盤上的<

Inrt > ，或通過在表面上< 右鍵單擊 >并選擇插入表面(Inrt surface)，將表面添加到鏡頭數據編輯器中。使用此方法，將在高亮光標當前所在的行之前添加一個表面。要在當前表面之后添加另一個表面，按下鍵盤上的< Ctrl +

Inrt >或右鍵單擊當前表面，然后選擇插入后續面(Inrt after)。

由于光闌位于單透鏡的前表面，所以在表面1之后插入另一個表面（表示透鏡的后表面）。

鏡頭數據編輯器中的標注(Comment)列對于跟蹤每個表面表示的內容非常有用。要為一個表面輸入注釋，請高亮該單元格，并鍵入所需的文本。完成后，點擊<

Enter >或使用箭頭鍵將光標移動到另一個單元格。在設計進程中編寫注釋是一個很好的習慣。對于單透鏡，通過在鏡頭數據編輯器中的每個適當單元格中鍵入以下文本來標識每個表面。

輸入鏡頭數據

單透鏡由N-BK7玻璃制成。在OpticStudio中，材料用于區分透鏡前后表面。想通過輸入材料類型來區分兩個表面，只需在透鏡數據編輯器中的適當單元格中鍵入材料名稱（本例中為N-BK7）。

OpticStudio自動將這種材料類型識別為內置玻璃庫(Glass Catalog)中編譯的眾多玻璃之一。玻璃庫包含了世界各地制造商提供的數百種玻璃的所有必要信息。OpticStudio將自動在其數據庫中查找這種玻璃，以確定每種設計波長下材料的折射率。

一旦將玻璃類型輸入到透鏡數據編輯器中，單片透鏡的透鏡厚度就可以輸入到表面1(Surface 1)的厚度欄中。由于厚度是沿光軸到下一個表面的距離，這就稱為透鏡元件的中心厚度。作為起始點，可以使用4 mm的厚度，因為它是孔徑為25 mm透鏡的合理中心厚度。在表面1的厚度列中鍵入一個值4。注意，這個參數稍后將被設置為優化變量。

同樣，第一個表面的曲率半徑和透鏡后表面與像面之間的厚度不需要預先確定，因為它們將被設置為優化變量。目前，我們將保持表面1的曲率半徑為無窮大，并將表面2的厚度更改為100mm。將值100輸入到表面2的厚度列中。

求解

當光學設計存在約束時，保持這些約束的方法有兩種:

1、將影響這些約束的參數設置為變量，并將邊界約束添加到評價函數編輯器(Merit Function Editor)中（稍后將介紹）；

2、使用內置的求解功能來執行約束，消除不必要的變量。

后一種選擇要好得多。雖然這兩種方法都可以調整透鏡參數以保持特定的約束，但邊界約束會減慢評價函數的執行速度。

OpticStudio中有許多不同的求解類型，每個求解類型都有特定的用途。然而，該設計的性能指標只要求使用其中一個求解類型：設置系統F/#以保持所需的焦距。要打開一個求解對話框，可以單擊所需單元格右側的較小單元格。基于所選擇的參數，可以使用不同的求解類型。

為了保證系統F/#，可以在表面2的曲率半徑上放置一個F數求解( F Number

solve)。F數求解調節最后一個光學表面的曲率以保證系統焦距。單擊表面2的曲率半徑單元格右側的框，打開曲率求解(Curvature solve dialog)對話框。選擇求解類型(Solve Type):F數(F Number)并輸入F/#: 4。

輸入求解設置后，要關閉求解對話框，請按鍵盤上的< Enter >。

一旦設置了F數求解，OpticStudio將自動調整半徑，以保持所需的F/#。換句話說，只要改變透鏡參數，系統就會自動重新計算一個解。曲率半徑旁邊的字母“F”表示F數求解設置已完成。

現在，單透鏡已經建立完成，我們將在如何設計單透鏡（第2部分：分析）中解釋如何可視化和評估系統性能。