使用CODE V軟件設(shè)計(jì)自由曲面光學(xué)系統(tǒng)

談及鏡頭，我們常常會(huì)想到球面、非球面、內(nèi)面非球面、雙面非球面等傳統(tǒng)鏡頭，然而隨著近年來(lái)人們對(duì)設(shè)備小型化的需求與日俱增，并且對(duì)設(shè)備品質(zhì)的要求也逐步提高，纖薄又高清超廣角的手機(jī)鏡頭，小巧便捷的可穿戴醫(yī)療設(shè)備以及佩戴舒適的AR眼鏡等都對(duì)鏡頭設(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)。

因此自由曲面鏡頭的出現(xiàn)引爆了市場(chǎng)，它實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì)，減少透鏡的數(shù)量，能在包含多個(gè)折疊的表面或者復(fù)雜的光路限制時(shí)，建立具有多個(gè)折射或反射面的緊湊型結(jié)構(gòu)。為了幫助開(kāi)發(fā)者輕松完成自由曲面的設(shè)計(jì)工作，CODE V研發(fā)了許多獨(dú)特而又強(qiáng)大的自由曲面設(shè)計(jì)和優(yōu)化工具。以下五大工具將助力開(kāi)發(fā)者事半功倍。

Q2D自由曲面

CODE V中的Q2D自由曲面是用于優(yōu)化的得力工具，它提供的正交多項(xiàng)式在許多情況下能夠平滑收斂。對(duì)于有些設(shè)計(jì)，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)Q-type多項(xiàng)式非球面能夠更快的收斂到一個(gè)好的解，這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)空間中平衡像差時(shí)正交性會(huì)避免各項(xiàng)之間的競(jìng)爭(zhēng)。另外，CODE V還提供一個(gè)特別的功能，可以設(shè)定表面的使用區(qū)域相對(duì)于參考二次曲面頂點(diǎn)的幾何位置。

▲圖1：使用Q2D自由曲面的非對(duì)稱設(shè)計(jì)，全部為反射面

非球面與參考二次曲面

偏離量的建模方式

對(duì)于CODE V中的部分自由曲面，現(xiàn)在支持2種方式建模非球面與參考二次曲面的偏離量。第一種方式比較特別，允許設(shè)定離軸角參數(shù)omega，表示要使用的二次曲面區(qū)域的離軸程度。表面局部坐標(biāo)的位置將會(huì)根據(jù)omega角而偏移。另外，CODE V還允許使用X和Y偏移參數(shù)，設(shè)定多項(xiàng)式偏離量的坐標(biāo)原點(diǎn)。

▲圖2：CODE V中作用在參考二次曲面上的自由曲面多項(xiàng)式偏離

CODE V中新的擴(kuò)展Fringe Zernike多項(xiàng)式面型，與開(kāi)發(fā)者在光學(xué)系統(tǒng)建模中常用的多項(xiàng)式具有相同的形式，但是在徑向擴(kuò)展到高達(dá)30次項(xiàng)。

自由曲面系數(shù)表

從CODE V 11.3版本開(kāi)始，開(kāi)發(fā)者可以訪問(wèn)一個(gè)特別設(shè)計(jì)的自由曲面系數(shù)表。該表格以用戶友好的顯示格式，幫助快速檢查系統(tǒng)的對(duì)稱性，以及符合(或違反)對(duì)稱性的狀況。標(biāo)示出這些滿足(或不滿足)所需的系統(tǒng)對(duì)稱性條件的系數(shù)項(xiàng)，不僅有助于高效的使用設(shè)計(jì)優(yōu)化變量，還能夠知曉并使用那些對(duì)改進(jìn)系統(tǒng)有效的變量。

▲圖3：不存在對(duì)稱性假設(shè)的光學(xué)系統(tǒng)的二維系數(shù)網(wǎng)格

▲圖4：光學(xué)系統(tǒng)的二維系數(shù)網(wǎng)格, 高亮顯示違反X-Z對(duì)稱性條件的系數(shù)項(xiàng)

可視化查看表面偏離量，矢高和斜率信息

對(duì)于設(shè)計(jì)的面型，想要從加工的角度來(lái)感受非球面斜率的陡峭程度，這在CODE V中很容易實(shí)現(xiàn)。使用內(nèi)置功能查看表面的偏離量，矢高和斜率信息，開(kāi)發(fā)者就可以檢查可能存在問(wèn)題的區(qū)域，然后通過(guò)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制修正表面形狀。

▲圖5：Q2D自由曲面矢高圖

基于切比雪夫多項(xiàng)式的

用戶定義面型(UDS)

對(duì)于需要在矩形光瞳上進(jìn)行優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)，CODE V提供了一個(gè)新的基于切比雪夫多項(xiàng)式的用戶定義面型(UDS)，這對(duì)于具有方形或矩形孔徑的系統(tǒng)非常有用。在對(duì)當(dāng)下需要緊湊折疊的系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，最高包含到14次項(xiàng)的該面型會(huì)展現(xiàn)出更多的靈活性。

▲圖6：切比雪夫面型系數(shù)表

▲圖7：使用切比雪夫面型的雙反射鏡系統(tǒng)

使用CODE V中的這些新的強(qiáng)大工具來(lái)設(shè)計(jì)自由曲面光學(xué)系統(tǒng)能夠節(jié)省時(shí)間。將這些工具與CODE V強(qiáng)大并高效的優(yōu)化能力相結(jié)合，開(kāi)發(fā)者就可以看到在早期設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K產(chǎn)品中所帶來(lái)的效率提升。

原文標(biāo)題：鏡頭設(shè)計(jì)天花板——看CODE V 如何輕松搞定自由曲面設(shè)計(jì)

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審核編輯：湯梓紅