只有經(jīng)過了詳細(xì)的分析，才能知道當(dāng)前的系統(tǒng)哪里不符合我們的設(shè)計(jì)要求，才能為后續(xù)優(yōu)化鋪墊方向，所以讓我們來詳細(xì)了解：

如何設(shè)計(jì)一個(gè)單透鏡 第二部分：分析

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(jìn)行操作。本文以單透鏡為例，介紹了設(shè)計(jì)透鏡的基本過程，包括構(gòu)建系統(tǒng)（第1部分）、分析性能（第2部分），以及根據(jù)所需的參數(shù)和設(shè)計(jì)約束對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化（第3部分）。

引言

這是由三篇文章組成的系列文章的第2部分。介紹了系統(tǒng)的布局圖(Layout)，給出了系統(tǒng)的可視化表示，然后重點(diǎn)對(duì)點(diǎn)列圖(Spot Diagram)、光程差圖(OPD Fan)和光線像差圖(Ray Fan)進(jìn)行了分析，對(duì)系統(tǒng)的像差進(jìn)行了評(píng)價(jià)。它還解釋了如何使用快速聚焦工具(Quick Focus tool)來更好地定位像面的位置。

在第1部分中，我們將討論如何使用系統(tǒng)選項(xiàng)(System Explorer)和鏡頭數(shù)據(jù)編輯器(Lens Data Editor)設(shè)置系統(tǒng)。在第3部分中，我們將討論如何優(yōu)化單透鏡，在設(shè)計(jì)約束下獲得更好的性能。

在優(yōu)化之前評(píng)估系統(tǒng)性能

OpticStudio中包含了許多不同的分析功能，每個(gè)功能都可以用來評(píng)估設(shè)計(jì)的性能。在此次練習(xí)中，我們將使用四種更基本、更常見的系統(tǒng)性能分析功能來評(píng)估優(yōu)化之前的單透鏡：

? 布局圖(Layout)：布局圖可以通過分析( Analyze)>視圖(System Viewer)> 2D視圖(Cross-Section)打開。2D視圖繪制了鏡頭的YZ截面，僅適用于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的軸對(duì)稱系統(tǒng)。布局圖始終是當(dāng)前光學(xué)系統(tǒng)的一種有效的可視化表示。
? 點(diǎn)列圖(Spot Diagram)：點(diǎn)列圖可以通過分析( Analyze)>像質(zhì)分析( Image Quality)>光線跡點(diǎn)(Rays & Spots)>標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)列圖(Standard Spot Diagram)打開。點(diǎn)列圖表示點(diǎn)物體所成的像。在沒有像差的情況下，點(diǎn)物體會(huì)收斂到一個(gè)完美的像點(diǎn)。默認(rèn)情況下，OpticStudio會(huì)繪制的每個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)列圖。
? 光程差圖(OPD Fan)：光程差圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質(zhì)分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)> 光程差圖(Optical Path)打開。光程差圖是光程差隨光瞳坐標(biāo)變化的曲線。在一個(gè)理想的光學(xué)系統(tǒng)中，波前的光程與出瞳處無像差球面波前的光程相同。
? 光線像差圖(Ray Fan)：OpticStudio中的光線光扇圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質(zhì)分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)>光線像差圖(Rays Aberration)打開。光線像差圖是光線像差隨光瞳坐標(biāo)變化的曲線。一般情況下，當(dāng)一條光線通過光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)成像表面時(shí)，它的交點(diǎn)落在離主光線較小但非零的距離上。同樣，在一個(gè)完美的光學(xué)系統(tǒng)中，任意光瞳位置對(duì)應(yīng)的光線像差上都應(yīng)該是零。

點(diǎn)列圖(Spot Diagram)、光程差圖(OPD Fan)和光線像差圖(Ray Fan)是透鏡設(shè)計(jì)者用來確定光學(xué)系統(tǒng)中存在的不同類型和不同程度像差的最重要的工具。然而，設(shè)計(jì)人員根據(jù)這些分析功能確定設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的像差的過程超出了本練習(xí)的范圍。

基于我們目前所搭建的設(shè)計(jì)，打開以上的每一個(gè)分析窗口來回顧當(dāng)前鏡頭的性能。

從以上四個(gè)圖的評(píng)估中可以明顯看出，單透鏡設(shè)計(jì)有大量的像差，包括但不限于球差、彗差、畸變、離焦、場(chǎng)曲和像散。此外，根據(jù)下面點(diǎn)列圖底部的數(shù)據(jù)可以看出，最大視場(chǎng)的GEO半徑和RMS半徑分別為: 1774.42μm和734.581μm。

使用快速聚焦工具

從四個(gè)分析功能給出的結(jié)果可以看出，單透鏡在此時(shí)的性能肯定不是最優(yōu)的。性能相當(dāng)差的一個(gè)重要因素是像面位置的隨機(jī)選擇。從上面的布局圖(Layout)來看，當(dāng)前選擇的像面并沒有處于“最佳焦點(diǎn)”。

即使在優(yōu)化之前，我們也可以使用OpticStudio中的工具來更好地定位當(dāng)前像面的位置。該工具稱為快速聚焦(Quick Focus)。快速聚焦(Quick Focus)是OpticStudio的一個(gè)功能，它可以調(diào)整像面之前表面的厚度，以使RMS像差最小。

可以通過選擇優(yōu)化(Optimize)>手動(dòng)調(diào)整(Manual Adjustment)>快速聚焦(Quick Focus)或按下鍵盤上的< Shift + Ctrl + Q >打開快速聚焦對(duì)話框?！白罴呀裹c(diǎn)”的目標(biāo)值將取決于所選擇的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于單透鏡設(shè)計(jì)，我們將使用相對(duì)于質(zhì)心的光斑半徑。選擇光斑半徑(Spot Size Radial)，并在“使用質(zhì)心(Use Centroid)”選項(xiàng)框打勾。

單擊OK運(yùn)行并關(guān)閉快速聚焦(Quick Focus)對(duì)話框。

注意，像面之前表面的厚度將自動(dòng)改變。默認(rèn)情況下，分析窗口將自動(dòng)更新，但是如果沒有更新，您可以通過單擊窗口左上角的更新(Update)分別更新它們。僅僅由于像面位置的改變，您就可以看到性能有相當(dāng)大的變化。最重要的是，最大視場(chǎng)的GEO半徑和RMS半徑減小了近兩倍!

盡管設(shè)計(jì)比以前好，但仍有改進(jìn)的空間。在如何設(shè)計(jì)單透鏡的第3部分：優(yōu)化，我們將解釋如何設(shè)置和執(zhí)行一個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化，使其達(dá)到更好的性能。