单透镜优化结果分析与再优化方案探讨

查看单透镜初次优化的结构是否合理，执行命令“Analyze→Cross-Section”或者“Analyze→System Viewers→3D Viewer”，如图7-16 所示。

从图7-16 的结构示意图中可以看出，初次优化后的透镜非常厚，已经成为一个圆柱形，对简单的单透镜而言，实际的生产加工几乎是不可能的。因此，在设置优化目标时，要对透镜的厚度进行限制，这样可以避免很薄或很厚的镜片产生。先来修正评价目标，在默认评价函数中将透镜厚度边界条件加入具体的限制值。本例中，设置透镜最小中心厚度和边缘厚度均为2 mm，最大中心厚度为10 mm。

第9 步：重新优化单透镜。

（1）边界条件设置

打开“Optimize→Merit Function Editor”，并找出默认评价函数对话框“Optimization Wizard”，将边界条件“Boundary Values”中的“Glass”勾选，并设置“Min”的值为“2”，“Max”的值为“10”，“Edge”的值为“2”，如图7-17 所示。（2）重新优化

图7-16　优化后的结构图

图7-17　边界条件设置

在优化工具栏下找到“Optimize→Optimize！”，打开“Local Optimization”对话框，单击“Start”，开始重新优化。

第10 步：查看重新优化后的单透镜结构图和像差。

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图7-18　边界条件设置

打开重新优化后的结构剖面图，如图7-18 所示。从图中可以看出，这个透镜的结构是比较合理的。在透镜结构合理后，打开光斑图来看成像效果。选择查看中间波长0.587 μm的3个视场点列图，如图7-19所示。从图中可以看出3个视场的RMS光斑分别为：16 μm、54 μm、95 μm，从光斑逐渐变大的趋势来看，可以想象到像面位置应该处于第一个视场聚焦点，由于场曲的存在，使第二、第三个视场的光斑越来越大。为了改善这种情况，分析系统可知，在一开始初始结构设置时，曾使用了一个边缘光线高度求解类型，这就限制了像面位置只能在近轴焦平面处，所以极大地限制了光斑的优化。

图7-19　光斑点列图

因此，将透镜后表面的厚度边缘光线求解，改为变量，进行再次优化（该面的曲率半径F 数求解是设计要求，本例中不能为变量）。优化后的点列图结果如图7-20 所示。优化完成后，光斑变为60 μm、32 μm、49 μm，有了稍微提高。

图7-20　光斑点列图改善

在前面的章节中讲过光学设计基础像差的表示形式及解决办法，由于本例中的系统波长为可见光，肯定存在色散。如图7-21 所示，给出了全波长的光斑图，从图中可以明显看出这个单透镜系统具有三种主导像差：像散、场曲和色散。

图7-21　全波长点列图光斑

对本例中的单透镜而言，可优化的变量有限，仅有一个有效的曲率半径和厚度变量，这是难以达到更高的成像效果的，而透镜厚度变量是一个弱变量，它在优化时不能有效改变评价函数结果。所以，本单透镜的设计到目前为止就结束了，想要进一步提高成像质量，可增加镜片或使用非球面，这将在以后的章节中逐步介绍。