优化变量设置与图像质量评价

第5 步：设置变量及评价函数。

图7-27　初始结构镜头编辑器

图7-28　面3 曲率半径的F 数求解

通过以上4 步，完成了双胶合透镜的初始结构设置。但目前的初始结构中，所有的厚度和空气间隙都为零，肯定不符合设计要求。因此，需要设置变量和评价函数，并进行优化，最后查看成像质量。

首先，将曲率半径和厚度值设置为变量。单击某一面的曲率半径或厚度后的小方框栏，其求解类型“Solve Type”选择为“Variable”即可。将编号1～2面的曲率半径和编号1～3 面的厚度设置为变量，如图7-29 所示。

图7-29　设置变量

其次，设置评价函数，即确定优化目标。选择默认的评价函数，按照设计要求最小的RMS Spot Radius，且输入已知的空气和玻璃边界条件值。

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”和“Air”勾选，并设置“Glass”选项的“Min”和“Edge Thickness”的值均为“4”，“Max”的值为“18”。“Air”选项的“Min”和“Edge Thickness”的值均为“2”，“Max”的值为默认的“1 000”，如图7-30 所示。

图7-30　默认评价函数及边界条件设置

设置好默认评价函数和边界条件后，会在评价函数编辑器中有相应的操作数显示，没有其他特殊要求，接下来就是优化了。

第6 步：优化及像质评价。

在优化工具栏下找到“Optimize→Optimize！”，打开“Local Optimization”对话框，点击“Start”按钮，开始优化。经过几秒钟的优化后，观察到的评价函数值，从“Initial Merit Function”值为11.280，降低到0.047，如图7-31 所示。在优化对话框中，随着优化的进行，“Merit Function”的值应该越降越低，其理想值为“0”，实际上优化难以达到理想状况。

图7-31　优化对话框

优化好初始结构后，通过查看双胶合透镜的结构剖面图、光斑图、像差图，来验证优化后的初始结构是否满足设计要求。

打开结构图、光斑图、赛得尔像差图和光线像差图，如图7-32～图7-35 所示。

从图7-32 可以看出，优化后的初始结构从剖面图上看比较合理。

从图7-33 和图7-34 都可以明显看出，轴外视场的像散及场曲作为目前系统的主要像差。

图7-35 的“Ray Fan”光线像差图显示，像散非常明显，也验证了图7-33 和图7-34的结果。若想进一步提高系统的成像质量，需要减小系统的像散。同单透镜的分析相似，像散作为轴外视场的像差，由视场决定。而目前的双胶合透镜，光阑位于透镜的前表面，为了调节轴外像差，需要将光阑移出透镜作为独立的面。操作方法为：在第1 面前插入一个虚拟面，并将这个虚拟面设置为光阑即可（具体步骤查看单透镜的相似操作），同时将光阑面的厚度设置为变量。

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图7-32　结构剖面图

图7-33　光斑图

图7-34　赛得尔像差图

图7-35　光线像差图

第7 步：设置独立光阑面及重新优化。

将光阑虚拟面的厚度设置为变量后，其镜头数据编辑器如图7-36 所示。打开优化对话框，点击“Start”按钮，开始重新优化。

图7-36　光阑虚拟面厚度设置为变量

增加虚拟光阑厚度变量后，重新进行优化，评价函数值降为0.017 4，其光斑也会进一步减小，如图7-37 所示。

图7-37　重新优化的对话框

重新优化后，打开结构图、光斑图、赛得尔像差图及光线像差图，分别如图7-38～图7-41 所示。

从目前的光斑图、赛得尔像差图及光线像差图分析系统的主要像差：可以从光斑图的第3 个视场上明显看出3 种波长光斑分离，在光线像差图上第3 个视场也可以看出3个波长的像差曲率分离程度明显，这都说明了当前系统的主要像差从之前的像散转化为现在的色差。从图7-40 上可以看出，像散不再明显，但球差和畸变增加，这是像差平衡的结果。另外，不可能使得任何系统的任一像差完全消除，只能降低到公差允许的范围内。在本例中，比较前后两张赛得尔像差图，可以看出重新优化后，系统的两类色差明显增加。为进一步提高成像质量，下面将重点校正系统的色差。

图7-38　重新优化后的结构图

图7-39　重新优化后的光斑图

图7-40　重新优化后的赛得尔像差图

图7-41　重新优化后的光线像差图