（移動相機）緊湊型非球面設計的專家提示

具有精密公差的塑料（和玻璃）非球面模制透鏡繼續實現更加雄心勃勃的（移動相機）緊湊型非球面設計。因此，讓我們討論一下緊湊型非球面透鏡設計的一些技巧。

球面通常用于經典透鏡設計，因為它們易于制造。然而，球面表面有局限性，其中一個限制是球面像差，這是一種光學效應，在形成圖像時會導致入射光線聚焦在不同點。這種效應會導致光學系統中的圖像不太完美。另一方面，非球面表面將光線聚焦到一個小點，相對沒有模糊并提高圖像質量。

雖然具有球形的表面更容易制作，但與非球面表面相比，通常需要更多球形表面來減少圖像模糊。這意味著非球面透鏡可用于取代多個球面透鏡，從而創建更小、更輕且生產成本更低的設備。

隨著透鏡系統變得越來越緊湊和復雜，圖像分辨率變得越來越重要，光學系統中的非球面表面變得越來越重要。不幸的是，傳統的非球面設計方法在制造和測試這些組件時存在固有的復雜性。要加強非球面透鏡設計并提高工作效率，請嘗試這些 CODE V 設計和分析技巧。

結合玻璃和塑料元件，以校正鏡頭焦點隨溫度的變化

許多光學系統需要在很寬的溫度范圍內工作。例如，同一個手機攝像頭模塊需要在芝加哥的嚴冬和死亡谷的灼熱夏季產生卓越的圖像，死亡谷的溫差約為90華氏度。用于軍事和航空航天應用的光學系統有望在更廣泛的溫度環境中表現良好。溫度變化會影響光學系統的許多參數，包括元件半徑、元件厚度、折射率和空域厚度。為較大的溫擺設計光學系統是一項復雜的任務。設計這種光學系統的一個技巧是結合玻璃和塑料元件。

玻璃和塑料元件具有不同的熱性能，使設計能夠在一定溫度范圍內保持焦點。使用 CODE V 微距功能@MTF_PEAKFOC來評估鏡頭焦點隨溫度的變化（熱焦距偏移）。

樣品鏡頭的規格如下：

20°C時最佳對焦：-1.4微米

45C 時最佳對焦：0.0 um

70C 時最佳對焦：1.1 um

熱焦距偏移

= [（+1.1微米） – （-1.4微米）]/[70C-20攝氏度]= 0.05微米/度

在代碼 V 中使用宏 PLUS 實現有效的數據可視化

緊湊的非球面設計通常有一百多個變量，并且性能可能具有復雜的瞳孔和場依賴性。分析設計需要對場和瞳孔進行精細采樣。CODE V Macro-PLUS為數據可視化提供了一個強大的工具，用于研究這些設計的行為。

使用宏觀加提取感興趣的數據

由于緊湊的非球面設計的復雜性，理解分析結果可能是一項艱巨的任務。例如，由 CODE V 生成的通過焦點 MTF 圖總共包含 30 條曲線，如下圖所示。很難從呈現的大量曲線中觀察到峰值焦點與場之間的關系。在這種情況下，我們可以使用宏根據通過焦點MTF數據繪制峰值MTF焦點與場的關系，如右圖所示。使用 Macro-PLUS 生成提煉的表示形式可提供更清晰的數據可視化。

Macro-PLUS 的另一個重要應用是匯總公差分析結果。公差分析生成累積概率圖。當需要許多場時，例如對于緊湊的非球面設計，很難將性能與場相關聯。例如，包含 11 個字段的蒙特卡洛矢狀和切向容差分析 （TOLMONTE） 的結果如下所示。

要提高數據的可解釋性，可以使用 Macro-PLUS 繪制選定的累積概率與字段的關系。下圖將 TOLMONTE 的結果提煉為 70% 累積概率與相對字段之間的簡單關系。

對齊峰焦點以改善焦深

對于經典的鏡頭設計形式，最佳焦點通常位于由Petzval曲率定義的曲面上。相反，對于緊湊的非球面設計，最好的焦點可能位于高度非球面的表面上。在優化文件中包括函數@MTF_PEAKFOC以將峰值焦點限制在平面上將改善設計焦點深度。通常，針對更大的焦深進行設計可以提高竣工性能，還可以提高熱性能。

使用統計數據執行快速蒙特卡羅分析

蒙特卡羅分析允許您在優化期間密切關注竣工性能。然而，光線追蹤緊湊的非球面系統比經典系統需要更長的時間，蒙特卡羅公差也需要更長的時間。在這種情況下，您可以執行快速蒙特卡羅分析，其中蒙特卡羅運行較少，然后使用 Macro-PLUS 腳本計算蒙特卡羅結果的統計數據。這樣，您可以使用最少的試驗次數最大化獲得的信息。即使只有五項試驗可以提供有用的信息，如下圖所示（例如：快速統計蒙特卡羅研究）。

評估全視場熱焦位移

對于緊湊的非球面設計，由于此類系統復雜的場依賴性，最佳焦點可能會因場而異。熱焦距偏移也可能在視場范圍內發生顯著變化。如左圖所示，標稱設計在整個熱范圍內可能具有良好的MTF，但在大視場角下具有明顯的熱焦距偏移，如右圖所示。熱焦點偏移將降低整個溫度范圍內的竣工設計性能。評估整個視場的熱焦距偏移可以減少這種差異。

總結

CODE V 提供設計和分析功能，使光學工程師能夠利用非球面設計提供的獨特圖像質量和成本效益。

審核編輯：郭婷