非球面透镜设计的技巧

具有精密公差的塑料（和玻璃）非球面模制透镜继续实现更加雄心勃勃的（移动相机）紧凑型非球面设计。因此，让我们讨论一些紧凑型非球面透镜设计的技巧。

球面通常用于经典的透镜设计，因为它们易于制造。然而，球面表面有局限性，其中一个局限性是球面像差，这是一种光学效应，在形成图像时会导致入射光线聚焦在不同点。这种效应可能导致光学系统中的图像不完美。另一方面，非球面表面将光线聚焦到一个小点，从而相对不产生模糊并提高图像质量。

虽然具有球形形状的表面更容易制造，但与非球面表面相比，通常需要更多的球面来减少图像模糊。这意味着非球面透镜可用于替换多个球面透镜，从而创建更小，更轻且可能更便宜的生产设备。

随着镜头系统变得越来越紧凑和复杂，图像分辨率变得越来越重要，光学系统中的非球面表面变得越来越重要。不幸的是，传统的非球面设计方法在制造和测试这些组件时存在固有的复杂性。要改进非球面透镜设计并提高工作效率，请尝试以下 CODE V 设计和分析技巧。

结合玻璃和塑料元件，以校正镜头焦点随温度的变化

许多光学系统需要在很宽的温度范围内工作。例如，同一个手机摄像头模块需要在严冬和死亡谷灼热的夏季产生卓越的图像，温差可能约为33摄氏度 。用于军事和航空航天应用的光学系统有望在更宽的温度范围内表现良好。温度变化会影响光学系统的许多参数，包括元件半径、元件厚度、折射率和空域厚度。设计用于大温度摆幅的光学系统是一项复杂的任务。设计这种光学系统的一个技巧是将玻璃和塑料元件结合起来。

玻璃和塑料元件具有不同的热性能，使设计能够在温度范围内保持焦点。使用CODE V宏函数@MTF_PEAKFOC评估镜头焦距随温度的变化（热焦距偏移）。

样品镜头的规格如下：

· 20°C时最佳对焦：-1.4微米

· 45C时最佳对焦：0.0微米

· 70C时最佳对焦：1.1微米

· 热焦距偏移

在 CODE V 中使用 Macro-PLUS 实现有效的数据可视化

紧凑的非球面设计通常具有一百多个变量，并且性能可能具有复杂的瞳孔和场依赖性。分析设计需要对磁场和瞳孔进行精细采样。CODE V Macro-PLUS 为数据可视化提供了一个强大的工具，用于研究这些设计的行为。

使用 Macro-PLUS 提炼感兴趣的数据

由于紧凑型非球面设计的复杂性，理解分析结果可能是一项艰巨的任务。例如，由 CODE V 生成的通焦 MTF 图总共包含 30 条曲线，如下图左图所示。很难从呈现的大量曲线中观察峰值焦点和视场之间的关系。在这种情况下，我们可以使用宏根据对焦 MTF 数据绘制峰值 MTF 焦点与字段，如右图所示。使用 Macro-PLUS 生成蒸馏表示形式可提供更清晰的数据可视化。

Macro-PLUS的另一个重要应用是总结公差分析结果。公差分析生成累积概率图。当需要许多字段时，例如对于紧凑的非球面设计，很难将性能与字段相关联。例如，蒙特卡罗矢状和切向公差分析 （TOLMONTE） 的结果包括 11 个视场，如下所示。

要提高数据的可解释性，可以使用 Macro-PLUS 绘制选定的累积概率与字段。下图将 TOLMONTE 的结果提炼为 70% 累积概率和相对视场之间的简单关系。

对齐峰值焦点以改善聚焦深度

对于经典的镜头设计形式，最佳焦点通常位于由Petzval Curvature定义的弯曲图像表面上。相反，对于紧凑的非球面设计，最佳焦点可能位于高度非球面表面上。在优化文件中包含函数@MTF_PEAKFOC以将峰值焦点限制为平面将提高焦点的设计深度。通常，针对更大焦深进行设计可以提高竣工性能，也可以提高热性能。

使用统计数据执行快速蒙特卡罗分析

蒙特卡罗分析允许您在优化期间密切关注竣工性能。然而，光线追踪紧凑型非球面系统比传统系统需要更长的时间，蒙特卡洛公差也需要更长的时间。在这种情况下，您可以执行快速蒙特卡罗分析，其中发生的蒙特卡罗运行较少，然后使用 Macro-PLUS 脚本计算蒙特卡罗结果的统计信息。这样，您就可以使用最少的试验次数来最大化获得的信息。即使只有五项试验可以提供有用的信息，如下图所示（例如：蒙特卡洛快速统计研究）。

评估全场内的热焦距偏移

对于紧凑的非球面设计，由于此类系统具有复杂的视场依赖性，因此最佳焦点可能因视场而异。热焦距偏移也可能在视场上发生显著变化。标称设计可能在整个热范围内具有良好的MTF，如左图所示，但在大场角下具有显着的热焦移，如右图所示。热焦距偏移将在整个温度范围内降低竣工设计性能。评估整个视场上的热焦点偏移可以减少这种差异。