（移动相机）紧凑型非球面设计的专家提示

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，让我们讨论一下紧凑型非球面透镜设计的一些技巧。

球面通常用于经典透镜设计，因为它们易于制造。然而，球面表面有局限性，其中一个限制是球面像差，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。这种效应会导致光学系统中的图像不太完美。另一方面，非球面表面将光线聚焦到一个小点，相对没有模糊并提高图像质量。

虽然具有球形的表面更容易制作，但与非球面表面相比，通常需要更多球形表面来减少图像模糊。这意味着非球面透镜可用于取代多个球面透镜，从而创建更小、更轻且生产成本更低的设备。

随着透镜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。要加强非球面透镜设计并提高工作效率，请尝试这些 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芝加哥的严冬和死亡谷的灼热夏季产生卓越的图像，死亡谷的温差约为90华氏度。用于军事和航空航天应用的光学系统有望在更广泛的温度环境中表现良好。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。为较大的温摆设计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结合玻璃和塑料元件。

玻璃和塑料元件具有不同的热性能，使设计能够在一定温度范围内保持焦点。使用 CODE V 微距功能@MTF_PEAKFOC来评估镜头焦点随温度的变化（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 um

70C 时最佳对焦：1.1 um

热焦距偏移

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

在代码 V 中使用宏 PLUS 实现有效的数据可视化

紧凑的非球面设计通常有一百多个变量，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。

使用宏观加提取感兴趣的数据

由于紧凑的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 生成的通过焦点 MTF 图总共包含 30 条曲线，如下图所示。很难从呈现的大量曲线中观察到峰值焦点与场之间的关系。在这种情况下，我们可以使用宏根据通过焦点MTF数据绘制峰值MTF焦点与场的关系，如右图所示。使用 Macro-PLUS 生成提炼的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汇总公差分析结果。公差分析生成累积概率图。当需要许多场时，例如对于紧凑的非球面设计，很难将性能与场相关联。例如，包含 11 个字段的蒙特卡洛矢状和切向容差分析 （TOLMONTE） 的结果如下所示。

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的关系。下图将 TOLMONTE 的结果提炼为 70% 累积概率与相对字段之间的简单关系。

对齐峰焦点以改善焦深

对于经典的镜头设计形式，最佳焦点通常位于由Petzval曲率定义的曲面上。相反，对于紧凑的非球面设计，最好的焦点可能位于高度非球面的表面上。在优化文件中包括函数@MTF_PEAKFOC以将峰值焦点限制在平面上将改善设计焦点深度。通常，针对更大的焦深进行设计可以提高竣工性能，还可以提高热性能。

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，光线追踪紧凑的非球面系统比经典系统需要更长的时间，蒙特卡罗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数据。这样，您可以使用最少的试验次数最大化获得的信息。即使只有五项试验可以提供有用的信息，如下图所示（例如：快速统计蒙特卡罗研究）。

评估全视场热焦位移

对于紧凑的非球面设计，由于此类系统复杂的场依赖性，最佳焦点可能会因场而异。热焦距偏移也可能在视场范围内发生显着变化。如左图所示，标称设计在整个热范围内可能具有良好的MTF，但在大视场角下具有明显的热焦距偏移，如右图所示。热焦点偏移将降低整个温度范围内的竣工设计性能。评估整个视场的热焦距偏移可以减少这种差异。

总结

CODE V 提供设计和分析功能，使光学工程师能够利用非球面设计提供的独特图像质量和成本效益。

审核编辑：郭婷