只有經(jīng)過了詳細的分析，才能知道當前的系統(tǒng)哪里不符合我們的設計要求，才能為后續(xù)優(yōu)化鋪墊方向，所以讓我們來詳細了解：

如何設計一個單透鏡 第二部分：分析

概述

本系列共三篇文章，旨在介紹如何使用OpticStudio序列模式界面進行操作。本文以單透鏡為例，介紹了設計透鏡的基本過程，包括構(gòu)建系統(tǒng)（第1部分）、分析性能（第2部分），以及根據(jù)所需的參數(shù)和設計約束對其進行優(yōu)化（第3部分）。

引言

這是由三篇文章組成的系列文章的第2部分。介紹了系統(tǒng)的布局圖(Layout)，給出了系統(tǒng)的可視化表示，然后重點對點列圖(Spot Diagram)、光程差圖(OPD Fan)和光線像差圖(Ray Fan)進行了分析，對系統(tǒng)的像差進行了評價。它還解釋了如何使用快速聚焦工具(Quick Focus tool)來更好地定位像面的位置。

在第1部分中，我們將討論如何使用系統(tǒng)選項(System Explorer)和鏡頭數(shù)據(jù)編輯器(Lens Data Editor)設置系統(tǒng)。在第3部分中，我們將討論如何優(yōu)化單透鏡，在設計約束下獲得更好的性能。

在優(yōu)化之前評估系統(tǒng)性能

OpticStudio中包含了許多不同的分析功能，每個功能都可以用來評估設計的性能。在此次練習中，我們將使用四種更基本、更常見的系統(tǒng)性能分析功能來評估優(yōu)化之前的單透鏡：

? 布局圖(Layout)：布局圖可以通過分析( Analyze)>視圖(System Viewer)> 2D視圖(Cross-Section)打開。2D視圖繪制了鏡頭的YZ截面，僅適用于旋轉(zhuǎn)對稱的軸對稱系統(tǒng)。布局圖始終是當前光學系統(tǒng)的一種有效的可視化表示。
? 點列圖(Spot Diagram)：點列圖可以通過分析( Analyze)>像質(zhì)分析( Image Quality)>光線跡點(Rays & Spots)>標準點列圖(Standard Spot Diagram)打開。點列圖表示點物體所成的像。在沒有像差的情況下，點物體會收斂到一個完美的像點。默認情況下，OpticStudio會繪制的每個視場點列圖。
? 光程差圖(OPD Fan)：光程差圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質(zhì)分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)> 光程差圖(Optical Path)打開。光程差圖是光程差隨光瞳坐標變化的曲線。在一個理想的光學系統(tǒng)中，波前的光程與出瞳處無像差球面波前的光程相同。
? 光線像差圖(Ray Fan)：OpticStudio中的光線光扇圖可以通過選擇分析( Analyze)> 像質(zhì)分析(Image Quality)>像差分析(Aberrations)>光線像差圖(Rays Aberration)打開。光線像差圖是光線像差隨光瞳坐標變化的曲線。一般情況下，當一條光線通過光學系統(tǒng)到達成像表面時，它的交點落在離主光線較小但非零的距離上。同樣，在一個完美的光學系統(tǒng)中，任意光瞳位置對應的光線像差上都應該是零。

點列圖(Spot Diagram)、光程差圖(OPD Fan)和光線像差圖(Ray Fan)是透鏡設計者用來確定光學系統(tǒng)中存在的不同類型和不同程度像差的最重要的工具。然而，設計人員根據(jù)這些分析功能確定設計中出現(xiàn)的像差的過程超出了本練習的范圍。

基于我們目前所搭建的設計，打開以上的每一個分析窗口來回顧當前鏡頭的性能。

從以上四個圖的評估中可以明顯看出，單透鏡設計有大量的像差，包括但不限于球差、彗差、畸變、離焦、場曲和像散。此外，根據(jù)下面點列圖底部的數(shù)據(jù)可以看出，最大視場的GEO半徑和RMS半徑分別為: 1774.42μm和734.581μm。

使用快速聚焦工具

從四個分析功能給出的結(jié)果可以看出，單透鏡在此時的性能肯定不是最優(yōu)的。性能相當差的一個重要因素是像面位置的隨機選擇。從上面的布局圖(Layout)來看，當前選擇的像面并沒有處于“最佳焦點”。

即使在優(yōu)化之前，我們也可以使用OpticStudio中的工具來更好地定位當前像面的位置。該工具稱為快速聚焦(Quick Focus)?？焖倬劢?Quick Focus)是OpticStudio的一個功能，它可以調(diào)整像面之前表面的厚度，以使RMS像差最小。

可以通過選擇優(yōu)化(Optimize)>手動調(diào)整(Manual Adjustment)>快速聚焦(Quick Focus)或按下鍵盤上的< Shift + Ctrl + Q >打開快速聚焦對話框?！白罴呀裹c”的目標值將取決于所選擇的標準。對于單透鏡設計，我們將使用相對于質(zhì)心的光斑半徑。選擇光斑半徑(Spot Size Radial)，并在“使用質(zhì)心(Use Centroid)”選項框打勾。

單擊OK運行并關閉快速聚焦(Quick Focus)對話框。

注意，像面之前表面的厚度將自動改變。默認情況下，分析窗口將自動更新，但是如果沒有更新，您可以通過單擊窗口左上角的更新(Update)分別更新它們。僅僅由于像面位置的改變，您就可以看到性能有相當大的變化。最重要的是，最大視場的GEO半徑和RMS半徑減小了近兩倍!

盡管設計比以前好，但仍有改進的空間。在如何設計單透鏡的第3部分：優(yōu)化，我們將解釋如何設置和執(zhí)行一個系統(tǒng)優(yōu)化，使其達到更好的性能。