シングレット レンズの設計方法 パート2: 解析

この3つの記事のシリーズは、OpticStudioシーケンシャルモードのインターフェイスに関する紹介など、新しいユーザーへの入門を目的としています。 記事ではシングレット レンズを例に、光学系システムの構築(パート1)、光学パフォーマンスの分析(パート2)、必要な設計仕様と制約に対する最適化(パート3)を含むレンズ設計の基本プロセスを紹介します。

著者 Dan Hill

Introduction

これは一連の3つの記事の第2部です。 システムの視覚的表現を示すためにレイアウトを導入し、システムの異常を評価するために、スポット ダイアグラム、光路差図、および横収差図の分析に焦点を合わせます。 また、クイック フォーカス ツールを使用してイメージ プレーンの位置をより適切に配置する方法についても説明します。

Part 1では、システム エクスプローラーとレンズ データ エディタを使用してシステムを設定する方法について説明します。 Part 3では、設計の制約内で光学性能を向上させるためにシングレット レンズを最適化する方法について説明します。

最適化に先立つ光学系性能の評価

OpticStudio には多数の解析機能が用意されており、それぞれを設計の性能評価で使用できます。この演習では、広く知られている基本的な解析として、以下の 4 つのタイプを光学系の解析に使用し、最適化の前にシングレットを評価します。

 

Analysis Description
レイアウト メイン メニューから [解析] (Analyze) → [システム ビューア] (System Viewers) → [断面図] (Cross-Section) を選択すると、レイアウトを開くことができます。[断面図] (Cross-Section) オプションは回転対称の軸対称光学系でのみ有効で、レンズの YZ 断面が表示されます。レイアウト図では、現在の光学系をいつでも効果的に視覚表現できます。
スポット ダイアグラム メイン メニューから [解析] (Analyze) → [像質] (Image Quality) → [光線とスポット] (Rays & Spots) → [標準スポット ダイアグラム] (Standard Spot Diagram) を選択すると、スポット ダイアグラムを開くことができます。スポット ダイアグラムでは、点物体の像が表示されます。収差が存在しなければ、点物体は完全な点像として結像します。デフォルトでは、視野点ごとのスポット ダイアグラムが表示されます。
光路差図 メイン メニューから [解析] (Analyze) → [像質] (Image Quality) → [収差] (Aberrations) → [光路差図] (Optical Path) を選択すると、光路差図 (OPD) を開くことができます。光路差図では、瞳座標の関数として光路差が表示されます。完全な光学系であれば、波面の光路は、収差のない球面の波面が射出瞳で示す光路と同じになります。
横収差図 メイン メニューから [解析] (Analyze) → [像質] (Image Quality) → [収差] (Aberrations) → [光線収差] (Rays Aberration) を選択すると、横収差図を開くことができます。横収差図では、瞳座標の関数として光線の収差が表示されます。一般的に、光学系を通過して像面に到達する光線は、主光線からわずかに離れた位置で像面と交差します。この場合も、完全な光学系であれば、瞳全体にわたって光線の収差はゼロです。

 

スポット ダイアグラム、光路差図、および横収差図は、光学系に存在する収差の種類と程度をレンズ設計の現場で把握するために使用できる最も重要なツールの一種です。なお、これらの解析機能を使用して、光学設計に存在する各種の収差を設計段階で確認するプロセスは、この演習では取り上げません。Zemax OpticStudio のユーザーズ ガイドで引用している参考文献のいくつかに、これらの概念に関する詳しい説明があります。 

ここでこれまで進めてきた設計を変更し、上記の各解析機能を開いて、現在のレンズ性能を確認してみてみます。

 

InitialLayout     InitialSpotDiagram    

InitialRayFan     InitialOPD    

 

上記の 4 つの図による評価から、シングレット レンズには顕著な数の収差が存在することが明らかです。この収差として、球面収差、コマ収差、ディストーション、デフォーカス、像面湾曲、非点収差などがあります。また、スポット ダイアグラム下部に示される、最大視野での GEO スポット半径と RMS スポット半径は、それぞれおよそ 734.581 µm と 1774.42 µm です。

 

SpotRadiusVals1

 

 

クイック フォーカス ツールの使用

4 つの解析機能による結果からもわかるように、この段階でのシングレットの性能は明らかに最適化されたものではありません。この不十分な性能の大きな要因は、像面の位置が無作為に選択されていることにあります。レイアウトを見ても、現在選択されている像面が「最良の焦点」ではないことが明らかです。

最適化を実行しなくても、Zemax OpticStudio に付属するツールを使用して、現在の像面をより良好な位置に置くことができます。このツールは「クイック フォーカス」ツールというものです。クイック フォーカスとは、Zemax OpticStudio に付属する機能であり、RMS 収差が最小限になるように、像面の前にある面の厚みを調整します。

[最適化] (Optimize) → [手動調整] (Manual Adjustment) → [クイック フォーカス] (Quick Focus) を選択するか、キーボードの Shift + Ctrl + Q キーを押すことで、[クイック フォーカス] (Quick Focus) ダイアログを開きます。このツールで選択される「最良の焦点」位置は、選択した条件に応じて異なります。このシングレット設計では、セントロイドを基準とした半径方向のスポット サイズを使用します。[スポット サイズ半径] (Spot Size Radial) を選択し、[セントロイドを使用] (Use Centroid) ボックスをチェックします。

 

QuickFocus

 

[OK] (OK) をクリックして [クイック フォーカス] (Quick Focus) ツール ダイアログを閉じます。

像面の前にある面の厚みが自動的に変更されていることがわかります。開いている各解析ウィンドウの左上にある [更新] (Update) を選択することで、それぞれのウィンドウの表示を更新します。像面の位置を変更しただけで、光学系の性能が大きく変化することがわかります。最も重要なことは、最大視野における RMS スポット サイズと GEO スポット サイズがほぼ 1/2 になっている点です。

 

LDEAfterQuickFocus

StopDiagramPostQuickFocus

 

以前よりも設計が向上していることは間違いありませんが、まだ改良の余地が残っています。 次節のシングレット レンズの設計方法 パート3: 最適化では、光学性能を向上させるためにレンズを最適化する方法について説明します。

KA-01822

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