光学系统设计中如何使用玻璃替换方法来优化玻璃

在光学系统中选择最优玻璃材料时,Conrady d-D以及模型玻璃等传统的玻璃选择方法提供的帮助有限。本文介绍了如何使用玻璃替换方法进行直接玻璃优化,以及在考虑玻璃的可用性、成本及耐候性等因素时,如何进一步严格挑选玻璃。

作者 Nam-Hyong Kim

简介

玻璃替换方法是OpticStudio中选择玻璃最有效的方法。玻璃替换方法可直接修改玻璃类型,然后重新优化系统,以确定新的玻璃是否是更好的设计方案。

当玻璃被设置为“substitute”求解时,OpticStudio将自动完成此过程。如果一种玻璃被标记为可替换 (Substitute) 玻璃,则全局优化算法(Hammer和Global Search)将在优化过程中自动执行此类玻璃的迭代替换。这样可使OpticStudio在不借助于理想化玻璃色散的情况下优化系统。本文将提供此方法的一个示例。 

玻璃替换

OpticStudio中处理玻璃优化的方式与处理其他数据的方式有些不同。直接优化玻璃选择是一件很困难且不可预测的过程,因为玻璃的属性是不连续的。

选择玻璃的传统方法是使用某种模型玻璃。模型玻璃方法是使用一些数值参数将玻璃色散理想化,然后优化这些参数,同时将参数值或计算的折射率值约束为类似可用的玻璃。在可见光区域,可以使用Conrady d-D方法进一步简化该方法。这种方法仅对少数不同波长的光线进行追迹、缩放,然后使用优化方法使其差异变为零值。

如果一种玻璃被描述成有一定折射率、阿贝数和部分色散偏离的“模型玻璃”,则可以将这些模型参数设置为变量,然后像其他数值参数一样进行优化。然而,模型玻璃方法存在一个严重的缺陷,即在使用模型玻璃方法获得良好的设计方案之后,必须将模型玻璃转换为真实的玻璃,然后再使用新选择的玻璃来重新优化该设计。遗憾的是,对于许多系统,新优化的设计方案的性能可能比模型玻璃方法的设计方案的性能要差。更令人沮丧的是,使用真实玻璃的最佳设计可能与使用模型模型找到的最优设计有不同的结构。

为避免以上过程中出现的麻烦,OpticStudio提供了一种玻璃替换工具。在优化过程中,玻璃替换方法使用来自玻璃目录中的真实玻璃替换镜头数据编辑器(LDE)中的玻璃。

为查看玻璃替换方法的操作过程,我们将优化Doublet.zmx示例文件中的玻璃,该文件位于 {Zemax}/Samples/Sequential/Objectives/Doublet.zmx。

打开示例文件,然后在LED中设置两种玻璃的状态:打开solve对话框(双击或左键单击玻璃参数),并将 solve 类型设置为“Substitute”。

Substitute

出现在玻璃旁边的字母“S”表示这些玻璃处于可替换状态。

Lens_data

使用评价函数编辑器中的默认评价函数工具构建RMS波前优化默认评价函数。

Wizards_and_Operands

点击“OK”,评价函数编辑器将显示如下:

Merit Function Editor

优化

在优化过程中,由于每一次替换玻璃都会使评价函数的值产生不连续的跃变,所以玻璃替换需要使用全局优化算法,如使用Global Search或Hammer算法代替局部优化方法。

替换的玻璃选自系统当前使用的玻璃目录。在“System Explorer...Material Catalogs...Catalogs To Use”中可进行设置,本例使用的是Schott目录。

Schott catalog

打开OPD光扇图,观察系统在优化之前的性能。OPD最大量度为0.5个波长。

OPD_fan

点击“Optimize...Hammer Current”执行Hammer优化。勾选“Auto Update”选项,查看优化期间 LDE 的数据和OPD光扇图的变化。

点击“Start”开始优化

Hammer_optimization

您将看到优化期间替换用到的玻璃,以及 OPD 光扇图窗口的变化。

结果

在大约一分钟之后停止优化。LDE中的玻璃可能如下所示:

Lens Data Editor

将OPD光扇图的最大量度设置为0.5,以便与优化前的性能对比。性能明显已得到极大改善。

OPD_fan_2

System Explorer...Materials Catalogs...Catalogs To Use”中列出的所有玻璃库中的玻璃都将被用于替换。如果要限制特定的玻璃目录,您可以在solve窗口中输入目录的名称。例如,您已在“General”窗口中列出Hoya和Schott两个玻璃目录:

Material_catalogs

但是您只想使用Hoya目录中的玻璃替换面#1的玻璃,那么您只需要在该玻璃的solve窗口中输入“Hoya”即可。

Lens Data Editor_2

现在只有Hoya目录的玻璃可选作替换的玻璃。

玻璃替换模板

您可以使用“Libraries...Glass Substitution Template”中的玻璃替换模板进一步限制玻璃目录中玻璃的替换。请确认勾选了“Use Glass Substitution Template”选项框,否则将如同之前一样使用目录中的所有玻璃都会进行替换。

Use Glass Substitution Template

玻璃替换模板使用玻璃目录中的“相对价格 (Relative cost)”和“状态 (Status)”等数据来筛选玻璃。例如,勾选“首选 (Preferred)”选项通常十分有用,因为首选 (Preferred) 的玻璃通常是熔炼更频繁的玻璃,更可能根据需求被供应商提供。

要查看特定玻璃的数据或状态,请点击“Libraries...Materials Catalog”打开材料目录窗口。

Material_catalogs_2

材料目录给出了玻璃状态,可能是标准的 (Standard)、首选的 (Preferred)、特殊的 (Special)、废弃的 (Obsolete) 或熔炼的 (Melt)。除非您真的需要选择其他状态,否则请始终选择“Preferred”玻璃,因为这些玻璃价格最低、化学性质最稳定、而且最为常用。

材料目录还列出了相对价格(相对于单位重量下 N-BK7 的价格)、耐候性、耐沾污性、耐酸性、耐碱性和耐洗剂性。通过使用玻璃替换模板,您可以确保选择的玻璃不仅仅符合光学标准,还符合其他重要标准。

KA-01403

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