色差校正的案例
利用衍射透鏡校正色差
成像系統(tǒng)
任務/系統(tǒng)說明
亮點
?將衍射透鏡納入光學系統(tǒng)；
?考慮了具有特定效率的不同衍射級次；
?對不完全照明孔徑的二維PSF進行計算；
?對離軸二維PSF進行計算；
具體要求：光源
具體要求：透鏡系統(tǒng)
具體要求：衍射透鏡
具體要求：探測器
結果：同軸3D光線追跡
結果：同軸光線追跡
結果：同軸場追跡
結果：離軸10° 3D光線追跡
結果：離軸10° 光線追跡
結果：離軸10° 場追跡
結果：離軸20° 3D光線追跡
結果：離軸20° 光線追跡
結果：離軸20° 場追跡
文件&技術信息
混合目鏡模型中理想衍射透鏡的色差校正
[圖片]
VirtualLab Fusion：混合目鏡模型中理想衍射透鏡的色差校正
摘要
具有折射和衍射曲面的混合透鏡在不同的應用中成為一種很有前景的解決方案。在這里，我們將演示一個混合目鏡的案例，其中一個衍射透鏡表面被用來校正色差。原始設計取自Zemax OpticalStudio?，并導入VirtualLab Fusion以供進一步研究。在這種情況下，衍射透鏡表面的模型是由衍射級次、每個級次的衍射效率和波前相位響應定義的理想曲面。
設計和建模任務
導入的鏡頭文件
原始設計來自ZemaxOpticStudio?，并導入到VirtualLab Fusion中。
更多信息： 從ZemaxOpticStuidio?導入光學系統(tǒng)
理想衍射透鏡的參數(shù)設置
衍射透鏡的期望光學功能被定義為波前相位響應，它可以在通道操作選項卡中設置，或從OpticStudio的二進制曲面導入。
對于理想的衍射透鏡，必須定義所考慮的衍射級次及其效率。
更多信息在：衍射透鏡元件
總結——元件
軸上情況：折射鏡頭
軸上情況：理想衍射透鏡
離軸情況：折射鏡頭
離軸情況：理想衍射透鏡
VirtualLab Fusion技術
文檔信息
拓展閱讀
- 眼內(nèi)衍射透鏡的設計與分析
- 衍射透鏡元件
- 從Zemax Optical Studio?導入光學系統(tǒng)
展開 用于像差校正的混合透鏡設計
混合目鏡模型中理想化衍射透鏡的色差校正
為了證明軟件在這方面的能力，我們比較了折射目鏡和混合目鏡的模型。在這個例子中，研究了不同波長的軸上和離軸光束的傳播和相應的色度效應
為了準確地建模和設計這種混合元件，有必要對系統(tǒng)的衍射效應進行深入分析。VirtualLab Fusion的快速物理光學傳播技術允許對典型透鏡進行精確建模，并計算不同級衍射透鏡的衍射效率。
混合透鏡結合了傳統(tǒng)折射元件和衍射結構的優(yōu)點，因此在不同的光學應用中成為一種有前途的方法。特別地，折射和衍射表面色散的相反符號使得能夠校正色差。
SYNOPSYS 光學設計軟件課程三十一：超消色差
這給了我們一個簡單的評價函數(shù)：
LOG
STO 9
PANT
VLIST RAD 1 2 3 4 5
VLIST TH ALL AIR
VLIST GLM ALL
END
AANT
AEC
ACC
LUL 4 1 1 A TOTL
GSR .5 10 5 M 0
GNR .5 2 3 M .7
GNR .5 1 3 M 1
END
SNAP
SYNOPSYS 50
在這里，要校正所有 10 種波長。是時候進行優(yōu)化了。運行 MACro 并模擬退火。鏡頭變得更好，但仍然不太理想：
該透鏡具有曲率求解，并且在每個波長下程序將重新計算它。（我們當然不希望這種情況發(fā)生！）因此，我們制作了第二個 MACro，如下所示：
STORE 9
STEPS = 50
CHG
NOP
END
PLOT DELF FOR WAVL = .365 TO 0.9 GET
9
此文件刪除所有的求解（和拾取，如果有的話），然后繪制離焦。然后，它以相同的方式得到鏡頭。
這是色差校正后的曲線：
當然，這對于玻璃模型是有效的，通常我們會替換成真正的玻璃并重新優(yōu)化。但目前我們有一個消色差，校正了兩個波長。因為我們可以在圖表上畫一條水平線，它會在兩個地方與曲線相交。我們認為這種校正對我們來說不夠好。
展開 VirtualLab Unity應用：雙高斯照相機物鏡
案例說明
雙高斯照相物鏡廣泛應用于單反相機、工業(yè)檢測相機、安防監(jiān)控設備與專業(yè)攝影器材中，用于實現(xiàn)大相對孔徑成像、寬光譜色差校正以及優(yōu)異的離軸像質還原。其具有對稱光學結構、低畸變率、高分辨率表現(xiàn)的優(yōu)點，適合應用于對成像清晰度與色彩真實性要求較高的各類攝影光學系統(tǒng)。在本案例中，將在 VLU 中演示雙高斯照相機物鏡的設計過程，包括初始系統(tǒng)生成、評價函數(shù)定義、優(yōu)化以及結果展示。
VirtualLab Unity應用：折衍混合紅外物鏡
憑借將衍射光學元件（DOE）與折射透鏡耦合的混合設計，該類鏡頭能夠在寬波段或多波段紅外成像條件下實現(xiàn)優(yōu)異的色差校正與像質控制，同時兼具重量小、結構簡化、對熱漂移（thermal shift）更魯棒等優(yōu)勢。在本案例中，將通過設計一個典型的折衍混合紅外物鏡，演示在 VLU中的光學設計流程，包括初始系統(tǒng)生成、像質分析、評價函數(shù)定義、優(yōu)化。
VirtualLab Unity應用：雙高斯照相機物鏡
應用場景
雙高斯照相物鏡廣泛應用于單反相機、工業(yè)檢測相機、安防監(jiān)控設備與專業(yè)攝影器材中，用于實現(xiàn)大相對孔徑成像、寬光譜色差校正以及優(yōu)異的離軸像質還原。其具有對稱光學結構、低畸變率、高分辨率表現(xiàn)的優(yōu)點，適合應用于對成像清晰度與色彩真實性要求較高的各類攝影光學系統(tǒng)。在本案例中，將在 VLU 中演示雙高斯照相機物鏡的設計過程，包括初始系統(tǒng)生成、評價函數(shù)定義、優(yōu)化以及結果展示。
案例說明
設計結果
設計結果如下，像質，系統(tǒng)規(guī)格、額外系統(tǒng)限制以及加工要求均滿足預期設計目標。
優(yōu)化后系統(tǒng)的3D光線追跡視圖
初始系統(tǒng)生成
評價函數(shù)定義
優(yōu)化
VirtualLab Unity應用：折衍混合紅外物鏡
憑借將衍射光學元件（DOE）與折射透鏡耦合的混合設計，該類鏡頭能夠在寬波段或多波段紅外成像條件下實現(xiàn)優(yōu)異的色差校正與像質控制，同時兼具重量小、結構簡化、對熱漂移（thermal shift）更魯棒等優(yōu)勢。在本案例中，將通過設計一個典型的折衍混合紅外物鏡，演示在 VLU中的光學設計流程，包括初始系統(tǒng)生成、像質分析、評價函數(shù)定義、優(yōu)化。
案例說明
設計結果
設計結果如下，像質，系統(tǒng)規(guī)格、額外系統(tǒng)限制以及加工要求均滿足預期設計目標。
優(yōu)化后系統(tǒng)的3D光線追跡視圖
初始系統(tǒng)生成
評價函數(shù)定義
優(yōu)化
人工衍射透鏡的設計與分析
結構設計：高度調制為1.00
結構設計：高度調制為0.95
結構設計：高度調制為0.90
結構設計：尋找最佳比例因子
結構設計：最優(yōu)高度調制為0.605
從近場到遠場焦斑演化的圖解
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 從Zemax OpticStudio?導入透鏡系統(tǒng)
- 從Zemax導入光學系統(tǒng) [用例]
? 衍射透鏡的配置
? 參數(shù)掃描的配置
- 參數(shù)掃描文件的使用 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
- 用具有衍射透鏡表面的混合目鏡進行色差校正的建模
- 從Zemax OpticStudio?導入光學系統(tǒng)
展開 [VirtualLab] 人工衍射透鏡的設計與分析
結構設計：高度調制為1.00
結構設計：高度調制為0.95
結構設計：高度調制為0.90
結構設計：尋找最佳比例因子
結構設計：最優(yōu)高度調制為0.605
從近場到遠場焦斑演化的圖解
走進VirtualLab Fusion
VirtualLab Fusion的工作流程
? 從Zemax OpticStudio?導入透鏡系統(tǒng)
- 從Zemax導入光學系統(tǒng) [用例]
? 衍射透鏡的配置
? 參數(shù)掃描的配置
- 參數(shù)掃描文件的使用 [用例]
VirtualLab Fusion技術
文件信息
延伸閱讀
- 用具有衍射透鏡表面的混合目鏡進行色差校正的建模
- 從Zemax OpticStudio?導入光學系統(tǒng)
展開 
實際約束條件下成像系統(tǒng)的初始結構的生成
文獻中通過Zemax中的“Hammer”優(yōu)化方法獲得的平均RMS光斑尺寸約為55 μm，色差校正效果中等。基于同等規(guī)格與約束，我們采用自主研發(fā)的FTR初始透鏡生成器，在數(shù)分鐘內(nèi)即創(chuàng)建出多個更加優(yōu)質的設計方案。圖1展示了由FTR程序生成的五類不同透鏡系統(tǒng)的選擇。
圖1.FTR初始透鏡生成器產(chǎn)生的各種5L和6L系統(tǒng)
所有初始透鏡方案均展現(xiàn)出優(yōu)異性能，平均RMS光斑尺寸介于60-90 μm。經(jīng)快速優(yōu)化后，可在短時間內(nèi)將平均RMS光斑尺寸降至約30 μm，并實現(xiàn)色差的良好校正。后續(xù)將展示更多初始透鏡結構設計的案例，涵蓋雙遠心鏡頭到廣角成像系統(tǒng)。
3.集成制造可行性分析：“First Time Right’”與PanDao的協(xié)同
PanDao是近期研發(fā)的一款建模軟件工具，可讀取透鏡數(shù)據(jù)并確定最佳制造鏈，在考慮約360種制造技術的前提下實現(xiàn)制造成本與風險最小化。為展示FTR與PanDao協(xié)同工作的獨特能力，我們選用機器視覺鏡頭進行驗證（文件3-2-3-2_Machine-vision_Fig-3-26.zmx ），該鏡頭是由R. Siew提供的Zemax案例庫。通過FTR初始透鏡生成器進行規(guī)格化與約束后，僅篩選光學性能相當或更優(yōu)的透鏡方案，最終選定了三種差異比較顯著的設計（見圖2）。
圖2. （a）與（b）參考設計實例；（c）-（e）基于同等規(guī)格與約束條件，由FTR初始透鏡生成器生成的放大視圖系統(tǒng)
經(jīng)PanDao分析，所有四個目標方案（參考方案(b)及FTR方案(c)、(d)、(e)）均具備低風險量產(chǎn)可行性，但其制造成本差異顯著（詳見圖3）。所有FTR方案成本均低于參考方案，其中方案(d)為綜合成本效益最優(yōu)選擇。
圖3. PanDao對圖2所示四個目標方案進行的分析。
展開 實際約束條件下成像系統(tǒng)的初始結構的生成
文獻中通過Zemax中的“Hammer”優(yōu)化方法獲得的平均RMS光斑尺寸約為55 μm，色差校正效果中等。基于同等規(guī)格與約束，我們采用自主研發(fā)的FTR初始透鏡生成器，在數(shù)分鐘內(nèi)即創(chuàng)建出多個更加優(yōu)質的設計方案。圖1展示了由FTR程序生成的五類不同透鏡系統(tǒng)的選擇。
圖1.FTR初始透鏡生成器產(chǎn)生的各種5L和6L系統(tǒng)
所有初始透鏡方案均展現(xiàn)出優(yōu)異性能，平均RMS光斑尺寸介于60-90 μm。經(jīng)快速優(yōu)化后，可在短時間內(nèi)將平均RMS光斑尺寸降至約30 μm，并實現(xiàn)色差的良好校正。后續(xù)將展示更多初始透鏡結構設計的案例，涵蓋雙遠心鏡頭到廣角成像系統(tǒng)。
3.集成制造可行性分析：“First Time Right’”與PanDao的協(xié)同
PanDao是近期研發(fā)的一款建模軟件工具，可讀取透鏡數(shù)據(jù)并確定最佳制造鏈，在考慮約360種制造技術的前提下實現(xiàn)制造成本與風險最小化。為展示FTR與PanDao協(xié)同工作的獨特能力，我們選用機器視覺鏡頭進行驗證（文件3-2-3-2_Machine-vision_Fig-3-26.zmx ），該鏡頭是由R. Siew提供的Zemax案例庫。通過FTR初始透鏡生成器進行規(guī)格化與約束后，僅篩選光學性能相當或更優(yōu)的透鏡方案，最終選定了三種差異比較顯著的設計（見圖2）。
圖2. （a）與（b）參考設計實例；（c）-（e）基于同等規(guī)格與約束條件，由FTR初始透鏡生成器生成的放大視圖系統(tǒng)
經(jīng)PanDao分析，所有四個目標方案（參考方案(b)及FTR方案(c)、(d)、(e)）均具備低風險量產(chǎn)可行性，但其制造成本差異顯著（詳見圖3）。所有FTR方案成本均低于參考方案，其中方案(d)為綜合成本效益最優(yōu)選擇。
圖3. PanDao對圖2所示四個目標方案進行的分析。
展開 Nature:原位透射電鏡觀察-雙層石墨烯中Li的可逆超密相
研究人員利用原位低壓透射電子顯微鏡研究鋰插入雙層石墨烯，并使用球面和色差校正來增強對比度和分辨率到所需水平。鋰原子在兩個碳片之間呈現(xiàn)多層密堆積順序，與該超密相相關的鋰儲存容量遠遠超過LiC6形成的預測值。因此，二維層狀材料中可能存在不同的離子存儲排列。
【圖文導讀】
圖一 實驗裝置及工作原理
（a）設備示意圖
（b）TEM測試期間示意性側視圖
（c）雙層石墨烯的電阻率ρxx兩次鋰化（L）/脫鋰循環(huán)期間原位測量
圖二 TEM表征
(a-c) 鋰化期間Li的傳播
(d-g) b圖的進一步補充
(h, i) b, g方塊區(qū)域的放大圖示，顯示Li晶體的邊緣
圖三 DFT計算得到的Li晶體原子模型
(a, b) Li以相稱超結構排列
(c,d) 完全優(yōu)化的雙層Li結構
(e, f) 完全優(yōu)化的三層Li結構
圖四 雙層石墨烯中Li晶體的生長
紅，綠，藍表示Li晶體的面內(nèi)取向
文獻鏈接：Reversible superdense ordering of lithium between two graphene sheets(Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0754-2)
展開 SYNOPSYS?光學設計軟件--復消色差透鏡
消色差透鏡的理論表明選擇的三種玻璃不能在圖中 一條直線上，必須成三角形，面積越大越好。
N-SK4玻璃特性
點擊Properties按鈕
N-SK4玻璃不是那么穩(wěn)定：濕度等級為 3，酸敏 感度為 5。
尋找更好的玻璃
關閉Properties窗口，再次點擊Graph按鈕。
點擊Acid Sensitivity和OK按鈕。
點擊 按鈕放大數(shù)字1的綠色圓圈。
點擊Full Name選項 。
紅垂直線表示酸敏感度，N-SK4的這條線很 長，因為這種玻璃不耐用，左邊的N-BAK2 沒有線。
N-BAK2玻璃特性
點擊N-BAK2的紅色圓圈
點擊Properties
N-BAK2的酸敏感度為1，耐濕性更好，價格更低
N-BAK2分配給表面1
在Surface框中輸入表面編號1 ，
點擊\Apply/按鈕，
點擊Spots Only選項，
點擊Graph，選擇No Graph，點擊OK。
優(yōu)化
點擊Open MACro按鈕，
打開C12M1.MAC，點擊Open按鈕，
點擊Run按鈕 。
離焦-波長曲線
在Command Window中輸入如下命令行 – CHG – NOP – END – PLOT DELF FOR WL = .45 TO .65，
NOP意思是刪除所有的透鏡拾取和求解，
DELF意思是近軸離焦，離焦約0.0026英寸，
w L意思是波長，波長范圍為0.45-0.65μm，
為什么不繪制后焦距-波長圖呢？因為當用NOP指令刪除所有求解，后焦距是固定的，但是近軸離焦是隨波長改變的。
總結
本例介紹如何設計具有比使用簡單雙合透鏡更好 的色差校正的鏡頭，它的要點是，必須使用滿足 某些特性的三種不同玻璃。
展開 