非球面設計的案例
SYNOPSYS?光學設計軟件---非球面激光束整形器
概述
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為什么使用非球面設計激光整形器
激光整形器初始系統
優化模擬退火
FLUX非球面設計的光通量均勻性
TFAN子午光扇分析
DPROP衍射傳播特性
ADEF非球面鏡與最佳擬合球體距離
ADEF最佳擬合球體條紋圖
設置工作目錄
選擇Dbook工作目錄
參考Donald Dilworth《Lens Design Automatic and quasi-autonomous computational methods and techniques》第16章
為什么使用非球面透鏡
使用全球面透鏡設計激光整形器需要六片透鏡。
使用非球面或衍射元件需要更少的透鏡，因此值 得額外的制造麻煩。
六個球面透鏡是否比兩個非球面鏡更便宜？如果 沒有，那么非球面設計看起來更具吸引力。
展開 SYNOPSYS 光學設計軟件課程五十九：短焦微型非球面投影物鏡設計
課程五十九：短焦微型非球面投影物鏡設計
投影物鏡通常指 LCD、DLP、LCOS 等投影儀使用的物鏡。
投影物鏡有以下特點：
1.投影物鏡的物是空間光調制器 SLM ，包括上面提到的 LCD 和 DLP ，它決定了物鏡的視場線和分辨率，從而影響系統外形尺寸和信息量。但實際設計時會倒置設計，將其放在像面。
2.像方遠心：在像空間中，出瞳位于無限遠，所有視場的主光線都和光軸平行，從而和 SLM 垂直，這是空間光調制器物理效應的基本要求。
3.大部分物鏡帶有一個耦合棱鏡，如 LCD 投影儀的 X 棱鏡和 DLP 投影儀的 TIE 棱鏡，這些棱鏡厚度較大，對像差有較大的影響，是整個成像光路的一部分。
4.定焦和變焦物鏡：為了適應不同的應用環境，投影物鏡大部分是變焦物鏡。
技術指標：
1.焦距：f=9mm，
2.相對孔徑：D/f=1/1.8
3.全視場：FOV=46°
4.總長小于等于40mm
5.鏡片數為5片
6.光學系統為像方遠心光路
7.畸變<3%
8.成像器件 DMD 尺寸為1/3英寸
9.投影效果：100mm處畫像對角線長85mm
10.在63lp/mm，中心線對 MTF>0.45，全視場>0.3
搜索宏文件：
請掃描文章底部二維碼聯系工作人員獲取代碼
搜索出來的初始結構：
基本參數：
物高為-42.4475，滿足100mm處畫像對角線長85mm。
畸變：
MTF：
由上圖可知，畸變和 MTF 基本已滿足要求。
展開 短焦微型非球面投影物鏡設計 | SYNOPSYS 光學設計軟件第69課
但實際設計時會倒置設計，將其放在像面。
2. 像方遠心：在像空間中，出瞳位于無限遠，所有視場的主光線都和光軸平行，從而和 SLM 垂直。這是空間光調制器物理效應的基本要求。
3. 大部分物鏡帶有一個耦合棱鏡，如 LCD 投影儀的 X 棱鏡和 DLP 投影儀的 TIE 棱鏡，這些棱鏡厚度較大，對像差有較大影響，是整個成像光路的一部分。
4. 定焦和變焦物鏡：為了適應不同的應用環境，投影物鏡大部分是變焦物鏡。
本文將展示使用 SYNOPSYS 軟件進行短焦微型非球面投影物鏡的設計，與上次課程不同的地方是本次設計中使用了非球面面型進行搭建。
展開 SYNOPSYS 光學設計軟件課程四十：從 DSEARCH 開始設計非球面相機鏡頭
課程四十：從 DSEARCH 開始設計非球面相機鏡頭
在開發一款現代手機鏡頭或針孔相機時，設計師們越來越多地使用非球面。它們通常是很小的塑料元件，盡管制作模具很昂貴，但鏡頭可以大量生產，成本很低。甚至可以用法蘭機直接模壓到元件上，使組裝更簡單，這種方法可以使某些元件尺寸保持在非常小的公差范圍內。
為幫助設計此類系統，DSEARCH? 可以對具有非球面的系統進行全局搜索。建議用戶閱讀 SYNOPSYS? 用戶手冊中關于這一強大功能的介紹。我們在此給出一個如何將DSEARCH 用于典型系統的示例。
PROJ ! 開始項目的計時器
CCW ! 清除命令窗口
CORE 16 ! 使用16個核心以提高速度
DSEARCH 1 QUIET ! 啟動DSEARCH；將最好的鏡頭放在庫中的位置1。SYSTEM ! 定義系統規格
ID DSEARCH ASPHERIC CAMERA LENS ! 識別ID
OBB 0 41.3 .285 !
展開 
SYNOPSYS 光學設計軟件---設計可加工制造的非球面
概述
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? AGT非球面自動G項測試
? ASY列出非球面項系數
? ADEF與非球面最接近擬合球面
? ADEF非球面條紋圖
設置工作目錄
選擇Dbook工作目錄
二維圖
FETCH 6
優化
點擊 按鈕，打開C24M1.MAC
點擊 按鈕
使用AGT 來查看添加一些通用的非球面項是否會改進，將測試表面1的高階項 G 3,6,10 和 16，將評價函數降低1％或更多
AGT自動G項測試
在PANT文件前添加AGT 5 QUIET 1 .01 3 6 10 16
點擊 按鈕
ADA的意思是Automatic DOE Assignment，自動衍射光學元件分配
ASY列出非球面項系數
在Command Window中輸入ASY，該程序報告只有第 G 3 項有用，ASY 列表給出了非球面項系數
ADEF與非球面最接近擬合球面
ADEF 1 PLOT，ADEF意思是Analyze，DEFormed surface，分析變形表面
表面1與最接近球面(CFS)，的最大垂直差異有5.8μm。
展開 SYNOPSYS 光學設計軟件課程二十：設計容易制造與加工的非球面
課程二十：設計容易制造與加工的非球面
在本課中，我們展示如何將球面替換成非球面，從而改善像質。然后我們重新優化它，控制非球面與最接近球面（CFS）的 RMS 偏離，以便更容易制造。
這是一個初始鏡頭，一個校正不佳的三片式鏡頭：
（如果您想自己運行此案例，始鏡頭名為 6.RLE。）
讓我們做一個簡單的優化運行。首先，我們只使用球面。這是 MACro：
鏡頭質量得到改善，但 5 階球差和 3 階球差沒有得到平衡：
轉換成非球面。將下面的命令行添加到 PANT 文件并重新優化。
VY 1 G 3
VY 1 G 6
VY 1 G 10
正如所期望的那樣，現在鏡頭要好得多 - 但是非球面看起來如何？ASY 列表給出了系數：
我們使用了22個 G 非球面系數項中的三個。查看該表面與最貼近的球面的貼合程度（CFS）。
輸入命令 ADEF 1 PLOT
該圖表顯示與 CFS 有很大不同。這可能難以準確控制。讓我們繼續優化，是否能得到更容易制作的非球面。在 PANT 文件中添加
VY 1 G 3
VY 1 G 6
VY 1 G 10
VY 1 G 16
在AANT文件中添加了這些
M 0 100 CLINK
ADEF 1
CD1 FILE 6
= CD1
然后運行這個宏，
這里我們使用 CLINK 選項，它使優化程序運行下一個命令（在這種情況下為 ADEF ），然后從文件緩沖區中獲取所需的數量。（要了解此強大功能，請在中鍵入 HELP CLINKCW）。
SYNOPSYS 已經有了這種分析的命令，如用戶手冊的第 10.3.3 節所述，但如果沒有，你會怎么做？
展開 Pea Puffer非球面：周長優化的非球面CCP拋光
Oliver Faehnle1, Matt Balkonis2 and Jessica DeGrote Nelson2
1www.PanPao.ch, St.Gallen, Switzerland, 2www.EdmundOptics.com, USA
摘要：一種用于小直徑非球面 CCP 拋光的新概念，稱為Pea Puffer非球面，能夠生成那些對于大多數 CCP 拋光方法來說孔徑太小的非球面。Pea Puffer方法能夠在工業中以高質量和低成本制造小型非球面，并已數字化集成到 PanDao 軟件中。
1.從光學設計到光學制造
在這個創新的黃金時代，全球制造商面臨的無處不在的挑戰是如何應對供應鏈對日益獨特和專業技術要求的需求。具有諷刺意味的是，我們在工業制造業的世界里又轉了一個圈，因為曾經的革命性概念“現成的”已經被技術所取代，即以消費者的價格精心制作、定制的成品。數字世界告訴我們，我們可以“擁有一切”，制造商不得不學習“優化制造鏈”的新語言。誰學得快，誰就能贏得市場。
2.PanDao
一個名為PanDao的瑞士項目掌握了360光學制造技術的數字化，實現了整個制造鏈的建模[1,2,3]。通過光學設計軟件工具（如Opticstudio[4]或CodeV[5]）的軟件接口導入鏡片數據后，PanDao以最小的風險和成本確定最佳的光學制造鏈。從注射成型到磁流變精加工（MRF），從精密玻璃成型（pgm）到單點金剛石車削（SPDT）， 360種不同的光學制造技術中的每一種都有自己特定的程序和技巧。以下，將報告其中兩個專業的PanDao數字化流程：(a)非球面拋光和(b) Pea Puffer拋光程序。
3.非球面拋光
非球面拋光通常應用于與球面偏差較小的最合適的球面。傳統上，非球面是CNC點接觸地面，然后進行亞孔徑CCP拋光（計算機控制拋光[6]）。
展開 SYNOPSYS 光學設計 第40課 從Scratch開始的非球面相機鏡頭
程序調整曲率以保持元件光焦度，但如果存在非球面項，則某些光線仍然可能失效。 如果發生這種情況，請在更改其他材料后再次運行ARGLASS。 這通常有效。
現在都是真實的材料。 為了確保我們有一個最佳設計，我們刪除PANT文件中的GLM變量（或將它們更改為單個VLIST GLM ALL，這只會改變鏡頭中已有的GLM），并進一步優化。 現在是時候嘗試更多的非球面項了。 我們在PANT文件中添加了如下命令
VY 1 G 10
VY 2 G 10
VY 3 G 10
VY 4 G 10
并再次優化。但是現在全視場的OPD TFAN開始向上邊緣光線偏離。
因此，我們在AANT文件中添加了一個新命令行，并進行了更多優化。 結果好多了！
M 0 .5 A P OPD 1 0 1
以下是此設計的MTF曲線。 它接近完美。
現在你知道如何使用這個程序了，但是我們能做些什么不同的呢?這種設計達到衍射極限，但在全視場的MTF要比在軸上低得多。這是為什么呢?由于鏡頭前面有光闌，我們正在校正畸變，因此圖像必然會顯示cos ** 4變暗。 事實上，在41.3度的視場角，這意味著邊緣比中心暗32％。 它如何做到這一點？ 通過改變有效F /number！ 我們輸入命令
FN 0 FN 1
并且觀察到軸上F/number大約是2.7時，在邊緣處子午方向是6.2，在弧矢方向是3.5。F/number越高，Airy衍射斑的尺寸越大，在Y方向的截止頻率越低。這就是MTF曲線告訴我們的。
如果這種情況令人滿意，我們就完成了。 但是我們假設你真的希望在視場上照度均勻分布。 除非你讓畸變變大，否則你無法得到這樣的結果。 如果您計劃設計完成以后以電子方式進行補償，這可能不是問題。
展開 Pea Puffer非球面：周長優化的非球面CCP拋光
Oliver Faehnle1, Matt Balkonis2 and Jessica DeGrote Nelson2
1www.PanPao.ch, St.Gallen, Switzerland, 2www.EdmundOptics.com, USA
摘要：一種用于小直徑非球面 CCP 拋光的新概念，稱為Pea Puffer非球面，能夠生成那些對于大多數 CCP 拋光方法來說孔徑太小的非球面。Pea Puffer方法能夠在工業中以高質量和低成本制造小型非球面，并已數字化集成到 PanDao 軟件中。
1.從光學設計到光學制造
在這個創新的黃金時代，全球制造商面臨的無處不在的挑戰是如何應對供應鏈對日益獨特和專業技術要求的需求。具有諷刺意味的是，我們在工業制造業的世界里又轉了一個圈，因為曾經的革命性概念“現成的”已經被技術所取代，即以消費者的價格精心制作、定制的成品。數字世界告訴我們，我們可以“擁有一切”，制造商不得不學習“優化制造鏈”的新語言。誰學得快，誰就能贏得市場。
2.PanDao
一個名為PanDao的瑞士項目掌握了360光學制造技術的數字化，實現了整個制造鏈的建模[1,2,3]。通過光學設計軟件工具（如Opticstudio[4]或CodeV[5]）的軟件接口導入鏡片數據后，PanDao以最小的風險和成本確定最佳的光學制造鏈。從注射成型到磁流變精加工（MRF），從精密玻璃成型（pgm）到單點金剛石車削（SPDT）， 360種不同的光學制造技術中的每一種都有自己特定的程序和技巧。以下，將報告其中兩個專業的PanDao數字化流程：(a)非球面拋光和(b) Pea Puffer拋光程序。
3.非球面拋光
非球面拋光通常應用于與球面偏差較小的最合適的球面。傳統上，非球面是CNC點接觸地面，然后進行亞孔徑CCP拋光（計算機控制拋光[6]）。
展開 光學設計階段透鏡系統的可生產性分析
PanDao分析了非球面針孔透鏡物鏡表面粗糙度要求為1 nm RMS（均方根）[12]的生產過程。
如圖5所示為所有非球面針孔物鏡的畫圖，由1、2面構成的雙凸透鏡（A1）、3、4面構成的負半月板透鏡（A2）、5、6面構成的雙凸透鏡（A3）和7、8面構成的雙凹透鏡（A4）組成。圖5未顯示曲面2、4、6、8和10的數目。光線從左到右被追蹤，并在表面上產生一個圖像，稱為IM。PPP是一個平面平行板，保護ccd接收器免受損壞。PPP元件的參數是我們設計透鏡時必須考慮的，因為系統是衍射受限的，每個光學元件的輸入都是必不可少的。
圖5.A1、A2、A3、A4四鏡片及平面平行板全非球面設計（PPP）
圖5中透鏡A1、A3、PPP呈粉紅色，對應Schott玻璃目錄1中的冠BK1。鏡片A2， A4有藍色，他們是由燧石材料F2也從肖特玻璃目錄。
為了說明光學元件形狀的復雜性，應注意方程(1)，它描述了二次和冪級數非球面的形狀。在這個例子中，我們有足夠的參數來校正畸變，在這個鏡頭中，沿整個圖像場的值小于1.5%。因此，該鏡頭可用于測量和測試應用。
（1）
式中：z—非球面凹陷；K -二次常數；C——曲面曲率；G3 -均勻非球面的第一非球面系數；G6 -均勻非球面的第二非球面坐標；R -徑向坐標。
優化參數為：兩個例子中的半徑、厚度以及所有非球面設計中的非球面系數和圓錐常數。在我們的例子中，鏡片的材質不建議作為優化參數，我們只是選擇合適的鏡片，不進行更換。需要注意的是，所有非球面設計通常都需要使用所有塑料材料，但我們假設選擇玻璃，因為目前塑料材料不包括在PanDao材料目錄中。我們從Schott玻璃目錄中挑選的材料是：BK1和F2，它們的折射率接近塑料材料。
結論
最后，提出了一種新的光學設計工具PanDao，用于根據光學設計參數和公差設計最優加工鏈。
展開 非球面透鏡后聚焦研究
作為一個案例，在VirtualLab中研究了激光二極管首先由物鏡準直，然后由非球面透鏡聚焦，并且評估聚焦區域內的場。與沒有象散的案例對照，來自聚焦區域場像散的影響清楚地顯示出來。
建立任務
結果
? 光線追跡-3D空間中的系統
結果
? 場追跡
結果
? 場追跡
結果
? 場追跡
結果
? 場追跡
文檔信息
參數測量提效非球面加工
對系統中各非球面的各項參數進行測量以后，將測量結果代入光學設計軟件，即可通過光線追跡判定待測面是否滿足系統要求。
簡而言之，面形測量為加工提供了方向，參數測量則為加工提供了一個合適的終點。一個成熟的、經濟的、高效的測量方案，需要對兩種測量方法進行合理運用與組合。
參數測量方法分類
作者根據對測量數據的處理方法，將參數測量方法分為兩類：廣義擬合法與曲率中心法。
1. 廣義擬合法
將儀器中獲取的數據，直接用于擬合參數。作者將這種方法定義為廣義擬合法。廣義擬合法可以實現對所有非球面參數的高精度測量，在非球面參數測量中有著廣泛的應用。根據測量數據的類型，可以將廣義擬合法分為三種類型：直接擬合法（絕對面形），干涉法（波前像差），以及幾何法（表面梯度）。
1）直接擬合法
在精確獲取非球面絕對面形以后，對其直接進行擬合，即可獲取非球面參數。由于非球面面形測量技術的逐漸成熟，這種方法得到了廣泛應用。然而，非球面絕對面形的精確測量成本普遍較高，效率較低。
2）干涉法
干涉法是一種高精度的光學測量方法，測試結果有著很好的溯源性。作者課題組在非球面干涉法測量領域進行了多年研究，可以同時實現面形與參數的高精度測量。不過其測試裝置較為復雜，成本較高，測量范圍相對較小。
展開 非球面透鏡后焦點研究
在本案例中，激光二極管首先用物鏡準直，然后用非球面透鏡聚焦，并在Virtualab Fusion中研究了焦點區域的光場的演化。與沒有像散的情況相比，可以清楚地展示像散對其焦點區域的光場影響。
VirtualLab Fusion：模擬由衍射光束整形器和非球面透鏡組成的非近軸光束整形系統
MO.001（1.3）
作者：Michael Kuhn （LightTrans）
相關案例：23.01
相關教程：-
需求：VirtualLab Fusion-基本工具箱
許可證：CC-BY-SA 3.0
1.建模任務
? 偏振：x方向的線性偏振
? 激光直徑（1/e2）：3.26mm
? 波長：632.8nm
衍射光束整形器元件傳輸
像素大小：21.5×21.5um
像素：250×250
直徑：5.4×5.4mm
相位級次：4
2.光路圖
開始光學系統仿真
3.系統仿真
? 目標屏上的強度
? 效率：72%
? 均勻性誤差：3.7%
4.結論
? 可以仿真近軸和非近軸透鏡以及透鏡系統。
? 已存儲的傳輸函數允許將任意振幅和相位調節引入到光波。
? 允許仿真衍射光學元件產生的效應。
展開 如何在PanDao中處理非球面透鏡？
非球面是一種旋轉對稱但橫截面為非圓形的曲面，通常可以通過以下形式的冪級數展開式進行描述：
在PanDao中無需輸入絕對的曲面形狀描述數據，而是需要提取與制造鏈中光學加工工藝設置相關的參數，例如最小曲率半徑、非球面度等。這些參數可通過PanDao的“PRO-OPTIC CONVERTER”工具自動進行轉換，（詳情可見之前的案例 “利用PanDao確定和轉換透鏡公差”）。
將冪級數描述轉換為Greg Forbes多項式的功能目前正在開發中，并將于近期加入PRO-OPTIC CONVERTER模塊。
非球面不具備點對稱性，因此傾斜度（Tilting）與側向位移（Side Shifting）會產生不同的偏心效應（Decenter Effects），需分別定義。
因此，對于非球面，ISO 10110標準采用如"4/x (y)"的標注形式，其中“x”表示透鏡傾斜度（單位為角分），“y”表示允許的最大透鏡側向偏移量（單位為毫米）。
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