Ansys Zemax | 内窥镜物镜系统初始结构的优化提升（下）

news2024/10/1 19:39:32

系统性能提升

根据上篇的内窥镜系统分析，我们可以从四个方面对内窥镜物镜系统进行优化：元件间距、圆锥系数、MTF 值以及畸变值。点击优化-评价函数编辑器以设置具体的评价函数。（联系我们获取文章附件）

首先，用三个 CONF 操作数将评价函数编辑器分为三个部分，在第一个 CONF 操作数的结构#一栏输入1，即在此操作数后插入的后续操作数均用于对结构1进行优化；在所有关于第一个结构的操作数后，插入第二个 CONF 操作数，并在结构#一栏输入2，同样在此操作数后插入所有用于优化结构2的优化操作数；第三个 CONF 操作数同理。

三种结构除了物距以外，其他的透镜参数是完全相同的，因此，元件间距和圆锥系数的优化操作数只需插入到其中一个 CONF 操作数后。

元件间距：为了便于实际的生产制造，对第3、4个透镜之间的间距进行控制，插入 MNCA 操作数（最小中心空气厚度），将目标值设为 0.1 mm，权重设为1，起始面定义为表面7，终止面定义为表面8，通过优化控制第3、4个透镜间的距离大于 0.1 mm。

圆锥系数：同样对于实际的生产制造，通常我们想要控制圆锥系数分布在-100~100之间，则需使用到 COGT 操作数（圆锥系数>目标值）和 COLT 操作数（圆锥系数<目标值）。首先输入 COGT 操作数，表面序号设置为表面 8，因为我们主要需要对第8个面的圆锥系数进行限制，然后将目标值设为-48，权重设为1；再输入 COLT 操作数，同样在面栏处输入8，将目标值设为50，权重设为1，使得圆锥系数的值分布在-48~50之间，收紧对应的优化目标。

MTF 值：由于系统中仅使用了偶次非球面表面和标准球面，属于旋转对称系统，因此我们只需要使用 MTFT 操作数（切向调制函数）控制和优化系统子午方向 MTF 值即可。系统的三种结构对应不同的 MTF 表现，因此需要在每个 CONF 操作数后都添加 MTFT 操作数以对其相应结构的 MTF 进行优化。对所有的 MTFT 操作数，在采样一栏输入2，波长一栏输入2（本例中的参考波长），设置9个视场（可以根据实际需要添加或删减），空间频率设为70，权重设为2。

而目标值可根据初始结构的 MTF 数值来设置，本例中，内窥镜物镜系统的初始结构1在70周期 /mm 时的 MTF 为0.23，则最开始优化时将目标值设为0.3，优化后评估值达到0.3后，再将目标值提升为0.4……依此对目标值进行修改，以渐进的方式对系统 MTF 进行多次优化，直到各优化操作数的评估值不再满足目标值，则停止对 MTF 的目标值进行提升。本例结构1中，70周期 /mm 最终的 MTF 为0.47左右。而对结构2、3的 MTFT 设置方法与结构1的相同，先观察初始结构的 MTF，再以渐进的方式修改目标值对相应的结构进行优化。

畸变：本例中没有对畸变进行过多的限制。一般情况下，可使用 DIMX 操作数（最大畸变值）控制系统中的畸变。输入相应的视场和波长编号，然后再设定目标的畸变值，即可控制畸变不超过目标值。本例中，在三个 CONF 操作数后均插入 DIMA 操作数，将视场设为4（最大视场角度），波长一栏设为2，目标值均设为21（与内窥镜物镜初始结构原有畸变值非常接近）。优化后得到系统三个结构在最大视场角处的畸变值均为-21%左右。

有效焦距：为了使系统的有效焦距保持一定的大小，需对其进行限制。而对于三个结构来说，有效焦距相同，因此只需在其中一个 CONF 操作数后插入有效焦距 EFFL 优化操作数。在波长一栏输入2，目标值设为1.496（与原系统相同）。点击执行优化后，评估值与目标值有一定程度的偏差，这是因为在视场一定的情况下，有效焦距会因畸变值、透镜曲率半径等参数的改变而改变，只要不发生大的偏差，总体上都是可以接受的。