使用CODE V软件设计自由曲面光学系统

谈及镜头，我们常常会想到球面、非球面、内面非球面、双面非球面等传统镜头，然而随着近年来人们对设备小型化的需求与日俱增，并且对设备品质的要求也逐步提高，纤薄又高清超广角的手机镜头，小巧便捷的可穿戴医疗设备以及佩戴舒适的AR眼镜等都对镜头设计提出了更高的挑战。

因此自由曲面镜头的出现引爆了市场，它实现更紧凑的设计，减少透镜的数量，能在包含多个折叠的表面或者复杂的光路限制时，建立具有多个折射或反射面的紧凑型结构。为了帮助开发者轻松完成自由曲面的设计工作，CODE V研发了许多独特而又强大的自由曲面设计和优化工具。以下五大工具将助力开发者事半功倍。

Q2D自由曲面

CODE V中的Q2D自由曲面是用于优化的得力工具，它提供的正交多项式在许多情况下能够平滑收敛。对于有些设计，您可能会发现Q-type多项式非球面能够更快的收敛到一个好的解，这是因为在设计空间中平衡像差时正交性会避免各项之间的竞争。另外，CODE V还提供一个特别的功能，可以设定表面的使用区域相对于参考二次曲面顶点的几何位置。

▲图1：使用Q2D自由曲面的非对称设计，全部为反射面

非球面与参考二次曲面

偏离量的建模方式

对于CODE V中的部分自由曲面，现在支持2种方式建模非球面与参考二次曲面的偏离量。第一种方式比较特别，允许设定离轴角参数omega，表示要使用的二次曲面区域的离轴程度。表面局部坐标的位置将会根据omega角而偏移。另外，CODE V还允许使用X和Y偏移参数，设定多项式偏离量的坐标原点。

▲图2：CODE V中作用在参考二次曲面上的自由曲面多项式偏离

CODE V中新的扩展Fringe Zernike多项式面型，与开发者在光学系统建模中常用的多项式具有相同的形式，但是在径向扩展到高达30次项。

自由曲面系数表

从CODE V 11.3版本开始，开发者可以访问一个特别设计的自由曲面系数表。该表格以用户友好的显示格式，帮助快速检查系统的对称性，以及符合(或违反)对称性的状况。标示出这些满足(或不满足)所需的系统对称性条件的系数项，不仅有助于高效的使用设计优化变量，还能够知晓并使用那些对改进系统有效的变量。

▲图3：不存在对称性假设的光学系统的二维系数网格

▲图4：光学系统的二维系数网格, 高亮显示违反X-Z对称性条件的系数项

可视化查看表面偏离量，矢高和斜率信息

对于设计的面型，想要从加工的角度来感受非球面斜率的陡峭程度，这在CODE V中很容易实现。使用内置功能查看表面的偏离量，矢高和斜率信息，开发者就可以检查可能存在问题的区域，然后通过进一步的设计和优化控制修正表面形状。

▲图5：Q2D自由曲面矢高图

基于切比雪夫多项式的

用户定义面型(UDS)

对于需要在矩形光瞳上进行优化的光学系统，CODE V提供了一个新的基于切比雪夫多项式的用户定义面型(UDS)，这对于具有方形或矩形孔径的系统非常有用。在对当下需要紧凑折叠的系统进行优化设计时，最高包含到14次项的该面型会展现出更多的灵活性。

▲图6：切比雪夫面型系数表

▲图7：使用切比雪夫面型的双反射镜系统

使用CODE V中的这些新的强大工具来设计自由曲面光学系统能够节省时间。将这些工具与CODE V强大并高效的优化能力相结合，开发者就可以看到在早期设计转变为最终产品中所带来的效率提升。

原文标题：镜头设计天花板——看CODE V 如何轻松搞定自由曲面设计

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审核编辑：汤梓红