CODE V：初始設計，成像模擬，鬼像分析

圖1：CODE V成像光學設計軟件

        CODE V 是按照順序追跡光線的軟件，據此優化和分析成像系統。

        雖然 CODE V 沒有能力分析非成像表面的雜光，但是它有三種強大的工具分析鬼像：

– 鬼像 (GHO) 分析

– ghost_view.seq 宏

– @GHOST 函數

       前面兩種工具提供鬼像的圖表數據和可視化圖形

– 分析迅速，可以讓用戶非常容易找到有問題的表面對，以便進一步進行分析和優化控制

       @GHOST 函數讓用戶在優化的時候可以控制鬼像的光斑尺寸

– 用戶指定一對問題表面

圖2：鏡頭設計

       為了說明雜光分析的過程，我們使用CODE V設計一個中等視場角度的鏡頭，感光器件是 .” CMOS芯片，設計要求如下：

– Number of Elements: 6

– Focal Length: 6.4mm

– Aperture: F/3.5

– FOV: 32o half-field at the corners

– OAL: 27.75mm

– Max Distortion: 0.41% (full field)

– Relative Illumination: 74% (full field)

– MTF: >25% @ 100 cycles/mm

– Design Wavelengths: 656nm, 589nm, 434nm

– Detector Size: 6.4mm x 4.8mm (1/2” Active Pixel Sensor CMOS)

– Detector Pixels: 1280 x 960 (5mm x 5mm)

圖3：鏡頭模型

圖4：重要性能

       CODE V 提供了計算選項 GHO 來列出兩次反射形成的像的屬性

– GHO 數據是基于軸上中央視場光線的一階分析( @GHOST也是)，因此對于高次非球面或者離軸系統準確度可能不是太高

       包含下列信息:

– Surface Pair 產生反射的表面對

– Delta Back Focal Length (DBFL): 從鬼像到實際像平面的距離。接近零的數值表示鬼像靠近像平面聚焦

– Effective Focal Length (EFL): 此焦距值讓你計算鬼像的大小

– Disc Semi-Diameter (DISC): 反射光束在實際像平面上的光斑半徑

– Pupil Ratio: 鬼像光瞳和光闌的比值。大于 1 說明會被光闌削弱

– Magnification: 鬼像平面上的鬼像尺寸和實際像面上實際像尺寸的比值

圖5：鬼像分析

       @GHOST 函數可以存取任何由 GHO 選項計算出來的數據(兩次反射的數據)

– 只計算軸上中央視場近軸光線

       在優化中可以自定義一個限制條件來控制某一對表面之間的鬼像的尺寸

       優點:

– 非常快

– 多個表面對之間非常容易建立優化限制

– 對于中等F數的球面光學元件有非常好的準確度

       缺點

– 近軸

– 只有軸上視場

– 非球面或者大口徑系統準確度可能有問題(有時候非常快)

       在 Tools> Macro Manager 有 ghost_view.seq 宏

– 具體位置在 Sample Macros> Geometrical Analysis下面

       可以讓用戶迅速 看見表面對之間的鬼像

       基于實際光線追跡，因此對于軸外視場和非球面也是準確的

備注:

– 一些表面會自動轉換為非順序表面以繪圖

– 運行前先把口徑固定為圓形口徑，然后只設置一個你要分析的視場，以幫助您獲得清晰的圖形

圖6：Ghost_View.seq 宏

      在這個例子里可以看見一對表面間的反射鬼像比較嚴重

– 表面 5 和表面 1

– 較小的 DBFL 值顯示鬼像在離實際像平面非常近的地方聚焦

– 因此光斑尺寸DISC非常小

– 好的一面是Pupil Ratio 比較大，(~3.5 左右) 因此鬼像的漸暈會非常大

圖7：GHO, Ghost_View 

一些反射面之間視場角為 10° 的鬼像圖形

圖8：Ghost_View 10 °視場角輸出

一些反射面之間視場角為 25°的鬼像圖形

圖9：Ghost_View 25°視場角輸出

       感光器本身可以是一個反射平面，而且通常需要特殊注意

– 感光器反射的光重新進入鏡頭表面

– 感光器表面的反射率通常遠高于一個鍍膜的光學表面，有時可以達到 36% 的反射率

       在 GHO 和 Ghost_View 宏的分析中可以加入感光器像平面，在像平面前插入一個非常薄的光學平面元件 (~1micron)，它和像平面的距離為零，分析時包括這個元件的前表面即可。

       只能模擬鏡面反射，不能模擬感光器微結構的散射效果

圖10：問題平面

未完待續...