宽光谱复消色差显微物镜 | SYNOPSYS 光学设计软件第84课

一.概述

现代的光学系统大多数采用CCD探测器件，CCD器件的光谱响应范围宽于人眼的视觉范围，一般在0.2~1.1 um的波长范围内，如下图所示。某些特种材料的红外CCD的波长响应可扩展到几个微米，即 CCD的光谱响应范围从远紫外、近紫外、可见光到近红外区，甚至到中波红外区。

光学系统的工作光谱范围取决于光学仪器的响应波段，为了得到更多的光谱信息和能量，最主要的是最大限度的实现光学仪器的功能并优化光学系统的结构，在许多领域上需要能够工作在较宽光谱范围之上的光学系统。

为了达到高质量的成像要求，在宽光谱段进行光学系统设计需要考虑像差校正方面的一些独特特点，主要集中在物镜需要在宽光谱范围内复消色差，这就形成了现代某些光学系统独特的光学设计要求。

图一：CCD与人眼的光谱响应范围比较

二. 设计要求

1. 物距无限远，0.8 度半场，1.26 毫米半孔径。

2. 光谱范围0.38 - 0.9 微米。

3. F/number 0.714。

4. 总长小于25 毫米。

5. 畸变校正良好。

6. 像方远心。

7. 没有羽状边缘，中心厚度不超过 8 毫米。

我们预估要达到设计要求，可能需要十片透镜，但是想逐步增加透镜数量。设DSEARCH 的输入，搜索八片透镜的结构。这将为您提供一些潜在的初始结构，一旦知道进度的情况，就可以根据需要增加设置。由于光谱范围很宽，因此请设定五个波长而不是设置常用的三个波长。运行初始搜索宏，模拟退火（50，2，50）。

色差校正是一项大挑战，下一步是找到一些有可能制造宽光谱的玻璃。 使用超消色差理论，找到合适的玻璃，然后通过让GSEARCH自动进行玻璃组合。优化GSEARCH，经过优化和模拟退火后得到如图所示结构：

保存此版本，以便后面可以再次调用：STORE 1。

这是一个相当不错的设计，因为超消色差理论只适用于超薄透镜，而这些透镜显然并不薄 。看看如果GSEARCH自己找到玻璃会发生什么。编辑您的MACro，以便 GSEARCH 搜索光明玻璃库中三个玻璃最接近的组合，而不是我们在上面选择的三个玻璃的组合。

获得的结构如下所示：

结果更好。

GSEARCH不使用薄透镜假设，而使用复消色差理论的数值方法。这种方法可以超越传统的技术方法。这款镜头基本上是完美的。 

但是我们可以用更少的透镜来实现吗？

重新使用上面保存的优化玻璃版本，在DSEARCH给出的默认优化中，添加自动删除命令AED，获得的结构如下：

查看多视场MTF图。

在新建宏中输入：STEPS = 100

PLOT BACK FOR WAVL = .38 TO .9

来查看后焦距与波长的函数，可以看到后焦距的变化在10^-4级别，具有良好的稳定。这说明轴向色差得到了较好的修正。

查看全光谱衍射点扩散图，各色波长经过光学系统后光斑大小近乎一致。

基本满足了设计要求。