ZEMAX 内窥镜物镜系统初始结构的优化提升Ⅱ

概述

上周我们学习了文章 ZEMAX | 内窥镜物镜系统初始结构的优化提升Ⅰ。该文分为内窥镜系统简介、主要结构、系统分析、性能提升和总结五个部分，介绍了内窥镜系统的主要结构，并讨论了如何在 OpticStudio 中根据内窥镜物镜系统的初始结构进行像差分析，以及如何对其进行后续的优化提升。

接着上回，我们对内窥镜物镜系统的初始结构进行分析后，应该做什么呢？当然就是优化！优化！

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。

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。

随后，在镜头数据编辑器中将系统所有透镜的曲率半径、第7、8面之间的厚度、第8面的圆锥系数设为变量，点击执行优化。设置的变量也可以根据实际情况而修改，本例为了使得系统的总长度不发生太大的变化，没有把所有的厚度都设为变量。

在优化过程中，可能还会有一些小的改动，比如修改不同操作数的权重值，或者根据优化后的系统变化添入新的操作数，这些都可以根据实际情况来定。在本例的优化过程中，为了使第1和第2个透镜保持一定的间隔，添加了 MNEA 操作数（最小边缘空气厚度），控制第1和第2个透镜之间的边缘空气厚度大于0.1mm。

以下是本文中的内窥镜物镜系统优化后的 2D 视图、镜头数据编辑器、MTF 曲线图以及场曲/畸变图，可以看到系统的布局看起来是美观的，元件之间的中心距离和边缘距离都大于0.1mm，系统总长为7.383mm，所有圆锥系数都在-50到50之间。三个结构的 MTF 都得到了显著的提升。

结构1的 2D 视图（结构2、3的布局图与结构1相比只有物距上的差别）。

结构1的镜头数据编辑器（结构2、3的编辑器数据与结构1相比主要差别为物距）。

对于结构1，在70周期/mm时，MTF为0.47；35周期/mm时，MTF为0.74。

对于结构2，在70周期/mm时，MTF为0.48；35周期/mm时，MTF为0.71。

对于结构3，在70周期/mm时，MTF 为0.3；35周期/mm时，MTF 为0.6。

对于结构1，半视场角为35°时，畸变值为-20.2%。

对于结构2，半视场角为35°时，畸变值为-20.62%。

对于结构3，半视场角为35°时，畸变值为-21 %。

根据上述结果，在我们对该内窥镜物镜设置了具体的 MTF 优化后，系统性能在各结构下都得到了明显的提升，并且系统畸变也控制在一个合理的范围中。对于如同内窥镜物镜系统这样具有较高成像性能要求的系统，都可以遵循类似方式进行以 MTF 为指标的优化控制。在优化过程中，也可使用优化向导。

总结

本文详细描述了如何根据内窥镜物镜系统的初始结构，分析当前系统的成像质量、畸变情况以及所需的参数控制，并使用相应的优化操作数对系统性能进行进一步提升。除了使用本文中提到的优化操作数，用户可根据实际情况自行添加其他的优化操作数从多角度对于系统性能进行优化。