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系統(tǒng)性能提升

根據(jù)上篇的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)分析，我們可以從四個(gè)方面對(duì)內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化：元件間距、圓錐系數(shù)、MTF 值以及畸變值。點(diǎn)擊優(yōu)化-評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器以設(shè)置具體的評(píng)價(jià)函數(shù)。（聯(lián)系我們獲取文章附件）

【資料圖】

首先，用三個(gè) CONF 操作數(shù)將評(píng)價(jià)函數(shù)編輯器分為三個(gè)部分，在第一個(gè) CONF 操作數(shù)的結(jié)構(gòu)#一欄輸入1，即在此操作數(shù)后插入的后續(xù)操作數(shù)均用于對(duì)結(jié)構(gòu)1進(jìn)行優(yōu)化；在所有關(guān)于第一個(gè)結(jié)構(gòu)的操作數(shù)后，插入第二個(gè) CONF 操作數(shù)，并在結(jié)構(gòu)#一欄輸入2，同樣在此操作數(shù)后插入所有用于優(yōu)化結(jié)構(gòu)2的優(yōu)化操作數(shù)；第三個(gè) CONF 操作數(shù)同理。

三種結(jié)構(gòu)除了物距以外，其他的透鏡參數(shù)是完全相同的，因此，元件間距和圓錐系數(shù)的優(yōu)化操作數(shù)只需插入到其中一個(gè) CONF 操作數(shù)后。

元件間距：為了便于實(shí)際的生產(chǎn)制造，對(duì)第3、4個(gè)透鏡之間的間距進(jìn)行控制，插入 MNCA 操作數(shù)（最小中心空氣厚度），將目標(biāo)值設(shè)為 0.1 mm，權(quán)重設(shè)為1，起始面定義為表面7，終止面定義為表面8，通過(guò)優(yōu)化控制第3、4個(gè)透鏡間的距離大于 0.1 mm。

圓錐系數(shù)：同樣對(duì)于實(shí)際的生產(chǎn)制造，通常我們想要控制圓錐系數(shù)分布在-100~100之間，則需使用到 COGT 操作數(shù)（圓錐系數(shù)>目標(biāo)值）和 COLT 操作數(shù)（圓錐系數(shù)<目標(biāo)值）。首先輸入 COGT 操作數(shù)，表面序號(hào)設(shè)置為表面 8，因?yàn)槲覀冎饕枰獙?duì)第8個(gè)面的圓錐系數(shù)進(jìn)行限制，然后將目標(biāo)值設(shè)為-48，權(quán)重設(shè)為1；再輸入 COLT 操作數(shù)，同樣在面欄處輸入8，將目標(biāo)值設(shè)為50，權(quán)重設(shè)為1，使得圓錐系數(shù)的值分布在-48~50之間，收緊對(duì)應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)。

MTF 值：由于系統(tǒng)中僅使用了偶次非球面表面和標(biāo)準(zhǔn)球面，屬于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)，因此我們只需要使用 MTFT 操作數(shù)（切向調(diào)制函數(shù)）控制和優(yōu)化系統(tǒng)子午方向 MTF 值即可。系統(tǒng)的三種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)不同的 MTF 表現(xiàn)，因此需要在每個(gè) CONF 操作數(shù)后都添加 MTFT 操作數(shù)以對(duì)其相應(yīng)結(jié)構(gòu)的 MTF 進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)所有的 MTFT 操作數(shù)，在采樣一欄輸入2，波長(zhǎng)一欄輸入2（本例中的參考波長(zhǎng)），設(shè)置9個(gè)視場(chǎng)（可以根據(jù)實(shí)際需要添加或刪減），空間頻率設(shè)為70，權(quán)重設(shè)為2。

而目標(biāo)值可根據(jù)初始結(jié)構(gòu)的 MTF 數(shù)值來(lái)設(shè)置，本例中，內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)1在70周期 /mm 時(shí)的 MTF 為0.23，則最開(kāi)始優(yōu)化時(shí)將目標(biāo)值設(shè)為0.3，優(yōu)化后評(píng)估值達(dá)到0.3后，再將目標(biāo)值提升為0.4……依此對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行修改，以漸進(jìn)的方式對(duì)系統(tǒng) MTF 進(jìn)行多次優(yōu)化，直到各優(yōu)化操作數(shù)的評(píng)估值不再滿足目標(biāo)值，則停止對(duì) MTF 的目標(biāo)值進(jìn)行提升。本例結(jié)構(gòu)1中，70周期 /mm 最終的 MTF 為0.47左右。而對(duì)結(jié)構(gòu)2、3的 MTFT 設(shè)置方法與結(jié)構(gòu)1的相同，先觀察初始結(jié)構(gòu)的 MTF，再以漸進(jìn)的方式修改目標(biāo)值對(duì)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

畸變：本例中沒(méi)有對(duì)畸變進(jìn)行過(guò)多的限制。一般情況下，可使用 DIMX 操作數(shù)（最大畸變值）控制系統(tǒng)中的畸變。輸入相應(yīng)的視場(chǎng)和波長(zhǎng)編號(hào)，然后再設(shè)定目標(biāo)的畸變值，即可控制畸變不超過(guò)目標(biāo)值。本例中，在三個(gè) CONF 操作數(shù)后均插入 DIMA 操作數(shù)，將視場(chǎng)設(shè)為4（最大視場(chǎng)角度），波長(zhǎng)一欄設(shè)為2，目標(biāo)值均設(shè)為21（與內(nèi)窺鏡物鏡初始結(jié)構(gòu)原有畸變值非常接近）。優(yōu)化后得到系統(tǒng)三個(gè)結(jié)構(gòu)在最大視場(chǎng)角處的畸變值均為-21%左右。

有效焦距：為了使系統(tǒng)的有效焦距保持一定的大小，需對(duì)其進(jìn)行限制。而對(duì)于三個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，有效焦距相同，因此只需在其中一個(gè) CONF 操作數(shù)后插入有效焦距 EFFL 優(yōu)化操作數(shù)。在波長(zhǎng)一欄輸入2，目標(biāo)值設(shè)為1.496（與原系統(tǒng)相同）。點(diǎn)擊執(zhí)行優(yōu)化后，評(píng)估值與目標(biāo)值有一定程度的偏差，這是因?yàn)樵谝晥?chǎng)一定的情況下，有效焦距會(huì)因畸變值、透鏡曲率半徑等參數(shù)的改變而改變，只要不發(fā)生大的偏差，總體上都是可以接受的。

隨后，在鏡頭數(shù)據(jù)編輯器中將系統(tǒng)所有透鏡的曲率半徑、第7、8面之間的厚度、第8面的圓錐系數(shù)設(shè)為變量，點(diǎn)擊執(zhí)行優(yōu)化。設(shè)置的變量也可以根據(jù)實(shí)際情況而修改，本例為了使得系統(tǒng)的總長(zhǎng)度不發(fā)生太大的變化，沒(méi)有把所有的厚度都設(shè)為變量。

在優(yōu)化過(guò)程中，可能還會(huì)有一些小的改動(dòng)，比如修改不同操作數(shù)的權(quán)重值，或者根據(jù)優(yōu)化后的系統(tǒng)變化添入新的操作數(shù)，這些都可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。在本例的優(yōu)化過(guò)程中，為了使第1和第2個(gè)透鏡保持一定的間隔，添加了 MNEA 操作數(shù)（最小邊緣空氣厚度），控制第1和第2個(gè)透鏡之間的邊緣空氣厚度大于 0.1mm。

以下是本文中的內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)優(yōu)化后的 2D 視圖、鏡頭數(shù)據(jù)編輯器、MTF 曲線圖以及場(chǎng)曲/畸變圖，可以看到系統(tǒng)的布局看起來(lái)是美觀的，元件之間的中心距離和邊緣距離都大于 0.1mm，系統(tǒng)總長(zhǎng)為 7.383mm，所有圓錐系數(shù)都在-50到50之間。三個(gè)結(jié)構(gòu)的 MTF 都得到了顯著的提升。

結(jié)構(gòu)1的 2D 視圖（結(jié)構(gòu)2、3的布局圖與結(jié)構(gòu)1相比只有物距上的差別）。

結(jié)構(gòu)1的鏡頭數(shù)據(jù)編輯器（結(jié)構(gòu)2、3的編輯器數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)1相比主要差別為物距）。

對(duì)于結(jié)構(gòu)1，在70周期 /mm時(shí)，MTF 為0.47；35周期 /mm時(shí)，MTF 為0.74。

對(duì)于結(jié)構(gòu)2，在70周期 /mm時(shí)，MTF 為0.48；35周期 /mm時(shí)，MTF 為0.71。

對(duì)于結(jié)構(gòu)3，在70周期 /mm時(shí)，MTF 為0.3；35周期 /mm時(shí)，MTF 為0.6。

對(duì)于結(jié)構(gòu)1，半視場(chǎng)角為35°時(shí)，畸變值為-20.2%。

對(duì)于結(jié)構(gòu)2，半視場(chǎng)角為35°時(shí)，畸變值為-20.62%。

對(duì)于結(jié)構(gòu)3，半視場(chǎng)角為35°時(shí)，畸變值為-21 %。

根據(jù)上述結(jié)果，在我們對(duì)該內(nèi)窺鏡物鏡設(shè)置了具體的 MTF 優(yōu)化后，系統(tǒng)性能在各結(jié)構(gòu)下都得到了明顯的提升，并且系統(tǒng)畸變也控制在一個(gè)合理的范圍中。對(duì)于如同內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)這樣具有較高成像性能要求的系統(tǒng)，都可以遵循類似方式進(jìn)行以 MTF 為指標(biāo)的優(yōu)化控制。在優(yōu)化過(guò)程中，也可使用優(yōu)化向?qū)А?/p>

總結(jié)

本文詳細(xì)描述了如何根據(jù)內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，分析當(dāng)前系統(tǒng)的成像質(zhì)量、畸變情況以及所需的參數(shù)控制，并使用相應(yīng)的優(yōu)化操作數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行進(jìn)一步提升。除了使用本文中提到的優(yōu)化操作數(shù)，用戶可根據(jù)實(shí)際情況自行添加其他的優(yōu)化操作數(shù)從多角度對(duì)于系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化。