摘要：初始點(diǎn)的選擇對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)過(guò)程具有重大影響。除透鏡規(guī)格外，其它必要的實(shí)際約束條件也可能起到非常關(guān)鍵的作用。本研究采用“First Time Right”方法生成受約束的初始系統(tǒng)，并運(yùn)用PanDao制造鏈建模技術(shù)，從設(shè)計(jì)初期來(lái)量化制造因素。 g1(`a`M 1. 簡(jiǎn)介 M D,+>kh 當(dāng)今成像系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)主要依賴于高效光線追跡與（局部或全局）優(yōu)化算法。此類傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通常需要豐富的經(jīng)驗(yàn)、直覺(jué)及頻繁的試錯(cuò)迭代。值得關(guān)注的是，尋找合適的初始設(shè)計(jì)方案以進(jìn)行后續(xù)適配與優(yōu)化，已經(jīng)被證明是一項(xiàng)艱巨的工作。為避免這一耗時(shí)流程，本次研究的目標(biāo)是從既定規(guī)格與約束條件中直接生成多種優(yōu)質(zhì)的初始結(jié)構(gòu)。此研究將會(huì)為光學(xué)設(shè)計(jì)師帶來(lái)兩大好處：其一，可以顯著加快設(shè)計(jì)周期；其二，通過(guò)各種生成的初始設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)候選結(jié)構(gòu)進(jìn)行更廣泛的搜索。 V[fcP; 我們研發(fā)了一種自動(dòng)化的“First Time Right’”（FTR）設(shè)計(jì)工具，可實(shí)現(xiàn)從零開(kāi)始快速生成成像系統(tǒng)。FTR通過(guò)計(jì)算所有光學(xué)表面的系數(shù)，以確保各階像差[1,2]引起的圖像模糊最小化。尤為關(guān)鍵的是，該工具不僅會(huì)考慮透鏡規(guī)格需求，更會(huì)將實(shí)際約束條件（如光闌位置、尺寸限制、間距約束或后焦距限制等）納入考慮。 VjGtEIew 為何約束條件至關(guān)重要？智能手機(jī)攝像頭的鏡頭就是一個(gè)最具說(shuō)服力的例證。若無(wú)約束限制，諸如f/1.5光圈、適配7.6×5.7 mm傳感器的5.5 mm焦距等典型規(guī)格的鏡頭，采用全球面透鏡設(shè)計(jì)就可輕松實(shí)現(xiàn)。然而，受限于手機(jī)內(nèi)部嚴(yán)苛的長(zhǎng)度約束，使用高非球面化透鏡就成為了必然選擇。下文將展示幾個(gè)FTR技術(shù)應(yīng)用的案例，并將生成的光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果與生產(chǎn)信息進(jìn)行權(quán)重整合。為此，采用最新研發(fā)的PanDao軟件 [3-5]對(duì)給定光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行制造鏈建模與優(yōu)化（實(shí)現(xiàn)最低制造成本與風(fēng)險(xiǎn)）。 V)3S.*] 2. 實(shí)際約束條件下初始結(jié)構(gòu)的生成 -iySU 6 盡管FTR方法能夠兼容折射式與反射式表面（包括球面、非球面及自由曲面形態(tài)），但本文將聚焦于全球面透鏡設(shè)計(jì)的自動(dòng)生成。第一個(gè)案例引用自文獻(xiàn)[6]的快速近紅外（NIR）鏡頭研究，作者從已知的六片式鏡頭結(jié)構(gòu)出發(fā)，應(yīng)用并比較了多種全局優(yōu)化策略。該系統(tǒng)的規(guī)格與約束條件如下：前置光闌、100 mm焦距、f/1.5（入瞳直徑66.7 mm）、16°全視場(chǎng)、畸變≤5%（未公開(kāi)，由本文設(shè)定）、總長(zhǎng)≤181.5 mm、后焦距≥4 mm、NIR波段0.9-1.7 μm。文獻(xiàn)中通過(guò)Zemax中的“Hammer”優(yōu)化方法獲得的平均RMS光斑尺寸約為55 μm，色差校正效果中等。基于同等規(guī)格與約束，我們采用自主研發(fā)的FTR初始透鏡生成器，在數(shù)分鐘內(nèi)即創(chuàng)建出多個(gè)更加優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)方案。圖1展示了由FTR程序生成的五類不同透鏡系統(tǒng)的選擇。 s\i o9'Ec 圖1.FTR初始透鏡生成器產(chǎn)生的各種5L和6L系統(tǒng)
所有初始透鏡方案均展現(xiàn)出優(yōu)異性能，平均RMS光斑尺寸介于60-90 µm。經(jīng)快速優(yōu)化后，可在短時(shí)間內(nèi)將平均RMS光斑尺寸降至約30 µm，并實(shí)現(xiàn)色差的良好校正。后續(xù)將展示更多初始透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的案例，涵蓋雙遠(yuǎn)心鏡頭到廣角成像系統(tǒng)。 I3" GGp3L 3. 集成制造可行性分析：“First Time Right’”與PanDao的協(xié)同 p?Jx2(%m PanDao是近期研發(fā)的一款建模軟件工具，可讀取透鏡數(shù)據(jù)并確定最佳制造鏈，在考慮約360種制造技術(shù)的前提下實(shí)現(xiàn)制造成本與風(fēng)險(xiǎn)最小化。為展示FTR與PanDao協(xié)同工作的獨(dú)特能力，我們選用機(jī)器視覺(jué)鏡頭進(jìn)行驗(yàn)證（文件3-2-3-2_Machine-vision_Fig-3-26.zmx ），該鏡頭是由R. Siew提供的Zemax案例庫(kù)。通過(guò)FTR初始透鏡生成器進(jìn)行規(guī)格化與約束后，僅篩選光學(xué)性能相當(dāng)或更優(yōu)的透鏡方案，最終選定了三種差異比較顯著的設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖2）。 MB!$s_~o#L 圖2. （a）與（b）參考設(shè)計(jì)實(shí)例；（c）-（e）基于同等規(guī)格與約束條件，由FTR初始透鏡生成器生成的放大視圖系統(tǒng)
經(jīng)PanDao分析，所有四個(gè)目標(biāo)方案（參考方案(b)及FTR方案(c)、(d)、(e)）均具備低風(fēng)險(xiǎn)量產(chǎn)可行性，但其制造成本差異顯著（詳見(jiàn)圖3）。所有FTR方案成本均低于參考方案，其中方案(d)為綜合成本效益最優(yōu)選擇。 7yFV.#K3O 圖3. PanDao對(duì)圖2所示四個(gè)目標(biāo)方案進(jìn)行的分析。左側(cè)為典型鏡頭制造鏈分析界面，展示鏡片左右側(cè)制造工藝鏈、制造成本及風(fēng)險(xiǎn)（通過(guò)技術(shù)能力指數(shù)與供應(yīng)鏈獨(dú)特性指數(shù)表征）。右側(cè)表格匯總各方案總成本對(duì)比
綜上所述，采用“First Time Right”（FTR）方法，能夠基于給定的規(guī)格與約束生成多樣化的約束成像系統(tǒng)。結(jié)合PanDao這一創(chuàng)新的光學(xué)制造技術(shù)（OFT）分析軟件，可對(duì)面向量產(chǎn)的系統(tǒng)快速完成設(shè)計(jì)、建模與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)從規(guī)格定義到產(chǎn)品交付的全流程高效貫通。 ~]C m
