透镜设计软件助力实现现代精密光学元件

在透镜设计软件问世之前，复杂的光学系统是经过常规设计的：功能强大的显微镜、望远镜、相机镜头和其他通过手工计算设计的光学系统，可以很好地达到其目的。但是，如今的快速计算机计算，能让透镜设计师为非常复杂的光学系统找到优化的解决方案，从而可以高度精确地考虑到玻璃、制造和机械缺陷的影响；轻松添加非球面表面，以减少元件数量，扩大视场和/或增加其他好处等等。因此，与光学元件制造商紧密合作的熟练的透镜设计人员，现在可以为从智能手机摄像头到军用红外（IR）成像、增强/虚拟现实（AR/VR），还有很多其他目的生产精密光学元件。

典型的光学以衍射图为图像）对光学系统建模，而后者则需要更多计算。成像镜头设计软设计软件包可以通过光线追迹（以点图为图像），或通过基于波的物理光学计算（件有很多分支，包括非成像光学设计软件、集成的CAD/CAM程序和其他派生工具，其中的某些或全部都可以合并到原始软件包装中。本文提供了当前镜头设计软件包的一些商业案例的背景知识。

先进光线追迹

 OSLO（Optics Softwarefor Layout and Optimization）是由美国Lambda Research公司提供的光学设计软件，可帮助设计和分析各种光学系统。正如公司总裁Ed Freniere所描述的那样，该程序的核心是具有几何和物理光学建模功能的序列光线追迹引擎。Freniere说：“OSLO包括许多本地和全局优化方法，可以设计简单和复杂的成像系统。OSLO具有内置的公差分析和仿真功能，以及一个非序列光线追迹分析内核，用于需要变化的表面相交能力的系统。OSLO是开放架构，非常灵活，包括大量的表面类型和优化目标，还具有高速宏语言和用于数据生成和分析的完全集成的已编译编程语言。”

图1：Lambda Research公司提供的OSLO用于詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的设计和分析。

Freniere认为，OSLO的基本实力是其先进的光线追迹功能，这对于设计要求追迹效率至关重要的变焦系统非常关键。他补充说，例如在300：1变焦镜头的设计开发中，此功能至关重要。OSLO的光线追迹效率还有助于设计和分析需要许多光线的系统，例如光刻镜头。OSLO具有内置的孔径功能，并已用于分段镜系统（包括詹姆斯•韦伯太空望远镜）的设计和建模（见图1）。Freniere指出，该软件包还包含坐标变换和非球面功能以及优化功能，使离轴系统（例如三镜消像散系统和公差分析）更加简单。

CAD集成

由Zemax公司提供的光学设计软件OpticStudio，用于光学组件、子组件和整个系统的分析、设计、优化和公差分析，可以模拟成像和非成像（灯光和照明）系统。OpticStudio建立在建模系统功能的基础之上，其中几何光学的假设成立，即系统中的光学组件远大于通过系统传播的光波长的情况，因此允许光被建模为几何射线。但是，该软件确实支持基于衍射的计算（基于傅里叶和惠更斯理论），并且还可以对光的自由空间相干传播进行建模（使用菲涅耳和弗劳恩霍夫理论），这对于许多应用（例如激光扫描或光纤耦合）而言非常有用。最近的新增功能为表征较大的宏观光学系统（例如AR头戴式耳机中的表面浮雕光栅）中的微光学组件提供了支持。

除了对给定设计进行初始设置和分析之外，OpticStudio光学设计软件还可以对系统进行参数优化，以实现给定设计的最佳性能。该软件的最近新增功能，还允许优化用于描述表面几何形状的离散数据，从而提供更大的自由形式设计灵活性。使用可靠的公差分析来表征扰动对系统性能的影响，以完成对性能的验证，从而可以在设计生产和组装期间对这些扰动进行补偿。正如Zemax的工程师所指出的那样，即将推出的功能将提供能够在设计过程中快速获得近似结果的能力，从而获得预期的产量。

除了对给定设计进行初始设置和分析之外，OpticStudio光学设计软件还可以对系统进行参数优化，以实现给定设计的最佳性能。该软件的最近新增功能，还允许优化用于描述表面几何形状的离散数据，从而提供更大的自由形式设计灵活性。使用可靠的公差分析来表征扰动对系统性能的影响，以完成对性能的验证，从而可以在设计生产和组装期间对这些扰动进行补偿。正如Zemax的工程师所指出的那样，即将推出的功能将提供能够在设计过程中快速获得近似结果的能力，从而获得预期的产量。

光学设计完成后，可以使用OpticsBuilder将其移至计算机辅助设计（CAD）中进行光机械包装和组装，从而可以在CAD平台中自动准确地重新创建光学模型的几何形状。光学组件不是作为静态CAD零件引入，而是作为本地CAD对象重新创建。由于使用OpticStudio提供的相同光线追迹引擎，当前SolidWorks和Creo Parametric CAD程序支持该工具，还可以直接在CAD中分析整个光机械组件的光学性能。因此，可以在定义光机械的平台上，直接模拟机械包装和组装的影响。一旦系统准备好投入生产，OpticsBuilder就可以自动创建制造图纸，并从光学和机械模型中提取所需的数据。

使用OpticStudio的一个有趣案例是AR/VR头戴式耳机显示器的设计。当前的设计基于竞争技术：自由曲面光学与衍射光学。基于美国专利2014/0009845 A1，使用自由形式光学元件的光学透视头戴式显示（OST-HMD）设计的示例如图2a所示。该系统中的主要光学组件是自由曲面棱镜。虽然对棱镜的完整描述需要3D模型，但是可以使用坐标断点在OpticStudio的基于表面的序列模式中，准确表征棱镜的光线追迹特性。这样做可以快速对模型进行设置、设计、优化和公差分析。然后可以将该序列模型移至OpticStudio的非序列模式，以进行完整的3D分析，包括表征杂散光或散射对系统性能的影响。然后可以使用OpticsBuilder，将序列模型或非序列模型直接转移到CAD以进行光机械包装。

图2：使用自由曲面光学元件的光学透视头戴式显示器设计（a）；使用衍射光学元件的头戴式耳机设计（b）。

在这种情况下，可以使用各种参数描述来形容棱镜表面的几何形状，但也可以使用网格矢高（Grid Sag）表面形式的离散数据来描述。使用OpticStudio的多种配置模型，可以同时优化和设计OST-HMD的透视和投影路径。

使用衍射光学元件的头戴式耳机设计示例如图2b所示。这种设计包括将光耦合到波导中的全息图，然后将来自显示器的光传播到眼睛中。OpticStudio支持对理想全息图和真实全息图（后者使用该软件的光学制备全息图表面进行建模）进行建模的功能；这里，再次使用“坐标断点”以序列模式创建模型，以模拟完整的3D几何形状。OpticStudio的Merit Function编辑器中提供的边界约束，也可用于确保模型的物理几何形状。然后可以使用基于Kogelnik理论的计算，来计算作为函数场和源偏振的波导效率，从而可以针对那些输入条件优化设计。在图3中可以看到先忽略、后考虑波导效率的示例。OpticStudio还支持使用严格的耦合波分析（RCWA）对衍射分量进行建模的能力。

图3：在以OpticStudio建模的一种AR头戴式耳机的光学设计中，全息图将光耦合到波导中，然后将光从显示器传播到人眼中。这里，从输入场景（插图）开始，显示了忽略（a）然后考虑（b）波导效率的结果。请注意，更现实的计算显示的图像效果较差；但是，重新优化可以产生所需的高质量图像（c）。

选择非球面表面

美国Synopsys公司的CODE V是一种光学设计和计算工程软件包，用于建模和分析成像系统。CODE V使工程师能够设计和优化光学系统，以实现最佳的性能和可制造性，例如，工程师可以在CODE V优化过程中加入公差降低灵敏度，以获得最容易制造的设计，从而达到最高产量。

“要列举CODE V如何帮助解决光学设计难题的一个例子，那么紧凑型汽车后视摄像头的设计是个典型，它不仅要考虑复杂性能，还要考虑制造要求。”CODE V高级客户应用工程师Matt Novak说。他指出，这些相机模块大批量制造，需要轻松组装，几乎不需要调整。此外，尽管视场广且包装紧凑，该设计仍应提供出色的成像性能，并考虑制造和装配公差。

“CODE V为设计人员提供了强大的优化引擎，可以为后视摄像头创建实用的工作设计，以及提供内置工程专业知识的工具，例如Asphere Expert和Glass Expert。”Novak说。在图4所示的设计示例中，Asphere Expert确定了两个最有效的表面制造为非球面，以改善光学像差校正。

图4：模压玻璃宽视场汽车后视摄像头设计的CODE V 3D视图（a）；标称后视摄像头设计的调制传递函数（MTF）（b）；以及CODEV图像模拟，用于后视摄像头设计性能的现实描绘（c）。

Glass Expert工具选择了一组最佳的可模制玻璃，以最大程度地校正色差。Asphere Expert和Glass Expert工具使最终设计能够满足包装和性能要求；使用现成的、具有成本效益的材料；并根据斜率和非球面偏离的制造最佳实践，控制元件上的非球面表面。

初学者设计软件

与大型和复杂的软件包要求专家知识才能从中完全获益相比，美国Excelitas Technologies公司提供的较小的镜片设计程序Winlens，面向的是经验较少的学生和工程师。该软件具有悠久的历史：WinLens v1是在从DOS过渡到Windows 3时编写的。“当时，有好几种非常强大的大型机或DOS透镜设计程序可用。然而，它们对用户不够友好；它们在运行上非常僵化，大量使用数字，而图形只是作为偶尔的奢侈品。”Excelitas目录产品产品经理Patrick Janassek说，“需要全职的透镜设计师才能很好地使用它们。本应该很简单的操作（例如将零件倒圆）也非常困难，并且需要对该元素中的每个表面和玻璃进行手动编辑。”

Janassek解释说，Windows 3和新的软件开发工具提供了机会，可以走一条不同的、更加灵活得多的道路，这对新学生和光学工程师都非常适用，但仍然为专职设计人员提供了更专业的工具。“对于学生和讲师来说，重要的是能够轻松设置和调整简单的系统，立即查看效果，并以有意义的方式显示光学数据，例如，以更有意义的方式显示透镜数据和计算结果。以前，光学玻璃数据仅在包含折射率和透射率表的大型目录中可用，但是Windows提供了以图形方式和非标准波段显示这些数据的机会。”他说。

大约在那时，Spindler & Hoyer的Microbench（现在是LINOS Microbench）系统（一种用于复杂光学装置的高精度光学笼式系统），提供了整个光学组件，例如单透镜和双胶合透镜，并且可提供设计数据。所有这些条件为Excelitas开发程序奠定了基础，该程序将允许用户仅使用零件号来模拟LINOS Microbench零件组成的系统，对完整的定制光学元件或两种类型的组合进行建模，进行简单的编辑、分析和比较等操作，并且提供见解和理解。首个版本WinLens v1的适用范围非常有限，仅适用于对中的LINOS Microbench透镜。

第2版允许用户定义自己的透镜和反射镜，这样他们可以分析自定义系统。多年来，该程序已在大的方面和小的方面得到了增强：透过率计算、缩放、系统优化（见图5）、鬼像分析、倾斜和偏心等3D功能、高斯光束计算、定制镀膜、编辑工具、添加书签、图形的多个副本进行比较等。特别是其中一个主题，添加了用于选择玻璃的工具，并且提供可自定义的交互性玻璃图。

Janassek说：“我们的目标从来没有定在到达光学的最前沿，而是为我们的客户提供一套用户友好的良好工具。即使为研发团队中的设计人员创建专门的工具时，也需要特别考虑以确保这些工具具有灵活性，并可供经验较少的用户使用。”

Excelitas公司一直提供免费版本的WinLens3DBasic，该版本已在大学中广泛用于光学教育和基础光学设计。该程序没有优化或鬼像分析，但包含了其他所有内容。WinLens3D和Winlens3Dbasic（免费）在大学中用于教学，以及在公司中用于光学设计或测试。专业套件还包括带有ISO10100图纸的公差程序，以及Glass Manager和Material Editor程序。

图5：Winlens对双胶合透镜进行优化的示例：未优化（a）和经过优化（b）。