系統(tǒng)性能提升

(資料圖片僅供參考)

根據(jù)上篇的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)分析，我們可以從四個方面對內(nèi)窺鏡物鏡系統(tǒng)進行優(yōu)化：元件間距、圓錐系數(shù)、MTF 值以及畸變值。點擊優(yōu)化-評價函數(shù)編輯器以設(shè)置具體的評價函數(shù)。（聯(lián)系我們獲取文章附件）

首先，用三個 CONF 操作數(shù)將評價函數(shù)編輯器分為三個部分，在第一個 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)均用于對結(jié)構(gòu)1進行優(yōu)化；在所有關(guān)于第一個結(jié)構(gòu)的操作數(shù)后，插入第二個 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 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 CONF 操作數(shù)后。

元件間距：為了便于實際的生產(chǎn)制造，對第3、4個透鏡之間的間距進行控制，插入 MNCA 操作數(shù)（最小中心空氣厚度），將目標值設(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，通過優(yōu)化控制第3、4個透鏡間的距離大于 0.1 mm。

圓錐系數(shù)：同樣對于實際的生產(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)>目標值）和 COLT 操作數(shù)（圓錐系數(shù)<目標值）。首先輸入 COGT 操作數(shù)，表面序號設(shè)置為表面 8，因為我們主要需要對第8個面的圓錐系數(shù)進行限制，然后將目標值設(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，收緊對應(yīng)的優(yōu)化目標。

MTF 值：由于系統(tǒng)中僅使用了偶次非球面表面和標準球面，屬于旋轉(zhuǎn)對稱系統(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)對應(yīng)不同的 MTF 表現(xiàn)，因此需要在每個 CONF 操作數(shù)后都添加 MTFT 操作數(shù)以對其相應(yīng)結(jié)構(gòu)的 MTF 進行優(yōu)化。對所有的 MTFT 操作數(shù)，在采樣一欄輸入2，波長一欄輸入2（本例中的參考波長），設(shè)置9個視場（可以根據(jù)實際需要添加或刪減），空間頻率設(shè)為70，權(quán)重設(shè)為2。

而目標值可根據(jù)初始結(jié)構(gòu)的 MTF 數(shù)值來設(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 時的 MTF 為0.23，則最開始優(yōu)化時將目標值設(shè)為0.3，優(yōu)化后評估值達到0.3后，再將目標值提升為0.4……依此對目標值進行修改，以漸進的方式對系統(tǒng) MTF 進行多次優(yōu)化，直到各優(yōu)化操作數(shù)的評估值不再滿足目標值，則停止對 MTF 的目標值進行提升。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，再以漸進的方式修改目標值對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

畸變：本例中沒有對畸變進行過多的限制。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)的視場和波長編號，然后再設(shè)定目標的畸變值，即可控制畸變不超過目標值。本例中，在三個 CONF 操作數(shù)后均插入 DIMA 操作數(shù)，將視場設(shè)為4（最大視場角度），波長一欄設(shè)為2，目標值均設(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)三個結(jié)構(gòu)在最大視場角處的畸變值均為-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，需對其進行限制。而對于三個結(jié)構(gòu)來說，有效焦距相同，因此只需在其中一個 CONF 操作數(shù)后插入有效焦距 EFFL 優(yōu)化操作數(shù)。在波長一欄輸入2，目標值設(shè)為1.496（與原系統(tǒng)相同）。點擊執(zhí)行優(yōu)化后，評估值與目標值有一定程度的偏差，這是因為在視場一定的情況下，有效焦距會因畸變值、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，點擊執(zhí)行優(yōu)化。設(shè)置的變量也可以根據(jù)實際情況而修改，本例為了使得系統(tǒng)的總長度不發(fā)生太大的變化，沒有把所有的厚度都設(shè)為變量。

在優(yōu)化過程中，可能還會有一些小的改動，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)實際情況來定。在本例的優(yōu)化過程中，為了使第1和第2個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 曲線圖以及場曲/畸變圖，可以看到系統(tǒng)的布局看起來是美觀的，元件之間的中心距離和邊緣距離都大于 0.1mm，系統(tǒng)總長為 7.383mm，所有圓錐系數(shù)都在-50到50之間。三個結(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）。

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

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

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

對于結(jié)構(gòu)1，半視場角為35°時，畸變值為-20.2%。

對于結(jié)構(gòu)2，半視場角為35°時，畸變值為-20.62%。

對于結(jié)構(gòu)3，半視場角為35°時，畸變值為-21 %。

根據(jù)上述結(jié)果，在我們對該內(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)畸變也控制在一個合理的范圍中。對于如同內(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行以 MTF 為指標的優(yōu)化控制。在優(yōu)化過程中，也可使用優(yōu)化向?qū)А?/p>

總結(jié)

本文詳細描述了如何根據(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)對系統(tǒng)性能進行進一步提升。除了使用本文中提到的優(yōu)化操作數(shù)，用戶可根據(jù)實際情況自行添加其他的優(yōu)化操作數(shù)從多角度對于系統(tǒng)性能進行優(yōu)化。