[原创]设计一个超广角的镜头:SYNOPSYS 光学设计软件 [复制链接]

我们经常被问及使用DSEARCH™设计广角镜头。 如果在DSEARCH文件的SYSTEM部分中输入广角的规格，则很可能没有任何候设计可以工作，原因很简单，没有光通过。 DSEARCH可以纠正某些光线故障，但通常无法优化此类系统。 所以你会怎么做？

在这种情况下，有一个相当简单的方法可以很好地起作用:粗略地画出一个简单的前端，将光束转换成一个角度较小的光束，然后从那里出发，用USE CURRENT声明该部分。这是一个例子:

我们想要一个半场角为92.4度的镜头， F / 2.0。 我们将制作塑料材料制作透镜，这可以是非球面的。 首先，我们必须创建一个可追踪的前端。

我们进入一个带有两个镜头的简单系统，并指定用于广角的物体类型OBD，并在5上声明一个近轴光阑。我们从一个中等角度开始，比如50度，然后，使用WorkSheet™滑块，给出元件一些反向的光焦度，并将它们向右弯曲。 当看起来效果很好时，我们增加OBD视场角，以这种方式继续，直到我们达到所需的92.4度角。 这是前端：

    RLE

    ID WIDE-ANGLE DESEARCH

    WAVL .6562700 .5875600 .4861300

     APS               5

     UNITS MM

     OBD  1.00000E+09   92.4 0.2887  -11.0345861 0 0 0.2887

       0 AIR

    0    CV  1.0000000000000E-09 AIR

    1    CV      0.0356159993000   TH      2.50000000

    1    GLM      1.50000000             55.00000000

    2    CV      0.1318873610000   TH      2.99808431 AIR

    3    CV      0.1145140002814   TH      1.00000000

    3    GLM      1.50000000             55.00000000

    4    CV      0.4600712360000   TH      4.00383115 AIR    5 CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR

    END

我们的92.4度进入光束以合理的角度射出。 现在我们可以创建DSEARCH输入MACro。

    CORE 16

    DSEARCH 2 QUIET

    USE CURRENT 5 ALL

    GOALS

    ELEMENTS 5

    FNUM 2 1

    BACK 10 SET

    STOP MIDDLE

    STOP FREE

    ASPH Q

    ASPHERIC 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

    FOV .2 .4 .6 .8 1

    DELAY OFF

    NGRID 6

    SNAP 10

    PLASTIC 5 7 9 11 13

    !QUICK 30 40

    ANNEAL 50 10 Q

    NPASS 50

    END

    SPECIAL AANT

    ACC 10 1 1

    ACA 70 1 10

    LUL 90 .1 1 A TOTL

    END

    GO

在此文件中，我们指定了10 mm的后焦距，使用SET指令修复。 DSEARCH允许您以三种方式控制该距离：如果您只是给出一个距离，例如BACK 10，程序会在末尾添加YMT求解并在AANT文件中包含一个目标来控制结果值。 如果添加权重因子（例如BACK 10 100），则将该权重应用于目标。 第三种方法是请求精确值，在这种情况下使用BACK 10 SET。 现在，程序将简单地将后焦距设置为输入值，在这种情况下为10，并且不会添加YMT求解。 对于困难的设计，这通常是一个很好的选择，特别是当其他选项返回带有虚拟图像的系统时。

我们要求最大元件厚度为10毫米，总长度上限为90毫米，以保持合理。 此外，我们将光线截距角限制在不超过70度。 否则，对于像这样的大角度，可以在全视场获得掠入射射线，由于涂层问题，这是不切实际的。

请注意，在这种情况下我们不使用QUICK选项。 对于更简单的工作来说，这是一个强大的工具，但这个工作并不那么简单，我们需要在每个候选系统上进行全面优化。 我们在上面注释了这一点，强调了这一点。

最后一点：我们在上面的输入中给出了FNUM请求的权重。 如果我们不这样做，程序将通过UMC求解来控制F /number，并且得到的曲率可能非常大以至于没有光线通过。 同样，对于像这样的困难设计，我们必须引导一些事情。 通过在FNUM线上添加权重，程序将最后一个面的曲率视为变量，并控制AANT文件中的F /number，而不是曲率求解。

好的，我们的输入已准备就绪，因此我们运行此DSEARCH文件。 大约两分钟后我们看到了结果：

DSEARCH绘制了它发现的10种最佳设计，其中大多数实际上非常好。

好的，我们正在顺利进行，但我们需要在某种程度上改进设计。 我们运行DSEARCH为我们制作的MACro优化，镜头变化很小。

现在我们必须检查视场的质量。 在PAD中，我们单击PAD工具栏中的“扫描”按钮 ，然后观察到靠近曲面10的不明显的光阑在所有视场中都没有很好地填充。在这个广泛的区域和近轴光瞳的系统中你能期望什么？我们必须控制它

    APS -10

由于我们改变了YP0的数量，目前镜头只有一个不明显的光瞳。这使我们接近光阑真正的结果，但是现在我们必须把它放在那里。在WS编辑窗格中，我们输入APS -10 来在表面10上放置一个真正的光阑。然后我们从PANT文件中删除变量VY 0 YP1，优化并退火。

这是一个非常有前途的设计，所以让我们替换成真实的材料。 打开MRG对话框，选择U目录（仅匹配塑料透镜），QUIET，SORT，然后单击OK。 镜头材料现在是真正的塑料材料。

图5.带是真正塑料材料的镜头取代了最后五个透镜的玻璃材料。

我们差不多完成了。 我们将继续优化镜头，我们不希望我们的塑料材料被更换成其它的玻璃材料，因此我们从PANT文件中删除所有VY sn GLM行并用VLIST GLM ALL替换它们

这只会改变第一和第二元件的当前玻璃模型的材料。 再次优化和退火。

现在我们再次运行MRG，这次选择Ohara目录。 该程序现在匹配前两个元件，即玻璃，而不是塑料。 设计回归与以前一样好，如图6所示。（L41L1）

图6所示.所有真实材料的镜头。

我们做得怎么样？ 让我们来看看视场上的衍射图案。 转到MPF对话框，选择“显示可视外观”，然后单击“执行”。 结果，在图8中，在整个视场上几乎是完美的。

图8.场上的衍射PSF。

对于那些可能想要进一步评估此镜头的人，RLE文件如下。 您可以复制这些行并将其粘贴到EE编辑器中。

    ID WIDE-ANGLE DESEARCH 549

    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001111 15

    WAVL .6562700 .5875600 .4861300

    APS -10

    UNITS MM

    OBD 1.00000E+09 92.40000153 0.2887 -15.8713919 0 0 0.2887

    0 AIR

    0 CV 1.0000000000000E-09 AIR

    1 CV 0.0260937958778 TH 1.00000000

    1 N1 1.81072491 N2 1.81597447 N3 1.82822278

    1 CTE 0.630000E-05

    1 GTB O 'S-LAH59 '

    2 CV 0.1062185691313 TH 8.73634084 AIR

    3 CV -0.0381411162195 TH 5.91174196

    3 N1 1.82896003 N2 1.83478459 N3 1.84849295

    3 CTE 0.620000E-05

    3 GTB O 'S-LAH55V '

    4 CV 0.0660034452801 TH 16.85831989 AIR

    5 RAD -138.0968858112222 TH 4.37718093

    5 CC 100.00000000

    7

    5 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994

    5 CTE 0.630000E-04

    5 GTB U 'OKP4RX50 '

    5 DC1 0.00000000E+00 7.30200857E-05 1.48416975E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00

    5 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    5 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    5 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    5 PLASTIC

    6 RAD -21.0605738757054 TH 44.03095789 AIR

    6 CC -4.75816695

    6 DC1 0.00000000E+00-6.94211792E-06 3.43604999E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00

    6 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    6 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    6 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    7 RAD -111.0507956868741 TH 1.67384895

    7 CC -100.00000000

    7 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994

    7 CTE 0.630000E-04

    7 GTB U 'OKP4RX50 '

    7 DC1 0.00000000E+00-1.94604199E-03 5.49833735E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00

    7 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    7 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    7 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    7 PLASTIC

    8 RAD 6.7304260208507 TH 1.00000000 AIR

    8 CC -0.58536337

    8 DC1 0.00000000E+00-2.59873419E-03 9.92318034E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00

    8 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    8 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    8 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    9 RAD 9.7697110081571 TH 1.75562117

    9 CC -3.39966178

    9 N1 1.50724931 N2 1.50995136 N3 1.51625020

    9 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01

    9 CTE 0.900000E-04

    9 GTB U 'ZEON330R '

    9 DC1 0.00000000E+00-9.94688980E-04 1.07499451E-04 0.00000000E+00 0.00000000E+00

    9 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    9 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    9 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    9 PLASTIC

    10 RAD -8.8072667951121 TH 1.00000000 AIR

    10 CC -4.25736209

    10 DC1 0.00000000E+00 5.98624949E-04 5.28052568E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00

    10 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    10 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    10 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    11 RAD 23.2403610905735 TH 1.72858896

    11 CC 1.69037601

    11 N1 1.50724931 N2 1.50995136 N3 1.51625020

    11 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01

    11 CTE 0.900000E-04

    11 GTB U 'ZEON330R '

    11 DC1 0.00000000E+00 2.10417649E-03-3.35758216E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00

    11 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    11 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    11 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    11 PLASTIC

    12 RAD -11.1049150737322 TH 1.00000000 AIR

    12 CC -0.19799751

    12 DC1 0.00000000E+00-2.14632707E-04 1.93285361E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00

    12 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    12 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    12 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    13 RAD -10.1118316301289 TH 1.00000000

    13 CC -0.64163783

    13 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994

    8

    13 CTE 0.630000E-04

    13 GTB U 'OKP4RX50 '

    13 DC1 0.00000000E+00-1.84686149E-03 6.79336881E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00

    13 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    13 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    13 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    13 PLASTIC

    14 RAD -9.0418834379157 TH 10.00000000 AIR

    14 CC -0.05459002

    14 DC1 0.00000000E+00-9.65748548E-04 5.96199181E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00

    14 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    14 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    14 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00

    15 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR

    END

让我补充一些技巧性。 这种设计很棘手，如果你是SYNOPSYS的新用户，并且事情进展并不顺利，你将不知道该怎么做。 请注意，在本练习中我们没有使用曲率或厚度求解，因为超广角镜头的常见问题是试图避免光线失败。 虽然使用解决方案在数学上具有完美的意义，但它们可能会导致这种镜头出现这种问题。 此外，在设计基本完成之前，我们没有使用真正的光瞳。 真实光瞳搜索是强大但不可靠，并且利用这种大角度光线和非球面系数，很容易进入无解。 所有这些都可以通过使用无瞳来避免直到设计形状良好。

最后，除了DSEARCH返回的最佳镜头之外，还要做更多的调研，最上面的那个，在这个例子中，被证明是最好的，但这并不是一直都这样。这就是为什么DSEARCH返回的不仅仅是一个镜头。