[原创]SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头 [复制链接]

如何使用 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，则很可能没有任何可以实现的初始结构，原因很简单，光线无法通过。DSEARCH可以纠正某些光线故障，但通常无法优化此类系统。 `KE(R8y  
K,*IfHi6[  
在这种情况下，有一个相当简单的方法可以很好地实现：首先画出一个前端，将光束转换成一个角度较小的光束，然后从那里开始，用 USE CURRENT 声明该部分。下面是一个例子： AI .2os*  
 XV!UeBq  
我们想设计一个半视场角为92.4度的镜头，F 数为2.0。我们将使用塑胶制作非球面透镜。首先，我们必须创建一个可追迹的前端。 :0Fwaw9PH"  
我们从一个含两个镜片组的简单系统开始，并指定用于广角的物体类型 OBD，并在表面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，给元件一些负的光焦度，并将它们向右弯曲。当看起来效果很好时，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。 这是前端部分： aX~' gq>  
TSsx^h8/  
~'):1}KN]  
镜头文件： }Ub "Vb  
RLE ^Cg@'R9  
ID WIDE-ANGLE DESEARCH .\)p3pC)  
WAVL .6562700 .5875600 .4861300 XB%`5wwd  
APS               5 JM*rPzp  
UNITS MM 'eoI~*}3WQ  
OBD  1.00000E+09   92.4 0.2887  -11.0345861 0 0 0.2887 OmP(&t7  
\)PS&Y8n  
   0 AIR
sk. rJ  
0    CV  1.0000000000000E-09 AIR VE/~tT;  
1    CV      0.0356159993000   TH      2.50000000 CjA}-ee  
1    GLM      1.50000000             55.00000000 ;"%luQA<w  
2    CV      0.1318873610000   TH      2.99808431 AIR <zu)=W'R]  
3    CV      0.1145140002814   TH      1.00000000 BimM)4g  
3    GLM      1.50000000             55.00000000 q5w)i  
4    CV      0.4600712360000   TH      4.00383115 AIR     <7X+-%yb;  
5 CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR D7$xY\0r  
END yNQ 9~P2  
xX
])IZD  
光束以92.4度进入并以合理的角度出射。现在创建 DSEARCH 输入 MACro。 ;}k_2mr~  
zdDJcdbGd1  
CORE 16 !Jo.Un7  
DSEARCH 2 QUIET UmQ'=@^kR  
USE CURRENT 5 ALL wT\dzp>/  
yDw^xGws  
GOALS L G9#D  
ELEMENTS 5 II_MY#0X  
FNUM 2 1 H %PIE1_  
BACK 10 SET dnTXx*I:  
STOP MIDDLE Iyvl6  
STOP FREE  ,#
-^  
ASPH Q #D!3a%u0  
ASPHERIC 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 k4nA+k<WI`  
FOV .2 .4 .6 .8 1 or]s  
DELAY OFF hO:X\:G  
NGRID 6 Xq%!(YD|  
SNAP 10 "i*Gi \U
 
PLASTIC 5 7 9 11 13 8|,-P=%t  
!QUICK 30 40 :hxZ2O?5_  
ANNEAL 50 10 Q :Zd# }P  
NPASS 50 >Y/1%Hp9  
END %x7l`.)N  
SPECIAL AANT
?hpk)Qu  
ACC 10 1 1 H\!u5o&}`  
ACA 70 1 10 dUJNr_  
LUL 90 .1 1 A TOTL X]*W +  
END `o*g2fW!  
GO E]Hl&t/}  
M>k7 '@G  
aa1XY&G"!  
QX~*aqS3s8  
在此案例中，我们使用SET指令指定10 mm的后焦距。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。 对于较复杂的设计，这通常是一个很好的选择，特别是当其他选项返回带有虚像的系统时。 "Hjw  
Xc5[d`]  
要求最大元件厚度为10毫米，总长度小于90毫米，以保持合理。 此外，我们将光线入射到透镜表面的夹角限制在70度内。 否则，对于像这样的大角度，可以在全视场获得掠入射光线，由于膜层问题，这是不切实际的。 ikRIL2Y  
w }2|Do$5  
请注意，在这种情况下我们不使用 QUICK 选项。 AjANuyUaP  
0KT{K(  
最后一点：我们在上面的输入中给出了 FNUM 请求的权重。如果我们不这样做，程序将通过 UMC 求解来控制 F /number，并且得到的曲率可能非常大以至于没有光线通过。同样，对于这样复杂的设计，我们必须引导一些事情。通过在 FNUM 上添加权重，程序将最后一个面的曲率视为变量，并控制 AANT 文件中的 F /number，而不是曲率求解。 9e :E% 2  
A?|cJ"N  
好的，我们的输入已准备就绪，因此我们运行此 DSEARCH 文件。大约两分钟后我们看到了结果： HNuwq\w  
)x|BY>  
e?lqs,m@"  
DSEARCH 发现了10种最佳设计，其中大多数非常好。 /9w}[y*E  
W@$p'IBwm  
现在需要进一步改进设计。运行 DSEARCH 产生的优化 MACro，镜头的性能变化很小。 6eK^T=  
83l)o$S  
现在必须检查视场的像质。 在 PAD 中，单击PAD工具栏中的“扫描”按钮，然后观察到靠近曲面9的光阑在所有视场中都没有很好地填充。在这个广泛的区域和近轴光瞳的系统中，我们必须控制它。 q%:Jmi>  
(Fgt#H(B  
由于我们改变了 YP0 的数量，目前镜头只有一个不明显的光瞳。这使我们接近光阑真正的结果，但是现在我们必须把它放在那里。在 WS 编辑窗格中，我们输入 r IK|}5  
APS -9 ?s"v0cg+  
CSTOP *u{.K:.I  
WAP 2 F<(xz=  
来在表面9上放置一个真正的光阑。然后我们从 PANT 文件中删除变量 VY 0 YP1，修改 DESEARCH_OPT 中厚度变量声明为 VLIST TH ALL,优化并模拟退火。 Eq<#pX6  
Z%OSW  
}lb.3fqiA  
让我们将玻璃模型替换成真实的材料。打开 MRG 对话框，选择U目录（仅匹配塑胶材料），QUIET，SORT，然后单击 OK。镜头材料现在是真正的塑胶材料。 V!<#
E)-?<  
l*m|b""].u  
}t-r:R$,  
将继续优化镜头，不希望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。 rzBWk  
? sewU9*  
这只会改变第一和第二个镜片的当前玻璃模型的材料，再次优化和模拟退火。 `(a^=e5  
'Lw\nO.  
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，而不是塑胶。设计与以前一样好，如图6所示。（L41L1） $WPN.,7
  
1a!h&!$9  
0Yjy  
让我们来看看视场上的衍射图像。转到MPF对话框，选择“视觉外观”，放大设置为5，然后单击“执行”。结果，在图8中，在整个视场上几乎是完美的。 PYf`a`dH  
)yK!qu  
k1H0hDE  
对于那些可能想要进一步评估此镜头的人，RLE 文件如下。您可以复制这些命令行并将其粘贴到 EE 编辑器中。 ZF/KV\Ag)  
RLE qpeK><o  
ID WIDE-ANGLE DESEARCH                       4 -&A[{m<,>  
ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12                           e](=)h|  
FNAME 'DSEARCH004.RLE                                    ' ]xG4T>S  
MERIT   0.617523E-03 yW&iUh=0  
LOG        4 uSQ*/h-<)0  
WAVL .6562700 .5875600 .4861300 eBV{B70k  
APS              -9 wm8x1+P  
CSTOP <<1oc{i  
WAP                2 ;hvXFU  
UNITS MM   31C]TdJ  
OBD  1.00000E+09   92.4 0.2887  -17.3394812 0 0 0.2887                         ZkJM?Fzq  
V"ZbKV+[  
   0 AIR #50)DwD  
   0 CV  1.0000000000000E-09 AIR }sU\6~

  
   1 CV      0.0360722609606   TH      2.22538987 Mt Z(\&~  
   1 GLM      1.582541321             69.489424800 GXRjR\Ch  
   2 CV      0.1129035344111   TH      7.33905916 AIR Jq#Cn+zW  
   3 CV      0.0258877283000   TH      1.00000000 {\&"I|dpe  
   3 GLM      1.862101561             32.759137271  c$|dK  
   4 CV      0.1907815401493   TH      4.62505325 AIR iPOZ{'Z  
   5 RAD    -22.0769352833601   TH      8.06760017 [mPdT^h  
   5 CC     15.35107422 b9N4Gr  
   5 N1 1.57747609 N2 1.58304761 N3 1.59677576 9gg,Dy  
   5 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 h;KK6*Z*$E  
   5 CTE   0.650000E-05 \G@6jn1G(  
   5 GTB U    'AD-5503         ' d"UW38K{  
   5 DC1  0.000000000E+00 -1.278372376E-03 -2.704225148E-05  0.000000000E+00  0.000000000E+00 iL, XBoE  
   5 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 sriz b  
   5 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 n4 @a`lN5g  
   5 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 jZ!JXmVV  
   5 PLASTIC '5U$`Xe1  
   6 RAD     -6.3843807900976   TH      1.00000000 AIR SEIu4 l$E  
   6 CC     -1.63833609 Y(zN  
   6 DC1  0.000000000E+00  1.393260648E-04 -8.694519770E-06  0.000000000E+00  0.000000000E+00 c1J)yv1y  
   6 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ^^SfIK?p  
   6 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 *"\Q ~#W  
   6 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 1}E@lOc  
   7 RAD     -7.9324248616851   TH     10.01456860 ,`zRlkX  
   7 CC     -3.18613168 Dj+Osh  
   7 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 e}[we:  
   7 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 I uj=d~|>  
   7 CTE   0.600000E-04 N08n/u&cr,  
   7 GTB U    'ZEON480R        ' Ne7{{1  
   7 DC1  0.000000000E+00  9.236235094E-04 -1.504353071E-05  0.000000000E+00  0.000000000E+00 R TUNha^<T  
   7 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 wWU_?Dr_~  
   7 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 gj,J3x4TK/  
   7 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 &;U7/?Q  
   7 PLASTIC Ch9!AUiR  
   8 RAD    -19.0181938596098   TH     16.68648421 AIR Z3>xpw G  
   8 CC     -0.98132904 ~x"79=!W  
   8 DC1  0.000000000E+00  7.229015854E-06 -3.530119818E-07  0.000000000E+00  0.000000000E+00 xPup?oP >  
   8 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ~vV)|  
   8 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 JvL'gJ$70  
   8 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 \_AEuz3 F  
   9 CAO      1.68737382       0.00000000       0.00000000
D(6x'</>?  
   9 RAD      4.2463061617809   TH      1.50735195 t=rAcyNM  
   9 CC     -5.54999790 BQ&q<6Tk  
   9 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 ~<- ci  
   9 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 dMmka
  
   9 CTE   0.600000E-04 $3.vVnc  
   9 GTB U    'ZEON480R        ' H#6^-6;/  
   9 DC1  0.000000000E+00  4.513134509E-03 -1.189291744E-03  0.000000000E+00  0.000000000E+00 hO.G'q$V  
   9 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 F}(Q
KO*  
   9 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 G=HxD4l  
   9 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 n qLAby_  
   9 PLASTIC [Cqqjv;_  
   10 RAD     -8.0304051087170   TH      1.00000000 AIR -wQ^oOJ  
   10 CC      0.92206943 #S%Y;ilq  
   10 DC1  0.000000000E+00 -4.950375968E-03  1.189788976E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00 `uZv9I"  
10 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 +`zi>=  
   10 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 9m!!b{  
   10 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 Z/kaRnG[@t  
   11 RAD     -3.7613156285095   TH      1.00000000 1D
LG]-j}  
   11 CC     -0.42284721 .q`H`(QM  
   11 N1 1.60143115 N2 1.60793545 N3 1.62454862 |8c:+8  
   11 CTE   0.720000E-04 M:Y*Tb6w  
   11 GTB U    'OKP4            ' PT#eXS9_  
   11 DC1  0.000000000E+00  1.180068221E-02  5.892483716E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00 &s^>S?L-  
   11 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 04PoBv~g  
11 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 #;LMtDaL  
   11 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 Kq 4<l  
   11 PLASTIC plx/}ah8  
   12 RAD      5.2837613214415   TH      1.00000000 AIR M2E87w  
   12 CC    -21.87743665 $7n#\h  
   12 DC1  0.000000000E+00  7.571999432E-03  2.001801857E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00 CQjZAv  
   12 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 :{b6M/  
   12 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 Sci4EGc  
   12 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 PIEW\i  
   13 RAD      2.2918318217542   TH      5.99479908 6~F#F)C'  
   13 CC     -2.93101390 *V6QBe  
   13 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 ,3]?%t0xe  
   13 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 uOl(-Zq@  
   13 CTE   0.600000E-04 L;S*.Ol>  
   13 GTB U    'ZEON480R        ' W`u$7k]$  
   13 DC1  0.000000000E+00  4.465123244E-03 -4.565059943E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00 AX!>l;  
13 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 kV\-%:-  
13 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 G?-`>N-u  
   13 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 df>kEvU5.^  
   13 PLASTIC `[@^m5?b-  
   14 RAD     -9.3294652456923   TH      1.00000000 AIR PG6L]o^  
   14 CC     16.95417460 jemxky  
   14 DC1  0.000000000E+00 -8.733089016E-03  1.818419746E-03  0.000000000E+00  0.000000000E+00 ] `B,L*m6  
   14 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 jj3Pf>D+k  
   14 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 Y$x"4=~  
   14 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 4", )zDk  
   15 CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR j!S1Y0CV  
END umm\r&]A  
X"k^89y$  
另一种广角镜头： ByhOK}u;P4  
在本章的第一部分中，我们观察到，超过90度的输入角需要一个定制的前端，其目的是将主射线的角度减小到一个更易于控制的值，以便光线能够通过。但如果这个领域的角度小于90度，工作就简单多了。 ]D{c4)\7C|  
4\1wyN /}M  
点击打开 C45M2，我们使用 DSEARCH 本身，没有添加前端，并指定广角校正参数(WAC)为50度，此镜头的最大视场角为86度而不是92.4度 gp$EXJ=  
本例中，搜索统计显示，待分析的128例中，共有59例由于光线追迹失败而跳过。如果在不带WAC参数的情况下运行这个宏，程序将跳过128种情况中的125种。不要跳过用例总是一个好主意，因为有希望的配置可能会被错过。当你用 DSEARCH 搜索最佳镜头设计时，WAC参数是你可以尝试的另一个参数。 ApG'jN  
C!7U<rI  
镜头仍然需要额外的工作，正如之前所做的，但重点是，有了这个稍微减少的视场角，工作更简单，不需要像我们上面做的那样对前端元素进行初步的计算。
K}PvrcO1  
3s?v(1 {)  
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追迹失败。虽然使用解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。 真实光瞳搜索功能是强大的但不可靠，并且利用这种大角度光线和非球面系数，很容易没有解。所有这些都可以通过使用无瞳设计来避免，直到设计形状良好后再确定光瞳。 "u<jbD  
<Spr6U9p7  
除了 DSEARCH 返回的最佳镜头之外，您还可以尝试其他方案。