SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头

YK{a
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。 gK|R =J
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： dGwszziuK
我们想设计一个半视场角为92.4度的镜头， F / 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。 bAr` E
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：

^Y{D^\},
    RLE X bkb5EkA
    ID WIDE-ANGLE DESEARCH Q)af|GW$
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 tZ2e!<C
     APS               5 >"3>fche
     UNITS MM *5,c Rz
     OBD  1.00000E+09   92.4 0.2887  -11.0345861 0 0 0.2887 irTv4ZE'+l
M`D$!BJr
       0 AIR uIMe
    0    CV  1.0000000000000E-09 AIR ?*r!{3T ,u
    1    CV      0.0356159993000   TH      2.50000000 hY<{t.ws
    1    GLM      1.50000000             55.00000000 $\AEWFB
    2    CV      0.1318873610000   TH      2.99808431 AIR +CM7C%U
    3    CV      0.1145140002814   TH      1.00000000 VhEMk\
    3    GLM      1.50000000             55.00000000 Fl>]&x*~
    4    CV      0.4600712360000   TH      4.00383115 AIR    5 CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR }%{MPqg
    END

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。

;HOPABWz)
    CORE 16 H^1gy=kdj
    DSEARCH 2 QUIET (P6vOo
    USE CURRENT 5 ALL v[<Bjs\q5
0=v{RQ;W4
    GOALS z2/!m[U
    ELEMENTS 5 8n4V cu
    FNUM 2 1 t^EhE
    BACK 10 SET VanB>|p6
    STOP MIDDLE #l1Qe`
    STOP FREE ZEbLL4n
    ASPH Q b~7drf
    ASPHERIC 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 N<z`yV
    FOV .2 .4 .6 .8 1 @LLTB(@wR
    DELAY OFF &S74mV
    NGRID 6 6-,m}Ce\
    SNAP 10 klWYuStZ
    PLASTIC 5 7 9 11 13 n"aCt%v
    !QUICK 30 40 xk~Nmb}
    ANNEAL 50 10 Q n<V1|X
    NPASS 50 qX>Q+_^
    END L&Qi@D0P
    SPECIAL AANT %Ny) ?B
    ACC 10 1 1 `{FwTZ=6{
    ACA 70 1 10 KO]N%]:&~
    LUL 90 .1 1 A TOTL ecH/Wz1
    END A~-#@Z
"EftN5?/
    GO

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。
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。
请注意，在这种情况下我们不使用QUICK选项。
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发现了10种最佳设计，其中大多数非常好。
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。
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10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

RSWcaATZN
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，优化并模拟退火。

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。

图5.是真正塑胶材料的镜头取代了最后五个透镜的玻璃材料。
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
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。
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）

图6所示.所有真实材料的镜头。
让我们来看看视场上的衍射图像。转到MPF对话框，选择“Show visual appearance ”，然后单击“Execute”。结果，在图8中，在整个视场上几乎是完美的。

图8.视场上的衍射PSF。
对于那些可能想要进一步评估此镜头的人，RLE文件如下。您可以复制这些命令行并将其粘贴到EE编辑器中。

Q(\ wx
    ID WIDE-ANGLE DESEARCH 549 2Ug.:![
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001111 15 StM/
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 B3L4F"
    APS -10 |6B6?'
    UNITS MM M9V-$ _)
    OBD 1.00000E+09 92.40000153 0.2887 -15.8713919 0 0 0.2887 yU`:IMz
    0 AIR F2oJ]th.3
    0 CV 1.0000000000000E-09 AIR QN 0rE@a
    1 CV 0.0260937958778 TH 1.00000000 $j`<SxJ>
    1 N1 1.81072491 N2 1.81597447 N3 1.82822278 )W9_qmYd"
    1 CTE 0.630000E-05 -^fzsBL.
    1 GTB O 'S-LAH59 ' IrO+5w
    2 CV 0.1062185691313 TH 8.73634084 AIR Wu{&;$
    3 CV -0.0381411162195 TH 5.91174196 o8D{dS>,PL
    3 N1 1.82896003 N2 1.83478459 N3 1.84849295 #Go(tS~o
    3 CTE 0.620000E-05 B82,.?
    3 GTB O 'S-LAH55V ' vo b$iS`>=
    4 CV 0.0660034452801 TH 16.85831989 AIR dIK{MA
    5 RAD -138.0968858112222 TH 4.37718093 H'Iq~Ft1
    5 CC 100.00000000 91;HiILgT
    7 ^-L{/'[8M
    5 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994 LkaG[^tfN
    5 CTE 0.630000E-04 ^uBwj}6
    5 GTB U 'OKP4RX50 ' Qu_EfmN|
    5 DC1 0.00000000E+00 7.30200857E-05 1.48416975E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00 @DCJ}hud
    5 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 i_YW;x
    5 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 '(9YB9 i
    5 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 $n*%v85
    5 PLASTIC RO(iHR3cA
    6 RAD -21.0605738757054 TH 44.03095789 AIR >x?2Fz.
    6 CC -4.75816695 0o;~~\fq.
    6 DC1 0.00000000E+00-6.94211792E-06 3.43604999E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00 BQU/QoDY
    6 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 j1Fw U
    6 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 xvO 3BU~2
    6 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 {*__B} ,N
    7 RAD -111.0507956868741 TH 1.67384895 : ~'Z(-a
    7 CC -100.00000000 ,9UCb$mh
    7 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994 qhwoV4@f
    7 CTE 0.630000E-04 `G0*l|m>
    7 GTB U 'OKP4RX50 ' E.#6;HHzN
    7 DC1 0.00000000E+00-1.94604199E-03 5.49833735E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ^+a
    7 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 SauHFl8?
    7 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 9mm2Vps;
    7 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 =WjJN Q
    7 PLASTIC n>T:2PQ3
    8 RAD 6.7304260208507 TH 1.00000000 AIR B<C&ay
    8 CC -0.58536337 AJ4r/b}
    8 DC1 0.00000000E+00-2.59873419E-03 9.92318034E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ;&7,73!
    8 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 xtsL8-u f
    8 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 ?+Hp?i$1
    8 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 @4@PuWI0-
    9 RAD 9.7697110081571 TH 1.75562117 To^# 0
    9 CC -3.39966178 #'c%
    9 N1 1.50724931 N2 1.50995136 N3 1.51625020 Za9$Hh/X
    9 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 W1<.OO\J
    9 CTE 0.900000E-04 p70,\&@3
    9 GTB U 'ZEON330R ' ~ ;XYwQ"
    9 DC1 0.00000000E+00-9.94688980E-04 1.07499451E-04 0.00000000E+00 0.00000000E+00 +0U#.|?
    9 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 F1\`l{B,\
    9 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 5Fr;
    9 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 Y@ObwKcG
    9 PLASTIC y,^";7U
    10 RAD -8.8072667951121 TH 1.00000000 AIR e|~C?Ow'J
    10 CC -4.25736209 fIH#
    10 DC1 0.00000000E+00 5.98624949E-04 5.28052568E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 uX98iJ
    10 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 UIz:=DJ
    10 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 QjqBO+
    10 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 +q l
    11 RAD 23.2403610905735 TH 1.72858896 Y[h#hZ
    11 CC 1.69037601 /'mrDb_ip
    11 N1 1.50724931 N2 1.50995136 N3 1.51625020 :TlAL# s&
    11 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 Jxn3$
    11 CTE 0.900000E-04 sK`<kbj
    11 GTB U 'ZEON330R ' 2Gm-\o&Td"
    11 DC1 0.00000000E+00 2.10417649E-03-3.35758216E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 b h*^{
    11 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 @~s~/[
    11 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 prwC>LE
    11 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 V0s,f.a
    11 PLASTIC U>in2u9
    12 RAD -11.1049150737322 TH 1.00000000 AIR !5? m
    12 CC -0.19799751 \hrrPPD1z
    12 DC1 0.00000000E+00-2.14632707E-04 1.93285361E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ^DzL$BX
    12 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 qP&byEs"
    12 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 .uBO
    12 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 ):^ '/e
    13 RAD -10.1118316301289 TH 1.00000000 Yg[ v/[]
    13 CC -0.64163783 0~qf-x
    13 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994 wZ$tJQO
    8 abL/Y23 "
    13 CTE 0.630000E-04 >dyhox2*"
    13 GTB U 'OKP4RX50 ' (*MNox?w
    13 DC1 0.00000000E+00-1.84686149E-03 6.79336881E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 [gpOuTW
    13 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 sr;:Dvx~
    13 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 ;*W=c
    13 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0r0c|*[+4z
    13 PLASTIC Ap%d<\,Z
    14 RAD -9.0418834379157 TH 10.00000000 AIR ;i.I&*t
    14 CC -0.05459002 xrfPZBLy
    14 DC1 0.00000000E+00-9.65748548E-04 5.96199181E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 sZ]'DH&_(
    14 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 F%9cS :
    14 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 |MR%{ZC^i
    14 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 UOw~rK
    15 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR L^3~gM"!
    END

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。
除了DSEARCH返回的最佳镜头之外，您还可以尝试其他方案。

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