SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头
398}a!XM
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。 98Pt&C? -B
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： R(r89bTQ
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。 e}kEh+4
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：  6BLw 4m=h
RLE /jeurCQ8#u
ID WIDE-ANGLE DESEARCH #Cvjv;
QwY
WAVL .6562700 .5875600 .4861300 }LDDm/$^}
APS 5 Gv F~h0wMt
UNITS MM Z!~~6Sq
OBD 1.00000E+09 92.4 0.2887 -11.0345861 0 0 0.2887 W J=eV8Uk
{Z 1j >h$
0 AIR /V2 ^/`&;a
0 CV 1.0000000000000E-09 AIR *hAq]VC})
1 CV 0.0356159993000 TH 2.50000000 ggJn oL
1 GLM 1.50000000 55.00000000 b!5W!vcK
2 CV 0.1318873610000 TH 2.99808431 AIR I
r<5%
3 CV 0.1145140002814 TH 1.00000000 FuLP{]Y+AM
3 GLM 1.50000000 55.00000000 &JtK<g
4 CV 0.4600712360000 TH 4.00383115 AIR 5 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR =d .Z:L9d
END Ngi$y> {Sq
DE^{8YX,
光束以92.4度进入并以合理的角度出射。 现在创建DSEARCH输入MACro。 (Pbdwzao
CORE 16 m:)v>v u
DSEARCH 2 QUIET %W+*)u72(
USE CURRENT 5 ALL P<
O [S
oOmPbAY
GOALS )(_}60
ELEMENTS 5 ;l7wme8Qk
FNUM 2 1 4nXS}bW f
BACK 10 SET D7o lu29
STOP MIDDLE ia LsIy#h
STOP FREE y5RcJM
ASPH Q b Zn:q[7
ASPHERIC 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1ePZ s$
FOV .2 .4 .6 .8 1 # ~}
26
DELAY OFF S c_*L<$
NGRID 6 ' _@Y
SNAP 10 &BFW`5N
PLASTIC 5 7 9 11 13 K;sH0*
!QUICK 30 40 cX>
a>U
ANNEAL 50 10 Q 6
GO 7[?U<
NPASS 50 u-qg9qXJb
END w byY? tH
SPECIAL AANT +=)<
Su.
ACC 10 1 1 S>/p6}3]
ACA 70 1 10 T\{ on[O
LUL 90 .1 1 A TOTL VL?ub t<
END {W)Kz_
\A6MVMF8
GO 1j`-lD
SsIy ;l
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。 +%OINMo.A
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。 =!*e; L
请注意，在这种情况下我们不使用QUICK选项。 C},;M @xV
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。 'nz;|6uC
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： 0~iC#lHO
DSEARCH发现了10种最佳设计，其中大多数非常好。 (CJiCtAsl`
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。 X* KQWs.
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 w4Qqo(
APS -10 pEuZsQ
ms{:=L2$$
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。 zH0%;
o}
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。 ug'I:#@2
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。 jr bEJ.
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 n#uH^@#0
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。 AjKP -[
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） HgvgO\`]
图6所示.所有真实材料的镜头。 DJ_,1F
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。 %0fF _OU
图8.视场上的衍射PSF。 1P.
W 34
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。 MUhC6s\F
ID WIDE-ANGLE DESEARCH 549 w17\ \[
ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001111 15 {>H#/I8si
WAVL .6562700 .5875600 .4861300 iS&~oj_-%
APS -10 an_qE}P
UNITS MM CoDu|M%
OBD 1.00000E+09 92.40000153 0.2887 -15.8713919 0 0 0.2887 Zf68 EB
0 AIR |s-q+q{|
0 CV 1.0000000000000E-09 AIR O$k;p<?M
1 CV 0.0260937958778 TH 1.00000000 ,d(F|5 M:
1 N1 1.81072491 N2 1.81597447 N3 1.82822278 &$?e D{
1 CTE 0.630000E-05 x%23oPM
1 GTB O 'S-LAH59 ' gh=s#DQsFw
2 CV 0.1062185691313 TH 8.73634084 AIR @kvgq 0ab
3 CV -0.0381411162195 TH 5.91174196 ` wuA}v3!
3 N1 1.82896003 N2 1.83478459 N3 1.84849295 %_0,z`f
3 CTE 0.620000E-05 jb~a z
3 GTB O 'S-LAH55V ' T)&J}^j
4 CV 0.0660034452801 TH 16.85831989 AIR sOg@9-_Uh
5 RAD -138.0968858112222 TH 4.37718093 l>`N+ pZ$
5 CC 100.00000000 R p
`JF}~o
7 h#'(i<5v
5 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994 ^.5 L\
5 CTE 0.630000E-04 S+3'C
5 GTB U 'OKP4RX50 ' kq6S`~J^R
5 DC1 0.00000000E+00 7.30200857E-05 1.48416975E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00 D
M(WYL{
5 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 3G9"La,b
5 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 | :$D[=
5 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 vpcHJ ^19
5 PLASTIC %;yDiQ !+
6 RAD -21.0605738757054 TH 44.03095789 AIR 9r-]@6;
6 CC -4.75816695 j}u Fp|df<
6 DC1 0.00000000E+00-6.94211792E-06 3.43604999E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00 E/|]xKG
6 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 Qj5~ lX`W
6 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 ["- pylhK
6 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 j!q5 B c?
7 RAD -111.0507956868741 TH 1.67384895 &, 4]XT
7 CC -100.00000000 aDFu!PLB{)
7 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994 mA} -hR%
7 CTE 0.630000E-04 'bG L@H
7 GTB U 'OKP4RX50 ' Qna
^Ry?6)
7 DC1 0.00000000E+00-1.94604199E-03 5.49833735E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 "u5Hm ^H
7 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 *( YtO
7 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 ?P@fV 'Jo
7 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 K&0op 4&
7 PLASTIC UZ0fw@R M
8 RAD 6.7304260208507 TH 1.00000000 AIR `<kH Ncm
8 CC -0.58536337 @GqPU,RO
8 DC1 0.00000000E+00-2.59873419E-03 9.92318034E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ?#!Hm`\.
8 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0h-holUf}~
8 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 H1_XEcaM+*
8 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 JIvVbI
9 RAD 9.7697110081571 TH 1.75562117 0Ge*\Q
9 CC -3.39966178 p8K4^H
9 N1 1.50724931 N2 1.50995136 N3 1.51625020 4 [a?. .X
9 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 9 +"D8J7
9 CTE 0.900000E-04 x? Z)q4
9 GTB U 'ZEON330R ' ]UKKy2r.
9 DC1 0.00000000E+00-9.94688980E-04 1.07499451E-04 0.00000000E+00 0.00000000E+00 V2sWcV?
9 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 `fh^[Q|4n0
9 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 `}.K@17
9 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 (oX|lPD<b
9 PLASTIC J~ KWn.
10 RAD -8.8072667951121 TH 1.00000000 AIR dl;~-'0
10 CC -4.25736209 .o91^jt
10 DC1 0.00000000E+00 5.98624949E-04 5.28052568E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 s
(|T@g
10 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 d Q ?4@
10 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 7Ipt~K }
10 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 au7%K 5
11 RAD 23.2403610905735 TH 1.72858896 (-*NRY3*
11 CC 1.69037601 H`q" _p:
11 N1 1.50724931 N2 1.50995136 N3 1.51625020 }qmBn`3R
11 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 E@TX>M-&
11 CTE 0.900000E-04 ,/6V ^K
11 GTB U 'ZEON330R ' vF"<r,pg
11 DC1 0.00000000E+00 2.10417649E-03-3.35758216E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 E0[!jZ:c
11 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 ~fw 6sY#
11 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 ?g| K"P<1
11 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 -cs
4<
11 PLASTIC w]]`/`
12 RAD -11.1049150737322 TH 1.00000000 AIR Ol H{!
12 CC -0.19799751 :0IxnK(r&
12 DC1 0.00000000E+00-2.14632707E-04 1.93285361E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 %F-/|x1#Q
12 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 =2uE\6Fl,
12 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 !O
F#4N
12 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 ?xh_ qy;
13 RAD -10.1118316301289 TH 1.00000000 !t "uNlN
13 CC -0.64163783 n4\6\0jq6
13 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994 W7.O(s,32
8 mE)65@3%
13 CTE 0.630000E-04 iz]Vb{5n%
13 GTB U 'OKP4RX50 ' E{gu3 9 D
13 DC1 0.00000000E+00-1.84686149E-03 6.79336881E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ^Dh j<_
13 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 Ntr5Q
IPd
13 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 H6E@C}cyM
13 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 6G6Hg&B
13 PLASTIC rg+28tlDn
14 RAD -9.0418834379157 TH 10.00000000 AIR @+~=h{jv<
14 CC -0.05459002 GlP
[:
14 DC1 0.00000000E+00-9.65748548E-04 5.96199181E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 3U<\y 6/
14 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 8+Al+6d|!
14 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 HVz-i{M
14 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 zMs]9o
15 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR _?<Y>B, E
END r5Ej
jENarB ^As
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。 ;y<)RM
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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