SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头

5~ *'>y
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。 _^ CQ*+F
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： ';fU.uy
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。 F| ,Vw{
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：

0IT20.~
    RLE 's7SZ$(
    ID WIDE-ANGLE DESEARCH ^Xt]wl*]+
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 I49=ozPP
     APS               5 SoM ]2^
     UNITS MM y$r?t0
     OBD  1.00000E+09   92.4 0.2887  -11.0345861 0 0 0.2887 FzsS~C$wH{
|RvpEy76
       0 AIR fd,}YAiX
    0    CV  1.0000000000000E-09 AIR Gr"2G,,VI
    1    CV      0.0356159993000   TH      2.50000000 ]ukj]m/@
    1    GLM      1.50000000             55.00000000 ~NxoF
    2    CV      0.1318873610000   TH      2.99808431 AIR ~3*ZG
    3    CV      0.1145140002814   TH      1.00000000 9^C!,A{u4
    3    GLM      1.50000000             55.00000000 =E6i1x%j
    4    CV      0.4600712360000   TH      4.00383115 AIR    5 CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR +^]PBMM1w
    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。

CpP$HrQ
    CORE 16 Y+PvL|`O
    DSEARCH 2 QUIET j.yr5%
    USE CURRENT 5 ALL DY+8m8!4H
EiIFVP
    GOALS ;>QK}#'
    ELEMENTS 5 rTH[?mkf4
    FNUM 2 1 m;tY(kO
    BACK 10 SET g^<q L|
    STOP MIDDLE Yf2+@E
    STOP FREE S#%JSQo:
    ASPH Q +_|cZlQ&
    ASPHERIC 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ][>M<J
    FOV .2 .4 .6 .8 1 K&"Pm9
    DELAY OFF :BZx)HxQ
    NGRID 6 LTls]@N
    SNAP 10 Spr:K,
    PLASTIC 5 7 9 11 13 zf!\wY"`
    !QUICK 30 40 ?` ZGM
    ANNEAL 50 10 Q me}Gb a
    NPASS 50 |2t7mat
    END fb=$<0Ocj
    SPECIAL AANT E*!zJ,@8
    ACC 10 1 1 h+'eFAZ
    ACA 70 1 10 Iy1XnS*
    LUL 90 .1 1 A TOTL |yl0}.()
    END +EB,7<5<
|Nx!g fU
    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

p$!+2=)gY
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。

9qO:K79|
    ID WIDE-ANGLE DESEARCH 549 K}*p(1$u
    ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001111 15 Q_|S^hxQ
    WAVL .6562700 .5875600 .4861300 9C'+~<l
    APS -10 A5H8+gATK
    UNITS MM .1q~,}toX
    OBD 1.00000E+09 92.40000153 0.2887 -15.8713919 0 0 0.2887 q}24U3ow
    0 AIR &l}xBQAL
    0 CV 1.0000000000000E-09 AIR WMz|FFKVY
    1 CV 0.0260937958778 TH 1.00000000 ,xM*hN3A
    1 N1 1.81072491 N2 1.81597447 N3 1.82822278 uXW. (x7"f
    1 CTE 0.630000E-05 }6{)Jv
    1 GTB O 'S-LAH59 ' ]X;*\-
    2 CV 0.1062185691313 TH 8.73634084 AIR i2R]lE8
    3 CV -0.0381411162195 TH 5.91174196 27i<6PAC[A
    3 N1 1.82896003 N2 1.83478459 N3 1.84849295 M #RuI%
    3 CTE 0.620000E-05 `0vy+T5
    3 GTB O 'S-LAH55V ' O NzdCgY
    4 CV 0.0660034452801 TH 16.85831989 AIR Nm :lC%>X
    5 RAD -138.0968858112222 TH 4.37718093 EjCzou
    5 CC 100.00000000 Hw.@Le>
    7 <+JFal
    5 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994 0+`*8G)
    5 CTE 0.630000E-04 <yaw9k+P
    5 GTB U 'OKP4RX50 ' b0CaoSWo
    5 DC1 0.00000000E+00 7.30200857E-05 1.48416975E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00 [B;Ek\5W
    5 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 aZ0iwMK
    5 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 Q2WrB+/
    5 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 FJH8O7
    5 PLASTIC 48*pKbbM4
    6 RAD -21.0605738757054 TH 44.03095789 AIR 'Bn_'w~j{
    6 CC -4.75816695 =@/^1.`
    6 DC1 0.00000000E+00-6.94211792E-06 3.43604999E-07 0.00000000E+00 0.00000000E+00 wbKBwI5w
    6 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 pY5HW2TsY|
    6 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 ba:^zO^
    6 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 oa|*-nw
    7 RAD -111.0507956868741 TH 1.67384895 !{aA*E{
    7 CC -100.00000000 mP+yjRw
    7 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994 5Kxk9{\8
    7 CTE 0.630000E-04 6y!?xot
    7 GTB U 'OKP4RX50 ' 0s[3:bZ\Ia
    7 DC1 0.00000000E+00-1.94604199E-03 5.49833735E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 P[K T
    7 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 1MFpuPJk
    7 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 tdK^X1
    7 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 }ZGpd9D
    7 PLASTIC C8zeqS^N
    8 RAD 6.7304260208507 TH 1.00000000 AIR k(Xv&Zn
    8 CC -0.58536337 'UCx^-
    8 DC1 0.00000000E+00-2.59873419E-03 9.92318034E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 UoT}m^ G
    8 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 l+qtA~V&2
    8 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 X.5LB!I)
    8 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 ExU|EN-
    9 RAD 9.7697110081571 TH 1.75562117 -\v8i.w0
    9 CC -3.39966178 UeeV+xU
    9 N1 1.50724931 N2 1.50995136 N3 1.51625020 pC Is+1O/
    9 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 ofv 1G=P
    9 CTE 0.900000E-04 ()JDjzQT
    9 GTB U 'ZEON330R ' 70(?X/5#
    9 DC1 0.00000000E+00-9.94688980E-04 1.07499451E-04 0.00000000E+00 0.00000000E+00 =xP{f<`
    9 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 mQuaO# I,
    9 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 (19<8a9G
    9 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 }f*S 9V
    9 PLASTIC eZ$1|Sj]j
    10 RAD -8.8072667951121 TH 1.00000000 AIR >7Q7H#~w
    10 CC -4.25736209 k;X1x65uP
    10 DC1 0.00000000E+00 5.98624949E-04 5.28052568E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 H43D=N&
    10 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 2 -8:qmP(
    10 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 M&-/&>n!
    10 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 j"8N)la
    11 RAD 23.2403610905735 TH 1.72858896 >:|q J$J.
    11 CC 1.69037601 =_3qUcOP
    11 N1 1.50724931 N2 1.50995136 N3 1.51625020 (j"MsCwE
    11 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 %W@IB8]Vr
    11 CTE 0.900000E-04 DlO;EH
    11 GTB U 'ZEON330R ' feHAZ.8rp+
    11 DC1 0.00000000E+00 2.10417649E-03-3.35758216E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 YNk|UwJi
    11 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 IQv>{h}
    11 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 F x8)jBB_
    11 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 7?#32B Gr
    11 PLASTIC n/D]r
    12 RAD -11.1049150737322 TH 1.00000000 AIR ;wB3H
    12 CC -0.19799751 :E*U*#h/
    12 DC1 0.00000000E+00-2.14632707E-04 1.93285361E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 Dw,f~D$+ic
    12 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 O,#[m:Ejb
    12 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 OO>2oH
    12 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 Xpwom'
    13 RAD -10.1118316301289 TH 1.00000000 4f,x@:Jw
    13 CC -0.64163783 Z8UM0B=i
    13 N1 1.64225416 N2 1.65063034 N3 1.67223994 *h9vMks o
    8 i(rY'o2 BN
    13 CTE 0.630000E-04 #1R %7*$i
    13 GTB U 'OKP4RX50 ' h (2k;M^s
    13 DC1 0.00000000E+00-1.84686149E-03 6.79336881E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0k [6
    13 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 e vuP4-[y
    13 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 b"9,DQB=i
    13 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 !CKUkoX
    13 PLASTIC "<#:\6aym
    14 RAD -9.0418834379157 TH 10.00000000 AIR 1YL5 ![T
    14 CC -0.05459002 HbVLL`06*
    14 DC1 0.00000000E+00-9.65748548E-04 5.96199181E-05 0.00000000E+00 0.00000000E+00 BZ9iy~
    14 DC2 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 v^'~-^s
    14 DC3 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 RGmpkQEp
    14 DC4 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 [%kucGC7
    15 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR 37Y]sJrs$
    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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