SYNOPSYS 光学设计软件课程三十七：自动查找和更改镜头结构

在本课程中，我们将展示一个具有挑战性的问题，然后利用这些工具，在短时间内，找到优秀的设计。我们将使用DSEARCH来获取初始结构，然后使用其他功能来修改镜头结构，提高其性能。         [BJzZ>cY
（在本课中，我们将使用模拟退火功能进行搜索和优化，因为它通常会返回最佳结果。但是，由于流程的随机性，该功能并不总是返回相同的结果，因此如果运行这个练习本身，结果可能会有所不同。但整体质量通常大致相同。）   "``>ii
       E>tHKNyVTp
根据下面要求设计一个广角目镜。视场角：90度。出瞳距:15毫米或以上望远镜目标的光束数:F/8。可见光谱:C、d、F夫琅和费谱线。 0.58756微米的光程差校正在d¼波长内或更好的 C(0.6563微米)和F(0.4876 um) 光程差校正½波长内或更好用眼点处的光瞳像差不大于1/2 mm。一个内部视场光阑，其中子午图像误差必须不大于在局部F /number光束中艾里斑的两倍。望远镜物镜距离2000mm。目镜必须不超过10个元件。目镜总长度不超过200毫米。         UCfouQCj
在这里我们将使用计算机来完成它的工作，设计师协助指导。 Wq<oP
我们从零开始，使用DSEARCH让计算机自行设计一个初始结构。这个程序的输入如下所示。读者可参阅SYNOPSYS用户手册以了解有关格式的描述。 4s9@4
     em3+V
    LOG cl`Wl/Q#
    TIME pgh(~[
    CORE 14 MQx1|>rG
    DSEARCH 5 QUIET k89N}MA
    SYSTEM {G x=QNd
    ID EYEPIECE EXAMPLE d wG!]j>:_
    OBD 1.0E9 45 1.27 (XmmbAbVom
    UNI MM L{&2 P
    WAVL CDF XF)N_}X^
    WAP 1 DMG'8\5C
    END jIe /X]
     ^O@eyP
    GOALS >zX^*T#
    ELEMENTS 9 L +Uq4S^
    TOTL 200 .01 6[ 3 K@
    BACK 0 0 \L~^c1s3r
    FNUM 8.0 10 Z+y'w#MZL
    ASTART 10 WVpx
    THSTART 10 T%6JVFD
    RSTART 400 }lX$KuD
    RT 0.0 `b8nz7
    NPASS 80 *1kFy_Gx
    DELAY OFF [.xY>\e
    ANNEAL 100 25 Q \UZGXk
    SNAP 10 iw/~t
    TOPD 4Xa]yA =
    STOP FIRST                 9M27;"gK
    STOP FREE 7{O iV}]"
    QUICK 50 100 m=@xZw<
    FOV 0 .3 .6 .75 .9 1.     ! 正确的超过5个视场点 c:0n/DC
    FWT 3 1 1 1 1 1 +vxf_*0;
    END KqJln)7
     |"9&F
    SPECIAL AANT Cfmd*,
    ACA 50 1 1 xJ{r9~
    ADT 10 .1 1 hDB(y4/
    M 15 1 A P YA 1 0 0 0 1    ! 控制眼距 $%DoLpE>
    M -.008 4 A P HH 1         ! 将灯光瞄准目标的右侧 WFahb3kx
    M -.004 4 A P HH .5        ! 控制光瞳像差 }g-w[w 7p
    M -.0064 4 A P HH .8 +%\Ci!%b
    M 0 1 A P YA 1               Bh=t%#y|`
    S GIHT i;C` .+
    END o"BED!/
    GO N7lg6$s Aj
    TIME ,NZllnW
     |}:}14ty
运行此命令，当搜索完成时，程序将显示它找到的10个最佳配置的结构。在DSEARCH上对该镜头进行优化MACro并模拟退火后，镜头非常好，如下图所示。 J?J4<l9

DSEARCH返回的最佳设计，优化和退火

该图显示了波前差，均小于1/4波长。到现在为止还挺好。但是，还必须观察并纠正这些广角目镜中的光瞳像差。如果这些像差太大，当用户扫描视场时，视场的一部分会变黑。我们必须进行检查。
准备一个新的MACro 如下:

    STO 9
    CHG
    NOP
    18    TH 2000
    19    YMT
    20
    END
    STEPS = 100
    PLOT YA ON 19 FOR HBAR =0 TO 1 GET 9


    并运行它。这将进行下列工作:
1.去除表面18的YMT解 (通过NOP，去除所有的解)。
2.将表面19放置在距离为2000毫米的位置。这将模拟在该距离处的望远镜物镜。
3.将YMT求解分配到曲面19，然后聚焦于表面20。
4.声明表面20。
5.绘制一幅在表面19上的主光线截距图。如果光线都落在表面19的中心附近，像差就会得到控制。
运行此MACro，您会看到物体处的光瞳像差，如下所示。F / 8，在2000mm的距离处，物镜的直径将为250mm。因此，6毫米的主光线误差仅为物镜尺寸的2.4％左右，我们允许在2.54毫米的入射光瞳上存在约1/2毫米像差，或约20％的像差，因此我们判断这种修正程度令人满意。然而，这并不是没有代价的; SPECIAL AANT部分的HH目标对任何表现出大的光瞳像差的解进行了控制。您可以随意调整这些目标的权重，根据您的喜好平衡所有误差。
在命令窗口中输入PLOT YA ON 19 FOR HBAR = 0 TO 1

为目镜计算的物镜上的光瞳像差

目镜已经处于衍射极限，但尚未完成，因为我们没有控制在视场光阑处的图像质量。
我们必须控制它 - 但是镜头还没有视场光阑。在WorkSheet中，单击“添加表面”按钮，如下所示

然后单击曲面3和4之间的轴。如图所示，添加表面

带有附加表面的镜头

现在在WS编辑窗格中输入5 FLAG
并点击更新。现在您可以在AANT文件中使用该名称引用该表面。编辑DSEARCH为您生成的MACro。

    PANT
    VY 0 YP1
    VLIST RD ALL
    VLIST TH ALL
    VLIST GLM ALL
    END
    AANT P
    AEC 3 1 1
    ACM 3 1 1
    ACC
    GTR 0 2 4 P 1 0 FLAG
    GTR 0 2 4 1 1 0 FLAG
    GTR 0 2 4 3 1 0 FLAG
    M 0 10 A 1 YA 1 0 0 0 FLAG
    S 3 YA 1 0 0 0 FLAG
    M   0.125000E+00  0.100000E+02 A CONST 1.0 / DIV FNUM
    GSR     0.000000     3.000000      4  M     0.000000
    GNR     0.000000     1.000000      4  M     0.300000
    GNR     0.000000     1.000000      4  M     0.600000
    GNR     0.000000     1.000000      4  M     0.750000
    GNR     0.000000     1.000000      4  M     0.900000
    GNR     0.000000     1.000000      4  M     1.000000
    GSO     0.000000     0.281753      4  M     0.000000
    GNO     0.000000     0.093918      4  M     0.300000
    GNO     0.000000     0.093918      4  M     0.600000
    GNO     0.000000     0.093918      4  M     0.750000
    GNO     0.000000     0.093918      4  M     0.900000
    GNO     0.000000     0.093918      4  M     1.000000
    M   0.200000E+03  0.100000E-01 A TOTL
    ACA 50 1 1
    M 15 1 A P YA 1 0 0 0 1        ! 控制眼距
    M -.01 5 A P HH 1              ! 瞄准物镜右侧的光
    M -.005 5 A P HH .5            ! 控制光瞳像差
    M -.008 5 A P HH .8
    M 0 1 A P YA 1                 ! 失真也是如此
    S GIHT
    END
    SNAP/DAMP 1
    SYNOPSYS   80
当你运行这个MACro时，图像变得更糟！纠正视场光阑的弥散斑并不容易，程序必须进行权衡。有经验的人会注意到，您无法在视场光阑处用只有两个在左侧的冕牌玻璃元件校正横向色差。你需要一个火石玻璃元件 - 但我们会让程序来完成。

镜头在增加一个透镜之前，优化视场光阑

是时候运行自动元件插入功能了。在PANT命令之前，添加如下命令行
AEI 6 1 123 0 0 1 0 0
再次运行MACro。该程序在前端附近添加了一个火石玻璃元件，图像更好了。注释掉AEI命令行，再次优化，然后模拟退火。评价函数降低了。

镜头通过添加新镜片后重新优化

你还必须注意像这样的广角设计中的中间视场点。运行PAD扫描，您会看到校正的像差仍然低于1/4波长。
创建一个检查点并输入MRG以打开Real Glass菜单。选择Ohara目录，玻璃库 6，安静，SORT，然后单击OK。

让我们来看看畸变。输入GDIS 21 G. 根本不会发现任何的畸变。

最终设计的畸变图

现在我们必须检查在视场光阑处图像的校正。制作一个检查点并输入

    CHG
    7 MXSF
    END
这会截断表面11处的镜头（它是暂时的，因此我们可以在视场光阑处评估图像）。只有TFAN会影响目视光阑处的清晰度。
使用光谱向导模拟10个波长，可见光谱，强光。然后打开图像工具菜单（MIT），选择0.1 mm的参考尺寸，相干效果，HBAR = 1的点源，多色，然后单击处理。

MIT对话框，带有视场光阑边缘上的点的图像。看起来很清晰。
实际上，视场光阑处的弥散斑接近于Y方向上的衍射极限。恢复检查点，以便评估最终图像。
这个镜头似乎符合我们的每一个要求。要进行验证，请运行Spectrum Wizard（MSW）以定义可见光谱间隔的10个波长，然后运行OFPSPRD功能以显示视场上的衍射图案。（使用MPF对话框;选择显示视觉外观, 放大4）结果如下所示。

这个目镜将产生一个无畸变的图像。对光瞳像差的检查显示，在视场中光瞳的偏离小于允许的1/2毫米。
DSEARCH可以在几秒钟内探索设计树的数百个分支，使用不同的输入将探索其他分支。对于设计空间的研究，这是一个可以使用的工具。

这节课我们讲了好几次;有时结果并不像这个那么好，在一种情况下，我们只有9个元件的透镜几乎和这个10个元件的透镜一样好。DSEARCH可以在几秒钟内探索设计树的数百个分支，使用稍微不同的输入将探索其他分支。对于设计空间的研究，这是一个可以使用的工具。
新用户可能想知道为什么本课要求对象类型OBD并激活WAP 1选项。这里有一些光学器件，理解它是个好主意。在设计这样的目镜时，就是所谓的“Ftheta”镜头。在普通的相机镜头中，人们希望图像高度与物体高度成比例;那么没有畸变。但是这在目镜中是行不通的，因为目镜需要物体和图像的角度成比例，而不是高度成比例。物体OBD指定物体角度（此处为45度，从眼点追踪），然后视场参数HBAR也指分数阶角度，也不是高度。当纠正畸变时，角度是成比例的，并且视场星点之间的明显角度间隔是恒定的，无论它们出现在视场中的哪个位置，正如人们所期望的那样。由于角度放大率在场上是恒定的，根据拉格朗日定律，入射光束（在眼睛处）的直径也是恒定的。WAP 1选项负责这一点。
我们从这节课中学到了什么？很明显，数值方法是有效的。经典的设计师将在这样的设计上工作很多天，如果他们成功，他们会为结果感到自豪。他们将对哪些元素纠正哪些像差等有所了解。另一方面，本课中使用的数值工具将在很短的时间内产生出色的设计。如果你的目标是以最低的成本获得产品，不管它是如何工作的，那么数值方法显然是最有效的。如果您想知道它是如何工作的，请查看第三个CPLOT功能。

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