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小火龙果 2023-09-14 10:11

SYNOPSYS 光学设计软件课程四十一：设计一个超广角的镜头

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。 ol#| .a2O  
,Kl6vw8Htg  
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： KF!?; q0J  
 a>6@1liT  
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。 KcPI ,.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： 4Kl{^2  
4 s&9A/&pC  
[attachment=120125] C[c^zn  
?OD43y1rzd  
>/J!:Htk+K  
镜头文件： hsCts@R  
RLE _98 %?0  
ID WIDE-ANGLE DESEARCH ZlEQzL~  
WAVL .6562700 .5875600 .4861300 MeCHn2zwB  
APS               5 fC|NK+Xd`  
UNITS MM L@VIC|~E  
OBD  1.00000E+09   92.4 0.2887  -11.0345861 0 0 0.2887 g._`"c  
wg.TCT2  
   0 AIR xZ84q'i"  
0    CV  1.0000000000000E-09 AIR Fm-D>PR  
1    CV      0.0356159993000   TH      2.50000000 v#X l  
1    GLM      1.50000000             55.00000000 HuB\92u  
2    CV      0.1318873610000   TH      2.99808431 AIR 6O@/Y;5i  
3    CV      0.1145140002814   TH      1.00000000 "Qci+Qq  
3    GLM      1.50000000             55.00000000 lX)ZQY:=:  
4    CV      0.4600712360000   TH      4.00383115 AIR     Tup2;\y  
5 CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR ?j:U<TY)  
END 5yl[#>qt  
vr2cDk{  
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。 Lnk(l2~U  
E!rgR5Bd  
CORE 16 <<vT"2Q]  
DSEARCH 2 QUIET G _1`NyI  
USE CURRENT 5 ALL F'Lav?^  
f5tkv<) %  
GOALS (?W[#.=7  
ELEMENTS 5 D^-6=@<3KD  
FNUM 2 1 p3`odmbN  
BACK 10 SET W`k||U9  
STOP MIDDLE  "o{o9.w  
STOP FREE P;' xa^Y  
ASPH Q n,l{1 q  
ASPHERIC 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0r/pZ3/  
FOV .2 .4 .6 .8 1 f%gdFtJ &  
DELAY OFF =}pPr]Cc  
NGRID 6 .$]%gjIBCl  
SNAP 10 I 7 B$X=  
PLASTIC 5 7 9 11 13 @a]O(S>Ub  
!QUICK 30 40 oY(q(W0ze  
ANNEAL 50 10 Q c|hT\1XR,  
NPASS 50 <$+Cd=71\  
END }.S4;#|hw  
SPECIAL AANT \ )'`F; P  
ACC 10 1 1 $-#|g  
ACA 70 1 10 a}p}G\b|  
LUL 90 .1 1 A TOTL aePLP  
END aMq|xHZ  
GO "54t7  
&)Z!A*w]  
iD"9,1@~n  
N*$L#L$*  
在此案例中，我们使用SET指令指定10 mm的后焦距。DSEARCH 允许您以三种方式控制该距离：如果您只是给出一个距离，例如 BACK 10，程序会在末尾添加 YMT 求解并在 AANT 文件中包含一个目标来控制值。 如果添加权重因子（例如BACK 10 100），则将该权重应用于目标。 第三种方法是请求精确值，在这种情况下使用BACK 10 SET。 现在，程序将简单地将后焦距设置为输入值，在这种情况下为10，并且不会添加 YMT 求解。 对于较复杂的设计，这通常是一个很好的选择，特别是当其他选项返回带有虚像的系统时。 }]BH "  
Li2-G  
要求最大元件厚度为10毫米，总长度小于90毫米，以保持合理。 此外，我们将光线入射到透镜表面的夹角限制在70度内。 否则，对于像这样的大角度，可以在全视场获得掠入射光线，由于膜层问题，这是不切实际的。 {37v.4d;  
9\J6G8b>|I  
请注意，在这种情况下我们不使用 QUICK 选项。 *p  !F+"  
xhTiOt6l  
最后一点：我们在上面的输入中给出了 FNUM 请求的权重。如果我们不这样做，程序将通过 UMC 求解来控制 F /number，并且得到的曲率可能非常大以至于没有光线通过。同样，对于这样复杂的设计，我们必须引导一些事情。通过在 FNUM 上添加权重，程序将最后一个面的曲率视为变量，并控制 AANT 文件中的 F /number，而不是曲率求解。 r!C#PiT}I  
yE{(Ebm  
好的，我们的输入已准备就绪，因此我们运行此 DSEARCH 文件。大约两分钟后我们看到了结果： | f}1bJE+  
d) i64"  
[attachment=120126] +#@)C?G,TF  
*Y\C5L ]  
GB&^<@  
DSEARCH 发现了10种最佳设计，其中大多数非常好。 WUfPLY_c(  
W! =X _  
现在需要进一步改进设计。运行 DSEARCH 产生的优化 MACro，镜头的性能变化很小。 -qW[.B  
FbU98n+z  
现在必须检查视场的像质。 在 PAD 中，单击PAD工具栏中的“扫描”按钮，然后观察到靠近曲面9的光阑在所有视场中都没有很好地填充。在这个广泛的区域和近轴光瞳的系统中，我们必须控制它。 81jVjf?`  
UD6:X&Un  
由于我们改变了 YP0 的数量，目前镜头只有一个不明显的光瞳。这使我们接近光阑真正的结果，但是现在我们必须把它放在那里。在 WS 编辑窗格中，我们输入 ?BA~$|lfxu  
APS -9 Z!eW_""wp  
CSTOP r&0IhE  
WAP 2 u301xc,N<z  
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。 kS)azV  
9Z!|oDP-  
[attachment=120127] zho$g9*  
QHmF,P  
Yn+d!w<3:  
让我们将玻璃模型替换成真实的材料。打开 MRG 对话框，选择U目录（仅匹配塑胶材料），QUIET，SORT，然后单击 OK。镜头材料现在是真正的塑胶材料。 D\CjR6DE  
8Ts_;uId  
[attachment=120128] kl+^0i  
XtP5IN\S  
将继续优化镜头，不希望的塑料材料被更换成其它的玻璃材料，因此我们从 PANT 文件中删除所有 VY sn GLM 行并用 VLIST GLM ALL 替换它们。 q7kE+z   
+ebmve \+  
这只会改变第一和第二个镜片的当前玻璃模型的材料，再次优化和模拟退火。 ?VRf5 Cr-  
p?idl`?^3  
再次运行 MRG，这次选择 Ohara 目录。该程序现在匹配前两个元件，即玻璃，而不是塑胶。设计与以前一样好，如图6所示。（L41L1） d")TH3pG  
q!!gn1PT(T  
[attachment=120129] 2b89th  
[attachment=120130] @q/E)M?  
V X"! a  
f:u3fL  
让我们来看看视场上的衍射图像。转到MPF对话框，选择“视觉外观”，放大设置为5，然后单击“执行”。结果，在图8中，在整个视场上几乎是完美的。 Y k @/+PE  
E9 6` aF{]  
[attachment=120131] T@P[jtH<d  
[attachment=120132] s1kG:h2|$  
HB:VpNFn  
nd3n'b  
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。 ve&"x Nz<  
RLE )0UXTyw^  
ID WIDE-ANGLE DESEARCH                       4 efUa[XO  
ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100     12                           K}a3Bj,  
FNAME 'DSEARCH004.RLE                                    ' LAjreC<W  
MERIT   0.617523E-03 l)K8.(2  
LOG        4 _|f_%S8a_=  
WAVL .6562700 .5875600 .4861300 Zog&:]P'F  
APS              -9 al@Hr*'  
CSTOP $Si|;j$?  
WAP                2 rjWn>M  
UNITS MM   ;t\oM7J|  
OBD  1.00000E+09   92.4 0.2887  -17.3394812 0 0 0.2887                         ,(y6XUV~  
u?%FD~l:uU  
   0 AIR {"WfA  
   0 CV  1.0000000000000E-09 AIR ,.,spoV  
   1 CV      0.0360722609606   TH      2.22538987 zkb[u"  
   1 GLM      1.582541321             69.489424800 Mv_-JE9#>o  
   2 CV      0.1129035344111   TH      7.33905916 AIR #BhDC.CcW  
   3 CV      0.0258877283000   TH      1.00000000 U@:h';.  
   3 GLM      1.862101561             32.759137271 Z(wj5;[G  
   4 CV      0.1907815401493   TH      4.62505325 AIR /^rJ`M[;  
   5 RAD    -22.0769352833601   TH      8.06760017 X')t6DQ(I  
   5 CC     15.35107422 MiN|u  
   5 N1 1.57747609 N2 1.58304761 N3 1.59677576 D&-cNxh  
   5 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 pSKw Xx  
   5 CTE   0.650000E-05 $az9Fmta  
   5 GTB U    'AD-5503         ' <1eD*sC?g  
   5 DC1  0.000000000E+00 -1.278372376E-03 -2.704225148E-05  0.000000000E+00  0.000000000E+00 F|bg2)|du8  
   5 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 Boj#r ,x  
   5 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 F1GFn|OA  
   5 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 )l6(ss!J  
   5 PLASTIC 6.6;oa4j  
   6 RAD     -6.3843807900976   TH      1.00000000 AIR q#_<J1)z  
   6 CC     -1.63833609 uWDWf5@  
   6 DC1  0.000000000E+00  1.393260648E-04 -8.694519770E-06  0.000000000E+00  0.000000000E+00 mV++7DY  
   6 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 PFI^+';  
   6 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 opfg %*  
   6 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 ^`+Kjhht  
   7 RAD     -7.9324248616851   TH     10.01456860 G}LOQ7  
   7 CC     -3.18613168 9(pF!}1 %\  
   7 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 x%`tWE|  
   7 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 ,"U|gJn|^  
   7 CTE   0.600000E-04 =k\Qx),Ir  
   7 GTB U    'ZEON480R        ' 3 4:Y_*  
   7 DC1  0.000000000E+00  9.236235094E-04 -1.504353071E-05  0.000000000E+00  0.000000000E+00 pv"QgH  
   7 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 k< $(  
   7 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 p>h}k_s  
   7 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 r8,'LZIz  
   7 PLASTIC 1qm _Qs&  
   8 RAD    -19.0181938596098   TH     16.68648421 AIR }DFZ9,gQ  
   8 CC     -0.98132904 5gKXe4}\/|  
   8 DC1  0.000000000E+00  7.229015854E-06 -3.530119818E-07  0.000000000E+00  0.000000000E+00 3DOc,}nI~@  
   8 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 * 3#RS  
   8 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 MmH(dp+  
   8 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 2Kz407|'  
   9 CAO      1.68737382       0.00000000       0.00000000 99*QfC  
   9 RAD      4.2463061617809   TH      1.50735195 ~u-_DOA  
   9 CC     -5.54999790 lXip%6c7  
   9 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 ~tZy-1  
   9 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 k2:mIp\  
   9 CTE   0.600000E-04 }iRRf_   
   9 GTB U    'ZEON480R        ' \2[sUY<W  
   9 DC1  0.000000000E+00  4.513134509E-03 -1.189291744E-03  0.000000000E+00  0.000000000E+00 kJ"}JRA<  
   9 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 &UIS17cT  
   9 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 DbrK, 'b%  
   9 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 m2v'zJd}g  
   9 PLASTIC U-pBat.$'C  
   10 RAD     -8.0304051087170   TH      1.00000000 AIR @r]1;KG  
   10 CC      0.92206943 /E^j}H{  
   10 DC1  0.000000000E+00 -4.950375968E-03  1.189788976E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00 m+3]RIr&A  
10 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 HE@P<  
   10 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 iJb-F*_y  
   10 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 jygKw+C  
   11 RAD     -3.7613156285095   TH      1.00000000 Gdv{SCV  
   11 CC     -0.42284721 8V@\$4@b!#  
   11 N1 1.60143115 N2 1.60793545 N3 1.62454862 LX</xI08W  
   11 CTE   0.720000E-04 sWFw[ Y>  
   11 GTB U    'OKP4            ' j"9Zaq_  
   11 DC1  0.000000000E+00  1.180068221E-02  5.892483716E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00 N**" u"CX  
   11 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 xcX^L84\  
11 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 \OVw  
   11 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 o?><(A|  
   11 PLASTIC }*,z~y}V#  
   12 RAD      5.2837613214415   TH      1.00000000 AIR 8X)1bNGqhe  
   12 CC    -21.87743665 TlpQ9T  
   12 DC1  0.000000000E+00  7.571999432E-03  2.001801857E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00 +m4?a\U  
   12 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 9d8U@=  
   12 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 (d#W3  
   12 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 V"5LNtf  
   13 RAD      2.2918318217542   TH      5.99479908 T1M>N  
   13 CC     -2.93101390 # 66vkf*  
   13 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 -~_;9[uV  
   13 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 T;#:Y  
   13 CTE   0.600000E-04 lB(P+yY,/'  
   13 GTB U    'ZEON480R        ' ;fB!/u  
   13 DC1  0.000000000E+00  4.465123244E-03 -4.565059943E-04  0.000000000E+00  0.000000000E+00 `! _mIh}  
13 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 A?H.EZ  
13 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 r?}L^bK  
   13 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 M7c53fz  
   13 PLASTIC =po5Q6@i  
   14 RAD     -9.3294652456923   TH      1.00000000 AIR [t"#4[  
   14 CC     16.95417460 ]]/p.#oD,  
   14 DC1  0.000000000E+00 -8.733089016E-03  1.818419746E-03  0.000000000E+00  0.000000000E+00 "tz`@3,5dN  
   14 DC2  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 k!{h]D0  
   14 DC3  0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 |V mQ  
   14 DC4  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00  0.000000000E+00 ,S-zY\XB  
   15 CV      0.0000000000000   TH      0.00000000 AIR `sM^m`yE  
END L87=*_!B;  
!L@^Zgs|@?  
另一种广角镜头： g>H\"cUv  
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。 lQ|i Ws  
Kbcr-89Gv~  
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
vf?m-wh  
[attachment=120133] ` W{y  
I=|}%WO#  
J#Agk^Y 5  
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。 5 0<  
0ae}!LO  
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。 `:5W1D(  
&u0on) E  
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。 E\XD~  
H)NT2@%{P  
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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