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。 =&6eM2>P
v {RZJ^1
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： b\f
O8{k
&{5,:%PXw
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。 >[f?vr z
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： WH%g(6w1j
F k7?xc
[attachment=120125] 39c2pV[
H;mSkRD3N
Y+pHd\$-4
镜头文件： I]|Pq
RLE /*~EO{o
ID WIDE-ANGLE DESEARCH + S zU
WAVL .6562700 .5875600 .4861300 AhN 4mc@
APS 5 f ^3* )Ni
UNITS MM a9e>i U
OBD 1.00000E+09 92.4 0.2887 -11.0345861 0 0 0.2887 t
mn tp
yNBQ GSH
0 AIR rCEyQ)R_}
0 CV 1.0000000000000E-09 AIR 2F;y;l%
1 CV 0.0356159993000 TH 2.50000000 q~Hn -5H4Q
1 GLM 1.50000000 55.00000000 4IK( 7
2 CV 0.1318873610000 TH 2.99808431 AIR O ;Rqv
3 CV 0.1145140002814 TH 1.00000000 E*& vy
3 GLM 1.50000000 55.00000000 ;7*[Bcj.
4 CV 0.4600712360000 TH 4.00383115 AIR t3 WiomNCc
5 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR F~ty!( c
END U)TUOwF
E, Z$pKL?
光束以92.4度进入并以合理的角度出射。现在创建 DSEARCH 输入 MACro。 @3i\%R)n;
j8i[ONq^
CORE 16 d7^}tM
DSEARCH 2 QUIET [&[k^C5
USE CURRENT 5 ALL Yu/ID!`Z
[|wZ77\
GOALS ho{*Cjv
ELEMENTS 5 r+!YI k
FNUM 2 1 wVXS%4|v
BACK 10 SET &A/]pi-\
STOP MIDDLE /V8 #[9K
STOP FREE Oxnp0 s
ASPH Q G&SB-
ASPHERIC 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 .8g)av+
FOV .2 .4 .6 .8 1 _%Bi: HG0
DELAY OFF >h1}~jW +
NGRID 6 .~db4d]
SNAP 10 Y|m +dT6
PLASTIC 5 7 9 11 13 t?X877 z
!QUICK 30 40 *U- 4Sy
ANNEAL 50 10 Q h8j .(
NPASS 50 3Aip}<1
END 0 J S?; fk
SPECIAL AANT ' {OgN}'{
ACC 10 1 1 M7\szv\Zc=
ACA 70 1 10 2 34p9A@
LUL 90 .1 1 A TOTL tIi &;tw]
END eeg)N1\
GO 4KAZ ':
f%JIp#B
7Die
FZ?
L+F@:H6/0
在此案例中，我们使用SET指令指定10 mm的后焦距。DSEARCH 允许您以三种方式控制该距离：如果您只是给出一个距离，例如 BACK 10，程序会在末尾添加 YMT 求解并在 AANT 文件中包含一个目标来控制值。 如果添加权重因子（例如BACK 10 100），则将该权重应用于目标。 第三种方法是请求精确值，在这种情况下使用BACK 10 SET。 现在，程序将简单地将后焦距设置为输入值，在这种情况下为10，并且不会添加 YMT 求解。 对于较复杂的设计，这通常是一个很好的选择，特别是当其他选项返回带有虚像的系统时。 ~NgA
Ty\R=y}}
要求最大元件厚度为10毫米，总长度小于90毫米，以保持合理。 此外，我们将光线入射到透镜表面的夹角限制在70度内。 否则，对于像这样的大角度，可以在全视场获得掠入射光线，由于膜层问题，这是不切实际的。 :VB V&l`
[
`7Q<'oK
请注意，在这种情况下我们不使用 QUICK 选项。 M^Yh|%M
bP#:Oi0v`
最后一点：我们在上面的输入中给出了 FNUM 请求的权重。如果我们不这样做，程序将通过 UMC 求解来控制 F /number，并且得到的曲率可能非常大以至于没有光线通过。同样，对于这样复杂的设计，我们必须引导一些事情。通过在 FNUM 上添加权重，程序将最后一个面的曲率视为变量，并控制 AANT 文件中的 F /number，而不是曲率求解。 \w>y`\6mX
ZoqZap6e
好的，我们的输入已准备就绪，因此我们运行此 DSEARCH 文件。大约两分钟后我们看到了结果： 2|y"!JqE1
I|!OY`ko
[attachment=120126] XX!%RE`M8
,KZ~?3$yj
\7eUw,~Q>
DSEARCH 发现了10种最佳设计，其中大多数非常好。 "cGk)s
.sW|Id )
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。 k'Hs}z eNn
e]aDP 1n3t
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。 @;4zrzQi7
`hm-.@f,9
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 z9Mfd#5?>P
APS -9 l30EKou l)
CSTOP \K {
z
WAP 2 0auYG>< =
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。 l'1pw
C =xa5Y
[attachment=120127] aKDKmHd
B@))8.h]
Po0A#Z l
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。 R^fPIv`q
v~C
Czg
[attachment=120128] c#]4awHU
CxmKz78
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。 }6~hEc*/"
Q\vpqE! 9
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。 B mb0cF Q
est9M*Fn
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） (L:>\m&NO
) q4[zv9
[attachment=120129] ]5cT cX;Z#
[attachment=120130] 5;WH:XM
3 \,4 ]l|
E&w7GZNt
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。 ]N]!o#q}L
C.P*#_R
[attachment=120131] QIEJ6`
[attachment=120132] Q{>k1$fkV
RP|`HkP-2
Dy&i&5E.-l
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。 3,w_ ".m`#
RLE 3=[mP, pLh
ID WIDE-ANGLE DESEARCH 4 {Xy5pfW
Q
ID1 DSEARCH CASE WAS 0000000000000000000001100 12 G_JA-@i%
FNAME 'DSEARCH004.RLE ' Y@iS_lR
MERIT 0.617523E-03 (WJRi:NP?
LOG 4 3}1u\(Mf
WAVL .6562700 .5875600 .4861300 M _f:A
APS -9 NxY#NaE:?4
CSTOP ^\% (,KNo
WAP 2 qR{= pR
UNITS MM |Ez>J+uye(
OBD 1.00000E+09 92.4 0.2887 -17.3394812 0 0 0.2887 Ax@$+/Z!
% 1L,Y
0 AIR @mBQ?; qlK
0 CV 1.0000000000000E-09 AIR 0+ '&`Q!u
1 CV 0.0360722609606 TH 2.22538987 $PPi5f}HD
1 GLM 1.582541321 69.489424800 z<;HQX,
2 CV 0.1129035344111 TH 7.33905916 AIR j$:~Rek
3 CV 0.0258877283000 TH 1.00000000 JbbzV>
3 GLM 1.862101561 32.759137271 |df Pki{
4 CV 0.1907815401493 TH 4.62505325 AIR 3 3q}CzK
5 RAD -22.0769352833601 TH 8.06760017 =WAT yY:s
5 CC 15.35107422 ;'K5J 9k
5 N1 1.57747609 N2 1.58304761 N3 1.59677576 A)!*]o >U
5 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 yyJ f%{
5 CTE 0.650000E-05 T -2t.X s
5 GTB U 'AD-5503 ' jr. "I+
5 DC1 0.000000000E+00 -1.278372376E-03 -2.704225148E-05 0.000000000E+00 0.000000000E+00 F>l]
9!P|m
5 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 R n[ cW5Y<
5 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 d0ks G$
5 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 59A}}.@?m
5 PLASTIC cT,sh~-x,
6 RAD -6.3843807900976 TH 1.00000000 AIR 7}> E J
6 CC -1.63833609 % $L{R
6 DC1 0.000000000E+00 1.393260648E-04 -8.694519770E-06 0.000000000E+00 0.000000000E+00 [q -h|m
6 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ~!L} yw
6 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0~S^Y1hH
6 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 KpGhQdR#
7 RAD -7.9324248616851 TH 10.01456860 eMsd3 7J
7 CC -3.18613168 FZlWs p=
7 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 GVn!O1jio
7 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 I J"q~r$
7 CTE 0.600000E-04 NLq zi%s
7 GTB U 'ZEON480R ' abj Q)=u
7 DC1 0.000000000E+00 9.236235094E-04 -1.504353071E-05 0.000000000E+00 0.000000000E+00 bd-L` ={j
7 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 cwg"c4V
7 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 %u'u kcL7
7 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 L4HI0Mx
7 PLASTIC wHy!CP%
8 RAD -19.0181938596098 TH 16.68648421 AIR p5iuYHKk?
8 CC -0.98132904 5 ]0 <9a
8 DC1 0.000000000E+00 7.229015854E-06 -3.530119818E-07 0.000000000E+00 0.000000000E+00 C'x&Py/#
8 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ga +dt
8 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 VPo".BvG6
8 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 C6PdDRf
9 CAO 1.68737382 0.00000000 0.00000000 w?[u pn:K
9 RAD 4.2463061617809 TH 1.50735195
8A# ;WG
9 CC -5.54999790 z}
#JK? u
9 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 !Vk^TFt`
9 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 hgq;`_;1,
9 CTE 0.600000E-04 g 7H(PF?
9 GTB U 'ZEON480R ' fJg+ Ryo
9 DC1 0.000000000E+00 4.513134509E-03 -1.189291744E-03 0.000000000E+00 0.000000000E+00 k_#)Tw*
9 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ygcm|PrS
9 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ]f_p 8?j"
9 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 9* M,R ,y
9 PLASTIC z{QqY.Gu{G
10 RAD -8.0304051087170 TH 1.00000000 AIR TLH1>pY&
10 CC 0.92206943 59u }W 0
10 DC1 0.000000000E+00 -4.950375968E-03 1.189788976E-04 0.000000000E+00 0.000000000E+00 %N._w!N<5n
10 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 $& c*' 3
10 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 W>r+h-kR
10 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 ;$4\ e)AB
11 RAD -3.7613156285095 TH 1.00000000 :2`e(+Uz
11 CC -0.42284721 D i{de`
11 N1 1.60143115 N2 1.60793545 N3 1.62454862 UN#S;x*
11 CTE 0.720000E-04 !N^@4*
11 GTB U 'OKP4 ' h ?U
O&(
11 DC1 0.000000000E+00 1.180068221E-02 5.892483716E-04 0.000000000E+00 0.000000000E+00 d=/F}yP~?s
11 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 OyIw>Wfv
11 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 SpBy3wd
11 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 sI2^Qp@O1
11 PLASTIC %hP ^%'G
12 RAD 5.2837613214415 TH 1.00000000 AIR n@3>6_^rwT
12 CC -21.87743665 ~W/z96'
5
12 DC1 0.000000000E+00 7.571999432E-03 2.001801857E-04 0.000000000E+00 0.000000000E+00 ueNS='+m
12 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 %BODkc Zh
12 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 ca9X19 NG
12 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 | -H& o]
13 RAD 2.2918318217542 TH 5.99479908 uxz^/Gk
13 CC -2.93101390 MdF2Gk-9
13 N1 1.52289510 N2 1.52565759 N3 1.53222386 lB4WKn=?Kl
13 DNDT -1.100E-04 -1.100E-04 -1.100E-04 4.30000E-01 5.80000E-01 7.80000E-01 7tp36 TE
13 CTE 0.600000E-04 *Pr ) %
13 GTB U 'ZEON480R ' M6TD"-
13 DC1 0.000000000E+00 4.465123244E-03 -4.565059943E-04 0.000000000E+00 0.000000000E+00 WIGi51yC.x
13 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 zQ PQ
13 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 1Y,Z
%d
13 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 *
y,v }-
13 PLASTIC !,PWb3 S
14 RAD -9.3294652456923 TH 1.00000000 AIR XWw804ir
14 CC 16.95417460 RnN! 2K
14 DC1 0.000000000E+00 -8.733089016E-03 1.818419746E-03 0.000000000E+00 0.000000000E+00 @4#vm@Yf_
14 DC2 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 lTsjxw
o
14 DC3 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.00000000E+00 %so ]L+r2!
14 DC4 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 0.000000000E+00 %iB ,IEw
15 CV 0.0000000000000 TH 0.00000000 AIR mE[y SrV
END rC5O")I<
eS! /(#T
另一种广角镜头： ;* J
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。 : D p0? &_
6LhTBV
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 AQ Ojit6p
[attachment=120133] mkpMfPt
-\MG}5?!
I1J-)R+
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。 +ge?w#R
^zr`;cJ +c
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。 JXx wr)i
7p[n
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。 D_Mm W
'%;m?t% q
除了 DSEARCH 返回的最佳镜头之外，您还可以尝试其他方案。
|